PL175978B1

PL175978B1 - Sposób wytwarzania nabiegunnika alternatora

Info

Publication number: PL175978B1
Application number: PL94310404A
Authority: PL
Inventors: André E Goffart
Original assignee: Ateliers Thomegenot; Thome Genot Atel
Priority date: 1994-01-03
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1999-03-31
Also published as: ATE173568T1; AU1326495A; LT95096A; SK121795A3; DE69414694T2; US5429687A; SI9420018A; LT4118B; ES2127508T3; HU9502883D0; AU5277798A; EP0687394B1; BR9407447A; KR100369228B1; JPH08511154A; PL310404A1; AU689526B2; CN1118638A; TW318974B; EP0687394A1

Abstract

1. Sposób wytwarzania nabiegunnika alternatora posiadajacego pólrdzen i wiele obwodowo rozmieszczonych palców, przez poddanie kawalka stali procesowi kucia na goraco, ksztaltujac kawalek stali w oprzyrzadowaniu kuzniczym do pierwszej ksztaltki ogólnie podobnej do koncowego ksztaltu gotowego nabiegunnika, zanurzenie tej pier- wszej ksztaltki w co najmniej jednej kapieli fosforanowej smarujacej jej zewnetrzne powierzchnie i wybijanie na zimno pierwszej ksztaltki za pomoca oprzyrzadowania do wybijania na zimno redukujac grubosc zadanych regionów pierwszej ksztaltki i otrzyma- nia drugiej ksztaltki o strukturze ziarnistej splaszczonej w porównaniu ze struktura ziarnista pierwszej ksztaltki, znamienny tym, ze przeprowadza sie etap obróbki calko- witego wykanczania, w którym hartuje sie zadane powierzchnie drugiej ksztaltki i formuje sie centralny otwór przelotowy, przy czym w etapie formowania prowadzi sie formowanie wyplywowe materialu drugiej ksztaltki przez ograniczony otwór i zagina sie palce do ich koncowej konfiguracji tworzac trzecia koncowa ksztaltke, która poddaje sie wysoko zasadowej kapieli i wyzarza sie te trzecia ksztaltke w temperaturze 800-950 C przez 20-60 minut, po czym stopniowo ochladza do temperatury otoczenia w przeciagu 270-310 minut. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nabiegunnika alternatora.

Alternatory powszechnie są stosowane w samochodach i napędzane przez pasek sprzęgający alternator z silnikiem samochodu. Obrót wirnika alternatora powoduje wytwarzanie energii elektrycznej, która jest wykorzystywana w samochodzie głównie do ładowania akumulatora tak, że gdy jest to potrzebne, silnik samochodu może być wygodnie uruchamiany. W alternatorach aktualnie stosowanych w pojazdach wirnik obraca się z prędkościami nawet 15 000 - 22 000 obrotów na minutę. W przemyśle samochodowym istnieje ostra konkurencja pomiędzy różnymi producentami alternatorów, którzy dążą do opracowania najlepszego alternatora przy najniższej cenie. Jednakże określenie co jest najlepsze w odniesieniu do alternatorów nie zawsze jest jednoznaczne.

Optymalny alternator łączy w sobie niewielki ciężar z niewielkimi rozmiarami przy zapewnieniu dużej mocy na wyjściu i małych hałasów. Sercem każdego alternatora są nabiegunniki w liczbie dwóch, które są montowane w położeniu zwróconym ku sobie na

175 978 wale wirnika i zamykają pomiędzy sobą uzwojenie wirnika. Konstrukcja nabiegunnika jest ważna dla zwiększenia mocy wyjściowej alternatora, a równocześnie nabiegunnik jest jednym z największych źródeł hałasów wytwarzanych przez alternator.

Niestety, środki podejmowane w celu zmniejszenia hałasów wyjściowych powodowanych przez konstrukcję nabiegunnika często źle wpływają na jego moc wyjściową. Ponadto, usytuowanie środka ciężkości palca nabiegunnika ma duży wpływ na specyficzną konstrukcję szczeliny pomiędzy wirnikiem a stojanem. W związku z tym przy optymalizacji usytuowania środka ciężkości nabiegunnika i produkcji nabiegunnika w odpowiedni sposób istnieje mniejsze prawdopodobieństwo odginania się palców nabiegunnika na zewnątrz podczas obracania się wirnika z dużą prędkością. Optymalne usytuowanie środka ciężkości może zatem ułatwić zwężenie szczeliny pomiędzy wirnikiem a stojanem i przez to zwiększenie mocy wyjściowej alternatora. Jeżeli jednak nie ma możliwości zoptymalizowania usytuowania środka ciężkości palców nabiegunnika, opisana powyżej szczelina musi być zwiększona z uwagi na możliwość odginania się palców nabiegunnika na zewnątrz przy dużych prędkościach obrotowych a przy tym dotykania stojana i uszkadzania go, a w rezultacie całego alternatora.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 4 558 511 (Masa Kato) opisano sposób wytwarzania magnetycznego członu wirnika dla dynamoelektrycznej maszyny wirującej, zwłaszcza małego alternatora. Sposób polega na kuciu na gorąco kawałka pręta stalowego i otrzymaniu półfabrykatu o zewnętrznej konfiguracji zbliżonej do rdzenia wirnika, stępianiu ostrych krawędzi i wybijaniu półfabrykatu rdzenia do większej zgodności z wymaganą konfiguracją, a następnie przebijaniu na zimno otworu na wał w środku półfabrykatu rdzenia i wykańczaniu przez prasowanie na zimno do gotowej postaci.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 5 016 340 (Masa Kato) przedstawiono udoskonalony sposób wytwarzania magnetycznego członu wirnika dla dynamoelektrycznej maszyny wirującej, zwłaszcza małego alternatora. Udoskonalenie polega na tym, że w etapie kucia na gorąco kawałka pręta stalowego formuje się półfabrykat rdzenia o wielkości do końcowej objętości rdzenia wirnika ale z palcami nabiegunnika wystającymi na zewnątrz pod kątem 45-80°, przy czym palce nabiegunnika są krótsze niż w końcowym wyrobie. Dalej przeprowadza się stępianie ostrych krawędzi, stopniowe wybijanie, przebijanie otworu na wałek w środkowej części rdzenia, zaginanie palców nabiegunnika do pozycji pionowej w stosunku do obracającej się tarczy i wyciąganie palców do zgodności z wymiarami końcowymi. W opisie zaznaczono, że w końcowej fazie ewentualnie można przeprowadzać wyżarzanie, ale nie podano żadnych danych na ten temat.

Tam, gdzie nabiegunnik jest wykonany w operacji tłoczenia z palcami następnie zagiętymi od płaszczyzny tłoczenia, kierunek ziaren niektórych palców jest pod kątem ostrym w porównaniu z podstawą nabiegunnika, odpowiadając kątowi pomiędzy palcami a podstawą. W takich okolicznościach zmniejszona jest wytrzymałość palców na zginanie podczas obracania się z dużą prędkością. Kiedy zatem nabiegunnik jest wytwarzany w procesie tłoczenia, szczelina pomiędzy wirnikiem a stojanem musi być zwiększona w celu uwzględnienia prawdopodobieństwa, że palce nabiegunnika będą odginać się na zewnątrz przy jego dużych prędkościach obrotowych.

Na obecnym poziomie stanu techniki alternatory wytwarzają wystarczającą moc wyjściową przy swych rozmiarach i ciężarze i producenci samochodów zaczęli koncentrować się na środkach podejmowanych w celu zmniejszenia hałasów. Zmieniane są kształty i konfiguracje palców nabiegunnika w celu zwiększenia przepływu przez nie powietrza bez turbulencji powodującej hałas. Powstała potrzeba opracowania sposobu wytwarzania nabiegunnika ze zoptymalizowaną mocą wyjściową alternatora, w którym palce nabiegunnika byłyby skonstruowane bardziej pod względem zredukowania hałasu niż dla zwiększenia mocy wyjściowej, w celu znalezienia kompromisu pomiędzy tymi dwiema wielkościami.

