10.11.2023

Unicore: как косой стык магнитопровода снижает потери и упрощает сборку

Суть за минуту: Unicore - технология сборки ленточных магнитопроводов, при которой половины сердечника соединяются по наклонной линии. Воздушный зазор не остаётся в одном месте, а рассеивается по всей длине стержня. Поток обходит препятствие по соседним слоям стали. Результат: ниже потери, меньше операций, для крупных сердечников можно не делать отжиг.

Сегодня технологию Unicore применяет и завод «Электромашина» (ООО «ЗЭМ») - при выпуске серийных сухих трансформаторов. Магнитные системы с распределённым зазором идут в линейки ТС(3)(Д) и ТСЛ(З)(Д).

Проблема, которую решает технология

Стандартный разрезной сердечник устроен просто: лента навивается в кольцо, потом разрезается в одном или нескольких местах. Разрез нужен, чтобы надеть катушки или создать контролируемый зазор. Но у этой простоты есть цена.

В месте разреза магнитный поток упирается в воздух. Воздух - плохой проводник для магнитного поля, сопротивление здесь резко возрастает. Поток вынужден «перепрыгивать» через барьер, концентрируясь на узком участке. Это даёт локальный нагрев, вихревые токи и рост потерь. Чем толще зазор, тем хуже.

Технология Unicore предлагает обойти эту проблему не за счёт материала, а за счёт геометрии.

Как устроен косой стык

Принцип понятен: неудаляемый стык стремятся максимально рассредоточить. Части магнитопровода сопрягаются не в единой поперечной плоскости, а под углом. За счёт этого немагнитный промежуток растягивается вдоль стержня, не формируя локальной зоны высокого сопротивления.

Технически это выглядит так. Магнитопровод формируют из отрезков электротехнической ленты дифференцированной длины. Каждый следующий элемент стыкуется со смещением относительно предыдущего. Получается ступенчатая структура, где линия сопряжения идёт «лесенкой».

Магнитный поток, двигаясь по стержню, наталкивается на микроразрыв. Но рядом - цельный участок соседнего слоя. Поток перетекает туда, обходит препятствие и возвращается. Воздушного барьера как такового нет - есть множество мелких разрывов, каждый из которых «перекрыт» соседней лентой.

Чем тоньше зазор - в идеале он равен толщине ленты - тем меньше потери и лучше характеристики.

Сборка идёт последовательно: сначала укладываются внутренние, самые короткие элементы, затем всё более длинные. Завершают внешние.

Кто и когда придумал

Разработчик - австралийская фирма AEM Cores. В России решение дебютировало на «ЭнелЭкспо-2005»: презентацию вела компания «Коннекторс энд Инжиниринг». Решение вызвало предметный интерес у отечественных производителей: ведущие трансформаторные заводы запросили опытные партии для верификации заявленных параметров в своих лабораториях.

Конструктивные исполнения: схемы DUO и DDG

В промышленной практике базовыми считаются две топологии - DUO и DDG.

Архитектура DUO состоит из двух симметричных полусердечников, стыкуемых навстречу друг другу. В названии подтипа цифра указывает, во сколько слоёв ленты делается перекрытие стыка. DUO1 - один слой, DUO2 - два, DUO3 - три. Чем больше слоёв, тем быстрее сборка, но выше потери.

DDG - исполнение с единственным разрезом (по одному стержню). Берут его в тех случаях, когда обмотка размещается только на одном стержне.

Выбор между потерями и темпом сборки

Число слоёв в перекрытии работает как регулятор. Меняя его, можно смещать приоритет: либо минимум потерь, либо скорость производства.

Один слой (DUO1) - минимум потерь, но сборка самая долгая. Два слоя (DUO2) - на 20% быстрее. Три (DUO3) - на 40% быстрее. Обычно для силовых аппаратов выбирают третий вариант: он даёт разумный баланс. А вот в распределительных моделях приоритет - потери, поэтому там только DUO1.

Софт AEM Cores считает всё заранее - до запуска в производство. Инженер видит, сколько времени займёт изготовление, сколько уйдёт стали и какова будет производительность.

Типы соединений

Зазоры по стержню можно распределять по-разному - под это предусмотрено несколько схем стыковки пакетов. На сегодня разработано свыше семи вариантов геометрии стыка, включая конфигурации Step-Butt, схему с фиксированным зазором (Gapped) и специализированные модификации.

Как работает машина

Разработчики из AEM Cores спроектировали единый технологический комплекс под все типоразмеры. Оборудование не требует сменной формообразующей оснастки, а переход на новую карту раскроя выполняется за считанные минуты - установкой катушки нужной ширины и запуском управляющей программы.

Раскрой

Бухта электротехнической стали помещается на разматывающее устройство, после чего полоса заводится в гибочно-прокатный узел. Дальше всё делает автоматика: система ЧПУ профилирует ленту и рубит её на пластины нужной длины, выдавая их в строгой последовательности - от внутренних к наружным. Оператор принимает готовые элементы и на столе формирует комплект под шихтовку. Затем - либо на сборку, либо на склад.

Хранение

Собранные комплекты компактны, легко перевозятся и не боятся повреждений. Складские расходы падают, риск помять сердечник при транспортировке - тоже.

Сборка

Шихтовка выполняется встречно: пакеты заводятся в катушку поочерёдно с противоположных сторон, двигаясь от внутреннего слоя к наружному. Для подавления механических вибраций и шума применяют классические методы расклинивания зазоров между обмоткой и магнитопроводом, а в трехфазных трансформаторах - расклинивание между центральными стержнями, что заранее закладывается в конструкторскую документацию.

Сборка идёт на двух платформах: между ними ставят уже намотанные катушки. Рядом - вспомогательные пластины, по ширине равные ленте. Платформы выравнивают по высоте «буртика» катушек - так получается единая рабочая плоскость. Регулируемые столы дают возможность собирать разные типоразмеры на одной позиции. Собранный пакет закрепляют контактной сваркой по наружному листу.

Завершающий этап

Дальнейшая сборка трансформатора идёт по обычной схеме. Единственное отличие - крепёжного металла обычно требуется меньше. Часть «лёгких» сердечников обходится без дополнительного крепежа: хватает сварки по внешним листам.

Нестандартное применение станка

Программное отключение модуля гибки переводит комплекс в режим скоростной мерной резки полосы. Это позволяет закрыть дефицит заготовительных мощностей или оперативно заменить простаивающие линии продольно-поперечного раскроя для пластин Ш-образной шихтовки.

Возможен и противоположный режим: непрерывная подача полосы с формированием углов без резки позволяет получать монолитные витые остовы. Вместо радиусных сопряжений углы формируются четкими перегибами на 90, 2×45 или 3×30. Полученный замкнутый магнитопровод используется под прямую намотку провода, аналогично технологии изготовления тороидальных трансформаторов.

Российские испытания

Практически сразу после выставки несколько предприятий заказали опытные образцы. Одним из первых заказчиков стал московский холдинг ОАО ПК ХК «Электрозавод». Для испытаний изготовили опытные сердечники под три серии трансформаторов: ОСВМ-1,6, ТСЗИ-2,5 и ТСЗМ-3,6.

Методика тестирования включала замеры характеристик отожженных и неотожженных конструкций как до монтажа в обмотки, так и после него. Эксперименты подтвердили: даже без термической обработки сердечники соответствовали нормам ТУ, обеспечивая снижение материалоемкости по меди либо электротехнической стали. Аналогичные позитивные результаты были зафиксированы при испытаниях измерительных трансформаторов серии ЗНИОЛ на независимых производственных базах.

По расчетам технологов, для предприятий с серийным выпуском инвестиции в станочный парк возвращаются в пределах полугода, главным образом благодаря исключению энергоемкой и длительной операции высокотемпературного отжига.

Мировая практика

Так, в линейке пятистержневых трехфазных трансформаторов ABB Australia мощностью 1500 кВА магнитопроводы выполнены спаренными по высоте из полос разного габарита по ширине. Более того, на линиях Unicore успешно выпускались силовые установки единичной мощностью вплоть до 8000 кВА.

Диапазон применения

Диапазон типоразмеров охватывает как малогабаритные изделия со световым окном 80×40 мм, так и трансформаторы мощностью до 8000 кВА. Коэффициент заполнения сечения сталью достигает 98% и выше, полностью отвечая жестким международным требованиям. Рез настолько точный, что детали идут в сборку без доработки.

Единственное неудобство - необходимость отжига. Но и оно не абсолютно: в обычном витом сердечнике напряжение распределено по всей ленте, а здесь - только на сгибах. Поэтому термообработка нужна не всегда: только там, где потери выходят на первый план. Зависимость прямая - чем крупнее остов, тем реже возникает необходимость в отжиге.

В сумме технология даёт сокращение времени изготовления, снижение складских издержек и упрощение проектирования. Себестоимость падает - качество не страдает.

Производственные возможности

Производство почти безотходное. Один станок покрывает всё разнообразие: однофазные, трёхфазные, броневые модели, дроссели. При ширине ленты до 140 мм возможна работа в два потока - это вдвое ускоряет выпуск.

Куда движется технология

Отрасль ищет пути снижения расхода меди. Один из них - замена прямоугольных катушек круглыми, но это требует ступенчатого сердечника с сечением, близким к кругу. Unicore позволяет и спроектировать, и изготовить весь набор деталей под такую конструкцию на одной установке.

Технологический цикл строится пошагово: последовательно кроятся наборы пластин разной ширины из соответствующих рулонов стали. Далее заготовки передаются на сборочный пост. Монтажный стенд оснащен подвижной центральной зоной под катушки и раздвижными боковыми опорами: сборку начинают с центральных слоев, переходят к максимальной ширине и завершают узкими крайними пакетами, регулируя высоту ложа и раскрытие боковых секций. В результате получается сердечник ступенчатого сечения - с высокими характеристиками и меньшим расходом меди.

О чём не расскажут производители

Некоторые владельцы технологии не делают трансформаторы, а только продают сердечники на заказ. Сборку они ведут на специальной ступенчатой оснастке - так удобнее бандажировать.

Полной информации о таких производствах мало: те, кто освоил Unicore, не спешат делиться опытом - конкуренция. В частности, ступенчатые сердечники для распределительных аппаратов выпускает южноафриканский завод Areva (для Alstom). Аналогичные контрактные производства, продающие такие изделия на сторону, тоже существуют.

Главный принцип

Unicore - это смена подхода, а не доработка старой схемы. Единичный разрез заменяется множеством распределённых зазоров, и поток движется по соседним виткам, не покидая металл. Отсюда - меньше потерь, ниже ток холостого хода, тише работа. Технология родом из Австралии, в России её впервые представили в 2005 году на «ЭнелЭкспо».

Если ваше конструкторское бюро разрабатывает новую линейку трансформаторного оборудования и рассматривает внедрение Unicore, обратитесь за консультацией к нашим техническим специалистам.

Где это применяют у нас

Завод «Электромашина» (ООО «ЗЭМ») использует магнитопроводы Unicore в серийных сухих трансформаторах - с воздушно-барьерной и литой изоляцией. Линейки охватывают мощности от 100 до 3750 кВА. Все модели - в каталоге силовых сухих трансформаторов.

Нужна консультация по выбору магнитопровода или расчёт под ваш проект?
Напишите нам - поможем разобраться с техническими параметрами.