Устройство и обозначения электрических машин

В электрических машинах (рис. 1) неподвижную часть принято называть статором, вращающуюся — ротором. Статор и ротор разделены воздушным зазором 5. В машине постоянного тока к сети через коллектор 7 и щетки подсоединяется обмотка ротора, поэтому ее ротор называют якорем.
Полюс состоит из сердечника 11 и наконечника 14, который представляет собой расширенную часть полюса, обращенную в сторону воздушного зазора. Сердечник 4, вентилятор 10, коллектор и подшипники 1 насаживаются на вал 9.
Проводники, соединенные в определенной последовательности, образуют обмотку 6, которую размещают в пазах 13 сердечника 4 ротора. Магнитное поле создается электромагнитами или постоянными магнитами. Обмотки электромагнитов 12, называемые обмотками возбуждения, располагаются вокруг сердечников 11 полюсов.

Рис. 1. Элементы конструкции электрической машины
Сердечники и обмотки в электрических машинах служат непосредственно для преобразования энергии, поэтому их называют также активными частями в отличие от конструктивных частей (корпусов, щитов, валов и других сборочных единиц и деталей, которые обеспечивают крепление активных частей).
Сердечники электрических машин пронизываются постоянным или переменным магнитным потоком. По сердечникам якорей всегда проходит переменный поток. Поэтому для уменьшения потерь от вихревых токов они выполняются шихтованными из листовой электротехнической стали. Массивными могут изготовляться полюса машин постоянного тока и синхронных машин.
Основным конструктивным элементом статора является корпус 3 (станина), в котором закрепляется сердечник или полюса с обмоткой. В машинах относительно малых размеров корпуса изготовляют литыми. В больших машинах оказывается более дешевой в производстве и более легкой сварная конструкция. С торцов к корпусу крепятся подшипниковые щиты 2 и 8 с подшипниками 1, в которых вращается ротор.

В крупных машинах применение подшипниковых щитов оказывается невыгодным из-за их большой массы, поэтому подшипники закрепляют в стояках на фундаменте, на котором устанавливают также статор машины. У малых машин в некоторых случаях корпус отливают с торцовой стенкой. Машина в этом случае имеет один подшипниковый щит.
Охлаждение машины обычно осуществляется вентилятором 10. Воздух проходит через вентиляционные каналы в роторе, статоре и коллекторе, охлаждая обмотки, сердечники и другие нагретые части.
Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Однако в большинстве случаев их изготовляют для какого-либо одного режима. Это позволяет лучше приспособить машину к требуемым условиям работы, уменьшить ее массу, габариты и повысить кпд.
По устройству электрические машины принято разделять на коллекторные и бесколлекторные. Коллекторные машины чаще всего используют для работы на постоянном токе в качестве генераторов и двигателей. Реже применяют коллекторные машины на переменном токе, главным образом в качестве электродвигателей сравнительно небольшой мощности.
Машины постоянного тока имеют сложный в изготовлении коллектор, который нуждается в тщательном уходе в эксплуатации и удорожает машину. Их применяют там, где необходимо плавное регулирование частоты вращения в широких пределах, частые пуски и реверсы *, большие пусковые моменты. Наибольшее распространение машины постоянного тока получили в металлургической промышленности для привода прокатных станов, а также шахтных подъемников, экскаваторов, трамваев, троллейбусов, тепловозов.
Асинхронные машины наиболее просты по своей конструкции и получили наиболее широкое распространение в качестве двигателей. Их изготовляют мощностью от десятков ватт до сотен и тысяч киловатт.
*Реверс — изменение направления вращения.
Синхронные машины применяют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы мощностью от 1 МВт и более — турбогенераторы на тепловых станциях и гидрогенераторы на гидроэлектростанциях — являются основными источниками электрической энергии. Генераторы малой мощности от единиц до десятков киловатт используют для передвижных электростанций с двигателями внутреннего сгорания. Синхронные двигатели мощностью от нескольких сотен до десятков тысяч киловатт предназначаются для привода различных механизмов (компрессоров, насосов, вентиляторов, шаровых мельниц и т. д.). Они способны, отдавая в сеть реактивную мощность, повышать cos ф нагрузки, что при мощности в сотни киловатт и более дает существенную экономию электроэнергии.

