ИЗГОТОВЛЕНИЕ КАТУШЕК ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕНТ АНОДИРОВАННОГО НЕУПЛОТНЕННОГО АЛЮМИНИЯ
COILS FOR ELECTRICAL EQUIPMENT COMPONENTS MANUFACTURING USING THE ANODIZED NOT COMPACTED ALUMINUM STRIPS

Область техники
Изобретение относится к индукционному электротехническому оборудованию, такому как катушки индуктивности, трансформаторы, а также электрические двигатели. Оно направлено, прежде всего, на изготовление обмоток, используемых в этих компонентах.
Предшествующий уровень техники
Для создания магнитного поля нужно изготавливать катушки из электропроводов, покрытых слоем изоляционного материала. Любое повреждение этого изоляционного материала приводило к короткому замыканию витков, то есть к снижению величины индуктивности катушки.
Катушки обычно выполняют из медной проволоки. В настоящее время изоляцию проволоки осуществляют термореактивными полимерными материалами, такими как полиэфирные лаки, полиамид, полиэпоксиды или полиимиды, в зависимости от предусмотренных требований в отношении термостойкости. После изготовления катушек с изолированными проводниками их дополнительно пропитывают другим слоем смолы. Эти решения позволяют изготовлять компактные катушки, пригодные для текущих применений.
Применения в авиационной технике требуют оптимизации этих решений по массе и объему. Первое направление состоит в том, чтобы оптимизировать объемную процентную долю проводника по отношению к общему объему изолированной катушки. Применение медной проволоки прямоугольного сечения, например, отвечает этой цели, снижая зазоры по сравнению с проволокой круглого сечения.
С другой стороны, чтобы выиграть также в весе, вместо меди используют алюминий. Действительно, использование алюминиевых лент для изготовления катушек сочетает в себе преимущества компактной геометрии с электропроводным материалом небольшой плотности.
Кроме того, использование анодирования с целью электрически изолировать алюминий - это очень своевременное решение, которое также обладает преимуществом наличия стойкости при намного более высокой температуре, чем существующие решения. Как следствие, катушки из анодированного алюминия, используемые для изготовления электротехнических компонентов, в настоящее время пользуются спросом на рынке. Их изготовляют по размерам компонента, и остается лишь вставить их в него после соответствующей пропитки смолой.
Между тем, применение этих катушек имеет ряд недостатков:
- во-первых, алюминий сразу же после анодирования подвергают операции уплотнения (colmatage) горячей водой, следствием чего является закупорка образовавшихся при анодировании пор в оксиде алюминия и, таким образом, снижение адгезионных свойств этой поверхности, то есть уменьшение срока службы компонента;
- кроме того, изготовление катушек требует использования адгезива (клея) для склеивания между собой лент анодированного алюминия; применение такого клея означает введение дополнительного материала, неконтролируемая граница раздела которого со смолой, используемой для дополнительной пропитки в компоненте, снижает долговечность компонента.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеупомянутые недостатки.
Изобретение относится к способу изготовления пропитанной ленты анодированного алюминия, предназначенной для использования в катушке электротехнического компонента, причем упомянутая катушка включает промежуточный материал, обеспечивающий функции когезии и диэлектрической изоляции, причем упомянутый промежуточный материал получен из способной к сшиванию смеси-предшественника, а упомянутый способ содержит:
- этап нанесения смеси-предшественника упомянутого промежуточного материала на анодированный алюминий;
- по меньшей мере один этап сшивания смеси-предшественника для образования упомянутого промежуточного материала на ленте алюминия.
Этот способ отличается тем, что анодированный алюминий не подвергнут закупорке (уплотнению) образовавшихся при анодировании пор в оксиде алюминия перед нанесением смеси-предшественника упомянутого промежуточного материала.
Известным образом сшивание смеси-предшественника состоит в том, что посредством химических реакций между ее ингредиентами, когда эта смесь подвергается воздействию определенных физических условий, образуются молекулярные структуры с сетчатой организацией.
Факт замены операции уплотнения горячей водой на операцию пропитки способной к сшиванию смесью-предшественником промежуточного материала позволяет создать идеальные условия адгезии на поверхности анодированного алюминия с этим же промежуточным материалом в тот момент, когда его используют для изготовления катушки в электротехническом компоненте. Фактически, пористый оксид алюминия, созданный в итоге анодирования, пропитывают промежуточным материалом, что делает границу раздела с ним очень «тесной» и, следовательно, долговечной.
