Основными конструктивными элементами машины переменного тока являются статор, состоящий из корпуса, сердечника и обмотки с элементами их взаимного крепления, и ротор, состоящий из вала и в общем случае остова, зубчатого сердечника (в неявнополюсных машинах являющегося ободом) или обода и полюсов (в явнополюсных синхронных машинах), с обмоткой, конструкция которой определяется типом машины. Иногда явнополюсные синхронные машины выполняются обращенными, с вращающимся якорем и неподвижным индуктором, тогда их конструкция аналогична конструкции машин постоянного тока. Кроме статора и ротора имеются торцевые элементы, являющиеся либо несущими, как подшипниковые щиты в горизонтальных машинах или крестовины в вертикальных машинах, либо защищающими, как щиты в машинах со стояковыми подшипниками; опорные элементы — радиальные и упорные подшипники, воспринимающие либо основную нагрузку от ротора, либо нагрузку от неуравновешенности в зависимости от расположения вала и передающие ее через щиты, крестовины или стояки на корпус или па фундаментную плиту; элементы системы охлаждения (вентиляторы, газораспределяющие щиты, теплообменники и т. п.); а также прочие элементы. Ниже изложены главные особенности основных конструктивных элементов машин переменного тока, определяемые как «внешними», так и «внутренними» условиями.
1. Статоры. Конструкция сердечников и корпусов статоров определяется их геометрическими размерами и технологическими возможностями производства. По наружным диаметрам сердечников Da статоры электрических машин переменного тока единых серий (как и сами машины) подразделяются па следующие габариты:
Сердечники статоров диаметром до 990 мм (до 13-го габарита) выполняются из цельной круглой вырубки, свыше 990 мм — шихтуются вперекрой из отдельных некруглых листов. В первом случае каждый круглый лист, а следовательно, и весь сердечник может быть закреплен в корпусе по окружности в относительно небольшом числе точек (в принципе — в трех точках), во втором случае число мест крепления по окружности должно составлять 1—2 на каждый лист (иначе сердечника не собрать) (рис. 6-4).
Сборка сердечника статора крупной машины обычно производится прямо в корпусе, небольшой машины — в отдельном приспособлении с последующей установкой в корпус. Эти особенности отражаются на конструкции корпусов.
Статоры машин диаметром примерно до 1 м изготовляются, как правило, литыми из чугуна или более легких сплавов. В мировой практике изготовляются методом литья в земляные формы и корпусы статоров диаметром до 3—5 м, но не при крупносерийном производстве. Литой корпус статора в зависимости от системы вентиляции выполняется с внутренними (или наружными) ребрами. Внутренние ребра в защищенных машинах и в закрытых с замкнутым циклом вентиляции образуют пространство для прохода воздуха между корпусом и сердечником. Наружные ребра в закрытых обдуваемых машинах увеличивают поверхность теплоотдачи. В машинах с литым корпусом поверхность посадки цельновырубленного сердечника (поверхность ребер, выступов или сплошная цилиндрическая расточка корпуса) обрабатывается (протачивается) и сердечник устанавливается на неподвижной посадке в случае запрессовки его в цилиндрическую расточку корпуса или собирается на ребрах, являющихся в этом случае шпонками, удерживающими сердечник от тангенциального смешения. В осевом направлении сердечник, собранный и спрессованный в корпусе под давлением 10- 15 кгс/см3 удерживается крайними (нажимными) листами или специальными нажимными кольцами, в свою очередь удерживаемыми с помощью кольцевых шпонок (рис. 6-1, в), стяжных шпилек (рис. 6-1, а, б) или сваркой.
Рис. 6-4. Листы сердечников статоров с различным числом точек крепления: а — с помощью "ласточкиного хвоста"; б — с помощью круглых шпилек
К торцевым поверхностям литых корпусов статоров при исполнении Ml крепятся с помощью болтов также литые подшипниковые щиты, для центровки которых на корпусе статора и щите обрабатывается посадочная поверхность (заточка). В центральной части таких щитов устанавливаются подшипниковые узлы. При открытом, защищенном и капле- и брызгозащищенном исполнении в корпусе статора и щитах устраиваются окна (люки) для входа и выхода охлаждающего воздуха; при закрытом исполнении с замкнутым циклом вентиляции окна устраиваются только и корпусе статора и снабжаются вентиляционными патрубками; при закрытом обдуваемом исполнении с наружным вентилятором (рис. 6-2) на торце корпуса устанавливаются литой или штампованный вентиляционный кожух. Для подъема машины на корпусе устанавливаются рымы, крюки или серьги.
