Конструкции электрических машин. Порядок проектирования и материалы. Учебное пособие

щения водяным паром (около 98 % относительной влажности воздуха при 20 °С). Пропитанные целлюлозные материалы (класс А) не могут считаться достаточно влагостойкими. Поэтому указанные материалы без сочетания с более нагревостойкими и влагостойкими могут применяться только в машинах с изоляцией класса А невлагостойкого исполнения.

Тропикостойкость изоляции (для машин, работающих в условиях тропического климата) в основном обеспечивается высокой влагостойкостью при повышенной температуре окружающей среды и высокой грибостойкостью (на изоляционных материалах могут развиваться плесневые грибы, создающие проводимость поверхностных слоев изоляции и разрушающие ее). Применение материалов на основе целлюлозы для тропических условий недопустимо. Здесь необходимы другие матерналы (например, на основе стекла) и специальные пропиточные и покровные лаки.

Химостойкость (для машин, работающих в химически активных средах) – способность изоляции к надежной эксплуатации при доступе к ней химически агрессивных сред (например, паров кислот и щелочей). Здесь также требуются специальные пропиточные и покровные лаки.

Морозостойкость – способность изоляции выдерживать действие низкой температуры.

Короностойкость – способность изоляционных материалов длительно работать вэлектрических полях свысокой напряженностью (для обмоток высокого напряжения). Наряду с выбором короностойких изоляционных материалов необходимо принимать специальные меры для уменьшения коронирования обмоток (при U > 6,3 кВ).

Приведем дополнительные сведения об изоляционных материалах, применяемых в электрических машинах.

Слюда – один из наиболее важных изоляционных материалов. Применяются слюды мусковит и флогопит. Мусковит применяется в тех случаях, когда электрическая изоляция подвергается действию высоких напряженностей поля (для машин высокого напряжения). Мусковит химически более стоек и механически более прочен, чем флогопит. Однако флогопит более гибок, поэтому в ряде случаев материалы на основефлогопитаоказываютсяболеетехнологичными(формовочныймиканит на флогопите для конусов, микалента для витковой изоляции и др.).

21

Взависимостиотсочетанияслюды(щипаной, ввидеотдельныхпластинок) с подложками и клеящими лаками получаются материалы различного назначения и различных классов нагревостойкости от В до С. К ним относятся миканиты, микафолии, микаленты. Миканиты – листы из склеенных пластинок слюды. Если для склеивания применяются лаки, длительносохраняющиеэластичность, то получаютсягибкие миканиты. Они изготавливаются без подложек и с подложками – бумажными и стеклянными; применяются как пазовая изоляция для полузакрытых и полуоткрытых пазов.

Формовочные миканиты изготовляются на лаках и смолах, размягчающихся при нагреве и переходящих в твердое состояние в процессе дальнейшего нагревания и опрессовывания. Они применяются дляизготовленияколлекторныхманжет(конусов), различногородавтулок, цилиндров, реек и т. п.

Прокладочный миканит – твердый спрессованный материал, обычно применяемый для изготовления прокладок в электрических машинах.

Коллекторный миканит – твердый, спрессованный под большим давлением материал с малым содержанием связующих (до 4 %) и малой усадкой при нагреве; применяется для изоляции между коллекторными пластинами.

Микафолий – более тонкие листы с подложками бумажными или стеклянными. В последнем случае получается стекломикафолий. Здесь используются те же лаки и смолы, что и для формовочного миканита. Микафолий применяется для получения твердой изоляции (гильзовой для стержней, например, обмоток фазного ротора асинхронных машин, компенсационных обмоток крупных машин постоянного тока).

Микаленты и стекломикаленты – особогибкиевхолодномсосто-

янии слюдяные материалы с подложками с одной стороны или с обеих сторонизмикалентнойбумагиилистекляннойткани. Основнаяобласть применения микаленты – обмотки высокого напряжения. Для микаленты, применяемойвкачествекорпусной(пазовой) изоляциитакихобмоток, следуетбратьтолькослюдумусковит. Микалентуизслюдыфлогопиткакболееэластичнуюприменяютобычнодлявитковойизоляции. Для изолирования обмоток низкого напряжения химостойкого и тропического исполнения, а также для обмоток с нагревостойкостью классов F и Н нормального и усиленновлагостойкого исполнения применяются стекломикаленты.