Предпочтительно используемая в способе смесь-предшественник содержит смолу и отвердитель. В целом, следует отметить, что эта смола термореактивная, поскольку происходит сшивание смеси-предшественника.
Преимущественно для того, чтобы смола обладала требуемыми свойствами сопротивления напряжению и диэлектрической изоляции в условиях работы компонентов авиационного назначения, она должна включать в свой состав по меньшей мере один ингредиент, выбранный из полиэпоксидов, полиимидов или силиконов.
В предпочтительном варианте, когда промежуточным материалом является термореактивная смола, изготовление предварительно пропитанных лент анодированного алюминия осуществляют первоначальным способом, в котором этап сшивания является незавершенным.
Не более чем инициирование этапа сшивания позволяет хранить эти предварительно пропитанные ленты анодированного алюминия, предпочтительно при низкой температуре, чтобы позже повторно использовать их.
В одном варианте осуществления промежуточный материал представляет собой материал, реализуемый методом золь-гель. Несмотря на то что химические реакции, преобразующие смесь-предшественник, очень различаются по их природе и их температурному циклу от термореактивной смолы, они определяют окончательную форму сшивания материала, имеющего пространственную структуру, которая не существовала в смеси-предшественнике. Методы золь-гель имеют то преимущество, что позволяют получить различные материалы, некоторые, например, с улучшенной термостойкостью, чем у смол.
Следовательно, изобретение относится также к способу изготовления электротехнического компонента, содержащего по меньшей мере одну катушку, причем упомянутая катушка содержит намотанную витками ленту анодированного алюминия и промежуточный материал, обеспечивающий функции когезии и диэлектрической изоляции, отличающемуся тем, что:
- ленту анодированного алюминия пропитывают по одному из предыдущих пунктов;
- по меньшей мере один этап окончательного сшивания смеси-предшественника для образования упомянутого промежуточного материала на алюминиевой ленте осуществляют, когда ей придают форму по размерам катушки.
При такой конфигурации часть электрической изоляции между витками катушки обеспечивается анодированным слоем алюминия на лентах. Промежуточный материал обеспечивает, в свою очередь, функции защиты и когезии, чтобы сохранять катушку в предусмотренной форме. Он также обеспечивает улучшение диэлектрической изоляции между лентами алюминия. Кроме того, способ позволяет, таким образом, иметь лишь один материал, охватывающий алюминиевые ленты в катушке, и устраняет нежелательные границы раздела между различными материалами.
Предпочтительно, когда промежуточным материалом является смола, вышеописанный способ изготовления электротехнического компонента выполняют с использованием предварительно пропитанной ленты анодированного алюминия, которой сразу же придают форму по размерам катушки и подвергают этапу окончательного сшивания.
Изобретение относится также к предварительно пропитанным лентам анодированного алюминия и электротехническим компонентам, полученным при помощи вышеуказанных способов.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Ниже изобретение представлено более подробно на нескольких примерах осуществления.
Анодирование алюминия соответствует контролируемому окислению поверхности детали, здесь - алюминиевой ленты. Например, согласно известному способу, создание анодного слоя является результатом пропускания тока в электролите. Ванна для анодирования содержит, например, но не исключительным образом, раствор фосфорной кислоты, в который помещают алюминиевую ленту. Подают постоянный ток в течение определенного времени, чтобы создать анодный слой заданной толщины, порядка десяти микрон.
Созданный таким образом слой оксида алюминия является великолепным электроизолятором. Он также имеет хорошие механические свойства. Однако он обладает ячеистой структурой, с микропорами, которая пропускает примеси, приводящие с течением времени к коррозии алюминиевой ленты.
По этой причине, изделия из анодированного алюминия, особенно когда они должны быть помещены на хранение, подвергают операции так называемого уплотнения (забивки пор). Эта операция состоит в гидратации анодного слоя, в результате которой стенки ячеек набухают и перекрывают отверстия. Эту операцию, как правило, выполняют, окуная анодированный алюминий в горячую воду, при этом контролируя температуру и длительность.
