2074

Основные свойства изоляционных материалов, которые интересуют конструктора и необходимы ему для оценки возможности использования этого материала в проектируемой машине, следующие:

1). Электрические: электрическая проводимость, удельное объемное и поверхностное сопротивление, дугостойкость, электрическая прочность (пробивное напряжение);

2). Механические: пределы прочности на растяжение, сжатие, изгиб, ударная вязкость, стойкость на истирание;

3). Физико-химические: водопоглащение, адгезионные способности, смачиваемость (для лаков и компаундов);

4). Тепловые: нагревостойкость, коэффициент теплопроводности, теплоемкость.

На сегодня применяются следующие виды изоляционных материалов:

1). Пластические массы (представляют собой смеси термореактивных смол и наполнителей). Широкое распространение получил пресс - материал АГ- 4. Он представляет собой смесь модифицированной фенольно - формальде-гидной смолы и стекловолокна. Из пресс-материала АГ- 4 изготавливаются щиты; корпуса контактных зажимов и изоляционные детали всех видов. Он используется для опрессовки коллекторов, щеткодержателей и контактных колец. Усадка при прессовании составляет около 0,15 %.

2). Стеклотекстолиты (представляют собой слоистые пластики, состоящие из нескольких слоев стеклоткани, пропитанные эпоксидным клеем). Они используются для изготавления крайних изоляционных листов пакетов статора, пазовых клиньев и изоляционных прокладок.

3). Стеклоленты - применяются для изоляции обмоток и выводов.

4). Стеклоткани (ЛСК) - используются в качестве пазовой изоляции, для изоляции катушек, выводов. Выпускаются в виде полотна толщиной от 0,05 до 0,2 мм. Должны подвергаться обязательной пропитке.

5). Пленки из фторопласта 4 (тетрафторэтилена) - используется для изоляции неподвижных катушек и выводов. Пленки выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм; интервал рабочих температур ( 60 +250) оС.

6). Пленка полиамидная (ПМ) - является хорошим изоляционным материалом. Она используется как пазовая изоляция для изоляции катушек,

12

выводов и изготовления различных изоляционных прокладок, при температурах до +300 оС. Изготавливается толщиной от 30 до 130 мкм и поставляется в рулонах различной толщины.

7). Слюда - минерал слоистой структуры с очень хорошими изоляционными свойствами. В чистом виде слюда применяется в коллекторах машин большой мощности.

8). Миканит - состоит из щипаной слюды, склеенной связующим веществом. Применяется для изготовления изоляционных прокладок.

9). Стекломиканиты - состоят из слоя щипаной слюды, склеенного стеклотканью толщиной 0,04 мм с одной или двух сторон. Используется для изолировки коллекторных втулок, бандажей, полюсных катушек и токоведущих элементов машины. Изготавливается в виде листов, толщиной

(0,2 0,5) мм.

10). Стеклослюдениты (гибкий и формовочный) - состоят из слюдинитовой бумаги и стеклоткани, склеенных кремнийорганическими лаками. формовочный используется для пазовой изоляции: внешней (к железу)

игибкий - для изоляции на выпуск.

1.2.5.Конструкционные материалы

Конструкционные материалы используются для изготовления частей электрической машины, воспринимающих и передающих механические нагрузки. В электрических машинах в качестве конструкционных используются следующие виды сталей:

1). Легированные стали - применяются для высоконагруженных деталей и там, где необходима термическая обработка.

2). Пружинные стали - наилучшие свойства получают при термообработке до твердости (42 48) НРС; при более высокой твердости проявляют хрупкость и чувствительность к концентрациям напряжения.

3). Нержавеющие стали - упрощают защиту от коррозии, позволяют вести обработку посадочных мест после сборки узла. Диамагнитность некоторых марок нержавеющих сталей используется в конструкциях роторов машин с осевым потоком. Недостатки сталей с высоким содержанием никеля - низкая твердость и износоустойчивость.

4). Литейные стали - применяются для отливок корпусов и полюсов машин постоянного тока, а также для щитов, втулок коллекторов и других нагруженных деталей.

5). Алюминиевые сплавы - широко применяются в конструкциях электрических машин. Прочность этих сплавов повышается термообработкой. Большинство сплавов сваривается всеми видами сварки. Отливки из конструкционных сплавов марки АЛ5; АЛ9 и АЛ19 (корпуса, щиты, ступицы) могут использоваться до рабочих температур +200 оС.

13

6). Магниевые сплавы - при всех их положительных качествах не находят широкого применения из-за повышенной пожароопасности. Отличаются низкой коррозийной стойкостью.

