Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

В книге для удобства иногда применяются также единицы,

которые представляют собой десятичные долевые или десятичные

кратные значения единиц системы СИ, например киловатт (кет),

киловольт (кв), миллиметр (мм) и т. д. Однако следует иметь в виду,

что во все математические соотношения, если нет особых оговорок,

необходимо подставлять значения всех величин в основных едини-

цах системы СИ.

Скорость вращения п в формулах данной книги всюду выра-

жается в оборотах в секунду (об/сек). При желании выразить п

в оборотах в минуту (об!мин) надо, заменить в формулах п

на /г/60.

В табл. В-2 приводятся некоторые наиболее часто встречаю-

щиеся единицы, не принадлежащие к системе СИ.

Таблица В-2

Некоторые единицы, не принадлежащие к системе СИ

Наименование величины

Наименование

единицы

Обозначение

единицы

Величина единицы

в единицах системы

СИ

Механическая сила килограмм-сила кгс, кГ 9,81 и

Работа и энергия

килограмм-метр

кгс- м, кГ

•

9,81 дж

Мощность

лошадиная сила

Л. с.

735,5 вт

(75 кгс

•

м/сек)

Энергия, количество те-

плоты

килокалория (боль-

шая калория)

ккал

427

• 9,81

= 4,19- 10

дж

малая калория кал

4,187 дж

Энергия киловатт-час

кет

•

3,6 •

дж

Давление

техническая

атмосфера

9,81

•

н/м?

(1 кГ/см?)

В-4. Материалы, применяемые в электрических машинах

Классификация материалов. Материалы, применяемые в элек-

трических машинах, подразделяются на три категории: конструк-

тивные, активные и изоляционные.

Конструктивные материалы применяются для изготовления

таких деталей и частей машины, главным назначением которых

является восприятие и передача механических нагрузок (валы,

станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные

детали и т. д.). В качестве конструктивных материалов в электриче-

ских машинах используются сталь, чугун, цветные металлы и их

сплавы, пластмассы. К этим материалам предъявляются требова-

ния, общие в машиностроении.

Активные материалы подразделяются

на

проводниковые

маг-

нитные

предназначаются

для

изготовления активных частей

машины (обмотки

сердечники магнитопроводов).

Изоляционные материалы применяются

для

электрической

изо-

ляции обмоток

других токоведущих частей,

также

для

изоля-

ции листов электротехнической стали друг

от

друга

расслоенных

магнитных сердечниках. Отдельную группу составляют материалы,

из которых изготовляются электрические щетки, применяемые

для отвода тока

подвижных частей электрических машин.

Ниже дается краткая характеристика активных

изоляционных

материалов, используемых

электрических машинах.

Проводниковые материалы. Благодаря хорошей электропровод-

ности

относительной дешевизне

качестве проводниковых мате-

риалов

электрических машинах широко применяется электро-

литическая медь,

а в

последнее время также рафинированный

алю-

миний. Сравнительные свойства этих материалов приведены

табл. В-З.'В ряде случаев обмотки электрических машин изготов-

ляются

из

медных

алюминиевых сплавов, свойства которых

изменяются

широких пределах

зависимости

от их

состава.

Медные сплавы используются также

для

изготовления вспомога-

тельных токоведущих частей (контактные кольца, болты

и т.

д.).

В целях экономии цветных металлов

или

увеличения механической

прочности такие части нередко выполняются также

из

стали.

Таблица

В-3

Физические свойства меди

алюминия

Мате-

риал

Сорт

Плот-

ность,

Удельное

сопротивление

при 20

°С,

ом

•

Температурный

коэффициент

сопротивления

прн

°С,

1/град

Коэффициет

ли-

нейного

расши-

рения,

1/град

Удельная

тепло-

емкость,

em-сек/(нг-град)

Удельная

тепло-

проводность,

вт/(м • град)

Медь Электроли-

8,9

(17,24-*-

1 1,68

•

10~

390

тическая

17,54)

235 + 0

отожженная

235 + 0

Алю-

Рафиниро- 2,6—2,7 28,2

•

10~

1 2,3-

10"

940

210

миний

ванный

245 +0

2,3-

10"

Температурный коэффициент сопротивления меди

при

темпера-

туре

й °С

Соответственно этому, если сопротивление медной обмотки при

температуре равно г

, то ее сопротивление при температуре i)

