Как изготавливают катушки статора?

Мягкие всыпные катушки изготавливают преимущественно из круглого эмалированного провода — они характерны для низковольтных двигателей малой и средней мощности с полузакрытыми пазами. Преимущество — простая технология и гибкость при укладке; недостаток — более сложный контроль внутренних витков и большая зависимость результата от качества пропитки.

Жёсткие формованные секции изготавливают из прямоугольного провода или изолированной медной шины и применяют в высоковольтных двигателях, крупных генераторах и синхронных машинах. Такая секция имеет окончательно сформированную геометрию и корпусную изоляцию ещё до установки в статор, поэтому требования к шаблону и индивидуальным испытаниям значительно выше. В крупных генераторах и специальных машинах могут применяться стержневые элементы с транспонированными проводниками и внутренним охлаждением — это отдельная высокотехнологичная операция.

Катушку нельзя изготавливать только по приблизительной форме старой секции — нужно определить количество пазов, полюсов и фаз, тип обмотки, шаг, количество витков и параллельных проводников, размер провода, схему соединения и тип изоляции. Источниками данных могут быть заводской чертёж, ремонтная документация, старая неповреждённая катушка или электромагнитный расчёт — наиболее надёжный вариант — сравнение нескольких независимых источников.

Старая обмотка могла уже проходить ремонт, во время которого могли быть изменены количество витков, шаг, сечение провода или схема соединения — поэтому слепое копирование старой секции может повторить прежнюю ошибку.

Обмотка может быть одно- или двухслойной, концентрической, петлевой или волновой, с полным или укороченным шагом. Шаг — расстояние между двумя пазовыми сторонами одной катушки, выраженное количеством пазовых делений (например, 1–10) — влияет на индуцированную ЭДС, гармонический состав поля, длину лобовых частей и шум. Укороченный шаг применяют для уменьшения отдельных гармоник и расхода меди, но менять шаг только для облегчения укладки нельзя.

Количество витков влияет на магнитодвижущую силу, рабочий магнитный поток, ток холостого хода, пусковой момент и нагрев — даже небольшая ошибка может изменить характеристики машины. Его определяют прямым подсчётом при разборке, контролем длины провода, электромагнитным расчётом и сравнением с аналогичной машиной, желательно проверяя несколько старых секций разных фаз.

Круглый провод применяется преимущественно в низковольтных двигателях и всыпных обмотках благодаря гибкости и простоте намотки. Прямоугольный провод применяют в крупных и высоковольтных машинах для лучшего использования площади паза и более стабильной геометрии формованных секций — но он сложнее гнётся и предъявляет более высокие требования к радиусам и транспозиции.

Измеренный внешний размер провода включает медь, эмаль и возможное загрязнение, поэтому определять сечение только штангенциркулем нельзя — нужно очищать контрольный фрагмент или рассчитывать сечение по сопротивлению и длине. Увеличение сечения без расчёта может усложнить укладку, ухудшить проникновение лака и сделать невозможной установку клиньев — более толстый провод не всегда лучше.

Для мягкой низковольтной секции основной витковой изоляцией является эмаль провода, дополненная стеклолентой или изоляционными трубками; корпусную изоляцию в значительной мере формируют пазовая гильза и пропиточный материал. Формованная высоковольтная секция имеет усиленную витковую и корпусную изоляцию, пазовое полупроводящее покрытие для выравнивания электрического поля и противокоронное градуированное покрытие на выходе из паза — она является почти завершённым изоляционным изделием ещё до установки в сердечник.

Применение одного материала высокого температурного класса не повышает автоматически класс всей обмотки — слабым элементом могут остаться эмаль провода, лента, лак или межфазная прокладка. Для двигателей, работающих от преобразователя частоты, нужно учитывать повышенное межвитковое напряжение от крутых фронтов импульсов — может понадобиться инверторостойкий провод, усиленная витковая изоляция первых витков фазы или выходной фильтр.

Размеры для шаблона снимают с неповреждённой секции, статора до демонтажа или чертежа — перегретая аварийная катушка не является точным эталоном, поскольку могла деформироваться или расшириться. Шаблон должен обеспечивать правильный шаг, одинаковую длину всех катушек и удобное снятие без повреждения эмали.

До серийной намотки изготавливают одну контрольную катушку, на которой проверяют шаг, количество витков, размеры, массу и сопротивление, а при возможности примеряют её в статор до изготовления всей партии.

Перед намоткой проверяют марку и состояние провода; катушки одной фазы желательно изготавливать из материала одной подтверждённой партии. Счётчик витков должен быть проверенным и продублирован технологическим контролем — катушка с правильным количеством витков, но неправильно расположенными выводами, может быть непригодна для монтажа.