Корпусы статоров электрических машин диаметром более метра, как правило, изготовляются сварными из листового проката (рис. 6-1, а, б).
Несущими элементами такого корпуса являются осевые ребра и круговые пояса жесткости, образующие каркас корпуса. Часть нагрузки воспринимается также обшивкой, если она достаточно толстая. При щитовых подшипниках крайние пояса жесткости—фланцы выполняются более толстыми, при стояковых подшипниках их повышенная жесткость необязательна.
Толщина материала ребер и поясов определяется не столько прочностью, сколько жесткостью, необходимой особенно при изготовлении. Детали сварного корпуса, как правило, вырезаются газовым резаком по копиру, при крупных сериях выгодна автоматизация этого процесса. Затем корпус собирается из отдельных детален в приспособление и скрепляется временными электросварными швами (прихватками), после чего производится окончательная сварка. Обшивка припаривается в последнюю очередь на уже сваренный каркас, после сварки в ней вырезаются необходимые отверстия. Затем корпус подвергается отжигу в печи к обрабатывается на карусельном станке (торцевые фланцы и внутренняя поверхность ребер и поясов жесткости).
Естественное стремление к экономии материала приводит к предпочтительному использованию корпусов цилиндрической формы, однако достаточно широко распространены корпуса, пояса жесткости которых представляют собой многогранники.(призматические корпуса). Такая форма дает определенные технологические преимущества при установке корпуса в процессе обработки на одну из граней, делает ненужным выгибание листов обшивки по поверхности цилиндра и т. п. при относительно небольшом утяжелении, если число гранен достаточно велико.
Сердечник в сварных статорах может собираться на клиньях, представляющих одно целое с продольными ребрами, привариваемыми к обработанным поясам с помощью угольников (см. рис. 6-5, а).
Более точные размеры позволяет получить конструкции, где ребра обрабатываются после сварки, а клинья привинчиваются к их поверхности винтами (рис. 6-5, б); эта конструкция предпочтительна в машинах с малым зазором, наиболее прост способ крепления сердечника к статору с помощью цилиндрических шпилек, прикрепляемых к поясам жесткости посредством серег и одновременно стягивающих сердечник по длине. Сборка сердечника статора производится на специальных калибрах, которые закладываются в пазы и вынимаются после прессовки сердечника, а в случае повышенных требований к точности сборки — еще и на дополнительной центрирующей оправке, диаметр которой равен диаметру расточки статора.
Принципиальная конструкция обмоток статоров описана в главе 4. Она является общей для всех типов машин переменного тока и меняется только в зависимости от номинального напряжения и объема тока в пазу.
Рис. 6-5. Конструкция клиньев для сборки сердечника, устанавливаемых на сварке (а), на резьбе (б)
Здесь мы кратко остановимся на конструкции изоляции обмоток. Витковая изоляция многовитковых обмоток может быть обеспечена использованием изолированных проводников различных марок. При относительно высоком витковом напряжении каждый виток дополнительно изолируется в процессе намотки одним или двумя слоями электроизоляционной ленты. Для витковой изоляции многовитковых катушек могут применяться и материалы. не содержащие слюды, но достаточно механически прочные и нагревостойкие (эскапон и т. п.). Корпусная изоляция машин на напряжение до 3000 в и изоляция лобовых частей также может осуществляться неслюдосодержащими материалами, при большем номинальном напряжении для корпусной изоляции применяются материалы, содержащие щипаную слюду (стекломикаленты) или слюдинит (стеклослюдинитовые ленты). До последнего времени как в многовитковых, так и в стержневых высоковольтных обмотках применяется компаундируемая асфальто-битумными составами микалентная изоляция, которая накладывается на предварительно сформованную катушку или стержень вручную либо на станках. После наложения нескольких слоев этой изоляции катушка обматывается технологической лентой, устанавливается на приспособлении, препятствующем изменению ее формы, к подвергается в котле с компаундом вакуумированию и пропитке компаундом, после чего накладываются следующие слон изоляции и процесс повторяется. После окончания пропитки катушка или стержень калибруются (удаляются неровности, наплывы и т. п.) и покрывается покровной лентой, а при напряжении свыше 6000 в лобовая часть и места выхода из паза покрываются полупроводящим лаком. Компаундированная изоляция обладает термостойкостью до 120° С, выше этой температуры компаунд расплавляется, вытекает и изоляция интенсивно стареет.
В настоящее время компаундированная изоляция заменяется изоляцией на термореактивных связующих — эпоксидных и полиэфирных смолах. Эти связующие обладают большей термостойкостью и не размягчаются с ростом температуры. При изготовлении изоляции применяются три разновидности технологического процесса: наложение ленты с подмазкой ее связующим и последующей опрессовкой в специальной пресс-форме, наложение уже пропитанной ленты также с механической опрессовкой и полимеризацией в специальном котле и наложение сухой ленты с пропиткой жидким связующим, гидростатической опрессовкой и полимеризацией в автоклаве. Последний процесс позволяет укладывать в статорный сердечник изолированные сулой изоляцией катушки, вакуумировать и пропитывать их вместе с сердечником, так что получается склейка катушки с сердечником, обеспечивающая улучшение теплового контакта. Гидростатическая опрессовка обмотки в автоклаве избавляет также от необходимости иметь пресс-форму на каждый тип стержня или катушки. Пропитка вместе с сердечником катушечной обмотки позволяет избежать вредных последствий подгибания катушек при укладке (при компаундированной изоляции для этого катушки разогреваются, а при термореактивной изоляция с механической опрессовкой для лобовых частей применяется более эластичная изоляция).
Рис. 6-7. Шпилечное крепление лобовой части обмотки
Рис. 6-6. Статор машины со всыпной обмоткой
Изолирование головок стержневых обмоток производится после укладки и пайки стержней установкой изоляционных коробочек и наложением ленты или заливкой внутрь этих коробочек специального компаунда.
Машины малой мощности относительно небольших габаритов на напряжение до 600 в с полузакрытыми пазами выполняются с так называемыми всыпными многовитковыми обмотками статоров (рис. 6-6), заготовляемыми в виде нескрепленных «мягких» катушек. Витки такой катушки по очереди «всыпаются» в паз через его шлиц, ширина которого несколько больше толщины изолированного проводника. В паз предварительно уложена изоляционная гильза. После укладки лобовые части такой катушки изолируются лентой, и в зависимости от общего типа изоляции обмотка статора может быть целиком пропитана лаком или компаундом.
В машинах с закрытыми пазами применяются либо протяжные обмотки, наматываемые прямо на сердечник, либо многовитковые разрезные и стержневые обмотки, лобовые части которых с одной стороны неотогнуты. Такая обмотка вставляется в сердечник с торца с помощью специального приспособления, после чего на противоположной стороне сердечника лобовые части отгибаются и запаиваются (каждый виток в отдельности). Крепление обмотки статора в пазах всех типов машин осуществляется клиньями из изоляционного материала, а в лобовых частях — с помощью бандажных колец. Наиболее распространенное крепление лобовых частей обмоток к бандажным кольцам — с помощью шнура, которым привязываются прокладки к обмотке, а сама обмотка к кольцам. Для компенсации отклонений стержней или катушек от средних размеров между двумя слоями лобовых частей двухслойной обмотки укладывается прокладка, набираемая из тонких полос электроизоляционного материала, суммарная толщина которых в данном месте соответствует расстоянию между слоями.
Наилучшее крепление достигается применением стеклянного шнура и последующей пропиткой всей обмотки вместе со статором термореактивным связующим. Для обмоток, которые по размерам не могут быть пропитаны вместе со статором, некоторые зарубежные фирмы применяют вместо прокладки между слоями эластичный чулок, внутрь которого под давлением подается термореактивный компаунд. Расширяясь, такой чулок заполняет все промежутки между стержнями и после полимеризации компаунда создает напряженное крепление.
Аналогичным целям служит бандажировка синтетическим шнуром, который при нагревании полимеризуется с усадкой и обеспечивает бандажировку с сильным натяжением.
В однослойных обмотках, а также а двухслойных обмотках со значительным отгибом лобовых частей удобным является шпилечное крепление обмотки с помощью колец и накладок, система которых образует в осевой плоскости машины прямоугольник (рис. 6-7). Жесткость этого прямоугольника обеспечивается шайбами, устанавливаемыми под гайки. В таких креплениях целесообразно применение шпилек из неметаллических материалов.
