Structura cu flux axial și înfășurare distribuită

1.      Statorul

In figura de mai jos, a fost realizata structura statorica in cadrul programului Autocad, cu scopul de a face cunoscute caracteristicile geometrice. Miezul feromagnetic prezinta crestaturi cu pereti paraleli, fapt pentru care forma dintilor va fi trapezoidala .

Reprezentare schematică a statorului

          Infasurarea  dispusa in crestaturi este de tip distribuita cu un pas al infasurarii , insemnand ca pentru prima bobina, manunchiul de ducere va fi plasat in crestatura 1, iar manunchiul de intoarcere va fi plasat in crestatura 4.

Structura statorică a mașinii cu flux axial

Dispunerea infășurării in crestături

2.      Rotorul

In cadrul programului antementionat s-a realizat si structura rotorica, precizand unghiul la care s-au plasat magnetii, impreuna cu caracteristicile geometrice in care se incadreaza.

Intrucat nu am reusit sa fac rost de magneti a caror forma sa ne asigure o mai buna distributie a liniilor de camp si o acoperire crescuta a suprafetei rotorice(magneti de tip trapezoidali-sferici), m-am limitat la magneti de tip disc.

Reprezentare schematică a rotorului

          In imaginea urmatoare este prezentata forma finala a rotorului, in care putem observa amplasarea si modul in care alterneaza polaritatile suprafetelor magnetilor.

Din cate putem remarca, rotorul prezinta in mijlocul axului o flansa ce ne asigura o fixare ferma pe ax si stabilitate la arbore in momentul efectuarii testelor.

Structura rotorică finală cu magneți permanenți

         Rotoarele s-au realizat din OL52 (otel). Acest tip de otel prezinta o inductie magnetica maxim admisa = 2.2 [T]. O inductie care sa depaseasca aceasta valoare, ar face ca circuitul magnetic sa ajunga rapid la saturatie, afectand astfel performantele masinii.

Configuratia pentru inchiderea liniilor de camp realizata in cadrul acestui proiect este de tip N-S. Acestea pleaca de la polul de polaritate N, trec prin statorul din material feromagnetic si ajung la polul de polul de polaritate S de pe rotorul opus.

Data fiind configuratia in care urmeaza sa se inchida liniile de camp prin stator, mai exact prin dintii statorici, flansa a fost realizata cu canale dispuse la un unghi de 60 de grade pentru a putea roti unul dintre cele doua rotoare si a aduce magnetii cu suprafete de aceeasi polaritate, fata in fata. Acest lucru faciliteaza lucrul si cu alte configuratii precum cea de tip N-N, in care liniile de camp se inchid prin jugul statoric.

structura-rotorica-magneti-permanenti

Structură rotorică cu magneți permanenți, cu flanșă de prindere și modificare in unghi de 60⁰

2.      Executia structurii statorice

Aceasta etapa presupune operatii de frezare, prelucrare la strung, debavurare (slefuirea imperfectiunilor de suprafata) si realizarea infasurarilor. Miezul statoric este realizat din banda de material feromagnetic cu cristale neorientate, rulat la o sub forma circulara cu urmatoarele caracteristici:

        • D ext=220 [mm]
        • D int=100 [mm]
        • g st=40 [mm]

Crestaturile au fost executate la freza pentru a capata forma dorita, acestea fiind realizate la o inaltime  15 [mm], o latime  10 [mm] si un unghi intre crestaturi de 20⁰.

Intrucat banda din material feromagnetic, utilizata la realizarea miezului statoric, ar fi putut sa se desprinda in timpul frezarii, au fost necesare doua inele din otel, modelate dupa caracteristicile dorite (diametrul exterior, respectiv diametrul interior).

Odata cu incheierea etapei de frezare, inelele au fost indepartate,  materialul desprins din pachet a fost inlaturat si asupra statorului s-a intervenit cu doua puncte de sudura pentru a impiedica aparitia altor defecte pe parcursul constructiei.

