Конструкции электрических машин. Порядок проектирования и материалы. Учебное пособие

Телескопичность рулонов не должна превышать: 5 мм при ширине стали до 500 мм; 7 мм при ширине стали 500 мм и более.

Отдельные витки не должны выступать более чем на пятикратную толщинустали. Один-двавнутреннихилинаружныхвиткамогутвысту- пать над поверхностью торца рулона.

Внутренний диаметр рулона должен быть (500 ± 10) мм. Наружный диаметр рулонов лент должен быть не более 1200 мм.

Примеры условных обозначений

Листтолщиной0,50 мм, шириной750 мм, длиной1500 мм, нормальной точности прокатки, нормальной точности изготовления по ширине,

снеплоскостностью класса 2, термически обработанный, без покрытия,

скоэффициентом заполнения группы Б, из стали марки 2211:

Лист 0,50 · 750 · 1500-Н-2-ТО-Б-2211 ГОСТ 21427.2–83

Рулонная сталь толщиной 0,35 мм, шириной 1000 мм, повышенной точностипрокатки, повышенной точностиизготовленияпо ширине, повышенной точности по серповидности с неплоскостностью класса 1, термически обработанная, с термостойким электроизоляционным покрытием, марки ТШ1, улучшающим штампуемость, с коэффициентом заполнения группы А, из стали марки 2412:

Рулон 0,35 · 1000-П-Ш-С-1-ТО-ТШ1-А-2412 ГОСТ 21427.2–83

Лента толщиной 0,50 мм, шириной 250 мм, повышенной точности прокатки, нормальной точности изготовления по ширине, повышенной точности по серповидности, с неплоскостностью класса 2, термически обработанная, с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость, марки T1, с коэффициентом заполнения группы Б, из стали марки 2311:

Лента 0,50 · 250-П-С-2-ТО-Т1-Б-2311 ГОСТ 21427.2–83

Сталь электротехническая должна изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 21427.2–75.

Стальвсехмарок, кромемарок2011, 2012 и2013, изготовляютвтермически обработанном состоянии на магнитные свойства.

Сталь, поставляемую без термической обработки, изготовляют без покрытия. Сталь, термически обработанную на магнитные свойства, –

11

с покрытием или без покрытия. Тип покрытия устанавливают по согласованию изготовителя с потребителем.

На кромках стали не должно быть расслоений. Допускаются дефекты на кромках, не выводящие сталь за пределы номинальных размеров.

Число перегибов для стали, изготовляемой в термически обработанном состоянии, должно соответствовать указанному в табл. 2.5.

Магнитныесвойствасталидолжнысоответствоватьнормам, указанным в табл. 2.6.

12

Окончание табл. 2.6

Свойства стали, поставляемой без термической обработки на магнитные свойства, определяют на отожженных образцах.

Коэффициент заполнения стали должен соответствовать нормам, указанным в табл. 2.7.

13

2.1.2. Стальное литье

Применятся для станин машин постоянного тока и ободов (ярм) роторов синхронных машин.

Магнитные характеристики литой стали колеблются в очень широких пределах в зависимости от ее химического состава.

2.1.3. Листовая сталь

Применяется для сварных станин машин постоянного тока и роторов синхронных машин. Толщина ее колеблется от 1,5 до 120 мм. По магнитным свойствам этот материал приближен к литой стали.

2.1.4. Кованые стали или стальные поковки

Находят применение для добавочных полюсов машин постоянного тока, роторов быстроходных синхронных машин.

2.1.5. Чугун

Применяется для частей магнитной системы редко вследствие его плохих магнитных свойств.

Ранее из чугуна выполняли станины машин постоянного тока. В настоящее время для них применяют литую или листовую сталь.

Изчугунаиногдаделаютободыроторовтихоходныхявнополюсных синхронныхмашин, когданеобходимо иметьповышенныймаховоймо-

мент GD2 (например, у синхронного двигателя для поршневого компрессора) и когда механические напряжения допускают применение чугуна.

2.2.Проводниковые материалы

Кпроводниковым материалам, применяемым для электротехнических машин, должна быть отнесена прежде всего медь – сравни-

тельно недорогой металл, имеющий удельное сопротивление

1,68 10 8 Ом м.

Наибольшей электропроводностью из всех металлов обладает серебро. Медь занимает второе место. Ее удельное сопротивление только на 4…4,2 % больше, чем у серебра, которое не может быть применено из-за своей высокой стоимости.

14

Большоевлияниенасопротивлениемедиоказываютразличныепримеси. Поэтому для проводников применяется возможно более чистая электролитическая медь. Она не должна содержать более 0,1 % примесей. Особенно вредны примеси сурьмы и висмута.

При холодной прокатке медь подвергается наклепу, что делает ее более твердой и увеличивает ее удельное сопротивление. Отжиг восстанавливает основные свойства меди и его следует применять не только на кабельных, но и на электромашиностроительных заводах, если неизолированные медные проводники в процессе изготовления обмотки подвергались наклепу (например, однослойные обмотки возбуждения синхронных машин).

