3.4 Сборка сердечников статора и ротора на оправку

На оправку собираются сердечники статора при внешнем диаметре до 500 мм и ротора с короткозамкнутой алюминиевой обмоткой.

При сборке сердечников статора и ротора асинхронных двигателей при­меняют различные методы центрирования и ориентации листов, что обуслав­ливает многообразие технологических процессов и средств их механизации. Технологически процессы центрирования и ориентации листов должны обеспечивать решение двух основных задач: ограничить в заданных пределах перемещение листов на плоскости по двум координатным осям и вращение листов вокруг оси сердечника.

Рассмотрим процесс сборки листов на сплошную цилиндрическую оправ­ку с одной шпонкой, позволяющий в принципе выполнить указанные задачи. Для облегчения выполнения процесса сборки и повышения производитель­ности труда необходимо предусмотреть между базовыми поверхностями оп­равки и собираемых листов гарантированные зазоры, обеспечивающие сво­бодное перемещение листов по оправке без заклинивания. Для этого не­сколько уменьшают диаметр оправки и ширину шпонки на ней. Существен­ное повышение точности сборки при высокой производительности процесса обеспечивает применение самоцентрирующих разжимных оправок с тремя раздвижными кулачками.

На электромашиностроительных предприятиях чаще всего применяют сплошные цилиндрические оправки со шпонками и уменьшенными диамет­ральными зазорами в сопряжениях. Для облегчения процесса сборки листов заходную часть оправки выполняют конусной.

Собирать сердечники необходимо из листов, вырубленных одним и тем же штампом, и располагать их в таком же положении, как они штамповались. Это требование вызвано тем, что при изготовлении штампа всегда неизбеж­ны погрешности, которые могут влиять на размер паза в свету (рис. 3.1). Лис­ты, штампованные разными штампами, отличаются расположением шихтовочного знака относительно шпоночной канавки. Шихтовочный знак обычно делается в виде одной или двух выкружек у листов ротора и якоря на внут­реннем диаметре, а у статорных листов - на наружном диаметре.

Перед сборкой на вал листы сердечника должны быть сориентированы по шпоночной канавке и шихтовочному знаку.

При штамповке листов на автоматических линиях листы статора и ротора снимаются с пресса в ориентированном виде. Если сталь листов не требует термообработки и имеет изоляционное покрытие, то листы сразу поступают для сборки на оправку. Если листы после штамповки требуют термообработ­ки и лакирования (или оксидации), то после проведения этих операций ори­ентировка теряется и ее производят снова.

Для ориентирования листов сердечников применяют станки различных конструкций. Для ориентирования листов статора применяют станки с верти­кальной осью вращения (рис. 3.4, а) и с горизонтальной осью вращения (рис. 3.4, б).

Станок с вертикаль­ной осью вращения (рис. 3.4, а) для ших­товки листов статора имеет вращающуюся головку (1), на которую набрасывают листы (2). Каждый лист поворачи­вается до тех пор, пока его наружный выступ (3) не дойдет до непод­вижного упора (4).

При большой но­менклатуре листов ста­тора различных диа­метров применяют станки, имеющие рабочий орган с горизонтальной осью вращения (рис. 3.4, б). Вращающий валик (1) вращает листы (2) до тех пор, пока наружный выступ (3) не дойдет до упора (4).

1 - вращающаяся часть, 2 - лист, 3 - наруж­ный выступ (сборочный знак), 4 - упор

а - с вертикальной осью вращения, б - с горизонтальной осью вращения

Рисунок 3.4 - Схема рабочего органа станка для ориенти­рования листов

статора по шихтовочному знаку

Для ориентирования листов ротора применяют аналогичные станки (рис. 3.5, а, б). Станок с вертикальной осью вращения (рис. 3.5, а) имеет вра­щающуюся головку (1), на которую набрасывают листы (2). Вращаясь с го­ловкой, листы попадают шпоночным пазом на неподвижную шпонку (3) и опускаются на неподвижную оправку (4). При ориентировании листов с дру­гими диаметрами используют станок с горизонтальной осью вращения (рис. 3.5, б). На вращающийся валик (5) набрасывают листы (2), которые бу­дут вращаться до тех пор, пока шпоночный паз листа не попадет на непод­вижный валик.

Каждый из рассмотренных видов станков имеет свои достоинства и не­достатки. Так станки с вертикальной осью вращения требуют для каждого типа листов изготовления своей оправки, тогда как для станков с горизон­тальной осью вращения такой переналадки не требуется. Однако станки с вертикальной осью вращения более производительны, так как допускают большую частоту вращения листов при ориентировании, чем станки с гори­зонтальной осью вращения.

При ориентирова­нии листов по шпо­ночному пазу якорей машин постоянного тока на рассмотрен­ных видах станков необходимо соблю­дать поштучное по­ступление листов на вращающуюся голов­ку. При надевании на оправку станка пакета листов якорей, имеющих открытые пазы, происходит сцепление зубцами листов друг с дру­гом и вращение их вместе с оправкой. Поэтому станок с вертикальной осью вращения для ориентирования листов якорей можно использовать, если уста­новить станок рядом с конвейером лакировальной машины. В этом случае листы якоря прямо с конвейера по одному будут попадать на насадку станка.

1 - вращающаяся головка, 2 - листы, 3 - непод­вижная шпонка,

4 - неподвижная оправка, 5 - валик

а - с вертикальной осью вращения, б - с горизонтальной осью вращения

Рисунок 3.5 - Схема рабочего органа станка для ориентиро­вания листов ротора по шпоночному пазу

В конструкторском чертеже указываются длина сердечника и его масса, а в спецификации - среднее количество листов. Дозирование листов сердечни­ка может выполняться несколькими способами: по количеству листов, массе и длине. Способ дозирования по количеству листов малоэффективен, так как электротехническая сталь имеет отклонения по толщине до ±10% (ГОСТ 21427.0) и невозможно получить заданную чертежом длину сердечни­ка.

В практике при сборке сердечников в неавтоматизированном производстве чаще всего применяют дозирование по массе, как наиболее простой способ.

В автоматизированном производстве применяют способ дозирования по дли­не, поскольку только такой способ позволяет механизировать процесс.

Предельная точность при всех способах дозирования определяется мини­мальной корректировочной массой, которая равна одному листу.

После ориентирования производят взвешивание листов сердечника на весах практически любого типа. При взвешивании на разновесах на весы вме­сто гирь устанавливают точно взвешенную связку листов сердечника, имею­щего длину, соответствующую номинальным размерам на чертеже.

Сборка сердечников статоров отдельно от корпуса производится на оп­равки на пневмопрессах. Базой при сборке сердечника служат внутренний диаметр листов и шлиц одного из пазов. Листы надевают на оправку по по­садке H8/J9, которая обеспечивается размерами оправки. Допустимое умень­шение размеров оправки, которое происходит в результате трения листов, оговаривается в чертеже на оправку в каждом случае. Диаметр оправки пе­риодически контролируют.

Принятый за базу внутренний диаметр листов обеспечивает получение за­данных размеров и качественной поверхности внутреннего диаметра статора, не требующей дополнительной обработки. Возможные сдвиги листов за счет

неточностей штамповки, шихтовки и заусенцев получаются на наружном диаметре сердечника, обработка которо­го не вызывает затруднений.

Оправка с набранным сердечником статора показана на рис. 3.6. Последова­тельность сборки следующая. На оправку (9) надевают нижнюю нажимную шайбу (1). На нее устанавливают нажимное кольцо (2) сердечника, крайние листы и остальные листы. Крайние листы, пред­назначенные для уменьшения распушения, должны быть более жесткими, чем серединные. Для этого крайние листы изготовляют свариванием двух — трех серединных листов точечной сваркой по всем зубцам и спинке. Иногда крайние листы изготовляют из листовой стали толщиной 1... 1.5 мм с зубцами несколь­ко меньшими, чем зубцы серединных листов. Для этого необходимо иметь до­полнительный штамп.

1 - нижняя нажимная шайба, 2, 5 - на­жимные кольца, 3 — листы сердечника, 4 — шпонка, 6 - верхняя нажимная шайба, 7 - клин, 8 - стопорные скобы, 9 - оправка

Рисунок 3.6 – Оправка статора с набранным сердечником

В сердечниках диаметром до 130 мм специальные крайние листы не устанавливают. Жесткость зубцов, высота которых не более чем в 10... 15 раз больше толщины листа, оказывается дос­таточно высокой, и при соблюдении технологического процесса распушения листов не происходит. В некоторых случаях один крайний лист, расположен­ный с той стороны, в которую направлены при сборке заусенцы, переворачи­вают на 180° заусенцем к сердечнику. Жесткость зубца в сторону заусенца меньше, чем в обратную, и поворот повышает качество сердечника. Иногда, для повышения жесткости крайних листов, вдоль высоты каждого зубца вы­полняют выдавки.

Листы укладывают на оправку заусенцами в одну сторону, соблюдая ори­ентировку. Листы ориентируют по внутреннему диаметру оправки и одному из шлицев, в которые входит шпонка (4). Кроме того, листы ориентируют по шихтовочному знаку или выступу, расположенному на наружном диаметре листов. Для совпадения и ровного расположения шихтовочного знака у всех листов его подбивают плоской оправкой.

