1.12. Намотка

Намоткой называется технологический процесс укладки провода по определенному закону и его закрепления на каркасе для получения заданной индуктивности обмоток трансформаторов, дросселей, реле, контуров и др. функциональных элементов ЭА. Намоточные изделия имеют следующие электрические параметры:

- индуктивность L, мГн;

- добротность Q=wL/R_L;

- собственную емкость C_L, пФ;

- сопротивление R_L, Ом, которое зависит от диаметра провода и технологии намотки.

Конструктивными параметрами являются:

- шаг намотки p;

- диаметр провода без изоляции d и в изоляции d_из;

- диаметр каркаса d_k;

- расстояние между витками A;

- угол укладки провода ;

- средний диаметр намотки d_ср.

Обмотки, наматываемые на каркасы, разделяются на две группы – однослойные и многослойные. Однослойные обмотки характеризуются малой собственной емкостью, простотой изготовления и наматываются с шагом d_из, d_из+А, d+А. Они подразделяются на простые рядовые, прогрессивные, бифилярные и тороидальные. Простая рядовая обмотка характеризуется малой собственной емкостью и наматывается с шагом р=d_из или р=d_из+А. Они применяются для высокочастотных контуров, реостатов и т. д. (рис. 1.12.1).

Рис. 1.12.1

Сопротивление обмотки

,

(1.12.1)

где – удельное электрическое сопротивление, l – диаметр намотки.

Прогрессивная обмотка характеризуется изменяющимся по определенному закону шагом (p₁<p₂<p₃<…<p_k) и применяется для контуров ВЧ передатчиков, где требуется минимальная собственная емкость.

Бифилярная обмотка отличается тем, что не меняет индуктивности, так как токи в соседних витках проходят навстречу друг другу и их магнитные поля взаимно уничтожаются. Она применяется для проволочных сопротивлений, шаг намотки р=2d_из (рис. 1.12.2).

Тороидальная обмотка характеризуется отсутствием внешнего магнитного поля и применяется в магнитных усилителях, трансформаторах, дросселях. По внутреннему диаметру тороида укладывается провод с шагом р₂=d_из+А или произвольно (см. рис. 1.12.3).

Рис. 1.12.2 Рис. 1.12.3

Сопротивление обмотки определяется по уравнению

R=RвLвπdср/p, ,

(1.12.2)

где R_в – сопротивление витка, l_в – длина витка .

Многослойные обмотки разделяются на рядовые, секционированные, галетные, спиральные, пирамидальные, универсальные, перекрестные и тороидальные. Эти обмотки характеризуются повышенной разностью потенциалов между витками, расположенными в соседних рядах обмотки, большими собственными емкостями и индуктивностью. Для уменьшения собственной емкости обмотки выполняют секционированными, универсальными и перекрестными.

Рядовая многослойная обмотка имеет большую индуктивность и собственную емкость, повышенную разность потенциалов между витками и пониженный срок службы. Она применяется для силовых и НЧ трансформаторов, реле, резисторов и дросселей.

Секционированная многослойная обмотка позволяет снижать разность потенциалов между витками, уменьшать собственную емкость. Она может быть индукционной и безындукционной. Намотка осуществляется путем укладки провода в отдельные секции при различном направлении вращения шпинделя намоточного станка. Число рядов в каждой секции нечетное, чтобы начало и конец провода располагались у противоположных торцов каркаса (рис. 1.12.4).

Рис. 1.12.4

Секционированная многослойная обмотка применяется для контуров ДВ- и СВЧ диапазонов, дросселей и т. д. Плотность обмотки определяется коэффициентом заполнения обмоточного устройства

,

(1.12.3)

где N – число витков, S – площадь сечения провода без изоляции, h, l – высота и ширина собственно обмотки.

Пирамидальная обмотка (рис. 1.12.5) характеризуется тем, что при одном и том же напряжении между выводами пробивное напряжение между витками, лежащими в соседних слоях, намного ниже, чем в рядовой многослойной обмотке. Поэтому она применяется в высоковольтных трансформаторах, дросселях и контурах переключающих устройств напряжение между витками определяется по формуле

,

(1.12.4)

где E – напряжение между выводами, В; S – число рядов провода; N – число слоев.

Универсальная обмотка отличается тем, что провод укладывается на каркас под некоторым углом к плоскости намотки с двумя или несколькими перегибами на торцах за каждый оборот. Перекрещивание каждого последующего витка с предыдущим позволяет получать механически прочную обмотку с диаметром, значительно превышающим ширину намотки, и малой собственной емкостью. Емкость тем меньше, чем меньше угол укладки g (рис. 1.12.6).

