Новая технология Unicore для изготовления магнитопроводов

Сегодня экономическая эффективность производства достигается, как правило, благодаря снижению себестоимости изделия за счет применения более дешевых материалов, и это характерно для всех отраслей промышленности. К сожалению, вследствие разных причин специалисты российских предприятий не имеют информации о новых технологиях. А ведь именно их внедрение позволяет значительно сокращать издержки и получать новые, уникальные преимущества.

Предлагаемая технология изготовления магнитопроводов Unicore предполагает повышение качества продукции за счет применения новых методов, осуществляющих комплексный подход к решению задачи. Технология Unicore наиболее полно соответствует повышенным требованиям, предъявляемым к изделию, позволяет сэкономить на сборке и полностью исключить ряд трудоемких операций.

Технология Unicore, реализованная австралийской компанией AEM Cores, впервые была представлена в России на выставке «ЭнелЭкспо-2005» компанией «Коннекторс энд Инжиниринг». Во время выставки практически все трансформаторостроители проявили интерес к данной технологии и заказали опытные образцы для проведения независимых испытаний в лабораториях российских предприятий.

Суть данной новации в том, что при изготовлении воздействие на ленту магнитопровода производится локально, в нескольких узлах по длине ленты магнитопровода. Использование компьютерного управления позволяет с высокой точностью рассчитать, изготовить и комплектовать все элементы будущего магнитопровода на одном рабочем месте, одним оператором. «Изюминка» технологии в следующем: стыковка половин магнитопровода при сборке выполняется не в одной плоскости (как в традиционной технологии), что вызывает значительные потери и усложнение конструкции, а по косой, то есть стык между «половинами» равномерно распределен по стержням магнитопровода. Такая ступенчатая конструкция соединения обеспечивает распределение зазоров в магнитопроводе по длине стержня, что, в свою очередь, ведет к резкому снижению потерь в магнитопроводе и улучшает его характеристики.

Магнитный поток не «упирается» в препятствие в виде воздушного зазора, а огибает его, используя соседние несущие ленты (дорожки). Такая конструкция магнитопровода, где толщина зазора равна толщине ленты, имеет минимальные потери и наилучшие характеристики по физическим и метрологическим показателям (рис. 1).

Сборка «половинок» магнитопровода производится косыми пакетами, последовательно, начиная с меньшего (внутреннего) к большему (внешнему). Схематично это показано на рис. 2.

Преимущества

Применение технологии Unicore предоставляет важные преимущества, например, для разрезного магнитопровода, который не отличается высокими характеристиками, зато при производстве требует ряда операций. Сравним число операций при изготовлении «классического» разрезного магнитопровода (табл. 1) по технологии Unicore и по традиционной технологии.

Из таблицы 1 ясно, что эффект от внедрения Unicore-технологии виден хотя бы за счет сокращения числа операций и исключения отжига (впрочем, не во всех случаях).

Самые популярные типы Unicore-магнитопроводов — это DUO и DDG, поскольку они предназначены для широкого спектра типов и могут быть видоизменены в зависимости от требований. Unicore-тип, состоящий из двух половинок («мама»/«папа»), носит название DUO, а его подтип — DUO1 (где 1 — количество полос в перекрытии). Такой подтип применяют в магнитопроводах для распределительных, измерительных и прочих трансформаторов, где предъявляются высокие требования к потерям (рис. 3).

Один из типов Unicore-конструкции магнитопровода может иметь резы только по одному стержню — DDG(рис. 4, 5, 6). Он предназначен для конструкций, имеющих обмотки только на одном стержне.

Выводы

Unicore-магнитопроводы имеют высокие магнитопроводящие характеристики и позволяют найти необходимый компромисс между потерями в магните и временем его сборки. Сама технология предоставляет возможность заранее рассчитать время изготовления будущего изделия (в мин, с), расход стали на одно изделие (в кг) и производительность (в кг/ч) на основе стандартных расчетов программы, созданной специально для этого компанией AEM Cores. Таким образом, технология позволяет еще на этапе проектирования оптимизировать будущую продукцию по техническим характеристикам и производственным затратам.

Для сокращения времени сборки можно использовать перекрытие не в одну (DUO1) толщину ленты, а в две, три и более (соответственно DUO1, DUO2, DUO3 и т. д.). При этом для подтипа DUO2 время сборки по сравнению с DUO1 сокращается на 20%, а для DUO3 — на 40%. Для большинства типов трансформаторов оптимальным считается DUO3, где потери и время сборки оптимально сбалансированы. Исключение составляют распределительные трансформаторы, требующие применения только подтипа DUO1.

Варианты применения

Unicore-технология подразумевает использование различных способов сочленений пакетов между собой, позволяет задавать распределение зазоров по длине стержня. Сегодня разработано более семи различных типов, например Step-But, Gapped, и другие подобные (рис. 7).