Intrucat in urma procesului de frezare apar deseori mici imperfectiuni, am intervenit cu usoare ajustari asupra miezului feromagnetic. Crestaturile realizate au fost supuse unui proces de debavurare, utilizand o pila metalica pentru a rotunji extremitatile acestora. Procesul de debavurare se realizeaza temeinic, intrucat muchiile foarte ascutite pot distruge atat izolatia infasurarilor cat si infasurarea in sine, in urma dispunerii in crestaturi. Distrugerea izolatiei poate duce la inchiderea circuitului electric prin stator, afectand integritatea masinii si a operatorului in cauza.

O urmatoare etapa o constituie dispunerea izolatiei in crestaturi, realizata din carton electroizolant (prespan). Cartonul electroizolant este compus din pulpa de celuloza si agenti chimici pe baza de sulfati. Se utilizeaza în aplicaţii de joasă tensiune deoarece prezintă bune proprietăţi electroizolante, mecanice şi dielectrice cum ar fi transformatoare cu ulei, condensatoare, rezistenţe, comutatoare si alte aplicatii din domeniul electrotehnic.

S-a folosit carton electroizolant atat pentru exteriorul miezului feromagnetic cat si pentru interiorul acestuia, dupa cum se observa in figura urmatoare.

4.      Realizarea înfășurărilor

In cadrul configuratiei de tip N-S, infasurarea aleasa este una distribuita, lucru ce faciliteaza inchiderea liniilor de camp prin dintii statorului, de la polul de polaritate N catre polul de polaritate S. Infasurarea va fi dispusa de ambele parti ale structurii statorice.

Bobinele au fost realizate cu ajutorul unor sabloane din plastic si a unei masini de bobinat. Sabloanele sunt dispuse pe un suport reglabil in forma de cruce, ce este actionat de un motor continuu alimentat printr-o sursa de tensiune de 12V. Am montat sabloanele la o distanta apreciapila, lucru ce ne ofera posibilitatea modelarii produsului final si a unei mai bune distributii in crestaturi. Masina de bobinat este prevazuta cu role de alungire a firului, care determina o distributie uniforma.

Conductorul utilizat este din cupru si prezinta un diametru de 0.8mm impreuna cu o izolatie in dublu strat de email tereftalic. Capetele bobinelor au fost prinse cu banda adeziva din hartie pentru a putea lucra mai usor si a realiza modelajul de care avem nevoie in crestaturi.

Un proces mai anevoios in constructia statorului l-a reprezentat asezarea bobinelor in crestaturi, lucru datorat spatiului de lucru intre bobine si rigiditatii acestora. Partile active ale infasurarilor sunt de asemenea izolate suplimentar de crestatura cu prespan si presate pentru uniformitatea suprafetelor constructiei.

asamblare-bobine-stator
asamblare-bobine-stator
asamblare-bobine-stator

Bobinele sunt prinse cu coliere din plastic de partile inactive pentru a usura asezarea in crestaturi si a asigura un factor de umplere crescut. Totodata am ales sa indroducem un agent epoxidic de modelaj care sa umple spatiul ramas liber in crestaturi si fixeze conductoarele fara a afecta performantele masinii.

Odata cu dispunerea tuturor bobinelor in crestaturi, capetele conductoarelor vor fi dezizolate si pregatite pentru a realiza conexiunile aferente fiecarei faze. Pe fiecare faza sunt inseriate 6 bobine, cate 3 de fiecare parte a statorului.

