Facultatea de Inginerie Electrică Laborator Metode si Procedee Tehnologice Prof. Dr. Ing. Vasile Petre
Student: Grupa: 112B an I
TEHNOLOGIA DE FABRICATIE A MIEZULUI MAGNETIC AL MAŞINILOR ELECTRICE
LUCRARE TEHNO 4
Cuprins:
Introducere
Noţiuni de bază
Maşini unelte utilizate la procesarea tolelor pentru miez magnetic
Comentarea unui standard - SR EN 10106:2001
Tehnologia de fabricaţie a miezului magnetic stator al unei maşini electrice
Activitatea de laborator
Concluzii
Bibliografie
Introducere
Miezul feromagnetic are o forma cilindrica cu peretii de o anumita grosime, gol in interior; se executa din tole de tabla silicioasa de 0,5 (0,35) mm grosime, stantata dupa o anumita configuratie. Tolele statorice se izoleaza intre ele (cu lacuri speciale sau prin oxidare ca in cazul transformatoarelor electrice) pentru a micsora pierderile prin curenti turbionari (Foucault). Pe partea dinspre rotor, in lungul generatoarelor cilindrului miezului, sunt prevazute crestaturi (ancore) in care se amplaseaza infasurarea statorica. La partea exterioara a cilindrului miezului statoric (deci dinspre carcasa) se executa 1-2 sau chiar mai multe (depinde de diametrul miezului) crestaturi de ghidare - de obicei in profil de coada de randunica - cu ajutorul carora se realizeaza si fixarea pachetului de tole statorice de carcasa masinii. Tolele se impacheteaza in pachete de 57 cm grosime si intre pachete se prevad canale de circa 1 cm, care apar sub forma unor canale radiale de racire; la masinile la care miezul feromagnetic are o lungime 20 cm nu se mai prevad canale de racire. Strangerea intregului miez feromagnetic se face cu unele tole speciale denumite tole marginale de 13 mm grosime si cu ajutorul unor placi frontale din otel masiv. Miezul se preseaza cu o presiune de circa 50100 N/cm2 pentru evitarea vibratiilor in timpul functionarii, care produc un zgomot neplacut dar in acelasi timp pot duce la distrugerea izolatiei dintre tole si pot provoca deteriorarea izolatiei infasurarii. Cand diametrul masinii este mai mare, atunci tolele statorice nu se executa 'dintr-o bucata', ci din segmente de tola a caror imbinre prin diverse starturi de tole se realizeaza 'petrecut' (ca si in cazul transformatoarelor) in vederea micsorarii intrefierului de imbinare. Miezul feromagnetic al rotorului este corespondentul mobil al miezului statoric si el face parte din conturul magnetic principal al masinii. El se executa din tole de tabla electrotehnica de 0,5 mm grosime, dar tolele nu se izoleaza intre ele. In general miezul rotoric apare sub forma unui corp cilindric cu un diametru ceva mai mic decat golul cilindric al statorului masinii, astfel incat intre ele se formeaza un spatiu mic de aer - intrefierul. La periferia cilindrului rotoric, in lungul generatoarelor acestuia, se executa crestaturi (ancose) rotorice in care se monteaza infasurarea rotorica. Ca si la stator, cand diametrul masinii este mare, tolele rotorice nu se executa 'dintr-o bucata', ci din segmente de tole care se fixeaza de butucul rotorului printr-un sistem de crestaturi de ghidare (similare cu cele statorice); butucul rotoric se fixeaza de arborele masinii prin pana. In cazul masinilor asincrone de diametre mici, desigur ca tolele rotorice se executa 'dintr-o bucata' si se fixeaza direct de arborele masinii (deci fara intermediul butucului rotoric) prin pana.