Для более точного ориентирования листов по углу на оправке устанавли­вают помимо неподвижной шпонки еще одну плавающую шпонку. Это осо­бенно важно для машин малой мощности и электрических машин специаль­ного назначения.

Особенностью сборки сердечников статоров некоторых электрических ма­шин специального назначения является веерная сборка листов. Так, например, в асинхронных тахогенераторах для улучшения основных параметров стремятся получить магнитную систему симметричной в радиальном направлении. Элек­тротехническая изотропная сталь имеет различную магнитную проводимость вдоль и поперек прокатки. Если это обстоятельство в других машинах не играет существенной роли и допускается, то в тахогенераторах оно недопустимо. Вы­равнивают магнитную проводимость проведением веерной сборки. Она заклю­чается в том, что листы подбирают по знаку так, чтобы каждый последующий лист был повернут относительно предыдущего на определенный угол, который отсчитывают по штамповочному знаку (если листы не имеют пазов) или на один паз (если листы имеют пазы). Сдвиг листов может быть другим, и его указывают в чертеже. Проверяют правильность сборки по расположению знака на наруж­ной поверхности. Обычно он расположен по спирали.

После укладки крайних листов устанавливают нажимное кольцо (5) и верхнюю нажимную шайбу (6). Затем производят прессование сердечника на гидравличе­ском прессе.

Прессование сердечника является важной технологической операцией, так как от усилия прессования во многом зависят потери в сердечнике при работе машины. При недостаточном прессовании сердечник получается не­жестким и большей длины. При усилии прессования выше допустимого воз­можно замыкание листов между собой, нарушение их изоляции, уменьшение размеров сердечника и, следовательно, увеличение потерь. Единых требова­ний для установления усилий прессования нет, поэтому в каждом случае тех­нологи выбирают оптимальное усилие на основе эксперимента и испытаний. На большинстве предприятий прессование производят под давлением 1... 1.5 МПа.

При сборке сердечников машин малой мощности возможно, что одна сто­рона сердечников окажется большей длины, чем другая, противоположная ей. Причиной может быть разная толщина электротехнической стали по ши­рине ленты. При ручной укладке обмоток разная длина сердечника по ок­ружности не имеет значения, но при механизированной укладке это влияет на качество процесса. Для выравнивания сердечников по длине после сборки листов поворачивают половину сердечника на 180°, а после этого сердечник прессуют и скрепляют. В конце прессования верхняя нажимная шайба фик­сируется клиньями (7), которые стопорятся скобами (8). В таком виде сер­дечник поступает для скрепления скобами или сваркой. Для этого на наруж­ном диаметре листов имеются специальные выштамповки (рис. 3.7).

Скрепление сердеч­ника статора скобами производится в паз, вы- штампованный в виде лас­точкина хвоста (рис. 3.7, а). Скобы изготовляют из стальной ленты шириной, равной ширине основания паза. Для ввода скобы в паз через зауженный шлиц ее по высоте изгибают под необходимым углом. После ввода скобы в паз ее разжимают вручную ударами молотка по ребру. В массовом и серийном про­изводстве, где используют специальные прессы, для разжатия скоб применя­ют вращающиеся ролики, которые перемещаются по высоте сердечника и одновременно разжимают две скобы, расположенные диаметрально. Края скобы при разжатии входят в ласточкин хвост и скрепляют сердечник. На торцах сердечника скобы загибают. В некоторых конструкциях сердечников пазы для скоб выполняют прямоугольной формы, а не в виде ласточкина хво­ста. В этом случае скрепляющие скобы укладывают в пазы, загибают по гор­цам и приваривают к нажимным шайбам.

Рисунок 3.7 - Выштамповки в листах для скрепле­ния сердечника статора

скобами (а) или сваркой (б)

Скрепление сердечника статора сваркой производится путем расплав­ления основного металла в выштамповке листа, имеющей специальную раз­делку, полученную при штамповке (рис. 3.7, б). Сварку производят в автома­тическом цикле в среде аргона неплавящимися электродами без присадочно­го материала. Сваривают одновременно все швы. Давление пресса снимается после остывания шва. Скрепленные сердечники подаются на пресс, где выпрессовываются оправки. Освободившиеся оправки передают на шихтовку следующих сердечников.

