Раньше я занимался разработкой и производством бесколлекторных электродвигателей на заказ. В данной статье я хочу поделиться технологиями мелкосерийного изготовления двигателей. Я расскажу о:

• Этапах сборке

• Оснастке

• Материалах

• Технологии

Выбор конструкции

Существует множество различных конструкций электродвигателей. Наиболее распространены асинхронные двигатели и двигатели с постоянными магнитами. Для мелкосерийного производства я рекомендую выбрать двигатель с постоянными магнитами. Такие двигатели будут проще и дешевле в изготовлении по сравнению с асинхронными. Создание асинхронного ротора с «беличьей клеткой» требует сложных технологических операций со специфическим оборудованием.

По типу намотки статора двигатели с постоянными магнитами можно разделить на три основных типа:

• С концентрированной намоткой.

• С распределённой намоткой.

• Беспазовые.

  

Концентрированную намотку стоит выбирать для моторов с размером статора до 100–150 мм по диаметру и длине. Для более крупных моторов удобнее использовать распределённую намотку. Это связано с удобством процесса намотки, а также с тем, что торцевые части распределённой обмотки значительно выступают за пределы статора, что для коротких статоров нерационально и увеличивает габариты мотора.

Беспазовые двигатели — перспективный вариант, изготовление которых можно автоматизировать. Однако их производство требует длительной отладки технологического процесса. В рамках данной статьи этот вариант рассматриваться не будет.

Статор

Статор двигателя собирается из пластин электротехнической стали толщиной 0,18–0,5 мм. Разбиение на пластины необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко), которые возникают в стали при высоких электрических оборотах двигателя (ERPM).

ERPM = RPM × PP, где RPM — обороты двигателя, PP — количество пар полюсов магнитов ротора.

Самые распространённые варианты толщины стали — 0,5 мм и 0,35 мм. Уменьшение толщины с 0,5 до 0,35 мм позволяет сократить данный вид потерь вдвое. Потери на вихревые токи становятся существенны при ERPM > 12000–15000; при более низких оборотах достаточно стали 0,5 мм. Также существуют и более тонкие стали, например, 0,18 мм, которая имеет смысл при ERPM > 30000. Однако применение стали такой толщины значительно усложняет процесс сборки статора.

Основной материал для пластин — электротехническая сталь марок 2212 и 2412. Этот вид стали представляет собой практически чистое железо, и её цена минимальна. Сталь 2212 имеет несколько более высокую индукцию насыщения, что может увеличить момент двигателя, но при этом и большие потери на перемагничивание. Она лучше подходит для двигателей с невысокой рабочей частотой (ERPM < 5000–10000).

Также существуют более экзотические марки стали, у которых индукция насыщения может быть выше, чем у 2212, вплоть до 1,5 раза, но они очень редкие и дорогие: 27КХ, 50Н, 49КХ, 49КФА-ВИ, 49К2ФА.

Вначале может возникнуть желание изготовить статор из трансформаторной стали, так как на бумаге она имеет хорошие характеристики. Однако делать этого не стоит. Такая сталь анизотропна, то есть имеет хорошие магнитные характеристики только по одному направлению, что не подходит для двигателя.

Сборка статора

Для мелкосерийного производства доступны две технологии изготовления статора: резка лазером отдельных пластин с последующей склейкой на оснастке либо вырезание готового статора электроэрозионным методом из предварительно склеенной прямоугольной заготовки.

Лазерная резка

Лазерная резка с последующей сборкой — наиболее дешёвый вариант. Стали марок 2212 и 2412 часто бывают в наличии у компаний, занимающихся лазерной резкой, что сокращает логистические расходы и значительно экономит время.

Главный недостаток данного метода — низкая точность реза, что связано с эластичностью тонкой стали: её выгибает и смещает во время резки. Граница статора получается неровной, что портит внешний вид и не позволяет изготавливать статоры диаметром меньше 40 мм.
Для данной технологии рекомендуется делать зазор между статором и ротором не менее 0,75–1 мм.

Сталь для лазерной резки поставляется сразу с изолирующим покрытием, предотвращающим замыкание пластин.

При резке на кромках стали образуется облой (окалина), который необходимо удалять лёгкой шлифовкой наждачной бумагой или механическим трением пластин друг о друга. При этом покрытие на пластинах частично повреждается, но если повреждения составляют менее 30% поверхности, это не скажется на характеристиках.

Также при лазерной резке есть точка входа и выхода луча; под них удобно предусмотреть специальную выемку. Это не повлияет на характеристики и сохранит геометрию. Обработать заусенцы после сборки статора очень сложно, и рассчитывать на это не стоит.

Лазерная резка позволяет изготавливать отдельные пластины с вырезом под датчики Холла. Они плотно вставляются в вырезы и оказываются точно и правильно позиционированы.

Сборка статора происходит на оснастке, которую удобно изготавливать на 3D-принтере. Пластины склеиваются между собой эпоксидным клеем. Термостойкость клея на этом этапе не важна, так как он удерживает статор только в процессе намотки и сборки; в готовом устройстве его будет фиксировать сама обмотка и корпус. Оснастка для сборки — одноразовая. После высыхания клея её выламывают, выдавливают прессом или выбивают молотком. Чтобы её было проще извлечь, площадь контакта между пластинами и оснасткой должна быть минимальной. При сборке пластины статора пружинят, поэтому длину сборки удобно контролировать несколькими стягивающими винтами по окружности. Статор должен выступать за края оснастки для возможности промера толщины штангенциркулем.

В процессе сборки попадаются сильно кривые пластины, и если этого вовремя не заметить, после высыхания клея статор окажется испорчен. Это самая большая проблема данной технологии.

Для улучшения внешнего вида статора я разработал технологию, при которой чередуются пластины двух типов, имитирующие рёбра охлаждения. Это позволяет скрыть неровную поверхность статора и придаёт ему более технологичный вид. Я проводил тепловые испытания; к сожалению, заметного улучшения охлаждения эта технология не дает.

Электроэрозия

Электроэрозионная резка позволяет изготавливать статоры с высокой точностью, но стоимость при этом оказывается в 10 раз выше, чем при использовании лазерной резки. Данная технология оптимальна для статоров диаметром менее 40 мм, длиной более 100 мм или при использовании пластин толщиной менее 0,35 мм. При данной технологии зазор между статором и ротором можно уменьшить до 0.5мм и даже меньше.

При использовании этого метода сначала изготавливается прямоугольная заготовка из пластин стали. Прямоугольные пластины можно предварительно нарезать лазером или гильотиной, особенно если используются тонкие стали. В данном случае изолирующее покрытие на пластинах не требуется — его роль выполняет клей, скрепляющий заготовку, а отсутствие покрытия увеличивает процент железа в статоре. Пластины в заготовке промазываются клеем, собираются в стопку и спрессовываются.

Готовая заготовка передаётся на электроэрозионную резку. Из одной заготовки можно одновременно вырезать несколько статоров как по ширине, так и по длине.

При резке возможны следующие проблемы:

• Мелкие детали могут расклеиться и рассыпаться.

• Статор может быть вырезан не перпендикулярно, а в форме ромба (из-за перекоса).

• Клей может расплавиться или потечь, что также приведёт к перекосу статора.

После резки статор разделяется ножом или лезвием на части до нужной длины.

Изоляция

Тип изоляции зависит от конструкции статора.

Для аутраннера наиболее удобно вырезать накладки из стеклотекстолита. Они защищают обмотку от острых внешних углов статора. Изоляцию внутри паза можно делать минимальной: покрыть эпоксидной смолой, использовать бумагу или не делать вовсе. Однако после сборки статор обязательно нужно проверить на замыкание и залить обмотку эпоксидной смолой.

