2086

характеристики: предел текучести при растяжении, изгибе и кручении; предел прочности; предел усталости при изгибе и кручении.

Пределы текучести, прочности и усталости зависят от технологических особенностей как производства самой стали, так и изготовления валов. Для валов непригодна сталь, у которой предел текучести близок к пределу прочности. Предел прочности должен быть значительно выше предела текучести. Это требование обусловлено тем, что при аварийном кратковременном повышении напряжений в валу выше предела текучести не должна произойти поломка вала. Критерием прочности вала является предел усталости вала при изгибе и кручении. Полученные в ходе механического расчета результаты должны обеспечить минимальный запас по пределам текучести, прочности и усталости (в среднем, 20 - 40 %).

Сердечник якоря

Сердечник якоря предназначен для проведения магнитного потока, укрепления в его пазах обмотки якоря и передачи вращающего момента. Размеры сердечника якоря определяются при электромагнитном расчете машины и зависят от величины ее магнитного потока. Для уменьшения потерь от перемагничивания сердечник якоря собирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Конструкция сердечников якорей в зависимости от диаметра якоря выполняется либо из целых дисков, либо из сегментов, что связано с предельными размерами электротехнической стали.

Конструкция сердечника должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1.Листы сердечника якоря должны быть плотно спрессованы, чтобы при работе машины была полностью исключена возможность их перемещения в радиальном и аксиальном направлениях.

2.Сердечник якоря должен быть настолько прочно скреплен с валом или ступицей, чтобы через крепление можно было передать вращающий момент машины с учетом всех перегрузок, предусмотренных техническим заданием, а при сопряжении с двигателями внутреннего сгорания дополнительно должны быть учтены знакопеременные моменты, вызываемые работой приводного двигателя.

3.Конструкция якоря должна обеспечивать при принятой системе вентиляции отвод тепла от якоря.

4.В конструкции якорей при высоте оси вращения более 112 мм должны быть предусмотрены элементы для опоры лобовых частей обмотки якоря.

Эти требования являются основными, но в отдельных случаях могут появиться некоторые дополнительные требования. Само собой разумеется,

что конструкция сердечника якоря должна быть экономичной по стоимости и технологичной в изготовлении.

При проектировании якоря механическому расчету прочности подлежат следующие его элементы: стяжные шпильки, зубцы якоря, шпонки, обмоткодержатели, посадка сердечника якоря на вал или якорную ступицу.

Коллектор

Существующие конструкции коллекторов различаются по способу закрепления пластин. Наиболее часто в практике встречаются следующие разновидности коллекторов:

цилиндрические коллекторы с ласточкиными хвостами, у которых набор коллекторных пластин и изоляционных прокладок закреплен при помощи стальных конусных колец и стяжных шпилек или болтов (коллектор арочного типа);

цилиндрические коллекторы с ласточкиными хвостами диаметром 100 - 150 мм, у которых набор коллекторных пластин может удерживаться втулкой из пластмассы или пластмассой, подкрепленной армировочными кольцами, или разрезной стальной втулкой с пластмассовой заливкой (коллектор на пластмассе);

цилиндрические коллекторы с бандажными кольцами, у которых коллекторные пластины с изоляционными прокладками крепятся бандажными кольцами;

цилиндрические коллекторы, у которых, кроме нажимных колец, ставится одно или два бандажных кольца;

цилиндрические коллекторы, у которых набор коллекторных пластин имеет винтовую трапецеидальную нарезку на внутренней поверхности, а стальная втулка - такую же нарезку на наружной поверхности, зазор между медью и втулкой заливается пластмассой или эпоксидной смолой;

дисковые коллекторы, у которых рабочая поверхность перпендикулярна оси машины.

Наиболее широкое распространение имеют коллекторы первого и второго типов, которые более просты при изготовлении и надежны в эксплуатации. Каждый тип коллекторов имеет множество конструктивных исполнений, которые отличаются друг от друга конструкцией затяга коллекторных пластин, конструкцией втулки, посадкой коллектора на вал или креплением его к якорной звезде. Применение того или иного исполнения зависит от конструкции и параметров машины.

