Scelta della classe di isolamento per gli stack di laminazione: olio, acqua e calore

La maggior parte delle discussioni relative alla classe di isolamento si svolge a un livello errato del sistema.

Qualcuno chiede delle “laminazioni di Classe H”. Di solito ciò che intende è una Classe H motore. Si tratta di acquisti diversi. A pila di laminazione presenta un sottile rivestimento interlaminare, misurato in micron, e un metodo di assemblaggio — saldatura, incastro, adesivo, rivetto, graffa. L’avvolgimento riporta la classe termica indicata sulla targhetta. I due elementi interagiscono, ma nessuno dei due eredita la classificazione dell’altro, e i guasti derivanti dalla loro confusione sono lenti, silenziosi e costosi da diagnosticare sul campo.

Questo articolo distingue i due sistemi, per poi illustrare quali sono i cambiamenti effettivi quando lo stack è immerso nell’olio, esposto all’umidità o a temperature superiori a 180 °C.

Due sistemi di isolamento, un unico nucleo

Il rivestimento interlaminare Ha lo scopo di impedire che le correnti parassite passino da una lamiera all’altra. Deve resistere alla punzonatura, a eventuali ricotture di distensione, alle operazioni di giunzione, all’impregnazione con vernice o resina e, infine, a decenni di esposizione a qualsiasi fluido e temperatura presenti nella macchina. È sottile — in genere da 0,5 a 5 µm — e le sue caratteristiche tecniche sono espresse in termini di resistenza di isolamento superficiale, resistenza alla ricottura e stabilità chimica, non in una classe alfabetica.

Il sistema di isolamento delle bobine è ciò che definisce una classe termica: rivestimento dello slot, isolamento di fase e di strato, smalto per fili, cunei, isolamento in piombo, resina impregnante, tutti questi elementi considerati nel loro insieme. La classe è una proprietà del combinazione, invecchiato come sistema.

Dove si verificano i problemi: lo stack si trova all’interno dell’involucro termico del sistema di avvolgimento. Se il rivestimento della fessura si restringe, se la resina si ammorbidisce, se la vernice subisce un degrado chimico, il percorso termico dal rame al nucleo cambia e lo stack inizia a funzionare con un margine inferiore rispetto a quanto dimostrato dalla validazione su banco di prova. L’acciaio è a posto. Le proprietà magnetiche sono a posto. È cambiato il quadro termico sotto la macchina.

Cosa promette effettivamente un corso di termodinamica

Le classi indicate con le lettere — B a 130 °C, F a 155 °C, H a 180 °C, 200, 220 — si riferiscono alla temperatura del punto più caldo che il sistema è in grado di mantenere con una resistenza accettabile. Non alla temperatura ambiente. Non all’alloggiamento. Né alla temperatura media della coppa dell’olio. Il punto più caldo nell’avvolgimento, solitamente a metà scanalatura.

Il ragionamento che segue è la parte che vale la pena assimilare:

Se si fa funzionare un sistema al limite della sua classe, i test di resistenza termica tendono a attestarsi intorno alle 20.000 ore. In funzionamento continuo ciò corrisponde a poco più di due anni. Va bene per un utensile elettrico. Non va bene per una pompa che dovrebbe funzionare per un decennio. Ecco perché la prassi diffusa è quella di specificare una classe superiore rispetto all’innalzamento di temperatura: isolamento di Classe F, innalzamento di Classe B. La regola empirica — metà della durata per ogni 10 K in più, circa il doppio per ogni 10 K in meno — è uno strumento di pianificazione adeguato per l’invecchiamento dell’isolamento, sebbene il grasso per cuscinetti, i cicli termici e lo stress da tensione sul lato di azionamento spesso determinino l’affidabilità prima ancora che lo faccia l’isolamento stesso.

Quindi la domanda della lezione è in realtà composta da due domande sovrapposte. Qual è il punto caldo effettivamente generato dal progetto, verificato e non stimato? E in quale ambiente chimico si trova tale punto caldo?

Le famiglie di rivestimenti e l'effetto dell'ambiente su di esse

I rivestimenti interlaminari sono classificati nella serie C, che spazia dall’ossido naturale di laminazione alle vernici organiche, fino ai sistemi completamente inorganici a base di fosfati e silicati, oltre alle formulazioni ibride. Anziché elencare l’intera lista, ecco la versione che conta quando si deve scegliere in base alle condizioni ambientali.

Da questa tabella emergono due aspetti che il linguaggio da catalogo tende a offuscare.

Innanzitutto, un “numero di classe più elevato” non significa “migliore”. Un rivestimento inorganico riempito è più abrasivo per gli utensili in carburo e può aumentare notevolmente la manutenzione degli stampi rispetto a un sistema organico. Se il pezzo è una lamella di statore da 0,25 mm prodotta in decine di milioni di esemplari, la durata degli utensili rappresenta una voce di costo concreta, non una nota a margine.

