RU2548868C1

RU2548868C1 - Method of material manufacturing for magnetic wedge production

Info

Publication number: RU2548868C1
Application number: RU2013144999/02A
Authority: RU
Inventors: Илья Игоревич Шустов; Аскольд Рафаилович Бекетов; Михаил Владимирович Баранов; Анатолий Трофимович Пластун; Виктор Иванович Денисенко; Владимир Евгеньевич Недзельский; Павел Григорьевич Зыков
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-20
Also published as: RU2013144999A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to the electrical machine building, and can be used to manufacture the magnetic-dielectric material in form of sheets or plates to produce the magnetic wedge of the electrical machines. The ferromagnetic component, epoxy resin and curing agent are mixed, the obtained mass is poured in the die mould with reinforcement element in form of the glass fibre fabric, and then treatment by the magnetic field is performed during pressing. The ferromagnetic component is added in form of the nano size particles of ferriferrous oxide with size up to 100 nm, and magnetic field is applied with intensity at least 800 oersted to the magnetic-dielectric mass with preliminary determined degree of solidification max. 30%.

EFFECT: material is manufactured for the magnetic wedge production ensuring decreasing of the additional motor losses and ensuring required magnetic permittivity.

2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для изготовления материала для получения магнитного клина электрических машин.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to manufacture material for magnetic wedges of electrical machines.

Известен состав и способ получения магнитодиэлектрического материала (авт. св-во №57966, опубликованное 30.04.80 г., бюлл.№16), состоящего из ферромагнитного наполнителя в виде магнетита, фурановоэпоксидной смолы, отвердителя и стеклонити. Компоненты тщательно перемешивают, магнитодиэлектрическую массу вакуумируют и используют для формования магнитных клиньев с последующим отверждением. Для упрочнения в магнитодиэлектрическую массу добавляют стекловолокно. После отверждения магнитные клинья должны пройти термообработку при температуре 100-120°C.A known composition and method for producing magnetodielectric material (ed. Certificate No. 57966, published April 30, 80, bull. No. 16), consisting of a ferromagnetic filler in the form of magnetite, furanoepoxy resin, hardener and glass fiber. The components are thoroughly mixed, the magnetodielectric mass is vacuumized and used to form magnetic wedges with subsequent curing. For hardening, fiberglass is added to the magnetodielectric mass. After curing, the magnetic wedges must undergo heat treatment at a temperature of 100-120 ° C.

Компоненты магнитодиэлектрической массы тщательно перемешивают, тем самым равномерно по объему распределяется ферромагнитный материал.The components of the magnetodielectric mass are thoroughly mixed, thereby ferromagnetic material is evenly distributed throughout the volume.

При равномерном распределении ферромагнитного компонента по объему магнитного клина снижается эффективность его работы в электрических машинах, так как на характеристики магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором существенное влияние оказывает число слоев с различной магнитной проницаемостью (ферромагнитный и диэлектрические слои) в материале магнитного клина, а также геометрические размеры этих участков. Послойная структура материала магнитного клина ограничивает магнитные потоки пазового рассеяния, замыкающегося через клин, что, в конечном счете, влияет на кратность пускового и максимального моментов электрической машины, уменьшение добавочных потерь до 30%, повышение КПД на 0,4-0,6%.With a uniform distribution of the ferromagnetic component over the volume of the magnetic wedge, its efficiency in electric machines decreases, since the number of layers with different magnetic permeabilities (ferromagnetic and dielectric layers) in the material of the magnetic wedge significantly affects the characteristics of the magnetic field in the air gap between the stator and rotor as well as the geometric dimensions of these sections. The layered structure of the material of the magnetic wedge limits the magnetic fluxes of the groove scattering, which closes through the wedge, which ultimately affects the multiplicity of the starting and maximum moments of the electric machine, reducing the additional losses by 30%, and increasing the efficiency by 0.4-0.6%.

Введение стеклонитей не является лучшим вариантом для повышения механических характеристик магнитодиэлектрического материала магнитных клиньев.The introduction of glass fibers is not the best option for improving the mechanical characteristics of the magnetodielectric material of magnetic wedges.

Перемешивание эпоксидной смолы с ферромагнетиком, отвердителем и стеклонитью, как правило, не позволяет добиться равномерного распределения стеклонити по объему материала. Отдельные стеклонити замыкаются друг на друге и в местах, где происходит контактирование стеклонитей, образуются участки, незаполненные связующим. Возникают структурные дефекты, которые являются концентраторами напряжений и приводят к ухудшению механических характеристик материала.Mixing epoxy resin with a ferromagnet, hardener and glass fiber, as a rule, does not allow to achieve uniform distribution of glass fiber throughout the volume of the material. Separate glass fibers are closed on top of each other and in places where glass fibers are contacted, sections are formed that are not filled with a binder. Structural defects occur, which are stress concentrators and lead to a deterioration in the mechanical characteristics of the material.

