浅析影响电磁继电器线圈漆包线断裂的因素

发表时间:2018/7/12   来源:《新材料.新装饰》2018年2月上   作者:陶韬 李贤富
[导读] 线圈作为电磁继电器的“心脏”其重要性不言而喻,本文通过对某电磁继电器使用过程线圈内层漆包线断裂质量问题入手,从线圈漆包线来料,线圈绕制及组装等因素进行分析,结合故障件漆包线断裂形貌找到线圈漆包线损伤的原因。

(贵州航天电器股份有限公司,贵州 贵阳 550009)
摘要:线圈作为电磁继电器的“心脏”其重要性不言而喻,本文通过对某电磁继电器使用过程线圈内层漆包线断裂质量问题入手,从线圈漆包线来料,线圈绕制及组装等因素进行分析,结合故障件漆包线断裂形貌找到线圈漆包线损伤的原因。并以此次质量问题分析望对行业具有借鉴意义。
关键词:线圈  漆包线 断裂
 
        1引言
        电磁继电器的线圈功能是通电后用以产生磁场,这是继电器工作的基础能量,所以线圈有继电器“心脏”之称,线圈一旦出现故障则将导致继电器功能的失效,将直接影响到继电器所配套武器装备等总装设备的正常运转,因此,保障线圈的质量将作为提升电磁继电器整体可靠性的重中之重。
        通过统计得知,线圈最常见的故障模式为线圈漆包线断裂,本文将结合我公司生产的某型号电磁继电器线圈内层漆包线断裂质量信息结合继电器结构特点浅析引起线圈漆包线断裂的几点影响因素。
        2线圈漆包线断裂原因分析
        我公司生产电磁继电器配套产品在使用过程出现故障,经测试为继电器线圈两端电阻为无穷大,初步判定为线圈断路造成继电器功能失效。通过对继电器进行机械起封及肢解,扫描电镜下观察故障件线圈断口形貌,如图1所示,断口附近存在明显的缩颈现象,且断口表面为韧窝形貌,从断口形貌判断,断口为塑性断裂。
                  
        图1漆包线断口微观形貌
        继电器失效表征为线圈断线,在断线部位存在颈缩现象,断口断面上多处区域观察到韧窝,且局部观察到平整的断面,推测认为该处为在外部作用力下的一处损伤,使得漆包线受力面积变小,承载力下降。在后续使用过程中,在环境应力作用下出现断裂。
        根据电磁继电器的结构特点,同时结合我公司有骨架线圈绕制工艺及故障件实体形貌,对引起线圈内层漆包线断裂原因建立故障树,如图2所示。
               
        X1:漆粒子影响X2:铜芯线气泡X3:运输过程损伤X4:线圈绕制过程受损伤X5:去漆过程受损伤X6:焊线过程受损伤
        X7:包扎过程异常外力挤压损伤X8:周转过程受损伤X9:继电器组装过程线圈受到外力损伤
        图2线圈内层漆包线断裂故障树
        2.1漆包线原材料缺陷影响
        2.1.1漆粒子影响
        漆粒子是指漆膜表面含有杂质、气泡、漆层的堆积等诸多因素引起的漆包线表层凹凸状态。按是否影响漆包线使用性能可分为影响漆包线使用的异型粒子(如黑漆粒子,窜头粒子、漆包粒子)和不影响使用性能的流线型多漆粒子,前者一般较大和颜色异常,后者一般较小且与正常漆包线差别不明显。采用显微镜对故障件线圈漆包线表面进行观察,未发现漆包线上存在异型粒子,局部位置存在不影响使用性能的流线型多漆粒子。采用同型号0.03mm的漆包线,模拟绕制过程漆包线表面有异型粒子时,绕线过程受阻,将漆包线正常拉断,在扫描电镜下观察断口形貌,见图3。
                
        (a)                                 (b)
        图3漆包线拉断后颈缩断裂图
        图中,拉断后的断口呈锥状颈缩,最后断裂的部位为锥顶部且存在韧窝,无平整断面,与故障件断口存在平整断面形貌完全不同。因此,结合模拟拉断后的断口形貌图片分析,排除漆包线存在过大漆粒子(异型粒子)导致绕制过程发生颈缩变形的情况。
        2.1.2铜芯线气泡
        如图4所示为漆包线结构示意图,主要由外层聚酰亚胺绝缘漆膜和里层铜芯线两部分组成。漆包线表层漆膜与里层铜芯线在被拉伸过程共同承受轴向张力。
              