В машинах малой мощности скрепление сердечника статора иногда вы­полняют заливкой алюминия. Для этого листы собирают на оправку, прес­суют и фиксируют длину. Затем листы с оправкой устанавливают в пресс-форму литейной машины и заливают алюминием или алюминиевым сплавом. Получается тонкостенная оболочка, охватывающая внешнюю и частично торцевые поверхности сердечника. Она скрепляет пакет и заменяет собой корпус (см. рис. 3.6).

В машинах малой мощности скрепление сердечника статора выполняют также заклепками. Для этого в листах выштамповывают несколько крепеж­ных отверстий с точностью пo 10...11-му квалитету. Листы собирают на оп­равку, прессуют и, не снимая давления, устанавливают и расклепывают за­клепки. Затем сердечник снимают с оправки. Выступание заклепок из сер­дечника должно быть не более 2 мм.

Для высокочастотных электрических машин (частотой свыше 400 Гц) сердечники из электротехнической стали толщиной 0.1...0.3 мм скрепляют склеиванием. Склеиванием крепят также крайние сегменты статоров турбо- и гидрогенераторов, сердечники специальных электрических машин с высо­кими требованиями к шумам, вибрации и надежности. Для склеивания при­меняют клей БФР-2 или клеевой состав на основе эпоксидной смолы ЭД-6. Листы отдельно промазывают клеем, подсушивают, собирают на оправку, прессуют и запекают. Затем оправку выпрессовывают, а сердечник зачищают от наплывов клея. Режимы прессовки и запечки выбирают в зависимости от размеров листов и используемого клея.

В массовом и крупносерийном производстве наиболее экономичными способами скрепления сердечников статоров являются сварка и скрепление скобами, а для машин малой мощности — также скрепление заклепками, ко­торое может быть механизировано.

К сердечникам статоров, предназначенным для механизированной уклад­ки обмотки, предъявляются дополнительные требования:

- контуры сварных швов или скоб не должны выходить за внешний диа­метр;

- уменьшение пазов в сердечнике относительно размеров в листе - не бо­лее 0.2 мм;

- перекос или искривление оси паза — не более 0,2 мм;

- увеличение длины сердечника между швами со стороны внешнего диа­метра не более 1 мм, а со стороны внутреннего - не более 2 мм.

Сборка сердечника ротора на оправку выполняется аналогично сборке сердечника статора. Оправка ротора с набранным сердечником показана на рис. 3.8. Базой при сборке сердечника ротора служат внутренний диаметр лис­тов, шпоночный паз и калибры (не менее двух), которые заводят в пазы. Листы надевают на оправку по посадке H8/h8. Порядок сборки следующий. На оправ­ку (1) надевают нижнюю нажимную шайбу (2). Затем по шпонке (6), которая прикреплена к оправке винтами (7), надевают листы сердечника ротора (3) и дополнительно вы­равнивают их, опуская в пазы калибры. Сверху устанавливают верхнюю нажимную шайбу (4) и пакет прессуют на гидропрессе. Не снимая давления пресса, в па­зы оправки закладывают две шпонки (5), которые удерживают сердечник в спрессованном со­стоянии. В таком виде сердечник ротора поступает на участок за­ливки алюминием. После заливки и остывания ротора выбивают шпонки (5), оправку выпрессовывают на гидропрессе. Листы сер­дечника остаются скрепленными залитой алюминиевой обмоткой.

1 - оправка, 2 - нижняя нажимная шайба, 3 - листы ротора, 4 - верхняя нажимная шайба, 5 - упорная шпонка, 6 - призматическая шпонка, 7 - винт

Рисунок 3.8 – Оправка ротора с набранным сердечником

В асинхронных двигателях малой мощности для улучшения пусковых свойств и снижения магнитных шумов выполняют скос пазов на статоре или роторе. С точки зрения электромагнитных процессов, безразлично, где будет выполнен скос пазов. С точки зрения технологии изготовления, это имеет значение, так как в одном случае легче выполнить скос пазов на роторе, а в другом — на статоре. Скос пазов выполняют также в якорях малых коллек­торных машин с целью улучшения коммутации.

При сборке сердечника ротора на оправку на ней выполняют скошенную шпоночную канавку, в которую потом закрепляют косую шпонку. Такую же шпоночную канавку выполняют на валу при сборке сердечников ротора или якоря на вал по шпонке (рис. 3.9). Шпоночную канавку можно выполнить как на горизонтально-фрезерном, так и на вертикально-фрезерном станке. Для этого оправку (вал) устанавливают на столе станка под углом α по отноше­нию к движению подачи. Величина скоса шпоночной канавки относитель­но образующей вала определяют по формуле:

где t - заданная величина скоса па­зов, которую обычно принимают равной пазовому делению статора, измеренному по наружной окруж­ности ротора;

d – диаметр вала,

D — наружный диаметр ротора.

