انواع عایق در ساختمان ماشین‌های الکتریکی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، ساختمان ماشین‌های الکتریکی از سه دسته مواد اصلی هادی‌ها، هسته و عایق‌ها تشکیل شده است. عایق‌های الکتریکی برخلاف هادی‌ها و هسته در ماشین‌های الکتریکی، اجزاء غیرفعال محسوب می‌شوند. بدین معنا که هیچ نقشی در تولید میدان مغناطیسی و یا هدایت آن و همچنین تولید گشتاور و هدایت جریان ندارند. در عین حال نیازمندی‌های اساسی الکتریکی، حرارتی و مکانیکی را در میان اجزاء فعال در ساختمان ماشین‌های الکتریکی دوار، فراهم می‌سازند.

عایق‌های الکتریکی در میان هادی‌های مختلف حامل جریان در ولتاژ‌های مختلف و نیز بین شیار‌هایی که هادی‌ها را در خود جای می‌دهند جداسازی الکتریکی را ممکن می‌سازند. آن‌ها با هدایت حرارت، نقش حرارتی و همچنین با نگه داشتن هادی‌ها در داخل شیار‌ها و فراهم ساختن پوشش‌های حفاظتی، نقش مکانیکی خود را ایفاد می‌کنند.

۱- سیم پیچ و هسته ماشین‌های الکتریکی فشار قوی

سیم پیچ (Winding) ماشین‌های الکتریکی از تعدادی کلاف (‍Coil) تشکیل شده است که هر کلاف ممکن است از یک یا چند دور یا حلقه (Turn or Loop) ایجاد شده باشد. چنانچه سیم پیچ دارای کلاف‌های تک دور باشد به آن شین یا میله تک دور (Bar) می‌گویند. هر دور یا حلقه دارای دو هادی (‍Conductor) است که هر هادی، یک بازوی حلقه یا بازوی کلاف (Coil Side) محسوب می‌شود و در هسته قرار می‌گیرند. هادی‌ها اغلب از چند رشته (Strand or Sub Conductor) تشکیل می‌شوند. آن‌ها در قسمت پیشانی به هم متصل می‌شوند و به قسمت اتصال که خارج از هسته می‌باشد، اتصال پیشانی (Overhang or End-Connection) گفته می‌شود. در نهایت کلاف‌ها هنگام سربندی به یکدیگر متصل و سرسیم پیچی‌ها (End-Winding) را تشکیل می‌دهند.

تصویر زیر شمای یک کلاف تک حلقه‌ای ساده را نشان می‌دهد که فواصل AB و DE، هادی‌ها و یا بازو‌های کلاف و قسمت BCD نیز اتصال پیشانی آن می‌باشد.

هسته ماشین‌های الکتریکی دوار از ورقه‌های شیاردار تشکیل می‌شود. هدف از ورقه نمودن هسته، کاهش تلفات جریان گردابی یا تلفات فوکو می‌باشد.

هادی‌ها می‌توانند در یک طبقه و یا در چند طبقه در داخل شیار‌های هسته جایگذاری شوند.

تصویر زیر نیز جانمایی یک کلاف تک حلقه‌ای را در داخل دو شیار استاتور یک ماشین الکتریکی فشار قوی را نمایش می‌دهد.



با توجه به توان نامی، سطح ولتاژ و نوع سرویس دهی ماشین‌های الکتریکی، نحوه سیم پیچی و ساختار هسته آن‌ها متفاوت است که در اینجا به آن‌ها پرداخته نمی‌شود.


۲- انواع عایق در ساختمان ماشین‌های الکتریکی

عایق‌های الکتریکی مورد مصرف در ماشین‌های الکتریکی با توجه به نوع ماشین و ساختمان آن‌ها به ویژه نوع جانمایی و ابعاد سیم‌پیچی که به عناصری از قبیل توان نامی، ولتاژ، تعداد قطبها، نیازمندی‌های ناشی از حداکثر مجاز گرم شدن سیم‌پیچی، راکتانس، راندمان و هزینه وابسته است متفاوت می‌باشد.

