книги из ГПНТБ / Бабаянц, С. С. Микропроволочные элементы радиоустройств учебное пособие для подготовки рабочих на производстве
.pdfние формы бескаркасных обмоток достигается с помощью склеи вающих материалов или ниток.
Технологические процессы производства обмоток состоят из следующих основных этапов: а) подготовка намоточного станка к работе; б) установка каркаса, оправки или гильзы в шпинделе станка; в) заделка вывода и его изоляции; г) наматывание обмо ток и прокладка межобмоточной и межслойной изоляции; д) за делка вывода; е) контроль и регулировка электрических пара метров; ж) герметизация; з) окончательный контроль и испы тания.
Наматыванием или намоткой называются работы по укладке и закреплению провода на каркасе, гильзе или оправке. Режим наматывания определяется скоростью укладки провода, величиной подачи и натяжения.
По способу наматывания обмотки делятся на открытые (кату шечные) и закрытые (тороидальные). Особую группу составляют пазовые обмотки.
Открытые обмотки получаются при наматывании проволоки на каркас, вращающийся вокруг собственной оси, при этом прово лока или каркас, кроме основного движения, имеет еще дополни тельное закономерное движение вдоль оси катушки, необходимое для заданной раскладки витков.
Закрытые обмотки (тороидальные) образуются вращением про волоки вокруг оси сечения каркаса, имеющего форму кольца или полукольца, который медленно поворачивается относительно сво ей оси, обеспечивая необходимую раскладку витков. Для обхода вокруг сечения каркаса проволока должна быть пропущена внутрь контура.
При пазовой намотке проволока укладывается в пазы ротора, якоря или статора электрической машины.
Конструктивные и технологические особенности выполнения обмоток определяются понятиями: виток, шаг, слой, секция, вы вод, отвод.
Виток — это отрезок провода, размещенный по окружности или периметру обмотки на трехстах шестидесяти градусах, конец этого отрезка при намотке смещается по отношению к его началу в осевом или радиальном направлении на величину, равную шагу намотки.
Шагом намотки р называется расстояние между двумя сосед ними витками или величина смещения конца витка по отношению к его началу.
Ряд — количество витков провода ш, укладываемого по всей ширине обмотки а.
Слой — группа витков, намотанных по всей ширине обмотки. Секция — группа витков, намотанных на одном из участков
секционированного каркаса или оправки.
Вывод — начало или конец обмотки, выполненной монтажным проводом или проводом обмотки.
20
Отвод — промежуточная часть обмотки, выполненная монтаж ным или намоточным проводом.
Обмотки могут быть однослойные и многослойные. По направ лению укладки витков различают правую и левую намотку.
Однослойные обмотки могут выполняться как строго рядовые — «виток к витку» с шагом рп — йИЗ, так и шаговые рн = d„3+ А (рис. 2-3, а). Намотку могут вести изолированным и неизолирован
ным проводам. Разновидностью |
открытой |
однослойной обмотки |
|
с |
шагом является прогрессивная |
обмотка, |
которая укладывается |
с |
возрастающим шагом укладки: |
|
|
Pi < P 2 < P s < - - - < P h-
Такие обмотки имеют небольшую величину индуктивности и малую — собственной емкости.
К многослойным обмоткам относятся обмотки, выполняемые также «виток к витку», «внавал» и универсальные. Многослойные обмотки виток к витку наматывают с шагом рп = dm без пере крещивания (рис. 2-3, б). Из-за непостоянства диаметров про водов и влияния ранее уложенных витков механизированная уклад ка данного вида обмоток на существующих станках с жесткой ки нематической схемой механизма подачи невозможна. Поэтому механизированная намотка строго рядовых многослойных обмоток производится при введении межслойной изоляции. Обмотки откры тые «внавал» наматывают слоями без строгого соблюдения шага и числа витков в слое, т. е. с перекрещиванием и западанием витков. Такая обмотка может быть бифилярной.
Бифилярная обмотка укладывается сложенным вдвое проводом с шагом р„ = 2dK3 (рис. 2-3, в). Применяется для безиндукционных сопротивлений. Начало и конец такой обмотки находятся всегда рядом, под наибольшей разностью потенциалов. Поэтому следует ее использовать ограниченно.
Разновидностью открытой многослойной обмотки являются об мотки с разной длиной слоя и секционированные. Трапецеидаль ная обмотка выполняется с разной длиной слоя. Ее наматывают на гильзы и каркасы с уменьшением длины каждого слоя по зако ну трапеции. Секционированная обмотка выполняется на специаль ных каркасах с промежуточными щеками или без щек с воздушным зазором между секциями. Такая обмотка может быть индукционной, когда число секций является любым, и безиндукционной, когда обмотка состоит из четного числа секций, при этом начетные сек ции имеют одно направление обмотки, а четные — противополож ные (рис. 2-3, г).
