Technologie

Optymalizacja projektowania i procesu produkcji silników elektrycznych

Optimisation of electrical motors. Design engineering and production process

Streszczenie:

W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia optymalizacji procesu od projektowania do wytworzenia silników elektrycznych. W obecnych czasach przystępując do projektowania maszyn elektrycznych zwraca się uwagę nie tylko na to aby powstał wyrób zgodny z założeniami wejściowymi. Uwzględnia się  również szereg innych czynników zmierzających do wykonania produktu wysokiej jakości, w możliwie najkrótszym czasie oraz przy jak najniższym koszcie wytworzenia. Poszczególne etapy projektu są analizowane pod kątem unifikacji istniejących rozwiązań.

Abstract:

The article presents selected issues of optimisation of electric motors production from design engineering to final product. Currently, when designing of electrical machines begins, attention is paid to more than merely manufacturing a product in line with the inputs. A number of other factors are taken into account to make a high quality product in the shortest possible time and at the lowest possible cost of production. The individual stages of the project are analysed for the unification of existing solutions.

Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, optymalizacja procesu

Keywords: electrical machines, optimisation of proces

1. Wstęp

Projektując maszyny elektryczne zwraca się uwagę na dane wejściowe, optymalny proces produkcji oraz zamierzony efekt końcowy. Początek istnienia zakładów elektrycznych w Żychlinie datuje się na 1921 rok [1]. Przez lata zmieniają się wymogi rynku co do parametrów elektrycznych, zastosowania maszyn, ceny oraz czasu dostawy. Tylko w ciągu ostatnich lat starając się dostosować do specjalnych wymagań klientów wspólnie z BOBRME Komel wdrożyliśmy szereg aplikacji między innymi silniki w wykonaniu morskim, silniki TEFC spełniające wymogi NEMA MGI, silniki użytkowane w przemyśle górniczym, silniki trakcyjne, silniki szybkoobrotowe, silniki pierścieniowe i wiele innych [2]. Tematyka optymalizacji przy tak złożonych układach jest szeroka, dlatego omówiono w artkule wybrane zagadnienia.

2. Elektryczne silniki klatkowe

Indukcyjne elektryczne silniki klatkowe obecnie należą do najczęściej używanych napędów maszyn i urządzeń przemysłowych.  W tym celu dąży się, aby możliwie maksymalnie przyspieszać oraz upraszczać proces obliczeń, projektowania, wykonywania i badań silników elektrycznych.

2.1 Optymalizacja obliczeń obwodu elektromagnetycznego

Obliczanie obwodu elektromagnetycznego jest pierwszym etapem podlegającym optymalizacji. Do obliczeń wykorzystywane są dedykowane programy połączone z unifikowaną bazą danych istniejących narzędzi, materiałów i dotychczasowych wykonań obwodów wg kart uzwojeń silnika zwanej KUS. Baza zawiera między innymi:

  • kształty obrysów do produkcji blach stojana i wirnika
  • kształty żłobka stojana i wirnika – rys.1
  • dane KUS istniejących konstrukcji
  • kształty pierścieni zwierających
  • rodzaje i wymiary drutów nawojowych
  • gatunki blachy prądnicowej i dostępne szerokości itd.
Rys. 1. Przykładowe kształty żłobków blach stojana i wirnika.

Najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest, gdy do danej konstrukcji projektowanego silnika uda się dopasować istniejący KUS. Posiadamy wówczas kompletną dokumentację techniczną obwodu elektromagnetycznego oraz przyrządy technologiczne. Jeżeli jest to niemożliwe staramy się optymalizować konstrukcję tak, aby ograniczyć do minimum koszty związane z nowym oprzyrządowaniem oraz rodzajem i ilością materiałów zastosowanych w projekcie. W tym celu przeprowadza się wielowariantowe obliczenia obwodu elektromagnetycznego.

2.2 Optymalizacja konstrukcji mechanicznej

Projektowanie konstrukcji mechanicznej maszyn elektrycznych jest ściśle związane z technologią wytwarzania. Wówczas zwracamy uwagę na technologiczność konstrukcji, czyli optymalizację wykonania na etapie konstruowania [3].