در حالت کلی و عمومی می‌توان عایق ماشین‌های الکتریکی را به دو دسته اصلی عایق سیم پیچ و هادی‌ها و عایق هسته و شیار تقسیم بندی نمود. عایق‌های دیگر از قبیل روکش‌های محافظ و قطعات نگهدارنده نیز عایق‌های کمکی و فرعی محسوب می‌شوند.

۲-۱- عایق رشته‌های هادی (Strand Insulations)

هادی‌ها به منظور کاهش سطح مقطع، حذف اثر پوستی و تلفات ناشی از آن، انعطاف پذیری و همچنین کاهش تلفات گردابی از چند رشته (Strands) ساخته می‌شوند. عایق رشته‌ها می‌بایست دارای ضخامت کم به منظور کاهش فضای اشغالی، مقاومت بالا در برابر سایش و خراشیدگی و البتهتوانایی تحمل فشار‌ها و تنش‌های حرارتی را داشته باشند. امروزه، این ملزومات بوسیله لایه روغن یا لایه روغن‌های جلا دهنده مصنوعی مختلف) لعابها) برآورده می‌شود.

سیم‌های مستطیل شکل و گرد نیز ممکن است بوسیله لایه‌های روی هم نوار‌های عایق بندی از قبیل نوار‌های با الیاف شیشه و نوار‌های کاغذآمید، عایق بندی شوند. با این وجود، اغلب ملزومات عایق هادی‌های به کار گرفته شده در ماشین‌های الکتریکی کوچک بوسیله لعاب‌ها برآورده میشود.

۲-۲- عایق حلقه (Turn Insulation)

عایق حلقه، مجموعه‌ای از رشته‌های هادی را پوشانده و هدف اصلی آن عایق نمودن حلقه‌ها و ممانعت از اتصال کوتاه بین آن‌ها در هر کلاف است. این عایق‌ها باید قادر به تحمل ولتاژ‌های فاز با زمین، فاز به فاز و اضافه ولتاژ‌های گذرا و همچنین تنش‌های حرارتی و مکانیکی باشند.

۲-۳- عایق دیواره‌های زمین شده هسته (Groundwall Insulation)

عایق دیواره‌های هسته، به قطعات عایقی که هادی‌های مسی عایق شده را از دیواره‌های هسته استاتور که زمین شده است جدا می‌سازند، گویند. این قطعات همچنین ورق‌های جدا کننده کلاف‌ها در فاز‌های مختلف را شامل می‌شوند. این قطعات می‌بایست قادر به تحمل فشار‌های مغناطیسی که منجر به لغزش حلقه‌ها می‌شوند، باشند.

در تصویر زیر یک شیار استاتور که به صورت دو طبقه توسط هادی‌ها پر شده است به همراه برخی عایق‌های یاد شده فوق نشان داده شده است.



۲-۴- حفاظت در برابر تخلیه جزئی (‍PD Protection)

از آنجا که کلاف‌ها و میله‌ها، خارج از هسته استاتور تهیه و عایق‌بندی می‌شوند، هنگام جانمایی در هسته می‌بایست نازکتر از شیار‌های هسته باشند و به همین منظور ایجاد فاصله‌های هوایی بین شیار‌ها و سطح کلاف‌ها یا میله‌ها اجتناب‌ناپذیر است. از طرفی در طول پروسه ساخت کلاف‌ها و میله‌های ماشین‌های الکتریکی در سطوح ولتاژ بالای چهار کیلوولت ممکن است فضا‌های خالی در سطح آن‌ها ایجاد شده باشد. فواصل هوایی زمینه پدیده تخلیه جزیی در اثر اضافه ولتاژ‌ها را در سطح کلاف‌ها و یا میان کلاف‌ها و دیواره شیار‌ها فراهم می‌سازد. این پدیده در ماشین‌های الکتریکی، در محاوره به طور نادرست، پدیده کرونا تلقی می‌شود. تنش‌های الکتریکی می‌توانند هوای موجود در فواصل هوایی را شکسته و منجر به تولید جرقه شود. جرقه‌ها سرانجام موجب ساییده شدن و حتی ایجاد حفره در عایق و یا دیواره هسته می‌شوند.