Sposób według wynalazku został opracowany głównie z myślą o tym problemie.

Dalszym ważnym aspektem jest utrzymanie możliwie niskiej temperatury uzwojeń elektrycznych wirnika i stojana w alternatorze. W przeszłości znane było wyposażenie4

175 978 wału wirnika w przynajmniej jedną dmuchawę zamontowaną na nim na zewnątrz obudowy wirnika. Dmuchawa ta jest łączona z wnętrzem obudowy wirnika poprzez szereg wykonanych w niej szczelin. Konstrukcja taka, która jest pokazana szczegółowo na fig. 1, jest niewystarczająca ze względu na rozdział pomiędzy dmuchawą a wirnikiem. Ponadto zastosowanie wielu szczelin w obudowie wirnika powoduje zwiększenie wytwarzania hałasu, co nie jest do przyjęcia dla przemysłu samochodowego. Ponieważ rezystywność miedzi wzrasta wraz z temperaturą, skuteczna wentylacja alternatora będzie utrzymywać stosunkowo małą rezystywność miedzi. Ponieważ rezystywność miedzi jest odwrotnie proporcjonalna do natężenia prądu, gdy temperatura wzrasta, natężenie prądu w uzwojeniu alternatora będzie nieuchronnie zmniejszać się. Ponieważ strumień magnetyczny jest proporcjonalny do natężenia prądu, moc wyjściowa alternatora jest bezpośrednio związana z jego temperaturą. Powstało zatem zapotrzebowanie na sprawny układ chłodzenia alternatora, który nie zwiększa znacznie hałasu wytwarzanego przez alternator.

Wynalazek dotyczy ulepszonego sposobu wytwarzania nabiegunnika alternatora posiadającego półrdzeń i wiele obwodowo rozmieszczonych palców, przez poddanie kawałka stali procesowi kucia na gorąco, kształtując go w oprzyrządowaniu kuźniczym do pierwszej kształtki ogólnie podobnej do końcowego kształtu gotowego nabiegunnika, zanurzenie tej pierwszej kształtki w co najmniej jednej kąpieli fosforanowej smarującej jej zewnętrzne powierzchnie i wybijanie na zimno pierwszej kształtki, za pomocą oprzyrządowania do wybijania na zimno, redukując grubość żądanych regionów pierwszej kształtki i otrzymania drugiej kształtki o strukturze ziarnistej spłaszczonej w porównaniu ze strukturą ziarnistą pierwszej kształtki.

W sposobie według wynalazku przeprowadza się etap obróbki pełnego wykańczania, w którym hartuje się żądane powierzchnie drugiej kształtki i formuje się centralny otwór przelotowy, przy czym w etapie formowania prowadzi się formowanie wypływowe materiału drugiej kształtki przez ograniczony otwór i zagina się palce do ich końcowej konfiguracji tworząc trzecią końcową kształtkę, którą poddaje się wysoko zasadowej kąpieli i wyżarza się tę trzecią kształtkę w temperaturze 800-950°C przez 20-60 minut, po czym stopniowo ochładza do temperatury otoczenia w przeciągu 270-310 minut.

W etapie formowania prowadzi się podetapy, w których a) częściowo kształtuje się otwór przez formowanie wypływowe materiału drugiej kształtki poprzez ograniczony otwór przy zachowaniu kształtu cylindrycznego i zapobieżeniu rozerwaniu; i następnie b) doprowadza się do końca tworzenie otworu przez wprowadzenie do częściowo utworzonego otworu słupka ruchem posuwisto zwrotnym przepychając materiał z drugiej kształtki do nieograniczonego otworu dla dokończenia tworzenia otworu. Tuż po zakończeniu etapu formowania przeprowadza się etap hartowania.

Etap formowania końcowej trzeciej kształtki przeprowadza się tuż przed zakończeniem formowania wymienionego otworu.

W sposobie według wynalazku jako kąpiel wysoko zasadową stosuje się kąpiel o pH 14, która usuwa stearyniany cynku z trzeciej kształtki, zaś etap wyżarzania prowadzi się w atmosferze obojętnej, przy czym jako obojętną atmosferę stosuje się mieszaninę zawierającą 95% azotu i około 5% wodoru.

Etapowi wykańczającej obróbki według wynalazku poddaje się kształtkę otrzymaną w etapie kucia na gorąco, które prowadzono przez a) ogrzewanie kawałka stali do temperatury nieco poniżej jej temperatury topnienia, b) spłaszczania wymienionego kawałka stali, c) kucia na gorąco wymienionego kawałka stali do postaci pierwszej kształtki z grubsza przypominającej gotowy nabiegunnik i d) dalej kuje się na gorąco pierwszą kształtkę, którą przed etapem kąpieli śrutuje się usuwając nieregulamości, po czym poddaje co najmniej jednej kąpieli fosforanowej, korzystnie wielu kąpielom fosforanowym.

W etapie wybijania na zimno przeprowadza się podetapy a) wyrównywania brzegów wypływki z obwodu pierwszej kształtki, b) zgniatania pierwszej kształtki dla zredukowania grubości żądanych regionów do 10 % i c) zmiany kształtu palców podczas podetapu zgniatania zapewniając równoległość palców w stosunku do półrdzenia.

175 978

Bardziej szczegółowo, przy wytwarzaniu nabiegunnika alternatora według zasad wynalazku:

(A) Stalowy pręt dzieli się na małe kawałki przez cięcie na zimno. Wielkość każdego kawałka podzielonego pręta stalowego jest określona na podstawie żądanej objętości nabiegunnika.

(B) Następnie każdy kawałek podzielonego pręta stalowego ogrzewa się do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia stali, tak że każdy kawałek jest giętki. Następnie każdemu kawałkowi nadaje się początkowy kształt ogólnie zbliżony do gotowego nabiegunnika, w prasie do kucia na gorąco. Ten etap kucia na gorąco obejmuje trzy podetapy, z których pierwszy obejmuje rozpłaszczanie kawałka z późniejszym umieszczeniem pomiędzy połówkami dwóch kolejnych zestawów oprzyrządowania, które są ściskane razem dla wytworzenia początkowego pierwszego kształtu nabiegunnika.

(C) Następnie ten początkowo ukształtowany kawałek jest śrutowany w celu usunięcia nieregulamości powierzchni, takich jak zgorzelina i tlenki żelaza, a następnie jest obrabiany chemicznie w szeregu kąpieli fosforanowania. Ten etap fosforanowania nazywany jest również parkeryzacją. Etap parkeryzacji wyposaża powierzchnię nabiegunnika w środek smarowy, który zwiększa skuteczność późniejszego procesu wybijania na zimno.

