Конструкции электрических машин. Порядок проектирования и материалы. Учебное пособие
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МАТЕРИАЛЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2025
УДК 621.313-025.13(075.8) К65
Коллектив авторов:
З. С. Темлякова, О. И. Новокрещенов, В. В. Гречкин, М. Е. Вильбергер, А. С. Лобачева, Г. О. Гейнрих, Д. Ю. Бабицкий
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Л. А. Нейман, канд. техн. наук Е. О. Лавренов
К65 Конструкцииэлектрическихмашин. Порядокпроектирова-
ния и материалы : учебное пособие / З. С. Темлякова, О. И. Новокрещенов, В. В. Гречкин и др. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2025. – 63 с.
ISBN 978-5-7782-5477-0
Пособиерекомендованостудентам, обучающимсяпонаправлениям 13.03.02 и 13.04.02 «Электротехника и электроэнергетика» при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ.
Предлагаемое пособие посвящено вопросам проектирования электрическихмашинразличныхпринциповработы. Особоевниманиеуделяется общей методике расчета электрических машин; материалам, применяемымвнастоящеевремявмашиностроении. Такжеописанряд подходов к механическому расчету основных узлов.
Выпускаемое учебное пособие является продолжением пособия «Конструкции электрических машин. Валы электрических машин» и дополнит имеющееся в нем данные.
|
УДК 621.313-025.13(075.8) |
ISBN 978-5-7782-5477-0 |
© Коллектив авторов, 2025 |
|
© Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2025 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.................................................................................................................. |
5 |
Глава 1. ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН......................................... |
6 |
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ |
|
В ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИИ...................................................... |
8 |
2.1. Магнитные материалы.............................................................................. |
9 |
2.1.1. Сталь электротехническая ............................................................. |
9 |
2.1.2. Стальное литье.............................................................................. |
14 |
2.1.3. Листовая сталь.............................................................................. |
14 |
2.1.4. Кованные стали или стальные поковки...................................... |
14 |
2.1.5. Чугун.............................................................................................. |
14 |
2.2. Проводниковые материалы.................................................................... |
14 |
2.3. Изоляционные материалы...................................................................... |
16 |
2.4. Обмоточные провода.............................................................................. |
26 |
Глава 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ И МЕХАНИЧКСКИЕ РАСЧЕТЫ |
|
ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН................... |
28 |
3.1. Общие принципы конструирования электрических машин................ |
28 |
3.2. Конструкционные материалы................................................................ |
32 |
3.2.1. Черные металлы............................................................................ |
32 |
3.2.2. Цветные металлы.......................................................................... |
33 |
3.2.3. Пластмассы.................................................................................... |
35 |
3.3. Конструкционные формы исполнения электрических машин............ |
36 |
3.3.1. Расчет колец и втулок, запирающих ротор на валу................... |
39 |
3.3.2. Расчет напряжений в листах ротора............................................ |
41 |
3.3.3. Расчет пазовых клиньев ............................................................... |
42 |
3.4. Подшипники............................................................................................ |
44 |
3.4.1. Подшипники качения................................................................... |
44 |
3.4.2. Подшипники скольжения............................................................. |
49 |
3 |
|
3.5. Конструкция статоров ............................................................................ |
50 |
3.6. Полюсы.................................................................................................... |
53 |
3.6.1. Расчет крепления главных полюсов............................................ |
55 |
3.6.2. Расчет крепления добавочных полюсов..................................... |
56 |
Библиографический список................................................................................. |
58 |
Приложение 1. Марки основных типов обмоточных проводов, краткая |
|
характеристика, класс нагревостойкости и размеры......................................... |
59 |
Приложение 2. Допускаемые нагрузки на подшипники с кольцевой |
|
смазкой................................................................................................................... |
62 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование электрической машины включает в себя выбор и расчет размеров ее статора и ротора, обмоток, изоляции, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех ее частей. При этом также выбираются материалы для отдельных частей машины.
Материалы, размеры и формы конструктивных деталей должны быть выбраны и отдельные детали так объединены, чтобы машина по возможности наилучшим образом соответствовала своему назначению и была наиболее экономичной в работе и изготовлении.
Припроектированииэлектрическоймашины, какбудетвидноизпоследующего, приходится учитывать большое количество факторов, от которых зависят ее эксплуатационные свойства, заводская себестоимость и надежность в работе.
