Конструкции электрических машин. Порядок проектирования и материалы. Учебное пособие

Для предохранения втулки от сдвига вдоль вала необходимо, чтобы

QP 1,2 .

Силу P можно увеличить за счет большего натяга посадки, однако при увеличении натяга возрастает напряжение на растяжение в сечении втулки, которое определяют по формуле

Допускается натяжение до 70 % предела текучести материала. Расчет напряжения во втулке, а также расчет усилия пресса ведут

при максимально возможном натяге данной посадки.

3.3.2. Расчет напряжений в листах ротора

Увеличениескоростейвращенияасинхронногодвигателязасчетповышениячастотыиширокаярегулировкаскорости двигателей постоянного тока привели к необходимости проверять напряжение на внутреннем отверстии листов ротора, которое определяется по формуле

где D – диаметр ротора, см; – приближенное значение коэффициента

ослабления сечения листа шпоночной канавкой и вентиляционными отверстиями:

hмин – минимальная высота спинки ротора.

41

3.3.3.Расчет пазовых клиньев

Воткрытых пазах обмотка удерживается клиньями или проволочными бандажами. Для того чтобы бандажи не выступали за окружность якоря, в нем предусматриваются кольцевые канавки, которые образуются путемприменения листовменьшего диаметра, чем основные. Глубина канавки примерно равна d + 1,5 мм, где d – диаметр проволоки бандажа.

Выбор способа крепления обмотки зависит от ряда соображений. Бандажи занимают меньше места по высоте паза, намотка их механизирована и поэтому требует меньше времени, чем забивка клиньев. Но в витках бандажа создаются дополнительные потери от вихревых токов. Поэтому ширина бандажа на якоре обычно не превышает 25  мм. Для равномерного распределения механических напряжений между витками бандажи пропаивают по всей поверхности. Это связано с большим расходом припоя, и поэтому в машинах средней и большой мощности бандажи стоят дороже, чем клинья.

Клинья занимают больше места по высоте паза, но зато они защищают обмотку от загрязнения и механических повреждений по всей длине якоря. На основании этих соображений в практике электромашиностроения бандажи применяют для машин с диаметром якоря до 200…250 мм, авболеекрупныхмашинахприменяютклиньяизтвердых пород дерева или прессованных материалов – текстолит, гетинакс.

Лобовые части вращающихся обмоток защищают от деформаций поддействиемцентробежныхсилбандажами. Длябандажейприменяют

специальную стальную проволоку с прочностью на разрыв 180 кГ/м2. Намотку бандажей производят с сильным натяжением проволоки

(50…60 кГ/мм2), поэтому во избежание изгиба вала выбор диаметра проволоки следует делать с учетом якоря согласно следующей таблице.

B последнеевремяпроволочныебандажистализаменятьбандажами из нетканой стеклоленты, пропитанной полиэфирной смолой в полуотвержденном состоянии. Для заделки конца бандажа последний виток нагревают горячим утюгом, ускоряя полимеризацию смолы. После

42

этого отрезают ленту вблизи полимеризованного участка. Опыт эксплуатации показал, что бандажи из стеклоленты надежнее проволочных. Кроме того, в них отсутствуют потери от вихревых токов и они не влияют на коммутацию. Поэтому их применяют даже в таких ответственных и сильно нагруженных машинах, как тяговые двигатели.

Расчеты крепления пазовых и лобовых частей проводят раздельно. Все расчеты ведут при угонной скорости вращения.

Расчет пазовых клиньев. Клин рассматривают с длиной bн и равно-

мерно распределенной нагрузкой, работающей на изгиб. Вес пазовой части обмотки определяют следующим образом.

Общее сечение меди в пазу

где SП – число проводников в пазу.

Вес меди на 1 погонный см длины якоря

Вес пазовой изоляции (принимая средний удельный вес равным

2,5 кГ/см3)

Центробежная сила пазовой части обмотки на 1 пог. см

Предельный выбор высоты клина вычисляется по формуле

По соображениями необходимой жесткости высота клина должно быть не менее 0, 25bк .

Допускаемое напряжение на изгибах для буковых клиньев равно 60…80 кГ/см2, а для клиньев из текстолита или гетаникса – 250 кГ/см2.

43

После предварительного выбора клина проводится поверочный расчет.

