Конструкции электрических машин. Порядок проектирования и материалы. Учебное пособие

3.2.Конструкционные материалы

Кконструкционным материалам относятся все материалы, из которых изготовляются детали электрических машин, за исключением активных ее частей, т. е. магнитопровода, обмоток и их изоляции. Конструкционныематериалыделятсянатригруппы: черныеметаллы, цветные металлы и пластмассы.

3.2.1.Черные металлы

Кчернымметаллам, наиболеечастовстречающимсявэлектромашиностроении, относятся литая сталь, серый чугун, ковкий чугун, различные сорта и профили прокатных сталей.

Литая сталь марок Ст.20Л, Ст.35Л, Ст.45Л регламентируется ГОСТ 977–88. В электрических машинах литая сталь применяется для магнитонагруженных деталей (станины машин постоянного тока, добавочные полюсы) и деталей с высокими механическими напряжениями (втулки коллектора, подшипниковые щиты тяговых и взрывозащищенных машин). В деталях простой формы литая сталь почти всюду заменена сварными деталями из листовой стали (станины нормальных машин, подшипниковые щиты).

Серый чугун марок C412-28, С415-32, С418-36, С421-20, С4-28-48

применяется для станин, подшипниковых щитов, стояков подшипников, стаканов подшипников скольжения машин общего применения.

Вмашинах мощностью выше 240 кВт чугунные детали заменяют сварными. Регламентируется ГОСТ Р 53464–2009.

Ковкий чугун К437-12. Главное преимущество ковкого чугуна по сравнению с серым заключается в его большей пластичности и способности противостоять ударным знакопеременным нагрузкам, а также в высокой износоустойчивости. Из ковкого чугуна изготовляют методом отливки станины машин переменного тока, втулки и нажимные шайбы ротора, подшипниковые щиты, маховики, шкивы и полумуфты.

Прокатаная сталь поставляется различных сортаментов в зависимости от требуемой формы заготовок. Регламентируется ГОСТ 1215–79.

Сталь круглая применяется для валов, фланцев, различного рода втулок, шестерен и других мелких деталей. Регламентируется ГОСТ

2590–2006 и ГОСТ 7414–57.

Сталь шестигранная применяется для изготовления болтов, гаек и других деталей, имеющих шестигранную часть под гаечный ключ.

32

В целях снижения отходов при обработке болты крупных размеров изготовляют из круглой стали с высадкой шестигранной головки методом горячей штамповки или поковки. Регламентируется ГОСТ 8560–78.

Сталь квадратная применяется для изготовления пальцев щеткодержателей, стержней, на которых собирают шихтованные полосы, и других деталей. Регламентируется ГОСТ 2591–2006.

Сталь листовая находит очень широкое применение в электрических машинах. Из листовой стали изготовляют листы полюсов машин постоянного тока и синхронных машин, сварные втулки ротора, фундаментные плиты, стояки подшипников и другие детали. Из нее склепывают или сваривают вентиляторы, распорки между пакетами сердечников, крышки коллекторных люков и вентиляционных отверстий, кожухи и направляющие диффузоры. Регламентируется ГОСТ 16523–97.

Жесть белая листовая и ленточная. Жесть представляет собой листовую сталь толщиной от 0,18 до 0,5 мм, покрытую с обеих сторон слоем олова горячим способом (поставляется в рулонах). Она применяется для изготовления скрепок проволочных бандажей, табличек с обозначением номинальных данных машин, кожухов микродвигателей. Жесть хорошо штампуется, поддается пайке, устойчива против коррозии. Регламентируется ГОСТ 13345–85.

Углеродистая стальная холоднотянутая проволока. В электриче-

ских машинах она применяется для пружин щеткодержателей, запоров крышек коллекторных люков, пружин под катушки роторов синхронных машин и других деталей.

Стальная холоднокатаная термообработанная лента применяется дляпружинщеткодержателей, пружинныхрамокполюсныхкатушекизапоровкрышекколлекторныхлюков. РегламентируетсяГОСТ21996–76.

Проволока стальная луженая бандажная Регламентируется ГОСТ

9124–85. Выпускается двух классов: Н – немагнитная из хромоникелемарганцовистой стали и М – магнитная из стали марок 50 и 70. Она поставляется в бухтах и выпускается следующих диаметров: 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0 мм. Проволоку диаметром 1,5 мм для про-

ектируемых машин применять не рекомендуется.

3.2.2. Цветные металлы

Алюминиевые литые сплавы нашли широкое применение в электрических машинах, особенно в микромашинах, авиационном электрооборудовании и переносных агрегатах. Основным преимуществом

33

алюминиевых сплавов перед чугунным и стальным литьем являются меньший вес и возможность применения прогрессивных методов литья (литье под давлением, прецизионное литье). Регламентируется ГОСТ 1583–93.

