Способ изготовления магнитопроводов аксиальных электрических машин
METHOD OF MANUFACTURE OF MAGNETIC CIRCUITS OF AXIAL ELECTRIC MACHINES

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технологии изготовления электрических машин, и может быть использовано при изготовлении магнитопроводов пакетов статора и ротора для аксиальных электрических машин, особенностью которых является отсутствие насыщения магнитной системы, например пакетов статора аксиальной магнитотерапевтической установки.
Известен способ изготовления магнитопроводов аксиальных электродвигателей (пат. РФ №2316877, Гайтова Т.Б., Гайтов Б.Х., Таршхоев Р.З.), заключающийся в том, что рулонную холоднокатаную электротехническую сталь в движении протяжкой разрезают одновременно на расчетное количество полос расчетной ширины и количества, до сборки осуществляют в полосах вырубку пазов и отжиг, затем наматывают каждую полосу на свое внутреннее ферромагнитное кольцо расчетного диаметра с последующей напрессовкой требуемого количества наружных ферромагнитных колец соответствующих диаметров на стальной пакет расчетного наружного диаметра.
Данный способ изготовления применим для аксиальных электрических машин, работающих как в режиме насыщения, так и в для аксиальных электрических машин, особенностью которых является отсутствие насыщения магнитной системы (например, в «Магнитотерапевтической установке», пат. RU №2066214 С1, (авторы Гайтов Б.X., Синицкий С.Д.) насыщение магнитной системы не происходит из-за того, что тела пациентов имеют большое магнитное сопротивление, которое ограничивает основной магнитный поток).
Однако при таком способе изготовления не обеспечивается равномерное магнитное сопротивление в радиальном направлении, которое особенно сильно проявляется при насыщении магнитопровода (магнитный поток пронизывает изменяющуюся геометрию зубцов и ярма вдоль его активной длинны (Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. – М.: Энергоатомиздат, 1988 - 304 с., с. 217, 219)), что приводит к неполному использованию магнитного материала, увеличению тока холостого хода, необходимости увеличения диаметра обмоточного провода, повышенному нагреву наиболее насыщенных участков магнитопровода и, как следствие, к уменьшению срока службы изоляции проводов и ухудшению массогабаритных показателей электрической машины в целом.
Выравнивание индукций областей, находящихся ближе к внутреннему и внешнему диаметрам, возможно путем увеличения тока холостого хода, однако это приведет к значительному уменьшению энергетических показателей: коэффициента мощности cos ϕ и КПД η. Степень неравномерности магнитного насыщения ярма можно регулировать путем увеличения его поперечного сечения за счет увеличения его высоты. Увеличение же сечения ярма за счет увеличения его высоты приводит к существенному увеличению размеров электрической машины в осевом направлении. Все это приводит к существенному увеличению массогабаритных и стоимостных показателей аксиальных электрических машин, магнитопроводы которых изготовлены данным способом.
Кроме того, при изготовлении магнитопроводов данным способом неизбежны потери дорогостоящей электротехнической стали (при резке полос из электротехнической стали, вырубке пазов), которые идут в общий свал металлических отходов, что не позволяет эффективно использовать их в дальнейшем производстве магнитопроводов, увеличивая расход конструкционных материалов на единицу активной мощности.
Известен способ изготовления магнитопроводов аксиальных электродвигателей (пат. РФ №2475924, Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Автайкин И.Н. и др.), заключающийся в том, что рулонную холоднокатаную электротехническую сталь в движении протяжкой разрезают одновременно на расчетное количество полос расчетной ширины и количества, до сборки осуществляют в полосах вырубку пазов и отжиг, затем наматывают каждую полосу на свое внутреннее ферромагнитное кольцо расчетного диаметра с последующей напрессовкой соответствующего количества наружных ферромагнитных колец соответствующих диаметров на стальной пакет расчетного наружного диаметра, при этом на расчетных расстояниях от начала полосы электротехнической стали между ее витками закрепляют полоски расчетной длины из диамагнитного материала, образующие коаксиальные цилиндрические поверхности и обеспечивающие магнитную изоляцию полученных таким образом модулей аксиальных магнитопроводов друг от друга, при этом длина полос из диамагнитного материала и радиус полученных коаксиальных цилиндрических поверхностей рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить одинаковую площадь торцевых частей модулей аксиальных магнитопроводов.