Рис. 1.12.5 Рис. 1.12.6

Укладка провода выполняется с опережением, когда новый виток ложится впереди предыдущего, и с запаздыванием, когда он ложится позади предыдущего. Перекрестная обмотка является разновидностью универсальной и отличается тем, что имеет два перегиба. Такая укладка позволяет при всех преимуществах универсальной обмотки получать большую активность.

Спиральная обмотка представляет собой плоскую спираль, приклеенную к изоляционному основанию.

Галетная обмотка отличается отсутствием каркаса и выполняется на специальных оправах, которые после закрепления витков удаляются. Она применяется в отклоняющих системах электронно-лучевых трубок.

Обмоточные провода можно разделить на пять основных групп по виду изоляции: пленками эмалей; из хлопчатобумажного, шелкового или синтетического волокна; с комбинированной изоляцией; со стеклянной изоляцией; без изоляции.

К проводам первой группы относятся:

- медные провода ПЭЛ (эмаль лакостойкая), выдерживающие нагрев до 100 град и плотность тока до 2,5 А/мм²; ПЭТ (эмаль теплостойкая), выдерживающие кратковременный нагрев до 300 град; ПЭВ (эмаль высокопрочная) с пробивным напряжением до 600 В и температурой нагрева до +350 град; ПЭТВ (полиэтилентетрифталатная лаковая изоляция) с повышенной химической и термической стойкостью и возможностью длительной работы при температуре + 260 град после воздействия кислот и щелочей; ПЭВТЛ (эмалированный, высокочастотный, лудящийся), который может длительно работать при + 150 град и пробивном напряжении 60÷100 В. Изоляция из полиуретанового лака, являющегося флюсующим веществом, позволяет распаивать без лужения;

- провода из высокоомных сплавов марок ПЭК (константановый эмалированный), ПЭМТ (манганиновый), ПЭНХ (нихромовый).

К проводам второй группы относятся:

- медные провода марок ПБО (изолирующая обмотка из хлопчатобумажной ткани в один слой), ПБД (изоляция хлопчатобумажной пряжей в два слоя), ПШО, ПШБ (шелковая обмотка в один или два слоя).

К проводам третьей группы относятся:

- медные провода марок ПЭЛБО с лакостойкой эмалевой и однослойной бумажной изоляцией; ПЭЛШО с шелковой изоляцией;

- ЛЭШО–10-0,07 (литцендрат с эмалевым покрытием и обмоткой из шелковой пряжи в один слой, число проводов – 10, диаметр каждого – 0,07 мм), ПЭЛКШД (изолированный лакостойкой эмалью и обмоткой шелка в два слоя);

- провода из сплавов высокого сопротивления: ПЭШОК (константановый, изолированный эмалью с одним слоем шелковой обмотки), ПЭШОМТ, ПЭШОНХ (манганиновый и нихромовый, соответственно), ПЭВНХ (эмалированный высокоомной эмалью, нихромовый).

К проводам четвертой группы относятся медные провода в стеклянной, стекловолокнистой и дельта-асбестовой изоляции: ПСД, ПСДТ, ПЭТСО, имеющие повышенную теплостойкость до +200 град.

Для обмоток, предназначенных для работы в условиях повышенной влажности, высокой температуры, в агрессивных средах, применяют провод, изолированный фторопластом: ПИФЭ-1, ПИФЭ-2. Особо тонкие провода (микропровода) изолируются сплошной стеклянной изоляцией, обладающей повышенной термо-, влаго- и химической стойкостью, а также пробивным напряжением не менее 1000 В.

Помимо обмоточного провода катушки индуктивности содержат такие конструктивные элементы, как каркас и его крепление. Для катушек с тороидальными, броневыми и чашкообразными сердечниками тип и размер сердечника определяют геометрические размеры катушек. Сердечники изготавливают из карбонильного железа или феррита и могут быть: цилиндрические с резьбой (СЦР), цилиндрическими гладкими (СЦГ), чашкообразными (Ч), броневыми из феррита (Б), броневыми из карбонального железа (СБ) с замкнутой (СБа) и разомкнутой (СБб) магнитной цепью.

Для ВЧ контуров уменьшение потерь достигается применением ребристых каркасов из пластмассы, а для высокостабильных катушек, работающих при повышенных температурах, – каркасов из керамики. Конструкция экрана предусматривает изготовление его методом вытяжки или штамповки из алюминия. Экраны обычно имеют цилиндрическую или прямоугольную форму в сечении без резких граней. Для изоляции слоев обмотки применяют прокладки из кабельной, конденсаторной бумаги, изоляционную ленту из лакоткани и т. д.