In secondo luogo, la fase di ricottura è un requisito imprescindibile, non una scelta facoltativa. Se i vostri bersagli magnetici richiedono un trattamento di distensione dopo la punzonatura — e per i bersagli a basso spessore ad alto contenuto di silicio con denti piccoli, spesso è così — ogni rivestimento contenente sostanze organiche viene scartato o deve essere accompagnato da un valore documentato di resistenza post-ricottura. Decidete il percorso di produzione prima di selezionare i rivestimenti. Metodo di punzonatura, limite di sbavature, metodo di giunzione, ricottura o meno, adattamento all’alloggiamento. Solo allora scegliete un rivestimento che abbia ancora senso in quel contesto.

Ambienti petroliferi

Il raffreddamento ad olio non aumenta la classe richiesta. Di solito abbassa la temperatura percepita dall’isolamento, ed è proprio questo lo scopo. Ciò che cambia l’olio è quali materiali rientrano in quella categoria.

Filtro chimico, applicato in aggiunta alla decisione termica. Una pellicola polimerica che si gonfia o si plastifica in presenza di olio minerale viene scartata indipendentemente dalla sua resistenza termica. I fluidi a base di esteri si comportano in modo diverso dagli oli minerali, e il fluido per trasmissioni automatiche presenta caratteristiche ancora diverse — pacchetti di additivi, contenuto d’acqua, acidità nel corso della vita utile. I compositi a base di aramide vantano una lunga storia di impiego nelle apparecchiature a bagno d’olio, poiché la loro composizione chimica è stabile sia nei fluidi minerali che in quelli a base di esteri. Questa storia ha un valore ben superiore a un dato tecnico generato in condizioni di laboratorio.

Il limite di adesione rappresenta solitamente il vero limite. Questa è la parte che la maggior parte delle specifiche trascura. Uno stack può essere inserito all’interno di una macchina di Classe H e contenere comunque uno strato adesivo la cui transizione vetrosa ricade nell’intervallo 80–100 °C. Studi pubblicati sui sistemi di vernici epossidiche a base acquosa per l’acciaio elettrico hanno rilevato che gli strati induriti presentano temperature di transizione vetrosa comprese approssimativamente tra 81 °C e 102 °C, con una resistenza al distacco a rullo che scendeva a circa 50% a 100 °C e a circa 75% a 140 °C. La classe del sistema isolante circostante non proteggeva il giunto. Verificare la compatibilità dell’adesivo con il punto caldo di laminazione, non la lettera indicante la classe riportata sul motore.

Il colesterolo non è necessariamente il fattore principale che determina l'invecchiamento. I test di fatica e delaminazione condotti su laminati di acciaio elettrico incollati con resina epossidica hanno evidenziato un comportamento di propagazione delle cricche sia in aria calda che in un mezzo di raffreddamento a base di olio che, in determinate condizioni, era sostanzialmente simile — con il punto di crossover della soglia di fatica che seguiva la regione di transizione dell’adesivo piuttosto che quella del fluido. Il calore e l’ammorbidimento viscoelastico possono avere un’importanza pari a quella del contatto con il fluido. A volte anche maggiore.

L'invecchiamento a contatto con l'olio segue regole diverse rispetto a quello all'aria. L’immersione esclude l’ossigeno, il che rallenta la degradazione ossidativa dei componenti organici. Nel contempo, il calore, i fluidi e le vibrazioni agiscono sui legami adesivi per decenni. Un laminato di Classe F che sia stato adeguatamente qualificato in olio durerà in genere più a lungo di un materiale di classe nominalmente superiore il cui adesivo sia stato validato solo a secco. Chiedete su quale base è stato determinato l’invecchiamento. Se la risposta è “la pellicola è classificata a 180 °C”, si tratta di una risposta relativa a un solo strato.

Spessore della linea di incollaggio. Oltre un certo limite, maggiore spessore non significa maggiore resistenza. In uno studio, la resistenza alla pelatura è aumentata con l'aumentare dello spessore dell'adesivo fino a circa 20 µm, per poi stabilizzarsi. Un eccesso di adesivo riduce il fattore di impilabilità senza apportare alcun vantaggio.

Requisiti pratici per le pile raffreddate ad olio: pelatura o taglio dopo l'invecchiamento dell'olio alla temperatura di esercizio, non un'immersione a temperatura ambiente, né un'immersione di 48 ore. Inoltre, se la pila è strutturale, occorre applicare un carico ciclico nello stesso mezzo.