Конструкция коллектора должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1. Набор коллекторных пластин и изоляционных прокладок должен быть прочно закреплен и иметь строго цилиндрическую форму при всех

условиях работы машины. Механические напряжения во всех деталях коллектора не должны превосходить допустимых величин.

2.Коллекторные пластины должны быть надежно изолированы друг от друга и от деталей их крепления.

3.Конструкция коллектора не должна допускать проникновения пыли

ивлаги во внутреннюю полость коллектора, которая недоступна для осмотра и чистки.

4.Коллекторные пластины должны иметь запас по износу по высоте

- 10 мм - при диаметре коллектора 100 - 600 мм; 10 - 15 мм - для коллекторов диаметром более 600 мм.

5.Крепление коллектора на валу или на якорной звезде должно быть выполнено таким образом, чтобы обмотка якоря и коллектор не имели взаимных перемещений вследствие, например, гибкости вала либо температурных деформаций коллектора в осевом направлении.

6.Конструкция коллектора должна обеспечивать при принятой системе вентиляции отвод от него тепла.

Коллектор является сложной механической системой, состоящей из набора стальных, медных и изоляционных материалов. Некоторая неопределенность механических свойств изоляционных материалов (миканита), а также сложность определения температуры основных деталей коллектора при его работе делает механический расчет прочности весьма приближенным. Задача еще более усложняется тем, что в процессе изготовления коллектора, состоящем из ряда режимов статических и динамических формовок и прессовок, в основных элементах возникают напряжения значительной величины, которые трудно поддаются расчету. Эти факторы приводят к тому, что усилия арочного распора в готовом коллекторе могут быть оценены лишь ориентировочно.

Якорные обмотки

Секции обмотки якоря изготавливаются из медных проводов круглого или прямоугольного сечения. Для изготовления секций применяют либо голые провода, либо изолированные. В случае применения голых проводов последние изолируются. Одна секция или несколько секций, образующие катушку и укладываемые в паз, покрываются общей изоляцией (корпусной).

Изолированные таким образом катушки укладываются в пазы сердечника якоря, а секции соединяются между собой. Это соединение отдельных секций, а также присоединение их к коллектору выполняются в соответствии со схемой обмотки.

Применяемые в машинах постоянного тока якорные обмотки изготавливаются двух основных типов: стержневые и катушечные. И тот и другой тип обмоток выполняется на специальных приспособлениях - так называемых шаблонах, поэтому такие обмотки и получили название

шаблонных обмоток. Секция обмотки изготовляется намоткой провода на шаблоне. Катушка может состоять как из одной, так и из нескольких секций.

При больших сечениях провода имеют большую жесткость, что затрудняет изготовление катушек, поэтому их наматывают из нескольких параллельных проводов. При больших токах сечение проводов секций получается настолько большим, что выполнение катушек путем намотки на шаблоне представляет определенную трудность. В этих случаях секции обмотки изготавливаются из отдельных стержней, называемых полусекциями. Полусекции соединяются между собой хомутиками и пропаиваются. Обмотки выполненные таким образом называются стержневыми. Ступенчатые обмотки изготавливаются всегда стержневыми.

Уложенная в пазах якоря обмотка при работе машины подвержена действию центробежной силы. Поэтому после укладки ее нужно закрепить как в пазах, так и в лобовых частях. Крепление обмотки в пазовой части производится посредством клиньев или бандажей из магнитной или немагнитной проволоки. Крепление бандажом пазовой части обмотки применяется преимущественно в машинах малой мощности. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы наружного диаметра якоря, листы железа якоря, находящиеся под бандажом, делают несколько меньшего диаметра, то есть образуют бандажные канавки. Бандаж по длине сердечника якоря располагается в нескольких местах. Крепление лобовых частей обмотки осуществляется проволочными бандажами, плотно прижимающими лобовые части к обмоткодержателям. Под бандажи подкладывается прокладка из миканита и лакоткани общей толщиной 0,5 - 1 мм и шириной на 10 -15 мм больше, чем ширина бандажа. В последнее время успешно применяют для бандажей вместо стальной проволоки стеклоленту, пропитанную полиэфирной смолой.

