54 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 УДК 621.313 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОПРОВОДА СТАТОРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ Шарабан Ю.В. Государственное предприятие "Харьковское агрегатное конструкторское бюро" Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская, 132, ГП "ХАКБ" тел. (057) 707-02-71, факс (057) 707-02-73, e-mail: khadb@ukr.net Наведено опис технології виготовлення магнітопровода статора авіаційних електродвигунів зі сплавів з високою інду- кцією насичення. Приведено описание технологии изготовления магнитопровода статора авиационных электродвигателей из сплавов с высокой индукцией насыщения. К авиационным электрическим машинам предъ- являются более высокие требования, чем к общепро- мышленным. Основными требованиями являются [1]: надежность и безотказность, минимальные габариты и масса, высокая прочность и стойкость, независи- мость работы от изменяющихся внешних воздейст- вующих факторов и положения в пространстве и т.п. Оптимально спроектированная электрическая машина будет удовлетворять необходимым требова- ниям при условии правильного изготовления ее узлов и сборки. Перспективным направлением в авиационном электромашиностроении является применение для изготовления магнитопроводов сталей с высокой ин- дукцией насыщения, например, железокобальтовых сталей типа 27 КХ и 49К2ФА. Эти стали позволили поднять средний уровень индукций в магнитопрово- дах до 2,2Тл при приемлемом уровне удельных по- терь, в результате чего уменьшились габариты и мас- са электрических машин. Однако внедрение этих ста- лей сопряжено с целым рядом трудностей, основной из которых является высокая чувствительность ко- бальтовых сплавов к механическим воздействиям (удары, сжатие, механическая обработка). Допусти- мая величина удельного давления на материал, кото- рая еще не приводит к значительному снижению маг- нитных свойств, составляет примерно 196-392 кПа (2-4 кг/см2) [2]. Указанное ограничение заставляет разрабатывать новые технологии изготовления маг- нитопроводов из кобальтовых сплавов. Этот вопрос в литературе освещен недостаточно, информации о применении в Украине указанных сплавов для элек- тродвигателей не найдено. Целью настоящей работы является разработка технологии изготовления магнитопровода статора из железокобальтовых сплавов для электродвигателей авиационных агрегатов, которая обеспечивает получе- ние и сохранение максимально возможных магнитных свойств магнитопровода и является оптимальной для мелкосерийного производства электрических машин. Большинство магнитопроводов выполняют ших- тованными из штампованных листов. В зависимости от вида производства (опытное, мелкосерийное, се- рийное) применяют пазовую, раздельную или компа- ундную штамповку. В настоящее время промышленностью выпуска- ется лента из стали 49К2ФА толщиной 0,2 мм, кото- рая имеет ширину 135 мм. В мелкосерийном производстве она предвари- тельно разрезается на квадраты и штампуется пазо- вым штампом на пазовом прессе. Качество вырубки зависит от заточки штампа и величины зазора между пуансоном и матрицей. Для указанной стали этот зазор должен быть от 5 до 20 мкм [3], пуансон должен углубляться в матрицу при штамповке не более чем на 1,5 толщины штампуемо- го листа. При появлении заусенцев, которые замыкают листы между собой и приводят к повышению потерь в стали, вводится дополнительная операция по их сня- тию на гратосъемных станках (рис. 1) Рис. 1. Схема снятия заусенцев: а) шлифование периферией круга; б) зачистка торцом круга. Так как магнитные свойства кобальтовых спла- вов обладают повышенной чувствительностью к ме- ханическим воздействиям [4] и снижаются при любых видах деформаций, перед сборкой магнитопроводов листы подвергаются термообработке в магнитном поле. Термомагнитная обработка способствует улуч- шению магнитных свойств [5] (возрастанию магнит- ной индукции и магнитной проницаемости, снижению коэрцитивной силы и удельных потерь) магнитопро- водов за счет создания в сплаве магнитной текстуры в заданном направлении, которая соответствует на- правлению магнитного потока в магнитопроводе в рабочем режиме. Магнитные параметры сплава 49К2ФА при термообработке в магнитном поле и без него приведены в табл. 1. Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 55 Таблица 1 Магн. индукция, В, Тл при напря- женности поля Н, А/м Удельные потери, Р, Вт/кг Марка сплава Толщина, мм Способ термо- обработки В400 В1000 В2500 Коэрцитивная сила, НС, А/м Р1,8/400 Р2/400 ТО 1,85-1,96 2,08-2,15 2,2-2,24 40-45 32-39 48-55 49К2ФА 0,2 ТММО 2,06-2,17 2,16-2,24 2,26-2,36 18-27 21-30 28-39 ТО – термообработка по ГОСТ 10160-75; ТММО – термомагнитно-механическая обработка. Вместе с листами на термообработку поступают контрольные образцы-свидетели, изготовленные из материала той же плавки или партии. Перед началом термообработки листы и образцы обезжиривают и во избежание спекания при отжиге пересыпают окисью алюминия (глиноземом). Кобальтовые сплавы являются анизотропными, в процессе термообработки структурные изменения материала приводят к изменению геометрических размеров листа (увеличению внутреннего диаметра и появлению эллиптичности). Эти отклонения можно устранить в дальнейшем механической обработкой собранного пакета, но при этом ухудшаются магнит- ные свойства материала. Поэтому гораздо эффектив- нее производить отжиг листов в приспособлении (рис. 2) на калибрующих термооправках, которые при правильном их расчете за счет расширения при нагре- ве обеспечивают требуемые размеры, калибруют лис- ты по внутреннему диаметру и исключают после- дующую механическую обработку магнитопровода. Термооправка 1 изготовлена из немагнитной стали 12Х18Н10Т, устанавливается на основание 2 с тепло- изолятором 3; листы 7 шихтуются по внутреннему диаметру и прижимаются грузами 4, которые поджи- маются кронштейном 5 с помощью клиньев 6. Усилие сжатия деталей при этом должно быть не более 294- 392 кПа (3-4 кг/см2). Рабочий диаметр термооправки определяется по формуле: ,мм, 1 )1( 1 T TdD ⋅α+ ⋅α+⋅= где d – внутренний диаметр листов, мм; α – коэффи- циент линейного расширения материала листов при температуре термообработки, 1/°С; α1 – коэффициент линейного расширения материала оправки в интерва- ле температур термообработки, 1/°С; Т – температура термообработки, °С. Рис. 2. Приспособление для отжига Термооправка подлежит переаттестации после 30 циклов термообработки. Перед началом отжига в вакуумных печах прове- ряется натекание. При этом при достижении остаточ- ного давления в печи не более 0,133Па (1·10-3 мм рт. ст.) перекрывается кран; работу в печи разрешается производить в том случае, если в течение 30 минут остаточное давление в ней будет не более 0,8 Па (6·10-3 мм рт. ст.) Отжиг листов производится в печи типа СЭВ-3,3 в вакууме с остаточным давлением не более 0,133Па (1·10-3 мм рт. ст.) по следующему режиму: нагрев со скоростью 300-500°С/ч до температуры (820±20)°С, выдержка 3-5 часов, затем охлаждение в магнитном поле со скоростью 300-600°С/ч до 400°С, далее про- извольно в вакууме до температуры 150°С. Продольное магнитное поле включается за 15 ми- нут до окончания изотермической выдержки в печи и поддерживается до момента охлаждения печи до тем- пературы 300°С. Оно создается током, протекающим по стержню 8 приспособления (рис. 2), который рас- считывается по формуле [6]: срDHI ⋅⋅π= , А, где Н = (1200-1600) А/м – напряженность магнитного поля; срD - средний диаметр листов магнитопровода, м. При выявлении в процессе контроля несоответст- вия магнитных свойств материала установленным требованиям, допускается повторная термообработка. После отжига в вакууме листов магнитопроводов производится их термовоздушная оксидация. Листы обезжириваются, помещаются в печь с песчаным за- твором, выдерживаются при температуре 440-460°С в течение 40 минут и охлаждаются непосредственно на воздухе. Такой экспериментально подобранный ре- жим обеспечивает получение довольно эластичной окисной пленки толщиной около 5 мкм. Поскольку при сборке сердечников недопустимо применять механические удары, рихтовку, стягивание и сварку, то практически единственным способом сборки магнитопровода статора является его склейка. На предварительно обезжиренные нефрасом поверх- ности листов наносится теплостойкий клей ВК-26М (рабочие температуры до 250-280°С) в три слоя вал- ковым способом по рис.3 или суммарный расход клея должен быть в пределах 150-300 г/м2, при этом тол- щина клеевой пленки должна быть равна 4-8 мкм на сторону. После нанесения каждого слоя происходит сушка при температуре 15-30°С в течение 30 минут и по- следнего слоя в течение 1,5 ч. Срок хранения лакированных листов до сборки не 56 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 должен превышать 30 дней. Хранить листы необхо- димо в спецтаре на ребре. Рис. 3. Схема установки для нанесения клея Для сборки пакетов листы шихтуются на специ- альной оправке (рис. 4) по внутреннему диаметру и установочным пальцам в пазах листов. Оправка мо- жет иметь стальную разрезную гильзу 1 или сплош- ную стальную гильзу со вставкой 2 из бронзы, латуни, которая при нагревании, расширяясь, дополнительно калибрует внутренний диаметр пакета статора с це- лью исключения последующей его механической об- работки. На оправку предварительно наносится раз- делительная смазка СКТ. Пакет 3 опрессовывается на прессе до размера, указанного в чертеже, фиксируется в этом положении и снимается с пресса. При этом удельное давление при опрессовке и склеивании пакета из стали 49К2ФА должно быть не более 294-490 кПа (3-5 кг/см2). После этого происхо- дит сушка при температуре 180-200°С в течение 30-60 мин, дополнительная подпрессовка и запекание при температуре 250°С в течение трех часов. Остывший пакет снимается с оправки, убираются остатки клея, на торцы приклеиваются крайние изоляционные лис- ты для предотвращения повреждения изоляции об- мотки о кромку стального листа при выходе из паза. Рис. 4. Оправка для склейки Наиболее прогрессивным технологическим про- цессом сборки пакетов является способ капиллярной склейки эпоксидными компаундами ЭК-1М или УП-505. При этом собранный и слегка подпрессован- ный пакет после нагревания в печи до температуры 180°С в горизонтальном положении промазывается по наружному диаметру эпоксидным компаундом, кото- рый под действием капиллярного эффекта проникает внутрь пакета между листами, обеспечивая одновре- менно склейку и изоляцию. После этого пакет допол- нительно подпрессовывается, запекается при темпе- ратуре 180°С в течение 6 часов и охлаждается вместе с печью до комнатной температуры. Механическая обработка пакетов магнитопрово- дов должна осуществляться шлифовкой с минималь- ными припусками и малой подачей резания, чтобы избежать больших механических воздействий, а так- же наволакивания материала с образованием поверх- ностных мостиков, которые могут стать источниками дополнительных поверхностных потерь. По этой же причине необходимо избегать распиловки пазов. Бие- ние наружного диаметра относительно внутреннего должно быть не более 0,05мм. Уменьшение размеров паза "в свету" по сравнению с размерами паза "в штампе" при диаметрах пакета до 200 мм должно быть не более 0,1-0,15 мм. Полностью подготовленный пакет магнитопрово- да поступает для укладки обмотки статора. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Применение железокобальтовых сталей для изготовления магнитопроводов электродвигателей и других электрических машин позволяет уменьшить их массогабаритные показатели. 2. Максимально возможные магнитные свойст- ва сталей достигаются благодаря их термомагнитной обработке – отжигу в вакууме и в магнитном поле. 3. Применение термооправок, калибрующих диаметры листов магнитопроводов при их отжиге позволяет повысить точность размеров и исключить последующую механическую обработку собранных пакетов. 4. Способ капиллярной склейки пакетов магни- топроводов способствует уменьшению потерь за счет надежной изолировки листов; увеличению коэффици- ента заполнения стали и уменьшению трудоемкости их производства. 5. Для сохранения полученных высоких маг- нитных свойств магнитопроводов, необходимо избе- гать больших усилий прессования и натягов при уста- новке в корпус электродвигателя. 6. Асинхронные электродвигатели различных мощностей от 800Вт до 15кВт, магнитопроводы ста- торов которых изготовлены в ГП “ХАКБ” по приве- денной технологии, имеют стабильно высокие энерге- тические показатели, применяются для приводов раз- личных гидравлических насосных станций, автоном- ных рулевых приводов летательных аппаратов. ЛИТЕРАТУРА [1] Комисар М.И. Авиационные электрические машины.- М.: Оборонгиз, 1959.-500 с. [2] Науменко В.И. Конструирование электрических машин летательных аппаратов: Учебное пособие.-М.: МАИ, 1987.-52 с. [3] Виноградов Н.В. Производство электрических машин Учебное пособие для втузов. Изд. 2-е, переработ. М.: "Энергия", 1970. 288 с. [4] Гетя А.Н., Шарабан Ю.В., Матусевич В.А.. Вопросы применения железокобальтовой стали в электродвигате- лях авиационных агрегатов. // Вестник НТУ "ХПИ". - 2003.-№11.-С. 28-35. [5] Способ термомагнитно-механической обработки магни- топроводов из железокобальтовых сплавов: А.с. №1463771 СССР, МКИ С21D 1/04./ В.Н. Воробьев, О.С. Сорокина и др. (СССР).-№4308894/23-02; Заявлено 29.06.87,. Опубл. 07.03.89, Бюл. №9. [6] Справочник технолога-приборостроителя: в 2-х т./ Под ред. Е.А. Скороходова –М.: Машиностроение, 1980, 463 с. [7] ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Об- щие требования. Поступила 04.04.2006