Noţiuni de bază
MATERIALE MAGNETICE MOI Miezul magnetic = componenta principala a unei masini electrice Prin miezul magnetic se inchid majoritatea liniilor de camp magnetic ale sistemelor electrice. Liniile de camp de dispersie se deschid partial prin miezul magnetic. Materialele magnetice moi sunt caracterizate prin ciclul histerezis îngust; ele au permeabilitate magnetică mare, câmp coercitiv mic, se magnetizează puternic în câmpuri magnetice de intensitate mică şi işi pierd magnetismul la incetarea acţiunii câmpului exterior.
Ciclul de histerezis al unui material magnetic moale. Dacă materialul magnetic moale este supus unui câmp magnetic exterior H care variază de la –H la +H inducţia magnetică variază după ciclul de histerezis din figura 4.5. Materialul iniţial nemagnetizat parcurge curba de magnetizare iniţială de la 0 la Hmax, Bmax după care scăzând câmpul H până la 0 inducţia scade până la valoarea Br (inducţie remanentă). Scăzând în continuare câmpul inducţia dispare la valoarea –Hc (câmp magnetic coercitiv) după care parcurge în continuare ciclul de histerezis până la valoarea Hmax, Bmax. Ciclul de histerezis este o curbă neunivocă şi neliniară a cărui arie este proporţională cu pierderile de putere activă (teorema lui Warburg). Locul geometric al vârfurilor ciclurilor de histerezis se numeşte curbă de magnetizare şi se aproximează în practică cu curba de primă magnetizare. Materialele magnetice moi sunt folosite atât în domeniul curenţilor slabi, în curent continuu şi în curentalternativ, de frecvenţe industriale, până la frecvenţe inalte şi foarte înalte. Acestor materiale li se cere,după scop, inducţie de saturaţie mare, permeabilitate iniţială sau maximă mare, permeabilitate constantă sau variabilă cu temperatura, ciclul histerezis normal sau dreptunghiular şi în orice caz pierderi minime. În câmpuri alternative, materialele magnetice moi trebuie să asigure pierderi minime de energie. Aceste pierderi se compun din: o pierderi prin histerezis o pierderi prin curenti turbionari, o pierderi reziduale.
Pierderile prin histerezis se datorează deformărilor reţelei cristaline cauzate de incluziunile nemagnetice (corpuri străine). Pierderile prin curenţi turbionari pot fi deduse din legea inducţiei. Reducerea lor se obţine prin micşorarea grosimii materialului sau prin mărirea rezistivităţii lui prin aliere cu elemente corespunzătoare scopului. Pierderile reziduale apar la variaţia temporară a inducţiei şi sunt proporţionale cu frecvenţa şi intensitatea curentului. Aceste pierderi se datorează, ca şi pierderile histerezis, deformarilor reţelei cristaline prin incluziuni nemagnetice; migrările atomilor de carbon în soluţie şi prezenţa azotului sunt factori importanti pentru apariţia pierderilor reziduale. Cu descreşterea impurităţilor scad pierderile reziduale şi la un material pur ele sunt practic inexistente. În corpurile feromagnetice se dezvoltă căldură dacă în ele variază, în timp, câmpurile magnetice exterioare. Se produc deci pierderi de putere activă. Acestea sunt de 2 feluri: Pierderile prin histerezis magnetic – sunt proporţionale cu frecvenţa şi cu aria ciclului de histerezis. Ele pot fi calculate cu expresia lui Steinmetz.
