6.9.2 Сборка и крепление полюсов роторов синхронных машин

Полюсы роторов син­хронных машин могут быть полностью массивными (рис. 3.44, а), массивными с шихтованными полюсными наконечниками (рис. 3.44, б, в) или полностью шихтован­ными (рис. 3.44, г). В неко­торых конструкциях сердеч­ник полюса может полно­стью или частично состав­лять единое целое с ободом ротора (рис. 3.45, а, б). Так как статор синхронной ма­шины имеет открытые пазы, то с учетом зубцовых пульсационных потерь на по­верхности полюсов должны предусматриваться шихто­ванные полюсные наконеч­ники или полностью шихто­ванные полюсы. Роторы как правило, должны иметь для предотвращения качаний демпферную (успокоительную) обмотку. Она состоит из круглых медных неизолированных проводников, уложенных в круглых пазах полюсных наконечников. Во избежание магнитного насыще­ния пазы выполняются со шлицами на поверхности полюса. Шаг по пазам должен быть по возможности одинаковым с зубцовым делением статора с допустимыми отклонениями максимально до 15 %. Во многих случаях быва­ет достаточно демпфирования по продольной оси, тогда применяются только так называемые полюсные решетки, у которых стержни каждого полюса со­единяются короткозамыкающими сегментами (рис. 9.32, а).

Рисунок 3.44 - Полюсы синхронных машин:

а - полностью массивный, б,в - с шихтованными полюсными наконечниками, г - полностью шихтован­ный

Рисунок 3.45 - Полюсные сердечники, представ- шихтованными полюсами, представляющие собой полностью (а) или частично (б) единое целое с ободом ротора

Однако при бо­лее высоких требованиях в отношении демпфирования демпферные решетки отдельных полюсов соединяются короткозамыкающими кольцами, проходящими через все полюсы, для того чтобы обеспечить демпфирова­ние также и по поперечной оси.

Массивные полюсные наконечники применяют в синхронных электро­двигателях с тяжелыми условиями пуска и в фазокомпенсаторах с автомати­ческим пуском (самопуском). Это обусловлено высокой теплоемкостью та­ких полюсных наконечников. В большинстве случаев их выполняют с риф­леной поверхностью.

Для получения синусоидальной кривой ЭДС статорной обмотки полюс­ные наконечники выполняются с эксцентричным воздушным зазором (рис. 3.44, а). Чаше всего полюсы синхронных машин выполняются шихто­ванными. Для машин небольшой мощности (до 100 кВт) листы полюсов штампуют из электротехнической стали толщиной 0.5... 1 мм, а для более мощных машин - из стали марки Ст3 толщиной 1...2 мм.

Листы собирают в пакет, по краям которого укладываются концевые ще­ки. В зависимости от ширины полюса щеки имеют различную форму (рис. 3.46). Пакет стягивается шпильками, пропущенными через отверстия, выштампованные в листах сердечника. Гайки утапливаются в тело щек. Ко­личество стяжных шпилек берется не менее четырех. Диаметр шпилек и их число выбираются таким образом, чтобы напряже­ние в них не превышало 60 МПа, а усилие, стягивающее сердечник, вызыва­ло давление между листами около 2 МПа.

Рисунок 3.46 - Концевые щеки полюсов синхронных машин:

а - для полюсов с однорадиусной лобовой частью катушки,

б - для широких полюсов с двухрадиусной

лобовой частью катушки,

в - для узких полюсов

Крепление массивных полюсных наконечников к полюсному сердечнику осуществляется болтами (рис. 3.45), а целых массивных полюсов к ободу ротора - болтами (рис. 3.44, а) или хвостовиками (рис. 3.44, б).

Рисунок 3.47 - Способы крепления полюсов

а - в виде ласточкина хвоста с нижней заклиновкой, б - в виде ласточкина хвоста с боковой заклиновкой, в, г - в виде Т-образных хвостовиков, д - гребенчатый полюсный башмак, е - крепление конструкции фирмы «ВВС», ж - крепление круглыми хвостовиками (конструкция фирмы – «Эрликон»), з - крепление цилиндрическими шпонками (конструкция фирмы «Сешерон»).

Шихтованные полюсы в машинах небольшой мощности прикрепляют к валу или напрессованной на него втулке. Крепление полюсов в синхронныхмашинах мощностью свыше 100 кВт зависит от размеров ротора и частоты его вращения.

В тихоходных машинах полюсы к ободу магнитно­го колеса прикрепляются с помощью болтов, которые вворачиваются в стержни, вставленные в тело полю­са. В быстроходных маши­нах полюсы прикрепляют­ся к остову ротора с помо­щью хвостовиков типа ласточкина хвоста (рис. 3.47, а, б) или хво­стовиков Т-образной фор­мы (рис. 3.47, в, г). Спосо­бы крепления полюсов некоторых иностранных фирм приведены на рис. 3.47, д, е, ж, з.

Т-образные хвостовики более технологичны и более надежны в эксплуа- тации, поэтому они имеют преимущественное применение, за исключением машин с небольшим диаметром ротора.

Размеры Т-образных хвостовиков и пазов для них нормализованы. В таблице 3.3, в соответствии с рис. 3.48, приведены размеры пазов и хво­стовиков и нагрузки в них в зависимости от толщины листов. Хвостовики в пазах расклиниваются тонкими клиньями из шпоночной стали с укло­ном 1:100, которые попарно забивают в промежутки между пазом и хво­стовиком полюса. При необходимости полюс выполняют с двумя хвосто­виками, расстояние между которыми обозначено в таблице буквой К. При больших нагрузках тонкие листы шихтованного сердечника теряют ус­тойчивость и коробятся. Для увеличения механической устойчивости хво­стовика его кромки иногда провариваются по специально вы- штампован­ным лункам.

Рисунок 3.48 - Размеры паза и хвостовика

Таблица 3.3- Размеры хвостовиков и пазов

№ хвос-та	Размеры выступа, мм					Размеры паза, мм					Тол­щина листа, мм	Допустимая нагрузка, кН/м
	а	b	с	е	к	г	g	m	h	n		Хвост не проварен	Хвост проварен
1	12	24	24	12	-	1	14	26	25	12	0.5 1	440 590	590 980
2	20	40	38	20	-	1,5	22	42	40	20	1 1,5	790 1470	1080 1960
3	26	52	50	25	80	1,5	29	55	52	25	1 1,5	690 2060	1080 2750
4	32	65	58	32	98	1,5	35	69	60	32	1 1.5	610 2160	1280 2850
5	38	70	58	32	110	1,5	42	74	60	32	1 1,5	520 2450	1170 3340

Расчет крепления полюсов Т-образными хвостовиками в синхронных машинах произво­дится путем сопоставления на­грузки на шейку хвостовика с допустимой нагрузкой по табл. 3.3. Нагрузка на хвостовик Т-образной формы обусловлена центробежной силой, которая определяется на единицу длины полюса при максимальной частоте вращения ротора. Центробежная сила полюса с обмоткой на 1 м длины полюса, Н/м:

где m'_m, m'_кв - массы полюса и катушки обмотки возбуждения на 1 м дли­ны, кг/м;

n_mах - максимальная частота вращения (для синхронных машин общего назначения n_mах = 1.2· n_ном);

R - средний радиус центра тяжести полюса (рис. 3.49), м, равный

Масса полюса на 1 м длины, кг/м;

где S_т - площадь поперечного сечения полюса с полюсным наконечником и хвостовиком, м².

Для предварительных расчетом площадь хвостовика мож­но принимать равной 7 % площади сердечника.

Масса катушки обмотки возбуждения на 1 м длины, кг/м:

m'_кв = 2·q_f w_f ·8900 ·1,05 = 1,87 ·10⁴ · q_f · w_f

где q_f - поперечное сечение проводника обмотки возбуж­дения, м²;

w_f - число витков в катуш­ке;

коэффициент 1,05 учитыва­ет изоляцию проводника.

По найденной центробежной си­ле С' по табл. 3.3 выбирается тип хвостовика. В том случае, если полученная из расчета нагрузка на хвостовик превышает допустимую, указанную в табл. 6.3, полюс можно выполнять с двумя или большим числом хвостови­ков. При учете возможной неравномерности распределения усилий между хвостовиками нагрузка на каждый из них по сравнению с табличной снижа­ется на 10 % при двух хвостовиках и на 20 % при трех.

Рисунок 6.49 - Полюс с Т-образным хвостовиком

Расчет крепления полюса при помощи болтов. Число болтов для креп­ления полюса выбирается не менее двух. Для того чтобы не происходило уд­линение болтов под действием центробежной силы при вращении ротора, болты ставят с предварительным натягом, который превышает центробеж­ную силу на 20 %.

Центробежная сила полюса при максимальной частоте вращения ротора, Н:

где m_п — масса одного полюса, равная сумме масс сердечника обмотки возбуждения и демпферной (пусковой) обмотки (берется из электромагнит­ного расчета);

R - средний радиус центра тяжести полюса.

Внутренний диаметр резьбы болта, м:

где m_б - число болтов на полюс;

σ_доп - допустимое напряжение растяжения, Па. Для стали марок Ст5 и Ст30 σ_доп = 1200·10⁵ Па.

Магнитопровод ротора в синхронных машинах общего назначения мощностью свыше 100 кВт имеет два основных вида исполнения. У быстроход­ных машин магнитопровод вы­полняется шихтованным из от­дельных листов (рис. 3.50), ко­торые стягиваются шпильками, либо заклепками, либо электросварочными швами. Полюсы к магнитопроводу кре­пятся с помощью хвостовиков. В тихо­ходных машинах ротор выполняется в виде магнитного колеса (рис. 3.51), к ободу которого болтами или шпилька­ми прикрепляются полюсы.

Рисунок 3.50 - Шихтованный ротор синхрон­ной машины

Рисунок 3.51 - Ротор синхронной ма­шины в виде сварного магнитного колеса

Магнитопровод при вращении ро­тора испытывает растягивающее напряжение центробежной силы, обуслов­ленной собственной силой тяжести и силой тяжести прикрепленных к нему полюсов. Для того чтобы центробежная сила не вызывала остаточной дефор­мации в магнитопроводе, необходимо, чтобы максимальные напряжения бы­ли меньше или равны допустимым. Напряжения в магнитопроводе ротора определяют из расчета его на прочность. Полюсы роторов в синхронных ма­шинах большой мощности и в гидрогенераторах отличаются большими габа­ритными размерами и массой, поэтому технология их изготовления имеет ряд особенностей.

Полюсы гидрогенераторов относятся к наиболее сложным в технологиче­ском отношении узлам как по трудоемкости, так и по разнообразию выпол­няемых при их изготовлении работ. К этим работам относятся механическая обработка, штамповка и прессовка листов сердечника, изолирование его, на­мотка и изолирование катушек, прессовка и выпечка их.

Особенно трудоемки операции, относящиеся к собранному сердечнику: фрезерование опорных плоскостей хвостовиков щек заподлицо с соответст­вующей плоскостью сердечника и рассверливание отверстий под стержни демпферной обмотки.

Сердечники (1) (рис. 3.52) полюсов гидрогенераторов изготовляют из штампованных листов низкокремнистой или обыкновенной низкоуглероди­стой стали толщиной 1...2 мм. В сердечниках больших размеров применяют­ся стальные полюсные щеки (9), удерживающие катушку (5) своим козырь­ком. Штампованные листы сердечника стягиваются стальными шпильками (11) и навернутыми на них с обеих сторон гайками (10), утопленными в вы­емках щек и заваренными после сборки.

Рисунок 3.52 - Полюс гидрогенератора

1 - сердечник, 2 - изоляция сердечника, 3 - стальная шайба, 4 - нижняя изоляционная шай­ба, 5 - катушка, 6 - верхняя изоляционная шайба, 7 - сегмент демпферной обмотки, 8 - стержень демпферной обмотки, 9 - щека, 10 - гайка, 11 - стяжная шпилька

Сердечники полюсов быстроходных гидрогенераторов часто крепятся к ободу двумя, а иногда и тремя хвостовиками из-за недостаточной прочности одного.

Щеки полюсов гидрогенераторов изготовляют из литых заготовок или из листовой стали. Щеки, выполненные из листовой стали, экономически более выгодные, так как листовая сталь дешевле литья или поковок, а изготовление при этом менее трудоемко.

Сборка (шихтовка) сердечника полюса гидрогенератора может выпол­няться при вертикальном и горизонтальном положениях его оси.

Вертикальная сборка не требует специальной оснастки и выполняется двумя рабочими. Один рабочий надевает листы пачками массой по 5...6 кг на четыре шпильки, установленные вертикально, а другой подает ему листы и доводит листы, надетые на шпильки, до нижнего положения.

Горизонтальная сборка сердечников производится в специальном приспособ­лении (рис. 3.53), состоящем из плиты (1) с поперечными балками наверху. На балки устанавливают две сварные направляющие (3), которые можно раздвигать, образуя проемы в пределах 200...400 мм, соответствующие наименьшей и наи­большей ширине листов полюсов. С левого торца направляющих (3) крепят спе­циальные вертикально расположенные упоры, а с правого торца болтами при­крепляют фланец с пневматическим цилиндром (7). Поршень этого цилиндра может совершать ход в 300 мм и развивает усилие прессовки порядка (2,5...3)10⁴ Н. Сборку сердечника начинают с установки щеки (2) полюса ко­зырьком на верхнюю плоскость направляющих (3) и доводят ее до упорных пла­нок. Листы сердечника (4) набирают пачками до тех пор, пока не заполнят все пространство от щеки (2) до пяты (5). Затем включают пневматический цилиндр (7) и движением пяты (5) справа налево сдвигают листы к щеке. После этого от­водят пяту вправо и заполняют пространство следующей порцией листов. Опе­рация поджатия листов повторяется несколько раз по мере заполнения проема. Таким образом набирают весь полюс и устанавливают вторую щеку. Затем пневматическим молотком забивают стяжные шпильки (8) и завертывают с двух сторон гайки. Забивают в сердечник стержни демпферной обмотки (9). Собран­ный сердечник отправляют на прессование и скрепление. Операцию прессования производят на горизонтальном гидравлическом прессе (4...6)10⁷ Н. После прес­сования затягивают гайки у шпилек.

Рисунок 3.53 - Приспособление для горизонтальной сборки сердечников полюсов гидроге­нераторов:

1 - плита, 2 - щека, 3 - направляющие, 4 - листы сердечника, 5 - пята, 6 - удлинитель, 7 пневматический цилиндр, 8 - стяжная шпилька, 9 - стержни демпферной обмотки

Усилие прессовки сердечника определяется

Q = P·S

где P - удельное давление, MПa;

S- площадь листа (без площади всех отверстий), м².

Удельное давление прессовки P выбирается в зависимости от длины сер­дечника полюса: при длине сердечника до 1 м удельное давление 10 МПа, от 1 до 1.6 м - 11...12 МПа, свыше 1.6 м - 12...14 МПа. Давление пресса, МПа, определяется по выражению:

где А — постоянная гидравлического пресса.

Контрольные вопросы

1) Какие основные требования предъявляются к сердечникам магнитопроводов?

2. Что такое размер паза в штампе и в свету?

3) Какие основные технологические операции включает изготовление шихтованного сердечника?

4) Какие причины появления заусенцев на листах при штамповке, и как их предупреждать и ликвидировать?

5) Какая цель и технология термообработки и оксидирования листов сердечников?

6. Что представляет собой технологический процесс сборки сердечников статора?

7) Что представляет собой технологический процесс сборки сердечников ротора?

8) Какая необходимость поворота половины пакета сердечника на 180°?

9. Какие способы применяют для скрепления листов сердечника статора?

10) Какими способами скрепляют листы сердечника ротора?

11) Как выполняют посадку сердечника ротора на скошенную шпонку?

12. Как работает автоматическая линия штамповки и сборки сердечников?

13) Как выполняют сборку сердечника якоря (ротора) на вал?

14) Какая последовательность операций сборки якоря необмотанного?

15) Как рассчитать усилие, воспринимаемое стопорной втулкой, запирающей сердечник якоря (ротора)?

16. Как рассчитать натяг и выбрать посадку (.топорной втулки, запирающей сердечник якоря (ротора)?

17) Какая конструктивная необходимость крепления сердечника ротора на стальной втулке?

18) Как выполняют сборку и крепление сердечника статора в корпус?

19. Какие виды сечений дистанционных распорок применяют в собранных сердечниках, и в каких местах их устанавливают?

20. Какая технология сборки и крепления сердечников статора на шпильках?

21) Что такое слоевая и винтовая шихтовка сегментов сердечника статора?

22) Какие виды калибров применяют при шихтовке сердечников статоров?

23. С какой целью и как проводят испытания активной стали?

24) Какая последовательность разгонки и крепления клиньев при сборке сердечника статора?

25) Какая технология сборки и крепления сердечника якоря из сегментов?

26. Какими способами производят крепление сердечника якоря к остову?

27. Какая технология сборки и крепления сердечников полюсов машин постоянного тока?

28. Как определить напряжение растяжения в заклепках (стяжных болтах) сердечников глав­ных полюсов?

29. Как рассчитать диаметры болтов крепления главных полюсов машины постоянного тока?

30. Какие конструкции полюсов роторов могут применяться в синхронных машинах?

31. Способы крепления концевых щек полюсов синхронных машин.

32. Какие способы крепления полюсов роторов могут применяться в синхронных машинах?

33. Какие параметры учитывают при выборе хвостовика для крепления полюса ротора син­хронной машины?

34. Какие виды исполнений магнитопроводов роторов применяют в синхронных машинах?

35. Какая последовательность сборки сердечника полюса гидрогенератора?