Напряжение на изгиб

3.4.Подшипники

3.4.1.Подшипники качения

Электрические машины мощностью примерно до 1000 кВт выполняются на подшипниках качения. Это не только все машины с подшипниковыми щитами, но и часть машин на стояковых подшипниках, например, машина постоянного тока П 104.

Преимущества подшипников качения заключаются в следующем: а)  меньшие размеры и более компактная конструкция узлов; б)  незначительный износ, обеспечивающий постоянство воздуш-

ного зазора; в)  простота обслуживания и экономия смазочных материалов;

г)  меньшие потери на трение, почти одинаковые для пуска и при установившейся скорости вращения, что особенно важно для машин с частыми пусками.

Отверстия внутренних колец подшипников качения изготовляются по системе отверстия, а наружные диаметры внешних колец – по системе вала. Для подшипниковых узлов, в которых вращается вал, что имеет место в подавляющем большинстве электрических машин, внутреннее кольцо насаживается на вал плотно и при очередных разборках с вала не снимается, а наружное кольцо шарикоподшипников вставляется в подшипниковый щит подвижно.

В электрических машинах условия работы подшипников усложняются нагревом их вследствие потерь в активных частях машины; разъеданием подшипников электрическим током; возникновением одностороннего магнитного притяжения при смещении центра ротора из

44

геометрического центра машины; малым зазором между статором и роторомвасинхронныхдвигателях; необходимостьюзащитывнутреннего пространства машины от смазочных масел. В электрических машинах снагревостойкойизоляциейвозникаетопасностьразжиженияивытекания консистентной смазки вследствие высокой температуры нагрева подшипниковых узлов.

В электрических машинах с горизонтальным валом при отсутствии больших осевых нагрузок применяют радиальные однорядные шарикоподшипники или радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами.

Радиальные шарикоподшипники могут воспринимать наравне с радиальной нагрузкой и небольшие осевые нагрузки в обе стороны, что позволяет использовать их для фиксации ротора в осевом направлении. При повышенном радиальном зазоре между шариками и дорожками качения колец подшипник может воспринимать большие осевые нагрузки; такие подшипники используют в вертикальных машинах.

Радиальные шарикоподшипники имеют наименьшие потери на трение и наибольшие допустимые скорости вращения по сравнению с подшипниками качения других типов с такими же наружными размерами.

Допустимые по каталогу скорости вращения могут быть повышены присмазкеподшипниковжидкиммаслом. Такиешарикоподшипникине допускают перекоса внутреннего кольца по отношению к наружному более чем на 15'. При больших перекосах возможны аварии из-за перегрева подшипника и разрыва сепаратора.

Радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими роликами имеют несколько конструктивных разновидностей.

Подшипниктипа2000 имеетнаружноекольцобезбортовивнутреннее кольцо с двумя бортами. При разборке ролики с сепаратором остаются на внутреннем кольце. Подшипник воспринимает только радиальную нагрузку; для смазки рекомендуется жидкое масло.

Подшипник типа 32000 имеет внутреннее кольцо без бортов и наружное кольцо с двумя бортами. При разборке ролики вместе с сепаратором остаются в наружном кольце. Подшипник воспринимает только радиальную нагрузку; для смазки могут быть применены как жидкое масло, так и консистентная смазка. Так как роликоподшипники типов 2000 и32000 не могутвоспринимать осевую нагрузку, их используют в комбинации с шарикоподшипником, который фиксирует положение ротора.

45

Подшипник типа 42000 имеет наружное кольцо с двумя бортами и внутреннее кольцо с одним бортом. При разборке ролики с сепаратором остаются в наружном кольце. Подшипник воспринимает радиальную нагрузку и небольшую осевую нагрузку в одном направлении. В машинах с двумя роликоподшипниками делают сдвиг между наружным и внутренним кольцом для создания осевого зазора.

Роликоподшипники обладают большей радиальной грузоподъемностью, чем шарикоподшипники тех же размеров. Благодаря разборной конструкцииониболееудобныдлямонтажаиобслуживания. Ониочень чувствительны к перекосу колец, поэтому их можно применять лишь в машинах с короткими толстыми валами.

