Вниз

9 Июнь 2011

Технологические и конструктивные особенности автоматизации производства статоров электродвигателей с распределенной обмоткой — Часть 2

ЧАСТЬ 2

Рекомендации по оптимизации конструкции статоров / сердечников в целях автоматизации их сборки

В прошлом конструкция сердечника рассматривалась в первую очередь с точки зрения электромеханики. Сегодня эффективность и качественное изготовление играют всё более значимую роль, однако, как это понятно, при минимально возможной себестоимости изготовления статоров электродвигателей. Два важных фактора влияют на возможность оптимальной автоматизированной сборки статора: конструкция сердечника и спецификация обмотки.
Наиболее важным фактором, который должен быть рассмотрен при автоматизации процесса сборки статора – конструкция листа и сердечника статора. Конструкцию сердечника нельзя модифицировать, не потратив немалые средства на проектирование и производство измененной оснастки и/или на приобретение нового дорогостоящего вырубного штампа. Вторым значимым фактором является спецификация обмотки (размер проводов, витков, конфигурации обмотки и полюсов). В отличие от изменения конструкции сердечника, спецификацию обмотки статора возможно изменить при минимальных затратах.

Для того чтобы достичь максимальной эффективности в конструкции листа и сердечника статора, необходимо обратить внимание на пять следующих главных составляющих.

А. КОНСТРУКЦИЯ СТАТОРА ПО ЕГО НАРУЖНОМУ ДИАМЕТРУ

Конструкция листов и сердечников статора по его наружному диаметру всегда очень важна с точки зрения экономии материалов, особенно при вырубке листов из раскраиваемого рулона электротехнической стали. При проектировании необходимо учесть размещение по наружному диаметру листа ориентирующего паза (любой формы). Ориентирующий паз часто необходим для правильной установки статора на оснастку при проведении операций формовки и бандажирования лобовых частей обмоток статора на соответствующем автоматизированном оборудовании. Кроме этого, ориентирующий паз также очень важен при сборке статора на полностью автоматизированных производственных линиях.

Форма паза для скрепляющих скоб, располагаемых по наружному диаметру статора, когда сборка сердечника статора осуществляется методом скобирования, также важна. Такой паз для скоб должен быть стандартным (одинаковым) для всех модификаций и конструкций статоров, планируемых для сборки на конкретном статороскобирующем станке (независимо от размеров статоров). В случае необходимости сборки на конкретном статороскобирующем станке статоров со значительными различиями по наружному диаметру, для скоб также должен быть использован один и тот же материал. Единственным различием для разных типов статоров в таких случаях может быть только разное количество скоб (количество устанавливаемых скоб для различных исполнений статоров на оборудовании фирмы Alliance Winding Equipment, Inc. программируется). Местоположение пазов под скобы также важно. Они должны находиться по оси зубцов по наружному диаметру статора, чтобы обеспечить оптимальное сечение магнитопровода в этой части магнитной цепи статора. Желательно, чтобы эти пазы попарно находились на одинаковом расстоянии между собой по всему наружному
диаметру статора так, чтобы обеспечивалась равномерность распределения силы сжатия пакета скобами по всему статору. Это условие становится еще более важным для крупных статоров, в которых число скоб увеличивается. Рекомендации по конструкции пазов для скобирования статоров по количеству и размеру скоб см. Приложение 1.

В некоторых генераторах и серводвигателях используются статоры со скошенными пазами. При автоматизированной сборке эти статоры могут пакетироваться, изолироваться и заполняться намотанными катушками (на втягивающем оборудовании) до проведения операции скашивания пазов. Скашивание пазов выполняется после этих операций при помощи специального устройства с гидравлическим приводом, которое поворотом скашивает статор на требуемый угол скоса, используя для этого либо специальный паз либо выпуклость на внешнем диаметре статора. Рекомендаций по размеру этого паза не существует, так как его глубина и ширина определяются размером статора и зависят от угла скоса наименьшего из сердечников. После этой операции скошенные статоры можно скреплять (склеивать), этот процесс занимает немало времени. Сваривание сердечника статора является более быстрым процессом. Во время сварки статора рекомендуется, чтобы сварочный шов был параллелен скосу и проходил по оси зубцов по наружному диаметру статора, чтобы обеспечить оптимальное сечение магнитопровода в этой части магнитной цепи статора.