p n f Bnmax
(4.16) pn – căldura dezvoltată (pierderile) în unitatea de timp şi în unitatea de volum a materialului f – frecvenţa η – o constantă de material numită constanta lui Steinmetz Bmax – inducţia magnetică maximă n – exponentul lui Steinmetz (1,6 < n > 2) Materialele magnetic dure (arie mare a ciclului de histerezis) prezintă pierderi mari prin histerezis. Materialele magnetic moi (arie mică şi valori mici ale lui Hc) au pierderi cu atât mai mici cu cât ciclul de histerezis este mai îngust. Pierderile prin curenţi turbionari – se datoresc efectului Joule-Lenz care însoţeşte inducerea de curenţi electrici în corpurile feromagnetice de către fluxurile magnetice variabile în timp. Într-o tolă cu arie mare, de grosime Δ şi de rezistivitate electrică ρ, se dezvoltă, în unitatea de timp şi de volum, căldura:
pf
k 2 2 2 f B max
Pierderile totale în fier au deci expresia:
p Fe p n p f f B nmax
k 2 2 2 f B max a f b f 2
a, b – se pot determina experimental În practică, pierderile în fier se raportează la unitatea de masă a materialului, exprimându-se în W/kg. Materialele magnetice moi se clasifică în mod raţional după compoziţie, luîndu-se ca bază elementul principal de aliere, care impune caracteristicile specifice ale materialului, de exemplu tablă silicioasă slab sau bogat aliată. Materialele magnetice moi sunt clasificate astfel: diferite sorturi de fier, fonta şi otelul,
aliaje fier-siliciu, aliaje fier-siliciu texturate, aliaje fier-siliciu sinterizate, aliaje fier-siliciualuminiu (Alsifer), aliaje fier-aluminiu(Alfenol), aliaje nichel-fier (Permalloy), aliaje cu permeabilitate mare, aliaje cu permeabilitate constantă, aliaje cu ciclu histerezis dreptunghiular, aliaje cu inducţie de saturaţie mare, aliaje termocompensatoare, aliaje magnetostrictive, pelicule metalice magnetice, materiale nemagnetice.
Carbonul este elementul cel mai dăunător pentru materialele magnetice moi. El se dizolvă în fierul topit şi rămâne fie sub forma de soluţie solidă, fie sub formă de pulbere grafitică; el măreşte câmpul coercitiv, micşorează permeabilitatea şi produce îmbătrânirea materialului. Oxigenul se dizolvă în fier şi îi influentează în măsură mai mică proprietăţile magnetice decât carbonul: el influenţează plasticitatea materialului. Hidrogenul influenţează proprietăţile magnetice în măsură mai mică decât oxigenul; el se elimina la temperaturi de peste 650 °C. Hidrogenul poate servi, în anumite împrejurări, ca dezoxidant, devenind astfel un element util. Azotul are o influentă asemănătoare carbonului, însă în măsură mai mică; el favorizează îmbătrânirea magnetică. Sulful măreşte câmpul coercitiv şi pierderile prin histerezis. Fosforul măreşte pierderile prin histerezis şi influenţează mai puţin câmpul coercitiv. Manganul favorizează formarea cementitei în fier; influenţa lui ca element dăunător este mai slabă decât a fosforului şi sulfului. Siliciul ca soluţie solidă, în fierul pur, produce scăderea inducţiei de saturaţie.
Adaosuri favorabile. Nichelul influenţează favorabil permeabilitatea magnetică şi reduce câmpul coercitiv. Cobaltul este singurul element care măreşte inducţia de saturaţie. Siliciul măreşte rezistivitatea materialului, deci micşorează pierderile prin curenţi turbionari, favorizează mărirea granulelor mărind astfel permeabilitatea; micşorează precipitarea carbonului în grafit şi contribuie astfel la reducerea câmpului coercitiv şi a pierderilor prin histerezis. Aluminiul micşorează energia cristalină în fier;un daos de 0,1-0,2% în fier previne îmbatrânirea; în procente mai mari până la 16% (Alfenol) imprima caracteristici magnetice foarte bune, în special permeabilitate maximă şi câmp coercitiv comparabil cu cele ale permalloyului.Materialul este ductil şi poate fi laminat la dimensiuni foarte reduse, de ordinul micronilor. Cromul, molibdenul şi cuprul sunt elemente faorabile de aliere în anumite aliaje fiernichel, imprimând materialului caracteristici speciale. Prelucrările mecanice ca: tăierea, ştanţarea, presarea, îndoirea, găurirea etc., în general solicitările mecanice, înrăutaţesc calităţile magnetice; cu cât solicitarile mecanice sunt mai pronunţate, cu atât mai mult se înrăutăţesc calitatile magnetice. Materialele cu permeabilitate foarte mare şi câmp coercitiv foarte mic devin, la eforturi mecanice pronunţate, uneori complet
inutilizabile. Materialele care au suportat eforturi mecanice trebuie tratate termic la un regim corespunzător aliajului. Anumite prelucrări mecanice degroşări pronunţate, deformări plastice avansate) imprimă materialelor magnetice caracteristici speciale prin texturare; materialele astfel prelucrate devin anizotrope în direcţia efortului.
