Эл. машины. Разделы 1, 2, 3

Раздел 1. Материалы, применяемые в электромашиностроении

I. Общие сведения

Материалы, применяемые при изготовлении электрических машин (ЭМ), подразделяются на три категории: конструкционные, активные и изоляционные.

Конструкционные материалы применяются для изготовления деталей и частей машины, воспринимающих и передающих механические нагрузки (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, крепежные детали и т.д.) – это сталь, цветные металлы и их сплавы, пластмассы.

Активные материалы являются электро- и магнитопроводящими. В качестве электропроводящих материалов в ЭМ широко применяется медь (обмотки машин и трансформаторов) и рафинированный алюминий (обмотки роторов асинхронных двигателей).

В качестве магнитопроводящих материалов в ЭМ применяются листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая сталь и специальные стальные сплавы.

Наиболее широко применяются различные сорта листовой стали. Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи используется электротехническая сталь с присадкой кремния от 0,8 до 4,8%. Большое влияние на качество стали оказывают посторонние примеси.

Примеры обозначения марок электротехнической стали: Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э310, Э320, Э330. Обозначения начинаются с буквы Э – сталь электротехническая, за которой первые цифры 1, 2, 3 или 4 обозначают степень легирования стали кремнием (1 – слаболегированная, 2 – среднелегированная, 3 – повышеннолегированная, 4 – высоколегированная). Вторые за буквой цифры 1, 2 и 3 обозначают гарантированные свойства стали (1 – нормальные, 2 – пониженные и 3 – низкие удельные потери при частоте 50 Гц). Третья за буквой цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурованная.

В машинах с частотой тока до 100 Гц обычно применяется листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм. При более высоких частотах используется более тонкая сталь. В табл. 1 представлены величины удельных потерь в наиболее распространенных марках электротехнической стали, применяемой в судовых ЭМ.

1

– хлопчатая бумага,

						Таблица 1
		Удельные потери, Вт/кг, при f=50 Гц и значениях
Марка стали	Толщина		магнитной индукции:
	листа, мм	В=1,0 Тл		В=1,5 Тл		В=1,7 Тл
Э11	0,50	3,3		7,7		–
Э12	0,50	3,2		7,5		–
Э13	0,50	2,8		6,5		–
Э21	0,50	2,5		6,1		–
Э22	0,50	2,2		5,3		–
Э31	0,50	2,0		4,4		–
Э32	0,50	1,8		3,9		–
Э41	0,50	1,55		3,5		–
	0,35	1,35		3,0		–
Э42	0,50	1,40		3,1		–
	0,35	1,20		2,8		–
Э43	0,50	1,25		2,9		–
	0,35	1,05		2,5		–
Э310	0,50	1,10		2,45		3,2
	0,35	0,8		1,75		2,5
Э320	0,50	0,95		2,10		2,8
	0,35	0,7		1,5		2,2
Э330	0,50	0,8		1,75		2,5
	0,35	0,6		1,3		1,9

Увеличение степени легирования наряду с уменьшением удельных потерь приводит к ухудшению механических и магнитных свойств стали: увеличивается хрупкость материала и уменьшается его магнитная проводимость.

Назначение изоляционных материалов – электрически изолировать токоведущие части машин. Важнейшее требование, предъявляемое к ним – высокая диэлектрическая прочность. Также важны механическая прочность и стабильность характеристик в заданном диапазоне изменения рабочих температур. Повышение температуры ухудшает надежность изоляции – ее диэлектрические свойства и механическую прочность, которые зависят от теплостойкости и нагревостойкости материалов.

Теплостойкостью называется способность электроизоляционного материала сохранять свои функции при кратковременном нагреве. Нагревостойкость – это способность без повреждения и без существенного ухудшения практически важных свойств выдерживать воздействие высокой температуры в течение работы ЭМ. Нагревостойкость электроизоляционных материалов определяется степенью их теплового старения при предельно допустимой для них температуре.

Электроизоляционные материалы изготовляются из органических и неорганических веществ. Те из них, которые применяются в электрических машинах, можно разбить на следующие группы:

1) естественные органические волокнистые материалы материалы на основе древесной целлюлозы и шелк;

2

2)неорганические материалы – слюда, стекловолокно, асбест;

3)различные синтетические материалы в виде смол, пленок и т. д.;

4)различные эмали, лаки и компаунды на основе природных и синтетических материалов.

Рабочая температура большинства органических веществ не более 130° С. Рабочая температура полиорганосилоксанов (кремнийорганических соединений) обычно находится в пределах 180÷200° С. Как показывает практика, увеличение температуры нагрева на каждые 10° С в рабочем диапазоне температур сокращает срок службы изоляционного материала примерно вдвое.