(D) Następnie początkowo ukształtowany kawałek jest poddawany wybijaniu na zimno, przy czym początkowo ukształtowany kawałek jest zgniatany pod wysokim ciśnieniem, aby zapewnić zmniejszenie grubości przy równoczesnym rozpłaszczaniu struktury ziaren stali, tworząc drugi kształt. Zmniejszenie grubości w pewnych aspektach struktury początkowo ukształtowanego kawałka może wynosić nawet 10%. Podczas prowadzenia procesu wybrania na zimno na początkowo ukształtowanego kawała powoduje się przyłożenie w niektórych regionach tego kawałka większej siły niż w innych, przez co wpływa się na naturę ziaren tego kawałka w pewnych regionach odmiennie niż w innych regionach. Dodatkowo, ponieważ nabiegunnik według wynalazku jest wykonany ze stali niskowęglowej, podczas procesu wybijania na zimno mogą być utworzone proste rzędy płaskich ziaren. Dodatkowym powodem przeprowadzania etapu wybijania na zimno jest eliminowanie z początkowo ukształtowanego nabiegunnika krzywizn w jego powierzchniach, które były konieczne dla ułatwienia wyjmowania początkowo ukształtowanego nabiegunnika z prasy do kucia na gorąco. W związku z tym w gotowym nabiegunniku niektóre powierzchnie muszą być prostopadłe do innych, jednakże tam gdzie takie prostopadłe powierzchnie mają być utworzone w oprzyrządowaniu prasy do kucia na gorąco, początkowo ukształtowany nabiegunnik nie byłby łatwo wyjmowany z oprzyrządowania przy przeprowadzaniu procesu wytwarzania. Konieczne jest zatem wprowadzenie niewielkich odchyleń od prostopadłości w oprzyrządowaniu prasy do kucia na gorąco ułatwiając wyjmowanie początkowo ukształtowanego nabiegunnika z oprzyrządowania prasy do kucia na gorąco. Podczas etapu wybijania na zimno potrzebna prostopadłość jest zapewniana przy zgniataniu metalu. Podczas procesu wybijania na zimno przeprowadzany jest etap wyrównywania, który oddziela od początkowo ukształtowanego nabiegunnika obwodowy kawałek złomu, który powstaje w miejscu połączenia powierzchni oprzyrządowania, które zostało użyte podczas etapu kucia na gorąco.

(E) Po wybijaniu na zimno i oddzieleniu wypływka na obwodzie części wybijanej na zimno część ta jest poddawana dwuetapowemu procesowi, który jest opisany przez zgłaszającego jako pełne wykańczanie części wybijanej na zimno. Ten dwuetapowy proces pełnego wykańczania obejmuje etap umocnienia przez zgniot oraz etap zginania. Ponadto proces pełnego wykańczania obejmuje unikalny etap wytłaczania, który służy do wykonania w nabiegunniku otworu dokładnie cylindrycznego i usytuowanego centralnie w nabiegunniku. Jest to istotne, aby uniknąć niewyważenia obrotów wynikowego wirnika alternatora. Proces pełnego wykańczania tworzy trzeci i końcowy kształt nabiegunnika.

(F) Następnie całkowicie wykończony nabiegunnik jest poddawany działaniu kąpieli o pH 14, aby usunąć z jego powierzchni stearyniany cynku, a następnie jest wyżarzany przez poddanie -go cyklowi podgrzewania i chłodzenia w kontrolowanej atmosferze, jak to

175 978 zostanie opisane bardziej szczegółowo poniżej. Stwierdzono, że obecność stearynianów cynku na powierzchni metalicznej’ uniemożliwia skuteczne spawanie. Przez usunięcie w ten sposób stearynianów cynku dmuchawa może być spawana z tylną powierzchnią każdego nabiegunnika. Etap wyżarzania powoduje rozszerzenie struktury ziaren w nabiegunniku, tak aby zwiększyć przenikalność magnetyczną i zapewnić przez to swobodniejszy przepływ magnetyzmu poprzez nabiegunnik w obwodzie magnetycznym utworzonym pomiędzy nabiegunnikami wirnika a stojanem alternatora. Zgłaszający odkrył pewien zakres temperatur etapu wyżarzania, w którym powiększanie struktury ziaren jest zwiększone do optymalnego stopnia. Ponadto czas chłodzenia jest specjalnie opracowany w celu kontrolowania stopnia wnikania węglika i perlitu w strukturę ziaren stali. Optymalnie perlit, który znajduje się w stali niskowęglowej, dyfunduje w strukturę ziaren, optymalizując przy tym przenikalność. Ponadto czas chłodzenia ma zapewnić najlepsze wytrącanie się węglika w miejscach połączenia ziaren, tak aby zwiększyć podatność wykończonego nabiegunnika na obróbkę skrawaniem. Jeżeli chłodzenie odbywa się za szybko, węglik nie dyfunduje do miejsc połączeń ziaren, na skutek czego nabiegunnik trudno jest obrabiać skrawaniem. Stosowana atmosfera wewnętrzna, zawierająca kombinację azotu i wodoru, uniemożliwia utlenianie na powierzchni nabiegunnika podczas procesu wyżarzania.

(G) Przy wytwarzaniu nabiegunnika zgodnie z zasadami damalazlńi przenikalność magnetyczna materiału jest zwiększana do optymalnego stopnia w porównaniu ze znanymi nubiskannikami. Nabiekannik może być wytwarzany z palcami nabiegunnika skonstruowanymi w celu zwiększenia redukcji hałasu przy równoczesnej optymalizacji mocy wyjściowej alternatora zawierającego nubiekunniki wykonane według wynalazku. Ponieważ nabiegunnik wytwarzany jest przy zastosowaniu procesu kucia na gorąco, by wytworzyć jego palce ze strukturami ziaren równoległymi do struktur ziaren reszty nabieguznik:a, palce te są niezwykle silne i całkowicie wytrzymałe na działające na nie siły gnące kiedy wirnik obraca się z dużymi prędkościami, np. 15 000 - 22 000 obrotów na minutę. Należy to porównać z wynikami, które są otrzymywane, kiedy nabiekunniZ wytwarzany jest w operacji tłoczenia, u następnie palce są odginane do ich końcowych konfiguracji. Jak opisano powyżej, konstrukcja taka nie jest wytrzymała na sity gnące przykładane do niej podczas obracania się z dużą prędkością i alternator jako taki musi być konstruowany z zapewnieniem większej szczeliny pomiędzy wirnikiem a stojanem niż w przypadku alternatorów wykorzystujących nabiegunniki wykonane według wynalazku, przez co zwiększa się ich moc wyjściowa.

Wynalazek przedstawia ulepszony sposób wytwarzania nabiegunnika alternatora, w którym różne etapy specjalnie przewidziano w celu polepszenia struktury ziarnistej gotowego nubiegunniku, a zatem jego przemkalności magnetycznej.

Sposobem według wynalazku wytwarza się nabiegunnik przy zastosowaniu procesu pełnego wykańczania, łączącego w sobie etap wybijania otworu, gięcia i obróbki skrawaniem w jednym dwuczęściowym etapie, co pozwala na zmniejszenie kosztów.

Jeszcze inną zaletą wynalazku jest opracowanie takiego procesu obejmującego etap wyżarzania przeprowadzany w atmosferze obojętnej.

Wynalazek jest bliżej wyjaśniony na podstanis załączonych rysunków, na których fig. 1 przedstawia w rozłożeniu na części widok perspektywiczny alternatora zawierającego nabiegunniki wykonane według wynalazku, fig. 2 przedstawia przekrój innej konstrukcji alternatora po zmontowaniu, fig. 3 przedstawia część podłużnego stalowego pręta otrzymanego przez cięcie na zimno, fig. 4, 5 i 6 przedstawiają przekroje poprzez oprzyrządowanie stosowane do przeprowadzenia operacji kucia na gorąco części podłużnego stalowego pręta przedstawionego na fig. 4, fig. 7, 8, 9 i 10 przedstawiają odpowiednie przekroje poprzez oprzyrządowanie i nabiegunnik zawarty w tym oprzyrządowaniu z pokazaniem etapu procesu wybijania na zimno w procesie według wynalazku.

Figura 11 przedstawia przekrój poprzez oprzyrządowanie i zawarty w nim nabiegunnik dla pierwszej części pierwszego etapu procesu pełnego wykańczania według wynalazku, fig. 12 przedstawia przekrój poprzez oprzyrządowanie i zawarty w nim nabiegunnik dla

175 978 drugiej części pierwszego etapu procesu pełnego wykańczania według wynalazku, fig. 13 przedstawia przekrój poprzez oprzyrządowanie i nabiegunnik zawarty w nim dla pierwszej części drugiego etapu procesu pełnego wykańczania według wynalazku, fig. 14 przedstawia przekrój poprzez oprzyrządowanie i nabiegunnik zawarty w nim dla drugiej części drugiego etapu procesu pełnego wykańczania według wynalazku.

