Материалы, применяемые в электрических машинах

Материалы, применяемые в электрических машинах, разделяют на конструкционные, активные и электроизоляционные.
Конструкционные материалы применяют для изготовления деталей машины, преимущественным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок, а также обеспечение требуемой степени защиты, охлаждения, смены смазки и т.д. (станины, подшипниковые щиты, валы, жалюзи, уплотнители, вентиляторы и др.). В качестве конструкционных материалов используют сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы.
Активные материалы служат для протекания в машине электромагнитных процессов. Эти материалы подразделяют на магнитные и проводниковые.
Магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов. Одним из основных требований, предъявляемых к магнитным материалам, является высокая магнитная проницаемость, т.е. чтобы требуемый магнитный поток в машине создавался возможно меньшим значением МДС.
Некоторые элементы магнитопроводов электрических машин (сердечники статоров машин переменного тока, якорей машин постоянного тока и т.п.) подвержены перемагничиванию, что вызывает потери энергии на вихревые токи и гистерезис. Поэтому к магнитным материалам, из которых изготовлены такие элементы магнитопроводов, предъявляются еще и требования: минимальные потери от перемагничивания и повышенное удельное электрическое сопротивление, что способствует уменьшению потерь от вихревых токов.
Наилучшим магнитным материалом, удовлетворяющим всем перечисленным требованиям, является тонколистовая электротехническая сталь. Широкий диапазон электромагнитных свойств электротехнической стали достигается изменением содержания кремния. Обычно сталь с меньшим содержанием кремния имеет меньшую магнитную проницаемость и большие удельные потери, но зато и большее допустимое значение магнитной индукции насыщения. С повышением содержания кремния увеличивается хрупкость электротехнической стали, что создает определенные трудности при штамповке (образование трещин в зубцовой зоне). Это обстоятельство ограничивает применение высоколегированных электротехнических сталей для изготовления сердечников при небольших размерах зубцов и пазов. По способу прокатки электротехнические стали подразделяют на холоднокатаные и горячекатаные.
Обозначение марки электротехнической стали состоит из четырех цифр:
первая цифра указывает на вид прокатки и структурное состояние:
— горячекатаная сталь;
— холоднокатаная изотропная сталь, имеющая одинаковые магнитные свойства вдоль и поперек направления проката;
— холоднокатаная анизотропная сталь, у которой магнитные свойства вдоль направления проката лучше, чем поперек;
вторая цифра указывает на содержание кремния:
О-до 0,4%; 1 -0,4-0,8%; 2-0,8- 1,8%; 3- 1,8 — 2,8 %; 4 — 2,8 — 3,8 %; 5 — 3,8-4,8%;
третья цифра указывает на группу по удельным магнитным потерям;
четвертая цифра — порядковый номер типа стали.
Элементы магнитопровода, изготовляемые из листовой электротехнической стали, имеют шихтованную конструкцию, т. е. выполняются в виде пакета выштампованных листов, изолированных друг от друга изоляционной пленкой (лак, оксидная пленка), которая служит для ограничения вихревых токов.
В современных сериях асинхронных двигателей и машин постоянного тока преимущественное применение получили холоднокатаные изотропные стали марок 2013, 2312 и 2411, которые обладают высокими магнитными свойствами, хорошим качеством поверхности, малой разнотолщинностью. Применение этих сталей позволяет существенно улучшить энергетические показатели и уменьшить массу электрических машин.
Для изготовления сердечников главных полюсов применяют листовую конструкционную сталь толщиной 1 или 2 мм либо анизотропную холоднокатаную электротехническую сталь марки 3411 толщиной 1 мм. При изготовлении сердечников из анизотропной стали необходимо, чтобы продольная ось полюса совпадала с направлением проката стали. Применение холоднокатаной стали марки 3411 для сердечников главных полюсов позволяет уменьшить магнитное рассеяние добавочных полюсов и ослабить размагничивающее действие реакции якоря. Объясняется это тем, что магнитный поток обмотки якоря, проходя «поперек» сердечников главных полюсов, т.е. перпендикулярно направлению проката электротехнической стали, испытывает повышенное магнитное сопротивление, что и ведет к уменьшению этого потока.
Станины машин постоянного тока изготовляют из стальных цельнотянутых труб либо их гнут и сваривают из стальных листов марки СтЗ. В некоторых случаях станины делают шихтованными из электротехнической стали.
Электроизоляционные материалы
весьма разнообразны. Их свойства во многом определяют эксплуатационную надежность, габаритные размеры, массу и стоимость машины.
Одним из важнейших свойств электроизоляционных материалов является нагревостойкость — способность материала сохранять свои электроизоляционные и механические свойства при воздействии рабочих температур в течение времени, определяемого сроком службы электрической машины Как отмечалось, все электроизоляционные материалы разделены на 12 классов нагревостойкости. Однако в современных электрических машинах применяют изоляционные материалы лишь трех классов В, F и Н, обладающие наиболее высокой нагревостойкостью.
Ниже приводится примерный перечень электроизоляционных материалов каждого класса нагревостойкости.
Класс нагревостойкости А. Волокнистые материалы из бумаги, хлопка, шелка, древесины и т.д., пропитанные жидкими диэлектриками либо погруженные в них. К этому классу относятся также изоляция эмальпроводов на основе масляных и полиамидно-резольных лаков, полиамидные пленки, бутилкаучуковые и другие материалы. Пропитывающими веществами для данного класса материалов являются трансформаторное масло, масляные и асфальтовые лаки и другие вещества соответствующей нагревостойкости. К данному классу относятся лакобумаги, лакоткани, пленкоэлектрокартон, гетинакс, текстолит.
Класс нагревостойкости Е. Изоляция эмальпроводов и электроизоляционные материалы на основе полиуретановых, эпоксидных, полиэфирных смол и других синтетических материалов аналогичной нагревостойкости.
Класс нагревостойкости В. Материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих, пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостойкости органического происхождения с содержанием органических веществ по массе не более 50 % . К этому классу относятся материалы на основе щипаной слюды: миканит, микалента, микафолий; различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, фторопласт-3, некоторые полиуретановые смолы, пластмассы с неорганическим наполнителем.
Класс нагревостойкости F. Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с применением органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими и другими нагревостойкими смолами. Изоляция этого класса не должна содержать бумаги, целлюлозы и шелка.
Класс нагревостойкости Н. Те же материалы, что и в классе F, но с соответствующими по нагревостойкости кремнийорганическими лаками и смолами.
В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках (граница между токоведущим проводом и его изоляционным покрытием) оказывается технически невозможной. Поэтому согласно действующему стандарту предельные температуры нагревания обмоток принимают несколько ниже предельно допустимых температур для изоляции соответствующего класса нагревостойкости.
Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие элементы машины: подшипники, контактные кольца, коллектор Например, коллектор при чрезмерном перегреве может утратить цилиндрическую форму.
Эксплуатация изоляционных материалов в соответствии с температурами, указанными для каждого класса нагревостойкости, обеспечивает им длительный срок службы (20 — 25 лет) без заметной потери изоляционных и механических свойств. Если же материал использовать при температурах, превышающих указанные для соответствующего класса нагревостойкости, то срок службы изоляции резко сокращается. Это объясняется интенсивным тепловым старением материала, сопровождаемым утратой им электроизоляционных свойств и механической прочности. Экспериментально показано, что при повышении температуры на 10 °С сверхустановленной классом нагревостойкости, срок службы изоляции сокращается примерно вдвое. Поэтому важнейшей задачей является правильный выбор типа электрической машины и ее эксплуатация без превышения номинальных данных сверхдопустимых величин и продолжительности. Если же температура частей машины намного ниже допустимой, то машина будет недостаточно использована, а это значит, что ее габаритные размеры и стоимость будут неоправданно завышены. Исключение составляют машины, к которым предъявляются требования повышенной надежности.
Обычно электрическая изоляция обмотки состоит из нескольких видов электроизоляционных материалов, образующих систему изоляции. Непременным условием надежной работы такой системы изоляции является совместимость всех ее составляющих.
Кроме того, изоляционные материалы должны обладать требуемыми теплостойкостью, влагостойкостью, холодостойкостью и т.д.

