1.2. Материалы, применяемые в электромашиностроении

Материалы, из которых делают электрические машины, можно условно разделить на: конструктивные, активные и изоляционные.

I. Конструктивные (конструкционные) материалы применяют для изготовления конструктивных частей машин: станин, подшипниковых щитов, подшипников, валов, вентиляторов, контактных и других устройств. В качестве конструкционных материалов используют литые сталь и чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы.

II. Активные материалы применяют для изготовления активных частей машин, непосредственно участвующих в преобразовании энергии. Активные материалы делят на проводниковые и магнитные.

1. Проводниковые (электропроводящие) материалы: медь (Сu), алюминий (Al) и их сплавы используют в виде неизолированных или изолированных проводов (проволоки), реже шин или литья для изготовления катушек или частей обмоток электрических машин. Применение меди и алюминия обусловлено их малым удельным сопротивлением ρ (высокой удельной электрической проводимостью γ = 1/ρ). При температуре 20 °С у проволоки из меди ρ_20°Cu = 0,0172·10 ^{– 6} Ом·м; алю-миния – ρ_20°Al = 0,0282·10 ^{– 6} Ом·м; при другой температуре θ

(1.8)

Поэтому невелики активные сопротивления обмоток, Ом,

, (1.9)

где l – длина, м, и S – сечение, м², эффективного проводника обмотки.

Невелики и электрические потери мощности от тока I в обмотках р_Э = rI ². Уменьшение электрических потерь в обмотках повышает КПД машины и облегчает её охлаждение. Сопротивления ρ и r не зависят от внешних магнитных полей. Абсолютная магнитная прони-цаемость проводниковых материалов μ_а ≈ μ₀ = const (см. ниже).

2. Магнитные материалы состоят в основном из железа (Fe) из-за его способности легко намагничиваться. Магнитные свойства материа-ла характеризует основная кривая намагничивания или зависимость индукции магнитного поля B от напряжённости Н (рис. 1.7), нелиней-ность которой обусловлена насыщением материала.

И

μ_а

μ_а

В

В

а

з магнитных материалов делают магнитопроводы (сердечники), служащие для более лёгкого создания и проведения магнитного потока.

С

Рис. 1.7. Основная кривая намагничи-вания B = f (H)

Н

0

огласно (1.2) магнитный поток в магнитопроводе зависит от токаi или МДС F и магнитного сопротивления магнитопровода, А/Вб,

. (1.10)

В формуле (1.10) l_СР – длина средней силовой ли-

нии (рис. 1.2), м; П_М – площадь поперечного сечения, м², μ_а – абсолютная магнитная проницаемость материала магнитопровода, Гн/м,

. (1.11)

Абсолютную магнитную проницаемость можно выразить в виде

, (1.12)

где μ₀ = 4π·10 ^{– 7} Гн/м – магнитная проницаемость вакуума; μ – отно-сительная магнитная проницаемость (магнитная проницамость), показывает, во сколько раз индукция в магнитопроводе больше, чем в вакууме или другой немагнитной среде.

У магнитных материалов μ_а » μ₀; обычно μ_а = (10–10 ⁴)·μ₀ в зави-симости от напряжённости магнитного поля (рис. 1.7). Соответственно магнитное сопротивление R_М магнитных материалов много меньше, чем немагнитной среды с проницаемостью μ₀. Поэтому магнитное поля в магнитном материале может быть создано небольшим током, в 10–10⁴ раз меньшим, чем в немагнитной среде (см. формулу 1.2). Наиболее выгодно использование магнитных материалов при их малом и умеренном насыщении (участок 0а кривой B = f (H) на рис. 1.7).

Для уменьшения вихревых токов и потерь мощности от них магнитопроводы изготавливают из тонких изолированных листов электротехнической стали. Сталь прокатывают на прокатных станах до толщины листов 1; 0,5; 0,35; 0,3; 0,2; 0,15; 0,1 мм и изолируют одним – тремя слоями лака или термостойким покрытием. При частоте 50 Гц обычно применяют стали толщиной 0,35 и 0,5 мм.