Figura 15 przedstawia wykres czasu w funkcji temperatury dla etapu wyżarzania w procesie według wynalazku.

Figura 16 przedstawia przekrój poprzez pierścieniowy kształt stosowany do przeprowadzania pomiarów elektrycznych nabiegunnika wykonanego według wynalazku.

Figura 17 przedstawia przekrój części nabiegunnika z oznaczeniem pewnych obszarów, dla których przeprowadzono analizę struktury metalograficznej.

Figury 18,19 i 20 są mikrofotografiami przedstawiającymi struktury metalograficzne w odpowiednich regionach zaznaczonych na fig. 17, gdy nabiegunnik nie został wyżarzony, zaś fig. 21, 22 i 23 odpowiadają bezpośrednio fig. 18, 19 i 20, jednakże gdy, nabiegunnik został wyżarzony według wynalazku.

Figura 24 przedstawia wykres indukcji magnetycznej w teslach w funkcji amperozwojów na milimetr dla porównania nabiegunnika wykonanego według wynalazku ze znanym nabiegunnikiem.

Figura 25 przedstawia wykres przenikalności magnetycznej w funkcji natężenia prądu w amperach dla porównania tych samych nabiegunników co na fig. 24.

Poniżej przedstawiono korzystne przykłady wykonania wynalazku.

Na fig. 1 i 2 pokazano w rozłożeniu na części widok perspektywiczny i przekrój odpowiednio dwóch różnych alternatorów zawierających w sobie nabiegunniki wykonane według wynalazku. Na fig. 1 alternator jest ogólnie oznaczony przez 10 i zawiera połówki obudowy 11 i 27, które mieszczą stojan 13 nieruchomo zamontowany w wewnętrznej komorze obudowy. Wirnik 15 zawiera nabiegunniki 17 posiadające wiele rozmieszczonych obwodowo w odstępach palców 19, przy czym te nabiegunniki 17 są zamontowane w położeniu naprzeciw siebie, jak pokazano na fig. 1 i 2.

Jak to lepiej widać w alternatorze z fig. 2, uzwojenie 21 zawarte jest wewnątrz wirnika 15' wewnątrz palców 19' nabiegunników 17'. Wirnik 15' ma wał 23, który jest zamontowany obrotowo na łożyskach 25 wewnątrz stojana 13'. Dodatkowo każdy nabiegunnik 17' ma środkowy otwór 20 o wymiarach takich, aby przyjmował wał 23.

Obudowy 11' i 27' (fig. 2) są przeznaczone do centrowania stojana 13' i wirnika 15', przy czym wirnik ma dmuchawę 29' przyspawaną sztywno na każdym nabiegunniku 17' (fig. 2) i poruszaną wraz z nim ruchem wymuszonym w celu przewietrzania alternatora. Fig. 1 przedstawia alternatywny przykład realizacji dmuchawy 29, która jest zamontowana na zewnątrz obudowy 11, 27. Fig. 2 przedstawia inną alternatywę, gdzie dmuchawy 29' są przyspawane bezpośrednio na każdym z nabiegunników 17' i obracają się wraz z nimi.

Przy uwzględnieniu powyższego opisu fig. 1 i 2 widać szczególnie korzystne środowisko stosowania nabiegunników 17,17' wykonanych według wynalazku.

Przy praktycznej realizacji procesu według wynalazku stwierdzono, że zastosowanie stali niskowęglowej zwiększa przenikalność magnetyczną gotowego nabiegunnika dzięki działaniom jego struktury metalograficznej podlegającej procesowi według wynalazku. Poza węglem, innymi resztkowymi pierwiastkami śladowymi, które zwykle występują w stali niskowęglowej użytej przez zgłaszającego, są Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Nb, Ti, V, W, Pb, B, As, Se. Jak to zostanie opisane bardziej szczegółowo poniżej, te pierwiastki śladowe odgrywają ważną rolę w tworzeniu struktury metalograficznej podczas etapu procesu wyżarzania.

Stwierdzono, że optymalny sposób przygotowania kawałka stali do kucia na gorąco polega na otrzymaniu stali w podłużnych prętach, które są cięte na zimno na kawałki (fig. 3) o pewnej objętości, przy czym każdy kawałek odpowiada w przybliżeniu objętości nabiegunnika po kuciu na gorąco. Po cięciu pręta znanym sposobem każdy cięty kawałek stali jest ogrzewany do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia, tak że stal jest nieco plastyczna.

175 978

Następnie każdy kawałek jest oddzielnie doprowadzany do maszyny trzyetapowego kucia na gorąco.

Kawałek stali ma kształt zasadniczo cylindryczny z zasadniczo kołowym obwodem i z osią wzdłużną. W pierwszym etapie kucia na gorąco (fig. 4) kawałek stali umieszcza się na podporze tak, że wzdłużna oś tego kawałka stali jest prostopadła do płaszczyzny podpory. Następnie wymieniony kawałek stali poddaje się działaniu zwrotnego nacisku, aby rozpłaszczyć go, co powoduje silne rozszerzenie się kawałka stali przy obwodzie z równoczesnym zmniejszeniem wymiaru pionowego w kierunku jego poprzedniej osi wzdłużnej. Opisane silne rozszerzenie kawałka stali przeprowadzane jest w celu zapewnienia, że materiał będzie przykrywać całą powierzchnię oprzyrządowania, które zostanie później zastosowane. W dalszym aspekcie etap przedstawiony na fig. 4 służy do usunięcia łusek powierzchniowych z kawałka stali powstałych podczas ogrzewania poprzedzającego etap przedstawiony na fig. 4.

W drugim i trzecim etapie kucia na gorąco (fig. 5 i 6) rozpłaszczony kawałek stali umieszcza się natychmiast pomiędzy dwiema połówkami oprzyrządowania, z których jedna jest nieruchoma, a druga jest zamontowana z możliwością ruchu posuwisto-zwrotnego względem niej, tak że ruchoma połówka oprzyrządowania może być poruszana ruchem posuwisto-zwrotnym z dużą siłą do sprzężenia z pierwszą połówką oprzyrządowania z rozpłaszczonym kawałkiem stali pomiędzy nimi, tak że przeprowadza się etapy kucia, kształtując kawałek stali zwykle do kształtu nabiegunnika. Jak powinno być wiadome fachowcom, wewnętrzne ściany oprzyrządowania do kucia na gorąco są wykonane z kątami nieco rozwartymi pomiędzy nimi w celu ułatwienia wyjmowania kutej kształtki z oprzyrządowania. Odpowiednie ściany w gotowym nabiegunniku będą prostopadłe do siebie, jednakże gdyby odpowiednie ściany w oprzyrządowaniu kucia na gorąco wykonać jako wzajemnie prostopadłe, spowodowałoby to utrudnienie wyjmowania kutego na gorąco, początkowo ukształtowanego nabiegunnika z oprzyrządowania. Niewielka rozwartość kąta pomiędzy powierzchniami pionowymi a powierzchniami poziomymi oprzyrządowania ułatwia wyjmowanie kutej kształtki z oprzyrządowania do dalszej obróbki. Nawiązując zwłaszcza do fig. 5, rozpłaszczony kawałek stali jest prasowany pomiędzy połówkami oprzyrządowania pokazanego na fig. 5 dając kształtkę o objętości zasadniczo identycznej jak wymagana objętość po przeprowadzeniu etapu wykorzystującego oprzyrządowanie przedstawione na fig. 6. Nabiegunnik istniejący po przeprowadzeniu etapu z wykorzystaniem oprzyrządowania z fig. 5 ma surowy kształt z promieniem większym niż jego żądany promień końcowy, aby umożliwić łatwiejsze płynięcie jego materiału przy najmniejszym możliwym przyłożeniu siły i przy najmniejszym tarciu. W ten sposób zmniejsza się zużycie oprzyrządowania jak również ryzyko pęknięcia oprzyrządowania. Po poddaniu nabiegunnika działaniu oprzyrządowania z fig. 5 stosuje się oprzyrządowanie z fig. 6, aby dokładnie utworzyć nabiegunnik o wymaganych wymiarach przed wybijaniem na zimno, które to wymiary określają pierwszy kształt.

