Аппроксимация кривых намагничивания сталей и использование результатов аппроксимации при проектировании электрических машин

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем случае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами.

Рис. 6. Главный (а) и добавочный (б) полюсы: 1 – сердечник главного полюса; 2 – катушка главного полюса; 3 – корпусная изоляция катушки; 4 – установочные болты; 5 – опорный угольник; 6 – сердечник добавочного полюса; 7 – катушка добавочного полюса

Добавочные полюсы (см. рис. 6, б) обеспечивают уменьшение искрения, возникающего при работе машины. По своим размерам они меньше главных. Число добавочных полюсов обычно равно числу главных. В машинах постоянного тока сердечники добавочных полюсов изготовляют из стали. Они имеют монолитную конструкцию, так как значение индукции под добавочными полюсами выбирается обычно небольшим и при вращении якоря индуцирования вихревых токов в их наконечниках практически не происходит.

Остов, полюсы и якорь составляют магнитную систему машины, через которую замыкается магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения. Воздушный зазор между якорем и полюсами является также одним из участков магнитной цепи.

Рис. 7. Магнитная система машины постоянного тока: 1 — полюсы; 2 — остов; 3 — якорь; 4 — обмотка возбуждения; 5 — воздушный зазор

Катушки полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения или из шинной меди.

Площадь поперечного сечения проводников и число витков катушек зависят от типа, мощности и напряжения машины. Отдельные витки катушек изолируют друг от друга (межвитковая изоляция), кроме того, на катушку еще накладывают общую корпусную изоляцию 3 (см. рис. 78). Катушки всех главных полюсов обычно соединяются последовательно и составляют обмотку возбуждения машины. Катушки добавочных полюсов также соединяют последовательно.

Остов. В современных электрических машинах остов отливают из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и служит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажимов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники якоря.

1.2. Конструкция и принцип действия электрических машин переменного тока

Электрическая машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором (рис. 8). Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части - конструктивные, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность, возможность вращения, охлаждения и т. п.

Магнитопровод машины, по которому замыкается переменный магнитный поток, выполняют шихтованным — из листов электротехнической стали, как и у трансформатора. Если поток постоянный, то магнитопровод можно выполнять массивным; в этом случае он может осуществлять и конструктивные функции, т. е. служить элементом, обеспечивающим прочность данной части машины (статора или ротора).

Так как в частях электрических машин магнитный поток замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных, в них, как правило, применяется изотронная холоднокатаная сталь. Только для изготовления полюсов синхронных машин и крупных машин постоянного тока иногда применяется анизотропная холоднокатаная сталь, так как в полюсах направление магнитных линий совпадает с направлением прокатки, в котором магнитная проницаемость очень велика. Сердечники статоров и роторов асинхронных машин и якорей синхронных машин постоянного тока штампуют из изотронной рулонной холоднокатной стали, позволяющей при раскрое получать экономию порядка 10—15% по сравнению с листовой, вследствие чего листовая сталь применяется очень редко.

Рис. 8. Конструктивная  схема           вращающейся электрической машины: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — воздушный зазор; 4— ротор; 5 — обмотка ротора; 6 — подшипники; 7 — подшипниковые щиты; 8— вал ротора; 9 — вентилятор; 10 —станина

В машинах малой мощности применяется сталь марки 2013, с низким содержанием кремния, достаточно вязкая, которая и позволяет получать мелкие пазы сложной конфигурации. В машинах средней и большой мощности применяют сталь марки 2212, 2311 и 2411, с повышенным содержанием кремния. Эти стали более хрупки, что затрудняет их штамповку, но имеют низкие потери на перемагничивание и не требуют отжига сердечников после штамповки.

В микромашинах широко применяют также магнитопроводы, собранные из листов железоникелевых сплавов типа пермаллой.

Статор асинхронных и большинства синхронных машин состоит из шихтованного магнитопровода (рис. 9., а), который запрессовывают в литую станину (рис. 9.,6). Поскольку через массивную станину переменный магнитный поток не замыкается, станину можно выполнять из немагнитного материала (алюминия) или ферромагнитного с малой магнитной проницаемостью (чугуна), сравнительно дешевых и хорошо приспособленных к литейной технологии. На внутренней поверхности шихтованного статора, в пазах, располагают обмотку статора.