به منظور جلوگیری از این پدیده، عایقی نیاز است تا فاصله‌های هوایی میان کلاف‌ها و دیواره‌های هسته را حذف و مانع از پدیده تخلیه‌جزیی و در نتیجه ایجاد خطا در سیستم ماشین الکتریکی شود. جهت حذف پدیده تخلیه جزیی در سطح کلاف‌ها و میله‌ها از روکش‌های عایق اضافی استفاده می‌شود. همچنین سازندگان از پوشش‌های نیمه هادی در فاصله بین کلاف‌ها و دیواره شیار‌ها استفاده می‌کنند. این پوشش معمولا از جنس کربن سیاه می‌باشد که با مقاومت اهمی کافی در تماس با شیار و هسته پتانسیل زمین را خواهد داشت. به این ترتیب ولتاژ دو سر فواصل هوایی صفر بوده و تخلیه جزیی نخواهیم داشت. پدیده تخلیه جزیی در فواصل هوایی بین شیار و کلاف‌ها در ماشین‌های الکتریکی بالاتر از شش کیلوولت رخ می‌دهد.

پوشش نیمه هادی مابین کلاف‌ها و شیارها، معمولا حدود چند سانتیمتر از دو لبه انتهایی شیار‌ها را نیز پوشش می‌دهند. همچنین روکش سطح کلاف‌ها و میله‌ها نیز تا حدود زیادی، نزدیکی اتصالات انتهایی را پوشش می‌دهند. اما به هر ترتیب حفاظت نقاط اتصال سر سیم پیچ‌ها را فراهم نمی‌سازند. از آنجا که عایق‌های این نقاط نیز در معرض فواصل هوایی قرار دارند، و همچنین از طرفی یکنواخت نمودن میدان الکتریکی در خارج از فضای هسته و شیار‌ها از دیگر مسائل ماشین‌های الکتریکی است، می‌بایست پوششی را برای حذف فواصل هوایی و یکنواخت نمودن میدان در سر سیم پیچ‌ها در نظر گرفت. این نیازمندی‌ها با بکارگیری نوار کاربید سیلیکون در اتصال سرسیم پیچ‌ها برآورده شده است. کاربید سیلیکون دارای مشخصه‌ای است که با افزایش تنش‌های الکتریکی مقاومت آن کاهش می‌یابد، بدین معنا که اهمیک نمی‌باشد. این خاصیت مقاومت متغیر موجب هادی شدن آن هنگام اضافه ولتاژ و هدایت آن به هسته زمین شده استاتور و همچنین عدم انتقال سایر شرایط نامی به هسته و عایق‌های آن در حالت کار عادی ماشین می‌شود. با حذف اضافه ولتاژها، امکان آسیب سیستم عایقی در سرسیم پیچ‌ها در اثر تخلیه جزیی نیز حداقل می‌شود.

۲-۵- نگهدارنده مکانیکی در شیار (Mechanical Support in the Slot)

کلاف‌ها و میله‌ها در شرایط کار عادی موتور‌ها و ژنراتور‌ها در معرض فشار‌های مغناطیسی قرار دارند. همچنین در صورت وقوع خطایی در ماشین برای مثال یک خطای فاز به فاز، جریان گذرای خطا ممکن است به چندین برابر جریان در شرایط عادی برسد که نیرو‌های مغناطیسی بسیار قویتری نسبت به شرایط کار نرمال ایجاد خواهد کرد. کلاف‌ها می‌بایست در برابر حرکات ناشی از نیرو‌های مکانیکی در شرایط کار عادی و یا حالت گذرا مقاوم باشند در غیر این صورت هر گونه حرکت و لغزشی در کلاف‌ها ممکن است به عایق‌ها آسیب‌های جدی وارد نماید. ضمن تامین خواصمکانیکی و حرارتی مورد نیاز، حجم سیستم عایق کاری شیار باید در مینیمم مقدار ممکن نگهداشته شود تا حجم ماده هادی فعال و موثر در شیار بتواند ماکزیمم شود.

در شیار‌های استاتور روش‌ها و قطعات عایقی مختلفی جهت مهار کلاف‌ها به کار می‌روند. همانگونه که در تصاویر زیر نشان داده شده است، هر دو شیار تا آنجایی که ممکن بوده است توسط هادی‌ها و مواد عایقی پر شده و سپس توسط یک گوه غیر هادی و غیر مغناطیسی بسته شده‌اند.