При расчете прочности бандажа, наложенного как на лобовую, так и на пазовую часть обмотки, его следует рассматривать как свободно вращающееся кольцо, нагруженное равномерно по всей окружности центробежными силами. Расчет производится с учетом центробежной силы собственного веса бандажа и веса той части обмотки, которая удерживается бандажом.

Проверка прочности клина производится на изгиб и на срез.

Подшипниковые узлы

Подшипники электрических машин воспринимают действие силы тяжести якоря, дополнительных нагрузок от привода или приводимого механизма, действие инерционных сил от несбалансированности якоря и действие сил, вызываемых односторонним магнитным притяжением. В электрических машинах используются подшипники скольжения или качения (шарикоподшипники и роликоподшипники).

Вкрупных машинах с вертикальным валом роль несущей опоры выполняют подпятники, второй подшипник обычно не воспринимает осевых нагрузок.

Выбор подшипников скольжения или качения определяется следующими основными факторами:

нагрузкой на подшипник, обусловленной весом якоря и реакцией привода;

линейной скоростью на цапфе; требуемой долговечностью работы подшипников;

возможностью пополнения или смены смазки и удобством обслуживания подшипниковых узлов;

габаритами подшипников; шумом подшипников.

Вотношении линейной скорости, допустимых нагрузок и требуемой долговечности применение подшипников качения и скольжения ограничивается справочными данными каталогов. Пределы использования подшипников скольжения в этой части значительно шире.

Чрезвычайно важным фактором во многих случаях является шум подшипников. Подшипники скольжения в отличие от подшипников качения практически бесшумны.

Несмотря на некоторые преимущества подшипников скольжения перед подшипниками качения, все же в большинстве случаев, особенно в машинах малой и средней мощности, отдается предпочтение подшипникам качения, так как они практически не требуют обслуживания и значительно меньше по габаритам. Замена смазки в подшипниках качения по существующим требованиям производится не чаще одного раза в течении 4000 часов работы и не реже одного раза в три года. Решение вопроса выбора типа подшипников скольжения или качения в каждом конкретном случае зависит от требований к подшипникам технического задания.

9.3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИНДУКТОРА

Станина

Основной частью корпуса машины является станина (ярмо индуктора). Поперечное сечение станины определяется величиной магнитного потока, а при больших диаметрах еще и необходимым минимальным моментом инерции. Станина обычно имеет несколько большую длину, чем сердечник якоря (для перекрытия лобовых частей обмотки якоря и катушек обмоток главных и добавочных полюсов и защиты их при сборках и разборках машины).

Станины большинства машин выполняют гнутыми из стального листа с продольным швом. Ввиду того, что магнитная проницаемость шва

получается меньше, чем у материала кольца, шов располагают над серединой одного из главных полюсов машины.

Станины диаметром до 1 м выполняют целыми. В торцевых сторонах этих станин предусматривают кольцевые центрирующие заточки для щитов, в которых установлены подшипники. Станины диаметром более 1 м выполняют разъемными. Крепление полюсов к станине выполняют посредине осевой длины станины. К станине приваривают лапы, которыми машина крепится к фундаменту. Выбирая высоту расположения лап и их конструкцию, необходимо обеспечить возможность сверловки отверстий под болты, крепящие полюсы, и доступ к эти болтам при сборке и разборке машины.

Основной частью механического расчета станины является определение ее жесткости. Опыт показывает, что станины, имеющие надлежащую жесткость, всегда удовлетворяют требованиям прочности.

Нагрузками, создающими деформации станин, являются одностороннее магнитное притяжение при боковом смещении якоря и электромагнитный вращающий момент машины. Допустимый суммарный прогиб при номинальной нагрузке не должен превышать 3 - 5 % от номинального значения воздушного зазора. Этим определяется требование к жесткости станины.

Главные полюсы

Главные полюсы набираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Эти листы спрессовываются при давлении и склепываются заклепками. Заклепки должны быть рассчитаны на это давление и равномерно распределены. Суммарная площадь сечения заклепок должна быть не более 2 % общей площади штампованных листов полюса, а их количество должно быть не менее четырех. В качестве крайних нажимных листов полюса, в которых утоплены головки заклепок, применяются плиты толщиной 6 - 12 мм (в зависимости от величины полюса).