(В-2)

Зависимость сопротивления меди от температуры используется

для определения превышения температуры обмотки электрической

машины при ее работе в горячем состоянии О

над температурой

окружающей среды

в'

. На основании соотношения (В-2) для вы-

числения превышения температуры

можно получить формулу

(В-З)

где г

— сопротивление обмотки в горячем состоянии; г

— сопро-

тивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда темпе-

ратуры обмотки и окружающей среды одинаковы; й

— темпера-

тура обмотки в холодном состоянии; й

— температура окружаю-

щей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление г

Соотношения (В-1), (В-2) и (В-З) применимы также для алюми-

ниевых обмоток, если в них заменить 235 на 245.

Магнитные материалы. Для изготовления отдельных частей

магнитолроводов электрических машин применяется листовая элек-

тротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая

сталь и чугун. Чугун вследствие невысоких магнитных свойств

используется относительно редко.

Наиболее важный класс магнитных материалов составляют раз-

личные сорта листовой электротехнической стали. Для уменьшения

потерь на гистерезис и вихревые токи в ее состав вводят кремний.

Наличие примесей углерода, кислорода и азота снижает качество

электротехнической стали. Большое влияние на качество электро-

технической стали оказывает технология ее изготовления. Обычную

листовую электротехническую сталь получают путем горячей

прокатки. В последние годы быстро растет применение холодно-

катаной текстурованной стали, магнитные свойства которой при

намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше,

чем у обычной стали.

Сортамент электротехнической стали и физические свойства

отдельных марок этой стали определяются ГОСТ 802—58. В элек-

трических машинах применяются главным образом электротехни-

ческие стали марок Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42,

Э310, Э320, ЭЗЗО. Обозначения марок начинаются с буквы Э, за

которой ставится цифра 1, 2, 3 или 4, указывающая на степень

легирования стали кремнием: 1 — слаболегированная, 2 — средне-

легированная, 3 — повышеннолегированная и 4 — высоколегиро-

ванная. Вторая цифра за буквой Э указывает на гарантированные

свойства стали: 1, 2 и 3 — соответственно нормальные, пониженные

и низкие удельные потери" при 50 гц, 4 — нормальные удельные

потери при 400 гц, 5 и 6 — соответственно нормальная и повышенная

магнитная проницаемость в полях с напряженностью менее 1 а/м,

7 и 8 — соответственно нормальная и повышенная магнитная про-

ницаемость в полях с напряженностью от 10 до 100 а!м. Третья

после Э цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурован-

ная. Свойства электротехнической стали в зависимости от содержа-

ния кремния приведены в табл. В-4.

Таблица В-4

Зависимость физических свойств электротехнической стали

от содержанка кремииа

Свойстве

Первая цифра марки стали

Свойстве

2 3 4

Содержание кремния (Si),

1,8-2,8

2,8—4,0

0,8-1,8

1,8-2,8

2,8—4,0

4,0—4,8

Плотность, г 7,80 7,75

7,65

7,55

Удельное сопротивление,

7,55

ом-м . -. 0,25

•

10"»

0,40 •

0,50-10"»

0,58

•

10-е

Температурный коэффи-

0,50-10"»

0,58

•

10-е

циент сопротивления;-,

1/град

0,0025 0,0015

0,001

0,0008

Удельная теплоемкость,

0,001

0,0008

вт

•

сек)(кг

•

град) . . . 460

—

480

С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали.

В связи с этим, чем меньше машина и, следовательно, чем меньше

размеры зубцов и пазов, в которые укладываются обмотки, тем

труднее использовать стали с повышенной и высокой степенью

легирования. Поэтому, например, высоколегированная сталь при-

меняется только для изготовления трансформаторов и очень мощных

генераторов переменного тока.

В машинах с частотой тока до 100 гц обычно применяется листо-

вая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм, а иногда также,

в особенности в трансформаторах, сталь толщиной 0,35 мм. При

более высоких частотах используется более тонкая сталь. Размеры

листов электротехнической стали стандартизованы, причем ширина

листов составляет 240—1000 мм, а длина 1500—2000 мм. В послед-

II I

тл

Тл

Рис. В-1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов

1 — электротехническая сталь Э11, Э21; 2 — электротехническая сталь

Э31, Э41; 3 — малоуглеродистые литая сталь, стальной прокат и по-

ковки для электрических машин 4 — листовая сталь толщиной 1—2 мм

для полюсов; 5 — сталь 10; 6 — сталь 30; 7 — холоднокатаная элек-

тротехническая сталь ЭЗЗО; 8 — серый чугун с содержанием: С —3,2%,

Si — 3,27%, Мп — 0,56%, Р — 1,05%; / X А — масштабы по осям

/ и А; 11 X Б — масштабы по осям 11 ъ Б

нее время расширяется выпуск электротехнической стали в виде

ленты, наматываемой в рулоны.

На рис. В-1 представлены кривые намагничивания различных

марок стали и чугуна, а в табл. В-5, согласно ГОСТ 802—58, —

величины удельных потерь р в наиболее распространенных марках

электротехнической стали. Индекс у буквы р указывает на индук-

цию В в килогауссах (числитель) и на частоту / перемагничивания

в герцах (знаменатель), при которых гарантируются приведенные

в табл. В-5 значения потерь. Для марок Э310, Э320 и ЭЗЗО потери

даны для случая намагничивания вдоль направления прокатки.

Таблица В-5

Удельные потери в электротехнической стали

Марка

стали

Толщина

листа,

мм

Удельные потери, ет/кг

Марка

стали

Толщина

листа,

мм

Удельные потерн, тп/кг

Марка

стали

Толщина

листа,

мм

Р10/50

Р15/60 7/50

Марка

стали

Толщина

листа,

мм

Р10/50 Pi 5/60 Р17/50

311

312

313

321

322

331

332

Э41

0,50

0,35

3,3

3,2

2,8

2,5

2,2

2,0

1,8

1,55

1,35

7,7

7,5

6,5

6,1

5.3

4.4

3,9

3.5

3,0

—

342

343

Э310

Э320

ЭЗЗО

0,50

0,35

0,50

0,35

0,50

0,35

0,50

0,35

0,50

0,35

1,40

1,20

1,25

1,05

1,10

0,8

0,95

0,7

0,8

0,6

3,1

2,8 -

2.9

2,5

2,45

1,75

2.10

1,5

1,75

1,3

3,2

2,5

2,8

2,2

2.5

1,9

Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а по-

тери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум.

Поэтому и общие потери в стали с достаточной для практических

целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции.

Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, а на

гистерезис — первой степени частоты. При частоте 50 гц и толщине

листов 0,35—0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на

вихревые токи в несколько раз. Зависимость общих потерь в стали

от частоты вследствие этого ближе к первой степени частоты.

Поэтому удельные потери для значений В и /, отличных от ука-

занных в табл. В-5, можно вычислять по формулам:

/ f \1,з ( в \2 ( f а,з

Руд = Р10/50О ^<50J ; Руд=Р 15/50 J l^gJ ,

где значение В подставляется в теслах (тл).

Приведенные в табл.-В-5 значения удельных потерь соответ-

ствуют случаю, когда листы стали изолированы друг от друга.

Для изоляции применяется специальный лак или весьма редко

тонкая бумага.

При штамповке возникает наклеп листов электротехнической

стали. Кроме того, при сборке пакетов сердечников происходит

частичное замыкание листов по их кромкам вследствие появления

при штамповке грата или заусенцев. Это увеличивает потери в стали

до 1,5—4,0 раз.

Из-за наличия между листами стали изоляции, их волнистости

и неоднородности по толщине не весь объем спрессованного сердеч-

ника заполнен сталью. Коэффициент заполнения пакета сталью

при изоляции лаком в среднем составляет k

= 0,93 при толщине

листов 0,5 мм и k

= 0,90 при 0,35 мм.

Изоляционные материалы. К электроизоляционным материалам,

применяемым в электрических машинах, предъявляются следующие

требования: по возможности высокие электрическая прочность,

механическая прочность, нагревостойкость и теплопроводность,

а также малая гигроскопичность. Важно, чтобы изоляция была по

возможности тонкой, так как увеличение толщины изоляции ухуд

шает теплоотдачу и приводит к уменьшению коэффициента запол-

нения паза проводниковым материалом, что в свою очередь вызы-

вает уменьшение номинальной мощности машины. В ряде случаев

возникают также и другие требования, например устойчивость

Против различных микроорганизмов в условиях влажного тропи-

ческого климата и т. д. На практике все эти требования могут быть

удовлетворены в разной степени.