 

Б. КОНСТРУКЦИЯ ПАЗА СТАТОРА

1. Пазовое раскрытие
С производственной точки зрения всегда желательно иметь максимально больший размер пазового раскрытия (см. Рис.1). С точки зрения параметров электродвигателя, увеличение размера пазового раскрытия может привести к снижению кпд электродвигателя и увеличению электромагнитных шумов. Следовательно, окончательный выбор размера паза должен быть компромиссным решением между желанием получить более высокие параметры и ограничениями возможностей производства, налагаемыми технологическим процессом.

252525252525252525252525252525

Рис.1 Рекомендации по форме и размерам пазов статоров асинхронных электродвигателей

Во время автоматического втягивания катушек в статор катушки направляются в пазы сердечника статора (и ограждаются от сердечника) втягивающими направляющими (ножами). Так как эти направляющие плотно прилегают к зубцу статора, то размеры зубца статора влияют на их конструкцию. Два основных размера, которые определяют легкость проведения процесса втягивания и долговечность направляющих это – высота и толщина ребер этих направляющих.
С точки зрения конструкции втягивающей оснастки, серьёзное внимание нужно обратить на толщину ребер втягивающих направляющих и образующийся между ними зазор (см. Рис.2). Этот зазор необходимо учитывать при втягивании катушек в створах «Аккуратная намотка» или «Плоская намотка». Створ «Стопорящий провод» находится между этими двумя створами. Условия образования створа «Стопорящий провод» возникают тогда, когда проводники катушки могут выстроиться между направляющими в шахматном порядке таким образом, что один из соседних проводников не дает возможности другому установиться по образу створов «Аккуратная намотка» или «Плоская намотка». В результате этого провода в зазоре между ножами блокируют друг друга и втягивание катушек становится невозможным. Это зависит от соотношения диаметров втягиваемых проводов и величиной зазора между направляющими. Чтобы такого «заклинивания» проводов не произошло, при разработке конструкции сердечника статора и втягивающей оснастки необходимо учитывать условия, отраженные на Диаграмме зависимости диаметра провода от зазора между направляющими (см. Приложение 2).

262626262626262626

Рис. 2 Схема створов при втягивании обмоток (к расчету величин зазора между направляющими и пазового раскрытия)

Для того чтобы увеличить прочность выступов направляющих нужно, чтобы высота выступа не превышала его толщину более чем в три раза. Если охватываемый край зубца статора по высоте превышает этот размер, то размер выступов направляющей должен быть увеличен для того, чтобы во время втягивания не допустить зацепления провода за край зубца сердечника статора. Превышение упомянутого соотношения 3:1 может потребовать компромиссного решения между обеспечением целостности выступов направляющих в процессе втягивания и сроком их службы.
Так как втягивающая оснастка занимает часть пространства пазового раскрытия (как показано на Рис.2), величина пазового раскрытия должна быть больше самого толстого провода, который будет втягиваться в сердечник. Для статоров небольших размеров (до габаритов 200мм по высоте оси вращения), паз должен быть не менее чем на 0.8мм большим, чем максимальный размер провода. Для более крупных статоров размер паза должен быть не менее чем на 1.6 мм большим, чем максимальный размер провода.

2. Зона установки пазовых клиньев
Зона входа и установки пазовых клиньев играет важную роль. При конструировании формы паза надо убедиться в том, что втянутый в паз клин остается на месте после завершения процесса втягивания. Если места в зоне установки клиньев недостаточно, то клин может развернуться либо в процессе, либо при завершении втягивания. Это не только потребует дополнительного ручного вмешательства оператора по установке клина на место, но также может быть причиной попадания проводников катушки в зону между таким клином и пазовой изоляцией (гильзой).
Для обеспечения гарантированного автоматического втягивания пазового клина рекомендуется определенная форма паза, исполнение которой крайне желательно. На Рис.1 такой паз представлен (место расположения клина – в нижней части паза), а также даны некоторые базовые размеры паза, рекомендованные для достижения такой формы.

3. Соотношение глубины и ширины паза.
Согласно Рис.1, глубиной паза является размер от нижней части паза до спинки паза. Ширина паза здесь определена, как ширина нижней части паза в зоне над пазовым раскрытием. Идеальным условием для втягивания провода было бы таким, чтобы паз был предельно узким по ширине и очень большим по глубине. С практической точки зрения было определено, что наиболее оптимальным было бы отношение глубины паза к его ширине порядка 4:1. Как правило, число 4 не является предельным, оно может быть и большим в целях обеспечения беспроблемного втягивания катушек. Статоры с соотношением 3:1 (или даже меньше, в особенности близком к 1:1) могут представлять затруднения при проведении процесса втягивания. К большей части таких проблем относятся такие как попадание проводников катушек за пределы клина, смещение клина от требуемого места его расположения (вплоть до выпадения клина из паза).

4. Форма спинки паза.
Существует две общепринятых формы спинки паза: прямая и круглая. Чаще предпочтение отдается круглой форме. Во время втягивания провод проходит через зазор между направляющими в сторону к спинке паза. С круглой формой спинки паза провод обычно имеет тенденцию сначала заполнять зону спинки паза и затем «скатываться» по сторонам (оставляя зазор между ножами свободным для входа последующих проводников и втягивания клина). С прямой формой спинки паза провод имееттенденцию заполнить преимущественно зону у спинки паза и оставаться там. Это не только препятствует вхождению проводников в зазор между направляющими, но обычно проводники и не стремятся «скатываться» по сторонам паза, заполняя паз должным образом, что минимизирует потенциальное максимально возможное заполнение паза.
Современная практика конструирования сердечника направлена на выбор подходящей конструкции статора для достижения желаемых электромагнитных характеристик и рабочих параметров электродвигателя. С точки зрения электромеханики, определенные области магнитопровода электродвигателя могут быть отличными друг от друга. Например, в сердечниках с 24 пазами для 2-х полюсного исполнения электродвигателя и в сердечниках с 36 пазами для 4-х или 6-ти полюсного исполнения этого же электродвигателя.
Несмотря на то, что количество пазов может быть различным, такие размеры и области сердечника статора как внутренний диаметр, пазовое раскрытие, место под клинья, размеры лобовых частей обмоток должны быть стандартизированы. При такой стандартизации размеров производители могут иметь возможность использования идентичной оснастки, даже если сердечники не идентичны в других отношениях.

 

В. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБМОТКИ.

Характеристики обмотки (размер провода, конфигурация обмотки, конфигурация полюсов) являются вторым важным критерием для автоматизации процессов изготовления статора. Совместимость выбранного зазора между направляющими (зависящего от пазового раскрытия) и размера провода играет значительную роль. Тем не менее, (в отличие от изменений в сердечнике) размеры провода и количество витков обмотки могут быть изменены в определенной степени без влияния на рабочие характеристики электродвигателя. Как было упомянуто в предыдущей главе, чем больше пазовое раскрытие, тем шире возможность применения намоточных проводов различных размеров.
При расчете обмоток электрических машин, необходимо обратить серьёзное внимание на три главных момента.

1. Размер провода и параллельная намотка проводов
Во времена ручной намотки статора максимальный диаметр провода ограничивался до 1,00 мм. Так было потому, что провод такого и меньших размеров было легче формовать и втягивать в статор вручную. При использовании ряда намоточных приспособлений максимальный диаметр провода стало возможным увеличить до 1,25 мм. Появление намоточных станков первых поколений позволило увеличить максимальный диаметр применяемого провода до 1,4 мм. Однако универсальность этих станков была ограничена их возможностью в осуществлении намотки различных типов катушек, а также намотки катушек одновременно несколькими проводниками (в параллель).
С появлением современного намоточного оборудования, например, разработки фирмы Alliance Winding Equipment, Inc. с технологией намоток «всыпного» типа, стало возможным использовать при намотке катушек провода с размером до 1,8 мм (и даже выше). Кроме этого такое намоточное оборудование способно наматывать катушки в параллель до двенадцати проводов диаметром 1,00 мм (и более).

