Проектирование специальных типов электрических машин
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Общие вопросы проектирования электрических машин 5
1.1. Подход к проектированию электрических машин 5
1.2. Расчет отдельной машины и серии машин 8
1.3. Надежность электрических машин 11
2. Материалы, применяемые в электромашиностроении 22
2.1. Магнитные материалы 22
2.2. Проводниковые материалы 25
2.3. Электроизоляционные материалы 27
2.4. Конструкционные материалы 29
3. Вентиляционный расчет электрических машин 31
4. Магнитная цепь электрической машины 37
4.1. Основные положения расчета магнитной цепи 37
4.2. Влияние нагрузки на поле машины 39
5. Элементы конструкции и механические расчеты 41
5.1. Магнитопровод статора 41
5.2. Станины 47
5.3. Валы 50
5.4. Подшипники. подшипниковые щиты 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 67
ВВЕДЕНИЕ
Электротехническая промышленность, несмотря на все трудности, остается ведущей отраслью в государстве. Продукция используется во всех промышленных, сельскохозяйственных, военных и бытовых установках. Поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей.
Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики нашей страны.
Проектирование электрических машин — это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умение применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.
1. Общие вопросы проектирования электрических машин
Электрические машины применяют во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Их выпускают большими сериями и в индивидуальном исполнении. Во многих случаях электрические машины определяют технический уровень изделий, в которых они используются в качестве генераторов и двигателей. Проектирование электрических машин требует глубоких знаний и высокого профессионального мастерства.
1.1. Подход к проектированию электрических машин
Проектирование электрической машины — сложная многовариантная задача. При ее решении приходится учитывать большое количество факторов. Единственным стремлением всех, кто проектирует машину, является получение, по возможности наиболее быстрым путем, более близкого к заданию расчетного варианта. Поэтому методики, подход к расчету и проектированию электрических машин на всех этапах развития включали все новейшие достижения ву теории и практике электромашиностроения.
Большинство расчетных методик исходит из так называемой «машинной постоянной», определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок.
Машинная постоянная Арнольда записывается в виде:
1.2. Расчет отдельной машины и серии машин
Электрические машины концентрируют энергию магнитного поля в воздушном зазоре. Объем активной части — пространство, в котором размещены сердечники и пазовые части обмоток, определяется произведением (1.1). Размеры и называются главными размерами машины.
Расчетная мощность машины
1.3. Надежность электрических машин
Повышение надежности электрических машин – важная задача электротехнической промышленности. Увеличение срока службы и повышение надежности дают относительно больший народнохозяйственный эффект, чем снижение удельного расхода материалов при изготовлении электрических машин.
Для объектов в зависимости от назначения применяют различные показатели надежности. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты. Если нормативно-технической и конструкторской документацией предусмотрено проведение ремонта объекта, то он называется ремонтируемым. Неремонтируемые объекты работают до первого отказа, после чего их снимают с эксплуатации. Значительное число электрических машин малой мощности относятся к неремонтируемым объектам. Для различных видов электрических машин и условий эксплуатации основные понятия теории надежности – безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость – имеют различную относительную значимость. Для неремонтируемых электрических машин основным показателем является безотказность. Для остальных машин большое значение имеет ремонтопригодность.
2. Материалы, применяемые в электромашиностроении
В настоящее время улучшение показателей машин общего назначения достигается, в основном, за счет повышения качества материалов, применяемых при их изготовлении. Используемые в электромашиностроении материалы делят на магнитные, из которых изготовляются магнитопроводы, проводниковые, из которых выполняются обмотки, изоляционные и конструкционные. Магнитные и проводниковые материалы принято относить к активным. Деление на активные и конструкционные материалы условно, так как часто функции материалов совмещаются. Магнитные, проводниковые, изоляционные и конструкционные материалы обеспечивают распределение электромагнитных и тепловых полей в электрической машине, при котором осуществляется оптимальное электромеханическое преобразование энергии.
2.1. Магнитные материалы
Для изготовления магнитопроводов электрических машин применяются листовая электротехническая сталь, стальное литье, листовая сталь, чугун и магнитодиэлектрики.
Тонколистовая электротехническая сталь разделяется на 38 марок. Она изготовляется в виде рулонов, листов и резаной ленты.