Многослойные обмотки имеют большую индуктивность и соб ственную емкость. Между витками, расположенными в соседних рядах, по краям многослойной обмотки имеется повышенная раз ность потенциалов.
Тороидальная обмотка не имеет внешнего магнитного поля. Шаг намотки может быть постоянным или переменным (рис. 2-3, 5).
21
11
'
г./ |
Секции |
Рис. 2-3. Виды применяемых обмоток: а.— рядовая однослойная; б — рядовая
многослойная; в — бифиляриая; |
г — секционированная |
безындукционная; д — |
||
тороидальная; е — галетная |
|
|
|
|
Р п — шаг намотки; d т — диаметр |
провода с изоляцией; |
а |
— ширина; |
b —- высота; |
h — толщина обмотки; D — внутренний диаметр; D — средний диаметр; |
— наруж |
|||
ный диаметр катушки). I — IV — секции |
обмоток |
|
22
Галетные обмотки наматываются на различные оправки или шаблоны, затем перевязываются нитками и обволакиваются или пропитываются лаками (рис. 2-3, е).
По конструктивному выполнению различают катушки (или об мотки): а) по числу секций — односекционные, двухсекционные и пр.; б) по типу выводов — с гибкими или мягкими выводами, выполненными монтажным или намоточным проводом, и с жесткими выводами, выполненными с помощью лепестков; в) по выполнению внешней изоляций — с изоляцией из тонкого листового материала (кабельная бумага), с литой изоляцией (заливка).
Размеры катушки и элемента и качество намотки характери зуются величиной коэффициента заполнения обмоточного про странства катушек k3, который определяется отношениями:
£3 = - jf или k3 = - ^ ,
где V — объем, занимаемый всей обмоткой, включая изоляцион ные материалы и толщину изоляции провода; V„ — объем металла, занимаемый проволокой без учета размеров изоляции; w — число витков; S — сечение провода без изоляции, мм2; а — ширина обмоточного пространства с изоляцией, мм; Ь — высота обмоточ ного пространства с изоляцией, мм.
Таким образом, коэффициент заполнения обмоточного пространства представ ляет собою отношение суммарной площади сечения всех витков провода без изоля ции к площади поперечного сечения обмоточного пространства, т. е. пространства, занимаемого проводом, с учетом внутренней и внешней изоляции катушки. На ве-. личину коэффициента заполнения влияют: марка, форма и размеры сечения про вода п толщина и размеры электроизоляции, форма и размеры каркаса катушки, тип обмотки (строго рядовая, внавал), величина натяжения проволоки при намот ке, состояние намоточного оборудования и его настройка.
Характерные особенности производства обмоток:
а) большое разнообразие конструктивных типов обмоток и отсюда разнообра зие применяемого технологического процесса и оборудования;
б) применение проводов весьма малых сечений, микропроводов, имеющих
диаметр 10 мкм. и выше, и монтажных проводов сечением 0,02—0,03 мм2; |
, |
в) разнообразие и широкий ассортимент применяемых материалов, сплавов |
|
и металлов; |
' |
г) высокая точность выполнения обмоток и высокая трудоемкость их выпол нения (ряд намоточных работ выполняется вручную и плохо поддается механи зации и автоматизации);
д) сложность и высокая трудоемкость выполнения контрольных операций. Производственный и технологические процессы в значительной степени опре деляют 'надежность элементов, под которой понимают вероятность безотказной работы изделия в заданных условиях и в течение конкретного срока службы. На дежность определяется также конструкцией изделия, условиями и длительностью
■то эксплуатации.
Контрольные вопросы
1.Как классифицируются трансформаторы по мощности, напряжению, силе тока и рабочей частоте.
2.Расскажите о назначении и конструкции трансформатора, дросселя, кату шек индуктивности и реле.
3.Что такое коэффициент трансформации?
4.Какие виды обмоток применяются в производстве элементов?
5.От чего зависит коэффициент заполнения обмоточного пространства?
23
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕМЕНТОВ
3-1. Классификация и назначение электротехнических материалов
Все электротехнические материалы делятся на три группы по их главному свойству — электропроводности, т. е. по способ ности материалов проводить электрический ток.
Материалы, из которых изготавливают токоведущие части -эле ментов (обмотки, контакты, выводы обмоток), должны хорошо проводить электрический ток. Эту группу электротехнических мате риалов составляют проводниковые материалы, к которым относятся чистые металлы и сплавы металлов.
Величина проводимости у или величина электрического сопро тивления R металлов при изменении напряжения остается посто янной, что и является характерным свойством всех металлических проводников. Это свойство выражается линейной зависимостью
тока |
от напряжения, т. е. законом Ома: |
|
I = UIR, |
где |
U — величина приложенного напряжения, в\ R — сопротив |
ление проводника, ом.
Вторую группу электротехнических материалов составляют
электроизоляционные материалы (диэлектрики). Они обладают большим электрическим сопротивлением, поэтому с помощью диэ лектриков изолируют токоведущие части элементов друг от друга.
В третью группу входят полупроводниковые материалы (полу проводники). Эта группа материалов по своей способности прово дить электрический ток занимает промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.
Каждый из материалов — проводник, диэлектрик или полупро водник в той или иной степени проводит электрический ток, т. е. в нем наблюдается явление электропроводности, которое заключа ется в направленном движении электрически заряженных частиц: электронов и ионов. В диэлектриках протекают очень малые токи, если даже приложить к ним высокое напряжение (свыше 500 в). Электропроводность диэлектрика характеризуется объемной элек
тропроводностью, |
которая определяется током объемной утечки |
и поверхностной, |
обусловленной током поверхностной утечки I $■ |
Поэтому в диэлектриках различают два вида удельных сопротивле ний — удельное объемное сопротивление pF и удельное поверх ностное р$. Удельное объемное сопротивление pv определяет спо собность диэлектрика пропускать электрический ток I v через его объем, а удельное поверхностное сопротивление ps определяет способность пропускать электрический ток /$ по поверхности
24
проводника (рис. 3-1). Удельное объемное сопротивление изме ряют в омосантиметрах (ом-см):
РV — Rv |
s_ |
US |
l |
V ■ |
|
Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах: |
||
п |
I |
VI |
Ps = R s — = -j~c |
Здесь R v — объемное омическое сопротивление материала; R s — поверхностное омическое сопротивление материала; S — площадь прикладываемых к материалу элек
тродов; |
с — расстояние между элек |
|
|
|
|
|||
тродами; |
I — длина электродов. |
|
|
|
|
|||
Токи |
I v |
и Is очень малы. У про |
|
|
|
|
||
водниковых |
' материалов |
величина |
|
|
|
|
||
удельного объемного электрического |
|
|
|
|
||||
сопротивления колеблется в преде |
|
|
|
|
||||
лах: 10~в—10“4 ом-см, у полупровод |
|
|
|
|
||||
никовых: 10“4—1010-ом-см у диэлек |
|
|
|
|
||||
триков эта характеристика изменяется |
Рис. 3-1. Путь токов объемной- |
|||||||
примерно от 1010 до 1020 ом-см. |
||||||||
и |
поверхностной |
утечки |
через |
|||||
Особую группу составляют элек |
|
диэлектрик |
|
|||||
тротехнические материалы, |
способные |
/ — электроды; |
2 — диэлектрик |
|||||
намагничиваться во внешнем магнит |
U s |
— поверхностная сила |
тока; |
|||||
ном поле, создаваемом электрическим |
I у |
— объемная сила тока; I — дли |
||||||
на электродов; с — расстояние ме |
||||||||
током или полем другого магнита. |
|
жду электродами) |
|
|||||
Это магнитные материалы, приме |
магнитным сопротивлением,, |
|||||||
няемые для создания среды |
с малым |
|||||||
т. е. для концентрации магнитной энергии в трансформаторах, |
маг |
нитных усилителях, индуктивностях и дросселях.
По применению в изделиях электротехнические материалы де лятся на основные и вспомогательные. Основные материалы входят в конструкцию изделия как его составная часть и записываются в спецификации чертежа. Вспомогательные материалы применяются для производства изделий, но не входят в его состав. Эго проти рочные, смазочные материалы, флюсы и пр.
Металлические проводниковые материалы делятся в свою очередь на мате риалы с высокой электропроводностью и высокоомные материалы. Материалы- с высокой электропроводностью используются для изготовления проводов как намоточных, так и монтажных, обмоток трансформаторов, индуктивностей и дрос;, селей. Материалы высокоомные применяются в резисторах (постоянных и перемен ных), в электронагревательных приборах, реостатах и образцовых сопротивле ниях.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные элект ролиты. Как правило, температура плавления металлов высока.
Механизм протекания тока по металлам и их сплавам в твердом и жидком, состояниях обусловлен движением свободных электронов. Поэтому их называют проводниками первого рода или проводниками с электронной проводимостью. Проводниками второго рода или электролитами являются растворы (в основном
25
•одные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через такие проводники свя- '■ано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в ре зультате чего на электродах выделяются продукты электролиза. Все газы и пары не являются проводниками. Однако при высокой напряженности газ может стать проводником. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и поло жительных ионов в единице объема представляет собою особую проводящую среду, называемую плазмой.
Основным типом проводниковых материалов, применяемых для производства элементов, являются металлические проводники.
К проводниковым изделиям относятся провода, т. е. проволока, имеющая изоляцию. Намоточные и монтажные провода применяются для производства обмоток, их выводов и отводов. Эти провода состоят из проволоки — токопроводящей части и изоляции, изго товленной из диэлектрических материалов, которые наложены по верх токопроводящей части.
Электроизоляционные материалы делятся, так же как и про водники, на твердые, жидкие и газообразные. Кроме того, раз личают диэлектрики органические (пластмассы, пропиточные ма териалы, лаки, клеи, компаунды) и неорганические (слюда, элек тротехнические стекла, керамика). Диэлектрики, такие как лако ткан ь и лакошелк, применяются как прокладочный изоляционный материал. Пластмассовые и волокнистые материалы применяются для производства каркасов и гильз. Особый интерес представляют органические жидкие диэлектрики, которые применяются для защиты элементов от климатических воздействий.
Магнитные материалы в свою очередь подразделяются на маг нитно-твердые, из которых изготавливают постоянные магниты, и магнитно-мягкие, предназначенные для работы на переменном токе. Большинство магнитных материалов являются проводниками (чи стое железо и сплавы на основе железа), но некоторые из них — ферриты, например, относятся к полупроводникам. По сравнению с металлическими магнитными материалами ферриты обладают большим электрическим сопротивлением. Это обеспечивает им ма лые потери на вихревые токи при работе в переменном магнитном моле.
Разработка новых электротехнических материалов, применяемых для произ водства элементов, тесно связана с прогрессом в радиоэлектронике. Так, создание нагревостойких кремнийоргаиических диэлектриков позволило повысить рабочие температуры трансформаторов и тем самым значительно увеличить мощность транс форматоров без изменения их габаритов и массы. Создание новых магнитных мате риалов — ферритов — позволило решить ряд важных проблем в области элект ронной техники (счетно-решающие устройства) и в технике высоких часто г.
3-2. Характеристика и свойства проводниковых материалов
В качестве проводниковых материалов используют чистые ме таллы, а также сплавы металлов. Проводниковые материалы харак теризуются электрическими, физическими и механическими свой ствами.
26
Электропроводность является основной электрической характе ристикой проводниковых материалов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, обладающие малым удельным электри ческим сопротивлением в пределах р — 0,0152 -н 0,108 ом-мм21м (при 20° С). Из этих материалов (медь, алюминий) изготавливают кабельные изделия — намоточные, монтажные провода и кабели. Главным проводниковым материалом является медь, которая по электропроводности у стоит на втором месте (после серебра). Так, у меди у = 57 м! (ом-мм)2, а у серебра у = 65,8 м/(ом-мм)2, т. е. серебро лучше проводит электрический ток.
Электропроводность связана с сопротивлением R и удельным электрическим сопротивлением . р следующими зависимостями:
Y= //(/?S); у = 1/р , |
(3-1) |
где R — общее омическое сопротивление проводника длиною I, м\
S— поперечное сечение проводника, постоянное по всей его длине,
мм2.
Кроме материалов с малым удельным сопротивлением, для ре зисторов, нагревательных элементов и реостатов применяются материалы с большим удельным сопротивлением, в пределах р = 0,42 -т- 2,0 ом-мм2/м. Это в основном сплавы на основе меди и никеля, никеля и хрома и других металлов. Изготовлять эти эле менты из медной или алюминиевой проволоки, обладающей малым удельным сопротивлением, нерационально, так как получились бы очень громоздкие по своим размерам резисторы и реостаты. Чем меньше р, тем лучше проводниковый материал, так как он в боль шей мере способен проводить электрический ток. Так, у проводни'ковой меди р — 0,0175 -е 0,0182 ом-мм2/м\ у проводникового алюминия р — 0,0279 — 0,0283 ом-ммЭ/м.
На величину удельной электропроводности у и удельного электрического сопротивления р оказывают большое влияние примеси. Так, некоторые примеси (марганец Мп и алюминий А1) сильно снижают проводимость чистой меди, даже при малом их содержании (4—6%). Золото Аи и цинк Zn снижают проводимость меди в меньшей степени, чем марганец и алюминий.
