科学瞎想系列之五十五 绝缘处理

搞电机的宝宝们都知道,绝缘处理是电机制造非常关键的环节,电机常见的绝缘处理工艺有浸渍烘焙、绝缘浇注、多胶系统的模压固化等。其中绝缘浇注多用于微特电机; 多胶系统的模压固化常见于大型水轮发电机和汽轮发电机。大多数中小型电机多采用浸渍绝缘漆后烘焙固化工艺。今天老师就说说这种绝缘处理工艺。

1 为什么要进行绝缘处理。绝缘处理有以下作用:

1.1 增强绝缘性能。电机绕组在绕线、线圈成型、转运、嵌线、整形等过程中难免对线圈绝缘有所损伤,有些绝缘材料也难免会有些局部缺陷,通过浸漆烘焙固化后绝缘结构的局部缺陷就得以弥补。

1.2 增加绝缘结构的机械性能和电气性能。通过浸漆烘焙固化后的绝缘结构就与铁心及端部紧固结构形成一个非常坚固的整体,绝缘结构的机械强度和电气性能大大提高,避免了电机在运行过程中线圈导体间以及线圈与铁心间因电磁力和机械振动造成的相对摩擦损害。绝缘处理好的工件,敲击电机绕组甚至可以发出敲击金属一样的清脆声音。

1.3 提高导热性能,降低电机温升。通常绝缘树脂固化后的导热系数是大于空气的,当电机绕组内的空气隙被绝缘树脂全部填充后,会大大提高导热性能,温升显著降低。

1.4 提高绝缘结构的化学稳定性和"三防"性能。绕组经浸漆固化后,化学稳定性较高,表面会形成一层致密的漆膜,可以有效阻止潮气、盐雾和霉菌的侵蚀。使电机更加适用于恶劣的运行环境。

1.5 提高防电晕性能。通常绝缘树脂的介电常数与其他高分子绝缘材料相近,当线圈中的缝隙被绝缘漆充分填充后即可有效隔绝绝缘结构内的空气,又可使绝缘结构内部电场分布趋于均匀,减小电位梯度。同时由于形成的表面漆膜光滑匀称,使得绝缘表面与空气的分界面的电位梯度较小,不易起晕,从而起到一定的防电晕效果。

2 绝缘处理工艺。常见的绝缘处理工序包括白坯预烘、冷却至一定温度后浸漆、烘焙固化。白坯预烘的目的是驱赶工件的潮气; 冷却是为了达到良好的浸漆效果,也为了保持漆液的储存稳定性,浸漆是使绝缘漆充分填充绕组的缝隙; 烘焙是为了使绝缘漆固化。其中浸漆和烘焙是最为关键的工序。常用的浸漆方法包括沉浸、滴浸、滚浸和真空压力浸漆(VPI)等,烘焙就是将浸好漆的工件置入烘箱加温烘焙。为了减小烘焙过程中漆液的流失,许多装备较好的电机厂采用边旋转边烘焙的工艺,可有效地提高挂漆量。目前最为先进的绝缘处理工艺是真空压力浸渍加旋转烘焙工艺。因此老师就重点说说浸漆和烘焙的事。

3 怎么判断浸漆是否浸好了?浸漆属于一个特殊过程,需要进行特殊过程的确认,不同大小的工件,不同的绝缘结构,浸漆的工艺参数不同。进行特殊过程确认的目的就是通过不同工艺参数处理的工件对比试验,摸索出最佳的工艺参数予以固化。浸漆是否浸好的判别标准是绝缘漆是否完全将绕组中的缝隙填充饱满,那么如何才能知道填充是否饱满呢?常规的方法是将工件浸入漆液中直至不再冒气泡,再将不同工艺参数处理的工件进行解剖,肉眼判断是否填充饱满。这种判断方法虽然直观,但它不仅需要破坏多个试验工件,而且还存在过于依赖主观判断,不够科学严谨等缺点。要想科学严谨,必须找到与浸漆填充程度密切相关的特征参数来判断。用什么参数来表征漆液的填充度合适呢?我们可以考虑以下几种参数和方法:

一是重量,采用称重的方法来判断填充度。我们知道漆液的密度远高于空气,如果空气缝隙被漆液填充,则工件重量会发生变化,但由于空气缝隙的容积与整个工件体积相比占比极小,全部挂漆量与整个工件重量占比也极小,因此挂漆量(或者说填充度)的好坏对整个工件重量来讲并不敏感,因此这种方法难以区分浸漆质量的优劣。

二是采用绝缘电阻来作为特征参数,但由于空气和绝缘漆的绝缘电阻相差不大,而且绝缘电阻不仅与填充度有关,受其它环境条件影响的因素很多,加之绝缘电阻本身是一个极大数量级的参数,用它作为判断浸漆质量的优劣同样区分度不高。