Недостатком также является применение связующего в виде смолы, которая при полимеризации подвергается вакуумированию и термообработке при 100-120°C.The disadvantage is the use of a binder in the form of a resin, which during polymerization is subjected to vacuum and heat treatment at 100-120 ° C.

Сегодня известны эпоксидные смолы типа ЭА-5, ЭА-10, которые не требуют выполнения указанных технологических операций для получения магнитодиэлектрического материала.Today, epoxy resins of the EA-5, EA-10 type are known, which do not require the performance of the indicated technological operations to produce a magnetodielectric material.

Наиболее близким к предлагаемому является способ приготовления материала для изготовления магнитных клиньев (авт. св-во №493810, опубликованное 30.11.75 г., бюлл. №44), который и выбран в качестве прототипа.Closest to the proposed method is the preparation of material for the manufacture of magnetic wedges (ed. Certificate No. 493810, published November 30, 1975, bull. No. 44), which is selected as a prototype.

Ферромагнитный материал смешивают со связующим и перед заливкой массы в пресс-форму в последнюю вводят магнитомягкую проволоку в виде ориентированной сетки с немагнитопроводящим утком, после заливки массы осуществляют прессование плит, совмещенное с вибрацией, обеспечивающей выделение из магнитодиэлектрической массы изоляционной пленки, обволакивающей сетку, при этом производят магнитное ориентирование частиц железа в заданном направлении.The ferromagnetic material is mixed with a binder, and before the mass is poured into the mold, the magnetically soft wire is introduced into the latter in the form of an oriented mesh with a non-magnetic duck, after the mass is poured, the plates are pressed, combined with vibration, which ensures the isolation of the insulating film enveloping the grid from the magnetodielectric mass produce magnetic orientation of iron particles in a given direction.

Указанный способ имеет следующие недостатки.The specified method has the following disadvantages.

Для упрочнения магнитодиэлектрического материала в виде листов или плит перед заливкой массы в пресс-форму вводят магнитомягкую проволоку в виде ориентированной сетки с немагнитопроводящим утком. Магнитомягкую проволоку используют в качестве армирующего элемента для повышения механической прочности материала магнитных клиньев. Решая задачу повышения прочностных характеристик, магнитомягкая металлическая сетка блокирует внешнее магнитное поле, которое используется только для ориентации зерен ферромагнетика в пространстве. Снижается эффективность действия магнитного поля на ориентацию частиц ферромагнетика в вязкой среде отверждаемой магнитодиэлектрической массы.To harden the magnetodielectric material in the form of sheets or plates before filling the mass into the mold, a soft magnetic wire is introduced in the form of an oriented grid with a non-magnetic conductive weft. Soft magnetic wire is used as a reinforcing element to increase the mechanical strength of the material of the magnetic wedges. Solving the problem of increasing the strength characteristics, a soft magnetic metal grid blocks the external magnetic field, which is used only for orientation of the ferromagnetic grains in space. The effectiveness of the magnetic field on the orientation of the particles of a ferromagnet in a viscous medium of a curable magnetodielectric mass is reduced.

Дополнительно магнитодиэлектрический материал армируется стекловолокном. Отдельные стеклонити замыкаются уже не только друг на друга, образуя дефекты, которые являются концентраторами напряжений, но они также замыкаются на металлическую сетку. Повышается вероятность образования участков, плохо пропитанных органическим связующим, что обязательно будет снижать прочностные характеристики материала.Additionally, the magnetodielectric material is reinforced with fiberglass. Individual glass fibers are not only closed to each other, forming defects, which are stress concentrators, but they are also closed on a metal mesh. The likelihood of the formation of areas poorly saturated with an organic binder increases, which will necessarily reduce the strength characteristics of the material.

Использование магнитомягкой проволоки в виде сетки с немагнитным утком требует удаления немагнитного утка за счет виброобработки магнитодиэлектрической массы в пресс-форме. Авторы вынужденно вводят дополнительную операцию, без которой нельзя рассчитывать на межфазное взаимодействие между проволокой и связующим. Однако из-за высокой адгезионной способности связующего полное удаление изолирующего утка будет весьма затруднительным.The use of soft magnetic wire in the form of a grid with a non-magnetic weft requires the removal of a non-magnetic weft due to vibration processing of the magnetodielectric mass in the mold. The authors are forced to introduce an additional operation, without which one cannot count on interfacial interaction between the wire and the binder. However, due to the high adhesive ability of the binder, the complete removal of the insulating weft will be very difficult.

Задачей изобретения является создание материала магнитного клина, позволяющего уменьшить добавочные потери двигателя за счет ограничения потока пазового рассеяния.The objective of the invention is to create a magnetic wedge material, which allows to reduce the additional losses of the engine due to the restriction of the groove scattering flux.

Указанная задача решается тем, что способ изготовления материала для получения магнитного клина в виде листов и плит включает смешение ферромагнитного компонента с эпоксидной смолой, отверждение и заливку получаемой массы в пресс-форму, где помещен армирующий элемент в виде стекловолокнистой ткани, и последующую обработку магнитным полем при прессовании, отличающийся тем, что ферромагнитный компонент вводят в виде наночастиц магнетита размером до 100 нм и воздействуют магнитным полем с напряженностью не менее 800 эрстед на магнитодиэлектрическую массу с предварительно определенной степенью отверждения не более 30%.This problem is solved in that the method of manufacturing a material to obtain a magnetic wedge in the form of sheets and plates includes mixing a ferromagnetic component with an epoxy resin, curing and pouring the resulting mass into a mold, where a reinforcing element in the form of a fiberglass cloth is placed, and subsequent processing with a magnetic field during pressing, characterized in that the ferromagnetic component is introduced in the form of magnetite nanoparticles up to 100 nm in size and is exposed to a magnetic field with a magnetic field of at least 800 Oersted tricky mass with a predetermined degree of cure of not more than 30%.

При введении частиц большего размера за счет снижения подвижности в вязкой среде эпоксидного связующего нельзя рассчитывать на формирование слоистой структуры без пересечения отдельных участков ферромагнитных слоев и снижения эффективности воздействия магнитного клина на электромагнитный поток пазового рассеяния и уменьшение добавочных потерь двигателя. К такому же результату приводит использование наночастиц магнетика и магнитной обработки напряженностью 300 эрстед.With the introduction of larger particles due to reduced mobility in the viscous medium of the epoxy binder, one cannot rely on the formation of a layered structure without intersecting individual sections of the ferromagnetic layers and reducing the effectiveness of the magnetic wedge on the electromagnetic groove scattering flux and reducing additional engine losses. The use of magnetic nanoparticles and magnetic treatment of 300 Oersted leads to the same result.

Введение наночастиц магнетита обеспечивает высокую подвижность частиц в вязкой среде эпоксидного связующего при прессовании магнитодиэлектрической массы с армирующим элементом в виде стекловолокнистой ткани, что позволяет формировать слоистую структуру материала магнитного клина с четким разделением межфазной границы получения плотной структуры в пределах слоя ферромагнетика. В этом случае ферромагнитный слой работает в условиях воздействия магнитного поля как единая частица, что обеспечивает требуемую магнитную проницаемость материала.The introduction of magnetite nanoparticles provides high mobility of particles in a viscous medium of an epoxy binder when pressing a magnetodielectric mass with a reinforcing element in the form of fiberglass fabric, which allows the layered structure of a magnetic wedge material with a clear separation of the interface to obtain a dense structure within a ferromagnet layer. In this case, the ferromagnetic layer operates under the influence of a magnetic field as a single particle, which ensures the required magnetic permeability of the material.

Кроме того, ферромагнитный наполнитель с размером частиц до 100 нм не снижает прочностных характеристик отвержденной эпоксидной смолы.In addition, a ferromagnetic filler with a particle size of up to 100 nm does not reduce the strength characteristics of the cured epoxy.

Степень полимеризации эпоксидной смолы предварительно определяется, и магнитная обработка производится при степени отверждения не более 30% от полного.The degree of polymerization of the epoxy resin is pre-determined, and magnetic treatment is carried out at a degree of cure of not more than 30% of the full.

Пример 1Example 1

Смесь ферромагнетика в виде магнетита с размером частиц от 10 до 100 нм, эпоксидной смолы марки К-153, отвердителя, взятых в соотношении: 25 масс.% магнетита, остальное - эпоксидная смола и 10 масс.% отвердителя, тщательно перемешивают и заливают в пресс-форму, в которую предварительно помещают армирующую сетку в виде стекловолокнистой ткани, далее накладывают магнитное поле напряженностью 800 эрстед. Предварительно определяют степень полимеризации магнитодиэлектрической массы и магнитную обработку начинают при степени полимеризации не более 30%.A mixture of a ferromagnet in the form of magnetite with a particle size of 10 to 100 nm, an epoxy resin of the K-153 brand, a hardener taken in the ratio: 25 wt.% Magnetite, the rest is an epoxy resin and 10 wt.% Hardener, mix thoroughly and pour into a press -form, in which a reinforcing mesh in the form of a fiberglass cloth is preliminarily placed, then a magnetic field of 800 Oersted is applied. The degree of polymerization of the magnetodielectric mass is preliminarily determined, and magnetic treatment is started with a degree of polymerization of not more than 30%.