Наряду с медью для проводников применяют также алюминий и некоторые сплавы (латунь, бронза). Алюминий находит применение главнымобразомдлябеличьихклетоккороткозамкнутыхасинхронныхдвигателей, латуньибронза– дляверхнихстержнейдвойныхклетоккороткозамкнутых двигателей и пусковых клеток синхронных двигателей.

Основные физические свойства проводниковых материалов – меди и алюминия – указаны в табл. 2.8.

Удельные сопротивления меди и алюминия при практических расчетах сопротивлений обмоток машин берут несколько большими указанных в табл. 2.8.

Таблица 2.8

15

Коллекторы машин постоянного тока делаются из твердотянутой меди, причем в последние годы для повышения механической прочности коллектора применяется медь с присадкой кадмия. Такая кадмиевая медь находит себе применение для коллекторов быстроходных машин постоянного тока.

Упомянем здесь также материалы, из которых выполняют щетки для электрических машин: нефтяной кокс, антрацит, натуральный и искусственный графит, медный, цинковый, оловянный и свинцовый порошки и др.

2.3. Изоляционные материалы

Изоляцию обмоток электрических машины следует рассматривать как одну из основных частей ее конструкции. От ее свойств зависят тех- нико-экономические характеристики машины. Она прежде всего должна обеспечить надежную работу машины в различных условиях эксплуатации.

Размеры изоляции – толщина междувитковой и пазовой изоляции – существенно влияют на габариты и весовые показатели электрических машин. Нагревостойкостьизоляционных материалов, примененных для изоляции обмоток, определяет допустимые для них перегревы, а следовательно, и электромагнитные нагрузки машин. Большое значение имеют теплопроводность изоляции, ее влагостойкость и химическая стойкость. Кроме того, изоляция должна обладать достаточной механической прочностью, так как в процессе изолирования обмоток, укладки их в машины, а также в условиях эксплуатации изоляция подвергается значительным механическим воздействиям.

При проектировании электрических машин большое внимание должно быть уделено правильному выбору электроизолирующих материалов и конструктивному оформлению изоляционных деталей.

Привыбореизоляциинадлежитруководствоватьсяследующимиобщими указаниями.

1.  Изоляция всех элементов машины должна обладать высокой надежностью.

2.  Электроизолирующие материалы, толщина изоляции и ее выполнение должны выбираться с учетом условий эксплуатации машины (влажность, воздействие температуры, механических усилий, вредных газов и пр.).

16

3.  Срок службы изоляции в нормальных условиях работы машины должен быть не менее 15…20 лет.

4.  Должны применяться высококачественные материалы, позволяющие получить высокие коэффициенты заполнения активных зон машин при высокой надежности изоляции.

5.  Должны учитываться вопросы технологии изготовления при разработке конструкции изоляции.

6.  Необходимо также не упускать из виду вопросы экономики (стоимость изоляционных материалов, их дефицитность, трудоемкость технологических процессов, расходы тепла, электрической энергии).

Срок службы электрической машины при нормальных условиях ее эксплуатации определяется главным образом сроком службы ее изоляции. Длянегорешающеезначениеимееттемпературныйрежим, таккак при нагреве в изоляции происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к ее старению, к постепенной утрате механической прочности и изолирующих свойств. Поэтому в основу классификации изоляции электрических машин положена ее нагревостойкость – способность сохранять свои характеристики на определенном уровне при установленной для данного класса изоляции температуре.

При выборе изоляционных материалов для изоляции электрических машин следует руководствоваться ГОСТ 8865–93. Согласно ему, электроизоляционные материалы разделяются по нагревостойкости на девять классов с предельно допустимыми для них температурами, указанными в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Температуры, указанные в таблице, установлены как предельно допустимые для изоляционных материалов при их использовании в электрическихмашинахобщегоприменения, длительно(втечениерядалет) работающих в нормальных условиях эксплуатации. При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные

17

сроки службы этих машин. Температуры в наиболее нагретом месте их изоляции не должны превышать указанных в таблице.

Вусловиях работы электрических машин нагрев их отдельных частей распределяется неравномерно, и практически не представляется возможным точно измерить температуру наиболее нагретого места.

Всоответствии с основным стандартом на электрические машины общегопримененияГОСТIEC 60034-1–2014 устанавливаютсядопустимые температуры (и превышения температуры над принятой стандартной температурой охлаждающей среды), которые следует принимать при тепловом расчете электрических машин.

Для машин, предназначенных для кратковременного и повторнократковременного режима работы (например, тяговые и краново-метал-

лургические двигатели), турбогенераторов и гидрогенераторов, а также для других специальных машин допустимые превышения температуры установлены особыми госстандартами.