Данный способ изготовления позволяет обеспечить равномерное магнитное сопротивление и насыщение вдоль радиуса магнитопровода и применим для аксиальных электрических машин, работающих как в режиме насыщения, так и в для аксиальных электрических машин, особенностью которых является отсутствие насыщения магнитной системы.
Однако при таком способе изготовления крепление полос из диамагнитного материала в конкретных местах полосы электротехнической стали усложняет технологию изготовления, увеличивает не только расход конструкционных материалов на единицу активной мощности, но и его массогабаритные показатели.
Кроме того, при изготовлении магнитопроводов данным способом неизбежны потери дорогостоящей электротехнической стали (при резке полос из электротехнической стали, вырубке пазов), которые идут в общий свал металлических отходов, что не позволяет эффективно использовать их в дальнейшем производстве магнитопроводов, дополнительно увеличивая расход конструкционных материалов на единицу активной мощности и стоимостные показатели.
Наличие диамагнитного материала в пакете магнитопровода ведет к увеличению магнитного сопротивления основному магнитному потоку (магнитная проницаемость диамагнитных материалов μ≈1) и в целом к ухудшению энергетических характеристик машин (коэффициенту активной мощности cos ϕ и КПД η).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является способ изготовления магнитопроводов аксиальных электрических машин (пат. РФ №2567868 С1, Попов С.А., Ладенко Н.В., Пономарев П.Ю. и др.), заключающийся в том, что рулонную холоднокатаную электротехническую сталь в движении протяжкой разрезают одновременно на расчетное количество полос расчетной ширины, до сборки осуществляют в полосах вырубку пазов и отжиг, затем наматывают каждую полосу на свое внутреннее ферромагнитное кольцо расчетного диаметра с последующей напрессовкой соответствующего количества наружных ферромагнитных колец соответствующих диаметров на стальной пакет расчетного наружного диаметра, при этом расчетную ширину разрезанных полос выполняют уменьшенной, а пакеты витых магнитопроводов после напрессовки ферромагнитных колец образуют основные части магнитопроводов, расположенные горизонтально активной частью вниз, и дополнительные части магнитопроводов, изготовленные методом порошковой металлургии путем установки сверху на них пресс-форм, содержащих внешние и внутренние цилиндры, которые надеваются соответственно на наружные и внутренние ферромагнитные кольца с установкой между каждыми внешними и внутренними цилиндрами по две съемные тонкостенные цилиндрические перегородки разного диаметра, образующие симметричные относительно центра коаксиальные поверхности, в полость между которыми засыпают гомогенную массу в виде связующего вещества и предварительно измельченных до состояния ферромагнитного порошка, полученных путем измельчения отожженных отходов электротехнической стали, чья магнитная проницаемость равна магнитной проницаемости витого магнитопровода, а в полости между внешними и внутренними цилиндрическими стенками пресс-форм и тонкостенными цилиндрическими перегородками засыпают гомогенную массу, в виде связующего вещества и предварительно измельченных до состояния ферромагнитного порошка отожженных отходов электротехнической стали, чья магнитная проницаемость выше магнитной проницаемости витого магнитопровода, с последующим извлечением съемных тонкостенных цилиндрических перегородок и прессованием в аксиальном направлении.
Данный способ изготовления магнитопроводов аксиальных электрических машин позволяет уменьшить расход конструкционных материалов на единицу активной мощности с обеспечением равномерного магнитного сопротивления и соответственно насыщения вдоль их активной части, повысить энергетические характеристики (коэффициент активной мощности cos ϕ и КПД η), уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели, но применим только для электрических машин, работающих в режиме насыщения магнитной системы. Это связано с тем, что при отсутствии насыщения магнитной системы отсутствует дополнительное увеличение магнитного сопротивления внутренних и внешних областей магнитопроводов, ведущее к тому, что магнитное сопротивление основной части магнитопровода будет монотонно изменяться вдоль его радиуса пропорционально изменению площади активной части, а дополнительная часть уже не будет монотонно компенсировать это изменение и, в конечном счете, не позволит равномерно распределить величину магнитной индукции в воздушном зазоре вдоль радиуса магнитопровода аксиальной машины, изготовленного этим способом. Кроме этого возникает дополнительное искажение в равномерном распределении магнитного поля вдоль радиуса магнитопровода, при отсутствии насыщения магнитной системы, вносят резкие изменения магнитных проницаемостей на границе их сопряжения в радиальном направлении дополнительной части. Все это ведет к нарушению однородности распределения электромагнитного поля в воздушном зазоре вдоль радиуса (появлению тангенциальной составляющей магнитной индукции и уменьшению нормальной), которое увеличивает поток рассеивания (уменьшая коэффициент активной мощности cos ϕ и КПД η).