Электрические машины на месте их установки крепятся с помощью лап, фланцев и других имеющихся на ней элементов. Конструктивные исполнения электрических машин по способу монтажа определяются наличием тех или иных крепящих элементов, расположением оси машины (горизонтальное или вертикальное),
подшипников (в щитах или на стояках) и устанавливаются СТ СЭВ 246-76.

Рис. 2. Асинхронный двигатель 4АА56А:
I — конец вала, 2 — коробка выводов, 3 — табличка. 4 — лапа, 5 — наконечники для заземления
Наиболее распространена машина с горизонтальной осью, на лапах (рис. 2) с двумя или одним подшипниковым щитом, монтируемая на полу. Ее условное обозначение по стандарту IM 1001 (табл 1). Машина на лапах может быть также предназначена для установки на стене концом вала вверх или вниз (исполнения IM 1011 и IM 1031) или к потолку (IM 1071). Машины на лапах имеют также большой (больше диаметра корпуса) или малый фланец (исполнения IM 2001 и IM 2101), которым они крепятся к горизонтальной или вертикальной поверхности. Крепящие болты проходят через отверстия во фланце. При фланцевом креплении лапы могут вообще отсутствовать, а фланец располагаться либо со стороны конца вала, либо с противоположной стороны. Машины с двумя концами валов могут быть выполнены с двумя фланцами (IM 2202).
Машины на лапах с двумя подшипниковыми щитами могут изготовляться с дополнительным стояковым подшипником, который снижает нагрузку на подшипник в щите со стороны выходного конца вала (исполнение IM 6010).

Таблица 1. Основные конструктивные исполнения
и способы монтажа электрических машин

Крупные машины с наружным диаметром статора более 1 м могут не иметь щитов. Подшипники устанавливают на специальных стояках на общей фундаментной плите вместе с машиной или отдельно. Машины без щитов могут быть с одним или двумя (IM 7211) стояковыми подшипниками. Машины со стояковыми подшипниками мощностью в сотни и тысячи киловатт (крупные машины) изготовляют с горизонтально расположенным валом и креплением лапами вниз.
Машины большой мощности с вертикально расположенным валом изготовляются с одним или двумя направляющими подшипниками с направляющими подшипниками и подпятником, воспринимающим массу ротора. Подпятник может быть расположен выше корпуса ротора — подвесное исполнение или ниже — зонтичное.
Электрические машины изготовляют с одним или двумя концами Бала, они могут быть с выступающими концами или без выступающих концов.
Таблица 2. цифровое обозначение исполнений конца вала

Концы валов могут быть цилиндрическими, коническими, фланцевыми (табл. 2). Без выступающих концов валов выпускают различные преобразователи электрической энергии, состоящие из двигателя и генератора, объединенных в одном корпусе, роторы которых насаживаются на одни вал.
Четвертая цифра в обозначении конструктивного исполнения машины по способу монтажа обозначает форму конца вала (см. табл. 1). Например, электрическая машина с лапами, двумя подшипниковыми щитами и одним коническим концом вала, устанавливаемая горизонтально лапами вниз, обозначается IM 1003.
Надежность электродвигателей в большой степени зависит от того, насколько в их конструкции и исполнении предусмотрена способность противостоять воздействию климатических факторов внешней среды. К климатическим факторам относятся: температура, влажность воздуха, давление воздуха или газа (высота над уровнем моря), солнечная радиация, дождь, ветер, пыль (в том числе снежная), резкая смена температуры воздуха, соляной туман, иней, действие плесневых грибов и т. д. Исполнения двигателей для различных климатических районов установлены ГОСТ 15150-69 и 15543—70. В конце условного буквенно-цифрового обозначения типоразмера двигателя ставится буква, указывающая на исполнение двигателя для климата: У — умеренного, ХЛ — холодного.

