Выбор генератора теплового излучения в технологии капсулирования лобовых частей обмоток тяговых электрических машин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

I EN I

Транспорт

1. Петров А.И. Анализ экономической приспособленности систем пассажирского общественного транспорта в городах Тюменской области к региональной социально экономической конъюнктуре / в межвузовском сборнике научных трудов «Перспективы развития автотранспорта и специальной нефтепромысловой техники». Тюмень, 2006.

2. Петров А.И. Формирование результативности пассажирских автомобильных перевозок в условиях переменной внешней среды. Тюмень, Изд-во ТюмГНГУ, 2009. 152 с.

3. Транспорт и связь Тюменской области. Статистический сборник. Тюмень. ООП Тюменского областного комитета государственной статистики. 1997. 96 с.

Библиографический список

4. Транспорт Тюменской области. Статистический сборник. Тюмень. ООП Тюменского областного комитета государственной статистики. 2001. 136 с.

5. Транспорт Тюменской области (2000 - 2004 гг.). Статистический сборник. Тюмень. ООП Тюменского областного комитета государственной статистики. 2005. 212 с.

6. Транспорт Тюменской области (2003 - 2007 гг.). Статистический сборник. Тюмень. ООП Тюменского областного комитета государственной статистики. 2008. 274 с.

УДК 621.33.025

ВЫБОР ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

И.А.Худоногов1, Е.М.Лыткина2, Д.Ю.Алексеев3, А.А.Васильев4

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

С целью анализа взаимодействия системы «излучатель-пропиточная жидкость» рассмотрена классификация электрических инфракрасных излучателей, на основании которой в качестве генератора теплового излучения в технологии капсулирования лобовых частей обмоток тяговых электрических машин был выбран керамический QCE - излучатель. Излучатель - изогнутый, что позволяет расположить его в наиболее оптимальной позиции относительно задней лобовой части обмотки якоря НБ-514 непосредственно в процессе капсулирования. Ил. 3. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: тяговый электродвигатель; изоляция электрических машин; капсулирование; энергия инфракрасного (ИК) излучения; излучение.

SELECTION OF THE HEAT RADIATION GENERATOR IN THE ENCAPSULATION TECHNOLOGY FOR FRONTAL WINDING PARTS OF TRACTION ELECTRICAL MACHINES I.A. Khudonogov, E.M. Lytkina, D.Yu. Alexeyev, A.A. Vasiliev

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.

In order to analyze the interaction of the system "radiator-impregnating liquid" the authors consider the classification of electric infrared radiators. On this base they selected a ceramic QCE-radiator as a heat radiation generator in the encapsulation technology for frontal winding parts of traction electrical machines. The radiator is arched that enables to position it in the most optimal position relatively the rear frontal winding of the armature НБ-514 immediately during the encapsulation process. 3 figures. 3 sources.

Key words: traction motor; electrical machine insulation; encapsulation; energy of infrared (IR) radiation; radiation.

С целью повышения надёжности изоляции обмоток тяговых электрических машин (ТЭМ) необходимо учесть комплекс требований и условий эксплуатации, обеспечивающий ресурс работы без замены изоляции на пробег до 5 млн км. Притом, когда создаются новые системы изоляции, то преследуется задача макси-

мально использовать свойства новых материалов при возрастании мощности в единице объема и снижении расхода воздуха на охлаждение тяговых электродвигателей (ТЭД). Электротехнологии капсулирования лобовых частей обмоток тяговых электрических машин с использованием теплового излучения для осу-

1Худоногов Игорь Анатольевич, доктор технических наук, доцент кафедры электроснабжения железных дорог, тел.: 89646524520.

Khudonogov Igor, Doctor of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Supply of Railways, tel.: 89646524520.

2Лыткина Екатерина Михайловна, аспирант, ассистент кафедры электроподвижного состава, тел.: 89027619414, e-mail: forevochka@bk.ru

Lytkina Ekaterina, Postgraduate Student, Assistant of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89027619414, e-mail: forevoch-ka@bk.ru

3Алексеев Денис Юрьевич, соискатель, тел.: 89501366058. Alexeev Denis, Competitor for a scientific degree, tel.: 89501366058.

"Васильев Антон Александрович, аспирант, тел.: 89500662396. Vasiliev Anton, Postgraduate Student, tel.: 89500662396.

Iral

Транспорт

ществления этой цели необходимо рассматривать как перспективные [1].

В процессе взаимодействия энергии инфракрасного (ИК) излучения с пропиточной жидкостью выделяется значительное количество газа, который является поглощающей и излучающей средой. В этом случае точное решение уравнений переноса излучения и сохранения энергии с целью нахождения распределения температур и тепловых потоков в поглощающих и излучающих средах весьма сложно и трудоёмко. Требуется индивидуальный подход к составлению, решению и анализу уравнений переноса излучения и сохранения вещества и энергии с целью ресурсосбережения. Индивидуальность заключается в поэтапном анализе взаимодействия системы «излучатель-пропиточная жидкость» с предварительным изучением характеристик источников ИК-излучения и пропиточных жидкостей.

Многообразное использование ИК-излучения в различных сферах деятельности человека определяет необходимость изучения источников ИК-излучения посредством исследования систем классификации. В этой связи книга польских специалистов [2], посвя-щённая источникам инфракрасного излучения, отличается исчерпывающей полнотой изложения материала. Книга состоит из трёх частей: генерирование инфракрасного излучения; электрические инфракрасные излучатели; газовые инфракрасные излучатели. В нашем случае наибольший интерес представляет вторая часть книги, т.е. электрические инфракрасные излучатели. Классификация электрических инфракрасных излучателей, заимствованная из книги с некоторыми добавлениями по новым видам ИК-излучателей, приведена на рис. 1. Приведенная классификация не является международной, однако представляет собой чёткую и определённую систему. Согласно международной классификации ИК-диапазон электромагнитного излучения (от 0,740 мкм до 1...2 мм) по длине волны подразделяют на три области:

- коротковолновая - IR-A (от 0,74 до 1,40 мкм);

- средневолновая - IR-B (от 1,40 до 3 мкм);

- длинноволновая - IR-C (выше 3 мкм).

Спектральные характеристики инфракрасных излучателей зависят в основном от температуры нагрева излучателя и в настоящее время достаточно хорошо изучены.

Однако методика исследования по согласованию спектральных характеристик инфракрасных излучателей и оптических свойств пропиточных материалов подстраивается под серийно выпускаемые кварцевые галогенные лампы-излучатели типа КГ (КИ). Кварцевые галогеновые излучатели - это инфракрасные излучатели с наибольшей интенсивностью излучения. В зависимости от желаемого спектра излучения используются 2 различных вольфрамовых проводника:

- звездчатая спираль для средневолновых галоге-новых излучателей (QTx);

- поддерживаемая нить накала для коротковолновых галогеновых излучателей (QHx).

Время нагрева и охлаждения обоих вариантов составляет несколько секунд, поэтому они особенно

подходят для областей использования с коротким временем цикла.

Получается, что к излучателю подбирается пропиточный лак, а не наоборот. Кроме того, в работах не учитывается степень черноты различных типов инфракрасных излучателей. Если для процесса нагрева используются инфракрасные излучатели, то экономичное нагревание будет связано со степенью излучения (черноты). Высокий эффект будет достигнут в том случае, когда будут учитываться такие спектральные характеристики инфракрасных излучателей, как степень излучения и температура нагрева излучателя.

Два инфракрасных излучателя при одинаковой температуре будут действовать совершенно по-разному. Это можно доказать теоретически, используя классическую электромагнитную теорию.

Согласно классической электромагнитной теории степень черноты инфракрасных излучателей может быть вычислена с помощью их электрических свойств. Решение уравнений Максвелла дает возможность по электрическим магнитным свойствам вещества определять значения показателя преломления и показателя поглощения. Эти значения определяются по следующим формулам:

2 M-Y-С n =-

И-Y-С

1 +

-1 +

1 +

1 +

Л0

2П Со- re - y

Лп

2П-Со- re - y

(1)

(2)

В случае использования для инфракрасных излучателей тел накала из металлов и полупроводников, когда ге сравнимо с диэлектриками, при относительно

Го Л

больших длинах волн

V 2П-Со

Ге ' Y,

становится оп-

ределяющим и формулы (1), (2) преобразуются в следующую формулу (магнитную проницаемость принимаем равной ц0):

n = x =

I 4П- r

3Сп -Лп

(3)

где ц0 - абсолютная магнитная проницаемость среды; Y- абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; С0- скорость электромагнитной волны в вакууме; Л0 - длина волны в вакууме; ге - удельное сопротивление материала.

В формуле (3) все величины представлены в системе СИ. Если Л0 измеряется в мкм, а ге - Ом-см, формула(3) примет вид

n = x =

0.003- Лп

(4)

которая известна как формула Хагена-Рубенса. Если электромагнитная волна падает на поглощаемую среду, тогда

(п2 -1)2 + х22

РЛП (Л) =■

(n2 +1) + x2

(5)

где р - отражательная способность; подстрочные индексы: 0 - вакуум; 1,2 - среда 1 или 2.

2

x =

r

При п = х формула (5) сведется к следующему выражению для материала с показателями преломления п, излучающего в направлении нормали воздух или вакуум:

**п (X = 1 - Р,. (X = 1 -

2п2 + 2п -1 2п2 + 2п +1

.(6)

Подставив (4) в (6), получим формулу для спектральной степени черноты в направлении нормали, известную как формулу Хагена-Рубенса:

(X) = 1 - Рхп (X) = 1 -|1 - - 1 =

(7)

у/о

,ОО3Л0/ г

Спектральную степень черноты в направлении нормали, определенную формулой (5), можно проинтегрировать по всем длинам волн и получить интегральную степень черноты в направлении нормали.

Такая операция приводит к следующему выражению интегральной степени черноты:

£\(Т) = 0.0347^1 гвг273 ■ Т , (8)

где ге,273 - удельное сопротивление при 273 °К (0°С), измеряемое в Ом-см; Т- температура в градусах Кельвина.

Таким образом, и спектральная и интегральная степень черноты зависит от удельного сопротивления материала. Чем больше удельное сопротивление материала, тем выше эти показатели. Интегральная степень черноты зависит еще от температуры нагрева материала.

Из всех электротехнических материалов наибольшую интегральную степень черноты имеет графит. Отношение степени черноты будет показывать экономичность сушки. Зная этот показатель, можно вычислить показатель эргономии излучателя, выполненного из материала, испускающего излучение, по формуле

I = 8'т (Т) = < (Т) ^ е'пад (Т) 0.251 ■Ю3

(9)

где е т(Т) - интегральная степень черноты ¡-го материала, испускающего излучения, Ом-см-К; е'пад(Т) -интегральная степень черноты графита;

е'пад(Т) = 0.251 -103 ■ Ом ■ см ■ К

Эти сведения из классической электромагнитной теории имеют большое практическое значение при анализе взаимодействия системы «излучатель - пропиточный лак» в технологических процессах по восстановлению изоляционных свойств лобовой части обмотки якоря тягового электродвигателя типа НБ-514. Если использовать в качестве тел накала для источника излучения материалы с малым удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, с низкой степенью черноты, то в процессе сушки пропи-

танной изоляции будем иметь неоправданные потери энергии.

Предварительные исследования технологического процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД с открытыми головками указали на эффективность использования всех областей ИК-диапазона. Однако в ближайшей перспективе с позиций ресурсосбережения необходимо провести исследования по применению коротковолновых («светлых») и средневолновых («тёмных») сегментных ИК-излучателей. Выбор геометрической формы и размера сегментных излучателей обусловлен геометрической формой и размером лобовых частей обмоток ТЭМ. На рис. 2 приведен фрагмент повреждённой изоляции на лобовой части обмотки якоря ТЭД НБ 514 со стороны, противоположной коллектору. Как видно из рисунка, лобовая часть обмотки якоря имеет тороидальную форму. Аналогичную форму имеет изогнутый керамический ИК-излучатель (рис. 3). На четверть изогнутый керамический ООБ-излучатель имеет следующие размеры: 60*55*40 мм, мощность 125 или 250 Вт, температура от 300 до 400°С (рекомендуемая), дальность излучения 100-200 мм, стандартный цвет белый (по запросу желтый, розовый, черный, в горячем виде желтый становится светло-коричневым, а розовый - серым). По специальному заказу заводы-изготовители могут выпускать аналогичные излучатели с различными геометрическими параметрами и мощностями.