Недостатком алюминиевых сплавов являются ненадежность резьбы

ималая износоустойчивость. Для устранения этих недостатков трущиесяповерхностиирезьбыармируютвтулками. Наибольшееприменение нашли следующие алюминиевые сплавы.

Ал-2 – алюминиево-кремнистый сплав. Применяется для тонких деталей сложной конфигурации путем литья под давлением, в кокиль

иземляные формы.

Ал-9 – алюминиево-кремнистыйсплавсдобавкоймагния. Применяется для статически нагруженных деталей сложной конфигурации, требующихвысокойгерметичности. Деталиотливаютподдавлением, вкокиль и земляные формы.

Ал-11 – алюминиево-кремнисто-цинковый сплав. Применяется для крупных деталей сложной формы, несущих большие статические нагрузки. Детали отливают в кокиль и земляные формы.

Алюминиевое литье в электрических машинах применяется для станин, подшипниковых щитов, крышек подшипников, вентиляторов, заливки роторов, заливки постоянных магнитов синхронных генераторов и других деталей.

Литые сплавы с содержанием меди. ЛС 59-1Л – латунь свинцови-

стая. Регламентируется ГОСТ 15527–2004. Отливается центробежным способом и по выплавляемым моделям. В электрических машинах применяется для отливки токоведущих деталей.

ЛК80-3Л– латунькремнистая. Отливаетсяв земляныеиметаллические формы. В электрических машинах применяется в основном для отливки щеткодержателей.

БрОЦС 6-6-3 – оловянно-цинково-свинцовая бронза. Отливается в земляные и металлические формы. Применяется в электрических машинах для деталей, работающих на трение (втулки, вкладыши, червячные колеса). Регламентируется ГОСТ 18. ГОСТ 15885–2018.

Кроме цветного литья, в электромашиностроении широкое применение находит сортовой прокат из цветных металлов.

162 – латунь. Поставляетсяввидепроволоки, лент, листовипрутков круглого, квадратного ишестигранного сечения. Применяетсядлядеталей, изготовляемых штамповкой, глубокой вытяжкой и обработкой.

ЛС59-1 – латунь свинцовистая.

34

Поставляется в виде проволоки, ленты, листов и прутков круглого, квадратного и шестигранного сечения. Применяется для деталей, изготовляемых ковкой, штамповкой и механической обработкой (винты, гайки, контактные болты).

Антифрикционные сплавы. Баббиты кальциевые марок БКА и БК2 (ГОСТ21438–95). БаббитыоловянныемарокБ-89 иБ-83, баббитысвинцовые марок Б-16, Б-б, БН и БТ (ГОСТ 1320–74).

Применяются для заливки втулок, сегментов и вкладышей подшипников скольжения. В связи с широким распространением подшипников качения применение баббитов для машин малой и средней мощности весьма ограничено.

Припои. Припои разделяются на мягкие и твердые. ГОСТ 21931–76. Из мягких в электромашиностроении наибольшее распространение получили оловянно-свинцовые припои следующих марок: ПОС-90, ПОС-61, ПОС-50, ПОС-40, ПОС-30, ПОС-18. Цифрамиобозначенопроцентное содержание олова в припое.

Вцелях повышения нагревостойкости и механической надежности соединений во многих случаях мягкие припои заменяют меднофосфористыми припоями марок ПМФ-7 и ПМФ-9, где цифрами обозначено процентное содержание фосфора.

Всоединениях, работающихнаудариизгиб, применяютсеребряные припои, например, припой марки ПСр-71, содержащий 71 % серебра, 28 % меди и 1 % фосфора. Прочность соединения, спаянного этим припоем, превышает прочность меди.

3.2.3. Пластмассы

Пластмассами называют материалы, которые в процессе переработки в изделия приобретают пластичность, способны принимать нужнуюформуисохранятьее. Висходномсостояниипластмассыпредставляют собой порошки, состоящие из искусственных смол с наполнителем в виде древесной муки, хлопковых, асбестовых и стеклянных волокон или тканей и бумаг. В качестве наполнителей применяют также слюдяной и кварцевый порошок.

В зависимости от типа смолы пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные пластмассы в процессе горячего прессования затвердевают и переходят в неплавкое состояние. Термопластичные пластмассы способны размягчаться при последующем нагревании.

35

Наибольшее распространение получили термореактивные пластмассы на основе фенольно-формальдегидных смол резольного типа. К ним относятся пластмассы К-6 и АГ-4.

Масса К-6 с минеральным волокнистым наполнителем из асбестовых волокон применяется для изготовления деталей, к которым предъявляютсяповышенныетребованияпомеханическойпрочностиитеплостойкости.

Впоследние годы успешно применяется пластмасса типа АГ-4, которая обладает высокой механической и электрической прочностью

всочетании с теплостойкостью и хорошими технологическими свойствами. Различаютдверазновидностиэтойпластмассы: АГ-4ВиАГ-4С.

Впластмассе АГ-4В в качестве наполнителя применяют нарезанное и распушенное стеклянное волокно, а в пластмассе АГ-4С – длинные ориентированныенити. Этипластмассыизготовляютсянаосновемодифицированной фенольно-формальдегидной смолы Р-2.

B электромашиностроении из термореактивных пластмасс изготовляют дощечки зажимов, изоляционные втулки и другие детали. Ещебольшийэффектполучаютприопрессовкеметаллическихдеталей, например, щеточных пальцев, коллекторов и др. Особенно широкое применение пластмассы находят в производстве микромашин, где из них прессуют даже наружную оболочку машин. При этом отпадает ряд операций механической обработки деталей.

Термопластичные пластмассы используют для опрессовки обмотанных изделий, например, полюсных катушек или лобовых частей обмотки якоря.

3.3. Конструкционные формы исполнения электрических машин

Прежде чем приступить к конструированию машины, надо выбрать конструктивную форму исполнения, которая определяется условиями монтажа, системой вентиляции, характером внешней среды, а также соотношением ее размеров. Конструктивное исполнение машины определяется защитой ее от влияния окружающей среды, расположением подшипников и креплением машины.

Условия выбора степени защиты от влияния внешней среды электрическоймашинырегламентируютсяГОСТIEC 60034-5–2011. Поспособам защиты разделяются на следующие виды.

36

Открытая электрическая машина, выполненная без специальных приспособлений для предохранения от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также не имеющая специальных приспособлений для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Открытые электрические машины могут выполняться как естественно охлаждаемые, т. е. без приспособлений для усиления вентиляции, так и самовентилируемые, т. е. снабженные вентилятором на роторе. Открытые электрические машины применяются в машинных залах и лабораториях.

Защищенная электрическая машина снабжена специальными приспособлениями для предохранения от случайного прикосновения к ее вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения попадания внутрь нее посторонних предметов. У защищенных машин выводы должны быть закрыты специальной коробкой, а отверстия в подшипниковых щитах – решетками или сетками. Машины защищенного исполнения могут применяться только в закрытых помещениях, так как они не защищены от дождя.

Каплезащищенная электрическая машина – защищенная машина, снабженнаяприспособлениямидляпредохраненияотпопаданиявнутрь нее капель влаги, падающих отвесно. В каплезащищенных машинах навсеотверстия, расположенныевверхнейчастистаниныиподшипниковых щитов, устанавливают глухие крышки или жалюзи.

Брызгозащищеннаяэлектрическаямашина– защищеннаямашина, снабженнаяприспособлениямиотпопаданиявнутрьнееводяныхбрызг, падающих под углом 45° к вертикали с любой стороны. У таких машин отверстия, расположенные в верхней части станины или подшипниковых щитов, должны быть закрыты глухими заглушками, а на отверстиях, расположенных на боковых сторонах, должны быть установлены жалюзи. Брызгозащищенное исполнение является самым распространенным в современных сериях электрических машин. Такие машины могут быть установлены на открытом воздухе.

Закрытая электрическая машина – машина, у которой внутреннее пространство отделено от внешней среды, но не настолько плотно, чтобы ее можно было считать герметической. Закрытые машины применяются в пыльных помещениях. Охлаждаются закрытые машины вентилятором, насаженным на консольный конец вала, который обдувает наружную поверхность станины.

Водозащищенная машинавыполненатакимобразом, что приобливании ее водой из брандспойта вода не проникает внутрь машины.

37

Такие машины выполняются с усиленными уплотнениями крышек при помощирезиновыхпрокладок, авыступающийконецвалапропускается через специальный сальник. Водозащищенные машины применяются главным образом в судовых установках.

Взрывозащищенная электрическая машина – закрытая машина, выполненная таким образом, что она может противостоять взрыву внутринеегазов, которыемогуттамнакопиться, инедопускатьвоспламенения взрывчатых и горючих газов, содержащихся в окружающей среде, приискрениииливзрывевнутриэлектрическоймашины. Наружная оболочка таких машин испытывается до сборки машины на плотность и прочность избыточным давлением воды до 8 ат, а щели между металлическими поверхностями, через которые внутреннее пространство машины сообщается с окружающей средой, должны иметь такую длину, чтобы пламя при взрыве внутри машины не могло проникнуть в окружающую среду. Взрывозащищенные машины применяются

вугольных шахтах с определенным содержанием метана и на некоторых предприятиях химической промышленности.

