Материалы, применяемые в электромашиностроении

В электрических машинах энергия магнитного поля сосредоточена в основном в воздушном зазоре. Чтобы сконцентрировать энергию в воздушном зазоре, необходимо иметь магнитопровод и обмотки, которые вместе с конструкционными материалами обеспечивают распределение электромагнитных, тепловых и механических полей в машине.

Принято материалы, применяемые в электрических машинах, делить на активные и конструктивные. К активным относятся материалы обмоток и магнитопровода, а к конструктивным — изоляционные и материалы, из которых выполняются станины, щиты, валы и другие части электрической машины. Это деление условно, так как во многих машинах совмещены активные и конструкционные функции отдельных частей машины. Примером может служить машина постоянного тока, в которой магнитный поток замыкается по станине.

Для изготовления магнитопроводов электрических машин применяются листовая электротехническая сталь, стальное литье, чугун и магнитодиэлсктрики.

Тонколистовая электротехническая сталь по ГОСТу 21427.2—83 разделяется на 38 марок и 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 — содержание кремния; третья — группу по основной нормируемой характеристике. Три первые цифры в обозначении марки — тип стали, а четвертая — порядковый номер типа стали.

Сталь подразделяют по структурному состоянию и виду прокатки на три класса: горячекатаную изотропную, холоднокатаную изотропную, холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой.

По содержанию кремния сталь подразделяют на шесть групп: 0 — с содержанием кремния до 0,4% включительно (нелегированная), 1 — с содержанием кремния от 0,4 до 0,8%,

  • 2 — с содержанием кремния свыше 0,8 до 1,8% включительно,
  • 3 — свыше 1,8 до 2,8% включительно, 4 — свыше 2,8 до 3,8%, 5 — свыше 3,8 до 4,8% включительно.

По основной нормируемой характеристике стали делятся на пять групп: 0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц 17/50), 1 — удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц CPi,5/5o)> 2 — удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц i,o/4oo)> 6 — магнитная индукция в слабых магнитных нолях при напряженности поля 0,4 А/м (Бод), 7 — магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (Б|0)Свойства стали зависят от содержания кремния и от условий изготовления. Сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую магнитную проницаемость и большие магнитные потери, а также большое магнитное насыщение. Стали с высоким содержанием кремния имеют меньшие потери па вихревые токи и гистерезис и высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях. Присадка кремнием снижает плотность и повышает удельное сопротивление стали. Для стали с содержанием кремния 0,8—1,8% плотность 7,8 т/м3, удельное сопротивление 0,25-10 6 Омм. Для стали с содержанием кремния 3,8—4,8% плотность 7,55 т/м3, у дельное сопротивление 0,5-10 6 Омм.

В электротехнической промышленности широко применяются анизотропные холоднокатаные стали, имеющие в направлении проката более высокую проницаемость и меньшие потери в слабых полях, чем горячекатаные стали. Выпускаются изотропные — холоднокатаные — стал и с кубической текстурой, имеющие высокие магнитные качества как в направлении проката, так и в перпендикулярном прокатке направлении [17].

Горячекатаная изотропная тонколистовая электротехническая сталь изготовляется в виде листов по ГОСТу 21427.3—75 следующих марок: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412' 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571 и 1572.

По точности прокатки, но толщине сталь подразделяют на сталь нормальной (Н) и повышенной (П) точности.

По неплоскостности сталь делится на классы 1 и 2. Листы должны быть плоскими. Неплоскостность не должна превышать: для листов класса 1 — 6 мм на 1 м длины, для листов класса 2 — 12 мм на 1 м длины.

На электротехнические заводы листы поставляются в термически обработанном состоянии. По состоянию поверхности сталь выпускается с травленой (Т) и с нетравленой (НТ) поверхностями. Поверхность листов должна быть гладкой, без следов коррозии, отслаивающейся окалины, налета порошкообразных веществ, препятствующих нанесению изоляции.

Пример условного обозначения листа толщиной 0,50 мм, шириной 1000 мм, длиной 2000 мм, повышенной точности прокатки П, класса неплоскостности 2 с травленой поверхностью Т, из стали марки 1512: лист 0,50хЮ00х2000-Г1-2- Т-1512 [17].

На электротехническую холоднокатаную анизотропную тонколистовую стать, изготовляемую в виде рулонов, листов и резаной ленты, распространяется ГОСТ 21427.1—83. Эта сталь выпускается следующих марок: 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406.