. Изоляционные материалы могут быть твердые, жидкие и газо-

образные. Газообразными обычно являются воздух и водород,

которые представляют собой по отношению к машине окружаю-

щую или охлаждающую среду и одновременно в ряде случаев

играют роль электрической изоляции. Жидкие диэлектрики находят

применение главным образом в трансформаторостроении в виде

специального сорта минерального масла, называемого трансформа-

торным.

Наибольшее значение в электромашиностроении имеют твердые

изоляционные материалы. Их можно разбить на следующие группы:

1) естественные органические волокнистые материалы — хлопчатая

бумага, материалы на основе древесной целлюлозы и шелк; 2) не-

органические материалы — слюда, стекловолокно, асбест; 3) раз-

личные синтетические материалы в виде смол, пленок из листового

материала и т. д.; 4) различные эмали, лаки и компаунды на основе

природных и синтетических материалов.

В последние годы органические волокнистые изоляционные мате-

риалы все больше вытесняются синтетическими материалами.

Эмали применяются для изоляции проводов и в качестве покров-

ной изоляции обмоток. Лаки используются для склейки слоистой

изоляции и для пропитки обмоток, а также для нанесения покров-

ного защитного слоя на извдяадю. Дву- или трехкратной пропиткой

обмоток лаками, чередуемой с просушками, достигается заполнение

пор в изоляции, что повышает теплопроводность и электрическую

прочность изоляции, уменьшает ее гигроскопичность и скрепляет

элементы изоляции в механическом отношении.

Пропитка компаундами служит такой же цели, как и пропитка

лаками. Разница заключается только в том, что компаунды не имеют

летучих растворителей, а представляют собой весьма консистентную

массу, которая при нагревании размягчается, сжижается и способна

под давлением проникать в поры изоляции. Ввиду отсутствия раст-

ворителей заполнение пор при компаундировании получается более

плотным.

Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является

их нагревостойкость, которая решающим образом влияет на надеж-

ность работы и срок службы электрических машин. По нагрево-

стойкости электроизоляционные материалы, применяемые в элек-

трических машинах и аппаратах, подразделяются, согласно ГОСТ

8865—70, на семь классов со следующими предельно допустимыми

температурами Ф

иакс

Класс изоляции

А Е

В F

Фиакс»

90 105

120 135 155 180

> 180

В стандартах прежних лет содержатся старые обозначения

некоторых классов изоляции: вместо Y, Е, F, Н соответственно О,

АВ, ВС, СВ.

К классу Y относятся не пропитанные жидкими диэлектриками

и не погруженные в них волокнистые материалы из хлопчатой

бумаги, целлюлозы и шелка, а также ряд синтетических полимеров

(полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.). Этот класс изо-

ляции в электрических машинах применяется редко.

Класс А включает в себя волокнистые материалы из хлопчатой

бумаги, целлюлозы и шелка, пропитанные жидкими электроизоля-

ционными материалами или погруженные в них, изоляцию эмаль-

проводов на основе масляных и полиамиднорезольных лаков (кап-

рон), полиамидные пленки, бутилкаучуковые и другие материалы,

а также пропитанное дерево и древесные слоистые пластики. Про-

питывающими веществами для данного -класса изоляции являются

трансформаторное масло, масляные и асфальтовые лаки и другие

вещества с соответствующей нагревостойкостью. К данному классу

относятся различные лакоткани, ленты, электротехнический. кар-

тон, гетинакс, текстолит и другие изоляционные изделия. Изоля-

ция класса А широко применяется для вращающихся электрических

машин мощностью до 100 кет и выше, а также в трансформаторе-

строении.

К классу Е относится изоляция эмальпроводов и электрическая

изоляция на основе поливинилацеталевых (винифлекс, металвин),

полиуретановых, эпоксидных, полиэфирных (лавсан) смол и других

синтетических материалов с аналогичной нагревостойкостью. Класс

изоляции Е включает в себя новые синтетические материалы, при-

менение которых быстро расширяется в машинах малой и средней

мощности (до 100 кет и выше).

Класс В объединяет изоляционные материалы на основе неорга-

нических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих,

пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостой-

кости органического происхождения, причем содержание органи-

ческих веществ по весу не должно превышать 50%. Сюда относятся

прежде всего материалы на основе тонкой щипаной слюды (мика-

лента, микафолий, миканит), широко применяемые в электромаши-

ностроении.