2. Конфигурация обмотки
Несмотря на то, что при современном процессе втягивания практически на 100% используются катушки с обмоткой концентрического типа, многие производители электродвигателей предпочитали петлевую обмотку с ручным втягиванием (так как применение петлевой обмотки обычно несколько менее затратно с экономической точки зрения чем обмотки концентрического типа). Кроме этого, при петлевой обмотке лобовые части можно сделать более короткими, так как катушки устанавливаются вручную, и лобовые их части могут вручную дополнительно подгоняться под размер, заданный конструктором.
Основной проблемой обычной петлевой обмотки является тот, факт, что без модификации ее невозможно втянуть автоматическим способом. При ручном втягивании, начало первой катушки свисает немного левее места расположения последней катушки, находящейся под ней. При автоматическом втягивании, когда все катушки втягиваются одновременно, это затруднительно осуществить. При модификации петлевой обмотки последняя катушка должна идти от верхней части начального паза к верхней части последнего паза (т.е. не сверху вниз, как происходит с катушкой при установке ее в паз вручную).
Несмотря на то, что модифицированные петлевые обмотки можно втягивать автоматизированным оборудованием, здесь практически невозможно достичь заполнения паза и равномерности обмотки подобно тому, как это получается с обмоткой концентрического типа. Это происходит потому, что большая часть катушек концентрического типа обмоток размещена непосредственно в пазах полюсов. Такая конструкция позволяет проводить процесс намотки гораздо быстрее, т.к. исключаются ненужные ручные операции с проводами. Также катушки с концентрической обмоткой исключают необходимость проведения междуполюсных соединений после втягивания катушек, так как большая часть междуполюсных соединений здесь осуществляется автоматически.

Подавляющее большинство современных однофазных двигателей имеют стандартную 2-х, 4-х, 6-х или 8-полюсную конструкцию, отличающуюся только количеством катушек с обмоткой концентрического типа на каждый полюс (что ограничено) и заполнением паза. Трехфазные электродвигатели представляют большие возможности для вариаций конфигурации полюсов. Наиболее распространенной является трехслойная конструкция катушек с обмоткой концентрического типа. При такой конструкции пазы могут быть перераспределены или не перераспределены между фазами (это зависит от конфигурации полюсов и количества пазов статора).

3. Заполнение паза
Величина «Заполнение паза» обычно дается как численная величина в процентах, отражающая соотношение между количеством меди (общее сечение проводников) в пазу и полезной площадью паза. Хотя существует несколько методов расчета величины заполнения паза, многие не берут в расчет размер или толщину изоляционных материалов (пазовой и межфазной изоляции, пазового клина), а также воздушные зазоры между проводами.
Здесь величина “Заполнение паза” (ЗП) будет подсчитываться следующим образом:

(Диаметр провода) ² х (Количество проводников в пазу)
ЗП = ———————————————————————————
Полезная площадь паза

Здесь диаметр провода берется с учетом толщины его изоляции.
Полезная площадь паза (см. Рис.3) – это площадь, рассчитанная как разность между фактической площадью паза вырубки в листах сердечника и площадью, занимаемой изоляцией внутри паза плюс расчетной площадью отверстия, предназначенной для установки в пазу клина. Эта величина и является реальной полезной площадью паза, в которую можно размещать провод.

272727272727272727272727

Рис.3 Иллюстрация к расчету величины «Заполнение паза»

Сегодняшние тенденции и желания производителя – это максимально увеличить заполнение паза. За счет максимального увеличения заполнения паза электродвигатель становится более компактным, его технические параметры улучшаются и одновременно снижается стоимость применяемых для производства материалов. Для производителей это становится необходимостью и не только для того чтобы конкурировать на рынке, но и для того, чтобы отвечать требованиям государственных стандартов.