Натяжение провода должно обеспечивать плотную укладку и стабильную форму, не растягивая медь и не повреждая эмаль. Недостаточное натяжение вызывает рыхлую катушку и нестабильную геометрию; чрезмерное — повреждение эмали, уменьшение сечения и трещины на изгибах прямоугольного провода. Если виток состоит из нескольких параллельных проводников, нужно обеспечить одинаковую длину и правильную транспозицию — самовольно менять транспозицию нельзя, поскольку она выравнивает индуцированные напряжения и уменьшает циркуляционные токи.

После намотки катушке придают пространственную форму для укладки в пазы — разведение пазовых сторон, изгиб лобовых частей, формирование выводов. Неправильная форма может сделать укладку невозможной, привести к чрезмерному вылету или пересечению с соседней фазой.

Для формованной секции корпусную изоляцию пазовой части накладывают контролируемым количеством слоёв ленты с определённым перекрытием — недостаточное перекрытие оставляет слабые зоны для частичных разрядов, чрезмерное усложняет установку в паз. В высоковольтных секциях пазовая часть получает полупроводящее покрытие для выравнивания поля, а выход из паза — противокоронное градуированное покрытие; ошибка в длине или сопротивлении этих слоёв может вызвать поверхностные разряды и преждевременный пробой.

Формованные катушки прессуют для уплотнения изоляции, удаления воздуха и стабилизации размеров — недостаточное давление оставляет полости, чрезмерное может выдавить смолу и повредить провод. Пропитка до укладки позволяет отдельно контролировать каждую катушку и получить лучшую геометрическую стабильность, но делает секцию более жёсткой и усложняет монтаж.

Во время термообработки контролируют фактическую температуру катушки, длительность и скорость охлаждения — недостаточная полимеризация приводит к движению витков и слабой адгезии, а чрезмерная температура повреждает эмаль и ускоряет старение.

Сопротивление катушки измеряют четырёхпроводным методом для контроля количества витков, сечения и целостности параллельных проводников, обязательно фиксируя температуру. Межвитковый дефект может не проявиться при измерении сопротивления изоляции относительно корпуса — поэтому применяют импульсное сравнение (surge-test), которое выявляет межвитковое замыкание, неправильное количество витков или слабую изоляцию по форме затухающей волны.

Для формованных высоковольтных секций дополнительно проводят испытание повышенным напряжением, контроль частичных разрядов и измерение тангенса угла диэлектрических потерь. После формования и полимеризации катушку проверяют калибрами на соответствие шагу, длине пазовой части и вылету лобовых частей — она должна входить в контрольный калибр без повреждения и чрезмерного усилия. Катушки одинаковой конструкции также взвешивают: разница массы может указывать на неправильное количество витков или неравномерную пропитку.

Каждая секция должна иметь идентификацию — номер катушки, фазу, группу, начало и конец, номер паза и дату изготовления; маркировка должна выдерживать сушку и не повреждать изоляцию. Готовые катушки защищают от влаги, ударов и деформации, храня формованные секции на специальных стеллажах в заданном положении без нагрузки на выводы — неправильное складирование может изменить геометрию или повредить изоляцию ещё до укладки в статор.

• начинать намотку без подтверждённых обмоточных данных — ошибка повторится на всех катушках;
• копировать только внешнюю форму старой секции без учёта пазов, шага и фактической схемы;
• считать изоляцию частью медного сечения при определении размера проводника;
• использовать повреждённый провод — даже локальная царапина может стать местом межвиткового пробоя;
• наматывать без проверенного счётчика витков или допускать неконтролируемое натяжение;
• формовать жёсткую секцию ударами;
• пропитывать катушку до проверки витков и геометрии — после полимеризации исправить её будет сложно;
• оценивать катушку только по внешнему виду без электрических испытаний;
• устанавливать катушки с разным сопротивлением без выяснения причины — это создаст фазную асимметрию.

• Как перематывают статор электродвигателя?
• Что такое обмотки статора и ротора?
• Изоляция обмоток электродвигателей
• Почему возникает межвитковое замыкание?
• Что такое статор электродвигателя?
• Как измерить сопротивление изоляции?

ТОВ ВКФ «Электропромремонт» изготавливает катушки, секции и полные обмотки статора для промышленных электродвигателей и генераторов.

В перечень работ входят:

• восстановление обмоточных данных и изготовление шаблонов;
• намотку мягких всыпных и жёстких формованных секций;
• нанесение витковой, корпусной и полупроводящей изоляции;
• прессование, пропитку и полимеризацию катушек;
• измерение сопротивления, импульсные и высоковольтные испытания;
• геометрический контроль и взвешивание секций;
• укладку катушек в сердечник и полную пропитку статора.