В последнее время используются также слюдинитовые мате-

риалы, в основе которых лежит непрерывная слюдяная лента из

пластинок слюды размерами до нескольких миллиметров и толщи-

ной в несколько микрон.

К классу В принадлежат также различные синтетические мате-

риалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, поли-

хлчртрифторэтилен. (фторопласт-3), некоторые полиуретановые смо-

лы, пластмассы с неорганическим заполнителем и др.

Изоляция класса В широко используется в электрических ма-

шинах средней и большой мощности.

Класс F включает в себя материалы на основе слюды, асбеста и

стекловолокна, но с применением органических лаков и смол,

модифицированных кремнийорганическими (полиорганосилоксано-

выми) и другими смолами с высокой нагревостойкостью, или же

с применением других синтетических смол соответствующей нагре-

востойкости (полиэфирные смрлы на основе изо- и терефталевой

кислот и др.). Изоляция этого класса не должна содержать хлоп-

чатой бумаги, целлюлозы и шелка.

К классу Н относится изоляция на основе слюды,, стекловолокна

и асбеста в сочетании с кремнийорганическими (полиорганосилок-

сановыми), полиорганометаллосилоксановыми и другими нагре-

востойкими смолами. С применением таких смол изготовляются

миканиты и слюдиниты, а также стекломиканиты, стекломикафолий,

стекломикаленты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотек-

столита.

К классу Н относится и изоляция на основе политетрафтор-

этилена (фторопласт-4). Материалы класса Н применяются в элект-

рических машинах, работающих в весьма тяжелых условиях

(горная

металлургическая промышленность, транспортные уста-

новки

и пр.).

К классу изоляции

принадлежат слюда, кварц, стекловолокно,

стекло, фарфор

другие керамические материалы, применяемые

без органических связующих

или с

неорганическими связую-

щими.

Под воздействием тепла, вибраций

других физико-химических

факторов происходит старение изоляции,

т. е.

постепенная потеря

ею механической прочности

изолирующих свойств. Опытным

путем установлено,

что

срок службы изоляции классов

А и В

сни-

жается

два

раза

при

повышении температуры

на

каждые 8—10°

сверх 100°

С.

Аналогичным образом снижается

при

повышении

температуры также срок службы изоляции других классов.

Электрические щетки подразделяются

на две

группы:

угольно-

графитные, графитные

электрографитированные;

металлогра-

фитные.

Для

изготовления щеток первой группы используется

сажа, измельченные природный графит

антрацит

каменноуголь-

ной смолой

качестве связующего. Заготовки щеток подвергаются

обжигу, режим которого определяет структурную форму графита

в изделии.

При

высоких температурах обжига достигается перевод

углерода, находящегося

саже

антраците,

форму графита,

вследствие чего такой процесс обжига называется графитирова-

нием. Щетки второй группы содержат также металлы (медь, бронза,

серебро). Наиболее распространены щетки первой группы.

В табл.

В-6

приводятся характеристики ряда марок щеток.

Влияние разных факторов

на

условия работы щеток выясняется

гл. 6.

Таблица

В-6

Технические характеристики электрических щеток

Класс

щеток

Марка

Номинальная

плотность тока,

а/см

Максимальная

окружная

ско-

рость,

м/сек

К!

§д

§а

Переходное паде-

ние

напряжения

на

пару щеток,

Коэффициент

треиня

Характер

коммутации,

при котором

рекомендуется

применение

щеток

Угольно-графитные

УГ4

12 2-2,5

1,6—2,6 0,25 Несколько

Г8

затрудненная

Графитные

Г8

11 25 2—3

1,5-2,3 0,25

Нормальная

Электрографитиро-

ЭГ4

12 40

1,5-2 1,6—2,4 0,20

Нормальная

ванные

То

же

ЭГ8

10 40

2-4 1,9-2,9

0,25 Самая затруд-

ненная

ЭГ12 10-11

2-3

2,5-3.5

0,25 Затрудненная

ЭГ84

2-3

2,5—3,5 0,25 Самая затруд-

ненная

Медно-графитные

МГ2

20 20 1,8-2,3

0.3-0,7 0,20

Самая легкаи