22

В последние годы разработаны материалы – заменители слюды: слюдиниты и слюдопласты, которые все более широко применяются для изоляции электрических машин.

Основой слюдинитовых материалов служат слюдинитовые бумаги, получаемые из отходов слюды мусковит при равномерном ее нагреваниидо700…800 °Сспоследующейхимическойобработкой. Созданная таким образом суспензия слюдяных чешуек на специальном устройстве разливается в непрерывное полотно и просушивается. В результатеполучаетсяслюдинитоваябумага. Впроцессеотливаслюдинитовый слой может быть нанесен на подложки из целлюлозных или стеклянных волокон или на стеклоткань.

Из слюдинитовых бумаг при помощи связующих изготовляется широкий ассортимент слюдинитовых материалов, аналогичных слюдяным: гибкие слюдинит и стеклослюдинит; формовочный слюдинит; коллекторный слюдинит; слюдинитофолий и стеклослюдинитофолий; слюдинитовые и стеклослюдинитовые ленты.

Слюдинитовые материалы по сравнению со слюдяными имеют преимущества: бо´льшую равномерность по толщине и электрической прочности, позволяют получить меньшую толщину материала. Однако они не всегда могут считаться равноценными заменителями слюдяных материалов, так как менее прочны механически и менее влагостойки.

Слюдопластовые материалы изготовляются из слюдопластовых листов, полученных путем расщепления слюды и многократного прокатывания чешуек между валками. При этом получаются более крупные чешуйкислюды, чемвслюдините. Впроцессеформированияслюдопластового листа чешуйки самосрастаются. Но так как при сушке слюдопласта, состоящего из пластинок малой площади, вода интенсивно испаряется, оставляя воздушные включения, электрическая прочность слюдопласта ниже, чем слюды.

Слюдопластовые материалы изготовляются в том же ассортименте, что и слюдинитовые. Те и другие материалы в ряде случаев уже применяются взамен более дорогих и дефицитных слюдяных материалов. Однако необходимы дальнейшие экспериментальные работы по более широкому их применению. Имеющийся опыт подтверждает большую перспективность этих материалов.

Выше рассматривались материалы, которые применяются главным образом в качестве изоляции обмоток высокого напряжения при их нагреве до 130 °С. В машинах с нагревом до 105 °С в качестве основной изоляции широко применяются лакоткани, а в последнее время

23

и стеклолакоткани. Они представляют собой лакированные различными лаками ткани на основе хлопчатобумажных, шелковых, капроновых или стеклянных волокон.

Хлопчатобумажные и шелковые лакоткани всех марок относятся к классу нагревостойкости А и не должны применяться в машинах влагостойкого, тропического и химостойкого исполнений. Они находят широкое применение в качестве основной изоляции паза, изоляции лобовых частей обмоток, внутримашинных соединений, главным образом машин нормального исполнения.

Впоследнее время разработаны стеклолакоткани более высокой нагревостойкости (до класса F включительно) с применением соответствующих лаков.

Вмашинахснагревомдо120 °Сдляпазовойизоляцииприменяются также полиэтилентерефталатные пленки, обладающие высокими электроизоляционными характеристиками и большой механической прочностью. Их применение позволяет резко сократить толщину пазовойизоляции, чтоповышаеткоэффициентзаполненияпаза. Ониобычно применяются в сочетании с электрокартоном марки ЭВТ.

Вмашинахмалоймощности(до0,2…0,3 кВт) можноприменятьодну полиэтилентерефталатную пленку толщиной 0,10…0,15 мм, в статорах до 7 кВт – пленку толщиной 0,05 мм с одним слоем электрокартона толщиной 0,2 мм. В более мощных машинах следует применять для пазовой изоляции пленку, один слой электрокартона (к стали) и один слой стеклолакоткани (к обмотке) или два слоя пленкоэлектрокартона.

Для защиты основных изоляционных материалов от механических воздействий в процессе изготовления машины и во время ее эксплуатацииприменяетсярядвспомогательныхматериалов. Изнихнаиболеечасто применяется целлюлозный электрокартон марки ЭВ (пропитанный обычно в льняном масле).

