Новая технология изготовления индукторов линейных асинхронных двигателей для магнитнолевитационного транспорта

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В семидесятых- восьмидесятых годах прошлого века во многих странах мира, в том числе и в Советском Союзе, ученые и инженеры занимались разработкой высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта. Выполнены многочисленные научные исследования и опытно-конструкторские разработки в области магнитной левитации и линейного тягового привода высокоскоростного транспорта, создано немало технических решений, защищенных патентами на изобретения, построены опытные полигоны для проведения экспериментов. Эти исследования по разным причинам были или свернуты или значительно сокращены.

В начале двухтысячных годов развитие мировой экономики потребовало создания принципиально новых высокоскоростных транспортных средств для организации грузовых и пассажирских перевозок. Большой интерес возник к высокоскоростному МЛТ после удачной реализации разработок ученых и инженеров из ФРГ в Китайской Народной Республике. Это был первый успешно реализованный коммерческий проект: высокоскоростной магнитнолевитационный поезд обеспечил быстрый и комфортабельный проезд авиапассажиров между г. Шанхаем и аэропортом. Все это способствовало началу нового этапа в создании, исследовании и разработках высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта на новом, более высоком уровне. Активизировались работы в области МЛТ и в Российской Федерации, о чем свидетельствуют современные публикации сотрудников ПГУПС (г. Санкт-Петербург), представленные в серьезных изданиях [1–7]. В новых разработках заинтересованы ОАО «Российские железные дороги» [8–11]. Периодически на расширенных заседаниях научно-технического совета ОАО «РЖД» рассматриваются вопросы по разработке новых видов транспорта.

Одним из самых главных элементов в системах высокоскоростного МЛТ является линейный асинхронный двигатель, преобразующий электроэнергию непосредственно в поступательное перемещение транспортного экипажа, поэтому важными и актуальными являются вопросы совершенствования технологии изготовления индукторов тяговых ЛАД.

ЦЕЛЬ

Анализ литературных источников, посвященных технологии производства электрических машин, показал, что не существует специальной литературы по технологии изготовления линейных электродвигателей. Хотя в Российской Федерации линейные двигатели и не выпускаются большими сериями, ряд специализированных предприятий организовал их производство.

Развитие высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта, а так же – гибких производственных систем, робототехники, перспективных видов  внутризаводского транспорта, систем автоматики и простых (по кинематике) электроприводов будет способствовать производству всё большего количества электрических линейных машин. Вместе с тем выпуск линейных двигателей малыми сериями на разных предприятиях приводит к тому, что везде создаются собственные технологии, базирующиеся на традиционных методах изготовления электрических машин, включающих последовательное изготовление отдельных элементов конструкции с последующей их сборкой в готовое изделие, что снижает производительность труда и повышает стоймость изделия.

Для штамповки пластин индуктора линейного двигателя изготавливают специальные матрицы. При изготовлении небольшой партии линейных двигателей магнитопроводы изготавливают путем фрезерования пазов для укладки обмотки.

Обмотки индукторов линейных электрических машин выполняются по традиционным технологиях, включающим намотку и укладку секций, а также пропитку и сушку.

Сборка электрических машин является заключительным технологическим процессом, при котором узлы и отдельные детали соединяются в готовое изделие. От этого технологического процесса во многом зависят энергетические и эксплуатационные показатели электрической машины: коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, надежность и долговечность.

Изобретений в области совершенствования технологии электромашиностроения сравнительно немного, если иметь в виду технические решения, принципиально отличные от традиционных. Ряд изобретений посвящен безотходным технологиям изготовления сердечников электрических машин, содержащим витые ярма и гофрированные зубцовые зоны. Много разработок по изготовлению магнитопроводов из ферромагнитных порошков на основе металлокерамики. Этот метод пригоден и для изготовления сердечников линейных электрических машин.

Все это свидетельствует о том, что практически отсутствуют новые, высокие технологии в производстве электрических машин, в том числе и линейных. Нами предложена новая, интегральная технология изготовления индукторов тяговых линейных асинхронных двигателей.

ОСНОВЫ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДУКТОРОВ ЛАД

В производстве электрических машин по сегодняшний день преобладают технологии, широко использующие ручной труд. Новые технологии изготовления индукторов линейных асинхронных двигателей позволяют уменьшить число этапов изготовления машины и существенно снизить долю участия человека в технологическом процессе, а в ряде случаев – полностью автоматизировать производство индукторов линейных двигателей.

В основу технологии положены известные в технике способы изготовления деталей методами порошковой металлургии и напыления материалов [12, 13]. Эта технология может быть использована для изготовления катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов и других электротехнических устройств.

Одним из перспективных технологических методов, относящихся к области высоких технологий, является напыление материалов [12, 13]. Этот метод находит все более широкое применение в различных областях техники. Метод напыления материалов используется при производстве конденсаторных лент, для изготовления антикоррозионных покрытий, для восстановления и упрочнения изношенных деталей, для нанесения корпусной изоляции катушек электрических аппаратов и для изготовления пазовой изоляции некоторых электрических машин.

Технология напыления материалов делится на три основных вида:

1. Газопламенное или газотермическое напыление, при котором используется теплота, выделяемая при сгорании смеси горючего газа с кислородом. В зависимости от состояния напыляемого материала оно может быть трех типов: проволочное, прутковое и порошковое.
2. Газоплазменное напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги. При этом методе газ нагревается до температуры, при которой происходит процесс диссоциации. Температура этого процесса определяется типом газа и давлением.
3. Вакуумное напыление – довольно широко применяется в космической технике и электронике. При таком виде напыления используются электронные пушки.

Новая технология исключает предварительное изготовление отдельных элементов конструкции индуктора и последующую их сборку в готовое изделие [14, 15]. Индуктор предлагается изготавливать путем поочередного напыления на подложку ферромагнитного материала (формирование сердечника магнитопровода), изоляционного материала (нанесение пазовой, межвитковой и межкатушечной изоляции) и электропроводящего материала (изготовление обмотки). В результате сразу получается изделие – индуктор ЛАД, готовый к применению на МЛТ.  Другими словами, новая технология, объединяя, суммируя отдельные этапы производства индуктора линейного асинхронного двигателя, является интегральной.

Процесс изготовления сердечника индуктора линейного асинхронного двигателя (ЛАД) представлен на Рис. 1. Сердечник может быть полностью напылен газопламенным или газоплазменным способом, или на заранее заготовленное ярмо (шихтованное или сплошное) через трафарет наносится зубцовый слой.

На подложку 1, подготовленную для напыления, нанесены ярмо 2 и зубцовый слой 3. Для напыления зубцов служит трафарет 4, имеющий отверстия 5, сквозь которые в нужные места напыляется ферромагнитный материал 6 с помощью горелки 7, имеющей возможность перемещения в направлении стрелок А и В. Трафарет 4 фиксируется относительно подложки и ярма при помощи направляющих 8, проходящих сквозь отверстия 9 трафарета. На Рис. 1 по соображениям наглядности трафарет показан приподнятым над сердечником, на самом деле трафарет лежит на сердечнике, закрывая своими перемычками пазы индуктора.

Рис. 1. Процесс изготовления сердечника индуктора ЛАД

 

На Рис. 2 на подложке 1 показано напыленное сплошное ярмо 2. Это наиболее простой способ изготовления магнитной системы индуктора линейного электродвигателя, но этот способ изготовления приведет к значительным потерям в сердечнике при эксплуатации машины. Строение сердечника, аналогичное шихтованному, из отдельных пластин электротехнической стали можно получить, используя другой трафарет, с помощью которого сердечник напыляется не сверху, как это показано на рис. 1, а сбоку. В этом случае ферромагнитный и изоляционный материал наносятся поочередно слоями, а в результате получают сердечник 1 (рис. 3), у которого ферромагнитные зоны 2 разделены слоями изоляции 3, в качестве которой можно использовать окись алюминия. Обратим внимание на то, что толщина пленки изоляционного материала может быть равна долям микрона, а следовательно, коэффициент заполнения сердечника сталью может достигать 99 % и даже более высоких значений, что совершенно недостижимо при использовании традиционных технологий изготовления магнитопроводов электрических машин.

Рис. 2. Сплошное ярмо, изготовленное методом напыления

 

На рис.3 ярмо, изготовленное методом напыления, у которого слои ферромагнетика чередуются с прослойками изоляции.

Рис. 3. Ярмо, изготовленное методом напыления, у которого слои ферромагнетика чередуются с прослойками изоляции

 

Одним из этапов новой технологии является изготовление первого виткового слоя. Для этой цели применяют трафарет (маску), изображенный на Рис. 4. Трафарет 1 содержит отверстия 2, повторяющие форму первого виткового слоя обмотки, сквозь которые напыляют слой электропроводящего материала, обычно меди или алюминия. Перемычки, имеющие форму флажков, закрывают зубцы сердечника и не позволяют витку стать короткозамкнутым. Для повышения электропроводности витка напыленный проводящий слой подвергается операции оплавления пламенем горелки. Трафарет пригоден для изготовления только одного первого слоя витков катушек обмотки индуктора. Следует отметить, что трафарет для напыления витков должен быть выполнен из материала, температура плавления которого превышает температуру плавления электропроводящего  материала. Но это необходимо, если технологический процесс включает операцию оплавления напыленных слоев электропроводящего материала.

 

Рис. 4. Трафарет для изготовления первого слоя витков катушек обмотки индуктора линейного асинхронного двигателя

 

Определение размеров трафаретов для изготовления индуктора ЛАД

Рассмотрим пример расчета размеров трафаретов для изготовления индуктора ЛАД с обмоткой, состоящей из сосредоточенных катушек.

Для производства серии однотипных индукторов линейных асинхронных двигателей заранее необходимо изготовить комплект трафаретов для напыления сердечника и обмотки машины. В комплект входит и подложка (основание), на которую наносится ярмо индуктора. В зависимости от метода нанесения материала подготавливается подложка. Её поверхность очищается и делается шероховатой для газопламенного и плазменного напыления ярма, или поверхность подложки полируется при вакуумном нанесении материалов.

Для определения размеров трафаретов должны быть заданы: длина и ширина индуктора линейной машины, число и размеры зубцов индуктора, количество и размеры катушек обмотки, количество витков в каждой катушке.

 

При расчете трафаретов приняты следующие условные обозначения:

L_u – длина индуктора;

b_u– ширина индуктора;

L_mp– длина трафарета;

2р – число полюсов индуктора линейного двигателя;

τ – полюсное деление;

b_z – ширина зубца индуктора;

l_z– длина зубца;

b_k – ширина витка катушки обмотки индуктора;

δ – толщина изоляции витков катушки;

b_mp – ширина трафарета;

А – ширина межвиткового соединения;

n – номер витка (по высоте катушки);

W₁ – продольный размер, показывающий расстояние от левого внутреннего угла витка до начала межвиткового соединения;

W₂ – продольный размер, показывающий расстояние от правого внутреннего угла витка до конца межвиткового соединения;

b_n – расстояние между внутренними сторонами двух витков соседних катушек;

b₁, b₂, b₃ – расстояния между выступами трафаретов для напыления изоляции;

с – высота основания трафарета для нанесения изоляции.

На Рис. 5 представлен трафарет для нанесения зубцового слоя сердечника индуктора. Для определения ширины катушки обмотки заданы значения: b_u, b_z, l_z, $\tau$, а размеры данного трафарета определяются размерами и количеством зубцов индуктора, а также шириной последнего.

 

Рис. 5. Трафарет для напыления зубцового слоя сердечника индуктора линейного асинхронного двигателя

 

Ширина катушки обмотки без учета толщины межкатушечной изоляции:

$b_k=(\tau /3–b_z)/2$ (1)

Расстояние между внутренними сторонами двух витков соседних катушек:

$b_n=2b_k=\tau /3–b_z$ (2)

Длина индуктора линейного электродвигателя:

$L_u=2p\tau +2b_k=6p(2b_k+b_z)+2b_k$ (3)

Трафарет для изготовления «n-го» виткового слоя изображен на Рис. 6.

 

Рис. 6. Трафарет для напыления «n-го» виткового слоя катушек обмотки индуктора ЛАД

 

Ширина витка:

${b_k}_1=b_k–2\delta$ (4)

Длина трафарета, м:

 $L_{mp}=L_u+0,04$ (5)

Расстояние от левого внутреннего угла витка до начала межвиткового соединения:

$W_1=(n–1)(A+4\delta )$ (6)

Расстояние от правого внутреннего угла витка до конца межвиткового соединения:

$W_2=b_z–W_1–4\delta$ (7)

Трафарет для нанесения слоя изоляции на витки обмотки, закрывающий межвитковое соединение, показан на Рис. 7.

 

Рис 7. Трафарет для нанесения слоя изоляции на витки обмотки

 

Продольные размеры:

$b_1=b_k–{\delta }_1+W_1+0,02+4\delta$ (8)

$b_2=W_2+2b_k+W_1–A+4\delta$ (9)

$b_3=b_1+А$ (10)

Таким образом, определяются размеры трафаретов для изготовления индукторов линейных асинхронных двигателей на основании данных расчетов и конструкторской документации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Новая интегральная технология изготовления индукторов линейных асинхронных двигателей методом напыления материалов является высокой и позволит увеличить качество тяговых ЛАД для магнитнолевитационного транспорта.
2. Изготовление индукторов тяговых ЛАД методом напыления материалов позволит автоматизировать процесс производства линейных машин для таких перспективных видов транспорта, как высокоскоростной магнитнолевитационный, в том числе и вакуумный.
3. Предложенная технология может быть использована в производстве трансформаторов и торцевых электродвигателей.

Об авторах

Владимир Александрович Соломин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Автор, ответственный за переписку.
Email: ema@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-0638-1436
SPIN-код: 6785-9031

доктор технических наук, профессор

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2

Андрей Владимирович Соломин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Email: vag@kaf.rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-2549-4663
SPIN-код: 7805-9636

кандидат технических наук, доцент

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2

Надежда Анатольевна Трубицина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Email: ma@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0001-6640-8306
SPIN-код: 4192-0487

кандидат технических наук, доцент

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2

Лариса Леонидовна Замшина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Email: ema@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0001-5374-9443
SPIN-код: 8703-1347

кандидат технических наук, доцент

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2

Анастасия Алановна Чехова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"

Email: ema@rgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-3410-3687
SPIN-код: 8201-7660

аспирант

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2

Список литературы

Дополнительные файлы