Намотка изделий производится на специальных намоточных станках, конструкция которых должна обеспечивать: вращение каркаса, равномерное перемещение провода обмотки по всей ее ширине, натяжение провода в пределах упругих деформаций и порядок намотки (ход укладки).

Поскольку удельный вес намоточных работ высок (до 20÷30 % от общей трудоемкости изготовления изделий), к конструкциям станков предъявляют требования высокой производительности, которая обеспечивается высокой скоростью наматывания, автоматической раскладкой изоляции, активным контролем электрических параметров намотки.

Намоточные станки классифицируются по ряду признаков.

По способу наматывания выделяют станки: открытого типа, кольцевого, пазового, специального наматывания. Первый тип – станки для намотки на каркасы, имеющие форму поверхности тел вращения круглого или прямоугольного сечения. Второй тип – станки, в которых каркас вращается вокруг своей оси, а провод – вокруг оси поперечного сечения каркаса (намотки на тороиды). Третий тип – станки для намотки провода в наружные или внутренние пазы каркасов – пакетов якорей, роторов либо статоров. Четвертый тип – станки для намотки кадровых и строчных катушек отклоняющих систем электронно-лучевых трубок.

По способу формирования обмотки выделяются станки прямого и раздельного наматывания. В первом случае изготовление обмотки происходит по схеме «катушка – приемный каркас», во втором – «катушка – промежуточный элемент (шпуля) – каркас». По этой схеме работают станки кольцевого наматывания и частично пазового.

По способу образования витка станки делятся на бесчелночные и челночные. В бесчелночных станках виток образуется за счет вращения каркаса, а шаг намотки – вследствие осевого перемещения провода. В челночных станках намотка происходит за счет вращательного движения челнока и вспомогательного движения каркаса.

По количеству наматываемых обмоток выделяются одноместные и многоместные станки, а по расположению оси наматывания каркаса – горизонтальные и наклонные.

Станок типа СРН-05У предназначен для наматывания провода диаметром 0,05-0,50 мм на два каркаса одновременно со скоростью до 1000 об/мин и состоит из следующих механизмов: электропровода, вращения каркаса, натяжения провода, укладки провода, питателя, стойки для закрепления бобины, тормозного устройства, счетчика витков, устройства управления. Электроприводом служит электродвигатель типа УЛ-062, вал используется в качестве шпинделя станка, на который закрепляется каркас катушки. Регулировка скорости вращения шпинделя осуществляется путем изменения напряжения питания электродвигателя вариатором однофазным типа РНО-250-05 с помощью ножного управления.

Механизм укладки провода состоит из каретки с укладчиком, которая перемещается по ходовому винту на расстояние 3÷150 мм. На винте закреплен диск, связанный через резиновый ролик с валом электродвигателя. Плавная регулировка шага намотки в пределах 0,05÷0,55 мм осуществляется изменением передаточного соотношения между диском и роликом. Реверс вращения ходового винта осуществляется двусторонней дисковой муфтой, переключаемой электромагнитами, срабатывающими от микровыключателей, ограничивающих раскладку, а также при ручном нажатии клавиш на панели управления. Операция наматывания включает время набора шпинделем заданной скорости вращения t₁, время наматывания обмотки t₂, время первого уменьшения скорости вращения t₃, время домотки катушки t₄, время торможения t₅ (рис. 1.12.7).

В типовой ТП входят подготовительная и контрольная операции, присоединение выводов. Цикловая производительность намоточного станка равна

Q=60/Тц, (шт/ч),

(1.12.5)

где Т_ц – продолжительность рабочего цикла наматывания, мин., Т_ц=t_в.н+t_н+t_в.к; здесь t_н – время наматывания, t_в.н, t_в.к – вспомогательное время, необходимое для закрепления катушек, провода, выводов обмотки, прокладки изоляции.

Рис. 1.12.7

Подготовительная операция состоит из настройки станка, закрепления каркаса, провода, установления усилия натяжения, шага раскладки. Присоединение выводов осуществляется путем снятия изоляции с провода, закрепления его на токосъемниках каркаса и пайки. Контрольная операция включает проверку индуктивности, добротности, отсутствия короткозамкнутых витков, внешнего вида.

Одной из самых сложных и трудоемких операций является удаление изоляции с обмоточных проводов. Применяют механические, химические, термохимические методы удаления изоляции.

В первом случае эмалевую изоляцию с проводов ПЭЛ, ПЭВ и ПЭТ удаляют абразивом, шабером, но это ведет к нарушению сечения провода и его повреждению, его применяют для проводов диаметром более 0,2 мм.