Inainte de aceasta etapa se va testa izolatia infasurarilor cu ajutorul unui aparat special de masura, care va verifica continuitatea circuitului fiecarei bobine. Daca exista zone in care stratul de izolatie a fost indepartat sau strapuns cauzand eventuale atingeri intre conductor si masa miezului feromagnetic, aparatul va indica rezistenta 0. Testul poate fi observat si in figura 30, unde una dintre borne este conectata la un capat al bobinei, iar cealalta atinge structura statorica.

test-izolatie-stator
test-izolatie-stator

In urma testelor de izolatie, am stabilit ca infasurarile nu au fost avariate odata cu montarea in crestaturi si putem trece mai departe catre operatia de inseriere. Inserierea bobinelor se executa pe baza unei scheme de conexiuni prezentata, pentru una din partile miezului feromagnetic statoric.

Figura 31

          Capetele infasurarilor sunt dezizolate si spalate cu pasta decapanata pentru a putea efectua o lipire cat mai buna a conductoarelor cu fludor, urmand ca materialul in exces sa fie eliminat. Partile intre care s-a efectuat lipirea sunt introduse in tuburi electroizolante din material textil cu fibra din sticla, iar mai apoi sunt stranse cat mai bine de partea inactiva pentru a nu ocupa spatiul necesar centrarii statorului in carcasa .

          Capetele infasurarii vor fi notate pentru o mai buna diferentiere intre faze. Se recomanda de asemenea pastrarea unei rezerve suplimentare de conductor intrucat se vor realiza conexiuni la bornele de alimentare montate pe carcasa.

stator-masina-flux-axial
stator-masina-flux-axial
stator-masina-flux-axial
stator-masina-flux-axial

 

Construcția mașinii cu flux axial  – înfășurare în inel pe jug

1.      Statorul

În programul de desenare grafică AutoCAD, am desenat conform datelor rezultate din calculele de proiectare, forma grafică a statorului. Forma crestăturilor fiind cu pereți paraleli iar forma dinților, trapezoidali. Statorul având 18 crestaturi pe o față, ceea ce înseamnă că în total sunt 36 de crestaturi iar unghiul dintre două crestături fiind de 20̊.

Dimensiunile crestăturii:

  • Înălțimea crestăturii – h1=10[mm]
  • Lătimea crestăturii – b1=10[mm]
    constructie-inel-pe-jug

Reprezentarea grafică a statorului în 2D

Reprezentarea grafică a statorului în 3D

          Circuitul magnetic statoric are 36 de crestături în total anume 18 pe partea superioară și 18 pe partea inferioară, poziționate paralele și sunt reprezentate în figura 21. Înfășurarea pentru această constructie a statorului este o înfășurare de tip inel numită și înfășurare toroidală. Statorul este realizat din tablă silicioasă, laminată la rece cu graunți orientați.

Reprezentarea grafică a înfășurării pe stator în 3D

2.      Rotorul

Tot în programul de desenare grafică AutoCAD, am desenat forma rotorului împreună cu magneții permanenți, dispuși cu polarități alternante. Rotorul avand un diametru exterior de 220 [mm] și o grosime a discului de 10 [mm]. Pe discul rotoric sunt poziționați 6 magneți permanenți, realizați din pământuri rare, anume NdFeB (Neodimium), cu polarități alternante, poziționați la un unghi de 60 ̊, unul față de altul. Magneții permanenți utilizați au gradul de magnetizare N42 cu o inducție remanentă 1.29 [T] – 1.32 [T] și o temperatură maximă de lucru, aproximativ de 80 ̊C.

Reprezentarea grafică a rotorului în 2D

          Discului rotoric îi este atașat o flanșă de prindere cu dimensiunile reprezentare în desenul grafic din figura 23. Magneții permanenți având un diametru de 60 [mm] si o grosime de 5 [mm]. Magneții permanenți utilizați în aplicația practică, sunt magnetizați axial. Diametrul interior al flanșei de prindere a discului rotoric are diametrul de 20 [mm], ceea ce reprezintă și diametrul axului. Discul rotoric este realizat din oțel.