Возможности Unicore-машины очень широки. В рамках одной статьи сложно охватить всю гамму производимых типов изделий и описать все возможности машины. Например, Unicore-машина регулирует расположение зазоров по длине стержня, оптимизирует их распределение.

Описание машины

Чрезвычайно важно, что разработчиками AEM Cores создан универсальный вариант машины (рис. 8, 9), применимой для всех описанных в данной статье типов магнитопроводов. При этом дополнительная оснастка не требуется (!), процессы переналадки просты и удобны, прозрачны, что, бесспорно, является существенным преимуществом. Это позволяет изготавливать любой вид магнитопровода без трудоемкой переналадки и дополнительных затрат для оснастку. Для перехода с одного типа магнитопровода на другой требуется только установить на размотчик ленту заданной ширины и включить соответствующую программу.

Заготовка деталей

На размотчике устанавливается лента, заправляется в формообразующий блок, выбирается рабочая программа. Машина формирует и выдает на рабочий стол оператора элементы поочередно — от внутреннего, малого элемента, до наружного, наибольшего. Оператор принимает выходящие из машины элементы и на рабочем столе формирует изделие, готовое к сборке (шихтовке) в катушки (рис. 10, 11). В таком собранном виде партия изделий поступает на сборочный участок или на промежуточный склад (рис. 12).

Складирование

Как видно на рис. 12, конструкции легко хранятся, транспортируются, технология позволяет минимизировать складские затраты, исключить повреждения готовых магнитопроводов. Высокая технологичность самого процесса имеет скрытые новые возможности.

Сборка

На рис. 13–18 показано, что сборка осуществляется попакетно, в предварительно намотанные катушки. То есть пакеты, начиная с внутреннего, надвигаются друг на друга поочередно с левой и с правой стороны. Естественно, что и традиционные средства снижений вибраций приемлемы и здесь: распорные клинья в зазоры между катушкой и магнитопроводом, а также в середине центрального стержня между внутренними магнитопроводами (в трехфазном варианте исполнения). Важно, что для каждого из них конструктор сможет найти собственное решение еще на этапе проектирования.

«Реквизит» сборщика состоит из вспомогательных сборочных пластин (той же ширины, что и лента на изделии, и длиной немногим более длины стержня) и двух платформ, между которыми устанавливаются предварительно намотанные катушки. Высота платформ выбирает высоту «буртика» катушек так, чтобы получилась единая рабочая плоскость. Рекомендуется применение столов с регулируемыми платформами, что позволяет на одном рабочем месте изготавливать широкий ассортимент продукции. По окончании сборки пакеты фиксируются контактной сваркой (последний лист).

Окончательная сборка

Окончательная сборка трансформатора выполняется по классическим технологиям. Единственное, что следует отметить, количество крепежного «железа», как правило, сокращается. Для части «легких» магнитопроводов достаточна фиксация внешних листов контактной сваркой.

Дополнительные возможности

Программно отключив операцию гиба, Unicore-машина будет осуществлять только мерный рез полосы по заданной длине, без гибов. Таким образом, в качестве «затыкания бреши», она будет использована в роли автомата, нарубающего пластины для Ш+I-образной шихтовки, когда предназначенное для этого оборудование не может быть использовано по каким-либо причинам (рис. 19).

Без применения промежуточных резов, а только с помощью протяжки и гиба полосы изготавливается «витой» магнитопровод. Профиль, естественно, не обладает скругленными радиусами, а оба ярма и стержни имеют вид прямой линии, и углы между ними 90°, 2×45° или 3×30°. Такой «неразрезной» тип магнитопровода предполагает последующую намотку эмаль-провода непосредственно на магнитопровод, как при тороидальной намотке. На фото видно, что «бесконечная» лента, выходящая из машины, сразу приобретает вид готового «изделия-рамки» на поворотном столе (рис. 20а,б).

Практика применения

Всего полгода назад впервые данная технология была представлена на выставке «ЭнелЭкспо-2005» в Сокольниках. Уже тогда ей заинтересовались практически все производители трансформаторов. Только оценочные цифры экономии на исключении отжига (как правило, данное производство непрерывно) из технологического цикла прогнозирует окупаемость оборудования для крупных предприятий в течение двух кварталов!

Специалисты «Коннекторс энд Инжиниринг» на этапе постановки задачи тщательно согласовывают все нюансы будущего производства, поэтому и по требованиям российских заказчиков были изготовлены опытные образцы магнитопроводов. Специалисты холдинга OAO ПК ХК «Электрозавод», Москва, и еще несколько заказчиков, для которых были изготовлены и поставлены три типа различных магнитопроводов (для трансформаторов ОСВМ-1,6; ТСЗИ-2,5; ТСЗМ-3,6) провели собственные испытания изготовленных по их документации образцов. Каждый из них прошел испытания в два этапа с отожженным и неотожженным остовом до и после зашихтовки в обмотки. Неотожженный тип показал, он не только соответствует ТУ, но и принесет ощутимую экономию либо на меди (обмотке), либо на стали.

