Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

привело к разработке более совершенной технологий их изготовления. Все это позволило

получить совершенные электрические машины, которые к этому времени в значительной

мере вытеснили другие типы двигателей. В результате началась широкая электрификация

промышленных предприятий, транспорта, металлургической, каменноугольной и

практически всех других видов промышленности.

С 1915 г. начинают использовать короткозамкнутую обмотку для пуска синхронных

двигателей, которые характеризуются высоким коэффициентом мощности (cos φ). В тот

же период начинают применять предложенные М. О. Доливо-Добровольским глубоко-

пазные и двухклеточные асинхронные двигатели вместо двигателей с фазным ротором. В

связи с ростом мощности энергетических систем становится возможным пуск таких

короткозамкнутых двигателей непосредственно от сети без специальных приспособлений.

В начале тридцатых годов нашего столетия начинается массовое применение микромашин

для бытовых приборов, медицинск

ого оборудования, пищевой и легкой промышленности.

Получает распространение однофазный конденсаторный асинхронный микродвигатель.

Разрозненные виды микромашйн в большинстве случаев выпускались кустарными

предприятиями местной промышленности.

С середины тридцатых годов электрические микромашины применяют в системах

автоматики и следящего привода. В связи с этим начинается быстрое развитие

микродвигателей и тахогенераторов постоянного тока, сельсинов, асинхронных

тахогенераторов и исполнительных двигателей.

В сороковых годах проводятся большие работы по созданию электромашинных

силителей, двигателей с полым ротором, и разрабатывается теория исполнительных

двигателей автоматических устройств. Улучшение качества магнитных сталей позволило

создать машины с постоянными магнитами и гистерезисные микродвигатели с высокими

техническими и эксплуатационными показателями.

В пятидесятых годах в связи с ростом вычислительной техники начинают быстро

развиваться и совершенствоваться шаговые двигатели импульсного действия. В это же

время получают большое распространение магнитные усилители, которые являются более

надежными, чем усилители других видов.

С начала шестидесятых годов разрабатываются конструкции малоинерционных

двигателей с печатными схемами обмоток.

Количество выпускаемых в Советском Союзе микродвигателей непрерывно

увеличивается. В настоящее время их производство составляет несколько десятков

миллионов штук в год.

Успехи советского электромашиностроения. Коммунистическая партия и советское

правительство всегда уделяли большое внимание электрификации. Гениальная формула

В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей

страны» —

показывает, какое большое значение придавал он энергооснащенности народного

хозяйства. Сразу после гражданской войны по инициативе В. И. Ленина был разработан

план ГОЭЛРО — первый план электрификации России. В. И. Ленин назвал его второй

программой партии. План ГОЭЛРО был успешно осуществлен, и в результате уже в 1931

г. выработка электроэнергии увеличилась в четыре раза по сравнению с

дореволюционной.

В настоящее время Коммунистическая партия Советского Союза продолжает уделять

огромное внимание электрификации страны. В новой, третьей Программе КПСС,

принятой на XXII съезде в 1961 г., говорится: «Электрификация, являющаяся стержнем

строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии

всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего современного технического

прогресса».

Благодаря неустанной заботе Коммунистической партии и Советского правительства

наша страна достигла невиданных в мире темпов электрификации. В настоящее время

установленная мощность электростанций у нас утраивается за десять лет. Программа

КПСС предусматривает доведение годовой выработки электроэнергии до 900—1000 млрд.

квт·ч к 1970 году и до 2700— 3000 млрд квт·ч к 1980 г.

Электропромышленность является технической базой электрификации, поэтому

интенсивное развитие электроэнергетики требует быстрого увеличения выпуска и

усовершенствования электрических машин. Учитывая мощность повышающих и

понижающих трансформаторов и то, что не все электрические машины работают

одновременно, на каждый киловатт увеличенной установленной мощности

электростанций требуется увеличение мощности всех видов электрических машин

приблизительно на 10 квт.

В дореволюционной России отсутствовала отечественная электропромышленность.

Немногие имевшиеся электромашиностроительные заводы являлись филиалами

заграничных предприятий, которые в основном занимались лишь сборкой машин. Как

правило, на русских электромашиностроительных заводах не было проектных бюро,

разрабатывающих новые конструкции.

После Великой Октябр

ьской социалистической революции были созданы новые мощные

электромашиностроительные заводы и восстановлены старые. Советское правительство

провело большую работу по подготовке квалифицированных кадров и созданию научно-

исследовательских институтов, в результате чего отечественное электромашиностроение

уже к тридцатым годам освоило производство крупных электрических машин, а к

сороковым — достигло уровня передовых капиталистических стран.

Предусмотренная планом ГОЭЛРО широкая электрификация промышленности требовала

большого ассортимента разнообразных электрических машин. Одной из важнейших задач

было создание серий, в которых предусматривалась максимальная унифика-

ция отдельных узлов и деталей электрических машин разных типов.

В условиях ведения социалистического планового хозяйства разработка единых серий

выходит за рамки отдельных заводов и становится возможным создание Всесоюзных

единых серий электрических машин. При этом достигается полная взаимозаменяемость

однотипных машин, изготовленных разными заводами. Единая серия имеет удобную для

нужд промышленности твердую шкалу мощностей с повторяющимися значениями

мощности для различных скоростей вращения. Серийные двигатели изготовляются

заводами по единым чертежам, имеют одинаковые установочные размеры и

взаимозаменяемые узлы и детали. Централизованное проектирование Всесоюзных единых

серий явилось большим прогрессом в электромашиностроении.

Современные мощные объединенные энергетические системы Советского Союза

позволяют значительно повысить единичную мощность машины. Увеличение мощности

генератора ведет к экономии денежных средств и материальных ресурсов при

изготовлении и позволяет значительно снизить капиталовложения при строительстве

электростанций и годовые расходы при эксплуатации.

Повышение мощности машины связано с увеличением ее диаметра и длины. При

современном состоянии металлургии генераторы мощностью 100 тыс. квт имеют

предельные габариты по условию механической прочности. Дальнейшее повышение

мощности единицы при сохранении габаритов возможно лишь за счет увеличения

электромагнитных нагрузок, что в свою очередь осуществимо лишь путем

форсированного охлаждения обмоток ротора и статора. Использование водорода с

повышенным давлением вместо охлаждающего воздуха позволяет увеличить мощность

машины примерно в 1,3 раза, поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к

форсированному охлаждению крупных электрических машин. Для большей

эффективности применяют непосредственное охлаждение обмоток, при котором

проводники обмоток находятся в соприкосновении с охлаждающим агентом — водородом

или водой. Это позволяет повысить мощность единичного генератора до 800 тыс. квт и

более.

Наша электропромышленность изготовляет электрические машины, обладающие

высокими техническими показателями самых разнообразных мощностей — от долей ватта

до сотен тысяч киловатт. Ведется изготовление машин мощностью 500 тыс. квт в

единице. В стадии проектирования находятся генераторы мощностью 800 тыс. квт.

Мощность одного такого генератора соответствует суммарной мощности всех

электрических станций дореволюционной России.

Бурно растет производство электрических микродвигателей, создаются и

усовершенствуются новые виды микромашин. Точность выходных величин у

выпускаемых в Советском Союзе микромашин достигает 0,01 % и. выше.

За годы Советской власти со времени принятия плана ГОЭЛРО наша

электропромышленность достигла невиданных успехов. Мощность одного генератора

увеличилась в 1000 раз (с 500 квт до 500 000 квт). В Советском Союзе создано большое

количество электромашиностроительных заводов, конструкторских бюро и научно-

исследовательских институтов, разрабатывающих и выпускающих электрические

машины, превосходящие во многих случаях по своим показателям машины иностранных

фирм.