Заявляемое изобретение решает задачу обеспечения равномерного распределения величины индукции магнитного поля вдоль радиуса магнитопровода, повышения эффективности использования магнитного материала и энергетических характеристик (коэффициента активной мощности cos ϕ и КПД η).
Технический результат заключается в выравнивании магнитного сопротивления магнитопровода вдоль его радиуса для аксиальных электрических машин, работающих без насыщения магнитной системы.
Технический результат достигается тем, что рулонную холоднокатаную электротехническую сталь в движении протяжкой разрезают одновременно на полосы, до сборки осуществляют в полосах вырубку пазов и отжиг, затем наматывают каждую полосу на свое внутреннее ферромагнитное кольцо с последующей напрессовкой соответствующего количества наружных ферромагнитных колец на стальной пакет наружного диаметра, при этом пакеты витых магнитопроводов после напрессовки ферромагнитных колец образуют основные части магнитопроводов с последующим расположением их горизонтально активной частью вниз, а дополнительные части магнитопроводов изготавливаются методом порошковой металлургии путем установки сверху на них пресс-форм, содержащих внешние и внутренние цилиндры, которые надеваются соответственно на наружные и внутренние ферромагнитные кольца с последующей засыпкой гомогенной массы из связующего вещества и феромагнитного порошка, полученного путем измельчения отожженных отходов электротехнической стали, затем между внешними и внутренними цилиндрами устанавливают вставки основаниями вверх, которые имеют формы усеченных конусов с отверстиями, проходящими симметрично вдоль их продольных осей, внутренние диаметры которых равны внешним диаметрам внутренних цилиндров пресс-форм, после этого засыпают гомогенную массу в виде связующего вещества и ферромагнитного порошка, полученного путем измельчения отожженных отходов электротехнической стали, чья магнитная проницаемость равна магнитной проницаемости витого магнитопровода в полости между вставками и внешними цилиндрами пресс-форм, и после формовки гомогенной массы вставки удаляют, после того в полости, образованные сформованной гомогенной массой и внутренними цилиндрами пресс-форм, засыпают гомогенную массу в виде связующего вещества и ферромагнитного порошка, полученного путем измельчения отожженных отходов электротехнической стали, чья магнитная проницаемость меньше магнитной проницаемости витого магнитопровода, с последующим прессованием в аксиальном направлении.
Выравнивание магнитного сопротивления магнитопровода вдоль его радиуса происходит за счет того, что монотонное уменьшение магнитного сопротивления витой части магнитопровода от его внешнего радиуса к внутреннему, связанное с уменьшением длины пути прохождения магнитного потока из-за особенности его геометрии, компенсируется монотонным уменьшением магнитного сопротивления дополнительной части магнитопровода, изготовленной методом порошковой металлургии, от внутреннего радиуса к внешнему.
Данный способ изготовления ведет к дополнительному выравниванию магнитного сопротивления и соответственно к более равномерному распределению магнитной индукции в воздушном зазоре машины и возможности наиболее эффективного использования магнитного материала (объема магнитопровода) для получения оптимальных энергетических характеристик (из-за уменьшения потоков рассеивания происходит увеличению коэффициента активной мощности cos ϕ и КПД η).
На фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая предлагаемый способ изготовления магнитопроводов аксиальных электрических машин.
На фиг. 2 приведен общий вид с разрезом магнитопровода аксиальной конструкции для пояснения способа его изготовления в момент установки вставки, имеющей форму усеченного конуса, и засыпки гомогенной массы.
На фиг. 3 приведен общий вид с разрезом магнитопровода аксиальной электрической машины с графиком зависимости магнитной проницаемости дополнительной части от его диаметра.
На фиг. 1 обозначено: РЭС - рулонная (холоднокатаная) электротехническая сталь соответствующей марки, предназначенная для изготовления из нее магнитопроводов аксиальных электрических машин; ОЭС - отходы электротехнической стали, 1 - многоходовые ножницы, предназначенные для разрезания стали на полосы; 2 - узел измельчения электротехнической стали; 3 - узел отжига измельченной электротехнической стали для снятия остаточных деформаций, ухудшающих магнитные свойства измельченной стали; 4 - долбежные пальцы, служащие для изготовления пазов расчетных размеров; 5 - узел отжига полос стали с целью снятия остаточных деформаций, ухудшающих магнитные свойства стали, а также для обеспечения изолирующей оксидной пленки вдоль всей поверхности всех полос; 6 - узел сочленения полос стали с внутренними кольцами; 7 - узел намотки полос на внутренние кольца; 8 - узел напрессовки наружных колец; 9 - узел изготовления дополнительных частей магнитопроводов аксиальных электрических машин методом порошковой металлургии.