Герметическая электрическая машина – закрытая машина, у которой все отверстия закрыты настолько плотно, что при определенном наружном давлении исключается всякое сообщение между внутренним пространством машины и газовой средой или жидкостью, окружающей машину извне. Таким образом, герметическая машина может работать, даже будучи погруженной в воду.

По расположению и форме подшипников, а также по способу крепления и монтажа электрические машины имеют несколько форм исполнения по ГОСТ 2479–79, из которых наиболее употребительными являются следующие.

Исполнение машины с двумя подшипниками, помещающимися

вподшипниковыхщитах, сосвободнымконцомвала, безфундаментной плиты имеет условное обозначение IМ-1. Такое исполнение является наиболее распространенным для машин с наружным диаметром до 1 м. Машины устанавливают на салазки (при ременной передаче), стальные конструкции, деревянные брусья, каменный или сталебетонный фундамент. При наличии на конце вала широкого шкива для ременной передачи изгибающий момент на конце вала становится очень большим для щитового подшипника и поэтому добавляется третий стояковый подшипник легкого типа. Такие машины выполняются на общей фундаментной плите со стояковым подшипником и имеют обозначение IМ-6.

38

Для машин большой мощности подшипниковые щиты становятся слишком громоздкими. Кроме того, мощные машины выполняются

сразъемной станиной, поэтому для облегчения сборки и разборки этих машин подшипниковые щиты заменяют стояковыми подшипниками

сразъемными головками и вкладышами. Такое исполнение обозначается IМ-7. Наиболее распространенным исполнением является форма

сдвумя стояковыми подшипниками со свободным концом вала на фундаментной плите. Иногда стояковые подшипники применяют и для машин небольшой мощности в случае очень большой длины коллектора (машины для гальванопластики).

МашинысфланцевымкреплениемобозначаютсяIМ-3. Онивыполняются с подшипниковыми щитами и имеют несколько разновидностей: с фланцем на подшипниковом щите со стороны привода, с фланцем на станине, с фланцем на подшипниковом щите со стороны, противоположной приводу. Кроме фланца, они могут иметь лапы на станине.

Машины с вертикальным валом применяются довольно часто в качестве электродвигателей в сверлильных станках, электроверетенах, ручных инструментах и в качестве генераторов – возбудителей вертикальных синхронных машин с передачей вращения при помощи клиновых ремней. Машины с вертикальным валом обозначаются IМ-8. Они строятся как с лапами на станине, так и с фланцевым креплением. Горизонтальные машины малой мощности на шарикоподшипниках обычно допускают вертикальную установку без всякой переделки конструкции. В машинах большей мощности ставят специальные подпятники, воспринимающие нагрузку, действующую вдоль вала.

Ввертикальном исполнении строятся почти все гидрогенераторы.

3.3.1. Расчет колец и втулок, запирающих ротор на валу

Усилие, сдвигающее шайбу вдоль вала, вызывается упругостью спрессованногопакетаиопределяетсяприрасчетахкак1/3 усилияпрес-

совки, что составляет от 5 кГ/см2 для средних машин до 10 кГ/см2 для мелких машин. Поверхность листа, на которую действует это давление, подсчитывают как площадь кольца с наружным диаметром D, равным диаметру окружности, проведенной через середины пазов, и внутренним диаметром d, равным диаметру вала.

39

Таким образом, усилие, сдвигающее нажимную шайбу, определяют по формуле

Если нажимную шайбу запирают врезным кольцом, то напряжение на срез кольца прямоугольного сечения определится как

где b – ширина кольца.

Для кольца круглого сечения диаметром d1

Втулку для запирающего пакета ротора на валу насаживают с натягом горячей посадки второго класса точности (Гр) по ГОСТ 1042 или

второй прессовой посадки третьего класса точности Пр23. Сила сцепления втулки с валом определяется по формуле

где p – удельное давление между втулкой и валом , кГ/см2; f – коэффициент трения между втулкой и валом, который принимают равным 0,15 при расчете давления пресса и 0,1 при расчете силы сцепления втулки с валом; S – поверхность соприкосновения между втулкой и валом,

где d – диаметр вала, на котором сидит втулка, см; l –длина втулки, см. Удельное давление определяется при наименьшем возможном

натяге между стальной втулкой и стальным валом:

где D / d – отношение внутреннего диаметра втулки к диаметру отверстия во втулке; – относительный натяг, равный / d; – минимальный натяг по таблице допусков.

40