CC BY
6УДК 620.9
Фураев В.В.
Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОПРОВОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Аннотация: магнитопроводы в электрических машинах, таких как двигатели и генераторы, важны для передачи магнитного потока, и их создание должно быть точным и эффективным. Существует несколько методов производства магнитопроводов, каждый с собственными особенностями, преимуществами и недостатками.
Ключевые слова: магнитопроводы электрических машин, метод штамповки, метод резки на машинах с числовым программным управлением, порошковая металлургия, изготовление методом 3Б-печати.
Один из распространенных методов - штамповка. В этом процессе металлический лист (обычно из электротехнической стали), который разрезается на заготовки, затем формируется под давлением с помощью штампов и прессов, после чего образуется пакет стальных листов, называемых магнитопроводом. Этот метод обладает высокой точностью и производительностью, однако требует значительных капиталовложений в оснастку и оборудование, экономическая эффективность оправдана только при крупном серийном производстве.
Преимущества метода штамповки магнитопроводов для электродвигателей:
- Быстрота процесса: автоматизированные станки обеспечивают высокую скорость штамповки и производство большого количества деталей за короткий период времени;
- Высокая точность: штамповка обеспечивает точность размеров и геометрии магнитопроводов;
- Низкая стоимость серийного производства: стандартизированные штампы и машины позволяют сократить затраты на производство магнитопроводов по сравнению с другими методами;
- Улучшение электромеханических характеристик: магнитопроводы, изготовленные методом штамповки, могут способствовать оптимизации характеристик, параметров и размеров электродвигателей.
Недостатки метода штамповки магнитопроводов для электродвигателей:
- Высокие затраты на оснастки и инструменты: производство магнитопроводов штамповкой требует использования дорогих материалов и инструментов;
- Ограничения по форме и размерам: штамповка может быть непригодна для производства магнитопроводов с очень сложной геометрией;
- Возможные механические повреждения: штамповка может вызывать деформации на поверхности листов, что может ухудшить магнитные характеристики магнитопровода после сборки, для предотвращения чего требуется дополнительная механическая обработка, увеличивающая сложность процесса и стоимость конечного изделия;
- Появление нежелательных остаточных напряжений: штамповка может вызывать внутренние напряжения в материале, влияющие на работу и надежность электродвигателя.
Таким образом, при выборе метода производства магнитопроводов для электродвигателей с использованием штамповки важно учитывать размеры, геометрию, качество и стоимость, чтобы определить, подходит ли данный метод для конкретного случая. На рисунке 1 изображен пример штампа для изготовления магнитопроводов электрических машин.
Рисунок 1. Четырехпозиционный штамп последовательного действия
Резка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) представляет собой современный и точный метод, включающий применение специализированных станков с твердым ножом, лазером, плазменной или водяной резкой для создания деталей магнитопровода из листовых материалов. Полученные детали затем складываются и фиксируются для формирования магнитопровода.
Процесс создания магнитопроводов на станках с ЧПУ включает следующие этапы:
- Подготовка материала: листы из электротехнической стали готовятся к обработке, очищаются от загрязнений и нередко покрываются антикоррозионным составом;
- Разработка и настройка программы обработки: на основе схем и 3D -моделей деталей магнитопровода создается управляющая программа, которая затем загружается на станок с ЧПУ. Программа определяет путь и параметры резки, скорость перемещения инструмента и другие необходимые операции для получения готовой детали;
- Вырезание деталей: после загрузки программы на станок с ЧПУ лист электротехнической стали размещается на рабочей поверхности станка, после чего осуществляется резка деталей нужных размеров и формы;
- Удаление остатков и обработка кромок: после резки с деталей удаляются шлак, а кромки дополнительно обрабатываются для повышения качества и характеристик магнитопровода;
- Контроль качества: после обработки кромок осуществляется проверка качества деталей, их размеров, формы и отсутствия дефектов;
- Сборка магнитопровода: вырезанные и обработанные детали собираются в готовый магнитопровод, который затем применяется в конструкции электрической машины.
Метод резки на станках с ЧПУ имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционными методами производства магнитопроводов, такими как штамповка. К ним относятся высокая точность, автоматизация, возможность создания сложных геометрических форм и эффективное использование материала без значительных отходов. Однако, этот метод может быть более медленным и менее выгодным при крупносерийном производстве. На рисунке 2 изображен фрезерный станок с ЧПУ для изготовления магнитопроводов электрических машин.
Метод порошковой металлургии включает компактирование металлического порошка в определенной форме и последующее спекание для получения магнитопровода с нужными свойствами. Этот подход позволяет создавать изделия с точными геометрическими характеристиками, равномерной структурой и улучшенными магнитными и механическими свойствами по сравнению с традиционными методами, такими как штамповка, хотя и связан с большими затратами на материалы и оборудование.