Материалы, обладающие близкой нагревостойкостью, т. е. имеющие сравнимый срок службы при одинаковых рабочих температурах, объединяют в классы. Изоляция по нагревостойкости делится на 7 классов (см. табл. 2). В

судовых ЭМ применяется главным образом изоляция классов А, В, F и Н; изоляция класса Y не применяется. В настоящее время электропромышленность выпускает серии судовых машин с кремнийорганической изоляцией.

Таблица 2

Обозначение	Допустимая	Краткая характеристика изоляционных
класса	температура,		материалов
изоляции	°С
Y	90	Непропитанные	волокнистые		материалы	из
		целлюлозы и шелка
A	105	Пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы
		и шелка
E	120	Некоторые синтетические органические пленки
B	130	Материалы на основе слюды, асбеста и
		стекловолокна, применяемые с органическими
		связующими и пропитывающими составами
F	155	Материалы на основе слюды, асбеста и
		стекловолокна, применяемые в сочетании с
		синтетическими	связующими и		пропитывающими
		составами
H	180	Материалы на основе слюды, асбеста и
		стекловолокна, применяемые в сочетании с
		кремнийорганическими		связующими составами,
		кремнийорганические эластомеры
C	более 180	Слюда, керамические материалы, стекло, кварц,
		применяемые без связующих составов или с
		неорганическими,	или	элементоорганическими
		связующими составами

II. Основные сведения о свойствах ферромагнитных материалов Основные величины, характеризующие магнитное поле

Магнитное поле характеризуется тремя векторными величинами, которые приведены в табл. 3.

3

Таблица 3

Наименование

Обозначе

Единицы

Определение

ние

измерения

Тл (тесла);

Векторная величина, характеризующая

Магнитная индукция

B

1 Тл=104 Гс

силовое действие магнитного поля на ток

(гаусс)

по закону Ампера

Намагниченность

А/м

Магнитный момент единицы объема

J

вещества

Напряженность

А/м;

B 0 (H

J )

H

1 А/м=4π10-3 Э

где 0

4 10

7

Гн/м – магнитная

магнитного поля

(эрстед)

постоянная

Основные скалярные величины, характеризующие магнитную цепь, приведены в табл.

4.

Таблица 4

Наименование

Обозначение

Единица

Определение

измерения

Поток вектора магнитной индукции

Вб (вебер);

через поперечное сечение S

Магнитный поток

1Вб=Тл·м2=В·сек2

Ф

1Мкс=10-8Вб

магнитопровода Ф BdS

(максвелл)

S

Магнитодвижущая

A (А·виток);

F Iw где I -ток в обмотке, w -число

(намагничивающая)

F

1А=0,4π Гб

витков обмотки

сила МДС (НС)

(гильберт)

Линейный интеграл от напряженности

b

Магнитное

UM

А

магнитного поля U M Hdl , где a и

напряжение

a

b -граничные точки участка магнитной

цепи, для которого определяется UM.

J

B

0 H

0 J

0 H

1

0 H

H

Коэффициент χ (= J ) – магнитная восприимчивость вещества; (1+ χ)=μ.

H

Относительная магнитная проницаемость μ является функцией многих параметров (тип ферромагнитного материала, технология его изготовления, магнитная индукция, температура окружающей среды и т.д.), учет которых в полной мере невозможен. Поэтому μ определяют экспериментально, используя

	зависимость		В		.
			0	Н

Величина а 0 называется абсолютной магнитной проницаемостью.

Известно, что ферромагнитные материалы состоят из областей спонтанного намагничивания (магнитных доменов – элементарных магнитов);

4

магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Если на ферромагнитный материал не действует внешнее магнитное поле, то векторы намагниченности отдельных доменов направлены произвольно (равновероятно в различные стороны); намагниченность такого материала во внешнем пространстве не проявляется. При помещении этого тела во внешнее поле, векторы намагниченности доменов повернуться в соответствии с полем, причем чем сильнее действие внешнее поля, тем большее количество доменом поворачиваются в его направлении.

Для катушки без сердечника, индуктивность через конструктивные параметры определяется как

L 0	w2 Sк	,
	lк

где Sк, lк – сечение и средняя длина магнитной силовой линии катушки, w – число витков. При наличии ферромагнитного сердечника

L 0	w2 Sк	,
	lк

при этом μ = 103÷105 (зависит от материала сердечника).

Свойства ферромагнитных материалов характеризуются зависимостью B(H) магнитной индукции от напряженности магнитного поля. При этом различают кривые намагничивания, представляющие собой однозначные зависимости B(H), и гистерезисные петли - неоднозначные зависимости B(H).