Для инраннера изоляция внутри паза уже важнее, поскольку намотка в нём проходит иначе и при намотке провода происходит контакт со стенкой паза. Кроме того, инраннеры обычно длиннее, что дополнительно повышает риск замыкания обмотки на статор.

Для изоляции паза хорошо подходит синтофлекс. Это очень прочный материал, который сложно повредить при намотке. С ним можно проводить намотку даже без текстолитовых накладок, и он хорошо смачивается эпоксидной смолой при пропитке. Материал необходимо нарезать на прямоугольники и вставить в паз так, чтобы он выступал на 1–2 мм сверху и снизу статора. В зависимости от типа намотки, лист либо сразу сворачивается в трубку перед установкой, либо из паза оставляются торчащие концы, которые позже заворачиваются внутрь.

Ещё один вариант изоляции — бумага или электрокартон. Эти материалы термостойки и отлично пропитываются эпоксидной смолой. Однако они не так прочны, как синтофлекс, поэтому рекомендуется использовать несколько слоёв. Бумагу легко повредить при намотке, но при достаточном опыте это вполне рабочий вариант.

Также существуют и другие методы изоляции, которые мы не пробовали, например, нанесение на статор порошкового эпоксидного покрытия.

Намотка

Намотка статора выполняется медным проводом диаметром 0,4–0,6 мм. Более толстый провод плохо гнётся, а более тонкий сложно зачищать. Когда требуется большое сечение, используется литцендрат — провод, скрученный из нескольких изолированных жил.

В зависимости от рабочей температуры обмотки выбирается изоляция провода. Стандартные варианты:

• ПЭТВ-2 (до 130–150 °C);

• ПЭТ-155 (до 155 °C);

• ПЭТ-200-2 (до 200 °C).

Намотка возможна вручную или на станке. Станок — достаточно дорогое оборудование, требующее для каждого типоразмера статора индивидуальной оснастки и программы. По моему мнению, для мелкосерийного производства предпочтительнее ручная намотка, которую я и буду рассматривать далее.

Процесс намотки требует практики. При достаточном опыте обмотка получается плотнее, а уложить необходимое количество витков становится значительно проще.

Ручная намотка бывает двух основных видов:

1. Концентрированная (на каждый зуб);

2. Распределённая (вкладыванием витков в паз).

Для контроля качества намотки используется мегаомметр. Им необходимо проверить сопротивление изоляции: между обмотками и статором, между фазами. Проверка выполняется напряжением 500 В или 1000 В в зависимости от требований к двигателю.

Концентрированная намотка

Для концентрированной намотки сначала необходимо подготовить многожильную косичку (жгут) на одну фазу. В некоторых случаях её можно разделить на 2–3 части и затем спаять. Длина косички определяется заранее пробной намоткой на 1–3 зуба и замером требуемой длины провода.

Для изготовления косички нужно установить два крюка на расстоянии её длины и намотать на них провод с необходимым количеством жил. Концы косички снимаются с крюков и аккуратно скручиваются. После намотки скрученные участки откусываются, поэтому на них необходимо предусмотреть запас по длине. Центральная часть косички должна оставаться максимально ровной, без лишних переплетений и узлов. При продевании косички в паз также нужно следить, чтобы жилы шли максимально параллельно, без петель и перехлёстов — они сильно усложняют укладку.

Намотка аутраннера проще, так как излишек косички просто лежит снаружи. При намотке инраннера необходимо продеть всю длину косички (которая может достигать 6–10 м) через первые пазы. Эта процедура напоминает вышивание. Для удобства на скрученный конец провода рекомендуется надеть фторопластовую термоусадку — получится аналог иглы, которая хорошо скользит. Во время операции важно следить, чтобы косичка не путалась и не перекручивалась. Также удобно помогать себе деревянными шпажками: ими можно продавить канавку в пазу, что облегчит укладку следующего витка.