Acqua, umidità e ambienti con fluidi sigillati

L'umidità agisce in modo diverso. Si tratta di un meccanismo chimico, non termico, e può causare il malfunzionamento di un sistema che non si avvicina affatto al limite previsto per la sua classe.

Il film di poliestere — il materiale base economico alla base della maggior parte dei rivestimenti per slot, classificato dalla Classe E alla Classe B a seconda della qualità — è vulnerabile all’idrolisi. Condizioni di calore, umidità e chiusura ermetica riducono il peso molecolare e la rigidità dielettrica. La pellicola si infragilisce. Le carte composite con anima in poliestere ereditano tale debolezza a livello dello strato centrale anche quando gli strati esterni in aramide non subiscono alcun danno; ecco perché lo stoccaggio al di sotto di circa il 60% di umidità relativa è una specifica tecnica effettiva per quei materiali, non una semplice precauzione di magazzino. Stabilità idrolitica, in ordine approssimativo: le pellicole in polifenilensolfuro e poliimmide resistono bene, il polietilene naftalato si colloca a metà strada, mentre il poliestere è il materiale più debole.

All’interno di un compressore sigillato la situazione si aggrava. L’umidità, unita al lubrificante, al refrigerante e al calore, può favorire la formazione di acidi. Una volta che l’idrolisi ha inizio su un componente in poliestere, il danno non rimane confinato a quello strato, ma si propaga attraverso l’intero sistema di isolamento. Le condizioni del rivestimento degli slot, dello strato di vernice e dell’isolamento dei conduttori subiscono tutte delle variazioni, e con esse cambia anche il comportamento termico.

Per quanto riguarda lo stack in sé, l’acqua solleva due questioni distinte:

• Corrosione dei bordi di taglio. Il rivestimento ricopre la superficie della lamiera. Il bordo punzonato è in acciaio nudo e presenta una bava. Nel funzionamento in condensazione, o nei modelli a rotore umido e a involucro, quel bordo costituisce il punto di inizio della corrosione. In questo caso, un rigoroso controllo delle bave e una composizione chimica del rivestimento resistente alla corrosione sono più importanti della resistività superficiale.
• Cortocircuito interlaminare causato da pellicole di umidità. I rivestimenti in ossido a bassa resistenza, perfettamente adeguati allo stato secco, possono perdere il loro margine di sicurezza quando una pellicola conduttiva crea un ponte tra le lamelle. Se la macchina è soggetta a cicli di condensa, specificare una resistenza di isolamento superficiale misurata e una condizione di esposizione all’umidità entro cui mantenerla.

Il riscaldamento anticondensa, il drenaggio, gli sfiati e il grado di protezione dell’involucro sono elementi da considerare nella scelta dell’isolamento, anche se figurano su un disegno separato. Una macchina che non raggiunge mai temperature sufficientemente basse da provocare la condensa richiede un livello di isolamento inferiore a quello previsto dalla sua classe.

Superiore a 180 °C

Una volta che il punto caldo supera la linea di Classe H, l’intervallo di solidificazione si restringe rapidamente e il costo aumenta a scatti anziché in modo graduale.

I film a base di poliestere sono stati eliminati. La carica è ora affidata a carte aramidiche, pellicole in poliimmide, pellicole in polifenilensolfuro, compositi a base di mica e resine per alte temperature. La carta aramidica pura è classificata per un impiego continuo a circa 220 °C e non si scioglie, sebbene assorba più umidità rispetto alle opzioni a base di pellicola: una scelta che si compie consapevolmente piuttosto che per caso.

Per quanto riguarda lo stack, l’incollaggio diventa più difficile da giustificare come metodo di giunzione primario a temperature superiori a circa 180 °C, a meno che il sistema adesivo non sia stato specificamente sviluppato per questo scopo e si disponga di dati relativi alle prestazioni a tale temperatura. La saldatura e l’incastro diventano opzioni strutturalmente più interessanti, pur comportando una riduzione delle prestazioni interlaminari nel punto in cui il giunto si inserisce. I rivestimenti inorganici caricati resistono alle riparazioni mediante bruciatura e alle fasi di processo ad alta temperatura; alcuni sono indicati come termoresistenti fino a circa 420 °C, il che è importante per le officine di riavvolgimento che bruciano gli avvolgimenti e riutilizzano il nucleo.

Presta attenzione anche alla sequenza. I rivestimenti sottili scelti per il loro comportamento durante la saldatura o l’impilamento automatico potrebbero non essere gli stessi che mantengono la separazione elettrica dopo un lungo periodo di mantenimento a temperatura elevata. Sono pochissimi i rivestimenti che offrono prestazioni ottimali in entrambi i casi.