К сожалению для намеченного применения, уплотненный таким образом анодированный слой потерял свои поверхностные свойства. А именно, ячеистый оксид алюминия в большей степени способен связываться с клеем, чем гидратное покрытие, полученное вследствие уплотнения.
Первое воплощение изобретения состоит в переносе понятия предварительной пропитки, используемой в промышленности композитных материалов с органической матрицей, на случай, в котором матрицей является неуплотненная лента анодированного алюминия, а материалом пропитки - смола, которая, в конечном итоге, послужит для изготовления катушки в компоненте.
Фактически, термореактивная смола, которая представляет собой смесь полимеров и других ингредиентов и которая существует в различных известных композициях в зависимости от типов применения, будет присутствовать в ходе различных этапов способа в нескольких состояниях. В своем конечном состоянии, в виде материала когезиикатушки, смола представляет собой твердый материал, обладающий адекватными свойствами механической прочности. В то же время, это твердое состояние получено из жидкотекучей формы, способной к деформации, способом так называемого сшивания. Как правило, этот способ представляет собой термическую обработку. Он организует сетчатую молекулярную структуру полимера, чтобы придать ей твердую форму. В данном документе смолу в ее жидкотекучем состоянии до сшивания называют в дальнейшем смесью-предшественником. Известным образом эта смесь-предшественник содержит смолу, относящуюся к следующей группе: полиимид, полиэпоксид, полиамид, полиамид-имид, сложный полиэфир, полиэфиримид, силикон, полифенольный, или полиуретан. Известным образом, она содержит также отвердитель, реагирующий со смолой для реализации сшивания. Она может содержать добавки/присадки, способствующие протеканию общего процесса, такие как растворители и катализаторы. В случае известных термореактивных смол это сшивание может быть выполнено не полностью. Это позволяет придать смоле первичную форму, гелеобразную, и хранить ее такой, чтобы позже возобновить процесс сшивания и довести его до конца. В ходе процесса окончательного сшивания два предварительно обработанных слоя смолы могут быть сварены друг с другом, как если бы они были образованы из одного целого элемента.
Итак, первый этап процесса реализации катушки компонента состоит в изготовлении неуплотненной ленты анодированного алюминия. Затем реализация предварительно пропитанной ленты алюминия включает три важных этапа.
Первый этап состоит в том, что на анодированную и неуплотненную алюминиевую ленту наносят слой смеси-предшественника смолы, которая будет использована для изготовления катушки в электротехническом компоненте. Предпочтительным образом этот предшественник содержит по меньшей мере один растворитель, которой наделяет его реологическими свойствами, необходимыми для его правильного нанесения и проникновения в поры слоя анодированного алюминия, чтобы связаться с ним как одно целое. Существуют известные методы, например полива, набрызгивания или окунания, для обеспечения равномерного нанесения смеси-предшественника и хорошего проникновения его через поры анодированного слоя.
Второй этап неполного сшивания состоит в промежуточной термической обработке, которая инициирует сшивание и придает полимеру гелеобразное состояние. В гелеобразном состоянии смола и отвердитель прореагировали в достаточной степени, чтобы начать создание трехмерной сетки и обеспечить адгезию продукта на анодированном алюминии. С другой стороны, жесткость материала еще очень незначительна. Это состояние интересно, поскольку оно позволяет формировать защитный слой, сцепленный адекватным образом с анодированной алюминиевой лентой для того, чтобы хранить ее до ее интеграции в компонент и, прежде всего, как станет очевидным позже, возобновить процесс сшивания для обеспечения когезии продукта.
Наконец, третий этап, хранение при низкой температуре (как правило, при -20°C), необходим для стабилизации материала и отправки предварительно пропитанной ленты анодированного алюминия на место изготовления конечной детали. В первом варианте предварительно пропитанные ленты алюминия формируют в катушки по размерам изготавливаемого электротехнического компонента, перед отправкой их на хранение. Во втором варианте упомянутые катушки предварительно не формуют, а используется по заказу предварительно пропитанная лента.
Реализация катушки электротехнического компонента из такой предварительно пропитанной ленты анодированного алюминия также содержит три основных этапа.
На первом этапе предварительно пропитанную ленту анодированного алюминия подогревают до температуры окружающей среды, чтобы ее можно было поместить на место в электротехническом компоненте. Согласно варианту, выбранному для хранения, устанавливают полностью готовую катушку. В другом случае, предварительно пропитанную алюминиевую ленту при температуре окружающей среды предварительно наматывают по размерам катушки электротехнического компонента.
