Исследование особенностей намотки сверхтонкого эмальпровода



Развитие миниатюрного электромашиностроения поставило задачу разработки адекватных технологий изготовления обмоток. Отказ от зубцовой структуры воздушного зазора, а также и необходимости применения, таких как гладких (беззубцовых) обмоток. Применение гладких обмоток в электрических машинах решает вопросы, связанные с потерями в стали. Подобного рода решения уже практикуются в отрасли [1]. Однако при дальнейшей миниатюризации изделий приходится переходить на сверхтонкие провода, и здесь отработанные технологии не оправдывают себя. Развитие космической и ракетной техники, авиации и скоростного судоходства поставило на повестку дня задачу снижения габаритов, массы, потребляемой мощности, повышения точности и снижения времени готовности навигационных приборов, важное место занимают гироскопические устройства.

В настоящее время получили применение роторные вибрационные гироскопы (РВГ). Опубликованные исследования и разработанные конструкции [2,3] в определенной степени решающие задачу.

В то же время промышленное производство указанных изделий требует специальной технологической подготовки. В частности, эта задача связана с необходимостью изготовления катушки чувствительного элемента РВГ из сверхтонкого эмальпровода с диаметром медной жилы 0,025мм и менее. Специальные требования к качеству получаемого сигнала (требование полной идентичности кривой ЭДС, индуктируемой в различных катушках одного изделия) дополнительно усложняют проблему, ужесточая допустимые отклонения в качестве раскладки витков, их геометрической конфигурации, идентичности электромагнитные параметров катушки.

Малое сечение провода обуславливает требования к режиму намотки катушки. Естественно предполагать, что стремление минимизации размеров, хорошей плотности укладки требует соответствующего натяжения провода при намотке [4,5]. Но это усилие может вызвать удлинение провода и уменьшение его сечения, увеличение удельного сопротивления меди, утоньшение и повреждение слоя эмальизоляции взаимное смещение витков провода в катушке, обрыва провода и другие изменения. В известных источниках рассматриваются провода с диаметром жилы от 0,03мм. Для катушек из такого провода контролируемым параметром при намотке является индуктивность [4, 6].

Для изделия, в котором применяются обмотки из сверхтонкого провода, контролируемым параметром при подборе идентичных катушек является сопротивление, которое зависит от ряда факторов: входных характеристик провода и технологических параметров процесса намотки.

Зависимость сопротивления от указанных и других входных факторов можно представить выражением , где q₁, q_{2 …} q_n — входные факторы. Последние в реальных условиях изменяются в некоторых пределах (Δq₁, Δq_{2 …} Δq_n), вызывая соответствующее изменение сопротивления ΔR. Реально имеется возможность оценить влияние некоторых входных факторов: погрешности провода в состоянии поставки, погрешности намотки катушки (натяжение, удельное сопротивление, точность отсчета витков и др.)

,

где: Δρ- допустимый разброс величины удельного сопротивления, — допустимый разброс длины провода, м; - допустимый разброс величины диаметра провода, мм.

Использование приведенного выражения позволяет выявить соотношение некоторых технологических погрешностей для минимизации разброса активного сопротивления катушки. При этом целесообразно разделить погрешности изготовления провода и изменение характеристик провода при намотке самой катушки.

К погрешностям изготовления провода можно отнести данные стандартов, технических условий или сопроводительных документов. На рис.1 показано изменение сопротивления провода от величины допустимых отклонений его диаметра [6].

Рис. 1. Изменение сопротивления провода от величины допустимых отклонений его диаметра

Хорошо видно, что пределы колебаний параметра заметно возрастают с уменьшением диаметра провода.

Также на удельное сопротивление провода влияют режимы отжига для снятия наклепа в процессе производства, что приводит к значительным изменениям сопротивления провода, его других параметров (диаметр провода и др.).

Практика показывает, сопротивление провода, его другие параметры (свойства изоляции и др.) в состоянии поставки колеблются как от одной тарной катушки к другой, так и в пределах одной тарной катушки. Из всего изложенного следует, что при производстве обмоток высокопрецизионных приборов целесообразно вводить операцию входного контроля обмоточного провода. Это будет способствовать идентичности параметров катушек в одном комплекте изделия. На начальном этапе необходим тщательный входной контроль параметров провода.

Регулирование и установка режима намотки также оказывает значимое влияние на параметры и качество готового изделия. Рассмотрим кинематическую схему процесса намотки, представленную на рис. 2.

Рис. 2. Кинематическая схема устройства для изготовления обмоток

Намотка катушки производится на шаблон прямоугольной формы. Изготовление катушек на некруглый тонкий шаблон с малыми геометрическими размерами обладает рядом сложностей.

Во-первых, при осевом инерционном сматывании провода с катушки 1 в теле проводника возникают значительные растягивающие усилия, за счет баллонирования и перекручивания провода. Наибольшей величины эти усилия достигают вначале цикла, так как при этом провод движется с ускорением.