Распределённая намотка

Распределённая намотка может выполняться аналогично концентрированной, а также методом вкладывания витков в паз. Для этого на оснастке наматывается кольцо из провода, которое затем целиком укладывается в пазы статора. В этом варианте возникают сложности с фиксацией обмотки в пазу. Кроме того, такой метод занимает много места с торцов статора — обмотку необходимо плотно обвязывать, спрессовывать и подбивать киянкой.

Зачистка

После намотки провода необходимо обрезать и зачистить их от изоляции. Для зачистки существует несколько методов: использование специальной электрической машинки, щипчиков или механическое удаление лака ножом.

Электрическая машинка хорошо справляется с зачисткой проводов диаметром более 0,6 мм. При работе с проводом меньшего диаметра существует риск его перекусывания. К сожалению, это делает данный метод непригодным для нашей задачи, так как случайно обрезанный провод невозможно нарастить, и придётся полностью разматывать и перематывать обмотку.

Щипчики — достаточно удобный и безопасный вариант, не требующий особых навыков. Они хорошо подходят для зачистки жгутов с количеством жил до 10. Важно своевременно менять лезвия в щипцах, так как они имеют свойство изнашиваться и тупиться.

Зачистка ножом удобна при работе с жгутами, содержащими более 10 жил. Ножом можно аккуратно соскабливать лак сразу со всего пучка, но необходимо делать это тщательно, чтобы не осталось участков с изоляцией. Для облегчения процесса лак на концах проводов можно предварительно обжечь горелкой — это сделает его более хрупким и упростит удаление.

Вывод проводов

Вывод проводов из мотора — достаточно сложная задача при проектировании.

Вначале всегда возникает желание выводить из мотора непосредственно обмоточный провод. У такого варианта есть ряд неочевидных недостатков:

• Обмоточный провод очень хрупкий и легко ломается при многократных изгибах.

• Если такой провод необходимо укоротить, его сложно зачищать заново.

• Трудно обеспечить надёжную и прочную изоляцию такого провода.

Обмоточный провод можно выводить только в том случае, если на него сразу будет напаян разъём, мотор быстро установят на своё место и в ходе эксплуатации провода не будут подвергаться изгибам или деформации. Выведенный жгут проводов необходимо аккуратно и плотно скрутить — это позволит некоторое время изгибать его без повреждений.

Оптимальный вариант — вывод проводов в фторопластовой или силиконовой изоляции. Эти провода припаиваются к обмотке непосредственно у статора и плотно обвязываются вместе с ней.

Заливка

Заливка или пропитка обмотки обязательна. Она повышает вибростойкость, защищает от влаги, пыли, пробоев и замыканий.

Перед заливкой необходимо проверить сопротивление изоляции между обмоткой и статором с помощью мегаомметра.

Для статоров толщиной до 30 мм удобно использовать эпоксидную смолу. Процесс пропитки:

1. Статор предварительно прогревается до 50–60 °C.

2. Устанавливается на плёнку или антиадгезионную подложку (к которой не прилипает смола, подходит файл для бумаги).

3. Смола подаётся шприцем в каждый паз (можно с двух сторон).

4. Паз должен пропитаться насквозь. Излишки смолы стекут и застынут на подложке, их можно не удалять.

   

Для статоров длиннее 30 мм пропитка эпоксидной смолой может быть затруднительна. Для таких статоров лучше подходит термоотверждаемый полиэфирный компаунд КП-55-1. Технология процесса:

1. Статор можно полностью окунуть в компаунд или залить его шприцем.

2. При последующем нагреве в печи компаунд становится сверхтекучим и заполняет все полости.

3. Важно не допускать образования капель и наплывов компаунда на поверхности статора. После окунания необходимо дождаться полного стекания излишков, а остатки аккуратно удалить салфеткой.

4. Для достижения наилучшего результата операцию пропитки рекомендуется повторить 2–3 раза.

Ротор

Тип ротора

Ротор двигателя на постоянных магнитах может иметь различную конструкцию.