7). Титановые сплавы - находят все более широкое применение для таких высоконагруженных деталей как бандажи, клинья роторов, валы, ступицы, корпуса и щиты. Очень высоко коррозийная стойкость. Сплавы хорошо свариваются электронно-лучевой аргонно-дуговой и контактной сваркой. Могут применяться до рабочих температур +400 оС. В то же время имеют низкий модуль упругости, малые электрическую проводимость и теплопроводность и плохие антифрикционные характеристики, что должно учитываться конструктором.

1.3. Виды нагрузок на материалы

При работе электрической машины в различных деталях конструкции возникают механические напряжения. В зависимости от величины напряжений, они могут быть признаны допустимыми или недопустимыми.

Механические напряжения, допускаемые в материале детали, зависят от рода напряжения и характера нагрузки, испытываемых данной деталью как при нормальной работе машины, так и в аварийных условиях работы.

Детали электрических машин чаще всего подвергаются сложным деформациям, т.е. действующие силы вызывают совокупность двух или нескольких простых деформаций: растяжения, сжатия, изгиба и кручения. Нагрузки по характеру действия разделяют на нагрузки статические и нагрузки динамические.

Динамические нагрузки подразделяют на нагрузки мгновенные и периодически изменяющиеся. При статических нагрузках действующая на деталь сила постоянна по величине или же изменяется относительно медленно. Мгновенными нагрузками называются такие, при которых напряжения в деталях, воспринимающих эту нагрузку, нарастают почти мгновенно до максимальной величины. При этом максимальное напряжение может получиться почти в два раза более высокими, чем при постепенном нарастании нагрузки. Следовательно, при мгновенной нагрузке силой Р явление происходит так, как будто действует сила удвоенной величины. Это значение 2Р и следует применять в расчете.

Для деталей, испытывающих мгновенную нагрузку, не должен применяться хрупкий материал (например чугун).

К периодическим нагрузкам относятся такие, при которых напряжения в материале деталей получаются периодически изменяющимися по величине, причем скорость их изменения такова, что их нельзя отнести к постепенно изменяющимся нагрузкам.

В качестве критерия используется неравенство

T n

где T - срок службы детали в годах;

14

n - число возможных колебаний нагрузки за год.

Одной из разновидностей периодических нагрузок являются знакопеременные нагрузки симметричного цикла. Для этих нагрузок величина допустимых напряжений определяется в долях от предельно-допустимого.

Величиной предельно-допустимого напряжения для данного материала называют знакопеременное напряжение данного рода (изгиб, кручение, растяжение), которое образец может выдержать без остаточной деформации.

где з - коэффициент нагрузки материала; ид - предельно допустимое напряжение для данного материала.

Общий случай периодически изменяющегося напряжения показан на рис.1.2.

Этот вид колебаний рассматривается как комбинация статического напряжения и периодического знакопеременного.

Упрощенный метод определения пре- дельно-допустимого и допустимого напряжения на практике состоит в следующем. По оси ординат откладывают значение предельно допустимого напряжения для данного рода нагрузки, а по оси абсцисс откладывают значение предела те-

15

мости от статического и наоборот.

1.4. Конструктивные исполнения электрических машин

На конструкцию машины влияют род тока, скорость, и т.д. Одним из факторов, определяющих конструкцию электрической машины, является способ ее крепления на месте установки. Для упрощения монтажа и обеспечения взаимозаменяемости в электромашиностроении выработан ряд унифицированных форм исполнения по способу крепления.

Наиболее распространенная форма исполнения - горизонтальная машина с двумя щитовыми подшипниковыми щитами и станиной на лапах для крепления на месте установки.

Условное обозначение этих машин - М1 (рис.1.4 а)). Машины исполнения М1 выпускаются без фундаментальной плиты и их можно

устанавливать на горизонтальном основании, стене или потолке.

Рис.1.4. Формы исполнения электрических машин

Модификацией этого исполнения является машина на лапах с фланцем для крепления на подшипниковом щите (условное обозначение М2, рис.1.4 б)). Машины с фланцевым креплением могут быть выполнены без лап. В этом случае фланец располагается на подшипниковом щите (условное обозначение М3 рис.1.4 в)), или на станине, (условное обозначение М4, рис.1.4 г)).

Машины указанных исполнений могут работать в вертикальном положении (свободный конец вала располагается вверху или внизу машины). При этом подшипники для вертикальной установки рассчитаны только на массу ротора и соединительной муфты и не допускают добавочной осевой нагрузки.

Двигатели, встроенные непосредственно в механизмы и не имеющие специальных крепежных элементов имеют условное обозначение М5.

16

Вкрупных машинах встроенные подшипники заменяются выносными, которые называются стояковыми. Эта замена вызвана тем, что при диаметрах статора более метра подшипниковые щиты получаются тяжелыми, а применение стояковых подшипников уменьшает массу. Машины со стояковыми подшипниками имеют условное обозначение М7 (рис.1.4 д)). Стояковые подшипники крепят или на общей фундаментальной плите или станину и подшипники устанавливают на разных плитах, заделываемых в общий фундамент.