Основные понятия, характеризующие зависимости B(H), приведены в табл. 5. Таблица 5

	Понятие	Определение
	Магнитный гистерезис	Явление отставания изменения магнитной индукции B от
		изменения напряженности магнитного поля H

Зависимость B(H),получаемая путем ряда повторных Статическая петля гистерезиса достаточно медленных изменений магнитной напряженности

в пределах выбранного значения ±Hm (кривые 1 на рис. 1).

5

	Понятие	Определение
		Площадь статической петли гистерезиса характеризует
		потери на магнитный гистерезис за один период изменения
		магнитной напряженности
		Кривая намагничивания предварительно размагниченного
	Начальная кривая	ферромагнетика (B=0;H=0) при плавном изменении
		магнитной напряженности H. Представляет собой
	намагничивания
		однозначную зависимость B(H) и обычно близка к основной
		кривой намагничивания
	Основная кривая	Геометрическое место вершин петель магнитного
		гистерезиса (кривая 2 на рис. 1). Представляет собой
	намагничивания
		однозначную зависимость B(H)
	Предельная петля гистерезиса	Симметричная петля гистерезиса при максимально
	(предельный цикл)	возможном насыщении
	Коэрцитивная	Напряженность магнитного поля НС при В=0. В справочной
	(задерживающая) сила	литературе обычно дается для предельной петли гистерезиса
	Остаточная индукция	Значение индукции магнитного поля Вr при Н=0. В
		справочной литературе обычно дается для предельного цикла

Перемагничивание ферромагнитного материала связано с расходом энергии на этот процесс. В общем случае потери в сердечнике обусловлены гистерезисом, макроскопическими вихревыми токами и магнитной вязкостью, причем степень проявления различных видов потерь связана со скоростью перемагничивания материала. При достаточно медленном перемагничивании потери связаны в основном с гистерезисом. Площадь петли гистерезиса пропорциональна этим потерям. Площадь петли на практике определяют по эмпирической формуле

PГ Г f Bmn G ,

где σг=1,04÷1,05 – расчетный коэффициент, зависящий от сорта стали; f – частота намагничивающего тока, Гц;

Bm – амплитудное значение магнитной индукции, Тл; G – масса сердечника, кг;

n=1,6 при 0,1<Bm<1,0 Тл и 1,0≤Bm<1,6 Тл.

В соответствии с законом Ленца, переменный магнитный поток Ф, замыкающийся в ферромагнитном сердечнике, возбуждает в материале сердечника вихревую э.д.с. самоиндукции, которая, в свою очередь, создает в сердечнике вихревые токи, направленные противоположно току намагничивания. Они создают поток, направленный встречно основному потоку, в результате чего основной поток оттесняется к периферии магнитопровода; возникает эффект размагничивания центральной части магнитопровода и уменьшения его эффективной площади. Для компенсации размагничивающего действия вихревых токов приходится увеличивать ток намагничивания, что в итоге приведет к насыщению сердечника и усилению нелинейных процессов в катушке с сердечником.

6

Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник формируется из отдельных листов (пластин) электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковой пленкой или окислами. При этом эффект вытеснения основного потока из магнитопровода снижается в 1,5-2 раза, уменьшаются потери на вихревые токи.

Эмпирическая формула для вычисления потерь на вихревые токи имеет

вид:

Pf f f 2 Bm2 G ,

где σf=1,05÷1,08 – расчетный коэффициент; f – частота намагничивающего тока, Гц;

Bm – амплитудное значение магнитной индукции, Тл; G – масса сердечника, кг.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

В зависимости от величины этих потерь и соответственно формы петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые характеризуются круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малой площадью петли гистерезиса; вторые обладают полого поднимающейся основной кривой намагничивания и большой площадью гистерезисной петли.

Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты) определяют малые потери в сердечнике и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных потоках (трансформаторы, электродвигатели и др.). Магнитотвердые материалы (углеродистые стали, сплавы магнико, вольфрамовые сплавы и др.) используются для изготовления постоянных магнитов.

7

Раздел 2. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

I. Принцип действия машин постоянного тока

Машины постоянного тока (МПТ) находят широкое применение в качестве генераторов и двигателей.

Генератором называется ЭМ, преобразующая механическую энергию в электрическую.

Электродвигателем называется ЭМ, преобразующая электрическую энергию в механическую.