پر کردن شیار‌ها توسط گوه تا حد بسیار زیادی از شل شدگی و لغزش هادی‌ها و کلاف‌ها جلوگیری می‌کند. گوه‌ها با اشکال هندسی مختلف در لبه ها، متناسب با شیار‌های ماشین طراحی می‌شوند و همانطور که در شکل مشاهده می‌شود ممکن است از دو تکه گوه مجزا نیز استفاده شود. همچنین قطعات عایقی دیگری در عمق و کناره و یا فضا‌های اضافی و خالی دیگر شیار جهت کمک به مهار کلاف‌ها استفاده می‌شوند. همانگونه که قبلا بیان شد این پرکننده‌های فضا‌های خالی می‌تواند کربن سیاه نیز باشد.

یکی دیگر از دغدغه‌ها در داخل شیارها، انقباض مواد داخل شیار‌ها در طول عملکرد ماشین و در نتیجه ایجاد فضا‌های خالی جهت لغزش کلاف‌ها است که این مسئله نیز با روکش کلاف‌ها و میله‌ها با سیلیکون رابر که خاصیت منبسط شوندگی دارد حل شده است.

بکارگیری مواد عایقی لوله‌ای شکل توخالی در عمق شیار و چسباندن کلاف‌ها و میله‌ها (معمولا توسط وارنیش ها) در داخل شیار از دیگر روش‌های مهار کلاف‌ها در داخل شیار‌ها می‌باشند.


۲-۶- نگهدارنده مکانیکی در سرسیم پیچ‌ها (Mechanical Support in the End-Winding)

هدف سرسیم پیچ‌ها تامین اتصال الکتریکی مطمئن میان کلاف‌ها است. این اتصلالات می‌بایست نسبت به هسته زمین شده بسیار مناسب عایق شوند. در ماشین‌های الکتریکی با ولتاژ‌های بالا، فاصله خزشی طولانی تری بین اتصالات سرسیم پیچ و هسته وجود دارد و همچنین ماشین‌های الکتریکی سرعت بالا دارای سرسیم پیچ‌ها با طول زیاد می‌باشند. سرسیم پیچ‌ها می‌بایست در برابر لغزش‌ها و حرکات احتمالی مهار شوند. برای این منظور روش‌های مختلفی موجود است.

یکی از روش ها، چسباندن سرسیم‌های هر کلاف توسط نوعی چسب و یا استفاده از طناب‌های مهار می‌باشد. در ماشین‌های الکتریکی بزرگتر از نوعی تسمه‌های مهار یا نگهدارنده استفاده می‌شود. این تسمه‌ها از جنس استیل عایق شده با صفحات پلی استر یا اپوکسی گلاس یا فایبرگلاس می‌باشند.

۲-۷- عایق ترانسپوزه (Transposition Insulation)

در استاتور بعضی ماشین‌های الکتریکی با کلاف‌های چند حلقه ای، هادی‌ها ممکن است جابجایی داخلی داشته باشند. از آنجا که شار مغناطیسی در سمت رتور بیشتر از قسمت‌های دیگر است معمولا رشته‌ها را همواره در این موقعیت قرار نمی‌دهند. در اطراف جابه جایی هادیها، یک نوار عایقی اضافی استفاده می‌شود که به آن‌ها عایق ترانسپوزه گویند.

۲-۸- سیستم عایق بندی رتور ماشین‌های الکتریکی

سیم پیچی رتور ماشین‌های سنکرون دارای قطعات عایقی حلقه (حلقه با حلقه و حلقه با زمین) و شیار می‌باشند. سیم پیجی رتور این ماشین‌ها تحت ولتاژ DC می‌باشند که در نتیجه آن عایق حلقه‌ها نازک بوده و از طرفی به دلیل عدم وجود اثر پوستی در رشته‌های هادیها، عایق رشته‌ها نیاز نمی‌باشد. از طرفی تغذیه DC با سیستم تحریک استاتیک منجر به ایجاد تنش‌های اضافی در رتور شده که تخلیه جزیی در فواصل سیم پیچ رتور را ممکن می‌سازد.