Преимущества порошкового метода изготовления магнитопроводов для электродвигателей:
- Большая гибкость в дизайне: порошковая металлургия позволяет производить магнитопроводы различных форм и размеров без использования сложных предметов и инструментов;
- Высокая геометрическая точность: порошковый метод обеспечивает точность размеров и формы конечного изделия;
- Отличные магнитные и механические характеристики: порошковая металлургия позволяет получать изделия с высокой плотностью и равномерной структурой, что благоприятно влияет на магнитные и механические свойства магнитопроводов электродвигателей;
- Сохранение материалов: порошковая металлургия предполагает меньше отходов и обрезков по сравнению с традиционными методами создания магнитопроводов.
Недостатки порошкового метода изготовления магнитопроводов для электродвигателей:
- Высокие затраты на оборудование: для производства магнитопроводов порошковым методом требуется специальное оборудование, что может существенно увеличить начальные инвестиции;
- Необходимость дополнительных операций: после компактирования и спекания может потребоваться еще одна механическая обработка, что, в свою очередь, увеличивает стоимость производства магнитопроводов;
- Ограничения в массовом производстве: при больших объемах производства порошковая металлургия может быть менее эффективна из -за относительно низкой скорости процесса и продолжительности спекания;
- Повышенные требования к качеству порошка: свойства порошка напрямую влияют на характеристики получаемого магнитопровода, что подразумевает необходимость контроля качества исходного материала. На рисунке 3 представлен процесс изготовления методом порошковой металлургии.
Рисунок 3. Процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии
ЭБ-печать является новым методом создания магнитопроводов с использованием композитных магнитных материалов. Изготовление магнитопроводов электродвигателей на 3Б-принтере с применением пластика, смешанного с металлическим порошком, представляет собой процесс, в котором термопласт с добавками металлических частиц наносится слоями для создания объемного объекта. Такая комбинация материалов может обеспечить определенные магнитные свойства и механическую прочность изделия. Основные ограничения этого метода - неоднородные магнитные свойства и низкая прочность, а также невысокая производительность, что делает его неприемлемым для массового производства.
Преимущества создания магнитопроводов для электродвигателей на 3 Б-принтере с использованием пластика с добавками металлического порошка:
- Дизайнерская гибкость: 3Б-печать позволяет создавать сложные геометрические формы без ограничений формования, что может быть недостижимо при использовании других традиционных методов производства;
- Прототипирование и малые партии: быстрое и простое получение прототипов или небольших серий может быть очень полезным при разработке и проектировании новых изделий или модификаций электродвигателей;
- Сокращение материальных отходов: 3 Б-принтеры могут использовать только необходимое количество материала, что минимизирует отходы и, следовательно, конечную стоимость материалов;
- Минимальные инвестиции в инструменты и оборудование: для создания магнитопроводов на 3Б-принтере не требуется изготовление дорогостоящих штампов, форм и оснастки.
Недостатки создания магнитопроводов для электродвигателей на 3 Б-принтере с использованием пластика с добавками металлического порошка:
- Относительно низкая механическая прочность: из-за наличия пластика и способа нанесения материала механическая прочность и магнитные свойства могут быть ниже, чем у изделий, произведенных другими методами;
- Низкая скорость и производительность: процесс ЭБ-печати относительно медленный и может быть неподходящим для массового производства. На рисунке 4 изображен принцип работы ЭБ печати.
Рисунок 4. ББМ технология ЭБ печати
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
9. Копылов, И, П, Проектирование электрических машин : учебник для бакалавров / И, П, Копылов ; ответственный редактор И, П, Копылов, — 4-е изд,, перераб, и доп, — Москва : Издательство Юрайт, 2018, — 767 с,
10. Технология производства электрических машин : [Учеб, пособие для вузов по спец, "Электр, машины"] / М, В, Антонов, Л, С, Герасимова, - М, : Эрегоиздат, 1982, - 511 с,
11. Вольдек А, Электрические машины, Машины переменного тока: Учебник для вузов / А, Вольдек, В, Попов, - Санкт-Петербург : Питер, 2007, - Э52 с,
12. Анурьев, В, И, Справочник конструктора-машиностроителя : в Э-х т, / В, И, Анурьев ; ред, И, Н, Жесткова, - 5-е изд,, перераб, и доп, - Москва : Машиностроение, 1980, - Том 1, - 559 с.
Furaev V.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
METHODS OF MANUFACTURING MAGNETIC CIRCUITS OF ELECTRIC MACHINES
Abstract: Magnetic circuits in electrical machines, such as motors and generators, are important for the transmission of magnetic flux, and their creation must be accurate and efficient. There are several methods of producing magnetic cores, each with its own characteristics, advantages and disadvantages.
Keywords: Magnetic cores of electric machines, stamping method, cutting method on numerically controlled machines, powder metallurgy, manufacturing by 3D printing.