三是采用电容作为特征参数,由于空气的介电常数与绝缘漆的介电常数相差很大,达数倍甚至数十倍,且介电常数是由电介质本身的极化本性所决定,受其它因素影响极小。绕组导体与铁心之间被绝缘结构隔开形成电容,该电容的大小与之间绝缘介质的介电常数成正比,如果空气缝隙被绝缘漆替代,则电容会有显著变化而且很稳定,因此采用电容作为浸漆质量的判别特征量是非常合适的!宝宝们可以在浸漆过程中每隔一段时间测一次绕组对铁心的电容,直至电容值稳定不再变化,就说明浸漆浸好了。

4 如何判断烘干了?判断的依据同样是要寻找一个与固化程度密切相关的特征参数。要找到合适的参数首先要了解绝缘漆固化的机理,所以老师先给宝宝们科普一下绝缘漆是怎么固化的。宝宝们通常说的绝缘漆烘干与洗完衣服烘干可是两码事,把衣服烘干是一个物理过程,是将湿衣服里的水分蒸发干净,衣服就干了。绝缘漆的烘干是一个化学过程,它并不是将绝缘漆里的挥发成分蒸发完就干了。绝缘漆属于高分子聚合物,其"干燥"过程是通过液态的高分子聚合物进一步发生聚合反应,形成更高分子量更大的高分子聚合物,固化成稳定的固体结构,因此与其说绝缘漆被烘干,不如说绝缘漆是在一定的温度下完成了交联反应而固化,通俗地说叫"烘熟"。绝缘漆发生聚合反应需要有一定的条件,电机中常用的浸渍漆通常是热固性材料,即在一定的高温下,极性基才开始活跃而发生聚合反应,在常温下无论如何也不会发生这种反应,或需要极长的时间才能完成聚合反应,不像普通油漆那样在常温下即可固化。说到这儿老师给宝宝们讲个故事,说从前有个在电机厂工作的宝宝,看到电机浸渍漆固化后漆膜坚硬,光滑美观,于是就以厂为家,把厂里的浸渍漆拿回家做地板漆使用,结果涂到木地板上无论如何也等不到晾干,始终粘粘糊糊等了一年也无法落脚,只能费掉了自己家的木地板,这种偷鸡不成反失米的傻事都是因为老师没有早点写出这篇瞎想导致的恶果!这是老师的罪过啊!

好了,回到正题,绝缘漆加热固化过程中,如何判断反应结束到达了固化终点?通常有以下几种方法:

一是靠主观判断,早期没有那么先进的仪器设备,靠有经验的老法师手指一触,鼻子一闻,便知生熟。你还别说,老师就曾见到过这样的大拿,其绝技另当时年轻倜傥的老师我佩服得一塌糊涂!

二是采用绝缘电阻作为特征参数,在固化过程中每隔一段时间测量一次绝缘电阻,直至稳定即认为固化结束,其原理是随着交联固化程度的提高,电导电流随之下降,绝缘电阻上升并达到稳定。这虽然有一定的道理,但许多无溶剂漆在固化过程中绝缘电阻会很快上升并稳定,而固化反应却并没有结束。老法师鼻子一闻,金指一摁,不熟!可见采用这种方法似乎也并不太靠谱,只是以前人们对无溶剂漆的固化机理研究没有这么深入时采用的方法。

三是采用介电谱的方法来判定。即把电容(介电常数)和介质损耗角正切tanδ(简称介损)作为特征量判定固化终点。其原理是在固化过程中,漆的粘度随着温度的上升而下降,极性基逐步活泼,电容和tanδ上升,这种上升持续一段时间(约一个小时)后,随着温度的继续增加,电容继续上升,但介损会出现波动,这是因为极性基活动加剧并产生松弛现象所致,随后介损将再次升高达到第二个峰值,说明交联反应加剧使粘度增加,从此固化交联使极性基数量减少活动程度降低,介损tanδ和电容逐步降低,直至反应结束,介损tanδ和电容最终稳定。从整个固化过程看,采用电容和介损tanδ稳定作为固化的终点判据最为科学。一旦固化反应结束,电容和介损稳定,再继续烘下去,不仅对绝缘处理质量没好处,反而会降低绝缘寿命!那就是"烘糊"了!

值得一提的是,介损是综合反映绝缘结构的极化(介电常数)、电导(绝缘电阻)、损耗的物理量,用tanδ值来研究固化过程具有以下两个明显的优点:(1)tanδ值可以和介电常数ε同时测量得到;(2)tanδ值与测量样品的大小和形状都无关,是电介质自身的属性,并且在许多情况下,tanδ值比ε值对介质特性的改变要敏感得多,因此采用介损稳定作为判断是否烘熟的标志更为常见和科学。值得宝宝们借鉴。切忌不要烘不熟和烘糊!

好了,今天就讲到这儿吧,再讲多了恐怕宝宝们也被烘熟了,下课!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-07-21

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