Обозначение электротехнической стали состоит из 4 цифр: АВСD.

Цифра А характеризует класс стали по структурному состоянию и виду прокатки, может принимать значения: 1 – сталь горячекатаная изотропная (магнитная проницаемость в направлении μ_Х и поперёк

проката μ_У мало отличаются); 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная (μ_Х » μ_У) с ребровой структурой. У этих сталей μ_Х выше, а магнитные потери ниже, чем у горячекатаных.

Цифра В определяет содержание кремния (Si) в стали: 0 – не более 0,4 % (сталь нелегированная); 1 – от 0,4 до 0,8 %; 2 – от 0,8 до 1,8 %; 3 – от 1,8 до 2,8 %; 4 – от 2,8 до 3,8 %; 5 – от 3,8 до 4,8 %. Кремний повыша-ет сопротивление стали, что снижает вихревые токи и потери мощности.

Цифра С обозначает группу по основной нормируемой характеристике, различают 5 групп: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (р_1,7/50); 1 – удельные потери при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (р_1,5/50); 2 – удельные потери при индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (р_1,0/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряжённости поля Н = 0,4 А/м (В_0,4); 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при Н = 10 А/м (В₁₀).

Цифра D обозначает номер стали, принимает значения от 1 до 6. С увеличением D улучшается качество стали: возрастает μ_а, снижа-ются магнитные потери, разнотолщинность и коробоватость листов.

Пример расшифровки обозначения электротехнической стали:

3404 – холоднокатаная анизотропная с содержанием Si до 3,8 % для работы в магнитных полях с индукцией 1,7 Тл и частотой 50 Гц.

Для магнитопроводов и их частей с постоянным направлением магнитного потока применяют стальное, реже чугунное литьё; листовые и кованые стали; специальные сплавы для постоянных магнитов.

III. Электроизоляционные материалы применяют для изолирования обмоток от магнитопроводов и конструктивных частей машины.

Основные требования к электроизоляционным материалам: высокая механическая прочность; высокая диэлектрическая прочность, позволяющая уменьшить толщину изоляции; хорошая теплопроводность, обеспечивающая малый перепад температуры в изоляции и соответственно хорошее охлаждение обмоток; влагостойкость; теплостойкость, обеспечивающая длительное функционирование изоляции при воздействии предельно допустимой рабочей температуры Т_m.

Различают семь классов нагревостойкости электроизоляционых материалов по предельно допустимым температурам Т_m (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
Температура Тm, °С	90	105	120	130	155	180	более 180

К классу нагревостойкости Y относятся непропитанные и непогружённые в жидкий диэлектрик текстильные материалы на основе хлопка, натурального шёлка, целлюлозы (картон, дерево), пластмассы.

Класс нагревостойкости А составляют пропитанные лаками на основе натуральных смол, термопластичными компаундами или помещённые в жидкий диэлектрик материалы класса нагревостойкости Y, изоляция эмалированных проводов, трансформаторное масло.

Класс нагревостойкости Е образуют стеклолакоткани, синтетичес-кие органические полиэтилентерефталатные плёнки, термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные).

В класс нагревостойкости В входят материалы на основе асбеста, слюды, стекловолокна, пропитанные битумными или масляносмоляны-ми лаками, термореактивные синтетические компаунды, асбоцемент.

Классы нагревостойкости F и Н образуют материалы класса нагревостойкости В в сочетании с синтетическими (класс F) и кремний-органическими (класс H) пропитывающими и связующими составами.

К классу нагревостойкости С относятся слюда, стекло, керамика, фарфор, применяемые с неорганическими связующими или без них.

В трансформаторах широко применяют изоляционные материалы класса нагревостойкости А. Обмотки электрических машин изолируют по классам нагревостойкости В, F и реже H. Изоляция вводных устройств может быть выполнена по классу нагревостойкости С.