تنش‌های حرارتی و نیرو‌های گریز از مرکز از دیگر مواردی است که سیستم عایقی رتور ماشین‌های الکتریکی را تهدید می‌کند. قطعات عایقی در رتور می‌بایست دارای استحکام مکانیکی بالا و سیستم نگهدارنده‌های مناسب جهت مهار هادی‌ها در برابر فشار‌های مکانیکی ناشی از میدان‌های مغناطیسی و به ویژه نیرو‌های چرخشی گریز از مرکز باشند. از دیگر تنش‌هایی که سیستم عایقی رتور‌ها در معرض آن قرار دارند، فشار‌های مکانیکی یا به عبارت بهتر ترمومکانیکی در هنگام راه اندازی و خاموش نمودن ماشین‌های الکتریکی است. با تحریک سیم پیچ رتور، جاری شدن جریان الکتریکی در هادی‌ها منجر به ایجاد حرارت و حرکت محوری آن‌ها شده که امکان آسیب به قطعات عایقی را فراهم می‌سازد. برای این منظور معمولا از پوشش‌های لغزنده در عایق‌های شیار رتور استفاده می‌شود تا در مقابل خراشیدگی ناشی از تنش مذکور مقاوم باشند.

هیدروژنراتور‌ها و موتور‌های چهار قطبه یا بیشتر از آن دارای سیم پیچ‌های رتور قطب برجسته می‌باشند. دو نوع طراحی رتور قطب برجسته وجود دارد. در یک طرح سیم‌ها به دور قطب‌ها پیچیده می‌شوند و در ماشین‌های الکتریکی با ظرفیت پایین رایج می‌باشد. در نوع دیگر، یک نوار نازک مسی به صورت قالبی روی قطب جای می‌گیرد و ورق‌های عایقی جداکننده مانند عایق حلقه، هر قالب مسی را نسبت به دیگری عایق می‌کند. در هر دو طرح از واشر و طوقه‌هایی جهت عایق سیم پیچ با بدنه رتور استفاده می‌شود. تصویر زیر قطب هر دو طرح را به همراه سیم پیچ و عایق‌های آن نمایش می‌دهد.

رتور‌های استوانه‌ای معمولا در توربوژنراتور‌های دو و چهار قطبه رایج است. سطح رتور دارای شیار‌های محوری است که در هر شیار حدود ۵ تا ۱۰ حلقه مسی که تشکیل یک کلاف را می‌دهد قرار می‌گیرد. حلقه‌ها به جای اینکه توسط نوار‌ها یا فیلم‌های عایق، عایق بندی شوند توسط قطعات عایق از هم جدا می‌شوند. کلاف‌ها توسط گوه در داخل شیار‌ها نگه داشته می‌شوند. مسیر‌هایی نیز برای عبور هوا و یا گاز‌های خنک کننده در حلقه‌ها و گوه‌ها تعبیه می‌شود. تصویر زیر شیار یک رتور استوانه‌ای را به همراه جانمایی حلقه‌ها و عایق‌های آن نمایش می‌دهد.

تصویر زیر بخش‌هایی از انواع عایق مورد مصرف و محل بکارگیری آن‌ها در ساختمان یک ماشین الکتربکی فشار قوی را نمایش می‌دهد.

۳- پیری سیستم عایقکاری

تغییرات نامطلوبی که در ساختار فیزیکی و شیمیایی سیستم عایقکاری در اثر تنش‌های ایجاد شده در طی سرویس دهی ایجاد می‌شود را پدیدهپیری در این سیستم گویند.

انواع تنش‌های الکتریکی را Team Factors می‌نامند که حروف آن بیان کننده تنش‌های ذیل می‌باشد:

T: حرارتی (Temperature)

E: الکتریکی (Electrical)

A: محیطی (Ambient)

M: مکانیکی (Mechanical)

موتور‌ها و ژنراتور‌ها با توجه به نوع تغذیه و شرایط سرویس دهی به چهار دسته ذیل تقسیم می‌شوند که تنش‌های ایجاد شده بر روی آن‌ها متفاوت می‌باشد.