Обозначения марок стали состоят из четырех цифр. Первая обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки, вторая – примерное содержание кремния, третья – группу по основной нормируемой характеристике. Эти три первые цифры в обозначении марки означают тип стали, а четвертая – порядковый номер типа стали.
2.2. Проводниковые материалы
К проводниковым материалам, применяемым в электромашиностроении, относятся медь и алюминий. Серебро, имеющее удельное сопротивление, на 4 % меньшее по сравнению с медью, относится к дефицитным материалам и почти не применяется при изготовлении электрических машин.
Почти все изделия из меди для электротехнической промышленности изготовляются путем проката, прессования и волочения. Волочение применяют для производства проводов диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и фольги толщиной до 0,008 мм. При механических деформациях медь подвергается наклепу, который может быть устранен термообработкой.
По химическому составу делится на девять марок: М1, М00к, М0ку, М0к, М00б, М0б, М1б, М1к, М1у. Цифры 0, 00, 1 определяют содержание меди, наибольшее содержание меди имеют марки М00к и М00б.
2.3. Электроизоляционные материалы
Электроизоляционные материалы, или диэлектрики, применяются в электромашиностроении для изоляции частей электрической машины, находящихся под разными потенциалами.
Диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. В электрических машинах применяют, в основном, твердые изоляционные материалы.
Толщина междувитковой и пазовой изоляции в большой степени определяет массогабаритные показатели машин. Нагревостойкость и теплопроводность изоляции определяют допустимые температуры частей машин и выбор электромагнитных нагрузок. Изоляция должна обладать необходимыми механическими свойствами и допускать механизацию и автоматизацию технологических процессов изготовления.
2.4. Конструкционные материалы
Для изготовления частей машины, несущих механические нагрузки и обеспечивающих соединение машины в единое целое, используют конструкционные материалы. Их делят на три группы: черные, цветные металлы и пластмассы.
К черным металлам относятся литая сталь, серый и ковкий чугун, различные сорта и профили прокатных сталей. Литую сталь в электрических машинах применяют для изготовления частей машины, выполняющих одновременно роль конструкционных частей и части магнитопровода, где замыкается постоянный поток. В машинах постоянного тока — это станина, основные и добавочные полюсы; в неявнополюсных синхронных машинах — бочка ротора, а в явнополюсных — полюсы индуктора и индуктор (обод ротора).
3. Вентиляционный расчет электрических машин
При вентиляционном расчете машины определяют количество воздуха, которое необходимо ежесекундно прогонять через машину, и давление (напор), обеспечивающее прохождение требуемого количества охлаждающего агента. Одновременно вентиляционный расчет проводится в целях определения рациональной схемы вентиляции, при которой количество охлаждающего воздуха, омывающего рассматриваемую поверхность, не должно быть чрезмерным, а должно соответствовать количеству снимаемого с поверхности тепла и обеспечивать заданный уровень превышения температуры обмоток машины. При расчетах считают, что воздушный поток обычно отводит все тепло машины, за исключением механических потерь в подшипниках и наружном вентиляторе.
Количество воздуха (м3), необходимое для охлаждения машины при рациональной схеме вентиляции (когда превышения температуры воздуха на пути всех струй и каналов внутри машины одинаковы):
4. Магнитная цепь электрической машины
Электромагнитное поле электрической машины образуется МДС обмоток статора и ротора, расположенных в пазах магнитопроводов или на сердечниках явно выраженных полюсов. Неравномерность распределения проводников обмотки по объему машины, нелинейность магнитной характеристики и сложность конфигурации магнитопроводов, а также наличие воздушного промежутка между статором и ротором делают точный расчет поля в машине, практически, невозможным даже при применении современных вычислительных средств. Поэтому при проектировании машины пользуются рядом упрощающих допущений.
4.1. Основные положения расчета магнитной цепи
Поле в машине подразделяют на главное поле и поле рассеяния. Под главным понимают поле, магнитные линии которого сцеплены с витками как первичной, так и вторичной обмотки. Полем рассеяния называют поле, линии которого сцеплены с витками какой-либо одной из обмоток — статора или ротора (соответственно поле рассеяния статора и поле рассеяния ротора).
Магнитные линии главного поля замыкаются по магнитопроводам статора и ротора и пересекают воздушный зазор. Элементы магнитопроводов и зазоры, по которым проходит главный поток каждой пары полюсов, называют магнитной цепью машины. Расчет магнитной цепи заключается в определении суммарного магнитного напряжения всех ее участков, соответствующего определенному значению потока.
4.2. Влияние нагрузки на поле машины
Если работающую на холостом ходу электрическую машину нагрузить, то из-за увеличения тока электромагнитное поле в ней изменится, так как МДС тока нагрузки создаст поле, называемое полем реакции якоря. Под действием реакции якоря результирующий поток в машине может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от ряда условий.
Влияние реакции якоря на характеристики машины всегда учитывают при расчете нагрузочных режимов. Прямой расчет потока, созданного двумя различными намагничивающими силами — возбуждения и реакции якоря, по-разному распределенными в активном объеме машины, очень сложен, поэтому в инженерной практике поступают следующим образом. Сначала рассчитывают магнитную цепь машины и поток при холостом ходе. Потом проводят расчет МДС реакции якоря и определяют ее влияние на поле потока возбуждения.
При расчете приходится также учитывать изменение ЭДС обмотки при нагрузке машины по сравнению с холостым ходом, вызванное падением напряжения на внутреннем сопротивлении из-за увеличения тока.
5. Элементы конструкции и механические расчеты
Наряду с электромагнитными и тепловыми расчетами, механические расчеты во многом определяют энергетические, массогабаритные и виброакустические показатели, а также надежность и срок службы электрических машин. Поэтому расчеты узлов и отдельных деталей при проектировании электрических машин имеют важное значение.
5.1. Магнитопровод статора
Магнитопроводы статора машин переменного тока общего назначения выполняют шихтованными из электротехнической стали толщиной 0,35...0,55 мм. При внешнем диаметре магнитопровода до 990 мм он выполняется из целых листов (рис. 5.1), а при больших диаметрах собирают из отдельных сегментов. По внутренней поверхности магнитопровода штампуют пазы требуемой формы для размещения в них обмотки статора. Так как в размерах отдельных зубцов имеется разброс, обусловленный допусками при изготовлении штампа, то при шихтовке магнитопровода листы укладываются в одно и то же положение относительно друг друга по шихтовочному знаку А, который вырубают на внешней поверхности.
5.3. Валы
Электрические машины общего назначения выполняют преимущественно с горизонтальным расположением вала. В этом случае вал несет на себе всю массу вращающихся частей, через него передается вращающий момент машины. При сочленении машины с исполнительным механизмом (для двигателя) или с приводным двигателем (для генератора) через ременную или зубчатую передачу, а также и через муфту на вал действуют дополнительные изгибающие силы. Кроме того, на вал могут действовать силы одностороннего магнитного притяжения, вызванные магнитной несимметрией, усилия, появляющиеся из-за наличия небаланса вращающихся частей, а также усилия, возникающие при появлении крутильных колебаний. Правильно сконструированный вал должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать все действующие на него нагрузки без появления остаточных деформаций. Вал должен так же иметь достаточную жесткость, чтобы при работе машины ротор не задевал о статор. Критическая частота вращения вала должна быть значительно больше рабочих частот вращения машины. При критической частоте вращения вынуждающая сила небаланса имеет частоту, равную частоте собственных поперечных колебаний вала (т. е. наступает явление резонанса), при которой резко увеличиваются прогиб вала и вибрация машины.
5.4. Подшипники. подшипниковые щиты
В электрических машинах с горизонтальным валом подшипники выполняют роль поддерживающих опор. Они воспринимают действия силы тяжести ротора, силы одностороннего притяжения, сил, возникающих от несбалансированности ротора и дополнительных продольных нагрузок от приводных механизмов. В машинах относительно небольшой мощности подшипники размещают в подшипниковых щитах, которые располагаются по торцам машины и предназначаются для прикрытия лобовых частей обмоток.
Подшипниковые щиты выполняют сварными и литыми (рис. 5.16), в средней части щитов выполняют сквозное цилиндрическое отверстие для подшипников. Щиты приболчивают к корпусу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Без преувеличения можно считать, что в XX. в. электричество совершило техническую революцию в промышленности. Почти вся электроэнергия вырабатывается электрогенераторами, две трети которой преобразуется электродвигателями в механическую энергию. Поэтому электромеханики могут гордиться тем, что их детище — электрические машины являются главными движущими силами технического прогресса.
Проектирование электрических машин требует глубоких, профессиональных знаний не только в электромеханике, но и в теплофизике, механике и экономике.