Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование электромагнитных процессов в шихтованных магнитопроводах асинхронных двигателей и выбор рациональной толщины электротехнической стали 12
1.1. Постановка вопроса 12
1.2. Теоретический анализ распределения электромагнитного поля по толщине листов шихтованных магнитопроводов с учётом электрических и магнитных характеристик электротехнической стали 15
1.3. Экспериментальное исследование влияния толщины листов магнитопроводов на энергетические показатели асинхронных электродвигателей мощностью до 100 квт 51
1.4. Выводы 68"
Глава 2. Разработка технических требований к механическим свойствам изотропной холоднокатаной электротехнической стали с точки зрения её штампуемости 71
2.1. Постановка вопроса 71
2.2. Показатели штампуемости электротехнических сталей 75
2.3. Оценка фактических показателей штампуемости изотропной холоднокатаной электротехнической стали при вырубке листов магнитопровода электродвигателей
в условиях производства 88
2.4. Исследование влияния механических свойств электротехнической стали на
показатели штампуемости ПО
2.5. Выводы 122
Глава 3. Исследование и выбор оптимального режима термической обработки листов магнитопроводов 124
3.1. Постановка вопроса 124
3.2. Применяемое, термическое оборудование и режимы отжига листов магнитопроводов вырубленных из изотропной электротехнической стали 126
3.3. Исследование влияния режимов термической обработки на электромагнитные свойства изотропной электротехнической стали 135
3.4. Выводы 146
3.5. Выбор термического оборудования и оптимального режима отжига листов магнитопроводов электродвигателей мощностью до 100 квт вырубленных из нелегированной холоднокатаной электротехнической стали 147
Глава 4. Экономическая эффективность применения изотропной электротехнической стали 158
Заключение 163
Литература 165
- Теоретический анализ распределения электромагнитного поля по толщине листов шихтованных магнитопроводов с учётом электрических и магнитных характеристик электротехнической стали
- Показатели штампуемости электротехнических сталей
- Применяемое, термическое оборудование и режимы отжига листов магнитопроводов вырубленных из изотропной электротехнической стали
- Экономическая эффективность применения изотропной электротехнической стали
Введение к работе
Непрерывный и бурный рост энерговооружённости народного хозяйства Советского Союза выдвигает перед электротехнической промышленностью страны ряд важных и сложных задач по выпуску наиболее прогрессивных видов электродвигателей и внедрением их во все отрасли.
Как известно,асинхронные двигатели являются наиболее распространённым видом электрических машин,нашедших самое широкое применение в различных отраслях народного хозяйства Советского Союза. В 1967 г. выпуск асинхронных двигателей мощностью от 0,6 до 100 квт в СССР составил свыше 5 млн.шт., в 1975 г. - более 7 млн.шт.,общей мощностью порядка 30 млн. квт., в 1980 г. выпуск выпускаемых электродвигателей превысил 10 млн.шт. в год.
Осуществление производства асинхронных двигателей в таких масштабах,массовость их производства немыслимы без соответствующего резкого повышения производительности труда,совершенствования технологии,применения прогрессивных материалов, выбора оптимальных конструктивных решений,повышения качества и технического уровня,а также повышения эффективности их производства.
Особую актуальность приобретают вышеизложенные задачи в свете решений ХХУІ съезда КПСС.
Одним из главных элементов асинхронных двигателей,в значительной степени определяющих,как их электрические показатели и эксплуатационные характеристики, так и общую трудоёмкость изготовления, являются магнитопроводы статора и ротора. В настоящее время трудоёмкость изготовления магнитопро-водов составляет около 20$ общей трудоёмкости производства асинхронных двигателей,причём большая часть этой величины приходится на долю штамповочных работ (12+14$).
В этих условиях вопросы оптимизации изготовления маг-нитопроводов указанных двигателей во всех упомянутых аспектах приобретают важное народнохозяйственное значение.
При рассмотрении вопросов изготовления магнитопроводов одним из определяющих факторов является тіш и марка применяемой электротехнической стали.
До недавнего времени в отечественном электромашиностроении для изготовления магнитопроводов электродвигателей мощностью до 100 квт и бытового назначения находила применение исключительно горячекатаная сталь І2ІІ-І2ІЗ.Однако,ограниченные возможности дальнейшего улучшения электромагнитных свойств горячекатаных сталей,с одной стороны,и возросшие требования к электромагнитным характеристикам магнитопроводов асинхронных двигателей с другой стороны,обусловили настоятельную необходимость замены горячекатаной стали холоднокатаной при производстве указанных магнитопроводов.Применение горячекатаной стали увеличивает трудоёмкость изготовления электродвигателей^ также создаёт тяжёлые условия труда.