Полюсы крепят к станине болтами, которые, кроме собственного веса полюса, должны воспринимать усилия от вращающего момента. Нарезку резьбы для болтов можно выполнить непосредственно в шихтованном сердечнике полюса либо в массивных стальных стержнях круглого или четырехугольного сечения, которые вставляются в выштампованные отверстия полюсов, что применяется преимущественно в крупных машинах.

Для укладки компенсационной обмотки в полюсном наконечнике штампуются пазы.

На болты, крепящие главные полюсы к станине, действует тангенциальная сила от вращающего момента, а для полюсов, расположенных по горизонтальному диаметру станины, еще и вес полюса с обмоткой. Силами магнитного притяжения можно пренебречь, так как

магнитное притяжения полюса к якорю и магнитное притяжение полюса к станине уравновешивают друг друга.

В основу механического расчета надежности крепления полюсов положено следующее условие: натяг болтов, крепящих главный полюс, должен быть таким, чтобы силы трения между станиной и полюсом были равны сдвигающим силам.

Значения напряжения растяжения в болтах не должны превышать допустимые значения для выбранной марки стали.

Добавочные полюсы

Вмашинах малой мощности сердечники и наконечники добавочных полюсов выполняются из полос стали Ст 3. Крепление наконечников к сердечникам производится винтами с коническими утопленными головками. В машинах средней и большой мощности добавочные полюсы исполняются из листовой стали толщиной 1 мм.

Добавочные полюсы крепятся к станине болтами. Как правило, под добавочные полюсы помещают магнитные и немагнитные прокладки для регулирования магнитного потока.

Вкрупных машинах постоянного тока с напряженной коммутацией форма наконечника добавочного полюса определяется расчетом. Часто применяется наконечник долотообразной формы.

Расчет болтов, крепящих добавочный полюс, производится на силы магнитного взаимодействия между добавочным полюсом и соседними главными полюсами.

Значение напряжения растяжения в болтах, так же как и для болтов главных полюсов, не должно превышать допустимого значения для определенной марки стали.

Обмотки главных и добавочных полюсов

Катушки обмоток выполняются либо из изолированного провода круглого или прямоугольного сечения либо из полосовой меди в соответствии с необходимой площадью поперечного сечения проводника. Катушки машин малой мощности выполняются из тонкой проволоки и окончательную форму получают после их насадки на полюс. Жесткие проволочные катушки исполняются или сплошными, или секционированными. Они получают свою окончательную форму и размеры до посадки на полюс.

При секционном исполнении катушек для образования между отдельными секциями вентиляционных каналов ставят дистанционные шайбы из гетинакса или текстолита. Катушки, выполненные из полосовой меди применяются для последовательных обмоток (сериесной и добавочных полюсов).

Вкрупных машинах постоянного тока с компенсационными обмотками крепление катушек на добавочном полюсе производится при помощи изолированных шпилек. Виток компенсационной обмотки состоит из двух изолированных стержней, введенных в пазы двух соседних главных полюсов и соединенных между собой двумя изогнутыми дугами неизолированной полосовой меди.

Вмашинах с 2р = 4 компенсационные обмотки выполняются многовитковыми катушечными.

Щетки

В машинах постоянного тока преимущественно применяются угольнографитовые, графитные и электрографитированные щетки. Исключением являются не напряженные по коммутации низковольтные машины (20 - 30 В), в которых используются меднографитовые щетки.

Основными свойствами щеток, определяющими область их применения, являются:

переходное падение напряжения в скользящем контакте; коэффициент трения щеток о коллектор; износ щеток и коллектора; искрение.

Все эти свойства в значительной степени связаны между собой. Поэтому во многих случаях трудно установить, что является первопричиной неудовлетворительной работы щеток.

Из особо важных факторов, влияющих на работу щеток, следует отметить:

окружную скорость коллектора, так как в быстроходных машинах увеличивается переходное сопротивление в контакте, износ щеток, что, в свою очередь, вызывает искрение;

наличие в воздухе кремнийорганических паров, пыли и дыма, что может вызвать значительное увеличение износа и искрения;

температуру окружающей среды (при температуре свыше 120 С начинается искрение под щетками, работающими удовлетворительно при меньшей температуре);

плотности тока, так как при увеличении плотности тока под щеткой выше допустимой увеличиваются износ и искрение;

удельное нажатие на щетку, которое должно соответствовать допустимым значениям для выбранной марки щетки.