Po zakończeniu etapów procesu kucia na gorąco każdy nabiegunnik jest piaskowany. Ponieważ kawałek stali był nagrzany do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia stali w celu ułatwienia procesu kucia na gorąco, powinno być zrozumiałe, że kiedy stal chłodzi się po zakończeniu procesu kucia na gorąco, na powierzchniach początkowo ukształtowanego nabiegunnika powstaje pewna liczba łusek i innych nieregularności powierzchni. Etap piaskowania ułatwia usuwanie wszelkich łusek metalu i wszelkich dużych nieregularności powierzchni z początkowo ukształtowanego nabiegunnika.

Po piaskowaniu każdego początkowo ukształtowanego nabiegunnika poddaje się go procesowi parkeryzacji, w którym każdy nabiegunnik podlega działaniu wielu kąpieli. Etapy piaskowania i parkeryzacji (fosfatyzacji) są znane w wytwarzaniu części stalowych i są tu przeprowadzane jako konwencjonalne. Etap parkeryzacji tworzy na powierzchni nabiegunnika smar, który zwiększa skuteczność późniejszego procesu wybijania na zimno.

Następnie każdą kształtkę poddaje się procesowi wybijania na zimno, jak przedstawiono na fig. 7-10. W procesie wybijania na zimno kształtkę umieszcza się na narzędziu,

175 978 do którego dociska się drugie narzędzie pod ciśnieniem rzędu 350-490 MPa, zgniatając metal i zmniejszając jego wymiary nawet do 10%. Równocześnie obrzeże oprzyrządowania stosowanego do wybijania na zimno jest specjalnie ukształtowane, tak aby wyeliminować kąty rozwarte, które były potrzebne początkowo do ułatwiania wyjmowania początkowo ukształtowanego nabiegunnika z oprzyrządowania do kucia na gorąco. Po zakończeniu wybijania na zimno opisane wyżej powierzchnie są prostopadłe do siebie, jak to jest wymagane w gotowym nabiegunniku. Proces wybijania na zimno tworzy drugi kształt pośredni.

Jak pokazano na różnych rysunkach, nabiegunnik ma środkową wzniesioną część nazywaną półrdzeniem. W procesie kalibrowania na zimno struktura metalograficzna metalu jest rozpłaszczana, gdy metal jest zgniatany w celu zmniejszenia jego wymiarów. Ze względu na wymiary półrdzenia pokazanego na rysunkach i konkretne wymiary oprzyrządowania pokazanego na fig. 7-10 jego duże pole powierzchni powoduje, że przyjmuje on większą siłę podczas kalibrowania na zimno, i dlatego siły zgniatające działające na ten 'półrdzeń są większe niż w innych obszarach nabiegunnika. W praktyce ten 'półrdzeń nabiegunnika może przyjmować nawet dwukrotnie większą siłę zgniatającą niż obrzeże nabiegunnika. Stwierdzono, że przy skonstruowaniu urządzenia do wybijania na zimno tak, aby zapewnić zwiększoną siłę zgniatania na półrdzeniu, ziarna w półrdzeniu stają się znacznie większe przy ogrzewaniu podczas procesu wyżarzania. Ponieważ półrdzeń jest źródłem strumienia z uzwojenia alternatora, obecność większych ziaren w tym 'półrdzeniu umożliwia swobodniejszy przepływ magnetyzmu przez niego, inaczej mówiąc istnieje większa przenikalność magnetyczna.

Na fig. 7 przedstawiono nabiegunnik umieszczony pomiędzy połówkami oprzyrządowania urządzenia do wybijania na zimno przed przyłożeniem ciśnienia. Na fig. 8 pokazano górną połowę lub część stemplową urządzenia do kalibrowania na zimno doprowadzoną do sprzężenia z nabiegunnikiem i przemieszczającą ten nabiegunnik do dołu, tak że krawędzie obwodowe stempla stykają się z otworem dolnego zagłębienia oprzyrządowania, aby odciąć wypływek od obwodu nabiegunnika. W tym punkcie procesu wybijania na zimno na powierzchnie nabiegunnika nie działa żadne znaczne ciśnienie. Na podstawie porównania fig. 8 i 7 jest oczywiste, że ruch do dołu pomiędzy fig. 7 i 8 zrealizował tylko (a) odcięcie wypływka od obwodu nabiegunnika i (b) wprowadzenie nabiegunnika do wnętrza zagłębienia wykonanego w dolnej połowie oprzyrządowania.

Następnie, jak pokazano na fig. 9, górna połowa oprzyrządowania lub stempel jest doprowadzany do sprzężenia ze zwróconą do góry powierzchnią nabiegunnika, zmieniając przez to kształt palców, jak również zewnętrznych powierzchni półrdzenia. Na fig. 10 pokazano, że dalszy ruch stempla powoduje przyłożenie ciśnienia do całej powierzchni nabiegunnika. Jak to należy zrozumieć z fig. 10, końce palców i obwód półrdzenia podlegają działaniu większego ciśnienia niż' inne części nabiegunnika. Obszary te są oznaczone przez 2 na fig. 17, jak to zostanie opisane bardziej szczegółowo poniżej. Jak wykazano dalej, wynikiem wywierania większego ciśnienia na obszary 2, jak pokazano na fig. 17, jest ulepszanie tych powierzchni zgniotem.

Warto tu zauważyć wyraźną zaletę procesu realizowanego przy wytwarzaniu nabiegunników według zasad przedmiotowego wynalazku w porównaniu z poprzednimi sposobami. Według jednego znanego sposobu nabiegunnik kuje się w kształcie płaskim, przypominającym gwiazdę, przy czym palce nabiegunnika kształtuje się przez zginanie ostrzy tej gwiazdy w procesie gięcia, tak że ostrza te są prostopadłe do środkowej części gwiazdy, przez co powstaje nabiegunnik w kształcie podobnym do opisanego tu. Jednakże przy stosowaniu takiej operacji gięcia ziarna nabiegunnika nie są usytuowane wzajemnie zgodnie. To znaczy, ziarna palców takiego nabiegunnika są usytuowane prostopadle do ziaren części środkowej. W porównaniu z tym, w sposobie według wynalazku, ponieważ palce i część środkowa są wykonane przez kucie bez późniejszego znacznego gięcia palców, wszystkie ziarna całego nabiegunnika są zasadniczo zorientowane zgodnie ze sobą w tym samym kierunku, przez co zwiększa się przenikalność magnetyczna. Zastosowanie procesu

175 978 kucia na gorąco, w którym wytwarza się nabiegunnik, początkowo przynajmniej ogólnie w jego końcowym kształcie, stanowi zatem ważną zaletę w porównaniu ze stanem techniki. Kiedy nabiegunnik jest wykonany jak opisano powyżej, kuty w płaskiej konfiguracji przypominającej gwiazdę z palcami nabiegunników tworzonymi przez zaginanie ostrzy gwiazdy w procesie gięcia, gotowy nabiegunnik nie może zawierać półrdzenia w porównaniu z integralnie utworzonym półrdzeniem w nabiegunniku wykonanym według wynalazku. Kiedy zatem wirnik alternatora jest zbudowany z zastosowaniem nabiegunników takich, jakie są znane ze stanu techniki, często trzeba wprowadzać oddzielny rdzeń pomiędzy pary nabiegunników. Szczeliny pomiędzy odpowiednimi przeciwległymi powierzchniami czołowymi rdzenia a powierzchniami czołowymi nabiegunnika stanowią dwie pasożytnicze szczeliny powietrze, które zmniejszają moc wyjściową alternatora. W przeciwieństwie do tego problemu, kiedy nabiegunniki są wykonane według wynalazku każdy nabiegunnik ma półrdzeń i kiedy nabiegunniki te są zmontowane razem w wirniku alternatora, zwrócone do siebie powierzchnie odpowiednich półrdzeni stykają się ze sobą, tworząc tylko pojedynczą potencjalną pasożytniczą szczelinę powietrzną, przez co zmniejsza się o połowę spadek mocy wyjściowej powodowany przez pasożytnicze szczeliny powietrzne.