§1.3. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Основные элементы конструкции. Вращающиеся электрические машины независимо от

их исполнения имеют некоторые однотипные элементы конструкции. Каждая

вращающаяся машина имеет две основные части: вращающийся ротор 1 и неподвижный

статор 2 (рис. 1.1). В большинстве случаев ротор располагается внутри статора. Между

ними всегда имеется воздушный зазор 3. Ротор крепится на валу 4,

Рис. 1.1. Конструктивная схема электрической машины:

1 — ротор; 2 — статор; 3 — воздушный зазор; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 —

корпус

Рис. 1.2. Асинхронный двигатель в защищенном исполнении:

1 — лапы для крепления машины; 2 — вентиляционное окно для входа охлаждающего воздуха; 3 —

подшипник; 4 — вал; 5 — подшипниковые щиты; 6 — корпус; 7— вентиляционное окно для выхода воздуха

который опирается на подшипники 5. Один конец вала удлинен для сопряжения с

другими рабочими механизмами. Подшипники обычно располагаются в подшипниковых

щитах 6, прикрепленных болтами к корпусу (станине) 7. Статор также крепится к

корпусу.

На рис. 1.2 и 1.3. дан общий вид асинхронных двигателей, а на рис. 1.4 представлен

двигатель в разобранном виде.

Часть машины, где размещается р

абочая обмотка, в которой индуктируется э. д. с,

называется якорем. Якорем может быть ротор или статор.

Системы охлаждения. Электрические машины выполняются с естественным и

искусственным охлаждением. В ка-

честве охлаждающей среды используется воздух, в некоторых случаях масло, водород или

вода.

Естественное охлаждение происходит за счет теплопроводности, конвекции и

лучеиспускания. Движение охлаждающей среды может создаваться в результате

вращения частей машины, в которой не

Рис. 1.3. Асинхронный двигатель в закрытом исполнении: 1 — лапы для крепления машины; 2 —

подшипниковый щит; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — корпус; 5 —кожух. Стрелки А и В показывают

направление движения воздуха

Рис. 1.4. Асинхронный двигатель защищенного исполнения в разобранном виде: 1 — ротор; 2 — статрр; 3 —

лапы для крепления; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 — корпус; 8 —

вентиляционные лопатки

имеется специальных вентиляционных приспособлений. Микромашины обычно имеют

естественное охлаждение.

Вращающиеся электрические машины мощностью более 0,6 квт обычно выполняются с

искусственным охлаждением, которое осуществляется при помощи специальных

вентиляционных устройств. Применение вентиляции позволяет существенно повысить

мощность и является экономически целесообразным. Машины с искусственным

охлаждением имеют меньшие габариты, вес и расход активных материалов.

Электрические машины малых и средних мощностей обычно выполняются с

самовентиляцией. В этом случае напор охлаждающегося воздуха создается вентилятором,

который укрепляется на валу, или вентиляционными лопатками и приспособлениями (см.

8 на рис. 1.4), укрепленными на торцовой поверхности ротора.

В машинах охлаждающий воздух может прогоняться в направлении оси вала (рис. 1.5, а).

Такая система вентиляции называется осевой. Осевая вентиляция может быть вытяжной

или нагнетательной. В первом случае вентилятор помещается на «выходе», во втором —

на «входе» воздуха. Охлаждающий воздух может прогоняться и в радиальном

направлении (рис. 1.5, б), проходя по радиальным каналам между пакетами стали и

обдувая лобовые части обмоток, Такая система вентиляции называется радиальной.

Во многих случаях применяется комбинированная радиально-осевая система вентиляции.

Виды исполнения. У электрических микромашин объем активных частей, в которых

выделяется тепло, небольшой по отношению к поверхности охлаждения. Поэтому потери,

приходящиеся на еди-

Рис. 1.5. Система вентиляции: а — осевая; б — радиальная

ницу поверхности охлаждения, небольшие, и микромашины сравнительно хорошо

охлаждаются естественным путем. К тому же в микромашинах не остается места для

размещения вентилятора, поэтому они (микромашины) обычно выполняются закрытыми и

имеют внешнее естественное охлаждение.

Основным исполнением электрических машин мощностью свыше 0,6 квт является

защищенное и закрытое обдуваемое. Машины в защищенном исполнении предохранены

от случайного прикосновения к вращающимся и токоведу-щим частям, а также от

попадания внутрь посторонних предметов. Машина, имеющая приспособления,

защищающие от попадания в нее капель, падающих под углом к вертикали, называется

брызгозащищенной. Доступ к вращающимся и токоведущим частям защищенной машины

затруднен (рис. 1.2 и 1.6), так как вентиляционные окна, предназначенные для входа и

выхода охлаждающего воздуха, расположены снизу таким образом, что брызги не могут

попадать внутрь машины.

В машинах закрытого исполнения отсутствует интенсивное сообщение между ее

внутренним пространством и окружающей средой. Для лучшего охлаждения нагретых

частей внутри машины создается циркуляция воздуха, которая в некоторых случаях

осуществляется внутренним вентилятором. Для лучшего охлаждения корпус

Рис. 1.6; Защищенный асинхронный двигатель с вертикальным расположением вала и фланцевым

исполнением:

1 — окно, предназначенное для входа охлаждающего воздуха; 2 — окно, предназначенное для выхода

охлаждающего воздуха; 3 — фланец

такой машины часто выполняется ребристым и обдувается внешним вентилятором,

который прогоняет воздух, засасываемый из внешней среды, между корпусом и

направляющим кожухом (рис. 1.3). В торцовой части кожуха имеются отверстия.

Направление, в котором воздух засасывается в отверстие, показано стрелкой А. Стрелка В

показывает направление движения воздуха, охлаждающего корпус (см. рис. 1.3).

Закрытые машины могут быть герметическими, имеющими газонепроницаемое,

водонепроницаемое и взрывобезопасное исполнения. Мощность закрытых

невентилируемых двигателей средних и больших мощностей при одинаковом нагреве

обмоток должна быть уменьшена почти в два раза по сравнению с обдуваемыми

машинами.

Электрические машины обычно выполняются для работы при горизонтальном или

вертикальном положении вала. Крепление машины, как правило, осуществляется при

помощи лап, расположенных на ее корпусе (см. рис. 1.2, 1.3 и 1.4). Некоторые машины

вместо лап имеют для крепления на подшипниковом щите фланец (см. рис. 1.6).

Шумы электрических машин. Работа электрических машин сопровождается шумом,

источником которого являются периодические колебания и упругие деформации

отдельных частей машины. Шум может быть вызван механическими причинами,

связанными с неточностью балансировки ротора, периодическим колебанием щеток

вследствие неровной поверхности коллектора, трением щеток о коллектор и трением в

подшипниках (особенно в шарикоподшипниках).

При работе машины может появиться так называемый магнитный шум, вызванный

периодическими деформациями участков маг-нитопровода, которые могут возникнуть в

результате изменения магнитной проводимости воздушного зазора при вращении

зубчатого якоря, а при работе на переменном токе также вследствие периодического

перемагничивания магнитной системы. Исто

чниками шума могут явиться и

вихреобразования потока воздуха, охлаждающего машину.

Условно можно считать машины бесшумными, если акустический уровень шума Г < 35

дб, и малошумными, если 35<Г<55 дб. У нормальных электрических микромашин обычно

60<Г<80 дб. В этих неравенствах Г, как обычно, измеряется в децибелах.



§ 1.4. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИИ

Значение электроматериалов. Материалы, применяемые в электромашиностроительной

промышленности, в значительной степени определяют технические показатели

электрических машин. Использование высококачественной стали позволяет существенно

уменьшить вес и габариты машин и увеличить их к. п. д. Свойства

изолирующих материалов и лаков ограничивают допустимые электромагнитные нагрузки.

Толщина и нагревостойкость изоляционных материалов определяют степень

использования электрических машин. Обычно изоляция занимает в среднем 30% общего

объема паза, в котором заложены проводники обмотки. Уменьшение толщины изоляции

позволяет увеличить объем проводников в пазу, а следовательно, увеличить мощность

машины при сохранении ее габаритов. Повышенная нагревостойкость изоляционных

материалов также позволяет увеличить нагрузку машины.

Технические показатели электрических машин и их надежность в значительной мере

зависят не только от правильной конструкции и расчета, но и от правильного выбора

магнитных и изолирующих материалов, их свойств и качеств, а также от материалов

конструктивных элементов, обеспечивающих требуемую механическую проч ность.

Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три группы:

конструктивные, активные и электроизоляционные.

Конструктивные и активные материалы. Из конструктивных материалов изготовляются

части машины, несущие механическую нагрузку. В электромашиностроении применяются

в основном те же конструктивные материалы, что и в общем машиностроении. К ним

относятся сталь, чугун, цветные металлы и пластмассы.

Активные материалы служат для проведения магнитного потока машины и

электрического тока и делятся на токопроводящие и магнитопроводящие.

В качестве основного токопроводящего материала до последнего времени использовалась

медь, которая сравнительно недорога, имеет малое электрическое сопротивление, хорошо

сваривается и обладает хорошими антикоррозийными свойствами. Однако медь

дефицитна, поэтому в последние годы в качестве проводникового материала начали

применять более дешевый и широко распространенный алюминий. Его достоинствами

являются низкий удельный вес, более высокая проводимость на единицу веса, легкость

механической обработки и хорошие антикоррозийные свойства. Недостатком алюминия

является повышенное удельное электрическое сопротивление и плохая свариваемость.

Вследствие повышенного удельного электрического сопротивления машины с

алюминиевыми обмотками имеют большие габариты. В электромашиностроении широко

применяют различные медные сплавы, например латунь, фосфористую бронзу и т. д.

К токопроводящим элементам следует отнести также щетки, при помощи которых

осуществляется съем тока с вращающихся обмоток через контактные кольца или

коллектор. Щетки обычно изготовляются на основе графита, угля или меди. Основным

магнитопроводящим материалом является листовая легированная электротехническая

сталь, содержащая от 2 до 5%

кремния. Присадка кремния уменьшает потери на гистерезис. Вследствие увеличения

удельного электрического сопротивления стали уменьшаются потери на вихревые токи.

Сталь становится устойчивой к окислению и старению, но делается более хрупкой. В

последние годы широко используется холоднокатаная текстуро-ванная сталь с более

высокими магнитными свойствами в направлении проката. Сердечник магнитопровода

выполняется в виде пакета, собранного из листов штампованной стали. Толщина

стального листа от 0,5 до 0,15 мм.

Для проведения постоянного магнитного потока широко используется стальное литье и

чугун.

Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы применяются для

электрической изоляции токоведущих частей машины. Изоляция обмоточных

проводников машины в значительной мере определяет ее технико-экономические

показатели и эксплуатационные качества. От толщины изоляции существенно зависят

габариты и вес машины. Применяемые изоляционные материалы должны иметь высокую

электрическую прочность, быть на-грево-, влаго- и химически стойкими. Изоляция

должна также обладать высокими удельными сопротивлениями и малыми диэлектри- .

ческими потерями. От твердых материалов требуется достаточная механическая

прочность.

По условию нагревостойкости твердые электроизоляционные материалы делятся на семь

классов. Наибольшее распространение до последнего времени имели материалы класса А,

к которому относятся пропитанные бумага, картон, дерево, хлопчатобумажные и

шелковые ткани и ленты. Материалы пропитываются с целью улучшения электрической

прочности и теплопроводности, а также для уменьшения гигроскопичности.

Пропитывающими веществами могут служить трансформаторное масло, масляные лаки и

битумные составы. Допустимая температура нагрева для материалов этого класса

составляет 105° С. При отсутствии пропитки эти изоляционные материалы принадлежат к

классу У, их допустимая температура нагрева 90° С.

В последнее время начинают широко применять синтетические изоляционные материалы,

которые имеют малую толщину и высокие электрические и механические показатели.

Синтетические органические пленки типа лавсан, пластмассы с органическим

наполнителем и слоистые пластики принадлежат к электроизоляционным материалам

класса Е, допустимая температура нагрева которых 120° С.

К материалам класса В принадлежат изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна,

содержащие для их связывания и пропитки органические лаки и смолы повышенной

нагревостойкости, а также изделия из пластмассы с неорганическим наполнителем. К

этому классу относятся такие высококачественные материалы, как микалента и

микафолий, изготовляемые из пластинок слюды,

склеенных между собой и наклеенных на бумагу. Они хорошо удовлетворяют всем

требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам, но относительно дороги.

Предельно допустимая температура нагрева для материалов класса В 130° С.

В последнее время получает широкое распространение синтетическая изоляция типа

термопластик, изготовленная на слюдяной основе с применением термоактивного

полиэфиро-стирольного компаунда. Электроизоляционные и механические свойства