Chọn vật liệu cách điện cho dây điện trong động cơ

Mục đích của việc cách điện dây quấn là để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch đan xen. Trong động cơ không đồng bộ điện áp thấp, điện áp lần lượt thường là vài volt, nhưng khi bật và tắt động cơ có thể tạo ra các xung điện áp ngắn nên lớp cách điện phải có biên độ điện lớn vì nếu cách điện bị yếu tại một vài vị trí và một vài thời điểm đều có thể gây ra sự cố về điện và làm hư hỏng toàn bộ cuộn dây. Nhìn chung, điện áp đánh thủng của lớp cách điện của cuộn dây phải có điện áp hàng trăm V.

Dây quấn thường được làm bằng sợi, men và men cách điện. Vật liệu sợi dựa trên cellulose có độ xốp đáng kể và khả năng hút ẩm cao. Để tăng độ bền điện và khả năng chống ẩm, chất cách điện dạng sợi được tẩm một loại vecni đặc biệt. Tuy nhiên, việc ngâm tẩm không có tác dụng chống ẩm mà chỉ làm giảm tốc độ hút ẩm. Vì những nhược điểm này nên dây dẫn cách điện bằng sợi và sợi tráng men hiện nay hầu như không bao giờ được sử dụng làm cuộn dây của máy điện.

Dây dùng để cuộn dây trong động cơ điện

Các loại dây chính có lớp cách điện tráng men thường được sử dụng để sản xuất cuộn dây cho các động cơ điện và thiết bị điện khác nhau, chủ yếu là dây polyvinyl acetal PEV và dây có khả năng chịu nhiệt tăng PETV trên vecni polyester. Ưu điểm của những loại dây này là độ dày lớp cách điện nhỏ giúp tăng khả năng che kín các khe của cuộn dây động cơ. Đối với cuộn dây của động cơ không đồng bộ có công suất lên tới 100 kW thì dây PETV chủ yếu được sử dụng.

Các bộ phận mang điện cũng phải được cách điện với các bộ phận kim loại khác trong động cơ. Trước hết, cần phải có cách điện cho các dây đặt trong các rãnh của stato và rôto và vải đánh bóng hoặc vải thủy tinh thường được sử dụng (là loại vải làm từ sợi bông, lụa, nylon và thủy tinh được tẩm vecni). Việc ngâm tẩm này sẽ làm tăng độ bền cơ học và cải thiện tính chất cách điện của vải.

Các loại cách điện dùng cho dây điện trong động cơ

Trong quá trình vận hành, lớp cách điện sẽ tiếp xúc với nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến đặc tính của nó như nhiệt cao, ẩm, lực cơ học và các hoạt chất hóa học.

1. Theo nhiệt độ

Nhiệt độ cao trong động cơ là do dòng điện chạy qua dây dẫn kèm theo sự giải phóng nhiệt làm nóng máy điện. Các nguồn nhiệt khác được tạo ra là do tổn thất trong thép stato và rôto dưới tác động của từ trường xen kẽ, cũng như tổn thất ma sát cơ học trong vòng bi. Nhìn chung, khoảng 10 – 15% lượng điện tiêu thụ bị chuyển hóa thành nhiệt bằng cách nào đó như trên, tạo ra sự tăng nhiệt độ của cuộn dây động cơ so với bên ngoài. Khi tải trên trục động cơ tăng lên thì dòng điện trong cuộn dây cũng tăng lên nên việc động cơ bị quá tải sẽ khiến nhiệt độ của cuộn dây tăng lên rất nhiều.

Nhiệt độ quá nóng có thể làm thay đổi cấu trúc của vật liệu cách điện theo hướng xấu đi, quá trình này được gọi là lão hóa khiến lớp cách điện trở nên giòn và độ bền điện của nó giảm nhanh. Các vết nứt nhỏ xuất hiện trên bề mặt có thể tạo điều kiện cho hơi ẩm và bụi bẩn xâm nhập vào, sau đó sẽ xảy ra sự cố và làm cháy một phần cuộn dây. Khi nhiệt độ của cuộn dây tăng lên, tuổi thọ của lớp cách điện càng giảm mạnh.

 Vật liệu cách điện theo biên độ nhiệt

Vật liệu cách điện được sử dụng trong máy móc và thiết bị điện được chia thành 7 loại dựa trên khả năng chịu nhiệt của chúng. Trong số này, 5 chiếc được sử dụng trong động cơ điện lồng sóc không đồng bộ có công suất lên tới 100 kW.

1. Vật liệu sợi không ngâm tẩm làm từ cellulose, lụa và bông được phân loại là loại Y (nhiệt độ cho phép 90°C);
2. Vật liệu sợi đã ngâm tẩm làm từ cellulose, lụa và bông có lớp cách điện bằng dây làm từ dầu và vecni polyamit là loại A (nhiệt độ cho phép 105°C);
3. Màng hữu cơ tổng hợp có lớp cách điện bằng dây dựa trên nhựa polyvinyl axetat, epoxy, polyester là loại E (nhiệt độ cho phép 120°C);
4. Vật liệu dựa trên mica, amiăng và sợi thủy tinh, được sử dụng với chất kết dính hữu cơ và các chế phẩm tẩm, men với tăng khả năng chịu nhiệt  là loại B (nhiệt độ cho phép 130°C);
5. Vật liệu dựa trên mica, amiăng và sợi thủy tinh được sử dụng kết hợp với chất kết dính vô cơ và các chế phẩm tẩm, cũng như các vật liệu khác tương ứng với loại này là loại F (nhiệt độ cho phép 155°C).