Сам ротор или обойма, к которой крепятся магниты, должны быть изготовлены из магнитной стали. Конкретная марка стали не принципиальна, так как это незначительно влияет на характеристики готового мотора. Мы, например, применяли сталь 3ХГСА с закалкой до 40 HRC.

Настоятельно рекомендую выполнять закалку ротора, если он изготовлен из стали. Незакалённый ротор легко повредить в процессе сборки, что усложняет и без того трудоёмкую работу.

Для высокооборотистых моторов (>3000 RPM) на ротор можно установить один цельный кольцевой магнит. Это достаточно простой и удобный вариант, но необходимо учесть, что потребуется подгонка вала под магнит, так как люфт и перекос магнита недопустимы.

Для многополюсного ротора вал можно изготовить с пазами, либо магниты можно расположить на круглом валу с помощью 3D-печатной оснастки. Устанавливать магниты вплотную друг к другу — плохой вариант, так как точно подогнать их по длине окружности вала не получится.

Для крупных роторов можно изготовить отдельную магнитную обойму или сделать обойму из шихтованного железа (аналогично статору). Толщина пластин в данном случае не имеет значения.

Если ротор длинный, магниты по длине нужно разделять на более мелкие секции, так как они достаточно хрупкие.

Магниты

Магниты для мотора чаще всего используются неодимовые (NdFeB). Они являются самыми мощными и имеют марки, рассчитанные на работу до 200 °C. Для больших температур существуют магниты из самарий-кобальта (SmCo), но создание мотора, работающего при температуре свыше 200 °C, — очень сложная задача, которую следует рассматривать отдельно.

Магниты изготавливаются методом электроэрозионной резки и могут быть любой формы и намагниченности. Выбор между полукруглыми или прямоугольными магнитами зависит от числа полюсов и диаметра ротора.

Магниты могут поставляться с никелевым покрытием или без него. Я рекомендую использовать только вариант с покрытием, так как голые магниты имеют острые края (режут руки), подвержены коррозии и образованию пыли, что делает работу с ними неудобной и небезопасной.

Заказать магниты любой формы можно напрямую у китайских производителей или через местных посредников. Сама по себе стоимость магнитов невелика — основную цену составляют логистика, таможенные пошлины и сложности с оплатой. Не рекомендую покупать готовые магниты на AliExpress — в моём опыте они ни разу не соответствовали заявленным параметрам.

Для приклеивания магнитов хорошо подходят эпоксидные клеи, например:

• LOCTITE EA 9497

• Серый "Поксипол" (близкий гражданский аналог от того же производителя)

• Клеи китайской марки Kafuter (показали хорошие результаты)

• Для шихтованного ротора подойдёт и обычная эпоксидная смола

Перед поклейкой критически важно подготовить поверхность ротора: создать шероховатость, нанести канавки для лучшей адгезии клея, тщательно обезжирить. К гладкой полированной поверхности не приклеится ни один клей.

Армирование

Армирование ротора обязательно для инраннеров. Оно предотвращает разлёт магнитов на высоких скоростях и их смещение на гладкой поверхности ротора.

Для армирования идеально подходит карбоновая нить. Технология процесса:

1. Ротор обильно покрывается эпоксидной смолой.

2. Карбоновая нить равномерно наматывается без перекруток.

3. Нить повторно пропитывается смолой для полного покрытия. Излишки смолы заполнят пространство между магнитами.

4. Ротор обматывается плёнкой к торой не липнет клей (например, плёнкой для ограждений) и стягивается изолентой.

   В результате формируется гладкий и прочный карбоновый слой, не требующий дополнительной механической обработки. Эту технологию я подглядел у Игоря Негоды.

Датчики Холла

Датчики Холла оптимально устанавливать непосредственно в пазы статора. Этот способ прост и обеспечивает точное позиционирование.

Если такая установка невозможна, альтернативой является создание фальш-ротора на конце вала с размещением датчиков на печатной плате в торцевой части. Во втором варианте необходимо предусмотреть возможность регулировки угла установки датчиков.