Выбору изоляционных материалов для отдельных частей электрическоймашиныдолжнобытьуделенобольшоевнимание. Поэтомунеобходимознатьихсвойства. Далееприводятсяобщиесведенияобизоляционных материалах, относящихся к различным классам нагревостойкости.

Кклассу изоляции Y относятся волокнистые материалы из целлюлозы, шелка, полиамидов; целлюлозные бумаги, картон и фибра; древесина; пластмассы с органическим наполнителем и др. Указанные материалы для современных электрических машин не применяются, так как они обладают большой гигроскопичностью и поэтому не обеспечивают надлежащей надежности изоляции.

Кклассу изоляции А относятся материалы класса Y, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик. Пропиточные составы обычно имеют в своей основе природные смолы и масла. Для пропитки могут быть применены лаки смоляные (бакелитовые, шеллачные, копаловые), масляные, масляно-смоляные и масляно-битумные, эфироцеллюлозные; термопластичные компаунды (битумные и др.), не вытекающие при предельно допустимых температурах (только для неподвижных обмоток); нефтяные и синтетические жидкие диэлектрики. К классу А относятся также ацетобутират; целлюлозные и триацетатцеллюлозные пленки; пленкоэлектрокартоннаосноветриацетатцеллюлознойилавсановой пленок; лакобумаги; лакоткани хлопчатобумажные и шелковые; некоторые синтетические лаки.

Кклассу изоляции Е относятся пленки и волокна из полиэтилентерефталата (лавсан); термореактивные синтетические смолы и ком-

18

паунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые); синтетические лакидляизоляцииэмальпроводов; слоистыепластикинаосновецеллюлозных бумаг и тканей.

Кклассу изоляции В относятся материалы на основе щипаной слюды и слюдинитов, в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами: битумно-масляные лаки; натуральные и синтетические смолы, модифицированные и немодифицированные растительнымимаслами, илакинаихоснове; термореактивныеполиэфирные смолы; эпоксидные смолы; термопластичные компаунды (битумные

идр.) с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие их вытекания при рабочих температурах (только для неподвижных обмоток). Сюда же относятся стеклолакоткани и стеклолакочулки с указанными связующими и пропиточными составами, а также асбестовые волокнистые материалы с органическим связующим (шеллак, глифталь-бакели- товые и эпоксидные лаки).

Кклассу изоляции F относятся материалы на основе щипаной слюды без подложки или с неорганической подложкой; стекловолокнистая и асбестовая изоляция проводов; стеклолакоткани и стеклолакочулки; связующие и пропитывающие составы – соответствующие данному классу по нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные

инемодифицированныеалкидные, эпоксидные, термореактивныеполиэфирные, полиуретановые и кремнийорганические.

Кклассу изоляции Н относятся те же материалы, что и к классу F, но с соответствующими данному классу по нагревостойкости кремнийорганическими лаками и смолами.

КклассуизоляцииСотносятсяслюда, стеклоистекловолокнистые материалы, электротехническая керамика, кварц и др.

При указанных для отдельных классов изоляции температурах срок службы изоляции, а следовательно, и срок службы машины составляют примерно 15…20 лет. Если температура обмотки больше допускаемой, то срок службы машины быстро уменьшается. По опытам для изоляции классов А и В при превышении температуры примерно на каждые 10 °С сверх 105 и соответственно 130 °С срок службы машины уменьшается

19

т. е. срок службы машины будет составлять только 1/64 нормального срока. Если машина работает 1/10 части времени при температуре обмоток 165 °С и 9/10 времени при температуре их 105 °С, то нужно ожи-

нормального срока.

В применении к электрическим машинам в зависимости от назначения различают следующие виды изоляции:

1)междувитковая, в качестве которой обычно служит изоляционное покрытие обмоточного провода, а при напряжениях U ≥ 3000 В также синтолента, микалента и пр. (класс изоляций обмотки в основном определяется междувитковой изоляцией);

2)секционная (для покрытия секций);

3)изоляция лобовых частей обмоток;

4)междукатушечные и междусекционные прокладки;

5)пазовая(корпусная) изоляция(междуизолированнымипроводниками и стенками паза);

6)изоляция между лобовыми частями обмотки и обмоткодержате-

лями;

7)изоляция между коллекторными пластинами, а также между коллекторными пластинами и сжимающими их деталями;

8)изоляция между полюсами и катушками обмотки возбуждения;

9)изоляция соединений, выводных концов и пр.

При выборе изоляционных материалов для отдельных видов изоляции следует иметь в виду некоторые дополнительные требования, вызванные специальнымиусловиямиэксплуатацииэлектрическихмашин. К ним относятся требования к изоляции в отношении влагостойкости, тропикостойкости, химостойкости, морозостойкости, короностойкости и пр.

Под влагостойкостью понимается способность изоляции сохранять свои свойства при нахождении в атмосфере, близкой к состоянию насы-

20