Чем меньше сечение щетки, тем больше общая поверхность охлаждения, поэтому выгодно снимать ток с коллектора малыми щетками. Кроме того, щетки малых размеров легче следуют по неизбежным неровностям поверхности коллектора, не подпрыгивая.

Щеткодержатели

К щеткодержателям предъявляются следующие требования.

1.Свободное перемещение щетки в обойме щеткодержателя без перекосов при работе и по мере износа щетки и коллектора.

2.Постоянство давления пружины щеткодержателя на щетку по мере износа щетки и коллектора.

3.Минимальные вибрации щеткодержателя.

Применяемые в машинах постоянного тока щеткодержатели выполняются в основном с радиальным или наклонным по отношению к поверхности коллектора перемещением щетки. Наиболее распространенными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Нажим на щетки в таком щеткодержателе производится через дополнительную пружину, которая ослабляет вибрации щетки, между тем как главная пружина перемещает щетку по мере ее износа.

Для нереверсивных машин часто применяют наклонные щеткодержатели. При определенном нажиме и обусловленной этим нажимом силе трения можно так подобрать угол наклона, чтобы щетка не упиралась в обойму и могла скользить в ней без трения или с малым трением. Наиболее целесообразный угол наклона - 55 .

Для выполнения вышеуказанных требование при проектировании щеткодержателей необходимо:

соблюдать тщательную пригонку щетки к обойме, так как особенно в реверсивных машинах при каждой перемене вращения щетка поворачивается и образуется новая шлифуемая поверхность;

допуски на отклонения размеров обоймы от размеров щетки не должны превосходить 0,15 мм на сторону;

кроме того, обоймы щеткодержателей должны находиться как можно ближе к поверхности коллектора, чтобы щеткам труднее было поворачиваться в обоймах;

иметь постоянное давление пружины на щетку по мере ее износа, что достигается надлежащим выбором места прикрепления пружины;

у многих щеткодержателей равномерность нажатия обеспечивается использованием пружин со слабоубывающей характеристикой;

изолировать щеткодержатель от щеток, чтобы не допустить прохождения тока по элементам щеткодержателя;

выполнить щеткодержатель достаточно жестким для уменьшения его вибраций;

расстояние между плоскостью крепления щеткодержателя и осью щеток должно быть минимальным.

Щеточные траверсы

В машинах малой мощности щеткодержатели крепятся на цилиндрических или призматических щеточных болтах. Призматические щеточные болты выполняются либо из гетинакса или текстолита, либо из полосы стали, опрессованной пластмассой в месте крепления с траверсой. При большой длине болтов их дополнительно закрепляют со стороны, противоположной траверсе, кольцом из изоляционного материала или изолированным стальным кольцом. Цилиндрические щеточные болты изолируют от траверсы миканитовыми втулками и шайбами или опрессовывают пластмассой.

Щеточные траверсы обычно имеют форму звезды с числом лучей, равным числу полюсов машины. В машинах малой мощности траверса выполняется неразъемной, но в ней предусматривается прорезь, стягиваемая винтом для затяга траверсы на ее опорной поверхности.

Выводное устройство

Машины с током якоря до 600 А подключаются к сети кабелем, который присоединяется к выводам машины кабельным наконечником, или же оголенная часть кабеля зажимается скобой. Для этого в коробке выводов предусматриваются винты, болты или зажимные планки. Для машин с большим током якоря кабель применяют редко. Обычно же используются шины, которые присоединяются к шинам выводов машины болтами. Вывода машин малой и средней мощности располагаются в коробке, которая может быть закрытого или защищенного исполнения.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Подробно рассмотреть и изучить конструкцию аналогичных машин постоянного тока Учитывая требования технического задания, разработать и описать

конструкцию общего вида проектируемой электрической машины Разработать и описать конструкцию оригинальных элементов машины Выполнить сборочный чертеж спроектированной электрической машины с необходимыми разрезами и сечениями, поясняющими ее конструкцию (формат А1)