По видам продукции холоднокатаная сталь подразделяется на лист, рулон, ленту резаную. По точности прокатки и неплоскостности она делится так же, как горячекатаная. По виду покрытия: с электроизоляционным нагревостойким покрытием ЭТ; с покрытием, не ухудшающим штампу- емость, М (мягкое); без электроизоляционного покрытия БП; по коэффициенту заполнения стали с покрытием — на группы А и Б. Рулонную сталь изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,50 мм и шириной 750, 860 и 1000 мм.

Резаную ленту изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35; 0,50 мм, шириной 170, 180, 190, 200, 240, 250, 300, 325, 360, 400, 465 и 500 мм. Предельные отклонения по толщине стали, по ширине рулонов и ленты, неплоскосгность оговариваются ГОСТами. Сталь поставляется в термически обработанном состоянии. Сталь толщиной 0,28; 0,30 и 0,35 мм изготовляют с электроизоляционным нагревостойким покрытием, а сталь толщиной 0,50 мм — без электроизоляционного нагревостойкого покрытия или с покрытием, не ухудшающим штампуемость.

ГОСТ 21427.2—83 распространяется на тонколистовую холоднокатаную изотропную электротехническую сталь. Эта сталь, выпускаемая в виде рулонов, листов и резаной ленты, имеет следующие марки: 2011,2012,2013,2111,2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. По точности прокатки, по неплоскостности, по коэффициенту заполнения подразделения те же, что и у анизотропной стали. По типу покрытия эти стали выпускаются с нагревостойким электроизоляционным покрытием (ЭТ), с нетермостойким (Э) и без покрытия (БП).

Изотропную рулонную сталь изготовляют толщиной 0,35; 0,50; 0,65 мм и шириной 500, 530, 600, 670, 750, 860 и 1000 мм.

Магнитные свойства сталей приведены в пособиях по проектированию электрических машин [11, 17, 19].

Магнитодиэлектрики — материалы, имеющие высокие магнитные свойства и высокое электрическое сопротивление, — находят применение для изготовления магнитопро- водов.

Для уменьшения потерь от вихревых токов листы стали изолируются лаком или оксидируются. Уменьшение активного сечения пакетов за счет изоляции между листами учитывается при помощи коэффициента заполнения пакета сталью kCT. Значение кГ[ зависит от толщины листов, рода изоляции между листами, а также от длины пакета и усилий при прессовке. Обычно kCT ~ 0,98-^0,88.

Листовая сталь марки 1211 толщиной 0,5 или 1 мм применяется для изготовления главных полюсов машин постоянного тока. Для полюсов синхронных машин применяется сталь толщиной 1—2 мм и более. Это дает улучшение kCT, который достигает 0,95—0,98.

Листовая сталь используется для сварных станин машин постоянного тока и изготовления ободов роторов синхронных машин. Толщина листовой стали колеблется от 1,5 до 120 мм. Магнитные свойства такие же, как и у литой стали. Кованые стали находят применение при изготовлении роторов синхронных машин и добавочных полюсов машин постоянного тока. Чугун в последнее время в электромашиностроении применяется все реже из-за плохих магнитных свойств.

К проводниковым материалам, применяемым в электромашиностроении, относятся медь и алюминий. Хотя серебро имеет на 4% меньшее удельное сопротивление по сравнению с медью, оно относится к дефицитным материалам и практически не применяется при изготовлении электрических машин.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки в электролитических ваннах. Даже ничтожное количество примесей резко снижает электрическую проводимость меди. Почти все изделия из меди для электротехнической промышленности изготовляются путем проката, прессовки и волочения. Волочением получаются провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и фольга толщиной до 0,008 мм. При механических деформациях медь подвергается наклепу, который устраняется при термообработке.

Для изготовления коллекторов машин постоянного тока применяется твердотянутая медь с присадкой кадмия. Кадмий увеличивает механическую прочность меди и благоприятно сказывается на качестве пленки на поверхности пластин, улучшая коммутацию.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнической промы-

тленности. Важными свойствами алюминия являются его малая плотность, низкая температура плавления, высокая пластичность, прочная и очень тонкая пленка оксида, защищающая алюминий от коррозии. Алюминий хорошо обрабатывается давлением, и из него получаются листы, проволока, тончайшая фольга и штампованные детали. Плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем меди. Сравнение свойств меди и алюминия дано в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Материал

Плотность,

т/м3

Удельное сопротивление при 20°С, 10 6 Ом м

Температурный

коэффициент

линейного

расширения,

ю-6 °с-'

Тепло

проводность,

Вт/(м°С)

Медь (электротехническая)

8,9

0,01724

16,42

375-380

Алюминий

(технический)

2,6-2,7

0,028

24

205

Алюминиевые провода изготовляются из алюминия марки АЕ, имеющего в своем составе 99,5% чистого алюминия и 0,5% примесей железа и кремния. Для литейных сплавов наиболее употребительны сплавы АЛ2 и АЛ9. Для заливки роторов асинхронных машин применяются сплавы АКЗ, АКМ, АКЦ с повышенным сопротивлением.

Сплавы меди с цинком называются латунями, а сплавы меди с оловом, кадмием, бериллием и фосфором — бронзами. Латуни и бронзы применяются для изговления короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей и демпферных обмоток синхронных машин. Латунь и бронза хорошо обрабатываются, имеют малую усадку и применяются для изготовления токоведущих деталей сложной формы.

В целях экономии меди контактные кольца асинхронных машин с фазным ротором выполняются из стали. Из стали выполняются и роторы специальных асинхронных двигателей. По двигатели с массивным ротором применяются редко. В этом случае имеет место совмещение магнитных и проводниковых функций материала. В настоящее время ведутся работы по внедрению стальных магнитных и немагнитных проводов.

Медные и алюминиевые обмоточные провода выпускаются круглых и прямоугольных сечений. Изоляция проводов определяет принадлежность проводов к тому или иному классу нагревостойкости.

Круглые медные эмалированные провода широко применяются в электромашиностроении. Они имеют небольшую толщину изоляции — в 1,5—2,5 раза меньшую, чем у проводов с покрытием эмалью и хлопчатобумажной или шелковой тканью. Это повышает теплопроводность и улучшает коэффициент заполнения паза. Основными типами высокопрочных эмалированных проводов являются поли- винилацеталевые провода ПЭВ-1 и ПЭВ-2 и провода повышенной нагревостойкости ПЭТВ на полиэфирных лаках. Основные данные медных и алюминиевых эмалированных проводов приведены в работах [11, 19]

Алюминиевые эмалированные провода изготовляются диаметром 0,08—0,41 мм с неотоженной (марки ПЭВАТ) и с отожженной (марки ПЭВА) алюминиевой проволокой. Эти провода относятся к классу А. Провода ПЭТВ принадлежат к классу нагрсвостойкости В.

К обмоточным проводам высокой нагревостойости относятся провода марок ПНСДК и ПНСДКТ. В зависимости от температуры срок службы этих проводов изменяется. Так, при 250°С срок службы равен 15—20 000 ч, а при 400°С он снижается до 200—500 ч.

Провода со стекловолокпистой изоляцией марки ПОЖ могут длительно эксплуатироваться при 300°С. Выпускаются провода ПЭЖБ-700 с биметаллической жилой серебро—никель для длительной эксплуатации при 500°С.

При температурах, близких к абсолютному нулю, медь и алюминий становятся плохими проводниками. При этих температурах применяются сплавы ниобия с титаном и др.

Электроизоляционные материалы, или диэлектрики, применяются в электромашиностроении для изоляции частей электрической машины, находящихся под разными потенциалами.

Толщина межвитковой и пазовой изоляции во многом определяет массогабаритные показатели электрических машин. Нагрсвостойкость и теплопроводность изоляции определяют допустимые температуры частей машины и выбор электромагнитных нагрузок. Изоляция должна обладать необходимыми механическими свойствами и обеспечивать механизацию и автоматизацию технологических процессов изготовления.

Срок службы электрической машины в нормальных условиях работы должен быть 15—20 лет, что определяется главным образом сроком службы изоляции. При нагреве изоляции имеют место процессы, приводящие к старению изоляции, — потери изолирующих свойств и механической прочности. Установлено, что превышение температуры примерно на 10°С над допустимой снижает срок службы электрической машины вдвое.

В основу классификации изоляции положена нагрево- стойкость — способность электроизоляционного материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации.

Согласно ГОСТу 8865—93 электроизоляционные материалы, применяемые в электромашиностроении, делятся на семь классов нагревостойкости. Классы изоляции материалов отличаются допустимой температурой в самом нагретом месте изоляции при номинальном режиме.

К классу изоляции Y (90°С) относятся текстильные материалы на основе хлопка, натурального шелка, регионирован- пой целлюлозы, ацетилцеллюлозы и полиамидов. К этому классу относятся также целлюлозные электроизоляционные бумаги, картоны и фибра, древесина, пластические массы с органическими наполнителями.

Класс изоляции А (105°С) включает: материалы класса Y, если они пропитаны изоляционным составом или погружены в жидкие диэлектрики. При производстве машин материалы класса А могут пропитываться или покрываться лаками на основе натуральных смол, эфир-целлюлозными лаками и термопластичными компаундами.

В класс изоляции Б (120°С) входят пленки и волокна из полиэтилентерефталата, материалы на основе электрического картона и полиэтилентерефталатной пленки, стеклола- коткани и лакоткани на основе полиэтиленгсрсфгалатных волокон, термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые).