Пропитанный электрокартон относится к классу нагревостойкости А. Однако в качестве подложек он может применяться и в машинах с изоляцией классов Е и В. Его нельзя применять в машинах тропического и химостойкого исполнения.

Близок по технологическим свойствам к электрокартону электронит, представляющий собой гибкий листовой материал, состоящий из асбестового волокна (70 %) и синтетического каучука (30 %).

Электронит может быть применен в качестве вспомогательной изоляции в машинах с изоляцией классов В и F и в машинах химостойкого исполнения. Особенно эффективно его применение для концевых

24

листов (шайб) сердечников статоров, роторов и якорей, так как он хорошо штампуется и дает незначительную усадку в процессе старения.

Для механической защиты и закрепления изоляции применяются хлопчатобумажные (миткалевые, тафтяные, киперные) и стеклянные ленты. Хлопчатобумажныелентыприменяютсятольковмашинахсизоляцией класса А нормального исполнения и требуют обязательной пропитки, стеклянные – в машинах с изоляцией классов Е, В, F и Н всех исполнений.

Применяются также твердые изоляционные материалы. Для кли-

ньев, дистанционных прокладок машин с изоляцией класса А применяется твердая древесина (бук, береза), пропитанная льняным маслом.

Для клиньев, досок с зажимами и дистанционных прокладок в машинах с изоляцией классов Е, В, F и Н применяются слоистые пластики или пластические массы. Из них текстолит рекомендуется применять при изоляции класса Е, стеклотекстолиты соответствующих составов – при изоляции классов В, F и Н.

Следует здесь также упомянуть асбобакелит, применяемый наряду с текстолитом для рамок обмоток возбуждения; асботекстолит, применяемый для расклиновки обмоток ротора турбогенераторов (для клиньев того же ротора применяется обычно дюралюминий).

Большое значение в создании надежной изоляции – электрически и механически прочной, влаго-, химо- и тропикостойкой – имеют пропиточные и покровные лаки и эмали, а также компаунды – пропитывающиеиобмазочные(пасты). Ониповышаюттеплопроводностьинагревостойкость изоляции.

Многие из перечисленных изоляционных материалов обозначены определенными марками, на них установлены госстандарты.

B последнее время начинают приобретать значение стекловолокнистые бандажные ленты. Они применяются для укрепления обмоток роторов и якорей вместо проволочных бандажей. Для их изготовления берется нетканая стеклянная лента, волокна которой идут только в продольном направлении. В качестве связующих применяются термореактивные лаки, обладающие высокой цементирующей способностью. После наложения ленты с натягом, превышающим усилие от центробежных сил, полученный стекловолокнистый бандаж подвергается специальной термической обработке.

В зависимости от состава связующих (пропиточных лаков) стекловолокнистые бандажные ленты могут применяться при классах изоляции от А до F. Они имеют высокую электрическую прочность

25

(до 16 кВ/мм) и весьма большое омическое сопротивление, которые сохраняются и после увлажнения. Механическая прочность их также ве-

лика (порядка 80…90 кГ/мм2).

2.4. Обмоточные провода

Обмоточные провода – медные и алюминиевые – изготовляют круглых и прямоугольных сечений с различными видами изоляции в соответствии с действующими ГОСТ 26615–85 и ВТУ (ведомственными техническими условиями). Обычно для изолированных проводов применяется волокнистая, эмальволокнистая или эмалевая изоляция.

Класс нагревостойкости изоляции проводов зависит от природы волокнистого материала или химического состава эмали.

Провода с пропитанной волокнистой и эмальволокнистой изоляцией, содержащей целлюлозу или синтетические волокна, относятся к классу нагревостойкости А.

Провода со стекловолокнистой изоляцией марки ПСД с изоляцией нормальной толщины (0,23…0,33 мм) и марки ПСДТ с более тонкой изоляцией (толщина 0,18…0,23 мм) относятся к классу нагревостойкости Е, В и F. Они широко применяются в машинах тропического

ихимостойкого исполнения.

Вмашинах с нагревостойкостью класса Н применяются провода марок ПСДК и ПСДКТ со стекловолокнистой изоляцией, подклеенной кремнийорганическим лаком. Они имеют ту же толщину изоляции, что

иПСД, и ПСДТ, и обладают высокой влагостойкостью.