Разновидностью горизонтальных машин является машина с двумя щитовыми подшипниками и с добавочными стояковыми подшипниками. Такое исполнение применяют при работе на ременную передачу с большим натяжением (условное обозначение М6).

Вмашинах большой мощности с вертикальным расположением вала для компенсации вертикальной нагрузки устанавливают специальные подшипники, называемые упорными. В зависимости от расположения упорного подшипника различают два типа вертикальных машин: подвесные и зонтичные.В подвесных машинах упорный подшипник, воспринимающий осевую нагрузку расположен над ротором, т.е. ротор висит на подшипнике. Чтобы предохранить ротор от радиального смещения, вверху и внизу устанавливают направляющие подшипники. Верхний направляющий подшипник иногда совмещают с упорным. В зонтичных машинах упорный подшипник установлен под ротором. Они имеют один или два направляющих подшипника. Условное обозначение вертикальных машин большой мощности М8.

Для обеспечения взаимозаменяемости по условиям монтажа требуется не только унификация форм исполнения крепежных элементов, но и совпадение сопрягаемых размеров, называемых установочно-присоединительными. Обозначения установочно-присоединительных размеров для наиболее распространенных исполнений (М1, М3) приведены на рис.1.5.

Расстояние от опорной плоскости лап до оси вращения обычно обозначается h (называют высотой оси вращения), расстояние между центрами

отверстий в лапах под крепежные лапы вдоль оси вращения l10, расстояние между центрами указанных отверстий в направлении, перпендикулярном оси

вращения b10, диаметр крепежных отверстий в лапах d10, расстояние от “заплечников” выступающего конца вала до ближайшего отверстия l31.

Вмашинах с фланцевым креплением (М3) такими размерами будут:

диаметр центровочной заточки крепительного фланца d25, диаметр окружности расположения центров отверстий во фланце d20, диаметр отверстий под крепления d22, расстояние от “заплечника” выступающего конца вала до опорного торца крепежного фланца l39.

17

Рис.1.5. Установочно-присоединительные размеры.

Значения указанных размеров для исполнений М1, М2 и М3 установлены ГОСТ 18709-73. Для форм М2, представляющей собой комбинированное исполнение, размеры и обозначения соответствуют указанным формам.

Для предупреждения травм персонала при случайном прикосновении к токоведущим и вращающимся частям и для защиты машины от попадания посторонних предметов, их выполняют с различными способами защиты.

1.5. Способы защиты

По способу защиты электрические машины можно подразделить на несколько видов:

1). Открытые машины (не имеют каких либо дополнительных деталей для защиты токоведущих и вращающихся частей). Если есть вентилятор, его закрывают сеткой. Их разрешено применять в машинных залах и лабораториях.

2). Защищенные машины (имеют защитные приспособления (крышки, колпаки и т.д.), предохраняющие от прикосновения к вращающимся частям машины и от попадания внутрь посторонних предметов). Выводные зажимы у таких машин закрыты колпаками, а отверстия в щитках - сетками. Эти машины предназначены для установки только в закрытых помещениях.

3). Каплезащищенные машины (защищены от попадания внутрь капель влаги, падающих отвесно). Защита осуществляется посредством глухих

18

крышек или жалюзей, устанавливаемых над отверстиями в станине и щитах, расположенных в верхней части.

4). Брызгозащищенные машины (защищены от попадания внутрь водяных брызг, падающих отвесно или под углом к вертикали с любой стороны). У этих машин отверстия, расположенные в верхней части закрыты глухими крышками, а боковые отверстия - жалюзями. Брызгозащищенные машины можно применять для наружней установки.

5). Водозащищенные машины (исключается возможность попадания воды внутрь в количествах, опасных для нормальной работы). Основное применение водозащищенных машин - судовые установки.

6). Закрытые машины (не имеют сообщения между внутренним пространством и окружающей средой; сообщение может иметь место только через соединения между частями машины). Применяют для наружной установки или в помещениях с повышенной влагой или запыленностью.

7). Герметичные машины (имеют плотно закрытый корпус, выполненный таким образом, чтобы предотвратить сообщение между внутренним пространством и окружающей средой при определенной разности давления снаружи и внутри машины). Герметичные машины могут работать в воде.

8). Взрывозащищенные машины (предназначены для работы во взрывоопасных помещениях и взрывоопасных наружных установках, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси горючих газов или паров с воздухом).

Требования по величине допустимых зазоров и размеров отверстий в элементах конструкции определены ГОСТ 14264-69. Этот ГОСТ устанавливает шесть степеней защиты от прикосновения к токоведущим или движущимся частям и проникновения твердых частей, а также восемь степеней защиты от проникновения воды. Обозначается степень защиты условными буквами I P после которых следует две цифры: первая цифра указывает условно степень защиты персонала и машины от попадания посторонних тел, вторая - от проникновения воды. Цифра 0 - отсутствие защиты. Например: I P 44 означает защиту от соприкосновения инструмента, проволоки и т.п., толщина которых превышает 1 мм, а также защиту от брызг воды в любом направлении.