В СССР проведены определённые работы в области перевода на холоднокатаную сталь изготовления электродвигателей. Металлургической промышленностью Советского Союза разработана и выпускается холоднокатаная изотропная сталь марки 2011+2013, применяемая в основном для производства двигателей серии 4А.
Разработана и осваивается серия изотропных сталей 2112, 2312,2412.
Применение холоднокатаной электротехнической стали для изготовления шихтованных магнитопроводов заметно улучшает электромагнитные характеристики и,тем самым повышает энергетические показатели и улучшает эксплуатационные характеристики соответствующих электродвигателей.Кроме того,важным преимуществом применения холоднокатаной электротехнической стали является возможность осуществления автоматизации процесса штамповки листов магнитопроводов в связи с возможностью выпуска этой стали в виде рулона,в то время как получение рулона из горячекатаной стали представляет весьма сложную задачу.Применение рулонной стали создаёт .возможность использовать многорядную штамповку.фигурный раскрой,а также создание раскроя с отрицательными перемычками.Применение рулонной стали также сокращает расход материала за счет возможности осуществления экономичного её раскроя,особенно,в условиях многорядной штшдповки и дает другие технологические преимущества [1.2J .
Высокая электромагнитная нагрузка предопределила выбор нелегированной холоднокатаной стали для изготовления магнитопроводов электродвигателей серии 4А,обеспечивающий максимально возможную для изотропных сталей магнитную проницаемость при достаточно низком уровне потерь.Однако,её применение в окончательном отожженом виде не представляется возможным из-за весьма высокой пластичности,а,следовательно, непригодности для вырубки листов магнитопроводов.Поэтому получение гарантированных электромагнитных свойств для этой стали производится путем термической обработки вырубленных листов магнитопроводов из поставляемых на электромашиностроительные заводы электротехнической стали.Вырубка листов магнитопроводов из электротехнической стали с последующей их термообработкой имеет так же то преимущество,что в процессе термической обработки,кроме всего прочего,происходит снятие краевого наклёпа,образующегося при вырубке листов по периметру реза и заметно ухудшающего электромагнитные свойства стали [з] .Поэтому,важное значение имеет разработка рациональной технологии термической обработки вырубленных листов магнитопроводов,обеспечивающей получение заданных электромагнитных свойств стали.
Из вышеизложенного следует,что электромагнитные и технологические свойства применяемой электротехнической стали во многом определяют уровень технологии и эффективность изготовления магнитопроводов современных асинхронных двигателей.
В связи с этим приобретает важное значение разработка рациональных требований к тем или иным свойствам электротехнической стали. В частности,большое значение имеет обоснованный выбор толщины электротехнической стали,используемой для изготовления магнитопроводов электродвигателей.
Между тем,вплоть до настоящего времени в отечественном электромашиностроении при изготовлении магнитопроводов электродвигателей малой и средней мощности промышленной частоты без достаточного обоснования,применяется исключительно электротехническая сталь толщиной 0,5 мм , в то время,как на практике зарубежного электромашиностроения для тех же целей находит широкое применение сталь различной толщины в диапазоне от 0,5 до I мм [4-I5J .
При рассмотрении данного вопроса необходимо учитывать, что увеличение толщины применяемой электротехнической стали в условиях массового производства электродвигателей с одной стороны может привести к заметному снижению трудоёмкости из- готовлений магнитопроводов за счёт уменьшения объёма штамповочных и сборочных работ,также увеличения жёсткости сердечника магнитопровода.
Кроме того.увеличение толщины стали приводит к возрастанию коэффициента заполнения магнитопроводов,что благоприятно сказывается на их электромагнитных характеристиках. С другой стороны,увеличение толщины электротехнической стали вызывает увеличение в ней потерь на вихревые токи,составляющих основную долю (более 50%) общих потерь в стали при промышленной частоте в диапазоне толщин от 0,6 до I мм. Наконец, ещё одним следствием увеличения толщины листов стали является возрастание неравномерности распределения поля по сечению листа за счёт увеличения реакции вихревых токов,что так или иначе отражается на величине вихревой и гистерезисной составляющих потерь в стали.
Степень зависимости всех указанных явлений от толщины листов определяется электромагнитными и физическими свойствами той или иной марки электротехнической стали.Такті образом,необходимым условием правильного выбора толщины листов электротехнической стали,предназначенной для магнитопроводов электродвигателей,является учет и количественная оценка всех указанных выше факторов.
Однако,до настоящего времени отсутствует научно-обоснованные рекомендации по этому вопросу,а в необходимых случаях определение допустимой толщины электротехнической стали производят чисто экспериментальным путём без теоретического анализа электромагнитных процессов,наблюдаемых в шихтованных магнито-проводах электрических машин [l6,I7J .