Тогда угол наклона а шпоночной канавки по отношению к образующей зала:

где l - длина сердечника ротора.

Рисунок 3.9 - Посадка сердечника ротора на скошенную шпонку

ВНИИТэлектромашем разработаны полуавтоматы для сборки и сварки сердечников статоров и роторов.

При сборке на полуавтомате сердечника ротора пакет листов после дози­рования по массе перегружается на сборочную оправку и сжимается прессом. Производятся контроль длины по стрелочному прибору и ее корректировка с точностью до толщины одного листа. Давление опрессовки применяют та­ким, чтобы оно максимально приближалось к давлению, которое возникает при последующей заливке беличьей клетки алюминием.

После корректировки длины оператор закрывает пакет откидной поворот­ной плитой и устанавливает в пазы под обмотку специальные Г-образные пазовые калибры. Поворотом калибров в горизонтальной плоскости на угол 90° достигается окончательная ориентация листов в области пазов под об­мотку. После повторной опрессовки пакет запирается откидной плитой при­способления. Пазовые калибры поворачивают в исходное положение и из­влекают из пакета.

Последующие операции совершаются в автоматическом режиме. Сбороч­ная оправка опускается вниз и выходит из валового отверстия пакета. После поворота стола на второй и третьей позициях полуавтомата производится скрепление пакета путем сварки швов вольфрамовым электродом в среде аргона непосредственно по поверхности валового отверстия. Скорость сварки 5...10 мм/с. На четвертой позиции пакет автоматически раскрепляется и спе­циальным устройством подается на отводящий лоток.

При сборке на полуавтомате сердечника статора пакет листов, предвари­тельно дозированный по массе, перегружают на сборочную оправку станка. Для сборки сердечников с наружным диаметром D_нар < 180 мм применяют цанговые оправки, а с D_нар > 180 мм — кулачковые. Сборочные оправки име­ют одну неподвижную шпонку.

С помощью оправки производятся центрирование и ориентация листов.

Для деформации заусенцев и микронеровностей контактирующих по­верхностей листов осуществляют опрессовку пакета давлением до 8 МПа. Затем оператор контролирует длину сердечника по стрелочному прибору и корректирует ее с точностью до толщины одного листа.

На позиции скрепления оправка разжимается, удерживая листы в фикси­рованном положении один относительно другого, а пакет сжимается давле­нием до 4 МПа. Затем сварочной головкой с четырьмя - восьмью вольфрамо­выми электродами одновременно сваривают в среде аргона. Сварка необхо­дима для сохранения целостности собранного сердечника до операции залив­ки алюминиевой обмотки. После поворота стола оправка сжимается, готовый сердечник с нее снимается и подается на отводящий лоток.

В последние годы ведутся работы по разработке и внедрению автоматов и автоматических линий для производства сердечников с наружным диаметром до 250 мм и полуавтоматов для производства сердечников с D_нар - 250...700 мм.

Ведутся также разработки технологического оборудования, позволяюще­го выполнять процессы сборки сердечников и заливки короткозамкнутой обмотки на одной автоматической линии.

В настоящее время созданы автоматические линии для производства сер­дечников магнитопроводов малых электрических машин. На таких линиях сконцентрированы операции штамповки, дозировки, ориентации, опрессовки и скрепления сердечников статора (рис. 3.10).

Рисунок 3.10 - Автоматическая линия штамповки и сборки сердечников:

1 - разматывающее устройство, 2 - лента, 3 - правильное устройство, 4, 9 - шкафы управле­ния, 5 - подающее устройство, 6 - пресс-автомат, 7 - листы статора, 8 - устройство дозирования, опрессовки и скрепления

Лента (2) электротехнической стали из разматывающего устройства (1) проходит семивапковое правильное устройство (3) (два валика в нем тяну­щих) и, образуя компенсационную петлю, передается подающим устройст­вом (5) в пресс-автомат (6). Пресс-автомат представляет собой двухэксцентриковую бесшатунную машину с бесступенчатым регулированием количе­ства ходов (от 50 до 600 в минуту). Штамповка осуществляется четырехпозиционным штампом. Листы статора (7) отводятся стапелирующими оправ­ками, которые шарнирно связаны с автоматическим устройством (8) дозиро­вания, опрессовки и скрепления. В дозирующем устройстве производится отбор предварительной дозы листов с избытком в несколько листов, точное дозирование, ориентирование, опрессовка и скрепление четырьмя сварными швами. В линии отсутствует ручная передача листов из пресса на сборку сер­дечника. Управление автоматической линией расположено в шкафах (4 и 9).