Продолжительность работы подшипников качения во многом зависит от наличия смазки. Смазка в подшипниках качения имеет следующее назначение: она уменьшает трение между роликами или шариками исепаратором, атакжемеждубортамиколециторцамироликов; предохраняет подшипники от коррозии; защищает их от попадания грязи из окружающей среды; равномерно распределяет и отводит тепло от подшипника; смягчает удары шариков или роликов о кольца и снижает шумы.

Для смазки подшипников применяют жидкие минеральные масла или консистентные мазеобразные смазки.

Минеральные масла имеют следующие преимущества перед консистентными смазками: ониобладают большей стабильностью именьшим коэффициентом трения, способны проникать в узкие зазоры к трущимся поверхностям, могут быть заменены без разборки узла, лучше отводят тепло от подшипника, вымывают из подшипника продукты его износа.

Подшипниковыеузлынажидкойсмазкетребуютсложныхуплотнительных устройств и наблюдения за работой смазочной системы. Смазочные масла применяют при высоких скоростях вращения, когда dn 300 000 (где d – диаметр вала, мм; n – скорость вращения, об/мин).

Консистентные смазки представляют собой мазеобразные смазочные материалы, получаемые загущением смазочных масел. Загуститель создает каркас, в клетках которого находится смазочное масло. Консистентные смазки обладают хорошими пластическими свойствами, препятствующими выбрасыванию смазки из подшипника под действием центробежныхсил. Свойства консистентных смазокопределяются восновном составом загустителя.

46

Наиболее широкое применение имеют мыльные смазки, в которых загустителем служат мыла – соли жирных кислот (в жировых смазках) или синтетических жирных кислот (в синтетических смазках), а в качестве связующего вещества – минеральные масла различной вязкости. Наиболее широко используют смазки, изготовленные на основе кальциевых, натриевых и натриево-кальциевых мыл. В последнее время начали применять литиевые мыла.

Кальциевые смазки (солидолы) сохраняют свою консистенцию при работе подшипника, негигроскопичны и в воде не растворяются. Их можно применять при температуре подшипника не выше 60 °С. Притемпературе80 °Сонирасплавляютсяипослеостыванияневозвращаются в первоначальное состояние.

Натриевые смазки (консталины) можно использовать при температуре не выше 125 °С. При расплавлении и последующем охлаждении они восстанавливают свои пластические свойства. Но эти смазки гигроскопичны, при смешении с водой образуют эмульсии и могут быть вымыты из подшипника, что выведет его из строя. Поэтому применять их можно только в сухой среде.

Натриево-кальциевые смазки (смазка 1-13) обладают хорошими свойствами. Ихприменяютдляподшипниковкачения, работающихпри температурах до 80 °С.

Применение изоляционных материалов с высокой нагревостойкостью повлекло за собой повышенный нагрев электрических машин, в том числе подшипников. Для таких машин были разработаны тугоплавкие смазки с температурой разжижения 150…200 °С. К ним относятся литиевые смазки ЦИАТИМ 201 и ЦИАТИМ 202, а также кальциевые смазки на кремнийорганической жидкости ЦИАТИМ 221 и ЦИАТИМ 221c.

Расчет подшипников качения заключается в определении срока работы их до износа (долговечность) в зависимости от скорости вращения и нагрузки. Зависимость между долговечностью, скоростью вращения и нагрузкой подшипника качения выражается следующей формулой:

где n – номинальная скоростьвращения, об/мин; h – долговечность подшипника, ч; C – постоянная данного типа подшипника, называемая коэффициентом работоспособности; Q – условная нагрузка,

47

гдеR – радиальнаянагрузка, рассчитаннаяприноминальномрежимеработы машины без учета перегрузок.

При определении реакции подшипника надо выбирать наиболее неблагоприятные условия нагрузки подшипника.

Для реакции RA принимаем направление Р вверх, а для реакции RB – вниз. Таким образом, нагрузка подшипника со стороны коллектора определяется по формуле

Нагрузка подшипника со стороны привода

где А выражает аксиальную нагрузку. Если нет явновыраженной аксиальной нагрузки, то принимают А = 0,1R, учитывая осевое магнитное притяжение ротора; m – коэффициент приведения аксиальной нагрузки к радиальной, для радиальных шарикоподшипников m = 1,5; k – коэф-

фициент, учитывающий характер нагрузки, при постоянной спокойной

Расчетная долговечность шарико- и роликоподшипника должна быть порядка h (15 20) 103.