Между тем,в настоящее время существует достаточная теоре- тическая основа для проведения соответствующего анализа. Вопросы распределения магнитного поля по сечению тонких листов ферромагнитных материалов впервые были рассмотрены Дж.дж. Томсоном на основе классических уравнений Максвелла.Подробный анализ данных вопросов в общетеоретическом плане рассмотрен в целом ряде работ [16—I9j .
Применительно к поставленным нами целями наибольший интерес представляет работа Туровского И. [ 2&J ,в которой автор с достаточной полнотой рассматривает вопросы использования сечения шихтованных магнитопроводов с учётом неравномерного распределения поля,вызванного реакцией вихревых токов,а также влияние неравномерного распределения поля на вихревую и гистерезионную составляющую потерь в стали в отдельности.
В связи с вышеизложенным,возникает необходимость подробного исследования влияния толщины листов электротехнической стали марок 20II-20I3 на энергетические показатели асинхронных двигателей с учётом всех перечисленных выше факторов.
Кроме того,освоение и массовый выпуск новых серий . электродвигателей с магнитопроводами из изотропной электротехнической стали поставили ряд проблем в области технологии производства этих магнитопроводов,совершенствования качества самой стали,решение которых требует проведение соответствующих теоретических и экспериментальных исследований.
Важнейшей технологической характеристикой тонколистовых электротехнических сталей,является их штампуемость.Показатели штампуемости электротехнических сталей оказывают определяющее влияние на экономику и качество изготовления листов магнитопроводов.
Роль показателей штампуемости электротехнических сталей особенно возрастает в условиях резкого увеличения масштабов производства асинхронных двигателей.
В настоящей диссертационной работе осуществлён ряд исследований, не обходимых для комплексного решения основной задачи - повышение эффективности производства магнитопроводов, улучшения энергетических показателей электродвигателей,изготовленных из изотропных электротехнических сталей.
Из всего изложенного выше,следует,что отдельные важные аспекты данной проблемы связанные с улучшением энергетических показателей и повышением эффективности применения указанной стали в условиях крупносерийного производства асинхронных электродвигателей,характерного для электротехнической промышленности СССР,не нашли четкого научного и практического применения. Решению этих задач и посвящены опубликованные автором работы [40-44 J ,а также настоящая диссертация.
Настоящая работа посвящена решению актуальных,имеющее большое народно-хозяйственное значение,проблем повышения энергетических и массагабаритных показателей асинхронных электродвигателей.
В настоящей диссертации в результате проведённых исследований, как теоретических,так и экспериментальных,решены и выносятся на защиту следующие вопросы:
I.Выбор рациональной толщины электротехнической стали марок 20II+J50I3 для магнитопроводов асинхронных электродвигателей, обеспечивающей необходимые технико-экономические показатели.
2.Предложена количественная оценка показателей штампуе-мости изотропной холоднокатаной стали в зависимости от прочностных и пластических характеристик стали с разработкой на - II - этой основе технических требований к механическим свойствам данной стали,обеспечивающих надлежащие показатели штампуемое-ти.
3.Разработка оптимальных режимов термической обработки листов магнитоцроводов электродвигателей различных мощностей и исполнений.
Результаты данной диссертационной работы нашли широкое практическое применение при разработке,освоении в серийном производстве асинхронных электродвигателей серии 4А.
Теоретический анализ распределения электромагнитного поля по толщине листов шихтованных магнитопроводов с учётом электрических и магнитных характеристик электротехнической стали
Известно,что толщина листов магнитопроводов электрических машин во многом определяет их энергетические показатели, в частности,величину потерь в стали,а также характер распределения магнитной индукции по толщине.
При увеличении толщины листа наблюдается уменьшение индукции от края листа к его середине и изменение ее фазы,т.е. увеличение степени неравномерности распределения индукции по толщине листа,а также возрастание потерь.
Причиной указанного неравномерного распределения индукции по толщине листа с увеличением этой толщины является обратное действие(реакция) вихревых токов на возбуждающее поле.Причем,аналогичный результат имеет место при увеличении частоты.
Явление неравномерного распределения поля по сечению проводящего тела называется магнитным поверхностным эффектом.
Магнитный поверхностный эффект проявляется в тем большей степени,чем больше частота и проницаемость стали. Увеличение же удельного сопротивления стали приводит к уплощению кривой распределения индукции по толщине листа,т.е.к ослаблению магнитного поверхностного эффекта.
Показатели штампуемости электротехнических сталей
Штампуемость является важнейшей технологической характеристикой электротехнических сталей и наряду с электромагнитными характеристиками,является основным показателем качества этих сталей.Между тем,в настоящее время практически отсутствуют общепринятые объективные критерии оценки штамлуемости электротехнических сталей,предназначенных для изготовления магнитопро-водов электротехнических машин и поэтому возникает необходимость в разработке таких критериев.
Под щтампуемостью электротехнической стали следует понимать совокупность технологических характернотик,позволяющих оценивать степень соответствия данной стали специфическим условиям вырубки листов магнитопроводов.в частности,электродвигателей.
Соответствующий анализ показывает,что при сравнении ряда различных марок полностью готовых электротехнических сталей с достаточной объективностью можно считать обладающей лучшей штампуемоетыо ту из них,у которой минимальны следующие показатели при прочих равных условиях:
-склонность к истиранию режущих элементов штампа;
-склонность к образованию заусенцев;
-склонность к искажению формы и размеров вырубленных да-талей;
-склонность к образованию краевого наклёпа.
Принятие совокупности перечисленных показателей в качестве критериев оценки штамлуемости электротехнических сталей позволяет с достаточной полнотой судить о степени пригодности стали той или иной марки для вырубки листов магнитопроводов.
Что касается электротехнических сталей марок 2011 и 2013, то для них показатель склонности к образованию краевого наклёпа очевидно теряет смысл и в связи с этим,оценку штампуемости этих сталей целесообразно ограничить первыми тремя из четырёх перечисленных показателей.При этом следует иметь в виду,что для полуготовой стали окончательное количественное выражение склонности к искажению формы и размеров вырубленных деталей обуславливается последующим процессом их термической обработки, вследствии чего данный показатель для указанных сталей в состоянии поставки имеет относительно меньшее значение по сравнению с первыми двумя.
Применяемое, термическое оборудование и режимы отжига листов магнитопроводов вырубленных из изотропной электротехнической стали
На основании проведенных исследований разработаны типовая технология и конструкция проходной рольганговой электропечи ICP3-I4.I40.7/9X-300A для выполнения в автоматическом цикле обжига масла,рекристаллизационного отжига и термовоздушного оксидирования штампованных деталей из нелегированной электротехнической стали марок 20II-20I3.
Камера обжига печи предназначена для удаления масла с поверхности листов магнитопроводов и представляет собой одну тепловую зону.Спиральные нагреватели находятся на боковых стенках камеры,принудительная конвекция воздуха осуществляется вентилятором.
В камере рекристализационного отжига с помощью газоприготовительных установок ЭК-125-0МЗ создается защитная атмосфера.Здесь листы магнитопроводов нагреваются до 900С,после чего подвергаются выдержке и последующему регулируемому охлаждению до 650-550С.Нагрев и выдержка производятся в шести тепловых зонах длиной 2 м каждая.Для нагрева и поддержания температуры применяются нагреватели,расположенные на своде,в поду и на боковых стенках.Охлаждение в камере производиться в четырех тепловых зонах длиной 4 м каждая.Отбор тепла происходит в результате тепловых потерь через кладку,а также продувки воздуха через трубы в сводной части камеры.На съёмных секциях свода находятся вентиляторы.
Для сохранения состава защитной атмосферы предназначены форкамеры и пламенные завесы,зажигаемые при загрузке и разгрузке камеры рекристаллизационного отжига.
В камере термовоздушного оксидирования в течение двух часов осуществляется охлаждение изделий в воздушной среде до 400С.Камера имязт две тепловые зоны.Охлаждение происходит вследствие тепловых потерь через кладку.Температура в камере поддерживается зигзагообразными нагревателями,установленными в поду и на боковых стенках.На съёмных секциях свода расположены вентиляторы.
Экономическая эффективность применения изотропной электротехнической стали
Одним из основных условий для решения стоящих перед Советским народом в настоящее время социальных и экономических задач - повышение эффективности общественного производства на основе усиления интенсивных факторов развития экономики, является наиболее полное и ускоренное использование достижения научно-технического прогресса и прежде всего освоение выпуска и внедрение в производство новой техники на базе новых прогрессивных и экономических материалов.
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических ресурсов и других материальных ресурсов" от 4 мая 1981 г. предусмотрено "широкое внедрение научно-технических достижений,направленных на повышение эффективности использования конструкционных и других материалов,топливно-энеpreтических и сырьевых ресурсов,создание необходимых для этого орудий труда,систем машин,высокопроизводительных,малоотходных и безотходных технологических процессов . Исследования,результаты которых изложены в настоящей работе, внедрение в массовое производство электрических машин из изотропной электротехнической стали с меньшими удельными потерями и большой магнитной проницаемостью,а также совершенствование технологии штамповки листов магнитопроводов на базе высокопроизводительных прессов - автоматов с применением рулонной электротехнической стали полностью отвечает требованиям Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР о экономии всех видов ресурсов.
Величина экономического эффекта от применения новых марок электротехнических сталей определяется рядом факторов. В том числе к ним следует отнести снижение расходов электротехнических сталей на единицу мощности электродвигателей за счет улучшения электромагнитных характеристик стали,а также за счет уменьшения на 3-6$ отходов.