К классу изоляции В (130°С) относятся: материалы на основе щипаной слюды, слюдопластов и слюдинитов, включая материалы с бумажной или тканевой органической подложкой; стеклоткани и стеклолакочулки; асбестовые волокнистые материалы; изоляция эмалированных проводов; пластмассы с неорганическим наполнителем; слоистые пластики на основе стскловолокнистых и асбестовых материалов; термореактивные синтетические компаунды; асбоцемент.

Класс нагревостойкости F (155°С) включает материалы на основе щипаной слюды, слюдинитов и слюдопластов без подложки или с неорганической подложкой, стекловолокнистую и асбестовую изоляцию проводов, стеклоткани и стеклолакочулки, слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов.

К классу Н (180°С) относятся материалы на основе щипаной слюды без подложки или с неорганической подложкой, стекловолокнистая изоляция проводов, стеклолакоткани и стеклолакочулки, слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов, пластические массы с неорганическим наполнителем, асбоцемент, кремнийорга- ничсские эластомеры, асбестовая пряжа, бумага и ткани.

К классу нагревостойкости С (более 180°С) относятся слюда, стекло бесщелочное и стекловолокиистые материалы, электротехническая керамика, кварц, асбоцемент, шифер электротехнический, материалы из щипаной слюды без подложки или со стскловолокнистой подложкой, микалекс, политетрафторэтилен, полиамиды.

Приведенная выше классификация электроизоляционных материалов не исчерпывает всего многообразия материалов, применяемых в электромашиностроении.

Для пропитки обмоток электрических машин широко применяются пропиточные компаунды и лаки, которые обеспечивают цементацию витков, увеличивают коэффициент теплопроводности и повышают влагостойкость обмоток. Покровные лаки обеспечивают влагостойкость, маслостой- кость, защиту от агрессивных веществ обмотки и других частей электрических машин.

Перспективными электроизоляционными материалами являются пленочные материалы толщиной от 10 до 200 мкм. Они обеспечивают лучший коэффициент заполнения паза, что приводит к снижению массы на единицу мощности в электрических машинах.

В электромашиностроении широко применяются пластмассы, электроизоляционные бумаги и картоны, электротехнические и слоистые пластмассы, намотанные электроизоляционные изделия, заливочные и пропиточные компаунды, лакоткани, пленочные материалы, электроизоляционные материалы на основе слюды и электрокерамические материалы.

Черные металлы наиболее часто применяются в электромашиностроении. К ним относятся литая сталь, серый чугун, ковкий чугун и различные сорта и профили прокатных сталей. Литая сталь в электрических машинах применяется для изготовления частей машины, выполняющих одновременно роль конструкционных частей и магнитопровода, но которому замыкается постоянный поток. В машинах постоянного тока — это станина, основные и добавочные полюсы. В неявнополюсиых синхронных машинах — бочка ротора, а в явнополюсном — полюсы индуктора и индуктор (обод ротора).

Литая сталь применяется для изготовления деталей с высокими механическими напряжениями — втулок коллектора, подшипниковых щитов тяговых и взрывозащищенных машин. Изготовление деталей из литья связано с большой трудоемкостью, поэтому там, где это допустимо, литая сталь заменяется сварными деталями из листовой стали.

Из ковкого чугуна изготовляются путем отливки станины, втулки, подшипниковые щиты, нажимные шайбы, маховики, шкивы и полумуфты. Преимущество ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном — в его пластичности и высокой износостойкости.

Сталь прокатная широко применяется при изготовлении электрических машин. В основном применяется круглая, листовая, шестигранная и квадратная сталь.

Из цветных металлов в качестве конструкционных материалов наибольшее применение в электромашиностроении находят алюминий и его сплавы с медью и оловом. Алюминиевые литые сплавы применяются для изготовления корпусов, подшипниковых щитов, вентиляторов и других деталей электрических машин. Детали из алюминиевого литья легче чугунных и стальных и могут изготовляться более прогрессивными способами. Недостаток — ненадежность резьбы, что вызывает необходимость армирования втулками.

В качестве конструктивных материалов в электрических машинах достаточно широко применяются пластмассы. Из термореактивпых пластмасс изготовляют наборы зажимов, изоляционные втулки и др. Широко применяются спрессованные детали (щеточные пальцы, траверсы, коллекторы и др.). Пластмассы в микромашинах применяются для изготовления корпусов и подшипниковых щитов.

Прогресс в электромашиностроении в настоящее время во многом зависит от применения новых материалов, поэтому создание материалов с новыми свойствами, улучшение характеристик уже существующих материалов имеет важное значение для развития электрических машин.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >