Катушка обмоток индуктора линейных индукционных машин

Полезная модель относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к конструкциям плоских катушек, которые могут быть использованы в многофазных индукторах плоских и цилиндрических линейных индукционных машин, таких как тяговые линейные асинхронные двигатели, МГД-насосы, МГД-перемешиватели, МГД-дроссели и другие (далее МГД-устройства), работающие в условиях повышенных вибрационных нагрузок, повышенных температур.
В настоящее время в линейных индукционных машинах в качестве обмоток индукторов используются обмотки, подобные обмоткам вращающихся машин, требующие изгиба лобовых частей катушек. Электрические катушки, выполненные из металлического профиля, имеют изгибы малого радиуса в области лобовых частей, что зачастую невозможно выполнить ввиду наличия предельных возможностей проводниковых материалов при деформации. Поэтому часто такие катушки собирают из нескольких частей с помощью сварки. Собранные катушки с витковой и катушечной изоляцией монтируют непосредственно в магнитопровод индуктора и фиксируют в нем с помощью пазовых клиньев. После этого катушки соединяют друг с другом также с помощью сварки, что повышает стоимость катушек ввиду большого количества сварочных операций в ответственных узлах электрических соединений.
Лобовые части обмоток в виде сложности нанесения изоляции требуемого класса нагревостойкости часто не изолируются, а потому не защищены от агрессивного воздействия окружающей среды, например, при использовании насосов в условиях металлургического производства, где рядом с насосом использую активные флюсы, разрушающие материал обмотки. Вышеизложенные обстоятельства обуславливают необходимость в катушках плоской формы.
Из SU 1065903, опубл.07.01.1984 известна плоская катушка обмоток линейного электромагнитного устройства [1].  Известная катушка выполнена из пластин, выполненных из электропроводящего материала. Пластины имеют форму полувитка с внутренним окном по форме сечения сердечника. На одну из сторон пластин нанесен изоляционный слой. Пластины уложены в пакет концами полувитков встречно с перекрытием концов пластин по одной стороне изоляционным слоем, по другой – электропроводящей поверхностью, чередуя их совмещение изоляционными и проводящими сторонами. Кроме того, концы полувитков первой и последней пластин выполнены разной длины. После сборки пакет пластин сжимают, нагревают до температуры плавления припоя и спекают электропроводящие поверхности перекрытых полувитков. Затем обмотку охлаждают, убирают приспособление и закрепляют обмотку на сердечнике электромагнитного устройства.
Таким образом, плоская катушка известной конструкции, содержащая проводящие пластины в форме полувитков с предварительно нанесенным изоляционным слоем, собрана из этих пластин пайкой предварительно нанесенным припоем. Температура эксплуатации такой катушки ограничена как температурой плавления припоя, так и температурой, которую может выдержать предварительно нанесенная изоляция при прогреве температуры плавления припоя.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция плоской катушки индуктора линейных индукционных машин, известная из (Тарасов Ф.Е. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, «Индукционный МГД-насос с одноплоскостной концентрической обмоткой индуктора для транспортировки магния», г. Екатеринбург, 2015г.) [2].
2
Индуктор МГД-насоса содержит 4 катушки, каждая из которых состоит из четырех слоев по 4 витка, вырезанных гидроабразивной резкой из листа алюминия толщиной 4 мм. Слои катушки соединены между собой аргоновой сваркой, при этом электроизоляционный слой выполнен анодированием алюминиевых пластин с применением электролиза при плотности тока 15мА/см. Анодирование заготовок слоев катушки осуществляют перед сборкой и сваркой с получением тонкого (20-30 мкм) слоя оксида алюминия.
Теплоизоляционные свойства катушек обеспечены путем нанесения на пакет собранных пластин теплоизоляционного покрытия из органосиликатной композиции ОС-82-01. Покрытие наносили при температуре от 0 до 35°С и относительной влажности воздуха не более 80% пневматическим распылением, кистью, валиком, окунанием не менее, чем в 2 слоя в течение времени не менее 2 часов. Перед нанесением покрытия в диэлектрические промежутки между слоями катушки вставляли листы из асбестовой ткани. Жесткость этой конструкции обеспечена путем обмотки пакета собранных пластин стеклотканью ЛКСМ в четырех местах до достижения толщины намотки 1мм. Органосиликатная композиция ОС-82-01, которой покрыт пакет собранных пластин, предусматривает горячее отверждение, при котором покрытую конструкцию выдерживают при температуре окружающего воздуха не менее 1 часа, затем производят подъем температуры для температуры эксплуатации 500°С со скоростью 10°С в минуту и выдержкой при данной температуре не менее 3 часов. Органосиликатная композиция заполняет пустоты между слоями катушки и образует после термообработки при температуре, превышающей температуру эксплуатации катушки, прочную изоляцию между слоями катушки и прочное покрытие, предотвращающее повреждение катушки в процессе эксплуатации.
Таким образом, известная из источника [2] катушка индуктора линейных индукционных машин содержит слои из высокопроводящего металла, нарезанные в виде пластин, между которыми имеется межвитковый изоляционный слой из высокотемпературного диэлектрического материала, пластины соединены между собой сваркой, теплоизолированы друг от друга асбестовым материалом и собраны в пакет, пропитанный органосиликатной композицией, запеченной при температуре, превышающей температуру эксплуатации катушки.
2
Электроизоляционный слой выполнен анодированием алюминиевых пластин с применением электролиза при плотности тока 15мА/см. Анодирование алюминиевых пластин с применением электролиза является трудоемкой операцией. Перед анодированием необходимо тщательно подготовить поверхность пластин, а именно, произвести шлифование и обезжиривание поверхности. Операция анодирования требует наличия на производстве участка, оборудованного системой вентиляции для удаления водорода, образующегося в процессе анодирования, что существенно удорожает процесс производства. Следует отметить также, что при невысоком напряжении между витками катушек наличие дополнительного изоляционного слоя не приводит к существенному росту надежности катушек. Кроме того, при использовании органосиликатной композиции, которая после горячего отверждения образует слой изоляции достаточной электрической прочности, наличие или отсутствие анодированного слоя на поверхности слоев катушки существенным образом не сказывается на сроке ее эксплуатации.
Анодирование слоев катушки, выполненной из алюминиевых пластин, в большей степени используют для повышения электроизоляционных свойств витков с применением органосиликатной композиции ОС-82-01, термостойкой до +500°С, известной в применении для защиты металлических конструкций, технологического оборудования и сооружений, и не имеющей нормированных изоляционных свойств. Перед нанесением покрытия в диэлектрические промежутки между слоями катушки вставлены листы из асбестовой ткани. Использование листов асбестовой ткани, вставленных в диэлектрические промежутки между слоями катушки, не обеспечивает достаточную механическую прочность катушки и при тепловом расширении обмотки в процессе эксплуатации может привести к замыканию соседних витков одного слоя.
Задача полезной модели заключается в упрощении технологии изготовления катушек и повышении ее надежности.
Предложенная конструкция катушки отличается от прототипа тем, что межвитковый изоляционный слой выполнен с помощью ленты из термостойкого гибкого изоляционного материала на основе асбеста и стекловолокна, в части катушки, размещаемой в пазу магнитопровода индуктора, поверх собранных пластин намотана лента из стекловолокна, при этом пакет собранных пластин покрыт органосиликатной композицией ОС-92-03.
Межвитковый изоляционный слой заявляемой катушки,  выполненный с помощью ленты из термостойкого гибкого изоляционного материала на основе асбеста и стекловолокна, обеспечивает фиксацию зазора между соседними витками при температурном расширении, поэтому в данном случае не требуется применения предварительного электролизного анодирования пластин для обеспечения достаточного уровня электрической изоляции между витками при их контакте из-за тепловой деформации. Применение органосиликатной композиции ОС-92-03 позволяет без анодирования создать электроизоляционное, термостойкое покрытие пакета из собранных пластин.  Изоляция катушки усилена тем, что в части катушки, размещаемой в пазу магнитопровода индуктора, то есть в активной ее части, поверх собранных пластин намотана лента из стекловолокна. В индукторах цилиндрических линейных индукционных машин практически весь объем катушки расположен в пазах магнитопровода индуктора, поэтому такое усиление изоляции катушки удобно выполнять по всей ее поверхности.
Новый технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении технологичности изготовления катушек.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображена четырехслойная катушка двухслойной концентрической обмотки индуктора плоского линейного МГД-насоса; на фиг.2 – поперечное сечение А-А; на фиг.3 – вид Б; на фиг. 4, 5 – места сварки слоев катушки, вид изнутри; на   фиг. 6 изображена катушка кольцевой обмотки индуктора цилиндрического линейного МГД-устройства.
Четырехслойная катушка имеет начало первого слоя катушки 1,  конец первого слоя катушки 2, начало второго слоя катушки 3,  конец второго слоя катушки 4, начало третьего слоя катушки 5, конец третьего и начало четвертого  слоев катушки 6,  конец четвертого слоя катушки 7, полоски ленты из термостойкого гибкого изоляционного материала на основе асбеста и стекловолокна 8. В части катушки, размещаемой в пазу магнитопровода индуктора, поверх собранных пластин намотана лента из стекловолокна, собранный пакет изолирован лентой из стекловолокна 9.    Катушка имеет проводники слоев катушки 10, между которыми закреплены полоски 8.  Позицией 11 обозначено место сварки первого и второго слоев, позицией 12 – место сварки третьего и четвертого слоев.
Сборку катушки обмотки индуктора плоского линейного МГД-устройства осуществляют следующим образом. Слои катушки готовят к сборке, предварительно наклеивая полоски термостойкого гибкого изоляционного материала 8 на основе асбеста и стекловолокна шириной 10 мм и толщиной 1,5 мм с креплением на внешнем витке с одной стороны слоя, пропусканием ленты через зазор между витками, и креплением второго конца ленты на внутреннем витке катушки с обратной стороны слоя как показано на фиг.2. Это необходимо для обеспечения необходимого изоляционного зазора между витками катушки в одном слое с одновременным обеспечением изоляционного зазора между слоями катушки. Слои катушки с наклеенными прокладками складывают таким образом, чтобы совпадали конец первого слоя 2 и начало второго слоя 3, конец второго слоя 4 и начало третьего слоя 5, конец третьего слоя и начало четвертого слоя 6. В местах сопряжения 6, 11, 12 слои сваривают друг с другом, образуя пакет из собранных пластин.
В части катушки, размещаемой в пазу магнитопровода индуктора, поверх собранных пластин намотана лента из стекловолокна 9. Пакет из собранных пластин пропитывают органосиликатной композицией ОС-92-03 (ГОСТ 9825-73)методом окунания в вакууме с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 24 часов и запекают. Вакуумная пропитка обеспечивает в отличие от способа, описанного в прототипе заполнение всех пустот, образованных прокладками из диэлектрического материала на основе асбеста и стекловолокна, как между слоями обмотки, так и между витками в одном слое. При горячем отверждении органосиликатной композиции подъем температуры до 300°С производится со скоростью не более 10°С в минуту, время выдержки не менее 3 часов.
Сборку катушки обмотки индуктора цилиндрического линейного МГД-устройства осуществляют аналогичным образом. Слой 13 соединяют сваркой со слоем 14, образуя секцию в месте соединения 15 катушку с внешними выводами. Для обеспечения необходимого изоляционного зазора между витками катушки в одном слое с одновременным обеспечением изоляционного зазора между слоями катушки наклеены полоски термостойкого гибкого изоляционного материала 8 на основе асбеста и стекловолокна шириной 10 мм и толщиной 1,5 мм с креплением на внешнем витке с одной стороны слоя, пропусканием ленты через зазор между витками, и креплением второго конца ленты на внутреннем витке катушки с обратной стороны слоя как показано на фиг.2.
В части катушки, размещаемой в пазу магнитопровода индуктора, поверх собранных пластин намотана лента из стекловолокна 9. Пакет из собранных пластин пропитывают органосиликатной композицией ОС-92-03 (ГОСТ 9825-73)методом окунания в вакууме с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 24 часов и запекают. При горячем отверждении органосиликатной композиции подъем температуры до 300°С производится со скоростью не более 10°С в минуту, время выдержки не менее 3 часов. Выводы слоев 13, 14 соединяют с наружной стороны индуктора с помощью перемычек при монтаже катушки в индуктор. Слои катушки могут изготавливаться из листовой заготовки не только методом гидроабразивной резки, как в прототипе, но также методом плазменной или лазерной резки.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет упростить технологию изготовления катушек индуктора плоских и цилиндрических линейных индукционных машин.