Металлографический анализ отвержденного материала показывает, что ферромагнитный компонент образует замыкающиеся слои с неравномерным распределением по объему материала. На рис.1 показано распределение ферромагнитного компонента в отвержденной эпоксидной смоле после обработки магнитным полем напряженностью 300 эрстед: 1 - отвержденная эпоксидная смола, 2 - ферромагнитный компонент.A metallographic analysis of the cured material shows that the ferromagnetic component forms closable layers with an uneven distribution over the volume of the material. Figure 1 shows the distribution of the ferromagnetic component in the cured epoxy resin after treatment with a magnetic field of 300 oersted: 1 - cured epoxy resin, 2 - ferromagnetic component.

Применение магнитных клиньев, изготовленных из материала подобной структуры, показало, что асинхронный двигатель марки ДМ, по результатам испытаний согласно ГОСТ 25941-83, имел снижение добавочных потерь на 10%.The use of magnetic wedges made of a material of a similar structure showed that the DM induction motor, according to the test results according to GOST 25941-83, had a 10% reduction in additional losses.

Пример 2Example 2

Смесь ферромагнетика в виде магнетита с размером частиц до 100 нм, эпоксидной смолы марки ЭП-10, отвердителя, взятых в соотношении: 25 вес.% магнетита, остальное - эпоксидная смола и 1-2% отвердителя, тщательно перемешивают и заливают в пресс-форму, в которую предварительно помещают армирующую сетку в виде стекловолокнистой ткани, далее накладывают магнитное поле напряженностью 800 эрстед. Предварительно определяют степень отверждения магнитодиэлектрической массы и магнитную обработку начинают при степени полимеризации не более 30%. Металлографический анализ отвержденного материала показывает, что материал имеет слоистую чередующуюся структуру из слоев отвержденного полимера и ферромагнитного наполнителя. Слои ферромагнитного компонента не замыкаются друг на друге. Слой ферромагнитного компонента имеет высокоплотную структуру, что обеспечивает высокую магнитную проницаемость слоя. На рис.2 показано распределение ферромагнитного компонента в отвержденной эпоксидной смоле после обработки магнитным полем напряженностью 800 эрстед: 1 - отвержденная эпоксидная смола; 2 - ферромагнитный компонент.A mixture of a ferromagnet in the form of magnetite with a particle size of up to 100 nm, an EP-10 epoxy resin, hardener, taken in the ratio: 25 wt.% Magnetite, the rest is epoxy resin and 1-2% hardener, mix thoroughly and pour into the mold , in which a reinforcing mesh in the form of a fiberglass cloth is preliminarily placed, then a magnetic field of 800 Oersted is applied. The degree of curing of the magnetodielectric mass is preliminarily determined and the magnetic treatment is started with a degree of polymerization of not more than 30%. The metallographic analysis of the cured material shows that the material has a layered alternating structure of layers of cured polymer and a ferromagnetic filler. The layers of the ferromagnetic component do not close on top of each other. The layer of the ferromagnetic component has a high-density structure, which ensures high magnetic permeability of the layer. Figure 2 shows the distribution of the ferromagnetic component in the cured epoxy resin after treatment with a magnetic field of 800 oersted: 1 - cured epoxy resin; 2 - ferromagnetic component.

Применение магнитных клиньев, изготовленных из материала, показало, что асинхронный двигатель марки ДМ, по результатам испытаний согласно ГОСТ 25941-83, имел снижение вредных потерь на 30%, что подтверждает технический результат предлагаемого изобретения.The use of magnetic wedges made of material showed that the DM induction motor, according to the test results according to GOST 25941-83, had a 30% reduction in harmful losses, which confirms the technical result of the invention.

Claims

A method of producing a magnetodielectric material in the form of sheets or plates for the manufacture of a magnetic wedge of electric machines, comprising mixing a ferromagnetic component, epoxy resin and hardener, pouring the resulting mass into a mold in which a reinforcing element in the form of fiberglass fabric is placed, and subsequent processing with a magnetic field pressing, characterized in that the ferromagnetic component is introduced in the form of magnetite nanoparticles up to 100 nm in size and exposed to a magnetic field with a strength of at least 800 rsted magnitodiehlektricheskih weight on a predetermined degree of curing is not more than 30%.