Химический метод заключается в погружении проводов в муравьиную кислоту на 1÷2 мин с последующим протиранием смоченных мест салфеткой. Этот способ характеризуется большей трудоемкостью и длительностью процесса удаления изоляции, токсичностью для организма человека.

Термохимический метод для проводов с диаметром менее 0,1 мм, а также для многожильных проводов типа ПЭЛШО, ЛЭШО заключается в нагреве провода в верхней части пламени спиртовой горелки, обжиге изоляции, погружении в спирт с последующей протиркой бязью. Его недостатки – трудоемкость механизации, значительная трудоемкость, токсичность. Термохимический метод изоляции осуществим с погружением проводов в расплав солей (хлористый калий) при температуре 700÷800 град на 1÷2 с, промывкой в жидкости, растворяющей соль в течение 1÷2 с и очистке ветошью. Этот метод может быть механизирован, однако он обладает повышенной токсичностью, поэтому нашли применение в промышленности способы присоединения проводов без снятия изоляции, что обеспечивает повышение производительности труда, экономии времени и материалов, плотности монтажа и снижение переходного сопротивления электромагнитного соединения. Для присоединения изолированных проводов (в том числе и микропровода с диаметром 0,02÷0,35 мм) в лаковой либо эмалевой изоляции применяют сварку или спайку, а изоляцию разрушают механически нагретым электродом, дугопламенным или комбинированным методом. При механическом разрушении изоляции на проводе ее продавливают заостренным электродом контактной сварочной машины, для чего через электроды и соединяемые детали пропускают импульс сварочного тока, обеспечивающий расплавление или выжигание изоляции и сварку. Сварочный ток с временем 0,02÷0,05 с выжигает изоляцию, расплавляет и сваривает провод с деталью. Для получения паяного соединения одна из соединяемых деталей должна быть луженой, покрытой слоем припоя.

Для намотки тороидальных обмоток используется челночный станок, в котором образование витка обмотки осуществляется вращающимся челноком, выполненным в виде незамкнутого кольца. Съемную шпулю с необходимым запасом провода закрепляют на торцовой части челнока и подтормаживают пружинкой для заданного натяжения. При вращении челнока провод сматывается со шпули и через направляющий ролик оказывается с заданным шагом на каркасе. По этой схеме работают станки модели СНТ-12 для круговой и секционной намотки на тороидах с внутренним диаметром превышающим 12 мм и проводом с диаметром 0,15÷0,4 мм со скоростью до 300 об/мин.

Внутренние обрывы в обмотках контролируют автоматически по их сопротивлению. Для больших скоростей наматывания применяют бесконтактный контроль обрыва провода, например по фотоприемнику на ФСК-2 и источнику света.

Контроль на наличие короткозамкнутых витков осуществляется по схеме (рис. 1.12.8), содержащей сердечник, эталонную обмотку L2 и обмотку возбуждения L3, питаемую от генератора.

Рис. 1.12.8

Испытуемая катушка L1 с числом витков w₁=w₂ последовательно соединяется с L2 и L3, но встречно, тогда при отсутствии короткого замыкания витков I_к=0, а при наличие короткого замыкания витков I_к>0.

Сопротивление обмотки зависит от натяжения провода, скорости наматывания, формы и размеров каркаса. Для каркаса круглого сечения

R=ρ4/d2,

(1.12.6)

где ρ – удельное сопротивление материала провода, l, d – его длина и диаметр, соответственно. Так как в серийном производстве все величины (1.12.6) переменны, то погрешность определима из выражения

(1.12.7)

а относительная погрешность сопротивления провода выражается формулой

.

(1.12.8)

Здесь вызвана несоответствием действительного значения ее стандартным значениям , тогда

.

(1.12.9)

Погрешность обусловлена удлинением провода, формой и диаметром каркаса и скоростью намотки (рис. 1.12.9).

Рис. 1.12.9

За счет изгиба провода его R_г возрастает на 1÷3 %, за счет изгиба по форме каркаса, за счет скорости намотки – на 1÷2 %, в зависимости от натяжения F – R_н возрастает на 2÷3 %, за счет разброса диаметра провода возрастает на 1÷3 %. Тогда по ГОСТ 2112-82 приблизительно ±0,03 (для диаметра менее 0,1 мм), ±0,05. (для диаметра 0,1÷0,25 мм), ±0,1 (для диаметра 0,26÷1,0 мм), а так как – диаметр каркаса, допуск на сопротивление обмотки должен быть больше суммы погрешностей, возникающих в процессе наматывания:

.

(1.12.10)