Động cơ điện được thiết kế có tính đến công suất định mức, nhiệt độ của cuộn dây không vượt quá giá trị cho phép. Thường có một biên độ nhiệt nhỏ nên dòng điện định mức tương ứng với việc gia nhiệt thấp hơn một chút so với định mức tối đa. Nhiệt độ môi trường trong tính toán được giả định là 40°C . Nếu động cơ điện hoạt động trong điều kiện nhiệt độ luôn <40°C thì có thể bị quá tải. Mức độ quá tải có tính đến nhiệt độ môi trường xung quanh và các đặc tính nhiệt của động cơ.

2. Theo độ ẩm

Một yếu tố khác ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của vật liệu cách điện trong động cơ là độ ẩm. Khi độ ẩm không khí tăng lên, một màng hơi ẩm hình thành trên bề mặt vật liệu cách điện khiến điện trở bề mặt của vật liệu sẽ giảm mạnh do ô nhiễm cục bộ, thậm chí độ ẩm có thể xâm nhập vào trong lớp cách điện thông qua các vết nứt và lỗ chân lông, làm giảm điện trở của lớp này.

Dây có lớp cách điện bằng sợi thường không có khả năng chống ẩm nên không được ngâm tẩm với vecni. Sợi men và chất cách nhiệt bằng men có khả năng chống ẩm tốt hơn. Cần lưu ý rằng tốc độ tạo ẩm phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ môi trường. Ở cùng độ ẩm tương đối nhưng ở nhiệt độ cao hơn, lớp cách điện sẽ bị thấm ẩm nhanh hơn nhiều lần.

3. Theo lực cơ học

Lực cơ học trong cuộn dây phát sinh do sự giãn nở nhiệt không đồng đều của từng bộ phận riêng lẻ của máy, sự rung động của vỏ và trong quá trình khởi động động cơ. Thông thường , lõi từ nóng lên ít hơn lõi đồng của cuộn dây và hệ số giãn nở của chúng khác nhau nên đồng sẽ giãn ra ở dòng điện hoạt động nhiều hơn thép khoảng 1/10 mm, tạo ra các lực cơ học bên trong rãnh của máy và chuyển động của dây dẫn, gây mài mòn lớp cách điện và hình thành các khoảng trống khiến hơi ẩm và bụi cùng xâm nhập.

Dòng điện khi khởi động thường cao gấp 6 – 7 lần dòng định mức tạo ra lực điện động tỷ lệ với bình phương dòng điện. Các lực này tác động lên cuộn dây, gây biến dạng và dịch chuyển các bộ phận riêng lẻ của nó. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi gia tốc rung tăng lên thì khuyết tật cách điện của cuộn dây có thể tăng lên 2.5 – 3 lần. Rung động cũng có thể gây mòn vòng bi nhanh hơn. Rung động của động cơ có thể xảy ra do trục lệch, tải không đồng đều, khe hở không khí không đồng đều giữa stato và rôto và điện áp không đối xứng.

4.  Do bụi và môi trường hóa học

Bụi trong không khí cũng góp phần làm mòn lớp cách điện. Các hạt bụi rắn sẽ phá hủy bề mặt và lắng xuống trong động cơ, gây ô nhiễm. Ngoài ra không khí của các cơ sở công nghiệp có chứa tạp chất của các hoạt chất hóa học (carbon dioxide, hydrogen sulfide, amoniac…) khiến vật liệu cách điện cũng nhanh chóng mất đi đặc tính cách điện và bị phá hủy. Để tăng khả năng kháng hóa chất của cách điện cuộn dây trong động cơ điện, người ta sử dụng vecni tẩm đặc biệt.

Tổng kết

Cuộn dây trong động cơ thường chịu tác động đồng thời của nhiệt, độ ẩm, các thành phần hóa học và ứng suất cơ học,  tùy thuộc vào tính chất tải của động cơ, điều kiện môi trường và thời gian hoạt động mà ảnh hưởng của các yếu tố này có thể khác nhau nhưng trong các động cơ điện có tải thay đổi, nhiệt là tác nhân chủ yếu còn trong các hệ thống lắp đặt điện vận hành cho chăn nuôi thì độ ẩm cao kết hợp với hơi amoniac là tác nhân nguy hiểm nhất.

Để đảm bảo động cơ hoạt động đáng tin cậy, trước hết phải sử dụng vật liệu cách điện chất lượng cao hơn, các đặc tính kỹ thuật của động cơ và khả năng chịu tác động của các yếu tố phá hủy cách nhiệt sẽ được cải thiện rồi cuối cùng mới tính đến bảo trì kịp thời loại bỏ những lỗi có thể dẫn đến hư hỏng cho động cơ sau này.