Аналогичные результаты дали испытания измерительного трансформатора напряжения ЗНИОЛ, имеющего сердечник Unicore, на других российских предприятиях (табл. 2, 3).

Пример применения

Трехфазный пятистержневой трансформатор 1500 кВ·А, производимый на ABB Australia, имеет сдвоенные по высоте магнитопроводы (в две ширины ленты). На данный момент известно о производстве трансформаторов 8000 кВ·А, выпускаемых на Unicore-оборудовании (рис. 21).

Итоги

Unicore-технология может быть использована для производства огромного ряда различных трансформаторов: от самых малых (окно 80×40 мм) до неограниченных размеров. Самые мощные трансформаторы, регулярно производимые в ЮАР, США, Европе, имеют мощность 8000 кВ·А.

Плотность заполнения («набивки») удовлетворяет требованиям мировых стандартов и составляет не менее 98%. Unicore-технология обеспечивает прецизионный по качеству рез, не требующий дополнительной доработки. Другими словами, элементы, покидающие машину, полностью готовы к сборке.

Единственным недостатком технологии является необходимость отжига перед сборкой. Хотя и этот недостаток может легко превратиться в достоинство. Так, например, по сравнению с витыми (разрезными) магнитопроводами, в которых напряжения в стали возникают по всей длине ленты (то есть во всем магнитопроводе), в Unicore-изделии напряжения возникают лишь в точках гиба элементов. Поэтому и отжиг требуется только в тех случаях, когда потери критичны. Имеется зависимость размеров магнитопровода от необходимости отжига: чем больше остов, тем менее он требователен к этой энергоемкой процедуре.

Важно помнить, что применение технологии Unicore значительно сокращает время изготовления магнитопровода, складские издержки, упрощает процедуры проектирования и изготовления. Все эти параметры уменьшают себестоимость, не снижая качество готовой продукции, дают производству новые возможности.

Новые возможности

Unicore-технология подразумевает безотходное производство.

Unicore-технология позволяет получать на одном унифицированном рабочем месте (одной машине) магнитопроводы и изготавливать продукцию самых разнообразных форм и типов: 1-фазные, 3-фазные, броневые трансформаторы, дроссели и т. п.

Если используемая ширина полосы не превышает 140 мм, то загрузка машины осуществляется в два ручья, что сокращает время производства вдвое (рис. 22).

Перспективы применения

В настоящее время при производстве трансформаторов оптимизируются параметры магнитопровода и катушек, как технические, так и технологические параметры. Технология Unicore позволяет изготавливать магнитопроводы сложных сечений, например «ступенчатого типа» (рис. 23).

Высокие цены на медь заставляют разработчиков оптимизировать конструктивные параметры, сокращать расход меди. Один из способов — замена катушек традиционной прямоугольной формы на круглую, но при этом магнитопровод должен иметь сечение аппроксимированного круга. Unicore-технология позволяет на одной рабочей станции рассчитать и изготовить полный комплект элементов такого трансформатора. Косвенно для всего производственного цикла изготовления трансформатора получается экономия на меди, увеличение ресурса намоточного оборудования, снижение затрат по весу магнитопровода при сохранении высоких характеристик изделия. Процесс происходит так: заготавливают несколько пакетов из одной ширины ленты (порезав весь рулон), затем несколько из другой ширины (дугой рулон) и т. д. по всем требуемым ширинам.

Затем комплекты пакетов поступают на сборку в предварительно намотанные катушки. На сериях (рис. 24) видно, что сборка осуществляется на специальном столе. Этот стол состоит из регулируемой по высоте центральной части столешницы, в которой катушки частично утоплены. Края столешницы не меняют высоту, однако они подвижны — сходятся и расходятся относительно друг друга. Сначала выполняется сборка внутренних пакетов. Затем собирают более широкие пакеты, и так далее — до самых узких. При этом внутреннюю часть столешницы приподнимают или опускают, а края столешницы раздвигают или сдвигают друг относительно друга.

Скрытые возможности

Практика применения технологии Unicore показала, что некоторые ее владельцы не являются изготовителями трансформаторов, а только изготавливают магнитопроводы на заказ. Так, на рис. 25 вы видите экземпляр, подготовленный для пересылки подобным производителем.

Сборка такого магнитопровода осуществляется на ступенчатую оснастку для удобства бандажирования. Проблема внедрения опыта производства ступенчатых Unicore-магнитопроводов осложнена тем, что производства, где применяется Uncore-технология, опасаются конкуренции. Они крайне неохотно предоставляют информацию о возможностях «курицы, которая несет золотые яйца». По этой причине мы не владеем полной информацией о такой технологической цепочке.

Unicore-технология для ступенчатых магнитопроводов распределительных трансформаторов применяется, например, на заводе Areva для Alstom (Южная Африка), а также на некоторых других контрактных производствах, изготавливающих магнитопроводы на продажу.