На втором этапе, полной пропитки, весь компонент полностью покрывают смолой, включая катушку или катушки, которые его составляют.
Последний этап состоит из полной термической обработки, которая завершается окончательным сшиванием смолы вокруг лент анодированного, неуплотненного, алюминия, намотанных по форме катушки компонента.
На этом этапе слои гелеобразной смолы двух предварительно пропитанных, наложенных одна на другую лент сливаются между собой и со смолой, которая покрывает компонент, благодаря тому, что их незавершенные молекулярные сетки допускают рекомбинацию с прилежащим материалом. Таким образом, в качестве границы раздела между смолой и анодированным неуплотненным алюминием остается лишь поверхность, характеристики адгезии которой были обеспечены с момента предварительной пропитки.
Для воплощения этого изобретения важно, чтобы смола имела:
- реологические свойства, позволяющие покрывать анодированные ленты алюминия слоем полимера с толщиной, достаточной для того, чтобы обеспечить его электроизоляционную функцию;
- реологические свойства, позволяющие смоле проникать через поры оксида алюминия, возникшие в результате способа алитирования;
- сопротивление электрическому напряжению, совместимое с электротехническим компонентом;
- термостойкость, совместимую с предусмотренными применениями;
- время гелеобразования, совместимое со способом анодирования;
- температуру сшивания, превышающую температуру компонента.
Смолы на основе полиэпоксида, полиимида или силикона предпочтительно используются для получения свойств, необходимых в диапазоне рабочей температуры, а также уровней напряжения, предусмотренных для электротехнических применений в палубной авиации. Cмолы этого типа уже используются в изготовлении индуктивных катушек согласно предшествующему уровню техники. Кроме того, температура сшивания этого типа смолы позволяет использовать их для компонентов, обмотки которых рассчитаны на температуры примерно 250°C.
Реологические свойства, необходимые смоле для нанесения на анодированный алюминий, получают посредством разбавления в органических растворителях. Пропорцию растворителя, подбираемую к уровню вязкости смолы, определяют экспериментально для каждого состава вышеуказанной смолы.
Один из вариантов изобретения состоит в том, что смолу заменяют материалом, реализуемым методом золь-гель. Метод золь-гель позволяет посредством полимеризации молекулярных предшественников в растворе получить стекловидные материалы, минуя этап сплавления. В частности, могут быть получены твердые минеральные материалы, имеющие диэлектрические свойства, на основе органоминеральных золь-гель смесей.
Несмотря на то что химические процессы отличаются от случая сшивания термореактивной смолы, заливка ленты анодированного неуплотненного алюминия материалом осуществляется методом золь-гель аналогичным образом в два этапа:
- этап нанесения смеси-предшественника на алюминиевую ленту, например, поливом или набрызгиванием;
- этап сшивания при термообработке, называемой чаще полимеризацией с материалами, используемыми в методе золь-гель, где реакции с элементами-предшественниками в смеси-предшественнике формируют конечный материал.
Для реализации изобретения используют, например, смесь-предшественник типа, включающего воду, уксусную кислоту, метанол, изопропанол и органосилан. Дополнительные ингредиенты, такие как гидраты алюминия, позволяют получить желаемые диэлектрические свойства.
Предпочтительно также используют неорганические полимеры для получения известным образом керамических материалов золь-гель методом. Керамические материалы имеют механические и термические свойства, которые позволяют применять полученные этим методом катушки в компонентах, температуры которых могут достигать 250°C, а рабочее электрическое напряжение - 2 кВ.
В случае использования метода золь-гель исключается этап предварительной пропитки или предварительной обработки ленты. Фактически, в случае метода золь-гель, процесс «сшивания» может быть завершен сразу же после его начала. Отсутствует промежуточное «гелеобразное» состояние, которое имело бы полезные пластические свойства. Следовательно, этапы изготовления катушки компонента включают:
- придание формы неуплотненной ленте анодированного алюминия согласно геометрии конечной катушки;
- нанесение смеси-предшественника методом золь-гель таким образом, что она плотно связывается с анодированным алюминием и заполняет объем катушки;
- применение термической обработки сшивания для получения конечного продукта.