Можно было бы найти оптимальный или близкий к нему вариант проекта путем расчета и сопоставления многих вариантов. Однако современные методы расчета позволяют при сравнительно небольших затратах труда подойти довольно близко к оптимальному варианту. Эти методы создавались на основе большого опыта построения и длительной эксплуатации электрических машин, глубоких теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в них.
ГЛАВА 1 ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН
Проектированию машин или серии машин должно предшествовать составление проектного задания, в котором указываются номинальные величины машины, соответствующий госстандарт или технические условия. Под заданными номинальными величинами понимается мощность, напряжение, частота вращения, скорость, cos для синхронных машин. Они определяют номинальный режим работы машины, для которого она предназначена.
Вначале определяются главные размеры D и l , а для асинхронных и синхронных машин – также внешний диаметр статора Da .
Привыборедиаметровидлиндляосновного(заданного) исмежных типов целесообразно составить таблицу вариантов и из нее выбрать наиболее подходящий по значениям λ.
После выбора главных размеров асинхронного двигателя производятся расчет обмотки и определение размеров паза и высоты ярма статора, выбор воздушного зазора, расчет обмотки и определение размеров паза и ярма ротора и др.; для синхронных машин порядок расчета можно выбрать тот же самый: сначала провести расчет параметров статора, выбрать воздушный зазор и затем перейти к проектированию ротора. Для машин постоянного тока следует вначале рассчитать обмотку якоря, егопазыиколлектор, азатемпослевыборавоздушногозазорарассчитать добавочные и главные полюсы, станину и обмотки возбуждения.
Определение главных размеров D и l является начальным и, как
отмечалось, основным этапом проектирования электрической машины; другие размеры ее активных частей определяются в процессе электромагнитного расчета. Последний включает в себя также расчет магнитной цепи, определение параметров обмоток, потерь, КПД, рабочих и пусковых характеристик и т. д.
6
Таким образом, проверяют, удовлетворяет ли машина при выбранных размерах заданным техническим условиям и соответствующим госстандартам.
Далее проводится тепловой расчет, т. е. определение превышений температуры ответственных частей машины. Для более точного теплового расчета следует предварительно наметить конструкцию машины
ивыполнить вентиляционные расчеты. Если при этом получаются удовлетворительные результаты и нет необходимости в изменении какихлибо размеров и повторных расчетах, можно приступить к конструированию машины и механическим расчетам ее конструктивных деталей.
Проектирование серии машин проходит следующие основные стадии.
1. Составление проектного задания, при котором должны быть учтены и согласованы требования различных отраслей промышленности, электрических станций, коммунальных предприятий, строительных организаций, сельского хозяйства и т. п.
2. Эскизный проект (составляется обычно вместе с проектным заданием), в котором выявляются возможности выполнения проектного задания; намечаются мощности, скорости вращения, напряжения машин
ит. п.; устанавливаются их основные технико-экономические показатели; даются принципиальные обоснования целесообразности изготовления новой серии машин и эффективности внедрения ее в промышленность.
3. Технический проект, содержащий более подробную разработку принятых в проектном задании и эскизном проекте решений; в него включаются чертежи машин (обычно общие виды), расчеты всех основ-
ных величин (КПД, cos , начальный и максимальный вращающие мо-
менты, превышениятемпературы, данныевентиляционных имеханических расчетов, веса активных и конструкционных материалов и др.), причемэтирасчетыдолжныбытьподкрепленыопытнымиданными, полученными при испытании опытных образцов; здесь же намечаются и разрабатываются основные технологические процессы с соответствующими экономическими обоснованиями.
4. Рабочие чертежи, определяющие окончательные размеры всех машинсериииихдеталей, атакжеуточняющиетехнико-экономические показатели.
7
ГЛАВА 2
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИИ
Стоимость, экономичность и надежность в работе электрической машины зависят не только от выбора размеров, конструкции, технологии производства и точности расчетов, но также от свойств материалов, из которых она изготовлена.
В электромашиностроении применяются следующие виды материалов: конструкционные, активные и изоляционные. Конструкционные материалы применяются для изготовления частей и деталей машины, которые служат главным образом для передачи и восприятия механических воздействий. Активные материалы служат в качестве магнитных
ипроводниковых. Изоляционные материалы предназначены для того, чтобы электрически изолировать токопроводящие части машины от других ее частей и друг от друга.
Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к ряду материалов предъявляются требования, относящиесяодновременнокаккмеханическим, такикмагнитным
иэлектрическим их свойствам.
Кконструктивнымматериаламотносятчугун(простой, ковкийинемагнитный), сталь (литую и кованую), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.
Вданнойглаверассматриваютсяматериалы– активные(магнитные, проводниковые) и изоляционные; кроме того, проводятся основные характеристики обмоточных проводов и щеток, применяемых для изготовления электрических машин.
8
2.1. Магнитные материалы
2.1.1. Сталь электротехническая
Марки стали: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2213, 2214, 2215, 2216, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414 и 2421.
Сталь подразделяют:
по видам продукции: лист, рулонная сталь, лента резаная (лента);
по точности прокатки по толщине: нормальной точности – Н, по-
вышенной точности – П;
по точности изготовления по ширине: нормальной точности, повы-
шенной точности – Ш;
по неплоскостности на классы: 1 и 2; по серповидности (для рулонной стали и ленты): нормальной точ-
ности, повышенной точности – С; потермическойобработке: термическиобработаннаянамагнитные
свойства – ТО, без термической обработки на магнитные свойства; по виду покрытия: без покрытия (с металлической поверхностью),
с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость – НШ, с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость – TШ, с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость – Т;
по коэффициенту заполнения на группы: А и Б.
Рулонную сталь изготовляют толщиной 0,27; 0,35 и 0,50 мм ишири-
ной 500, 530, 600, 670, 740, 750, 805, 815, 825, 840, 860, 865, 880, 905, 935, 965, 985, 990, 1000, 1015, 1030, 1050, 1065 мм.
Размеры листов должны соответствовать указанным в табл. 2.1.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
Толщина, мм |
|
Длина листов при толщине, мм |
||
|
|
|
|
|
500 |
|
750 |
1000 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
0,27; 0,35; 0,50 |
1500 |
|
1500 |
2000 |
|
|
|
|
|
Лентуизготовляюттолщиной: 0,27; 0,35 и0,50 ммишириной90, 95, 107, 123, 130, 138, 140, 150, 156, 160, 170, 175, 187, 200, 215, 226, 233, 250, 260, 280, 290, 300, 322, 325, 360, 400, 445 мм.
Посогласованиюизготовителяспотребителемдопускаетсяизготовлять ленту другой промежуточной ширины.
9
Масса одного отрезка в рулоне ленты должна быть не менее массы, вычисленной из расчета 0,5 кг на 1 мм ширины ленты.
Предельные отклонения по толщине стали должны соответствовать ГОСТ 21427.2–75. Данные из госстандарта указаны в табл. 2.2.
|
|
Таблица 2.2 |
|
|
|
|
|
|
Предельные отклонения по толщине стали |
||
Толщина, мм |
при точности прокатки, мм |
||
|
нормальной |
повышенной |
|
0,27 |
+0,01 |
+0,01 |
|
–0,03 |
–0,02 |
||
|
|||
|
|
0,02 |
|
0,35 |
0,03 |
||
|
|
0,03 |
|
0,50 |
0,04 |
||
Листы, рулонную сталь и ленты изготовляют с обрезными кромками.
Предельные отклонения рулонной сталии листовнедолжныпревышать по ширине: нормальной точности +0,5 %, повышенной точности
+1,0 мм.
Предельные отклонения листов по длине не должны превышать
+0,5 %.
Неплоскостность не должна превышать норм, указанных в табл. 2.3.
|
|
Таблица 2.3 |
|
|
|
|
|
Вид стали |
Неплоскостность стали на 1 м, мм, для классов |
||
1 |
2 |
||
|
|||
Лист, лента |
4 |
8 |
|
Рулонная сталь |
2 |
4 |
|
|
|
|
|
Серповидность рулонной стали и ленты на 1 м длины должна соответствовать указанной в табл. 2.4.
|
|
Таблица 2.4 |
|
|
|
|
|
Ширина, мм |
Точность прокатки по толщине, мм |
||
нормальная |
повышенная |
||
|
|||
До 250 включ. |
3 |
2 |
|
Более 250 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
10