автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование и оптимизация условий применения изотропной электротехнической стали в производстве асинхронных электродвигателей

Введение

Глава I. Исследование электромагнитных процессов в шихтованных магнит одр оводах асинхронных двигателей и выбор рациональной толщины электротехнической стали.

1.1. Постановка вопроса.

1.2. Теоретический анализ распределения электромагнитного поля по толщине листов шихтованных магнитопроводов с учётом электрических и магнитных характеристик электротехнической стали

1.3. Экспериментальное исследование влияния толщины листов магнитопроводов на энергетические показатели асинхронных электродвигателей мощностью до

100 квт.

1.4. Выводы. 68'

Глава 2. Разработка технических требований к механическим свойствам изотропной холоднокатаной электротехнической стали с точки зрения её штампуемо с ти.

2.1. Постановка вопроса.

2.2. Показатели штампуемости электротехнических сталей

2.3. Оценка фактических показателей штампуемости изотропной холоднокатаной электротехнической стаж при вырубке листов магнитоцровода электродвигателей в условиях производства.

2.4. Исследование влияния механических свойств электротехнической стали на показатели штампуемости.

2.5. Выводы

Глава 3. Исследование и выбор оптимального режима термической обработки листов магнитопрово-дов.

3.1. Постановка вопроса.

3.2. Применяемое, термическое оборудование и режимы отжига листов магнитопроводов вырубленных из изотропной электротехнической стали.

3.3. Исследование влияния режимов термической обработки на электромагнитные свойства изотропной электротехнической стали

3.4. Выводы.

3.5. Выбор термического оборудования и оптимального режима отжига листов магнитопроводов электродвигателей мощностью до 100 квт вырубленных из нелегированной холоднокатаной электротехнической стали.

Глава 4. Экономическая эффективность применения изотропной электротехнической стали

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 ХХУ1 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 асишфонных двигателей,причём большая часть этой величины приходится на долю штамповочных работ (12*14%).

В этих условиях вопросы оптимизации изготовления маг-нитоцроводов указанных двигателей во всех упомянутых аспектах приобретают важное народнохозяйственное значение.

При рассмотрении вопросов изготовления магнитопроводов одним из определяющих факторов является тип 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 I2II-I2I3.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 цро-цесса 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 штамповки и дает другие технологические преимущества [l.2j .

Высокая электромагнитная нагрузка предопределила выбор нелегированной холоднокатаной стаж 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 с тали, 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 [4-15] .

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 изготовления 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 цри 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.Таким 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,I7] .

Между тем,в настоящее время существует достаточная теоретическая основа для проведения соответствующего анализа. Вопросы распределения магнитного поля по сечению тонких листов ферромагнитных материалов впервые были рассмотрены «Бд.Дж. Томсоном на основе классических уравнений Максвелла.Подробный анализ данных вопросов в общетеоретическом плане рассмотрен в целом ряде работ [l6-I9j .

Применительно к поставленным нами целями наибольший интерес представляет работа Туровского И. [ 2&] ,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 гистерезнойную 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 напии четкого научного и практического применения. Решению этих задач и посвящены опубликованные автором работы [4O-44] ,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:

1.Выбор рациональной толщины электротехнической стали марок 2011*2013 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 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 цри разработке,освоении в серийном производстве асинхронных электродвигателей серии 4А.

I.Увеличение толщины листов магнитопроводов электродви гателей мощностью до 100 КВТ и в пределах от 0,5 до 0,65 для нелегированной холодиокатанной стали и в пределах от

0,5 до 1,8 мм для легированной горячекатанной стали практи чески не изменяют основные энергетические показатели и ха рактеристики данных электродвигателей за счет увеличения ис пользования сечения магнитопроводов.2.При проектировании новых асинхронных электродвигате лей мощностью до 100 КВТ и бытового назначения выбор той или иной толщины листов должен производиться в диапазоне толщин