Trzeba zauważyć, że kiedy nabiegunnik jest wykonany według wynalazku, prawie doskonała symetria kierunku ziaren zwiększa wytrzymałość na siły gnące, które są wywierane na palce nabiegunnika przy dużej prędkości obrotowej wirnika alternatora. Ponadto, ponieważ nabiegunnik wykonany według wynalazku zawiera integralny półrdzeń, nabiegunnik może mieć zwiększoną grubość zapewniając większą wytrzymałość na siły gnące.

Stwierdzono, że kiedy stal niskowęglowa jest zgniatana w procesie wybijania na zimno, powstają proste szeregi płaskich ziaren. Pomiar przenikalności magnetycznej w tym etapie wytwarzania nabiegunnika wykazuje małą przenikalność magnetyczną. Ważne jest zatem, aby mieć na uwadze, że po procesie wybijania na zimno trzeba albo przeprowadzić rekrystalizację struktury metalograficznej, albo przywrócić wielkość ziaren do wystarczającego poziomu, by zwiększyć przenikalność magnetyczną.

Podczas procesu wybijania na zimno, jak to najlepiej widać na fig. 7 i 8, obrzeże nabiegunnika jest wyrównywane, aby oddzielić od niego wypływek utworzony podczas początkowego procesu kucia na gorąco. Ruch górnej połowy oprzyrządowania ze swą ostrą krawędzią obwodową obcina obwód nabiegunnika, aby usunąć ten wypływek, który jest złomowany lub zawracany. Następnie nabiegunnik poddawany jest dwuetapowemu czterostopniowemu procesowi pełnego wykańczania. Na fig. 11, 12,13 i 14 przedstawiono odpowiednie przekroje etapów i faz procesu pełnego wykańczania. Jak pokazano na fig. 11 i 12, oprzyrządowanie 40 dla pierwszego etapu procesu pełnego wykańczania zawiera obudowę 41 zawierającą nieruchome narzędzie 43 posiadające mały otwór 45 o kształcie cylindrycznym i o średnicy X, który powiększa się do zwiększonej komory 47 poniżej. Narzędzie 49 ruchome ruchem posuwisto-zwrotnym zawiera środkowy otwór 51, który suwliwie przyjmuje słupek 53 poruszający się ruchem posuwisto-zwrotnym. Ten słupek 53 jest zasadniczo cylindryczny i ma średnicę Y większą niż średnica X. Jak pokazano na fig. 11, w pierwszej fazie pierwszego etapu procesu pełnego wykańczania narzędzie 49 jest przemieszczane do sprzężenia z górnymi powierzchniami nabiegunnika 17 w taki sposób, że jego pewne powierzchnie są ulepszane przez zgniot. W związku z tym należy zwrócić teraz uwagę na fig. 17, gdzie powierzchnie oznaczone przez 2 są odpowiednio ulepszone przez zgniot na skutek doprowadzenia narzędzia 49 do sprzężenia z nimi.

Jak pokazano na fig. 12, kiedy narzędzie 49 jest utrzymywane w stałym sprzężeniu z górnymi powierzchniami nabiegunnika 17, słupek 53 jest przemieszczany, aby wtłoczyć część półrdzenia nabiegunnika 17 poprzez otwór 45 połówki 43 narzędzia i częściowo w komorę 47. Operacja ta jest nazywana wytłaczaniem i trzeba tu zauważyć, że średnica Y słupka 53 jest większa w porównaniu ze średnicą X otworu 45. Różnica tych średnic powoduje, że otwór 45 działa jako ogranicznik (nazwa znana w technice hydraulicznej). Stwierdzono, że na skutek zastosowania średnicy otworu 45 mniejszej niż średnica słupka 53 otwór wytwarzany w nabiegunniku 17 przez słupek 53 jest utrzymywany jako dokładnie

175 978 cylindryczny. Ponadto ograniczające działanie otworu 45 zapobiega pękaniu materiału naciskanego przez słupek 53 przed zakończeniem tej operacji.

Drugi etap procesu pełnego wykańczania opisany będzie na podstawie fig. 13 i 14. Nabiegunnik 17 obroniony zgodnie z fig. 12 zostaje wyjęty z oprzyrządowania 40 i umieszczony w oprzyrządowaniu 60, jak pokazano na fig. 13. Oprzyrządowanie 60 zawiera obudowę 61 i dolną połowę 63 oprzyrządowania zawierającą otwór 65 uchodzący we wnękę 67. Otwór 65 ma kształt cylindryczny i średnicę Z. Oprzyrządowanie 60 zawiera również ruchomą połówkę 69, która ma środkowy otwór 71 suwliwie przyjmujący podłużny słupek cylindryczny 73. Słupek 73 ma średnicę Y odpowiadającą średnicy Y słupka 53 z fig. 11 i 12. Ponadto średnica Z otworu 65 jest nieco większa niż średnica Y, tak że otwór 65 nie stanowi żadnego oporu dla ruchu posuwisto-zwrotnego słupka 73 w nim. W pierwszej fazie drugiego etapu procesu pełnego wykańczania, jak przedstawiono na fig. 13, z nabiegunnikiem 17 umieszczonym na połówce 63 oprzyrządowania, połówka 69 oprzyrządowania jest przemieszczana do sprzężenia z jego górnymi powierzchniami. Połówka 69 oprzyrządowania ma zewnętrzne obwodowe powierzchnie 70, które są specjalnie ukształtowane tak, aby giąć palce 19 do kształtu odpowiadającego żądanemu kształtowi gotowemu.

Po przemieszczeniu połówki 69 oprzyrządowania do położenia pokazanego na fig. 13 słupek 73 jest przemieszczany w celu odcięcia kawałka 60 i wykończenia otworu 20 poprzez nabiegunnik 17. Średnica otworu 65 umożliwia przesuwanie się słupka 73 w nim bez przeszkód ze strony jego ścianek.

Aby lepiej zrozumieć proces przedstawiony na fig. 11-14, należy mieć na uwadze, że połówka 49 oprzyrządowania pokazana na fig. 11 i 12 wywiera siłę na nabiegunnik 17 w przybliżeniu 400 MPa. Natomiast słupek 53 wywiera na nabiegunnik 17 siłę w przybliżeniu 1300 MPa, aby ułatwić wykonanie w nim otworu 20.· Przy zakończeniu procesu pełnego wykończenia nabiegunnik ma swój trzeci i ostateczny kształt.

Po zakończeniu procesu pełnego wykończenia przedstawionego na fig. 11-14 nabiegunnik jest poddawany działaniu kąpieli o pH 14, aby usunąć stearyniany cynku z jego powierzchni, tak żeby można było przyspawać dmuchawę do powierzchni nabiegunnika. Stearyniany cynku uniemożliwiają skuteczne spawanie. Z dmuchawą przyspawaną. do tylnej powierzchni każdego nabiegunnika możliwe jest skuteczne przewietrzanie alternatora ze znacznym zmniejszeniem szumów w porównaniu z możliwościami konstrukcji według stanu techniki. Przy zapewnieniu skutecznej wentylacji temperatura alternatora, zwłaszcza jego miedzianych uzwojeń, jest utrzymywana na stosunkowo niskim poziomie, przez co utrzymuje się rezystywność miedzi w uzwojeniach na stosunkowo niskim poziomie, aby zwiększyć przez to strumień magnetyczny, jak to wyjaśniono powyżej. Następnie nabiegunnik poddawany jest procesowi wyżarzania. W procesie wyżarzania nabiegunnik zostaje umieszczony w atmosferze obojętnej, aby uniemożliwić utlenianie jego powierzchni. W korzystnym procesie obojętna atmosfera złożona jest w przybliżeniu z 95% azotu i 5% wodoru w mieszaninie. Według stanu techniki, aby przygotować powierzchnie do spawania, zwykle stosowano obróbkę skrawaniem lub szczotkowanie. Stwierdzono, że zastosowanie kąpieli pH o 14 jest najskuteczniejszym sposobem usuwania stearynianów cynku z powierzchni i jest bardziej opłacalne niż obróbka skrawaniem lub szczotkowanie. Dzięki temu zmniejszają się koszty procesu według wynalazku.

Etap wyżarzania jest zilustrowany w odniesieniu do fig. 15, gdzie pokazano wykres temperatury w funkcji czasu dla szczegółowego przedstawienia procesu wyżarzania. Całkowicie wykończony nabiegunnik ogrzewa się od temperatury otoczenia do 800-950°C w czasie jednej godziny i dziesięciu minut do jednej godziny i trzydziestu minut. Następnie nabiegunnik utrzymywany jest w maksymalnej temperaturze przez 20-60 minut. Następnie nabiegunnik jest stopniowo chłodzony z powrotem w przybliżeniu do temperatury otoczenia w czasie 270-310 minut.

Stwierdzono, że im większy jest procent zmniejszenia grubości podczas procedury wybijania na zimno, tym mniejsza musi być maksymalna temperatura dla skutecznego wyżarzania.

175 978

Stwierdzono, że opisane powyżej pierwiastki śladowe wchodzą w strukturę metalograficzną poprzez dyfuzję w fazie ogrzewania procesu wyżarzania, kiedy ziarna rozszerzają się. Jeżeli faza chłodzenia procesu wyżarzania przebiega zbyt powoli, węgliki żelaza osadzają się na połączeniach ziaren. Jeżeli faza chłodzenia procesu wyżarzania przebiega zbyt szybko, wówczas w ziarnie powstaje perlit jako połączenie węgla i żelaza i dyfunduje poprzez ziarna. W takich okolicznościach bardzo niewiele węglika żelaza znajduje się w miejscach połączenia pomiędzy ziarnami. Dla uzyskania optymalnych wyników czas chłodzenia jest ustalony tak, że cząstki perlitu dyfundują poprzez strukturę metalograficzną, a węglik żelaza usytuowany jest w miejscach połączenia.

Stwierdzono, że jeśli chłodzenie w procesie wyżarzania jest przeprowadzane zbyt szybko, wówczas trudno jest obrabiać skrawaniem uzyskany nabiegunnik, jeżeli obróbka skrawaniem jest konieczna lub pożądana. Ponadto w takich okolicznościach trudno jest skrawać materiał, na skutek czego wykończony nabiegunnik ma nieestetyczny wygląd. Łatwo można zatem stwierdzić, kiedy faza chłodzenia procesu wyżarzania przebiegała zbyt szybko, ponieważ na powierzchni są ślady obróbki.

Stwierdzono ponadto, że kiedy faza chłodzenia w procesie wyżarzania jest przeprowadzana w optymalnym zakresie czasu, wówczas perlit dyfunduje poprzez wnętrze ziaren metalu, dzięki czemu uzyskuje się optymalną przenikalność magnetyczną. Ponadto, kiedy czas chłodzenia jest zoptymalizowany w zakresie 270-310 minut, wówczas węgliki żelaza są usytuowane głównie w miejscach połączenia pomiędzy ziarnami, dzięki czemu nabiegunnik daje się łatwiej obrabiać skrawaniem.

Na podstawie fig. 17 - 23 niektóre z wyników praktycznej realizacji procesu według wynalazku staną się lepiej zrozumiałe. Po pierwsze, fig. 17 przedstawia przekrój poprzez jedną połówkę nabiegunnika 17 zawierającego palce 19. Fig. 17 przedstawia trzy regiony 1, 2 i 3 na nabiegunniku, które odnoszą się do fig. 18,19 i 20, jak również do fig. 21,22 i 23, jak to zostanie jeszcze opisane bardziej szczegółowo poniżej.

Na fig. 18, 19 i 20 przedstawiono mikrofotografie odpowiednich regionów 1, 2 i 3 pokazanych na fig. 17 dla nabiegunnika, który był wybijany na zimno, ale nie był jeszcze poddany wyżarzaniu. Szczególną uwagę należy zwrócić na fig. 19, gdzie pokazano wynik ulepszania przez zgniot na powierzchniach regionu 2, co jest wyraźniej widoczne w porównaniu z regionem 3 pokazanym na fig. 17, który nie jest ulepszony przez zgniot, oraz w porównaniu z regionem 1, który jest ulepszony przez zgniot, ale w mniejszym stopniu niż region 2.

Figury 21, 22 i 23 zasadniczo odpowiadają fig. 18,19 i 20, przy czym fig. 21 przedstawia region 1, fig. 22 przedstawia region 2, a fig. 23 przedstawia region 3, które są pokazane na fig. 17. Jednakże na fig. 21, 22 i 23 nabiegunnik został wyżarzony z temperaturą grzania w fazie grzania nabiegunnika wynoszącą 880°C. Przy porównaniu fig. 21 z fig. 18, fig. 22 z fig. 19 i fig. 23 z fig. 20 można łatwo zaobserwować rozszerzenie się struktury metalograficznej, jak również większą wyrazistość granic ziaren dzięki fazie ogrzewania w procesie wyżarzania. Powinno wyjaśnić to, że proces wyżarzania przeprowadzony według wynalazku zwiększa przenikalność magnetyczną na skutek rozszerzenia się struktury metalograficznej, wyraźnego określenia granic ziaren i utworzenia drogi magnetycznej, która stawia znacznie mniejszy opór strumieniowi magnetycznemu niż byłoby to w przypadku pominięcia etapu wyżarzania.

Na fig. 16 pokazano przekrój poprzez pierścień użyty przez zgłaszającego do badania różnych właściwości magnetycznych i elektrycznych nabiegunnika wykonanego zgodnie z zasadami wynalazku w porównaniu z nabiegunnikami wytworzonymi innymi sposobami.

Jak pokazano na fig. 16, pierścień ten jest zasadniczo cylindryczny i ma przelotowy kołowy otwór o średnicy d. Pierścień ten ma zewnętrzną średnicę D i grubość e od góry do dołu. Przy badaniu właściwości nabiegunnika wykonanego zgodnie z wynalazkiem pierścienie, takie jak przedstawiony na fig. 16, wytwarza się przy zastosowaniu z jednej strony opisanego tu procesu, a z drugiej strony procesu znanego. Zgłaszający jest świadom tego, że poszczególne etapy procesu, które zostały zastosowane przy wywarzaniu materiału,

175 978 z którego wykonany jest znany pierścień, różnią się od procesu według wynalazku. Znany pierścień wytwarza się z nabiegunnika wykonanego znanym sposobem. W każdym przypadku pierścień ma jednakową liczbę zwojów drutu, którego końce są dołączone do źródła prądu elektrycznego. Dla każdej wartości doprowadzanego prądu zmierzono następujące wielkości:

DΦ = zmiana strumienia w miliweberach (mWb)

B = indukcja w teslach (T) μ = przenikalność magnetyczna (bez jednostek)

H = amperozwoje na milimetr (Azw/mm)

Pierścień 80, który był wytworzony według wynalazku, ma następujące wymiary:

D = 40,118 mn d = 19,854 mm e = 10,042 mm przekrój = ((D-d)/2) x e = 101,745 mm²długość obwodu magnetycznego = 94,203 mm

Tabela 1 podaje wyniki wprowadzania różnych poziomów prądu od 0,25 A do 5 A.