Tratamentele termice constituie un factor hotărâtor pentru obţinerea unor caracteristici magnetice şi mecanice, atăt după elaborarea materialului cât şi după prelucrări mecanice. Prin tratamente termice se pot restabili total sau parţial caracteristicile magnetice care au fost micşorate prin eforturile mecanice suportate de piese. Scopul tratamentelor termice, aplicate la materialele magnetice moi, este în primul rând de a reduce tensiunile interne care iau nastere la eforturile mecanice; prin tratamente termice se obţine şi mărirea granulelor. Prin reducerea tensiunilor interne şi mărirea granulelor scade câmpul coercitiv. Este important ca tratamentele termice să fie corect conduse, cu respectarea strictă a temperaturilor de tratare, după specificul materialului de tratat. Feritele sunt cristale mixte sau amestecuri ale oxizilor de fier (Fe2O3), cu unul sau mai multi oxizi metalici (NiO; MnO; ZnO; MgO; CuO; BeO; CdO; BaO; CoO etc.). Feritele au rezistivitatea foarte mare (102...107 ohmi), ceea ce face ca pierderile datorate curentilor turbionari sa fie reduse chiar la frecvente inalte. In radiofrecventa, cele mai utilizate sunt feritele pe baza de Ni-Zn, Zn-Mn, Cu-Zn sau Li-Zn. Feritele cu Zn-Mn se folosesc la frecvente reduse pana la 100KHz). In US se folosesc feritele Cu-Zn si Li-Zn avand permeabilitati de ordinul 100...250. In UUS se folosesc feritele pe baza de Ni-Pb, cu permeabilitati de ordinul zecilor. Proprietatile materialelor magnetice sunt caracterizate de: permeabilitatea magnetica efectiva (care arata de cate ori creste inductanta unei bobine cu miez fata de una fara miez), gama frecventelor de lucru, pierderile si stabilitatea in raport cu temperatura. Acestia sunt parametri de care trebuie tinut cont atunci cand se realizeaza anumite bobine. Permeabilitatea efectiva depinde de dimensiunile si de natura materialului din care este confectionat miezul. Valoarea permeabilitatii se gaseste in cataloage sau se poate aprecia masurand o bobina cu un numar de spire cunoscut.
Material Ferimagnetice (ferite):
Ferite folosite pt. miezurile masinilor electrice: spinel mixte o Proprietăţi: rezistivitate ridicată -> pierderi prin curenţi turbionari reduse
factori de calitate ce permit funcţionarea la frecvenţe ridicate - 103-106 Hz inducţie de saturaţie, inducţie remanentă mai mici decât la materialele feromagnetice. Temperatura Curie mai scăzută μ puternic dependent de H
Masini unelte utilizate la procesarea tolelor pentru miez magnetic Prelucrari prin taiere si deformare plasitica la rece Aceste prelucrari au pondere insemnata, deoarece in industria electrotehnica mai mult de 50% din totalul pieselor care intra in componenta echipamentelor electrice se fabrica din materiale sub forma de table, benzi sau profile speciale. Aceste piese se obtin cu detasarea unor parti din materialul ce se prelucreaza prin taiere (stantare) sau prin deformare plastica (indoire, ambutisare) efectuate de matite. Deformarea plastica este procedeul prin care se schimba forma si dimensiunea initiala a materialului de prelucrat sub actiunea fortelor exterioare. Matritarea este procesul tehnologic de deformare realizata la cald prin care matrerialul se deformeaza in intreg volulmul. Procesele tehnice de stantare si matritare au urmatoarele avantaje: a. b. c. d. e. f. g. h.
simplitatea in procesul de lucru; durata redusa de prelucrare; precizie mare a dimensiunilor obtinute; calitate superioara a suprafetelor; productivitate mare; pierderi de material minime; sculele au durata mare de functionare procesele de productie pot fi mecanizate, automatizate sau chiar robotizate.
Dezavantaje: a. sculele folosite sunt destul de complicate; b. sculele necesita o durata mare de executie; c. sunt rentabile doar la productia de masa;
d. fabricate din oteluri scumpe; e. cost ridicat. Taierea este operatia prin care materialul este separate in mai multe parti diferite, dupa un contur inchis sau deschis prin intermediul a doua conjugate. Taierea se poate face prin doua procedee: 1. Stantarea Este operatie de prelucrare mecanica prin care semifabricatul este taiat in doua sau mai multe parti distincte cu ajutorul unei scule numite stanta. Stanta este alcatuita din doua parti: i. Placa taietoare ii. poanson.
Fig. 4. Stantare
Stanta este alcatuita din doua subansamble din care unul fix numit placa taietoare si care se pozitioneaza pe masa piesei si o parte mobile numita poanson si care este prins in bebecul mesei sau in culisa. Forta taietoare este furnizata de masina unealta numita presa: F=t*g*P* τ unde P – perimetru Principalele operatii de stantare intalnite in ind electrotehnica sunt retezarea,decuparea, perforarea,crestarea,slituirea,tunderea. Procesul ethnic de stantare este influentar de anumiti factori tehnologici(dimensiunile si forma conturului de stantare,duritatea mat,jocul dintre poanson si placa taietoare,calitatea muchiilor taietoare,starea sub materialelor).intre acesti factori jocul dintre poanson si placa taietoare are o influenta deosebita asupra calitatii pieselor si a duratei de viata a stantelor. In general real jocului dintre poanson si placa taietoare este intre 4-18%,doar la tabla silicioasa sau tabla elth care are pana la 5% si jocul este intre 6-7%.Daca jocul este prea mic pot aparea fisuri,suprafata de forfecare
nu este neteda iar impingerea mat in matrita necesita eforturi mari.In plus stanta se real relative repede. Daca jocul este prea mare piesa se deformeaza. Procesul de stantare este analog cu procesul de taiere prin forfecare , deoarece muchiile taietoare ale poansonului compotandu-se ca si muchiile de cutit. Principalele operatii de stantare folosite in electrotehnica sunt: a. b. c. d. e.
Retezarea; Decuparea; Perforarea; Crestarea; Slituirea;
2) Forfecarea Este operatia de taiere prin care suprafata se realizeaza cu ajutorul a doua taisuri associate. Utilajul tehnologic folosit pentru aceste operatii este foarecele cu lame plane sau inclinate, ghilotina.
