Pemilihan Kelas Isolasi untuk Tumpukan Laminasi: Minyak, Air, dan Panas

Sebagian besar perdebatan mengenai kelas isolasi terjadi pada tingkat mesin yang salah.

Seseorang meminta “laminasi Kelas H.” Yang biasanya dimaksudkan adalah Kelas H motor. Itu adalah pembelian yang berbeda. A tumpukan laminasi memiliki lapisan interlaminar tipis yang diukur dalam mikron serta metode perakitan — pengelasan, penguncian, perekat, paku keling, dan cleat. Kumparan tersebut memiliki kelas termal yang tertera pada pelat nama. Keduanya saling berinteraksi, tetapi tidak ada yang mewarisi peringkat dari yang lain, dan kegagalan yang timbul akibat kesalahpahaman ini bersifat lambat, tidak mencolok, dan mahal untuk didiagnosis di lapangan.

Artikel ini membedakan kedua sistem tersebut, lalu menjelaskan perubahan apa saja yang sebenarnya terjadi ketika tumpukan tersebut terpapar minyak, kelembapan, atau suhu di atas 180 °C.

Dua sistem isolasi, satu inti

Lapisan antarlamina Lapisan ini berfungsi untuk mencegah arus eddy menembus dari satu lembaran ke lembaran lainnya. Lapisan ini harus mampu bertahan melalui proses pengepresan, perlakuan anil pelepasan tegangan, penyambungan, perendaman dalam pernis atau resin, serta kemudian puluhan tahun terpapar cairan dan suhu apa pun yang ditimbulkan oleh mesin tersebut. Lapisan ini tipis — biasanya 0,5 hingga 5 µm — dan spesifikasinya dinyatakan dalam resistansi isolasi permukaan, resistansi setelah proses anil, serta stabilitas kimia, bukan dalam kelas huruf.

Sistem isolasi lilitan Inilah yang dimaksud dengan kelas termal: lapisan slot, isolasi fase dan lapisan, enamel kawat, irisan, isolasi timah, resin impregnasi, yang semuanya telah memenuhi persyaratan secara bersama-sama. Kelas tersebut merupakan sifat dari kombinasi, yang sudah usang sebagai sebuah sistem.

Di sinilah letak masalahnya: tumpukan tersebut berada di dalam ruang termal sistem penggulungan. Jika lapisan slot menyusut, jika resin melunak, atau jika pernis mengalami degradasi kimia, jalur panas dari tembaga ke inti akan berubah, dan tumpukan tersebut mulai beroperasi dengan margin yang lebih kecil daripada yang ditunjukkan dalam validasi laboratorium. Baja tersebut masih baik-baik saja. Sifat magnetiknya baik-baik saja. Gambaran termal di bawah mesin telah berubah.

Apa yang sebenarnya dijanjikan oleh kelas termal

Kelas huruf — B pada 130 °C, F pada 155 °C, H pada 180 °C, 200, 220 — merujuk pada suhu titik terpanas yang dapat dipertahankan oleh sistem dengan daya tahan yang memadai. Bukan suhu lingkungan. Bukan suhu casing. Bukan suhu rata-rata bak oli. Titik terpanas pada belitan, biasanya di tengah slot.

Perhitungan berikut ini adalah bagian yang perlu dipahami dengan baik:

Jika sistem dijalankan hingga batas kelasnya, hasil pengujian ketahanan termal biasanya mendekati 20.000 jam. Jika dioperasikan secara terus-menerus, itu berarti sedikit lebih dari dua tahun. Hal ini tidak menjadi masalah untuk perkakas listrik. Namun, hal ini menjadi masalah bagi pompa yang seharusnya dapat beroperasi selama satu dekade. Itulah sebabnya konvensi yang umum digunakan adalah menentukan satu kelas di atas kenaikan suhu: isolasi Kelas F, kenaikan Kelas B. Panduan kasarnya — umur berkurang setengahnya untuk setiap kenaikan 10 K di atas, dan kira-kira dua kali lipat untuk setiap penurunan 10 K di bawah — merupakan alat perencanaan yang layak untuk penuaan isolasi, meskipun gemuk bantalan, siklus termal, dan tegangan pada sisi penggerak sering kali menentukan keandalan lebih dulu daripada isolasi itu sendiri.