Znany pierścień 80 ma następujące wymiary:

D == 39,996 mm d = 19,938 mm e = IO1I5 mm przekrój = (D-d)/2) x e = 101,794 mm2 długość obwodu magnetycznego = 94,166 mm

Tabela 2 zawiera dane zebrane przy doprowadzaniu prądu o natężeniach od 0,25 A do 5 A dla obwodu magnetycznego.

Na fig. 24 porównano pierścień zgłaszającego ze znanym pierścieniem na wykresie indukcji magnetycznej w teslach w funkcji amperozwojów na milimetr. Jak widać pierścień według wynalazku ATG działa skuteczniej niż znany pierścień przy wszystkich poziomach na wykresie.

Na fig. 25 przedstawiono przenikalność magnetyczną w funkcji natężenia doprowadzanego prądu w amperach i znowu okazuje się, że pierścień według wynalazku jest pod względem przenikalności magnetycznej lepszy dla każdego natężenia doprowadzanego prądu. Oczywiście lepsza przenikalność magnetyczna zapewniana przez wynalazek daje w wyniku lepsze działanie alternatora z nabiegunnikami wykonanymi według wynalazku.

Tabela 1

I	D Φ	B	μ	H
0,25	3,67	2,63	2083	92,8
0,5	21,67	0,529	2526	185,7
0,75	29,33	0,823	2352	278,6
1,0	35,33	0,99	2124	371
1,5	42,57	1,19	1710	557
2,0	45,33	1,273	1363	743
2,5	48,00	1,348	1154	928
3,0	50,00	1,40	1002	1114
3,5	51,33	1,44	882	1300
4,0	52,17	1,464	784	1486
4,5	53,33	1,497	712	1671
5,0	54,00	1,516	6,49	1857

175 978 Tabela 2

I	D Φ	B	μ	H
0,25	3,33	0,093	800,25	93,0
0,5	12,67	0,355	1521,2	185,0
0,75	20,67	0,579	1654	278,8
1,0	27,00	0,757	1622	371
1,5	35,00	0,982	1400	557
2,0	39,00	1,09	1171,5	743
2,5	42,00	1,17	1009	929
3,0	45,00	1,26	901	1115
3,5	46,00	1,291	789	1301
4,0	48,00	1,347	720	1487
4,5	48,67	1,375	654	1672
5,0	51,00	1,431	612	1858

Przy wytwarzaniu nabiegunnika zgodnie· z zasadami przedmiotowego wynalazku wyeliminowane zostały kompromisy właściwe procesom według stanu techniki i odpowiednie kompromisy pomiędzy mocą wyjściową, hałasem i ciężarem mogą być odpowiednio zlikwidowane w ulepszonym nabiegunniku. W związku z tym zastosowanie kucia na gorąco przy wysokiej temperaturze, po czym następuje proces wybijania na zimno, umożliwia otrzymanie bardzo dokładnych, powtarzalnych kształtów. Ponadto zgodnie z etapem wyżarzania procesu według wynalazku, wynikowa rekrystalizacja struktury metalograficznej i równoczesne jej rozszerzenie się zwiększa przenikalność magnetyczną w dużym stopniu, jeśli porównać ze stanem techniki.

Ponadto proces według wynalazku nie jest zbyt kosztowny w porównaniu ze znanymi procesami, zwłaszcza jeśli chodzi o potrzebny czas i koszty przygotowania odpowiedniego oprzyrządowania wykorzystywanego podczas procesu wytwarzania. Zgodnie z doświadczeniem zgłaszającego, możliwe jest przygotowanie całego oprzyrządowania i procedur wytwarzania nabiegunnika według wynalazku w ciągu około jednego miesiąca kosztem 20 000 - 40 000 USD. Natomiast w przypadku procesów według stanu techniki przygotowanie oprzyrządowania i procesów produkcji może zająć nawet 6-12 miesięcy, a koszt wynosi 250 000 - 500 000 USD.

W innym przykładzie, gdy znany proces jest przeprowadzany całkowicie na zimno, wymaga on pras o bardzo dużym nacisku, ponieważ nie stosuje się kucia na gorąco, zatem jest dość ograniczony jeśli chodzi o kształty, które można otrzymać, a ponadto pomiędzy poszczególnymi ważnymi etapami trzeba przeprowadzać liczne obróbki powierzchniowe i etapy pośredniego wyżarzania, by ułatwić rekrystalizację ziaren materiału w celu uniknięcia pękania podczas procesu wytwarzania. W porównaniu ze sposobem według wynalazku znany proces jest dość kosztowny i brakuje mu elastyczności.

175 978

FIG, 25

i

175 978

FIG. 24

ο

FIG. 21

FIG. 23

175 978

FIG. 20

175 978

KORZYSTNA ATMOSFERA* 95% Azotu 5% Wodoru

175 978

FIG. 8 FIG.9 FIG. 10

N

175 978

FIG. 2 FIG. 3

175 978

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania nabiegunnika alternatora posiadającego półrdzeń i wiele obwodowo rozmieszczonych palców, przez poddanie kawałka stali procesowi kucia na gorąco, kształtując kawałek stali w oprzyrządowaniu kuźniczym do pierwszej kształtki ogólnie podobnej do końcowego kształtu gotowego nabiegunnika, zanurzenie tej pierwszej kształtki w co najmniej jednej kąpieli fosforanowej smarującej jej zewnętrzne powierzchnie i wybijanie na zimno pierwszej kształtki za pomocą oprzyrządowania do wybijania na zimno redukując grubość żądanych regionów pierwszej kształtki i otrzymania drugiej' kształtki o strukturze ziarnistej spłaszczonej w porównaniu ze strukturą ziarnistą pierwszej kształtki, znamienny tym, że przeprowadza się etap obróbki całkowitego wykańczania, w którym hartuje się żądane powierzchnie drugiej kształtki i formuje się centralny otwór przelotowy, przy czym w etapie formowania prowadzi się formowanie wypływowe materiału drugiej kształtki przez ograniczony otwór i zagina się palce do ich końcowej konfiguracji tworząc trzecią końcową kształtkę, którą poddaje się wysoko zasadowej kąpieli i wyżarza się tę trzecią kształtkę w temperaturze 800-950°C przez 20-60 minut, po czym stopniowo ochładza do temperatury otoczenia w przeciągu 270-310 minut.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie formowania prowadzi się podetapy, w których a) częściowo kształtuje się otwór przez formowanie wypływowe materiału drugiej kształtki poprzez ograniczony otwór przy zachowaniu kształtu cylindrycznego i zapobieżeniu rozerwaniu; i następnie b) doprowadza się do końca tworzenie otworu przez wprowadzenie słupka ruchem posuwisto zwrotnym do częściowo utworzonego otworu, wypychając materiał z drugiej kształtki do otworu.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap hartowania przeprowadza się tuż po zakończeniu etapu formowania.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap formowania końcowej trzeciej kształtki przeprowadza się tuż przed zakończeniem formowania wymienionego otworu.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako kąpiel wysoko zasadową stosuje się kąpiel o pH 14 usuwającą stearyniany cynku z trzeciej kształtki.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap wyżarzania prowadzi się w atmosferze obojętnej.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako obojętną atmosferę stosuje się mieszaninę zawierającą 95% azotu i około 5% wodoru.

* * *