Фрагмент магнитопровода аксиальной конструкции, приведенный на фиг. 2, демонстрирует его общий вид с изображением внутреннего ферромагнитного кольца 10, витого пакета магнитопровода 11, наружного ферромагнитного кольца 12, пазов 13, внутреннего цилиндра 14 и внешнего цилиндра 15, вставки 16, имеющей форму усеченного конуса, расположенной основанием вверх, с отверстием, проходящим симметрично вдоль ее продольной оси, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру внутреннего цилиндра 14.
Способ изготовления магнитопроводов аксиальных электрических машин реализуется следующим образом.
Рулонную холоднокатаную электротехническую сталь (РЭС) требуемой марки подают на многоходовые ножницы 1, где происходит ее разрезание на полосы. Параллельно этому отходы электротехнической стали (ОЭС) с соответствующими магнитными свойствами РЭС подают в узел измельчения 2, где их измельчают до состояния ферромагнитного порошка требуемой фракции. Если при резке РЭС имеются ее отходы, то они поступают в узел измельчения 2 с последующим измельчением. Измельченная электротехническая сталь поступает в узел 3, где их отжигают в специальной камере при температуре 900-950°С для улучшения магнитных свойств. Затем долбежные пальцы 4 требуемых геометрических размеров выбивают на каждой из полос РЭС пазы изготовляемых магнитопроводов с помещением ОЭС для их измельчения до требуемой фракции в узел измельчения 2. После этого в узле 5 каждую из полос (теперь уже с пазами) отжигают в камере при температуре 900-950°С и далее в узле 6 происходит сочленение каждой полосы стали со своим внутренним ферромагнитным кольцом (поз. 10 на фиг. 2), например, сваркой, с последующим накручиванием их в узле 7 на внутренние ферромагнитные кольца 10 нужных (расчетных) наружных диаметров, образующих витые пакеты магнитопроводов 11, на которые затем в узле 8 напрессовывают наружные ферромагнитные кольца (поз. 12 на фиг. 2) из ферромагнитного материала нужного (расчетного) диаметра. При этом выдолбленные пазы в полосах стали при намотке образуют в витых пакетах магнитопроводов 11 пазы 13 для укладки обмоток (фиг. 2). Далее в узле 9 заготовки (являющиеся основными частями магнитопроводов) располагают горизонтально, пазами 13 вниз, и методом порошковой металлургии изготавливают дополнительные части магнитопроводов. Для этого на заготовки надевают пресс-формы, состоящие из внутренних цилиндров 14 и внешних цилиндров 15, причем на внутренние ферромагнитные кольца 10 надевают внутренние цилиндры 14, а на наружные ферромагнитные кольца 12 надевают внешние цилиндры 15.
Сверху во внутренние части между внутренними цилиндрами 14 и внешними цилиндрами 15 помещают вставки 16, имеющие форму усеченного конуса (фиг. 2), в полость между которыми осуществляют засыпку гомогенной массы, состоящей из связующего вещества и отходов электротехнической стали, предварительно измельченных в блоке 2 до состояния ферромагнитного порошка и прошедших последующий отжиг в блоке 3 в камере при температуре 900-950°С, чья магнитная проницаемость равна магнитной проницаемости витых пакетов магнитопроводов 11, и после ее формовки вставки 16 удаляют, а в полость между внешними цилиндрами 15 и сформованной гомогенной массой засыпают гомогенную массу, состоящую из связующего вещества и отходов электротехнической стали, предварительно измельченных до состояния ферромагнитного порошка в блоке 2 и прошедших отжиг в блоке 3 в камере при температуре 900-950°С, чья магнитная проницаемость меньше магнитной проницаемости витых пакетов магнитопроводов 11, с последующим прессованием в аксиальном направлении.
На выходе получается расчетное количество готовых магнитопроводов аксиальной конструкции, которые затем поступают на обмоточный участок (цех) для укладки соответствующей обмотки (фиг. 3).