Предельно допустимые температуры нагрева для классов нагревостойкости В, F и Н

В современных электрических машинах получили широкое применение композиционные электроизоляционные материалы. Такой материал представляет собой сочетание полимерных пленок с различными гибкими изоляционными материалами на основе синтетических волокон. Указанные компоненты соединяют между собой клеящими составами. Функции компонентов различны: пленка принимает на себя электрическую и механическую нагрузки, а волокнистые материалы придают композиции необходимые технологические свойства — эластичность, упругость, надежную связь между поверхностью пазовой изоляции и прилегающими к ней поверхностью катушек с одной стороны и поверхностью магнитопровода, с другой. Непременным условием при подборе компонентов является их полная совместимость.
В качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяют электролитическую медь и реже — рафинированный алюминий. Необходимо иметь в виду, что основной параметр меди — электрическая проводимость — в значительной степени зависит от наличия даже небольшого количества примесей. Поэтому медь, предназначенная для обмоточных проводов, не должна содержать более 0,1 % примесей. При холодной протяжке медь подвергается наклепу, становится более твердой и ее удельное электрическое сопротивление возрастает. Отжиг возвращает меди первоначальные свойства.
Для заливки короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей применяют алюминий. В результате заливки в стержнях и короткозамыкающих кольцах появляются воздушные включения, а при заливке под давлением алюминий приобретает волокнистую структуру. Все это ведет к некоторому увеличению электрического сопротивления клетки ротора.
Известно, что с ростом температуры удельное электрическое сопротивление меди и алюминия увеличивается. В соответствии с ГОСТ 183—74 расчетная рабочая температура принимается равной 75 °С для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости В и 115 °С для обмоток с изоляцией классов F и Н (см. табл). В табл13 приведены значения удельного электрического сопротивления меди и алюминия при различных температурах.
Удельное электрическое сопротивление проводниковых материалов при рабочих температурах электрических машин

Коллекторные пластины изготавливают из холоднокатаной меди или меди с присадкой кадмия (кадмиевая медь), обладающей меньшим износом на истирание. Изоляционные прокладки между пластинами коллектора выполняют из миканита. Миканит в виде пластин или ленты изготавливают из щипаной слюды, наклеиваемой на подложку из стеклоткани.
Контактные кольца машин переменного тока изготавливают из стали, чугуна или меди. Для осуществления скользящего контакта с коллектором и контактными кольцами применяют электрические щетки, технические характеристики которых и рекомендации по применению приведены в табл.
Обмоточные провода, применяемые в электрических машинах для изготовления обмоток, должны удовлетворять целому комплексу требований: 1) малая толщина изоляционного слоя провода, минимальная площадь, занимаемая изоляцией в пазах сердечников; 2) высокая механическая прочность и одновременно гибкость металлической (медной) жилы; 3) эластичность, электроизоляционная прочность и нагревостойкость изоляционного покрытия, его высокая теплопроводность (для беспрепятственного отвода теплоты от токоведущей жилы), стойкость к растворителям лаков, которыми пропитывается обмотка электрической машины.
К изоляционным материалам, применяемым в электрических машинах, работающих в условиях химического производства, на предприятиях по добыче и переработке нефти предъявляются повышенные требования к химической стойкости. Объясняется это повышенным содержанием в воздухе химически активных газов и паров масел.
Для изолирования медной проволоки обмоточных проводов применяют волокнистую, эмалевую или эмаль- волокнистую изоляции. Если в обмоточном проводе применена алюминиевая проволока, то в буквенное обозначение обмоточного провода добавляется буква А.

Технические данные щеток электрических машин и рекомендации по их применению

Наибольшее применение получили обмоточные провода с эмалевой изоляцией — эмалированные провода. Толщина эмалевой изоляции почти в три раза меньше, чем у волокнистой и эмальволокнистой изоляции обмоточных проводов.
Класс нагревостойкости изоляции обмоточных проводов зависит от свойств пропиточного лака. В табл. приведены марки обмоточных проводов, получившие наибольшее применение в электрических машинах, с указанием класса нагревостойкости их изоляции.
Для обмоток высоковольтных машин обычно применяют обмоточные провода марок ПСД и ПСДК с дополнительной изолировкой стеклолентой, пропитанной

Обмоточные провода, применяемые в электрических машинах