Впоследние годы большое значение приобретают провода с эмалевой изоляцией. В новых сериях машин малой и средней мощности об-

щепромышленного применения (при Рн до 200…250 кВт и U н до 690 В)

они применяются во многих случаях взамен проводов с волокнистой изоляцией.

Основное преимущество проводов с высокопрочной эмалевой изоляцией – меньшая толщина изоляционного покрытия (примерно в 1,5 раза, чем у проводов марки ПЭЛШО, в 2 раза, чем у проводов марок ПЭЛБО и ПСДТ, и в 3 раза, чем у проводов марок ПБД и ПСД). При этом повышается теплопроводность изоляции, что позволяет несколько повысить использование обмотки. Кроме того, скользкая гладповерхностьэмалированныхпроводовоблегчаетукладкуихвпазы.

26

Характеристики изолированных проводов различных марок, их размеры и класс нагревостойкости приведены в приложении 1.

Приведенные в приложении 1 марки обмоточных проводов относятся к основным их типам, наиболее часто применяемым для обмоток современных электрических машин.

Исследовательские работы по изысканию новых изоляционных покрытий проводов, особенно эмалированных, непрерывно продолжаются, и можно ожидать, что в ближайшие годы мы будем иметь еще более надежные изолированные провода с лучшими свойствами.

В настоящее время эмалированные провода применяются главным образомвмашинахмалойисреднеймощности– длястаторныхобмоток асинхронных и синхронных машин и полюсных катушек машин постоянного тока.

К недостаткам всех проводов с эмалевой изоляцией относится их термопластичность – размягчение эмалевой пленки при повышенной температуре (около 170 °С), поэтому не следует применять их для вращающихся обмоток машин малой мощности со скоростью вращения свыше 5000…6000 об/мин, а также для вращающихся обмоток машин мощностью свыше 10…15 кВт.

27

эксплуатации машины, так и требования, предъявляемые производством. Для выполнения этих условий работа конструктора и технолога координируется таким образом, чтобы технология обеспечивала высококачественное выполнение машины, а конструкция учитывала простоту ее изготовления. Требования технологичности конструкции иногда находятся в противоречии с основами электромагнитных расчетов машины. Тогда вопрос о том, какому принципу отдать предпочтение, решается на основании технико-экономических соображений.

Электрические машины проектируются какиндивидуальные, так и серийные в виде машин возрастающей мощности. Принцип серийного производства имеет огромные преимущества. Он открывает возможности для широкой унификации деталей, укрупнения партии обрабатываемых деталей, связанногосо значительнымувеличениемпроизводительноститруда. При серийном и особенно поточно-массовом производстве внедряются усовершенствованные технологические процессы, механизация ряда производственных операций, автоматические поточные линии, что не только увеличиваетколичествовыпускаемыхмашиннатехжепроизводственных площадях, ноиповышаеткачествоихизготовления.

Принципы серийного производства предъявляют к расчету и конструкции машин ряд дополнительных требований, которые не имеют места при проектировании индивидуальных машин. В серийном производстве уделяется большое внимание унификации таких деталей, как подшипниковые щиты, подшипники, крышки подшипников, нажимные шайбы, коллекторы, щетки, щеткодержатели и т. п. В качестве примера унификации некоторых узлов приведем машины постоянного тока единой серии П, конструкция которой представлена на рис. 3.2.

Машины серии П спроектированы в защищенном (П) и закрытом исполнениях. Последние выполняются с обдувом наружной поверхности станины 4 вентилятором, расположенным на консольном конце вала (исполнение ПО), и охлаждением внутреннего воздуха путем пропускания его через внешний трубчатый радиатор (исполнение ПР).

В серии принята твердая шкала мощностей при всех скоростях вращения.

Конструкция подшипниковых узлов в серии принята бескапсульной, что упрощает изготовление и обеспечивает центричность якоря по отношению к полюсам. Проведена широкая унификация деталей, причем число передних подшипниковых щитов сократилось с 28 до 8, задних – с 70 до 9, коробок выводов – с 7 до 3, траверс щеткодержателей – с 7 до 4, коллекторов – с 6 до 4.

30