Работа электрических машин основана на единстве законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Из закона электромагнитной индукции следует, что величина электродвижущей силы (э.д.с.) в проводнике при пересечении магнитных силовых линий определяется равенством

e Blv sin , (1)

где В – величина магнитной индукции, Тл

I – активная длина проводника (т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле), м;

v – скорость движения проводника, м/сек;

α – угол между направлением магнитной индукции В и направлением скорости движения проводника v (обычно в электрических машинах α=90°, т. е. sinα =1). Если замкнуть концы проводника на сопротивление, то по проводнику потечет ток i. Прохождение тока i по проводнику, находящемуся в магнитном поле, вызывает появление электромагнитной силы FПР, величина которой определяется равенством

FПР=Bil, Н, (2)

где i — величина тока, А;

Направление э.д.с. определяется по правилу правой руки. Если правую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца покажут направление наведенной в проводнике э.д.с.

Направление электромагнитной механической силы FПР определяется по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ее ладонь, а вытянутые в плоскости ладони пальцы указывали направление тока проводника i, то отогнутый в плоскости ладони на 90° большой палец покажет направление действия электромагнитной силы FПР. В генераторном режиме эта сила направлена против движения проводника. Ее тормозное действие преодолевается силой, создаваемой вращающим моментом на валу от первичного двигателя, который вращает якорь генератора.

Для объяснения принципа действия МПТ, работающей в генераторном режиме, воспользуемся рис. 1. Магнитная система машины состоит из двух неподвижных в пространстве полюсов N–S, создающих постоянный магнитный поток, направленный от северного полюса N к южному полюсу S. В междуполюсном пространстве находится якорь, на котором уложены

8

проводники аb и dc. Эти проводники соединены между собой последовательно, образуя виток. Концы витка присоединены к двум полукольцам I и II, изолированным друг от друга и от вала. На полукольца наложены неподвижные щетки А и В, к которым присоединяют нагрузку.

Рис. 1. Принцип действия машины постоянного тока (а) и графики выпрямленного напряжения и тока при одном витке на якоре (б) и при четырех витках на якоре (в)

Предположим, что якорь генератора вращается против часовой стрелки. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э.д.с, направление которой указано на рисунке стрелками. Так как проводники аb и dc находятся под полюсами разной полярности, то результирующая э.д.с. витка будет равна арифметической сумме э.д.с. проводников. Активная длина проводника и скорость движения якоря в процессе работы генератора остаются неизменными. Поэтому формулу (1) можно записать в следующем виде:

e = kB,

где k – постоянная величина.

Таким образом, в рассматриваемых условиях характер изменения во времени э. д. с. в проводнике определяется характером изменения магнитной индукции под полюсом.

Пространственное распределение магнитной индукции под полюсом может быть принято синусоидальным:

B=Bmsinα.

На рис. 2, а показана диаграмма распределения магнитной индукции В в воздушном зазоре.

Линия ОО', проходящая через центр якоря посередине между полюсами,

называется геометрической нейтралью.

Часть окружности якоря, приходящаяся на один полюс, называется

полюсным делением или полюсным шагом

D ,

2 p

9

где D – диаметр якоря;

р – число пар полюсов.

Рис. 2. Диаграмма распределения магнитной индукции под полюсом

При повороте якоря на 360°, т. е. на угол, соответствующий двум полюсным делениям при 2р=2, произойдет полный цикл изменения э.д.с. в проводе (рис. 2, б). Для внешней цепи щетки А и В (см. рис. 1, а) имеют неизменную полярность благодаря наличию полуколец I и II. Для нашего примера полярность полукольца I и щетки А положительная. При повороте якоря на 180° полярность полукольца I изменится, но при этом щетка А будет соприкасаться с положительным полукольцом II, которое до поворота якоря было отрицательным. Таким образом, потенциал щетки А все время будет положительным, а потенциал щетки В – отрицательным. Во внешней цепи будет протекать пульсирующий ток, постоянный по направлению (см. рис. 1,

б).

Для получения постоянного по величине тока на якоре укладывается большое количество витков, равномерно распределенных по якорю. Каждый виток присоединяется к своей паре пластин. Совокупность таких пластин называется коллектором. Основное назначение коллектора – выпрямлять индуктированную в проводниках якорной обмотки переменную э. д. с. В отличие от полупроводниковых выпрямителей, коллектор является механическим выпрямителем.

Пульсации выпрямленного напряжения на коллекторе в обычных МПТ выражены довольно незначительно. Уже при 8 коллекторных пластинах, приходящихся на полюсный шаг, пульсации напряжения не превышают 1% (см. рис. 1, б), а в реальных машинах не более 0,1%.

II. Устройство машин постоянного тока

ЭМ состоят из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, разделенных воздушным зазором. В МПТ статор состоит из станины, главных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока, и добавочных полюсов, служащих для улучшения коммутации. Часть машины, где размещается обмотка, в которой

10