Jadi, pertanyaan mengenai kelas ini sebenarnya terdiri dari dua pertanyaan yang saling terkait. Titik panas apa yang sebenarnya dihasilkan oleh desain tersebut, berdasarkan verifikasi, bukan perkiraan? Dan di lingkungan kimia seperti apa titik panas tersebut berada?

Kelompok-kelompok lapisan, serta pengaruh lingkungan terhadapnya

Lapisan interlaminar diklasifikasikan ke dalam seri C yang mencakup berbagai jenis, mulai dari oksida alami hasil penggilingan, pernis organik, hingga sistem fosfat dan silikat yang sepenuhnya anorganik, serta jenis hibrida. Daripada menyebutkan seluruh daftarnya, berikut ini adalah versi yang perlu Anda perhatikan saat memilih lapisan yang sesuai dengan kondisi lingkungan tertentu.

Ada dua hal yang dapat disimpulkan dari tabel ini, yang cenderung tidak jelas dalam bahasa katalog.

Pertama, “nomor kelas yang lebih tinggi” tidak berarti “lebih baik.” Lapisan anorganik yang terisi lebih abrasif terhadap perkakas karbida dan dapat meningkatkan biaya pemeliharaan cetakan secara signifikan dibandingkan dengan sistem organik. Jika komponen tersebut adalah laminasi stator 0,25 mm yang diproduksi dalam jumlah puluhan juta, masa pakai perkakas merupakan pos biaya yang nyata, bukan sekadar catatan kaki.

Kedua, tahap anil merupakan syarat mutlak, bukan sekadar pilihan. Jika target magnetik Anda memerlukan pelepasan tegangan setelah proses pengepresan — dan hal ini sering terjadi pada bahan tipis berkadar silikon tinggi dengan gigi kecil — setiap lapisan yang mengandung bahan organik harus dieliminasi atau harus dilengkapi dengan nilai resistansi pasca-anil yang terdokumentasi. Tentukan rute manufaktur sebelum Anda menyusun daftar pendek lapisan pelapis. Metode pengepresan, batas gerinda, metode penyambungan, apakah memerlukan anil atau tidak, serta kesesuaian dengan wadah. Baru kemudian pilih lapisan pelapis yang masih sesuai setelahnya.

Lingkungan minyak

Pendinginan dengan oli tidak meningkatkan kelas yang Anda butuhkan. Biasanya, hal itu menurunkan suhu yang dirasakan oleh isolasi, dan itulah tujuannya. Yang berubah akibat penggunaan oli adalah bahan-bahan apa saja yang termasuk dalam kelas tersebut.

Filter kimia, yang diterapkan di atas hasil analisis termal. Film polimer yang mengembang atau melunak dalam minyak mineral tidak memenuhi syarat, terlepas dari peringkat suhunya. Cairan ester berperilaku berbeda dari minyak mineral, dan cairan transmisi otomatis pun memiliki karakteristik yang berbeda lagi — paket aditif, kandungan air, serta tingkat keasaman sepanjang masa pakainya. Komposit berbasis aramid memiliki rekam jejak yang panjang dalam peralatan yang diisi minyak karena komposisi kimianya stabil baik dalam cairan mineral maupun cairan ester. Rekam jejak tersebut lebih berharga daripada angka pada lembar data yang dihasilkan di udara.

Batas utang biasanya merupakan batasan yang sesungguhnya. Inilah bagian yang sering terlewatkan dalam sebagian besar spesifikasi. Sebuah tumpukan dapat berada di dalam mesin Kelas H dan tetap mengandung lapisan perekat yang titik transisi gelasnya berada di kisaran 80–100 °C. Penelitian yang telah dipublikasikan mengenai sistem pernis epoksi berbasis air untuk baja listrik menemukan lapisan yang telah mengeras dengan suhu transisi gelas antara kira-kira 81 °C dan 102 °C, serta kekuatan lepas gulungan menurun pada sekitar 50% pada 100 °C dan sekitar 75% pada 140 °C. Kelas sistem isolasi di sekitarnya tidak melindungi sambungan tersebut. Lakukan pengujian ketahanan perekat terhadap titik panas pada proses laminasi, bukan huruf yang tertera pada motor.