Излучатель - изогнутый, что позволяет расположить его в наиболее оптимальной позиции относительно задней лобовой части обмотки якоря НБ-514 непосредственно в процессе капсулирования. Может располагаться как вертикально, так и горизонтально, что по сравнению с галогенными излучателями типа КГ, располагаемыми только горизонтально, несомненно, является преимуществом.

В качестве источников коротковолнового излучения можно рекомендовать импульсные керамические преобразователи (ИКП), которые представляют собой электронагревательные элементы нового поколения [3]. Источником первичного инфракрасного излучения является обычная нихромовая или вольфрамовая спираль. Спираль находится в трубке, изготовленной из чистого кварцевого стекла с многослойным функциональным керамическим покрытием. Это покрытие обеспечивает преобразование полного спектра ИК-излучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК-спектра. При этом излучение происходит не в непрерывном режиме, а идет в виде ряда импульсов длительностью 10-3000 мкс. Плотность излучения энергии в импульсе достигает 120-350 Вт/ см2.

Эффект импульсного преобразования связан с циклическими энергетическими превращениями, происходящими в системе. Отличительной особенностью представляемых систем является наличие в них ионов й с переменной валентностью, причем основная матрица проявляет полупроводниковые свойства и формирует ширину спектрального пика импульса.

2

Рис. 1. Классификация электрических инфракрасных излучателей

Рис. 2. Фрагмент повреждённой изоляции на лобовой части обмотки якоря ТЭД НБ 514

Рис. 3. ОСЕ- изогнутый керамический излучатель

Так как система имеет определенный исходный энергетический потенциал, то при прохождении электрического тока система поглощает энергию всего ИК-спектра, используя ее для активизации своей электронной структуры и повышения своего исходного энергетического состояния. При достижении уровня энергетического барьера (насыщения) система пре-

одолевает его и происходит импульсный выброс энергии, после которого система возвращается в исходное энергетическое состояние. Уровень энергии при этом соответствует излучаемому ИК-диапазону. Ширина спектрального пика такого импульса находится на уровне 1-2,5% от излучаемой длины волны. Этим обеспечивается высокий КПД процесса капсулирова-ния изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава.

Другими словами, функциональное керамическое покрытие работает как своеобразный (в зависимости от количества той или иной стабилизирующей добавки) перестраиваемый по длине волны излучения лазерный источник. Абсорбируя тепловое излучение в ИК-диапазоне, керамика аккумулирует его, преобразует, а затем импульсно "выстреливает" достаточно узкополосное излучение в нужной области спектра. При этом длина волны генерируемого ИК- излучения варьируется в диапазоне 1.7-58 мкм. Уникальным свойством получаемого таким образом ИК-излучения является возможность очень точного избирательного (селективного) воздействия непосредственно на молекулярные связи в любых веществах и различных агрегатных состояниях, поскольку в указанном спектральном диапазоне лежат частоты колебаний всех межатомных и межмолекулярных связей в молекулах и молекулярных комплексах. Так, благодаря высокой проникающей способности модулированного ИК- излучения достаточной мощности с соответствующей длиной волны органические и неорганические молекулы пропиточных жидкостей поляризуются. При этом скорость передачи теплоты при использовании излучателей на основе функциональной керамики более чем в 30 раз выше, чем у любого типа существующих в настоящее время нагревателей. Эффект преобразования полного ИК-спектра в эффективное импульсное излучение ИК-спектра узкого диапазона - это частное проявление эффекта инфракрасного лазера. А использование системы автоматизированного управления дискретным ИК-энергоподводом позволит интенсифицировать процесс капсулирования в 1,5-2,0 раза. Проблема заключается в проектировании и изготовлении сегментных ИПК по форме и размерам лобовых частей обмоток тяговых электрических машин, а также в разработке рациональных режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток электрических машин.

Библиографический список

1. Худоногов А.М., Еремеев С.Г., Лыткина Е.М. Критерии оптимальности при капсулировании изоляции лобовых частей обмоток электрических машин тягового подвижного состава // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. №2. С. 236-239.

2. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели / пер. с польск. Л.: Энергия, 1978. 408 с.

3. Рахимов Р.Х. Керамические материалы и их применение. Ташкент: УзПФИТИ, 2002. 667 с.