ТВ — тропического влажного, ТС — тропического сухого, Т — тропического как влажного, так и сухого, О — для всех районов на суше (общеклиматическое исполнение), М — умеренно холодного морского, ТМ — тропического морского, ОМ — для неограниченных районов плавания (общеклиматическое морское), В — для всех районов на суше и на море.
В обозначении электродвигателя после буквы может быть поставлена цифра, характеризующая категорию исполнения в зависимости от места размещения двигателя в эксплуатации: 1 —для работы на открытом воздухе, 2 — для открытых помещений со свободным доступом наружного воздуха, 3 — для закрытых помещений, 4 — для закрытых отапливаемых и вентилируемых помещений, 5 — для помещений с повышенной влажностью.
Двигатели общего назначения обычно изготовляют для работы в районах с умеренным климатом — исполнение У, категории размещения 3 и 4 (УЗ и У4).
ГОСТ 17494—72 на электрические машины устанавливает степень защиты персонала от соприкосновения с токопроводящим!! или движущимися частями, находящимися внутри машины, от попадания твердых посторонних тел и воды.
Электродвигатели общего применения в основном изготовляют двух степеней защиты: IP23 (или IP22 для двигателей постоянного тока) и IP44. Первая из них характеризует машины в защищенном исполнении, вторая — в закрытом.
Буквенно-цифровое обозначение степени защиты состоит из латинских букв IP (начальные буквы английских слов International Protection) и двух цифр. Первая из этих цифр характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токопроводящими и вращающимися частями, находящимися внутри машины, а также степень защиты самой машины от попадания в нее твердых посторонних тел; вторая цифра — от проникновения воды внутрь машины.
В обозначении IP23 первая цифра 2 указывает, что в машине обеспечена защита от возможного соприкосновения пальцев человека с токопроводящими и движущимися частями и попадания внутрь твердых посторонних тел диаметром не менее 12,5 мм. Цифра указывает на обеспечение защиты от дождя, падающего на машину под углом не более 60 0 к вертикали, а в обозначении IP22 вторая цифра — от капель воды, падающих под углом не более 15° к вертикали.
В обозначении IP44 первая цифра 4 указывает на обеспечение защиты от соприкосновения инструмента, проволоки и других подобных предметов толщиной более 1 мм с токопроводящими частями внутри машины, а также от попадания внутрь предметов размерами не менее 1 мм. Вторая цифра 4 обозначает защиту от водяных брызг любого направления.

В настоящее время электрические машины общего назначения выпускают сериями, т. е. в каждую серию включен ряд машин по возрастающей мощности, объединенных общностью конструкции и технологии, с широкой унификацией сборочных единиц и деталей и предназначенных для массового производства.
Первая в мировой практике единая серия асинхронных трехфазных двигателей А, АО мощностью от 0,6 до 100 кВт была создана и внедрена в производство в 1946—1951 гг.
В 1957—1959 гг. была разработана вторая единая серия асинхронных двигателей А2, А02, позднее — третья АЗ, А03.
В настоящее время освоена в производстве четвертая серия — 4А, соответствующая современному мировому уровню, имеющая более широкую унификацию сборочных единиц и меньшие габариты.
Благодаря непрерывному развитию электромашиностроения и смежных отраслей промышленности, появлению новых более теплостойких и механически прочных электроизоляционных материалов с малой толщиной и совершенных технологических процессов каждая из новых серий машин обладает более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с предыдущими.
В обозначении типа асинхронного двигателя в первых трех сериях буква А означает асинхронный двигатель в защищенном исполнении, АО — в закрытом обдуваемом; первая цифра после букв— номер серии. Цифра после первого дефиса характеризует типоразмер: первая — габарит (условный номер наружного диаметра сердечника статора), вторая —условный номер его длины. Цифра после второго дефиса соответствует числу полюсов. Например, А02-62-4 — асинхронный трехфазный электродвигатель в закрытом обдуваемом исполнении, второй единой серии 6-го габарита, 2-й длины, четырехполюсный.
Двигатели единых серий А, АО и А2, А02 основного исполнения имеют короткозамкнутый ротор с литой алюминиевой обмоткой. На их базе выпускается ряд модификаций двигателей. При обозначении модификации к буквенной части добавляется буква для электродвигателей: с повышенным пусковым моментом — П (например, А0П2-62-4); с повышенным скольжением — С; для текстильной промышленности — Т; с фазным ротором — К.
Асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов с большими нагрузками в период пуска. Двигатели с повышенным скольжением применяют для механизмов с неравномерным ударным характером нагрузки и большой частотой пусков и реверсов.
Для двигателей общего назначения с алюминиевой обмоткой статора в конце обозначения добавляется буква А (например, А02-42- 4А).
В двигателях на несколько частот вращения в цифровое обозначение числа полюсов вносят все их значения, разделенные косыми линиями, например АО-94-128 6 4 — трехфазовый асинхронный двигатель первой серии 9-го габарита, 4-й длины на 12, 8, 6 и 4 полюса.
Буква Л (например, АОЛ2-21-6) обозначает, что корпус и щиты отлиты из алюминиевого сплава.

В единую серию 4А входят трехфазные двигатели мощностью 0,06—400 кВт с высотами осей вращения 55—355 мм.
Обозначение типоразмера двигателя серии 4А, например 4ЛЫ280М2УЗ, расшифровывается следующим образом: 4 — порядковый номер серии, А — вид двигателя (асинхронный), Н — защищенный (отсутствие данного знака означает закрытое обдуваемое исполнение), 280 — высота оси вращения (три или две цифры), мм, S, .И или L — установочный размер по длине станины, 2 (или 4, 6, 8, 10, 12) — число полюсов, УЗ — климатическое исполнение (У) и категория размещения (3).
После первой буквы А может стоять вторая А (например, 4АА63), которая означает, что станина и щиты выполнены из алюминиевого сплава, или X — станина алюминиевая, щиты чугунные; отсутствие этих знаков свидетельствует о том, что станина и щиты чугунные или стальные.
В обозначении двигателей с фазным ротором ставится буква К, например 4АНК
При одних и тех же размерах станины сердечник статора может иметь разные длины. В этом случае в обозначении типоразмера после букв S, М, L и непосредственно после высоты вращения, если эти буквы отсутствуют, ставятся знаки А (меньшая длина сердечника) или В (большая длина), например 4A90LA8, 4A90LB8, 4А71А6, 4А71В6.
Первые серии машин постоянного тока — ПН мощностью до 200 кВт и МП мощностью выше 200 кВт — были разработаны и освоены советскими электромашиностроителями к 1932 г. В 1954— 1956 гг. была разработана первая единая серия П.
Машины серии П мощностью до 200 кВт изготовляют в закрытом и защищенном исполнении. Защищенные машины обозначают буквой П, закрытые с естественным охлаждением — ПБ, закрытые с наружным обдувом — ПО. Первое однозначное или двузначное число, следующее после буквы, обозначает порядковый номер габарита, последняя цифра — порядковый номер длины сердечника якоря.
Серии машин постоянного тока, как показывает практика, заменяются или коренным образом модернизируются через 15—20 лет. Выпуск новой единой серии 2П начат в 1975 г. В этой серии масса двигателей снижена на 10—20 %, значительно повышена их надежность. В настоящее время частично освоена производством серия 4П.
Принцип серийного выпуска машин оказывает существенное влияние па организацию их ремонта. Значительно сокращается номенклатура запасных частей, обмоточных проводов, изоляционных материалов Появляется возможность увеличения производительности труда на ремонтных заводах за счет внедрения высокопроизводительного оборудования, организации производственных процессов по образцу электромашиностроительных заводов.