Технологія виготовлення магнітопроводів

ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ МАГНІТОПРОВОДІВ

 

1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Магнітопроводом називається деталь або комплект деталей, призначених для проходження з певними втратами магнітного потоку,  що порушується електричним струмом в обмотках намотувальний виробів.

Магнітопроводи є складовими частинами схемотехніка елементів РЕА: трансформаторів, дроселів, магнітних головок, фільтрів, контурів, пристроїв, що запам'ятовують, і ін. Форма деталей

 

   

 

Рис. 1

створюючих магнітопровід, а також вигляд і фізичні властивості матеріалів, використовуваних для їх виготовлення, обумовлені призначенням; конструктивними особливостями схемного елементу. По цих ознаках магнітопроводи розділяють на три групи: пластинчасті, стрічкові і формовані.

Пластинчастими  магнітопроводами є пакети, зібрані з штампованих плоских пластин. Вони бувають двох типів (рис. 2): броньові (а) і стрижньові (б).

 

Рис. 2

 

Стрічкові магнітопроводи мають форму круглих (мал.  12.2,а ) або   прямокутних  з  кутами, що округляють, кілець (мал.   12.2,б ) отриманих спіральною навивкой на облямовування однієї стрічкової заготівки або П-образной гнучкою декількох заздалегідь нарізаних смуг. У другому випадку кільця виходять роз'ємними з площиною розрізу (мал. 12.2, в). Нерозрізні стрічкові магнітопроводи характеризуються кращими магнітними характеристиками в порівнянні з раз-різьбленими стрічковими і пластинчастими,   оскільки в останніх неминучі повітряний зазор і часткове замикання торців. Проте нерозрізні стрічкові магнітопроводи мають наступні недоліки:  складність і велика трудомісткість намотувальних робіт. Гідністю розрізних стрічкових магнітопроводів є те, що котушки для них можна виготовляти на звичайних намотувальних верстатах.

Формовані магнітопроводи складаються з однієї або декількох  монолітних об'ємних деталей, виготовлених з порошкоподібних магнітодіелектриків або феритів з використанням керамічної технології (формування і спікання).

 

2. ТЕХНОЛОГІЧНІ  МЕТОДИ ДОСЯГНЕННЯ ЗАДАНИХ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ, ТОЧНІСТЬ РОЗМІРІВ  І ЯКОСТІ ПОВЕРХНІ МАГНІТОПРОВОДІВ

Магнітопроводи повинні мати високу магнітну проникність, незначну коэрцитивную силу, стабільні магнітні характеристики в робочому діапазоні температур і в часі, мінімальні втрати на гістерезис, розсіювання і вихрові струми, стійкість до сторонніх механічних дій.

Відповідність фізичних властивостей магнітопровода цим вимогам досягається, перш за все, вибором магнітного матеріалу і побудовою ТП. При переробці магнітних матеріалів в деталі магнітопроводів початкові магнітні властивості їх змінюються під тепловою і силовою дією інструментів і технологічних середовищ. З цієї причини в ТП виготовлення включають ряд операцій по контролю і відновленню магнітних властивостей деталей магнітопроводів, а умови виконання операцій формоутворення підбирають з розрахунком на те, щоб мінімально впливати на зміни цих властивостей.

Як магнітні матеріали використовують електротехнічну сталь, залозою нікелеві сплави, магнітодіелектрики і ферити. Електротехнічні стали, і пермалой застосовує у вигляді гарячекатаного і холоднокатанного прокату на листах і рулонах завтовшки 0,04—0,5 мм. Гарячекатані сталі використовують в магнітопроводах, що працюють на низьких частотах, а холоднокатані — в магнітопроводах з підвищеними магнітними характеристиками. Сплави (пермалой) залізоникелів характеризуються в 10—20 разів більшою магнітною  проникністю в слабких магнітних полях в порівнянні з електротехнічною сталлю.  Високонікелевий пермалой (72—80% нікелю) мазкий 79НМ, 80НХС та інші використовують для виготовлення сердечників малогабаритних дроселів і трансформаторів низької частоти, магнітних головок і ін. Нізконикельовиє пермалой (30—50% нікелю)   мазкий 8НС, 45Н, 50Н, 50НХС та інші застосовують для виготовлення магнітопроводів силових трансформаторів і дроселів, магнітних головок і ін.