Una sequenza di selezione che regge il confronto

1. Per prima cosa, definisci il percorso di produzione. Punzonatura o laser, bersaglio di sbavatura, ricottura o nessuna ricottura, metodo di giunzione, interfaccia dell'alloggiamento.
2. Trova un hotspot verificato, non si tratta di una temperatura ambiente calcolata. Dati provenienti da una termocoppia o da un sensore integrato in un impianto rappresentativo, nelle condizioni operative più sfavorevoli: temperatura ambiente massima, portata minima del refrigerante, fine vita dello scambiatore di calore.
3. Impostare la classe di avvolgimento di un livello superiore rispetto all'aumento previsto dal progetto a meno che l'utilizzo non sia effettivamente sporadico.
4. Montare il filtro del liquido. Indicare il tipo esatto di fluido: minerale, estere sintetico, estere naturale, fluido per trasmissioni, refrigerante con lubrificante, miscela di acqua deionizzata e glicole. Specificare la concentrazione e la composizione degli additivi.
5. Esaminare separatamente la linea di incollaggio e il rivestimento rispetto allo stesso punto critico. Non lasciare che la classe di sistema sostituisca nessuna delle due.
6. Definire la condizione di qualificazione in modo che assomigli a quella del servizio. Invecchiato nel fluido reale, alla temperatura reale, in condizioni di carico reali, per un periodo di tempo significativo.
7. Poi stabilisci il prezzo. L'utilizzo di un aramide per alte temperature con caratteristiche tecniche eccessive in un motore per elettrodomestici di Classe B può moltiplicare di parecchie volte i costi di isolamento senza alcun miglioramento in termini di affidabilità.

È nella fase 6 che solitamente si decide il successo o il fallimento dei programmi. I dati relativi alla prova di taglio a giro su campioni freschi a temperatura ambiente non hanno praticamente alcun valore predittivo per una pila incollata immersa in olio caldo sottoposta a carico ciclico.

FAQ

Un motore raffreddato ad olio richiede una classe di isolamento più elevata? Di solito è il contrario. Un raffreddamento a liquido efficace riduce i punti di surriscaldamento, il che può consentire di optare per una classe inferiore. L’olio, invece, limita la scelta dei materiali ammessi all’interno della classe prescelta. Quando si effettua la specifica, è necessario indicare sia la classe che il fluido esatto.

Posso utilizzare la classe indicata sulla targhetta del motore per scegliere l'adesivo della pila? No. La classe descrive il sistema di isolamento degli avvolgimenti invecchiato nel suo complesso. Uno strato adesivo all’interno della pila può avere una temperatura di transizione vetrosa inferiore di 80–100 K rispetto al limite della classe ed essere comunque commercializzato per quella macchina. Verificare che gli adesivi non siano esposti al punto caldo della laminazione.

È accettabile l'uso di un rivestimento a base di materiale organico con aggiunta di riempitivo nei nuclei immersi in olio? In genere considerata la scelta più rischiosa. La frazione organica è quella che interagisce con il fluido caldo nel corso degli anni. I rivestimenti composti interamente o prevalentemente da materiali inorganici rappresentano la soluzione convenzionale per l’immersione in olio a lungo termine e tollerano anche la ricottura di distensione.

Cosa si rompe per primo in un ambiente umido? I componenti a base di poliestere, a causa dell'idrolisi, e i bordi punzonati, a causa della corrosione. Nessuno dei due tipi di guasto richiede che la macchina si trovi vicino al proprio limite termico.

Quale margine termico dovrebbe prevedere un progetto? Un incremento di 10 K riduce all'incirca della metà o raddoppia la durata termica dell'isolamento; pertanto, la maggior parte dei progetti industriali punta a un aumento di temperatura pari a una classe inferiore rispetto a quella dell'isolamento. Le macchine a funzionamento intermittente talvolta vengono fatte funzionare a temperature più elevate di proposito per ottenere una maggiore densità di potenza, accettando in cambio una durata dell'isolamento più breve.

La ricottura per alleviare le tensioni influisce sulla scelta del materiale isolante? Questo è il fattore determinante. I rivestimenti adatti alla ricottura resistono a temperature comprese tra circa 800 e 850 °C in atmosfera inerte o leggermente riducente, anche se in seguito la resistività superficiale potrebbe diminuire. I sistemi contenenti sostanze organiche o si bruciano o lasciano residui di carbonio che riducono la resistenza. È necessario decidere se effettuare la ricottura prima di selezionare i rivestimenti, non dopo.

Qual è l'informazione che, da sola, migliora maggiormente un preventivo? La temperatura verificata del punto caldo e il tipo esatto di fluido, nel primo messaggio. Questi due valori consentono di escludere immediatamente la maggior parte dei materiali e di evitare una settimana di scambi di messaggi.