Пару десятков лет тому назад заполнение паза на 50-65% было вполне приемлемым и усилия производителей были сконцентрированы в основном на уменьшении затрат труда. Сегодня заполнение паза на 75-80% – это общепринятая в мире практика и достижение этой величины при применении автоматизированного оборудования осуществляется без каких-либо серьезных проблемпри производстве. В некоторых случаях заполнение паза доходит даже до 84%. Конечно же, этого можно достичь при использовании в производстве только современного технологического оборудования и при наиболее оптимальной для производства конструкции сердечника статора.
Обычно на статорах, у которых все их катушки втягиваются одновременно, затруднительно достичь заполнения паза более чем 75%. Если требуется более полное заполнение пазов, то производителю надо будет осуществлять втягивание обмоток в несколько приемов (слоев). Как только первый слой втянут, необходимо будет провести предварительную формовку и «прошивку» втянутой катушки. Операцией «прошивка» обеспечивается прижатие витков втянутой катушки к спинке паза, что позволяет освободить остальную часть паза для облегчения осуществления операции втягивания следующего слоя. Обычно применение такой технологии позволяет достичь заполнения паза до 80%.
Если необходимо достичь заполнения паза свыше 80%, то кроме операции прошивки дополнительно требуется провести предварительную формовку лобовых частей обмотки статора. При проведении этой операции при помощи специальной оснастки осуществляется обжатие лобовых частей обмоток как в направлении от центра к периферии статора, так и от периферии к центру, и вдоль оси статора. За счет отработки конструкции оснастки в целях достижения оптимальности размещения катушки в пазу, на соответствующее втягивание потребуется меньшее усилие. Это позволит достичь заполнения паза даже до 85%.

Г. ЛОБОВЫЕ ЧАСТИ ОБМОТКИ СТАТОРА

Так как лобовые части обмотки не влияют на механические характеристики электродвигателя, то часто бывает желательным сделать их минимальными. Это не просто позволит уменьшить в принципе размер лобовых частей обмотки статора и, соответственно, электродвигателя, но и минимизировать количество используемого провода (за счет чего уменьшается себестоимость производства электродвигателя). Длина лобовых частей обмоток может быть минимизирована различными способами.

Основным фактором, влияющим на размер лобовых частей обмоток статора, является конфигурация полюсов. 2-х или 4-х полюсные статора наиболее часто применяемые в электромашиностроительной промышленности обычно имеют более длинные лобовые части чем, к примеру, 10-ти или 12-ти полюсные, применяющиеся, например, в электродвигателях транспорта с гибридным приводом. Это потому что чем меньше количество полюсов, тем более длинными должны быть лобовые части обмотки. В 2-х полюсных обмотках лобовые части проходят от паза к пазу, расположенных на 180 градусов друг от друга, тогда как в 4-х полюсных обмотках – только на 90 градусов. Для того чтобы втянуть катушки статоров 2-х полюсного исполнения длина лобовых частей должна быть такого размера, чтобы этого хватило для их прохода по торцевой части статора между двумя диаметрально противоположно расположенными пазами. В результате требуется производить катушки с большей длиной витка.

Одним из самых простых способов уменьшения размеров лобовых частей статоров – это осуществление многослойного втягивания т.н. «распределенных катушек». При помощи метода «распределенных катушек» сначала втягивается и затем отжимается к спинке паза и прошивается первый слой катушек, затем – один за другим последующие слои. В процессе намотки таких «распределенных катушек», катушки второго слоя изготавливаются несколько короче, чем катушки первого слоя. Процедура осуществляется автоматически подводом намоточных шаблонов на намотчике ближе друг к другу. После втягивания второго слоя, аналогично наматывается и втягивается третий слой катушек с обмотками короче, чем второй слой. При использовании такого метода за счет укорачивания обмоток катушек между соответствующими слоями общее количество провода, втянутого в статор, минимизируется и, соответственно, таким образом минимизируются и длины лобовых частей обмоток статора.

Д. ФАЗНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Установка фазной изоляции – это, пожалуй, одна из самых дорогостоящих операций (с точки зрения затрат труда и материалов) при производстве статора. Некоторые производители двигателей исключили необходимость установки фазной изоляции за счет использования специальной эмали для проводов, обладающей свойствами противостоять коронным разрядам. Эта эмаль разработана для того, чтобы минимизировать воздействие коронного разряда при различных частотах в двигателях частотного управления и серво двигателях. Применение провода с такими эмалями очень эффективно при производстве однофазных или низковольтных трехфазных электродвигателей (когда фазную изоляцию не требуется устанавливать).

Однако, в соответствии с требуемым напряжением, условиями эксплуатации по температурным режимам или по климатическим условиям, некоторые конструкции статоров не могут обойтись без установки фазной изоляции. Для таких случаев фазная изоляция может быть установлена следующими различными методами.
Один из самых распространенных методов – это установка изоляции H-образной формы между слоями обмотки или фазами обмоток в процессе намоточных операций. Последовательность этой процедуры следующая: намотка и втягивание первого слоя обмотки статора; ручная установка и закрепление изоляции H-образной формы над втянутым первым слоем обмотки; намотка и втягивание следующего слоя обмотки над первым слоем обмотки и установленной на нем изоляцией H-образной формы. При использовании современного технологического оборудования фирмы Alliance Winding Equipment, Inc., изоляция H-образной формы может быть автоматически втянута в статор. Но здесь следует отметить, что для оптимизации такого процесса необходимо проведение множества экспериментов по отработке конструкции оснастки (шаблона) производства и установки изоляции H-образной формы.
Второй метод – это втянуть первый катушечный слой и затем вручную подклеить к лобовым частям липкую изоляционную ленту, которая будет выполнять функцию фазной изоляции. Это тоже трудоемкая операция, требующая специальных материалов (соответствующая техническим требованиям липкая изоляционная лента), которые иногда по цене достаточно дороги и ощутимо повышают себестоимость производимых статоров.
Третий метод – это операция, в которой все три слоя (трехфазного) или два слоя (однофазного) двигателя втягиваются без прерывания процесса для установки фазной изоляции. В состав оборудования включен узел для вырубки клиньев увеличенной длины, в которых удлиненная часть клина в результате представляет собой часть фазной изоляции. Затем, по окончании намотки статора, фазная изоляция при необходимости может быть добавочно вставлена вовнутрь между слоями лобовых частей обмотки, как это предусмотрено в чертежах. Марка такого материала может быть той же самой, что применяется в изоляции H-образной формы (сложный полиэфир); однако он будетпредставлять собой только полоску изоляции, в которой нет необходимости делать каких-либо подрезок (за исключением закруглений по углам изоляции).

Применение этого метода имеет несколько преимуществ:
1. Процесс намотки-втягивания катушек осуществляется непрерывно.
2. Оборудование не простаивает во время фазного изолирования обмоток; манипуляции со статором в этой части минимальны.
3. Исключение подрезки изоляции (из сложного полиэфира) – это явная экономия материальных затрат.
4. Время, необходимое на втягивание фазной изоляции, значительно меньше, чем в любом другом из вышеупомянутых методов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компромисс между техническими характеристиками электродвигателя и технологией его производства может быть достигнут при условии учета этого с начала замысла конструкции электродвигателя. Многие элементы конструкции влияют на простоту изготовления и технические характеристики. В первую очередь это – конструкция паза сердечника. Можно изготовить статор с неоптимальной конструкцией паза. Однако в этом случае заполнение паза будет также неоптимальным и потенциальные расходы на производство электродвигателя и его эксплуатацию будут неприемлемо больше. Второе – это конфигурация обмотки, размер провода, число витков, размеры лобовых частей обмотки и изоляционные материалы. Иногда эти составляющие можно изменить с минимальным влиянием на процесс изготовления; однако чтобы обеспечить это необходимо подходить к данному вопросу очень осторожно.

Тищенко Олег Александрович
Генеральный директор СП ЗАО «Альянс-ПМФ», к.т.н.

Еще из рубрики Научно тех. информация

Поделись своими мыслями!

Пожалуйста, зарегистрируйтесь для комментирования.