Rys. 2. Analiza zjawisk elektromagnetycznych w programie
Maxwell.
Rys. 3. Projektowanie konstrukcji w programie CAD oraz tworzenie kodu obróbczego na maszyny CNC przy wsparciu aplikacji CAM.

Celami priorytetowymi produkcji silnika są:

  • jakość wyrobu
  • koszt wytworzenia wyrobu
  • czas wytworzenia wyrobu

Biorąc pod uwagę główne cele na optymalizację mają wpływ m.in.:

  • ilość do wykonania detali/wyrobów
  • przeznaczenie detali/wyrobów np. Ex
  • rodzaj i postać zastosowanego materiału
  • kształt nowo opracowanych detali (możliwie proste bez konieczności zakupu nowych narzędzi obróbczych i pomiarowych)
  • użycie detalu z istniejących konstrukcji
  • powtarzalne detale i materiały handlowe
  • zastosowanie oprzyrządowania specjalnego / wykonanie bez przyrządów wydłużając proces
  • możliwość obróbki detalu na maszynach NC

Dla jednostkowych  zamówień silników o ile nie jest to wykonanie Ex należy wykorzystać istniejące konstrukcje na bazie odlewów. W przypadku braku możliwości wykorzystania w projekcie odlewów należy zastosować bardziej czasochłonną i kosztowną konstrukcję spawaną [4].

2.3 Optymalizacja procesu wytwarzania maszyn elektrycznych

Optymalnie przeprowadzony proces projektowania wpływa bezpośrednio na przygotowanie procesu technologicznego i wytworzenie wyrobu. Produkcja jednostkowa zazwyczaj jest droższa niż seryjna. Brak seryjnego wykonania to:

  • większy udział czasu przygotowawczo-zakończeniowego tpz w procesie wytworzenia
  • większy koszt zakupu małych ilości materiału
  • procentowy większy udział kosztów przyrządów specjalnych w wyrobie
  • potrzeba wykwalifikowanych pracowników jest większa.
Rys. 4. Konstrukcja odlewana.
Rys. 5. Konstrukcja spawana.

Specjalizując się w jednostkowym wytwarzaniu maszyn elektrycznych optymalizacja jest szczególnie ważna. Należy inwestować w najnowsze technologie zmierzające do skracania czasów procesów i zmniejszania kosztów produkcji wyrobu. Szereg wytwórców maszyn i urządzeń wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów oferuje produkty z możliwością prostego programowania z pulpitu maszyny. Jest to szczególnie wygodne przy produkcji jednostkowej, jeżeli obciążenie czasowe pracą stanowiska jest poniżej 100%. Przy produkcji seryjnej istotne jest by wykorzystywać obróbkę na maszynach numerycznych z zastosowaniem dedykowanych pod dany materiał narzędzi skrawających. W przypadku braku możliwości obróbki detali w firmie na maszynach NC należy skorzystać z kwalifikowanych kooperantów lub uruchomić technologię alternatywną z zastosowaniem przyrządów specjalnych i konwencjonalnych maszyn.

Oto kilka przykładów procesowych.

W przypadku cięcia detali plazmą lub metodą actylenowo-tlenową używa się programu do optymalizacji ułożenia części ciętych termicznie na arkuszu blachy tzw. nestingu.

Każda część w bazie ma wykonany „szkic”, czyli kształt detalu ze ścieżką cięcia i opisane cechy jak gatunek i grubość materiału, rodzaj cięcia termicznego. Program komasuje „szkice części” z różnych zleceń klasyfikując je wg cech i układa optymalnie na arkuszu – rys. 6. Taka metoda pozwala nie tylko zoptymalizować czas cięcia termicznego, ale również ograniczyć do minimum ilość odpadu blachy.

Rys. 6. Raport rozkładu części do wypalenia.

Do obróbki przez toczenie, frezowanie, wiercenie, gwintowanie detali pojedynczych wykorzystywane są obrabiarki NC z panelem do szybkiego programowania bezpośrednio na maszynie np. Mazatrol – rys.7.
Operator obrabiarki przy wykorzystaniu dostępnej z pulpitu maszyny nakładki szybkiego programowania generuje dla nieskomplikowanych detali program NC.

Rys. 7. Centrum NC z napędzanymi narzędziami i programowaniem Mazatrol.

Szlifowanie średnic wału (wirnika) jest realizowane na podstawie wprowadzanych danych przez operatora takich jak średnica obrabiana z tolerancją, długość stopnia i odległość od czoła wału. Obróbka jest wykonywana z automatycznym pomiarem wymiaru i błędów kształtu podczas procesu przez moduł pomiarowy Marposs. Dzięki temu maszyna sama koryguje wymiar ze względu na zużycie ściernicy i temperaturę obróbki. 

Rys. 8. Szlifowanie stopni wału na wirniku z pomiarem Marposs.
Rys. 9. Rozciąganie cewek stojana

W produkcji jednostkowej takie podejście w przypadku prostych operacji obróbczych pozwala lepiej wykorzystywać operatorów bez konieczności angażowania technologa do opracowania programów w CAM-ie.

Optymalne opracowanie technologii detali obwodów elektromagnetycznych jest szczególnie istotne ze względu na złożoność procesu i znaczny koszt ogólny materiałów wchodzących w nie detali.

Detale w produkcji powtarzalnej takie jak blachy magnetyczne stojana i wirnika wykonuje się z wykorzystaniem wykrojników. Dla wykonań prototypowych, jeżeli nie można zastosować istniejących wykrojników optymalnym rozwiązaniem jest wykonanie blach stojana i wirnika ciętych laserem.

Kształtowanie cewek stojana w produkcji seryjnej realizowane jest półautomatycznie dając powtarzalne detale do zwojenia stojanów.

Powtarzalność detali obwodów magnetycznych jest szczególnie istotna ze względu na proces ich składania. Detale i zespoły maszyn elektrycznych są sprawdzane na poszczególnych etapach produkcji w celu weryfikacji poprawności wykonania. Zmontowane maszyny elektryczne poddawane są próbom finalnym. Przeprowadzane są próby elektryczne oraz mechaniczne na biegu jałowym jak również pod obciążeniem.

Rys. 10. Pomiary stojana uzwojonego cyfrowym testerem uzwojeń.

3. Podsumowanie i wnioski

Optymalne projektowanie i wytwarzanie maszyn elektrycznych zależy między innymi od:

  • unifikacji obliczeń elektromagnetycznego obwodu silnika
  • ilości projektowanych maszyn (produkcja jednostkowa/seryjna)
  • unifikacji konstrukcji mechanicznej
  • możliwości parku maszynowego
  • optymalnej technologii wytworzenia
  • sprawdzonych kooperantów
  • bazy detali handlowych

Kluczowe jest wykorzystywanie posiadanych baz wyrobów, detali, oprzyrządowania specjalnego, znormalizowanych detali handlowych, specjalizowanych maszyn i urządzeń procesowych w celu szybkiego projektowania i wytwarzania maszyn elektrycznych. Wpływa to bezpośrednio na czas oraz koszt wytworzenia wyrobu finalnego.

4. Literatura

[1] J. Hickiewicz, E. Weber, P.Sadowski “Zygmunt Okoniewski (1877-1936) w 140 rocznicę urodzin”, Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, nr 1/2017, str. 208-211, 2017.

[2] J. Bernatt, T. Glinka „Problemy konstrukcji maszyn elektrycznych w aktualnych pracach BOBRME KOMEL”, Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, nr 83/2009, str. 19 -21, 2009.

[3] Z. Kratochwil „Technologia wytwarzania maszyn elektrycznych wirujących” WNT Warszawa, str. 22-27, 1975

[4] M. Krawczyk, „Wpływ rodzaju materiału na proces wytwarzania detali w Zakładzie Maszyn Elektrycznych EMIT S.A.”, Konferencja Młodzi dla Techniki – Płock 2015 – prezentacja, praca niepublikowana

Autor
dr inż. Marcin Krawczyk
ZME EMIT S.A. ul. Narutowicza 72, 99-320 Żychlin
marcin.krawczyk@cantonigroup.com

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top