1.6. Системы охлаждения

Преобразование энергии в неизбежно связан с потерями, превращающимися в тепло, т.е. с нагреванием. Источников тепла в машине несколько: обмотки, которые нагреваются при прохождении по ним тока; сердечники, нагрев которых обусловлен потерями от перемагничивания и вихревых токов; коллектор, нагревающийся при прохождении по нему тока и от потерь на трение щеток; подшипники, где нагрев вызван трением вращающихся частей и т.д.

Тепло, выделяющееся в частях, где возникают потери, распространяется

19

по всему объему. В стационарном режиме, когда через некоторое время количество тепла, выделяющегося в машине становится равным количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду, устанавливается постоянная температура. При этом температура отдельных частей будет различна т.к. различны условия теплоотдачи, материалы и т.д.

Долговечность и надежность работы машины во многом зависят от нагрева ее частей и прежде всего изоляции (при повышении температуры сверх допустимой резко снижает изоляционные и механические свойства). Для того, чтобы машина работала надежно, она должна хорошо охлаждаться. Это в значительной мере определяет допустимые электрические нагрузки машины и влияет на ее массу и габариты. Вот почему в конструкциях электрических машин все время совершенствуется система охлаждения.

Все системы охлаждения можно разделить на два класса: без промежуточного теплоносителя, (охлаждающая среда является одновременно и конечным теплоприемником для выделяющихся потерь) и с промежуточным теплоносителем (его роль сводится к переносу потерь от машины к конечному теплоприемнику).

По виду контакта с охлаждающей средой системы охлаждения делятся на следующие группы:

1). С прямым (непосредственным) охлаждением (охлаждающая среда соприкасается со всеми тепловыделяющими частями.

2). С косвенным охлаждением (отсутствует контакт между тепловыделяющими элементами и охлаждающей средой, теплообмен осуществляется через промежуточные детали за счет теплопроводности (кондуктивная теплопередача).

3). Со смешанным охлаждением, (теплообмен осуществляется как непосредственным контактом с охлаждающей средой, так и за счет теплопроводности через промежуточные детали охлаждающей среде - воздуху путем конвекции). Широко используется в микромашинах, а также для электродвигателей исполнительных механизмов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы).

Схема естественного охлаждения показана на рис. 1.6.

Этот тип охлаждения относится к группе смешанного: тепловыделение статора непосредственно передается окружающему воздуху путем естественной конвекции, тепловыделение ротора передается вначале на статор через промежуточный теплоноситель, которым является находящийся внутри машины воздух, и далее окружающему воздуху.

Рис.1.6. Схема естественного Машины с самовентиляцией всегда имеют охлаждения. вентилятор. Тепловые потери ротора и статора передаются воздуху, который прогоняется по

20

внутренним каналам машины вентилятором. Самовентиляция применяется для приводных электродвигателей с длительным режимом работы, для электромашинных преобразователей и двигатель-генераторных агрегатов.

Для увеличения поверхности охлаждения и подвода воздуха к наиболее нагретым областям машины предусмотрены вентиляционные каналы. Каналы обычно выполняются в сердечниках статора и ротора, в коллекторах, а также в катушках возбуждения, которые обычно разделены на части.

На рис.1.7 а), показана система вентиляции с осевыми аксиальными каналами, расположенными параллельно оси вала.

Рис.1.7. Схемы самовентеляции.

Воздух засасывается со стороны, противоположной вентилятору, омывает лобовые части обмотки и параллельными струями проходит по каналам ротора и статора, охладив лобовые части выбрасывается наружу со стороны вентилятора. Проходя по каналам машины воздух успевает нагреться, вследствие чего, части машины, удаленные от входа, охлаждаются хуже.

Этого недостатка нет в системе вентиляции с каналами, расположенными радиально (рис.1.7 б). Радиальные каналы образуются при сборке сердечника статора и ротора из отдельных пакетов, толщина которых (40 80) мм. Между пакетами ставятся вентиляционные распорки толщиной 10 мм. Воздух засасывается с торцов внутрь машины, проходит по радиальным каналам ротора и статора и выбрасывается через станину в окружающую среду. При этом охлаждение лобовых частей обмотки происходит равномерно.

Самовентиляция от встроенного вентилятора может применяться и для машин закрытого исполнения. Пример такой схемы показан на рис.1.8.

В данной схеме от вентилятора, закрепленного на выходящей консоли вала, производится внешний обдув корпуса, который в этом случае обычно имеет продольные ребра радиаторы, значительно увеличивавающие поверхность теплосъема и и повышающие эффективность ох-