        图4故障件所用漆包线结构形貌
        层漆膜以及里层铜芯线受到损伤或其他异常缺陷均有可能降低漆包线的抗拉断能力。
        GB/T6109.1-2008《漆包圆绕组线第一部分:一般规定》规定,导线标称直径小于0.05mm的漆包线,1级和1B级的漆膜连续性规定每30m长度允许最大针孔数为不超过60个,为此,通过对故障件漆包线以及同批次产品漆包线采用扫描电镜检查漆包线表面状态,未发现漆包线漆膜表面存在异型粒子等缺陷。同时,按GB/T4074.5-2008《绕组线试验方法第5部分:电性能》的方法进行继电器漆包线漆膜连续性检测,经测试,所有样品漆包线漆膜连续性检测针孔数均合格,远小于标准规定的60个,结合故障件扫描电镜检查断口部位漆层无异常。由此排除漆包线表层漆膜异常影响。
        2.1.3漆包线运输受损
        为防止漆包线因运输过程受到意外损伤,生产厂家采用带气泡防护塑料薄膜对漆包线线筒侧面周圈进行包裹防护,同时采用专用盒子进行包装并加盖防护。在漆包线入厂经复验合格后,将漆包线按出厂防护状态保存在专用漆包线库房中,直到使用前才在生产现场打开防护层。如果受损也应该是多股受损,而故障件为单股线受损。故可以排除漆包线运输防护不当导致漆包线受损伤。
        2.2线圈绕制过程内层漆包线损伤
        2.2.1线圈绕制过程受损伤
        绕线过程中漆包线线筒放置在有机玻璃筒中,有机玻璃筒盖中间有一个塑料圆口,圆口的作用是避免漆包线与筒盖出口处发生摩擦损伤。从筒盖圆口开始,漆包线依次经过毛毡,张力器上的导向轮,张力轮、毛毡、鱼竿导向轮、支撑架上导向轮、毛毡、宝石针,最终与线圈骨架上绕制线圈相连,装夹具、并线头。结合绕线工艺,对线圈绕制过程漆包线可能产生损伤建立故障树,见图5。
             
        a1:放置漆包线筒盖子口部刮擦损伤a2:漆包线过夹持毛毡损伤a3:导向轮刮擦损伤a4:张力器滑轮刮擦损伤
        a5:张力器夹持毛毡轮a6:宝石针刮擦损伤a7:绕制过程工具损伤a8:异常张力损伤
        图5绕制过程受损伤故障树
        通过对故障树a1~a7进行分析,按线圈绕制各个过程进行试验验证,均没有出现有故障产品漆包线断裂端口现象没有出现有故障产品漆包线断裂端口现象。
        结合绕线工艺,对线圈绕制过程漆包线可能产生异常张力损伤建立故障树,见图6。
              
