25

Глава 3 технология сборки сердечников магнитопроводов

3.1 Требования к магнитопроводам

Магнитопроводами называют те части электрических машин, по которым протекает магнитный поток. При работе электрической машины магнитный поток может изменяться или по величине, или по направлению, или одно­временно и по величине и по направлению. При прохождении по магнитопроводу переменного магнитного потока в нем происходит потеря энергии, которую называют магнитными потерями, или потерями в стали.

При прохождении по магнитопроводу постоянного магнитного потока (в роторах синхронных машин, в полюсах и станине машин постоянного то­ка) потери в стали отсутствуют. Это позволяет изготовлять такие магнитопроводы из одного куска стали, например станину машины постоянного тока. При сложной геометрической форме магнитопровода, например полюсов машин постоянного тока или синхронных машин, его экономичнее изготов­лять шихтованным из отдельных листов, отштампованных из конструкцион­ной стали толщиной 1.. .4 мм.

Потери в стали возникают в участках магнитопровода с переменным маг­нитным потоком: в статорах асинхронных и синхронных машин и якорях машин постоянного тока. В роторах асинхронных машин частота тока и по­тока в номинальном режиме небольшая (f₂ = Sном·f₁) и составляет 1...3 Гц, поэтому потерями в стали ротора пренебрегают.

Основные потери в стлали состоят из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Они зависят от марки стали, толщины листов магнитопрово­да, частоты перемагничивания и индукции. На потери в стали оказывают влияние также различные технологические факторы. Потери на гистерезис увеличиваются из-за образовавшегося в процессе штамповки листов магни­топровода наклепа, который изменяет структуру стали по кромкам зубцов.

Потери на вихревые токи возрастают в результате замыканий части лис­тов магнитопровода между собой, возникающих из-за заусенцев, которые образуются при опиловке пазов, при забивке пазовых клиньев, из-за чрезмер­ной опрессовки магнитопровода и ряда других причин.

Потери на гистерезис пропорциональны частоте перемагничивания в пер­вой степени, а потери на вихревые токи пропорциональны частоте перемаг­ничивания во второй степени.

Потери в стали рассчитывают по формулам, основанным на результатах многолетних теоретических и экспериментальных исследований.

Потери в стали в рассматриваемой части магнитопровода составляют.

где К — поправочный коэффициент, учитывающий увеличение потерь в зубцах и в спинке сердечника из-за резки, штамповки и сборки листов, оп- рессовки, опиловки и обточки сердечников, а также из-за неравномерного распределения магнитной индукции. Значение коэффициента К зависит от качества штампов и совершенства технологического процесса изготовления сердечников. Установленное опытным путем среднее значение коэффициен­та К составляет 1.7 для машин переменного тока и 2.3 для машин постоянно­го тока;

р_1/50 - удельные магнитные потери, равные потерям в 1 кг стали при В = 1,0 Тл и частоте f = 50 Гц. Значения удельных магнитных потерь регла­ментированы ГОСТ 21427.2;

f - частота перемагничивания, Гц. Для машин переменного тока f равна частоте питающей сети. Для расчета потерь в стали якоря машины постоян­ного тока f = р · п / 60;

β - показатель степени, зависящий от марки стали и толщины листов маг­нитопровода;

В - индукция в стали, Тл;

m - масса стали, кг.

Для разных марок холоднокатаной электротехнической стали при толщи­не листов 0.5 мм ниже приведены магнитные потери р_1/50 и показатели сте­пени β:

Марка стали 2013, 2312, 2411

р_1/50 Вт/кг 2.5, 1.75 1.6

β 1,

5 1.4 1.3

Магнитопровод в электрической машине состоит из отдельных стальных сердечников, разделенных воздушным зазором или стыковыми соединения­ми. Назначение сердечника в машине определяет его конструкцию и техно­логию изготовления. Для уменьшения потерь на вихревые токи пакеты сер­дечников статоров, роторов и якорей набирают из отдельных, изолированных между собой листов электротехнической стали толщиной 0.5 мм.

Основные требования, предъявляемые к сердечникам, набираемым из листов, следующие:

1) минимальное смещение листов относительно друг друга;

2. хорошая изоляция между листами;

3. высокая плотность сердечника;

4. высокий коэффициент заполнения сердечника сталью;

5. надежное скрепление листов между собой, с корпусом или валом.

К сердечникам, в которые обмотка будет укладываться механизирован­ным способом, предъявляются особенно высокие требования.

Рисунок 3.1 - Размер паза в штампе и в свету

При шихтовке сердечников происходит смещение листов относительно друг друга вследствие зазоров между шпоночными канавками листов и шпонками оправок, неточностями штамповки и заусенцами, которые при прессовке сминаются. Различают размеры паза в штампе b_ш и h_ш (рис. 3.1) и размеры паза в свету b_п и h_п, получающиеся в соб­ранных сердечниках. Разница между этими раз­мерами составляет 0.1...0.3 мм в зависимости от диаметра листов, способа штамповки и качества сборки. При расчете магнитной цепи ширину зуб­ца принимают равной ширине зубца в штампе, а при расчете коэффициента заполнения паза об­моткой - площади паза в свету.

После прессования сердечника возможно по­явление распушения зубцов, известное под назва­нием «веер». Распушение зубцов понижает плот­ность прессовки, является причиной шумов и соз­дает опасность прорезания изоляции катушек. Для уменьшения распушения применяют ряд мер, ко­торые рассматриваются при описании конкретной технологии.

Технология сборки и скрепления сердечника зависит от его конструкции и габаритов, толщины листов, последующих технологических операций.

Сердечники статоров машин переменного тока и якорей машин постоянного тока, пересекаемые переменным магнитным потоком, изготовляют из тонких листов электротехнической стали, которые изолируют друг от друга.

Сердечники полюсов машин постоянного токи, полюсов и ободов роторов синхронных явнополюсных машин, пересекаемые постоянным магнитным потоком, изготовляют из более толстых листов, которые не изолируют друг от друга.

При внешнем диаметре сердечника статора до 990 мм он выполняется из целых листов, так как листы или рулоны электротехнической стали выпус­кают с максимальной шириной 1000 мм (ГОСТ 214273). При внешнем диа­метре сердечника более 990 мм его собирают из отдельных сегментов.

Для машин малой мощности сердечники статоров собирают на цилиндри­ческую оправку диаметром, равным внутреннему диаметру статора, и скреп­ляют одним из следующих способов: заливкой алюминиевого корпуса на сердечник, скобами, сваркой, шпильками и склеиванием.

Для машин средней мощности (до высоты оси вращения 455 мм) сердеч­ники статоров также собирают на оправку и скрепляют скобами или сваркой. Для придания монолитности сердечникам некоторых специальных машин применяют склеивание листов.

Для машин большой мощности сердечники статоров собирают в корпус машин из круглых листов или сегментов и крепят нажимными шайбами.

Сердечники роторов и якорей набирают, как правило, на вал. В машинах малой мощности листы удерживаются на валу силой трения, а в более круп­ных машинах — шпонками и нажимными шайбами, надеваемыми на вал с натягом. В машинах средней и большой мощности сердечники роторов соби­рают на конструктивный элемент, который придает сердечнику необходимую жесткость. Сердечники роторов с короткозамкнутой литой алюминиевой об­моткой скрепляют заливкой алюминия в пазы и по торцу сердечника, а сер­дечники роторов с короткозамкнутой сварной обмоткой собирают на шпонку и крепят нажимными шайбами.

Сердечник собирают из листов электротехнической стали, которые имеют двустороннее электроизоляционное покрытие, не проводящее магнитный поток. Поэтому часть сердечника не участвует в проведении магнитного по­тока. При расчете электрической машины необходимо знать, какая часть сер­дечника проводит магнитный поток. С этой целью введен коэффициент за­полнения сердечника сталью:

где m — масса сердечника, кг; γ — плотность стали, кг/м³; V — объем сердечника, м³.

В зависимости от марки стали, ее толщины, толщины покрытия и техно­логии сборки коэффициент заполнения колеблется в пределах от 0.98 до 0.93 и указывается в чертежах для каждого электродвигателя. Чем выше этот ко­эффициент, тем лучше качество сердечника при прочих равных условиях