Ротор асинхронной машины (рис. 9., в) обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора. В синхронных машинах ротор выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора.   При   изготовлении  листов   ротора и статора в них штампуют пазы (рис. 10, а и б) для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.

Рис. 9. Устройство статора и ротора машины переменного тока: 1 — пакет статора; 2 —станина; 3 — сердечник ротора; 4 — вал

Рис. 10. Листы ротора (а) и статора (б): 1 — лист  ротора;   2 - зубец;   3- паз;   4 - вентиляционный канал; 5- отверстие под вал; 6- лист статора

Конфигурация зубцов и пазов (рис. 11 и 12) зависит от типа машины и ее мощности. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняют из проводников прямоугольного сечения; в этом случае применяют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. В машинах малой и средней мощности обмотки ротора и статора обычно выполняют из провода круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. В ряде случаев при проводниках прямоугольного сечения применяют полуоткрытые пазы, уменьшающие   магнитное   сопротивление   слоя   «зубцы - пазы -воздушный зазор» по сравнению с открытыми пазами. В микромашинах роторы часто имеют пазы круглой формы; при этом существенно упрощается и удешевляется изготовление штампов.

Рис. 11. Пазы ротора открытый (а), полуоткрытый (б) и полуза-крытый (в, г):1- клин; 2-проводники; 3-изоляция слоя;4- межслой-ная изоляция;5 — пазовая изоляция

Рис. 12. Пазы статора открытый (а), полуоткрытый (б) и полузакрытые (в): 1- проводники;     2 -изоляция     слоя;     3 -межслойная изоляция;4 - изоляция паза; 5 -клин

При укладке проводников в пазы дно и стенки покрывают изоляционным материалом (электрокартоном, лакотканью, миканитом и пр.). Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолируют друг от друга. Чем выше напряжение, при котором работает машина, тем большую электрическую прочность должна иметь изоляция проводников от сердечника ротора или статора. Проводники укрепляют в пазах ротора и статора с помощью клиньев, а на роторе, кроме того, с помощью проволочных бандажей или стеклобандажей, которые наматывают на лобовые части его обмотки (части обмотки, выходящие из сердечника ротора). В некоторых случаях бандажи располагают и в нескольких местах вдоль сердечника ротора.

Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе должны быть расположены контактные кольца: три кольца при трехфазном токе и два кольца при постоянном токе. Исключение составляют асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, которым контактные кольца не требуются. Токосъем с контактных колец осуществляют с помощью щеток - прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки устанавливают в специальных щеткодержателях и прижимают к контактной поверхности с помощью пружин. Электрические машины мощностью примерно до 2000 кВт имеют шариковые или роликовые подшипники, которые располагают в подшипниковых щитах. При больших мощностях применяют скользящие подшипники.

Электрические машины переменного тока - асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность физических процессов обусловливает общность теории и сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины.

5. Материалы применяемые в электрических машинах

Эксплуатационные свойства и надежность электрической машины во многом определяются технологией изготовления и   качеством   применяемых   материалов.   В   электромашиностроении применяют различные магнитные, проводниковые и изоляционные материалы.

Магнитные материалы. Магнитопроводы электрических машин изготовляют из листовой электротехнической стали, стального литья и листовой углеродистой стали.

В зависимости от структурного состояния и способа прокатки электротехнические стали делят на горячекатаные и холоднокатаные. Горячекатаная сталь имеет поликристаллическую структуру, в которой кристаллы, имеющие форму куба, расположены хаотично, что приводит к практической изотропности свойств стали. Холоднокатаная сталь в результате холодной прокатки и отжига получает специальную структуру, при которой кристаллы ориентированы в определенном направлении.