Fig. 1. Cutitul mobil al foarfecei cu lame inclinate Fig. 2. Forfercare cu lame inclinate
Forfercare cu discuri
Prelucrarea prin deformarea plastica Este insotita de o serie de fenomene care afecteaza materialul supus prelucrarii modificandu-I in mod substantial comportarea in timpul silicitarilor sau a prelucrarilor ulterioare. In timpul prelucrarii prin def plastica la rece se constata o modif a propr mecanice ale mat in sensul cresterii rezistentei la rupere.Cresterea duritatii, scaderea propr ce oglindesc platicitatea,alungirea,gatuirea,apar modif in structura,se modif propr fizice(conductibilitatea el si term)se modif propr magnetice,propr chimice(rez la coroziune). Ansamblul acestor modif ce afecteaza mat deformat poarta denimirea de ecruisare. O importanta deosebita o are fen de ecruisare asupra plasticitatii mat prin faptul ca la un anumit grad de def plastica, plasticitatea acestuia scade in asa masura incat este foarte greu sa mai poata fi prelucrat in continuare deoarece apar fisuri iar fortele de actionare sunt foarte tari. Pt o revenire a propr mat trebuie sa procedeze la un tratament de revenire. Forta taietoare este proportionala cu perimetrul P, aceasta fort ape care trebuie sa o dezvolte presa nu este suficienta pt desfasurarea proc de stantare; mai este necesara forta exercitata de inelul de fixare si forta exercitata de aruncatorul piesei si astfel Ft=1,15F Tipuri de stante in functie de operatiile pe care le executa stantele stantele pot fi: stante cu act simpla; cu actiune combinata;cu actiune succesiva. Stantele cu actiune simpla: decupeaza printr-o singura lovitura o figura pe un contur inchis cum este axul de la tola rotor sau o crestatura(stanta pas cu pas) Stantele cu actiune succesiva pot executa, in acelasi timp, mai multe operatii de stantare prin deformare succesiva a semifabricatului de la o operatie la alta in sensul avansului. Stamtele ce actiune sccesiva au, de regula, poansoanele situate la o distanta de inaltime
(o diferenta de lungime unul fata de altu) de cel putin egala cu grosimea materialului, ceea ce necesita o forta mai mica, respective o forta corespunzatoare suprafetaei mai mari. Stanta cu actiune succesiva: Procesul de stantare succesiv: a.
a. piesa obtinuta; b. vedere asamblu asupra stantei.
Debitarea mat prin stantare se face pe baza unui plan care urmareste utilizarea cat mai rationala a mat.Intre piese se lasa o punte si o margine in scopul compensarii erorilor de avans si de a putea fixa mat in matrita eleminand rebuturile prin decuparea incomplete a pieselor Stantare cu actiune combinata: pot executa la o cursa a piesei mai multe operatii:decupare,ambutisare,indoire. Aceste stante au o buna productivitate si sunt utilizate cu precadere in aparate de serie mare.
Concluzii Chiar dacă fenomenele magnetice se cunosc şi au fost studiate încă din antichitate, odată cu descoperirea electricităţii materialele magnetice au fost mai intens studiate datorită potenţialului lor de a fi utilizate în diverse aplicaţii ce ţin de electricitate. Aceste materiale se regăsesc în aproape toate aplicaţiile din jurul nostru pornind de la motoarele electrice, transformatoare şi pânăla mediile de stocare magnetică. Materialele magnetice au fost împărţite în funcţie de caracteristicile lor în materiale magnetice moi şi dure. Materialele magnetice moi sunt caracterizate de inducţia remanentă mică, inducţia de saturaţie relativ mare, ciclul de histerezis îngust şi pierderi mici prin histerezis şi curenţi turbionari. Cele mai utilizate materiale magnetice moi (din punct de vedere cantitativ) sunt tablele electrotehnice care sunt realizate din aliaje ale fierului cu un anumit procent de siliciu din masa totală a aliajului.
Activitate laborator
În timpul laboratorului, ni-i s-a prezentat ghilotina cu care am taiat tabla. Am consultat si standardele: STAS 12305-85 ALIAJE MAGNETICE MOI SR EN 10107:2001 Table si benzi de otel cu graunti orientate SR EN 10106:2001 Table magnetice cu graunti neorientati. Laminare la rece si livrate in stare finita. Simbolizare : M 250-35A Exp: M = otel magnetic conform SR EN 10027 Tablele au grosimea de F=0.23; 0.27; 0.3; 0.35; 0.5; 0.65; 1.
Bibliografie
Petre Vasile: “Tehnologii Electromecanice”, indrumar de laborator, UPB, 2001 Valeria Suciu, Marcel Valeriu Suciu : “Studiul Materialelor “– Bucuresti: Fair Partners, 2007 Buletinul AGIR nr. 1/2007 ianuarie-martie Prof.univ.dr.ing.Constantin Dumitrescu “Tratat de stiinta si ingineria materialelor metalice” Editura: A.G.I.R. Baciu, C., Alexandru, I., Popovici, R., Baciu, M., “Ştiinţa materialelor metalice”, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,1996 SR EN ISO 1412:1997 -ASRO