0,5-1 мм для конкретных отрезков серий электродвигателей с учетом необходимости обеспечения минимума суммарных затрат на электродвигатель в сфере его производства и эксплуатации при достаточно высоком заданном уровне его рабочих характерис тик.3.Показатели штампуемости электротехнической стали при вырубке листов магаитопроводов электродвигателей определяются её прочностными и пластическими характеристиками.4.Сталь марки 2013 с повышенным пределом прочности ((pg>50 кг/мм2) в сочетании с пониженной пластичностью ( ^j(^%) непригодны для вырубки листов магнитопроводов элек тродвигателей мощностью до 100 КВТ на современном прессовом оборудовании и штампах,особенно последовательного действия.5.В целях обеспечения хорошей штампуемости листов магни топроводов из стали марки 2013,необходимо соблюдение следую щих технических требований к основным прочностным и п|1астичес КИМ характеристикам данной стали: по пределу прочности - 30*50 кг/мм2 по величине относительного удлинения S^Q - 7-35^

•по твердости (по Виккерсу или :^инеЛю) - 100*160 кг/мм по анизотропии прочностных и пластических свойств стали • не более -^5^,что нашли отражение ГОСТ 21427.0-75, ГОСТ 21427.3-75.6.При термической обработке листов магнитопроводов асинхронных электродвигателей мощностью до 100 квт,вырубленных

7,Отжиг листов магнитопроводов в контейнерах в олабо окислительной среде при температуре порядка 750*^ 0 обеспечива ет получение таких же энергетических характеристик,как и в защитной среде экзогаза в печах типа СРЗ и СНЗ и может быть рекомендован,в первую овередь,для применения при производстве двигателей малой мощности.8.Выбор термического оборудования для отжига вырубленных листов магнитопроводов асинхронных двигателей мощностью до 100 квт должен производиться с учетом режима отжига,програм мы выпуска электродвигателей и производительности термического оборудования.9.В результате внедрения разработанных технологических процессов экономический эффект в народном хозяйстве составляет

7,8 млн,руб.

1. Шур Я.С.,Зайлова В.А. О зависимости коэрцитивной силы мягких магнитных материалов от толщины листа."Физика металлов и мвталловедение",Т.4.ВыпЛ,1955.

2. Бурдакова Ю.П.,Дружинин В.В. О зависимости коэрцитивной силы от толщины листов железокремнистого сплаваДурнал технической $изики,Т.ХХУ. Вып.1,1955.

3. Кацер Я. К вопросу теории коэрцитивной силы тонких листов "Чехославацкий физический журнал",№4,1956.

4. Рейнбот Г. технология и применение магнитных материалов (нем^) Госэнергоиздат,1963.Москва-Ленинград.73 с; I0O-IOI с; 339 с .

5. Голубков Н.Е.,Черток Б.Н.,Пашинская Н.Й.,Мечера В.М,, Влияние толщины активной стали на характеристики однофазных асинхронных машин.Электротехника,N29,1972. i t • • • I

6. Рихтер Р."Электрические машины"!ом I.Расчётные элементы общего значения.Машины постоянного тока,ОНТЙ НКТП СССР,1935. Ленинград-Москва. I59-I6I; 598 с.

7. Нейман Я.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах Гоэнергоиздат,1949,Москва-Ленинград.

8. Арамович А.О.,Ахтырский В,й.,Бронин В.,Ревешко В.А. Сидоренко Н,Я.,Федосиенко С.Штампуемость электротехнической стали."Технология электротехнического производства? Вып.7(40) 1972,Информэлектро,Москва. 19-21 с.

9. Дубров Н.Ф,,Лаккин Н.И« Электротехнические стали.ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии,1936,Москва.

10. Исаева Р.А.Кондрашова Л.Я.,Нигибеков СО. Исследование характеристик электродвигателей АОЛ из холодяокатанной электротехнической стали 30100,30300."Технология электротех^ нического производства",Вып.4(47),1973,Информэлектро,Москва. IO-II о.

11. Талышинский Р.И.,Юсуф-задв Ф.О.,Нагибеков СО. Исследование эффективности применения утолщённой нелегированной стали для магнитопроводов машин малой мощности."За технический прогресс",№2,1975,Баку. 27-33 с.

12. Кефир И.И. Испытания ферромагнитных материалов."Энер- гия",19б9,Москва. 205-213;ЗбО с.

13. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин Госэнергоиздат,1959,Москва-Ленинград.85-90;504 с.

14. Г0СТ 21427.0-75 Сталь электротехническая тонколистовая, 1976. 59,Г0СТ 21427.2-75 Сталь электротехническая изотропная тонколистовая.

15. ГОСТ 21427.3-75 Сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая.