Неисправности и ремонт сердечников - Электротехническая сталь

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

Магнитные свойства. Сердечники электрических машин — магнитопроводы, по которым проходит переменный по времени рабочий магнитный поток, собираются (шихтуются) из отдельных листов электротехнической стали, отштампованных по требуемой форме,— вырубок, изолированных одна от другой и плотно сжатых (прессованных).
Как известно, при прохождении переменного магнитного потока через стальной магнитопровод в :нем происходит потеря энергии, ведущая к нагреванию магнитопровода. Потеря энергии слагается из двух составляющих: от циклического перемагничивания (гистерезиса) и от наведенных вихревых токов, замыкающихся в плоскости, перпендикулярной магнитному потоку.
Снижение потерь от вихревых токов достигается увеличением удельного электрического сопротивления стали и выполнением! сердечника те из массива, а из отдельных тонких листов, изолированных один от другого, причем чем выше частота перемагничивания, тем тоньше должны быть листы стали. Для работы при частоте до 50 Гц применяются листы толщиной 0,5, реже 0,35 мм, а при больших частотах 0,2 и 0,1 мм.
Низкие потери на перемагничивание, характеризуемые узкой, с малой площадью петлей гистерезиса, зависят от наличия в стали вредных примесей: углерода,  азота, кислорода и некоторых других неметаллических включении. Уменьшение содержания :в сплаве вредных примесей, а также введение в него легирующего элемента— кремния снижают потери от гистерезиса, так как кремний является хорошим раскислителем и переводит имеющийся в стали углерод в наименее вредную форму— графит. Кремний также повышает удельное электрическое сопротивление, что ведет к уменьшению потерь от вихревых токов.
Листовая сталь с содержанием углерода не более 0,1 % с добавкой до 5% кремния или алюминия или обоих этих элементов и определяет понятие (термин) листовая электротехническая сталь. Причем листовая электротехническая сталь с содержанием кремния или алюминия или обоих этих элементов до 3% называется динамной сталью, с содержанием их от 3 до 5% —трансформаторной сталью.
Вместе с тем легирование кремнием отрицательно сказывается на механических свойствах стали, делает сталь твердой и более хрупкой, что затрудняет ее механическую обработку. Кроме того, в сильных магнитных полях из-за введения кремния снижается индукция. Поэтому максимальное содержание кремния не должно превышать 6%.
Магнитные свойства стали зависят также от способа обработки — прокатки; различают горячекатаную сталь (старый технологический процесс изготовления кремнистой стали) и холоднокатаную сталь (новый технологический процесс).
В направлении проката холоднокатаная сталь имеет меньшее сопротивление магнитному потоку, чем горячекатаная. Это объясняется тем, что при горячей прокатке кристаллы железа, которые хорошо намагничиваются по ребру кристаллической решетки куба и хуже ,по его диагонали, располагаются хаотично, а при холодной прокатке они ориентируются таким образом, что ребра кристаллов совпадают с направлением прокатки. Такая электротехническая сталь с ориентированной структурой, так называемая текстурованная сталь, при одних и тех же индукции и частоте перемагничивания имеет удельные потери почти в 2 раза меньшие, чем горячекатаная.
В направлении, перпендикулярном прокату, магнитные свойства холоднокатаной стали резко ухудшаются;
потери на намагничивание увеличиваются до 70%. Поэтому ее нецелесообразно применять для несегментированной круговой вырубки.

Согласно ГОСТ 802-58 «Сталь электротехническая тонколистовая» выпускается 28 марок стали. Из них для сердечников электрических машин находят применение главном образом марки Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32 и реже Э41, Э42, Э43, Э43А, Э310, Э320, Э330 и Э330А (для крупных машин, турбо- и гидрогенераторов).
Буквы и цифры в наименованиях марок стали обозначают: Э — электротехническая сталь; первая цифра после буквы Э — степень легирования: 1—слаболегированная (Si=0,8-f-1,8%), 2—среднелегированная (Si = l,8-r- -т-2.8%); 3— повышеннолегированная (Si=2,8ч-13,8%); 4—  высоколегированная (Si = 3,8-H4,8%); вторая цифра после буквы Э (от 1 до 3) —условное обозначение удельных потерь при частоте перемагничивания 50 Гц; большая цифра указывает на меньшие удельные потери; третья цифра (0) обозначает, что сталь холоднокатаная текстурованная; третья и четвертая цифры (00) обозначают, что сталь холоднокатаная малотекстурованная, буква А после цифр указывает на особо низкие потери.
Магнитные свойства электротехнической стали указанных марок толщиной 0,5 мм (наиболее применимой) приведены в табл. 1.

Согласно указанному ГОСТ 802-58 выпускаются листы стали с размерами, приведенными в табл. 2.
Сталь изготовляется нормального проката и проката повышенной точности по толщине (в этом случае в конце обозначения марки стали добавляется буква П). Наибольший допуск по толщине листов ±0,05 мм имеет горячекатаная сталь нормального проката. У проката повышенной точности допуск составляет ±0,04 мм. У холоднокатаных листов допуски ±0,04 и ±0,03 мм соответственно.
Холоднокатаная сталь изготовляется с меньшими коробоватостыо и волнистостью и имеет меньшую разнотолщинность в одном листе и более высокую чистоту поверхности.
По мере освоения технологии изготовления тонколистовой электротехнической стали, а также возрастания степени использования активных материалов в электромашиностроении изменялись марки сталей, применение которых для различных сердечников электрических машин следующее:
статоры синхронных машин — сталь Э31, Э41, Э3200, Э42, Э43, ЭЗ30:
статоры асинхронных машин—сталь Э11, Э22, Э31, Э41, Э330;
роторы асинхронных машин—сталь марок Э11, Э12, Э21;
якоря машин постоянного тока—сталь Э11, Э12, Э21, Э1300, Э330;
статоры турбогенераторов — сталь Э42, Э43, Э330П;
статоры гидрогенераторов — сталь 043, Э330П.
Межлистовая изоляция. Изоляция листов стали производится двумя основными способами; оклейкой бумагой и покрытием лаком.
Оклейка бумагой раньше являлась единственным видом межлистовой изоляции. Для изолировки служила бумага толщиной 0,03 мм, подклеиваемая к одной стороне листа (по форме кольца, диска или сегмента) крахмальным клеем или жидким стеклом. Обклейка производилась перед штамповкой листов стали.
При изоляции листов бумагой коэффициент заполнения сердечника сталью (отношение чистой длины стали к длине сердечника за вычетом всех вентиляционных  каналов) составляет 0,9 при толщине листов 0,5 мм и 0,87 при толщине их 0,35 мм.
В настоящее время наши отечественные машиностроительные заводы совершенно не применяют изолировку листов бумагой из-за ее недостаточной теплостойкости, низкого коэффициента заполнения и нетехнолошчности процесса изолировки. В ремонтной практике этот способ также не нашел применения; при перешихтовке сердечников, имеющих в заводском исполнении бумажную изоляцию (крупные машины с такой изоляцией, хотя и в небольших количествах, продолжают поступать в ремонт), она заменяется другой, более совершенной — лаковой.
Только в случае безукоризненного состояния бумажной изоляции (что бывает весьма редко) допустима перешихтовка с сохранением старой изоляции.
Лаковая изоляция выполняется нанесением на вырубки слоя лака, образующего после сушки эластичную механически прочную водо-маслостойкую пленку, обладающую высокой адгезией (сцепляемостью) с листами стали и высокими электроизоляционными свойствами.
При изготовлении сердечников вырубки лакируют обычно после штамповки и снятия с них заусенцев,
которые образуются из-за неизбежного зазора между пауансоном и матрицей штампа для вырубки листов. Эти заусенцы тем больше, чем значительнее этот зазор, который увеличивается по мере износа штампа, и чем мягче штампуемая сталь. От того, насколько тщательно удалены заусенцы, зависит качество сердечника.
Для изолировки применяется электроизоляционный лак № 202 (ВТУ МЭП 766-51) или лак КФ-965 (б. 302, ГОСТ 15030-69). Эти лаки масляно-канифольные быстрой горячей, огневой сушки. Лак № 202 изготовляется на льняном масле, а лак КФ-965 — на тунговом.
Пленки лаков, светло-коричневого цвета, гладкие, блестящие и твердые, отличаются масло- и влагостойкостью. Предпочтительным является применение лака № ,202.
Растворителями лаков служат уайт-спирит, скипидар, керосин.
Основные свойства лаков:
Вязкость по НИИЛК-7 при 2(ГС, с.............................. 18
Содержание нелетучих, не менее, %............................ 60
Время высыхания при температуре 210°С, не менее, мин... 12
Электрическая прочность лаковой пленки, кВ/мм:
в исходном состоянии при 20°С.............................................. 60—70
после 24 ч пребывания во влажной атмосфере .................... 15—20
Покрытие производится одновременно с двух сторон вырубки на специальной лак-машине. Количество покрытий— одно или два—определяется высотой спинки сердечника и требованиями к надежности электрической машины.
Коэффициент заполнения сердечника сталью заметно выше, чем при изолировке бумагой, и составляет 0,93 при толщине листов 0,5 мм и 0,9 при толщине их 0,35 мм.
В последнее время взамен дефицитных лаков КФ-965 и № 202, содержащих тунговое и льняное масла, для лакировки листов стали рекомендуется заменитель — синтетический поликасиновый лак. Этот лак: марки 17П-5 изготовляется на основе натрий-бутадиенового органического каучука, обладает высокими диэлектрическими и механическими качествами и технологичностью, не является дефицитным, не содержит в своем составе растительные и пищевые масла и по стоимости почти в 2 раза дешевле лака КФ-965.

Электрические характеристики поликасинового лака марки 17П-5 при сопоставлении с характеристиками лака КФ-965 показали, что по электрической прочности, удельному объемному и поверхностному сопротивлениям лаковой пленки в исходном состоянии, при повышенных температурах и после воздействия воды, а также по водопоглощаемости и маслостойкости поликасиновый лак не уступает лаку КФ-965, а по прочности лаковой пленки на удар, сцеплению лаковой основы с поверхностью электротехнической стали он несколько превосходит последний.
Следует, однако, указать, что ввиду большей вязкости и меньшей основы при подаче поликасинового лака самотеком на лакирующие валки он распределяется, а следовательно, и передается на лакируемую деталь менее равномерно, чем лак КФ-965. Поэтому в существующих лак-машинах, рассчитанных на применение лака КФ-965, должно быть предусмотрено дополнительное устройство, позволяющее регулировать толщину нанесения лаковой пленки и равномерность покрытия ею листов стали.
Помимо указанных двух видов, существует способ изолировки оксидированием, заключающийся в образовании ,на поверхности листа стали пленки закиси или окиси железа при нагреве листов до 550—700°С в окислительной среде. Слой изоляции окисла очень тонок и обладает большим электрическим сопротивлением.
Для изоляции листов электротехнической стали электрических машин малой мощности применяется фосфатирование — получение электроизоляционной пленки при обработке листов стали соответствующими химическими реагентами. Коэффициент заполнения сердечника сталью при оксидировании и фосфатировании выше, чем при всех других видах межлистовой, изоляции, и составляет 0,95 при толщине листов 0,5  мм и 0,93 при толщине листов 0,35 мм. Здесь же следует отметить, что при шихтовке сердечников из неизолированных листов коэффициент заполнения сталью практически приближается к соответствующим величинам при оксидной и фосфатной изоляции. Это объясняется тем, что из-за неизбежной волнистости листы стали в сердечнике не могут абсолютно плотно прилегать один к другому.
При ремонте сердечников на месте установки электрических машин оксидирование и фосфатирование листов стали не производится ввиду нецелесообразности создания во внезаводских условиях соответствующей установки. В случае нарушения оксидной пленки листы стали изолируют лаком.
При изготовлении сердечников роторов и якорей, работающих при низкой частоте перемагничивания, а также при изготовлении сердечников статоров асинхронных двигателей малой мощности с очень небольшой длиной сердечника (до 150 мм) листы активной стали не изолируют. В этом случае некоторую роль межлистовой изоляции выполняет окалина, имеющаяся на поверхности листов стали. При расшихтовке сердечника весьма непрочный слой окалины нарушается, и поэтому в случае необходимости он заменяется лаковым покрытием.