Станки тороидальной намотки. Что следует знать для выбора оборудования
Григорий Гетьман, руководитель отдела Технологического оборудования, g.getman@pribor.ru
В статье, опубликованной к журнале «Электронные Компоненты» №2-2025 поэтапно рассматривается процесс намотки провода и принципы выбора намоточного оборудования.
Производство моточных изделий – это процесс изготовления компонентов, основу которого составляет намотка провода или кабеля. К таким изделиям относятся катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели, электромагниты и другие устройства, где провод наматывается на сердечник для создания определенной магнитной или электрической характеристики. Процесс производства моточных изделий включает в себя несколько этапов, в том числе проектирование и расчет, изготовление сердечников, намотку провода, изоляцию и пропитку, тестирование и контроль качества. На предприятиях, связанных с выпуском электронной продукции, а в особенности специализирующихся на товарах специального назначения, нередко организуют участки намотки, а иногда и отдельные цеха. Перечисленные выше этапы могут быть представлены в разном виде и объеме. В статье рассматривается именно процесс намотки провода и принципы выбора намоточного оборудования.
Рис. 1. Тороидальный трансформатор
Среди прочих моточных изделий выделяется тороидальный трансформатор (рис. 1), который имеет явные преимущества по функциональным характеристикам перед линейными структурами и находит применение в разных отраслях промышленности. Его используют в стабилизаторах напряжения и радиотехнике, источниках бесперебойного питания и осветительных приборах, медицинском и диагностическом оборудовании. Благодаря своей форме тороидальные трансформаторы обеспечивают более эффективное использование магнитного поля, что приводит к меньшему рассеиванию энергии и повышению эффективности преобразования напряжения. Технология укладки провода на сердечник тороидальной формы, на первый взгляд, не является слишком сложным процессом. При этом, в ходе автоматизации намотки, производители сталкиваются со множеством неочевидных ограничений.
Наиболее распространенная технология тороидальной намотки подразумевает наличие магазина (шпули) – изделия в форме кольца с выемкой для предварительной заправки в него провода. Намотка осуществляется в следующем порядке: размещение сердечника, на который необходимо намотать впоследствии провод таким образом, чтобы магазин проходил сквозь него; загрузка провода в магазин; сматывание провода из магазина на сердечник (рис. 2).
Рис. 2. Сматывание провода из магазина на каркас
Для сматывания провода с магазина и укладки его правильным образом на сердечник необходимо, чтобы сердечник и магазин вращались с определенной скоростью. За это отвечает контроллер станка, управляющий соответствующими приводами. На рис. 3 показан станок тороидальной намотки в наиболее распространенной конфигурации
Рис. 3. Станок для тороидальной намотки
- база станка – его основание, содержащее, как правило, серводвигатели намоточной головы и роликового стола. Чем больше масса базы станка, тем меньше она подвергается вибрациям, что положительно влияет на точность укладки витков;
- намоточная голова – часть станка, в которой размещается магазин с приводными роликами;
- роликовый стол – устройство, задающее перемещение сердечника с заданной скоростью. Чаще всего оно выполнено в виде трех штифтов с роликами и разжимным механизмом;
- контроллер – элемент управления оборудованием. На современные станки устанавливают либо полноценный промышленный компьютер, либо ПЛК с продвинутым интерфейсом.
Тип намоточной головы определяет плотность и точность раскладки витков провода на сердечнике. На рис. 4 по порядку изображены катушки, намотанные в навал, равномерно и виток к витку. Намотка внавал может восприниматься как случайная, однако это не совсем так. При этом способе укладки действительно возможны перехлесты и неравномерности, но количество витков в каждом слое практически одинаковое. Равномерная укладка и намотка виток к витку – близкие понятия. Равномерная намотка означает намотку со стабильным шагом – расстоянием между витками. Следовательно, намотка виток к витку – это частный случай равномерной намотки, при котором каждый последующий виток провода укладывается вплотную к предыдущему.
Для намотки внавал (random winding), в основном, используются намоточные головы слайдерного типа, также называемые ползунковыми. Они позволяют за короткое время выполнить намотку большого количества витков на высокой скорости. При намотке возможны перехлесты, неравномерность шага, но для изделий с обмотками в несколько тысяч витков эта неравномерность не является ключевым фактором. Название такие головы получили благодаря наличию подвижной части на магазине – так называемого слайдера (ползунок/бегунок), через который продевается провод для его снятия с магазина. Провод во время намотки проходит между пластиной и прижимной лапкой для формирования петли витка (рис. 5).
Менее быстрые, но более точные намоточные головы, способные обеспечить намотку витков равномерно по кольцу, а также виток к витку – ременные намоточные головы. В намоточных головах этого типа вращение магазину задают ролики, через которые проходит ремень плоского либо круглого сечения (рис. 6). Вариант с плоским ремнем используется в случаях, когда проводу требуется задать большее натяжение. Головы с круглым ремнем способны работать с тонкими проводами и минимальным остаточным диаметром готового изделия. При намотке провод также проходит между прижимной пластиной и прижимной лапкой.
Третий тип намоточных голов – зубчатые(рис. 7). Они предназначены для обеспечения равномерной и контролируемой намотки провода на сердечник. Намоточная голова оснащена зубчатым колесом с собственным мощным приводом, на котором жестко закреплены ушко и ролик, сквозь которые продевается провод в процессе намотки. Зубчатое колесо вращается, забирая за собой провод с магазина, который, в свою очередь, ограничивается тормозным механизмом, давая необходимое натяжение. Такие головы имеют низкую скорость, но высокую точность укладки толстых проводов.
Составные части намоточного станка, как правило, могут быть сменными – на одну базу станка устанавливаются разные намоточные головы, разные роликовые столы. Кроме того, сам комплект намоточной головы индивидуален – в каталогах производителей представлены многие десятки комбинаций типов магазинов, роликов, слайдеров, ремней и прочих принадлежностей. Переналадка при должной подготовке не занимает много времени, однако необходимо понимать, что станок тороидальной намотки не может быть в полной мере универсальным для большого диапазона наматываемых изделий.
Самостоятельно выбрать комплектацию станка непросто. Разберем пример с тороидальным сердечником, у которого внешний диаметр равен30 мм, внутренний диаметр –15 мм и высота 10 мм. Необходимо уложить 3000 витков проводом ПЭТВ-2-0,2. Удастся ли выполнить эту задачу на станке? Забегая вперед, ответим, что это возможно. Расчетный внутренний диаметр после укладки составит 7,84 мм, внешний диаметр – 38 мм, высота– 18 мм, длина используемого провода – 142 м (для получения итоговых габаритов катушки были предварительно рассчитаны такие ее параметры как средняя длина провода на один виток, общая длина использованного провода, количество слоев и учтено еще несколько параметров). После такого расчета можно обратиться к каталогам производителей и подобрать станок, учитывая следующие факторы:
- ширина магазина вместе со слайдером не должна превышать итогового внутреннего диаметра 7,84 мм, а желательно должна быть меньше как минимум на 2 мм;
- роликовый стол должен зажимать катушки с диаметрами 30–38 мм (а лучше с большим запасом);
- емкость магазина по проводу должна быть не хуже 142 м в пересчете на провод с внешним диаметром 0,245 мм (в расчетах обязательно использовать внешний диаметр провода с учетом изоляции, а не диаметр по меди);
- выбранные разработчиком база станка, намоточная голова и роликовый стол должны быть совместимы друг с другом.
После такой оценки удастся в первом приближении понять требуемую комплектацию станка для каждого изделия.
Зачастую технологи переоценивают возможности станков для тороидальной намотки, предъявляя непосильные задачи вроде укладки слишком толстого провода на слишком небольшой сердечник. Особенно это актуально в производстве катушек по устаревшим ГОСТам, не предполагавших автоматизации. В этом случае мы либо рекомендуем пересмотреть конструкцию изделия, либо воспользоваться альтернативными видами тороидальных станков. Один из вариантов – станок крюкового типа (рис. 8). По большому счету, это полуавтоматическое устройство, упрощающее работу специалиста по намотке. Подача провода осуществляется вручную, но станок помогает протягивать провод сквозь сердечник специальным крюком с пневматическим приводом и задает вращение сердечнику.
Возникают и обратные случаи, когда имеется возможность автоматизировать не только намотку, но и подачу сердечников в рабочую зону. В таких станках весь процесс намотки происходит без участия оператора, что повышает повторяемость процесса на производстве, увеличивает производительность и позволяет избежать человеческого фактора (рис. 9).
Поскольку оценить целесообразность приобретения оборудования того или иного типа без экспертной оценки крайне трудно, перед оснащением рекомендуется прислушаться к советам поставщика или производителя, работающих в этой отрасли.
В нашей компании имеются опросные листы, которые мы просим заполнить для выбора типа станка и его комплектации. От потенциального заказчика требуется указать ряд параметров изделия: габариты до и после намотки, марку провода, схему намотки (количество витков, слоев, сектор), необходимость одновременной намотки двух или более проводов, плотность и равномерность укладки, тип изоляции, объем выпуска и т.д. На основании полученных данных мы рассчитываем требуемую длину провода, ожидаемые итоговые габариты изделия и выдаем рекомендации по конфигурации станка.
а) б)
в)
Рис. 4. а ) намотка внавал; б) равномерная намотка; в) намотка витком к витку
Реклама в журнале: anton.denisov@ecomp.ru