Reprezentarea grafică a rotorului în 3D

3.      Înfășurărea toroidală

Înfășurarea pentru generatorul cu flux axial și cu magneți permanenți ales pentru a fi studiat, este o înfășurare toroidală numită și înfășurare în inel. Acestă înfășurare este concentrată în jurul miezului magnetic, concentrând astfel liniile de câmp magnetic prin miezul feromagnetic statoric. Înfășurarea toroidală este alcatuită din 18 bobine, rezultând pentru fiecare fază câte 6 bobine. O bobină este alcătuită din 68 de spire, unde lungimea unei spire este de aproximativ 20 [cm]. Pasul înfășurării  y1=3.

 Înfășurare toroidală (în inel)

4.      Tehnologia de fabricație a mașinii electrice cu flux axial și magneți permanenți

În acest capitol voi prezenta fluxul tehnologic de realizare a mașini electrice cu flux axial și magneți permanenți. După finalizarea reprezentării grafice fiecarei componente, se trece la realizarea lor fizică. O primă etapă în construcția mașini electrice cu flux axial, o reprezintă construcția statorului.

Realizarea crestăturilor

Circuitul magnetic statoric este alcătuit din tablă silicioasă, cu graunți orientati, cu o grosime de 0,5 [mm] în formă de rulou. Pachetul de tole care constituie circuitul magnetic al statorului, are înălțimea de 40 [mm], diametrul exterior având valoarea de 220 [mm] iar diametrul interior fiind de 100 [mm]. În realizarea crestăturilor în pachetul de tole, s-a utilizat o mașină –unealtă de frezat.

Frezarea reprezintă procedeul de generare prin așchiere a suprafețelor, ce se execută cu scule așchietoare speciale de forma unor corpuri de rotație prevăzute cu mai multe tăișuri denumite freze, pe mașini-unelte de frezat.

Crestătura realizată prin procesul de frezare are  lățimea de 10 [mm] și înălțimea tot de 10 [mm] iar înălțimea miezului magnetic de 20 [mm].

Realizarea crestăturilor prin procesul de frezare

          La finalul procesului de realizare a crestăturilor, statorul este curățat de așchiile metalice (șpan) provenite din prelucrarea prin frezare a crestăturilor. După această etapă de curățire, se utilizează o pilă pentru metal în vederea îndepărtări bavurilor datorate procedeului de frezare.

Realizarea izolației statorului și a înfășurării

Această etapă reprezintă izolarea crestăturilor din punct de vedere electric, cu ajutorul unui carton electroizolant numit și preșpan. Cartonul electroizolant este fabricat din fibre de celuloză, un proces asemănător cu cel de producere al hârtiei fără utilizarea lianților sau al rășinilor. Se izoleză electric partea exterioară și partea interioară a miezului statoric dar și crestatura cu carton electroizolant. Acest procedeu de izolare este prezentat în figura 30.

În vederea realizării înfășurări toroidale, se utilizează un șablon din material lemnos, putând fi numit și suveică, pentru a putea bobina în jurul miezului feromagnetic. Bobinarea în jurul miezului feromagnetic se realizează cu un conductor de Cupru (Cu), cu un diametru de 0,8 [mm] cu o izolație dublă de email tereftalic. Fiecărui terminal de bobină, îi este introdus un tub de fibră de sticlă pentru protectie împotriva temperaturi dar are și rolul de izolație electrică între celălalte terminale.

stator-masina-flux-axial

Finalizarea procesului de bobinare

Concluzii:

Trecerea de la generatorul cu flux radial la cel cu flux axial pare o soluție atractivă datorită simplității constructive. Înfășurarea realizată în inel pe stator prezintă două părți active comparativ cu înfășurarea distribuită la care lungimea părților frontale este de aproximativ  3 ori mai mare.

Pentru a ajunge la aceeași valoare a puterii, ca la generatorul cu flux radial, este necesară suprapunerea mai multor module cu flux axial. Acest lucru se va putea observa, când pe cele două modele se vor realiza încercări de laborator.