موتور‌ها و ژنراتور‌های فشار ضعیف
موتور‌ها و ژنراتوری فشار قوی
موتور‌های تراکشن
موتور‌های تغذیه شده توسط مبدل‌های فرکانس یا تجهیزات الکترونیک قدرت

تصویر زیر شرایط کاری سیستم عایقی ماشین‌های الکتریکی یادشده را نشان می‌دهد که در آن اندازه دایره، بیانگر تنش‌های مکانیکی است.

۳-۱- تنش‌های الکتریکی

کلید زنی، رعد و برق و سوئیچینگ از عوامل تنش‌های الکتریکی می‌باشند. این تنش‌ها همانطور که پیشتر عنوان شد منجر به شکل گیری پدیده تخلیه جزیی در سیستم عایقی می‌شوند.


۳-۲- تنش‌های حرارتی و حرارتی مکانیکی

سیستم عایقکاری سیم پیچ‌های جریان متناوب به گونه‌ای طراحی می‌شود که در یک ولتاژ و دمای مشخص حداقل برای طول عمر تعریف شدهتجهیز استقامت و پایداری الکتریکی و مکانیکی و ابعادی خود را حفظ کند.

در استاندارد‌های بین المللی کلاس‌های مختلف سیستم‌های عایقی الکتریکی توصیف گردیده است. این توصیف بر پایه ماکزیمم دمایی که اینسیستم می‌تواند بصورت مداوم کار کند و نیز تحمل ولتاژ نامی سیستم را داشته باشد. رایج‌ترین کلاس‌های عایقی در ماشین‌های الکتریکی H و F و B و A می‌باشند که صورت ۱۰۵ و ۱۳۰ و ۱۵۵ و ۱۸۰ نیز ارائه می‌گردند. اعداد ذکر شده مشخص کننده دمای نقطه داغ طراحی شده برای سیمپیچی بر حسب درجه سلسیوس می‌باشد.

معمولا شرایط کار سیستم‌های عایقکاری، یک کلاس حرارتی پایین‌تر از کلاس حرارتی نامی می‌باشد به عنوان مثال یک موتور الکتریکی مورداستفاده قرار B برای کلاس حرارتی F با کلاس حرارتی میگیرد.

با توجه به موضوع فوق معمولا تنش حرارتی در شرایط نرمال کار نقش کمی در ایجاد پیری ناشی از تنش‌های حرارتی ایجاد می‌نماید. در موارد خاصهمچون موتور‌های مورد استفاده در مته‌ها و دریل ها، راه آهن و ژنراتور‌های هواپیما ممکن است در دمای بیش از ۲۰۰ درجه سانتی گراد و حتی ۳۰۰ درجه کار کند.

تنش‌های حرارتی– مکانیکی در سیستم‌های عایقکاری در اثر اختلاف دما در نواحی مختلف و یا متفاوت بودن ضرایب انبساط حرارتی مواد مختلف درسیستم عایقکاری حادث می‌گردد. بنابراین می‌بایست در طراحی سیستم عایقکاری، ترکیب مواد به کار گرفته شده با توجه به ضرایب انبساطحرارتی در نظر گرفته شود.

۳-۳- تنش‌های محیطی

موارد ذیل می‌توانند عوامل ایجاد تنش‌های محیطی در ماشین‌های الکتریکی باشند:

رطوبت محیط
دمای محیط (تغییرات دمای محیط– هوای خیلی سرد)
مواد محیط (موادساینده– بخار‌های اسیدی و خورنده در محیط)

شرایط نامناسب محیطی تا حدی توسط ایزوله کردن ماشین الکتریکی از محیط اطراف قابل جلوگیری می‌باشد.

۳-۴- تنش‌های مکانیکی

ارتعاشات، شوک‌های مکانیکی ناشی از جریان‌های اتصال کوتاه و نیرو‌های سانتریفیوژ در روتور از جمله تنش‌های مکانیکی ماشین‌های الکتریکیگردان می‌باشند. اتصالات پیشانی و سرسیم پیچی‌ها نیز در معرض تنش‌های مختلف مکانیکی قرار دارند که با استفاده از بستن اتصال پیشانیسیم پیچ‌های استاتور به رینگ نگهدارنده و تزریق رزین به این ناحیه از اثرات نامطلوب تنش‌های مکانیکی جلوگیری می‌شود.