Електротехнічні стали і пермалой характеризується малим питомим електричним опором (10-7—10-6Ом'М). Використання їх в магнітопроводах, що працюють на високих частотах, не представляється можливим із-за великих втрат на вихрові струми, що зростають пропорційно квадрату частоти. Для магнітопроводів, що працюють  на високих частотах, використовують магнітодіелектрики, які складаються із зерен магнітного матеріалу, розділених діелектриком. В порівнянні з металевими магнітними матеріалами вони характеризуються вищим електричним опором (10-3—1 Ом-м). Як магнітопроводи з магнітодіелектриків беруть карбонільне залізо (високодисперсний порошок, що складається в основному з частинок сферичної форми), альсифер (магнитомягкий сплав з високою магнітною проникністю, що містить' близько 9,5% кремнію і 5,5% алюмінію, останнє — залізо; ГОСТ 122187—76) і пермалой.

Основні достоїнства магнітодіелектриків: малі втрати на вихрові струми, стабільні магнітні характеристики в робочому інтервалі температур і в часі. До недоліків слід віднести невелику магнітну проникність (1,26·10-5 — 7,53·10~б Гн/м) на радіочастотах, що обмежує можливість підвищення добротності різних індуктивних елементів. Для роботи з малими втратами на високих частотах до декількох десятків мегагерц використовують магнітні матеріали керамічного типу, ферити, що отримуються спіканням при високій температурі суміші оксидів заліза з оксидами нікелю, цинку, марганцю, магнію, міді або іншого двовалентного металу. Ферити характеризуються високою магнітною     проникністю   (1,26·10-5  — 2,52 • 10Пі Гн/м)  і питомим електричним опором  (1 - 105  ^Ом•м)

Для забезпечення необхідної точності і форми і розмірів при виготовленні пластинчастих магнітопроводів  із заданою шорсткістю поверхні використовують штампування, обробку різанням і физико-хімічні методи. При штампуванні і обробці різанням в поверхневих шарах матеріалу в результаті силової дії інструменту кристали правильної форми, характерні для початкового матеріалу, руйнуються і орієнтуються у напрямі руху інструменту.  В результаті погіршуються характеристики магнітопроводів, наприклад, магнітна проникність зменшується, а коэрцитивная сила збільшується. Для відновлення магнітних характеристик матеріалу проводять відпал, що викликає рекристалізацію матеріалу.

При виготовленні розрізних стрічкових магнітопроводів розрізання є одній з відповідальних операцій. Відхилення режимів цієї операції від оптимальних може привести до появи короткозамкнутих витків і наклепання, в результаті зростуть втрати на вихрові струми. Розрізання магнітопроводів здійснюють різними способами,  наприклад, фрезеруванням, абразивним кругом, электроискровой обробкою і так далі При фрезеруванні поверхня розрізу виходить нерівною, а витки магнітопровода виявляються короткозамкнутими. Крім того, має місце наклепання і зміна орієнтації зерен   в   місці   розрізу.   Розрізання   магнітопроводів  абразивним  кругом  (шорсткість обробленої поверхні Rа    1,25   мкм) і электроискровой   обробкою (Rz 20 мкм) дають кращі результати. Після розрізання абразивним кругом відпадає необхідність застосування подальшого шліфування. Електроїськровая обробка дозволяє уникнути механічної дії на магнітопровід і замикання окремих його витків. Поверхневий шар, в якому в результаті теплової дії відбувається зміна орієнтації зерен   до  глибини  0,05—0,08, мм,   віддаляється при подальшому шліфуванні торців магнітопровода.

Точність розмірів, форми і якість поверхні формованих магнітопроводів забезпечується точністю розмірів і шорсткістю поверхні оформляючої порожнини прес-форм. Магнітні характеристики формованих магнітопроводів забезпечуються якістю порошку магнітного матеріалу і матеріалу діелектричного зв'язку. Кількість зв'язки при виготовленні магнітопроводів повинна бути по можливості мінімальним, оскільки її збільшення різко знижує магнітну проникність магнітопровода і збільшує діелектричні втрати. Формувальна суміш на основі полістиролу володіє хорошою текучістю, тому її використовують для виготовлення складних формою магнітопроводів. Магнітна проникність формованих магнітопроводів залежить від їх щільності, яка забезпечується вибором тиску при пресуванні. Із збільшенням тиску пресування магнітна проникність зростає до певного значення для даного типу магнітного матеріалу. При подальшому збільшенні тиску пресування зростають втрати на гістерезис, оскільки має місце пластична деформація феррочастиц, зростає електропровідність і втрати на вихрові струми  із-за  руйнування ізоляційної плівки навколо феррочастиц.

Оптимальний тиск пресування для магнітодіелектриків лежить в інтервалі 600— 1000 Мпа, а для феритів — 80-200 Мпа. Тривалість витримки під навантаженням не впливає на щільність магнітного матеріалу. Забезпечення рівномірної щільності магнітного матеріалу у формованому магнітопроводі здійснюється пресуванням в прес-формах з подвійним тиском зверху і знизу. Крім того, в магнітопроводах з феритів у разі нерівномірної щільності при подальшому спіканні виникають значна внутрішня напруга, зухвале викривлення і розтріскування. Для виключення розтріскування магнітопроводів з феритів проводять наступні технологічні заходи: перед спіканням нагрівом з них видаляють   зв'язку; при  спікань швидкість підйому температури обмежують 200—300 К/ч із-за   швидкого   випаровування   зв'язки, що залишилася  ;    після витримки при температурі спікання потрібне повільне охолоджування із швидкістю 50—100-.К/Ч.

Магнітопроводи з однаковими магнітними характеристиками можуть бути отримані тільки при однаковій температурі по всій робочій зоні печі. Температурний режим підтримується з точністю ±5 До автоматичним регулюванням.

 

3. ТЕХНОЛОГІЧНІ МАРШРУТИ ВИГОТОВЛЕННЯ ПЛАСТИНЧАСТИХ МАГНІТОПРОВОДІВ І  ЗМІСТ ОСНОВНИХ ОПЕРАЦІЙ

Типовий ТП виготовлення пластинчастих  магнітопроводів включає наступні основні операції: контроль матеріалу на відповідність технічним умовам, різання матеріалу на стрічки (смуги) необхідної ширини, вирубка пластин магнітопровода, зняття задирок, правка пластин магнітопровода, відпал, ізоляція пластин, збірка пакету.

Контроль матеріалу  на відповідність технічним умовам. При постачанні початковий матеріал контролюють по магнітній проникності і коэрцитивной силі.

Різання матеріалу  на стрічки (смуги) необхідної ширини проводиться  багатодисковими,   гільйотинами  або роликовими ножицями. Правильний розкрій матеріалу, як було розглянуто в гл. 4, дає велику економію матеріалу і знижує собівартість виробів, що випускаються. Велику увагу приділяють отриманню прямолінійних кромок стрічки (смуги особливо   при  безвідходному   розкроі,   наприклад  П-образных (мал. 12.5, а) і Ш-образных пластин (мал. 12.5, би).

Вирубка пластин  магнітопровода проводиться штампами на пресах і є формоутворювальною операцією. При зносі ріжучих кромок штампу на пластинах магнітопроводів з'являються задирки, які можуть привести до замикання окремих пластин, і пакету в цілому. В результаті зменшується коефіцієнт заповнення пакету, і зростають втрати, на вихрові струми. Зазор між матрицею і пуансоном штампу впливає на розмір задирок. Наприклад, для отримання задирок не більше 0,005 мм зазори між пуансоном і матрицею повинні бути менше 0,002 мм. Для підвищення стійкості штампів матриці виготовляють з твердого сплаву. Для отримання високої продуктивності застосовують штампи-автомати, оснащені пристроями для автоматичного видалення відштампованих пластин.

Зняття задирок здійснюють шліфуванням, вальцюванням, електрополіруванням, виброгалтовкой. Найбільш часто задирки видаляють шліфуванням. Пластину пропускають між тими, що обертаються з різною частотою гумовим і абразивним кругом.  При вальцюванні пластини пропускають між   двома    загартованими сталевими валяннями.   Задирки знімаються за рахунок їх м'яття і обломлення, В цьому випадку   проводиться"  також правка    пластин.    Видалення задирок    електрополіруванням забезпечує підвищення магнітної проникності на 10—12% і зниження втрат на гістерезис   на   10—15%, що пов'язане з видаленням по-

 

Рис. 3

 

верхневого шару металу з країв пластин,  де має місце наклепання після штампування. Видалення задирок у віброгалтувальних установках проводять на частоті  100 Гц з амплітудою коливань   4—6   мм   в середовищі   електрокорунда зернистістю 3-5 мкм.

Перспективним способом видалення  задирок є ультразвуковий в абразивному  середовищі з накладенням статичного тиску. Пластини занурюють у ванну з абразивною суспензією, в якій збуджуються ультразвукові коливання частотою 18 кГц. Підвищений статичний тиск в ультразвуковій ванні створюється стислим повітрям або азотом (0,4— -0,5 Мпа).

Після різання, вирубки і видалення  задирок пластини знежирюють в бензині і ацетоні, чергуючи знежирення в кожній рідині з сушкою на повітрі. Добрі результати дає ультразвукове очищення (промивка) пластин.

Правка пластин магнітопровода здійснюється для уст-ранения їх деформації в результаті штампування. Пластини правлять, пропускаючи через рихтуючі вальці, або на ексцентрикових пресах штампами з плоскими шліфованими робочими частями. Зазвичай установка з рихтуючими вальцями і зачищаючим абразивним кругом (для зняття задирок) об'єднується з штампом-автоматом в один що автоматично діє

агрегат. Перед відпалом пластини знежирюють ацетоном або бензином, припудрюють окислом магнію або окислом алюмінію,  що не допускають зниження магнітних властивостей і спікання пластин.

Відпал. Пластини магнітопровода піддають міжопераційному і остаточному відпалу. Міжопераційний відпал здійснюють для підвищення пластичних властивостей матеріалу, а остаточний — для набуття магнітних властивостей, властивих даному матеріалу. Режими відпалу представлені в табл. 12.1 і 12.2. Після остаточного відпалу на контрольних зразках вимірюють магнітну проникність, яка є критерієм якості відпалу. При значному розкиді параметрів проводять повторний відпал.

Ізоляція пластин. Найбільш поширеними способами ізоляції пластин є оксидування і фосфатування, а також лакування. Фосфатування забезпечує вищі механічні і електроізоляційні властивості, ніж лакиробание і оксидування. Прогресивним є утворення термостійкого ізоляційного шару на металургійному заводі в процесі виготовлення листового магнітного матеріалу.

 

Збірка пакету складається з набору пластин в пакет і їх скріпляють. Розрізняють два способи набору пластин: вперекрышку і встык. Набір пластин здійснюється уручну або автоматично. Збірку встык застосовують у тому випадку, коли необхідно мати повітряний зазор в магнітопроводі, наприклад, в дроселях. Зазор (0,05—0,10 ним) регулюють кількістю паперових прокладок між пластинами. У ряді випадків для підвищення коефіцієнта заповнення здійснюють обтискання пакету на пресі тиском 2—5 Мпа, але при цьому можуть погіршуватися магнітні характеристики магнітопровода (можливе збільшення втрат на вихрові струми унаслідок часткового руйнування ізоляційних шарів). Зібраний пакет скріпляють ізольованими шпильками, болтами або обтисковими  скобами.