        b1:异型粒子卡阻b2:人为触碰漆包线b3:线轴底层漆包线阻力增大
        图6异常张力损伤故障树
        b1:异型漆粒子卡阻
        异型漆粒子分为黑漆粒子,窜头粒子、漆包粒子几种,一般较大和颜色异常。根据绕线机工作结构及原理,绕线过程漆包线一共通过4道夹持毛毡,如果漆包线上存在异型漆粒子,则夹持毛毡会卡阻异型漆粒子,使绕制的漆包线排线受阻,漆包线张力增大,而张力增大可能会使漆包线产生轴向颈缩乃至断线。通过复查故障件以及同批2只实物档案产品线圈漆包线,均未发现漆包线表面存在异型漆粒子。因此,该项可以排除。
        b2:人为触碰漆包线
        绕线过程中,漆包线靠近人员行走区域,由于线径较细,不易发现,行走若未注意到漆包线,可能会触碰漆包线。对漆包线进行人为触碰试验,模拟人员行走时手臂意外触碰漆包线,发现该区域的漆包线本身存在张力较小,让性较大,在人员触碰后,漆包线会从线轴加速抽取一部分多余的漆包线以释放张力,在该过程中不会产生过多的张力,不会出现漆包线拉断的现象。通过上述实验验证,可以排除人为触碰漆包线的可能。
        b3:线轴底层漆包线阻力增大
        对漆包线线轴底层漆包线观察,发现底层漆包线使用带状胶带(纸质)进行固定,其目的是对线轴底层漆包线与线轴进行固定,防止绕制后的漆包线相对线轴发生转动。轻拉剩余的底层漆包线线头,当拉到漆包线旋绕周圈处于胶带边缘位置时,漆包线受到胶带影响,阻力增大。漆包线越过胶带的带状区域后,阻力恢复正常。同时,漆包线刚接触到胶带边缘时的阻力相对较小,后续的阻力逐渐增大。
        线圈绕制工艺规定“漆包线绕制到能见缠绕线轴壁(即1~2层漆包线)时,更换漆包线使用”。但由于绕线人员是通过目测方式对线轴进行判断,存在一定误差,当其判断出现误差时,认为线轴上剩余的漆包线长度能够完成绕制一个线圈时,没有及时更换另一轴漆包线,因此完成了最后一个线圈的绕制。在该线圈的最后绕制阶段,漆包线遇到胶带边缘阻力,使绕制张力增大,而张力增大可能会使漆包线产生颈缩乃至断线。
        复查0.03mm规格漆包线,每轴线净含量0.13kg,每只线圈使用铜线为0.415g,因此可以计算出每轴漆包线可以绕制大约313个线圈。某操作人员绕制该批次线圈共计400件;由于单轴漆包线的最大绕制线圈数量不超过313只,因此,绕制时1轴漆包线绕制完后,剩余的至少87只线圈必然且只能通过更换另一轴漆包线来完成绕制,确实存在更换线轴的情况。因此,操作在绕制该批线圈时使用的漆包线超过1轴(最多为2轴),存在最后一个线圈刚好绕至线轴底层漆包线的情况。
        通过上述分析,不能排除线轴底层漆包线阻力增大导致漆包线产生颈缩的可能。
        2.2.2去漆过程受损伤
        去漆时,将线圈内、外引线的漆包线并线部分浸泡于化学试剂中,通过化学反应将线圈内、外引线两端的表层绝缘漆去除,整过过程不接触线圈内部,该项可以排除。
        2.2.3焊线过程受损
        线圈去漆后,在Φ0.2mm的引出镍线焊线时,先将单只线圈穿到焊线夹具上,再将线圈内、外引线已去漆部分的漆包线缠绕在镍线上进行焊接,整个操作过程在线圈两端进行,不接触线圈内部。该项可以排除。
        2.2.3包扎过程异常外力挤压损伤
        线圈包扎时,操作步骤为:薄膜缠绕1→多余并头线绕回线圈表面→薄膜缠绕2→垫垫片→薄膜缠绕3→引线包成U型→薄膜缠绕4→端头拉出;由上所述:整个包扎工序所有步骤中,垫垫片和引线包成U型步骤,操作人员会用到镊子钳;其余步骤均不使用镊子钳。
        垫垫片步骤用镊子钳夹持起垫片后侧边沿后,将垫片前侧垫到线圈上并通过包扎薄膜压紧垫片,此时线圈表层至少已经缠绕3层包扎薄膜,且镊子钳夹取位置为垫片后侧边沿,镊子钳与线圈没有接触。同样,引线包成U型步骤,镊子钳夹持在抽头部位的镍线上,与线圈没有接触,且此时线圈表面已经缠绕了多层包扎薄膜。从故障断口形貌分析,线圈断线位置为内层,绕组保护膜无破损现象,且断口截面为圆形,未受到挤压变形。因此,可以排除该步骤时漆包线受异常外力损伤的可能。
        2.2.4周转过程受损伤
        (1)线圈绕制后去漆前周转过程受损伤
        线圈绕制后,用聚四氟乙烯生料带包扎线圈,并摆放到专用的塑料周转盘中等待周转,整个周转过程,线圈漆包线均受到生料带的保护。失效产品表层无损伤,且断线位置为内层,可以排除线圈绕制后去漆前周转过程受损的可能。
        (2)焊线后焙烘周转过程受损伤
        线圈在焊线后需进行真空焙烘,以确保有机气氛充分挥发,因此焊线时需要去除包裹在线圈外层的聚四氟乙烯生料带,焊线后线圈放置在专用焙烘工装中,焙烘工装放置在周转盘内。周转过程操作人员带手套操作,整个过程线圈不接触尖锐工具,即使有尖锐工具接触,会造成多股线受损,故障件为单股线受损。因此,线圈在焊线后焙烘周转过程受损伤可以排除。
        2.2.6继电器组装过程线圈收到外力损伤
        通过对涉及到线圈的电磁机构组装工序进行复查。各道涉及工序均具有专门的工装保证不会挤压到线圈,即使有损伤会造成多股漆包线受损,失效件为单股漆包线受损。可以排除。
        3故障定位
        经过上述分析,继电器线圈断线故障是由于线圈绕制人员对线轴剩余漆包线目测判断误差,认为能够绕制一个线圈。因此,该轴漆包线的最后一个线圈的绕制,当绕制到线圈的最后阶段时,漆包线遇到胶带阻力影响,使张力增大,同时由于漆包线在线圈最后阶段的里层铜芯线存在早期气泡,导致该处受力面积变小,形成张力薄弱点,使漆包线承载能力下降,造成该处出现颈缩现象,由于后续漆包线越过胶带的带状区域后,异常阻力消失,此时出现颈缩的漆包线尚未被完全拉断,因此绕制到线圈上。在后续使用时,颈缩后的张力薄弱点不断经受环境应力作用使得漆包线过载断裂。
        4结束语
        本文通过对某电磁继电器使用过程线圈内层漆包线断裂质量问题入手,从线圈漆包线来料,线圈绕制及组装等进行过程分析,结合故障件漆包线断裂形貌找到线圈漆包线损伤的原因,针对此次断裂原因,后续拟通过如下几点措施把控线圈质量。
        1)改进前漆包线使用过程的检查要求;2)改进后漆包线使用过程检查要求;3)已对绕线设备进行线轴底层漆包线余量检测有效性工艺改进。
参考文献
[1]郭凤仪等,电接触理论及其应用技术,中国电力出版社,2008年7月
[2]郑天丕等,继电器制造·工艺·使用,电子工艺出版社,1996年1月
 

 

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