На величину проводимости |
оказывает также влияние |
наклеп, |
т. е. пластическая деформация |
металла, в результате его |
механи |
ческой обработки (прокатки, волочения). С увеличением пласти ческой деформации металла его электропроводность падает. Накле панная медная проволока, например, имеет более высокое удельное электрическое сопротирление по сравнению с ненаклепанной. Устраняют этот дефект отжигом металла при определенной темпе ратуре. Электрическое сопротивление металла при этом восстанав ливается до прежней величины.
На величину электрического сопротивления металлического проводника оказывает влияние температура. С повышением темпе ратуры сопротивление проводника увеличивается, а с понижением
27
температуры — уменьшается. Сопротивление проводника R t при температуре t можно подсчитать по формуле:
Rt — Ro [ 1 -Ь а о — /о)],
где R 0 — сопротивление проводника при начальной температуре 4 |
|
(0°, 20° С и др.); а 0 — температурный коэффициент электрического |
|
сопротивления при начальной |
температуре 4- Эта величина пока |
зывает, насколько изменяется |
1 ом сопротивления проводника из |
данного материала при изменении его температуры на |
1°С. Так, |
||||
у проводниковой |
меди |
а 0 = + 0,004 |
град-1, у |
проводникового |
|
алюминия а0 — + |
0,00423 град |
|
|
|
|
Формула зависимости удельного сопротивления от температуры |
|||||
будет такая же, как и для общего сопротивления |
R проводника: |
||||
|
P/ = Po[l + a o (^ -4 )]. |
|
|
||
где р,; — удельное сопротивление при температуре f |
С; р0 — удель |
||||
ное сопротивление при начальной температуре 4- |
|
материа |
|||
М е х а н и ч е с к и е |
с в о й с т в а |
проводниковых |
|||
лов характеризуются: |
|
|
|
|
а) пределом прочности при растяжении op — P/S, кгс/см2,
где Р — растягивающая нагрузка. В системе СИ 1 кгс/м2 = 9,8 н/м2; б) относительным удлинением
где 4 — первоначальная длина проволоки; /р — длина проволоки после растяжения под действием нагрузки Р.
По механическим свойствам применяемую проволоку делят на две группы: мягкую проволоку, к которой относится, главным образом, отожженная медная проволока, реже алюминиевая, и твердую проволоку — неотожженную из сплавов с высоким элек трическим сопротивлением, а также из меди и алюминия.
Наматывание мягких сортов проволоки, особенно малых сече ний, вызывает особые трудности из-за растяжения и обрыва про волоки. На рис. 3-2, а представлены диаграммы растяжения отож
женной медной проволоки 0 |
0,2 мм и неотожженной проволоки |
из сплава константан 0 0,08 |
мм (рис. 3-2, б). Из диаграмм видно, |
что растяжение мягкой проволоки характеризуется значительным удлинением за пределом пропорциональности (точка * на рис. 3-2, а).
Твердая |
проволока имеет весьма |
малый |
участок |
растяжения |
от предела |
пропорциональности до |
точки |
разрыва |
(точки * на |
рис. 3-2, б).
Физические свойства проводниковых материалов определяют их поведение в электрических, магнитных и тепловых полях. Напри мер, под действием электрического напряжения металлы, как известно, проводят электрический ток. В магнитном поле некото
28
рые металлы (железо, никель и др.) способны намагничиваться, в то время как другие (медь, алюминий) не обладают этой способ ностью. В тепловых полях металлы расширяются или сжимаются в зависимости от того, повышается или понижается температура металла.
Поведение проводниковых материалов при изменении темпера туры определяется такими физическими характеристиками, как температурный коэффициент теплового линейного расширения, температурный коэффициент сопротивления и температурный коэф фициент удельного электрического сопротивления.
Температурный коэффициент теплового линейного расширения
щ показывает изменение первоначальной длины 10 металла, |
наппи- |
5) |
|
кгс/мм\ б |
|
30 |
|
so |
|
70 |
|
ВО |
|
50 |
|
«О |
|
30 |
|
20 |
|
10 |
йИё* |
О П |
_i |
20 мм |
мер, медной проволоки, до длины I при изменении температуры ее от (0 до t. Коэффициент линейного теплового расширения выражает изменение линейных размеров металла на один градус температуры и на один сантиметр первоначальной длины образца металла. Это выражается формулой
* 1==т = ё й ' г р а д ~ к |
. ( 3 _ 2 ) |
Зная величину I и первоначальную длину |
можно подсчитать |
длину проволоки при любой температуре t. Для этого представим формулу (3-2) в таком виде:
/ = /0[1 -f {t — Щ.
Температурный коэффициент сопротивления aR определяется формулой:
aR-
29