Minyak belum tentu menjadi faktor utama yang memicu penuaan. Pengujian kelelahan dan delaminasi pada laminasi baja listrik yang direkatkan dengan epoksi telah menunjukkan perilaku pertumbuhan retakan dalam udara panas dan dalam media pendingin berbasis minyak yang, dalam beberapa kondisi, secara umum serupa — dengan titik persilangan pada ambang batas kelelahan mengikuti daerah transisi perekat, bukan fluida. Pemanasan dan pelunakan viskoelastis dapat sama pentingnya dengan kontak dengan fluida. Terkadang bahkan lebih penting.

Proses penuaan dalam minyak mengikuti aturan yang berbeda dibandingkan dengan proses penuaan di udara. Perendaman menghalangi masuknya oksigen, yang memperlambat degradasi oksidatif komponen organik. Sementara itu, panas, cairan, dan getaran terus memengaruhi ikatan perekat selama puluhan tahun. Laminasi Kelas F yang telah melalui uji kelayakan yang tepat dalam minyak biasanya akan bertahan lebih lama daripada bahan dengan kelas nominal yang lebih tinggi, yang perekatnya hanya pernah diuji dalam kondisi kering. Tanyakan dasar pengujian penuaan. Jika jawabannya adalah “film ini memiliki peringkat 180 °C,” itu adalah jawaban yang berlaku untuk satu lapisan saja.

Ketebalan garis ikatan. Di atas batas tertentu, lebih tebal tidak berarti lebih kuat. Dalam sebuah penelitian, kekuatan lepas meningkat seiring dengan ketebalan perekat hingga sekitar 20 µm, lalu tidak mengalami peningkatan lagi. Perekat tambahan hanya akan mengurangi faktor penumpukan tanpa memberikan manfaat apa pun.

Persyaratan praktis untuk tumpukan yang didinginkan dengan minyak: pengelupasan atau pemotongan setelah proses penuaan minyak pada suhu operasi, bukan perendaman pada suhu kamar, dan bukan perendaman selama 48 jam. Ditambah lagi, pemuatan siklik dalam media yang sama jika tumpukan tersebut bersifat struktural.

Air, kelembapan, dan lingkungan dengan cairan tertutup

Kelembapan menimbulkan dampak yang berbeda-beda. Ini merupakan mekanisme kimia, bukan mekanisme termal, dan dapat menyebabkan kegagalan suatu sistem yang kinerjanya masih jauh di bawah batas kelasnya.

Film poliester — bahan andalan berbiaya rendah yang menjadi dasar sebagian besar lapisan slot, dengan peringkat Kelas E hingga B tergantung pada tingkat kualitasnya — rentan terhadap hidrolisis. Kondisi panas, lembap, dan tertutup rapat menurunkan berat molekul dan kekuatan dielektrik. Film tersebut menjadi rapuh. Kertas komposit dengan inti poliester mewarisi kelemahan tersebut pada lapisan inti, bahkan ketika lapisan aramid luarnya tidak terpengaruh; itulah sebabnya penyimpanan pada kelembapan relatif di bawah sekitar 60% merupakan spesifikasi yang sesungguhnya untuk bahan-bahan tersebut, bukan sekadar aturan gudang yang rewel. Stabilitas hidrolitik, secara kasar: film polifenilena sulfida dan polimida tahan dengan baik, polietilen naftalat berada di tingkat menengah, sedangkan poliester adalah yang paling rentan.

Di dalam kompresor yang tertutup rapat, situasinya semakin memburuk. Kelembapan ditambah pelumas ditambah refrigeran, ditambah panas, dapat memicu pembentukan asam. Begitu hidrolisis dimulai pada komponen poliester, kerusakannya tidak hanya terjadi pada lapisan tersebut — melainkan menyebar ke seluruh sistem isolasi. Kondisi lapisan slot, kondisi pernis, isolasi kabel, semuanya berubah, dan perilaku termal pun ikut berubah.

Berkenaan dengan tumpukan itu sendiri, air menimbulkan dua masalah terpisah:

• Korosi pada tepi potongan. Lapisan tersebut menutupi permukaan lembaran. Tepi yang dilubangi terbuat dari baja telanjang dengan adanya gerigi di permukaannya. Dalam aplikasi kondensasi, atau pada desain rotor basah dan desain berkotak, tepi tersebut merupakan titik awal terjadinya korosi. Pengendalian gerigi yang ketat dan komposisi kimia lapisan anti-korosi lebih penting di sini daripada resistivitas permukaan.
• Korsleting antarlamina akibat lapisan uap air. Lapisan oksida berresistansi rendah yang sudah cukup memadai dalam kondisi kering dapat kehilangan marginnya ketika lapisan konduktif menjembatani lamina-lamina. Jika mesin tersebut mengalami siklus kondensasi, tentukan nilai resistansi isolasi permukaan yang telah diukur serta kondisi paparan kelembapan yang harus dipatuhi.

Sistem pemanas anti-kondensasi, saluran pembuangan, ventilasi, dan tingkat ketahanan selubung merupakan bagian dari pertimbangan isolasi, meskipun hal-hal tersebut tercantum pada gambar yang berbeda. Mesin yang suhunya tidak pernah cukup rendah untuk menyebabkan kondensasi memiliki tingkat kebutuhan isolasi yang lebih rendah daripada yang disyaratkan oleh kelasnya.

Di atas 180 °C

Begitu titik panas melewati garis Kelas H, rentang pengikatan material menyempit dengan cepat dan biaya pun melonjak tajam, bukan naik secara bertahap.

Film berbahan dasar poliester sudah tidak digunakan lagi. Kertas aramid, film polimida, film polifenilen sulfida, komposit mika, dan resin tahan suhu tinggi yang mengambil alih peran tersebut. Kertas aramid murni dirancang untuk penggunaan terus-menerus pada suhu sekitar 220 °C dan tidak meleleh, meskipun menyerap lebih banyak kelembapan daripada opsi berbasis film — sebuah pertukaran yang Anda lakukan secara sadar, bukan secara tidak sengaja.

Dari sisi tumpukan, pengikatan dengan perekat semakin sulit dipertahankan sebagai metode penyambungan utama pada suhu di atas sekitar 180 °C yang berkelanjutan, kecuali jika sistem perekat tersebut dikembangkan secara khusus untuk tujuan itu dan Anda memiliki data pengujian pada suhu tersebut. Pengelasan dan penguncian saling mengunci menjadi lebih menarik secara struktural, meskipun mengorbankan kinerja antarlamina di area sambungan. Lapisan anorganik yang diisi bahan pengisi tahan terhadap proses perbaikan pembakaran dan langkah-langkah proses bersuhu tinggi; beberapa di antaranya disebut-sebut tahan panas hingga sekitar 420 °C, yang penting bagi bengkel penggulungan ulang yang membakar lilitan dan menggunakan kembali inti gulungan.

Perhatikan juga urutannya. Lapisan tipis yang dipilih berdasarkan perilakunya saat pengelasan atau penumpukan otomatis mungkin tidak sama dengan lapisan yang mampu mempertahankan pemisahan listrik setelah perendaman termal dalam waktu lama. Sangat sedikit lapisan yang unggul dalam kedua hal tersebut.

Urutan seleksi yang tetap konsisten

1. Perbaiki dulu alur produksinya. Pukulan atau laser, target gerinda, dianil atau tidak dianil, metode penyambungan, antarmuka rumah.
2. Dapatkan hotspot yang terverifikasi, bukan suhu lingkungan yang dihitung. Data termokopel atau detektor tertanam dari unit yang mewakili, pada kondisi operasi terburuk — suhu lingkungan tertinggi, aliran pendingin terendah, dan masa pakai penukar panas yang telah habis.
3. Tetapkan kelas lilitan satu tingkat di atas kenaikan desain kecuali jika aplikasi tersebut memang bersifat tidak terus-menerus.
4. Pasang filter cairan. Sebutkan jenis cairan yang tepat: mineral, ester sintetis, ester alami, cairan transmisi, refrigeran ditambah pelumas, air deionisasi-glikol. Termasuk konsentrasi dan paket aditif.
5. Lakukan penyaringan pada lapisan perekat dan lapisan pelapis secara terpisah terhadap titik panas yang sama. Jangan biarkan kelas sistem menggantikan salah satunya.
6. Tentukan syarat kualifikasi agar menyerupai layanan. Dimatangkan dalam cairan yang sebenarnya, pada suhu yang sebenarnya, dalam kondisi beban yang sebenarnya, selama jangka waktu yang bermakna.
7. Lalu tentukan harganya. Penggunaan aramid tahan suhu tinggi yang berlebihan pada motor peralatan Kelas B dapat melipatgandakan biaya isolasi hingga beberapa kali lipat tanpa memberikan peningkatan keandalan.

Langkah ke-6 adalah titik di mana keberhasilan atau kegagalan suatu program biasanya ditentukan. Data uji geser tumpukan (lap-shear) pada sampel baru pada suhu kamar hampir tidak memiliki nilai prediktif sama sekali untuk tumpukan yang direkatkan dalam minyak panas di bawah beban siklik.

PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN

Apakah motor berpendingin oli memerlukan kelas isolasi yang lebih tinggi? Biasanya justru sebaliknya. Pendinginan cair yang efektif dapat mengurangi titik panas, sehingga memungkinkan Anda memilih kelas yang lebih rendah. Peran oli adalah membatasi jenis bahan apa saja yang memenuhi syarat dalam kelas apa pun yang Anda pilih. Sebutkan baik kelasnya maupun jenis cairan yang tepat saat Anda menentukan spesifikasinya.

Apakah saya bisa menggunakan kelas yang tertera pada pelat nama motor untuk memilih perekat tumpukan tersebut? Tidak. Kelas tersebut menggambarkan sistem isolasi lilitan yang telah mengalami penuaan sebagai suatu kesatuan. Lapisan perekat di dalam tumpukan dapat memiliki suhu transisi kaca 80–100 K di bawah batas kelas tersebut dan tetap dapat dijual untuk mesin tersebut. Lakukan pengujian ketahanan perekat terhadap titik panas pada laminasi.

Apakah lapisan organik yang dicampur dengan bahan pengisi dapat diterima pada inti yang direndam dalam minyak? Secara umum dianggap sebagai pilihan yang lebih berisiko. Fraksi organiklah yang berinteraksi dengan fluida panas selama bertahun-tahun. Lapisan yang sepenuhnya atau sebagian besar terdiri dari bahan anorganik merupakan solusi konvensional untuk perendaman dalam minyak dalam jangka panjang, dan lapisan tersebut juga tahan terhadap proses anil pelepasan tegangan.

Apa yang paling cepat rusak di lingkungan yang lembap? Komponen berbahan dasar poliester, akibat hidrolisis, dan tepi yang dilubangi, akibat korosi. Kedua jenis kegagalan tersebut tidak mengharuskan mesin berada di dekat batas termalnya.

Berapa besar margin termal yang seharusnya dimiliki oleh suatu desain? Kenaikan sebesar 10 K kira-kira akan mengurangi setengah atau menggandakan masa pakai termal isolasi, sehingga sebagian besar desain industri menargetkan kenaikan suhu satu kelas di bawah tingkat isolasi. Mesin dengan beban kerja intermiten terkadang sengaja dioperasikan pada suhu yang lebih tinggi untuk meningkatkan kepadatan daya, dengan mengorbankan masa pakai isolasi yang lebih pendek.

Apakah proses anil untuk mengurangi tegangan memengaruhi keputusan mengenai isolasi? Hal ini menjadi penentu. Lapisan yang dapat melalui proses anil dapat bertahan pada suhu sekitar 800–850 °C di bawah atmosfer inert atau sedikit reduktif, meskipun resistivitas permukaannya mungkin menurun setelahnya. Sistem yang mengandung bahan organik akan terbakar habis atau meninggalkan residu karbon yang menurunkan resistansi. Tentukan terlebih dahulu proses anil sebelum menyusun daftar pendek lapisan, bukan setelahnya.

Informasi apa yang paling dapat meningkatkan kualitas penawaran? Suhu titik panas yang telah diverifikasi dan jenis cairan yang tepat, seperti yang tercantum dalam pesan pertama. Kedua nilai tersebut langsung mengeliminasi sebagian besar bahan yang dipertimbangkan dan menghemat waktu satu minggu yang biasanya dihabiskan untuk bolak-balik berdiskusi.