Во-вторых, при намотке на некруглый шаблон линейная скорость проводника не является величиной постоянной. График изменения линейной скорости движения провода между направляющим роликом и намоточным шаблоном прямоугольной формы с отношением сторон 1:9 приведен на рис.3.

Из рис.3 видно, что в точках 1, 2, 3, 4 и т. п. происходит практически мгновенное изменение ускорения, при этом провод испытывает кратковременные очень большие по величине нагрузки (в 2 раза большие). Т. к. частота пульсаций скорости около 40 Гц, демпфирующее устройство 3 и натяжное устройство 2 не обеспечивают уменьшения натяжения в связи со значительной инерционностью. Колебательные движения роликов демпфера 3 наблюдаются лишь в начале цикла и при завершении намотки секции, когда частота вращения шпинделя намоточного станка невелика.

Рис. 3. Изменение линейной скорости движения провода

В связи с этим происходит вытяжение провода и изменение его механических свойств (потеря упругости и пластичности). Это служит причиной обрывов при намотке в местах перегиба провода на ребро шаблона и перехода провода из одной секции в другую.

Для исключения перекрещивания проводников в катушке, обеспечение укладки проводника к проводнику и сохранения формы готовой катушки после снятия с шаблона, в процессе намотки провод покрывается клеящим составом, что также создает дополнительное тормозящее воздействие на провод (рис.3 участок 4–5), которое необходимо учитывать при определении натяжения провода.

Также важный момент — это радиус закругления ребра шаблона, так как провод имеет малое сечение, то наблюдается обрыв провода при перегибе на ребро шаблона. Для данного шаблона и провода проведена опытно — конструкторская разработка размеров и радиусов закругления ребер шаблона, для исключения обрывов провода.

Следует отметить, что рекомендуемые усилия для проводов при намотке, указанные в технологических процессах, соответствуют статическим нагрузкам, что, очевидно, некорректно. Прямоугольная форма шаблона вызывает дополнительные динамические усилия на провод в местах перегиба на ребро.

Проведены исследования зависимости деформации проводов различного сечения от статических и динамических нагрузок, в результате которых установлено, что пластические деформации возникают под действием значительно меньших динамических нагрузок, чем в статике.

Сравнение характера обрывов при статическом и динамическом нагружении (рис.4, рис. 5) показывает, что в динамике проводник ведет себя как хрупкое тело (практически отсутствует разрывной конус). Таким образом, для уменьшения дефектности обмоток, требуются более детальные исследования динамики процесса намотки и разработка малоинерционных натяжных устройств, позволяющих обеспечивать стабильное натяжение проводников в течении всего цикла намотки.

Графики зависимости удлинения провода от нагрузки при статической и динамической нагрузке для ПЭТВ различной толщины приведены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Рис. 4. Зависимость удлинения провода от статической нагрузки

Рис. 5. Зависимость удлинения провода от динамической нагрузки

На рис. 6 показан вид зависимости сопротивления катушки от натяжения, которое было постоянным в процессе намотки на шаблон.

На участке 0…1 уменьшение R обусловлено уменьшением средней длины витка, повышение сопротивления на участке 1…2 вызвано уменьшением сечения проводника в результате вытяжки и ухудшением проводящих свойств материала проводника.

Для определения натяжения провода были учтены возникающие тормозящие воздействия элементов на каждом участке движения провода и динамические усилия, возникающие на шаблоне.

Рис. 6. Зависимость сопротивления катушки от натяжения

В результате произошло снижение брака по сопротивлению с 90 % до 20 %, по геометрическим размерам с 75 % до 15 %.

В процессе исследований были проведены фактические замеры сопротивлений обмоток различных габаритов, которые соответствуют требования технических условий и конструкторской документации.

Литература:

1. Титова Л. Н.. Исследование малоинерционного электродвигателя постоянного тока с высокими технологическими характеристиками: дис. канд. техн. наук: 05.09.01: защищена 27.10.01: утв.12.04.02 — Воронеж:, 2001. — 151 с.
2. Кулешов А. В., Фатеев В. В. Погрешности роторного вибрационного гироскопа при круговых колебаниях вращающегося носителя. — М.: Наука и образование, 2012.
3. Лысов А. Н., Виниченко Н. Т., Лысова А. А.. Прикладная теория гироскопов. — Часть 3. Учебное пособие. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009.
4. Скороходов Е. А. Механизация и автоматизация производства обмоток электроэлементов — М.: Энергия, 1978. — 191 с.
5. Парнес М. Г., Грабуст Я. Е. Вопросы проектирования и эксплуатации высокопроизводительных намоточных станков. — ЛатИНТИ, Рига, 1968.
6. Ларин В. П. Технология намотки в приборо — и электроаппаратостроении, Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2003. — 56 с.