48

3.4.2.Подшипники скольжения

Вначале развития электромашиностроения все машины выполнялись на подшипниках скольжения. Затем их начали вытеснять подшипники качения, сначала в малых быстроходных машинах, а затем и в машинах большей мощности. В настоящее время с подшипниками скольжения строят машины мощностью свыше 1000 кВт на стояковых подшипниках. Применение подшипников скольжения для крупных машин объясняется тем, что в этих машинах подшипники разъемные и требуется циркуляция большого объема масла для их охлаждения.

Вследствие прилипаемости масла к металлам в рабочем слое создается гидравлическое давлениеи шейкавала всплывает, отделяясьот поверхности вкладыша подшипника.

Таким образом, создается жидкостное трение, при котором трение между металлами заменяется трением металлов о масло.

Для удобства монтажа стояковые подшипники делают разъемными. Разъем вкладыша сделан по горизонтальному диаметру, а разъем головки подшипника несколько выше для предупреждения вытекания масла. Вцеляхуменьшенияизнашиванияшейкивалаприпускахиостановках, когда жидкостное трение нарушается, поверхность вкладыша, прилегающая к валу, залита мягким антифрикционным металлом – баббитом. Для лучшего сцепления баббитовой заливки с корпусом вкладыша последний имеет кольцевые канавки в форме ласточкина хвоста.

Поверхность прилегания вкладыша к стояку подшипника шаровая с центром на оси шейки вала. Это дает возможность вкладышу при перекосах устанавливаться всегда по направлению оси шейки вала. Такие подшипники называются самоустанавливающимися. Для предохранения от проворачивания вкладыша в подшипнике служит стопорный винт, головка которого входит в паз верхней половины вкладыша. Наблюдение за вращением смазочных колец проводят через специальные смотровые отверстия, закрытые крышками для защиты подшипника от попадания в него пыли.

Масловподшипникналиваютпоуровню, которыйснабженсмотровымстеклом. Спускмаслапроводятчерезотверстие, закрытое пробкой, расположенное в нижней точке масляной камеры. Для предохранения от растекания масла вдоль вала за пределы подшипника служат маслоулавливающие канавки с отверстиями в нижней части вкладыша. Они собирают масло по концам вкладыша, и через отверстия оно стекает обратно в масляную камеру.

49

Нагрузка подшипника характеризуется удельным давлением на вкладыш и скоростью вращения. Удельное давление на нижнюю несущую поверхность вкладыша определяют по формуле

Оно должно быть в пределах 10…12 кГ/см.

Для быстроходных машин применяют принудительную смазку, при которой масло подается к поверхностям трения специальными насосами. Вмашинахспринудительнойсмазкойпредусматриваетсяавтоматическая система контроля за работой смазочной аппаратуры.

При прекращении подачи масла срабатывает аварийный сигнал, и машина должна быть немедленно остановлена во избежание расплавления подшипников.

Вприложении 2 приведены нормализованные размеры подшипников каченияидопускаемыенагрузкиприразличныхскоростяхвращения. Ступенчатая жирная линия разграничивает подшипники с кольцевой смазкой (слеваотлинии) иподшипники, требующиепринудительнойсмазки.

Особую конструкцию представляют направляющие подшипники вертикальных машин, в первую очередь гидрогенераторов. Они заключены в масляную ванну, уровень масла в которой доходит примерно до середины вкладыша. Замкнутая система смазки освобождает от необходимости осуществлять сложную циркуляцию масла. Для отвода выделяемого в подшипнике тепла в масло погружены трубчатые маслоохладители, по которым циркулирует вода.

Вподшипниках горизонтальных машин имеется только один масляный клин в нижней половине вкладыша. Наоборот, направляющие подшипники вертикальных машин имеют сегментные вкладыши, состоящие не менее чем из четырех сегментов. Соответственно увеличивается число масляных клиньев, отделяющих шейку вала от сегментов подшипников.

3.5. Конструкция статоров

Статорымашинпеременноготокасобираютсяизштампованныхлистов электротехнической стали толщиной 0,5 мм с двусторонним покрытием лаком. Крайние листы штампуют из стали толщиной 1 мм или сваривают попарно точками из средних листов.

50