Различают сталь с ребровой структурой, когда кристаллы ориентированы вдоль направления проката ребром куба, и сталь с кубической структурой - при ориентации кристаллов стороной куба. Сталь с ребровой структурой обладает ярко выраженной магнитной анизотропией. При этом вдоль направления прокатки обеспечивается наименьшее магнитное сопротивление, а в поперечном направлении или под углом к направлению прокатки - наибольшее. Поэтому при изготовлении магнитопроводов из такой стали необходимо, чтобы направление магнитного потока на всем его пути совпадало с направлением прокатки. Сталь с кубической структурой изотропна, т. е. имеет одинаково высокие магнитные свойства как вдоль, так и поперек прокатки.

Электротехническую сталь изготовляют различной толщины и выпускают в листах и рулонах. При частоте 50 Гц применяют сталь толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,5 мм; при частоте 400 Гц - 0,1 и 0,2 мм. Для трансформаторов, работающих на частотах свыше 2,5 кГц, используют сталь толщиной до 0,05 мм.

Главной легирующей присадкой электротехнической стали является кремний, наличие которого уменьшает магнитные потери в стали. Содержание кремния в стали составляет 0,4 - 4,8 % и чем оно выше, тем ниже потери. Однако добавка кремния повышает твердость и хрупкость стали, что затрудняет ее обработку. Поэтому высоколегированную сталь (с содержанием кремния 2,8 - 3,8 % и выше) применяют при изготовлении трансформаторов и крупных вращающихся машин. Для изготовления магнитопроводов малых машин, у которых в роторе и на статоре должны быть выштампованы пазы сравнительно сложной конфигурации, применяют сталь с содержанием кремния 0,4-1,9%.

Электротехническую сталь поставляют на электромашиностроительные заводы в виде листов, рулонов или резаной ленты, в основном в термически обработанном состоянии с электроизоляционным нагревостойким или ненагревостойким покрытием, а также без покрытия. В качестве изоляции используется слой оксидной пленки толщиной 3 - 5 мкм или лаковой пленки толщиной 15 - 20 мкм.

Различные марки электротехнической стали обозначают четырехзначными числами (например, 1211; 2013; 2212; 3413; 3416 и т. п.). Первая цифра означает принадлежность стали к тому или иному классу (1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой). Вторая цифра означает содержание кремния (от 0,4 до 4,8 %); третья цифра — группа по основной нормируемой характеристике (удельным магнитным потерям при определенной индукции и частоте перемагничивания); четвертая цифра — порядковый номер типа стали.

Для изготовления магнитопроводов современных асинхронных двигателей с высотой оси вращения до 180 мм используют сталь марки 2013, при больших высотах вращения — марок 2212, 2312 и 2421. Статоры синхронных машин изготовляют из сталей тех же марок. Сталь 2013 обладает высокой магнитной проницаемостью и сравнительно низкими потерями на перемагничивание. После штамповки листы подвергают рекристаллизационному отжигу (для устранения ухудшения магнитных свойств стали в результате образования наклепа при технологических операциях) и оксидации для создания изоляционного слоя. Стали марок 2212,2321 и 2411 имеют электроизоляционное покрытие и не требуют отжига. Применение этих сталей, имеющих низкие потери, повышает КПД и, кроме того, упрощает технологию изготовления, так как не требуется отжиг листов большого размера.

В машинах постоянного тока для сердечников якорей машин с высотой оси вращения до 200 мм применяют сталь марок 2013. Для снятия наклепа после штамповки сталь отжигают, а затем изолируют. При больших высотах вращения используют стали марок 2112, 2212, 2312, 2411.

При изготовлении магнитопроводов трансформаторов используют холоднокатаные анизотропные стали марок 3412 — 3413 с изоляционным покрытием; после штамповки сталь отжигают. Применение холоднокатаной анизотропной стали усложняет конструкцию и технологию изготовления магнитопроводов, так как при этом требуется исключить прохождение магнитного потока поперек прокатки или, по крайней мере, уменьшить длину участков, где это необходимо. По тем же причинам во вращающихся электрических машинах из-за более сложной конфигурации их магнитопроводов такая сталь находит ограниченное применение — только в очень крупных машинах для изготовления сегментов, из которых собирают сердечники статора и ротора (стали марок 3411—3413).