- •И механические расчеты
- •8.1. Магнитопровод статора
- •8.2. Станины
- •8.3. Валы
- •8.4. Подшипники. Подшипниковые щиты
- •8.5. Полюсы
- •8.6. Механический расчет магнитопровода ротора синхронной машины
- •8.6.1. Расчет дискового ротора
- •8.6.2. Расчет ротора в виде магнитного колеса
- •8.7. Роторы асинхронных двигателей и якоря машин постоянного тока
- •8.7.1. Механический расчет магнитопровода
- •8.7.2. Расчет бандажей и клиньев
- •8.8. Коллекторы
- •8.8.1. Механический расчет коллектора
- •8.8.2. Механический расчет коллектора на пластмассе
- •8.9. Контактные кольца
- •8.10. Токосъемный аппарат
Глава восьмая. Элементы конструкции
И механические расчеты
Наряду с электромагнитными и тепловыми расчетами, механические расчеты во многом определяют энергетические, массогабаритные и виброакустические показатели, а также надежность и срок службы электрических машин. Поэтому расчеты узлов и отдельных деталей при проектировании электрических машин имеют важное значение.
8.1. Магнитопровод статора
Магнитопроводы статора машин переменного тока общего назначения выполняют шихтованными из электротехнической стали толщиной 0,35...0,55 мм. При внешнем диаметре магнитопровода до 990 мм он выполняется из целых листов (рис. 8.1), а при больших диаметрах собирают из отдельных сегментов (см. рис. 10.14). По внутренней поверхности магнитопровода штампуют пазы требуемой формы для размещения в них обмотки статора. Так как в размерах отдельных зубцов имеется разброс, обусловленный допусками при изготовлении штампа, то при шихтовке магнитопровода листы укладываются в одно и то же положение относительно друг друга по шихтовочному знаку А, который вырубают на внешней поверхности. Для изоляции листов друг от друга их после снятия заусенцев лакируют. Если листы изготовляют из стали 2013, то их подвергают термообработке, в результате которой уменьшаются потери в стали и на поверхности создается оксидный и изоляционный слой.
Рис. 8.1. Периметр чертежа листа статора
При большой длине магнитопровода его делят на пакеты, между которыми выполняют вентиляционные радиальные каналы шириной 10 мм путем приварки к крайним листам пакета распорок (рис. 8.2), имеющие чаще всего двутавровое сечение.
Рис. 8.2. Крайний лист магнитопровода статора
с приваренными к нему распорками (а) и формы распорок (б)
При внешнем диаметре до 452…493 мм магнитопровода набирают из целых листов, насаживая их на цилиндрическую оправку диаметром, равным внутреннему диаметру статора. Для предотвращения деформации (распушения) относительно тонких зубцов торцевые листы магнитопровода штампуют из более толстых листов или их попарно сваривают точечной сваркой. Собранный таким образом магнитопровод прессуют и после этого скрепляют по внешнему диаметру П-образными скобами (рис. 8.3). Скобы приваривают к торцам и к внешней поверхности магнитопровода или, как это сделано у машин серии 4А, укладывают в специальные канавки В (см. рис. 8.1) в форме ласточкина хвоста на внешней поверхности магнитопровода. После укладки обмотки и пропитки ее лаком магнитопровод запрессовывают в станину и закрепляют стопорными винтами.
Рис. 8.3. Магнитопровод статора, стянутый скобами:
1 — магнитопровод; 2 — скоба; 3 — нажимная шайба
Иногда в асинхронных машинах небольших габаритов (<63 мм) спрессованный магнитопровод покрывают тонкостенной оболочкой из алюминия или алюминиевого сплава (рис. 8.4). Эта оболочка охватывает внешнюю и частично торцевые поверхности магнитопровода. Она скрепляет пакет и заменяет собой станину. Оболочка выполняется в формах на специальных машинах для литья под давлением. Такое изготовление статора экономически более выгодно по сравнению с изготовлением его с чугунной станиной.
При внешних диаметрах магнитопровода 520...990 мм он собирается из листов, которые укладываются в расточенный корпус или на обработанные ребра (рис. 8.5).
Рис. 8.4. Магнитопровод статора, залитый в оболочку:
1— магнитопровод;2— оболочка (корпус)
Рис. 8.5. Магнитопровод статора,
запрессованный нажимными шайбами:
1— нажимная шайба;2— ребро станины;
3— нажимные пальцы;4— запорная шпонка
Магнитопровод скреплен двумя нажимными шайбами (кольцами). Для создания осевого сжатия у одного края ребра имеется выступ, а у другого края — канавка, в которую вставляется запорная шпонка. Нажимная шайба передает усилие сжатия на магнитопровод через нажимные пальцы — стальные пластинки, приваренные к крайним листам.
При внешних диаметрах магнитопровода более 990 мм он собирается из сегментов. Различают слоевую шихтовку, при которой каждый слой состоит из целого числа сегментов, и винтовую, при которой в каждом слое последний сегмент перекрывает предыдущий.
Для шихтовки магнитопровода из сегментов существуют несколько способов крепления листов в корпусе. В машинах общего назначения наибольшее распространение находит способ крепления на сборочных шпильках 5, которые одновременно являются и стяжными (рис. 8.6). Базирование магнитопровода в радиальном направлении происходит на ребрах станины 1.
Рис. 8.6. Магнитопровод статора, стянутый шпильками:
1 — ребро станины; 2 — нажимное кольцо; 3 — нажимные пальцы;
4 — «глухая» стенка станины; 5 — сборочные шпильки
При механическом расчете магнитопровода проверяют прочность стягивающих его узлов.
При запрессовке магнитопровода шайбами проверяют прочность этих шайб, нажимных пальцев и шпонки. При стяжке магнитопровода шпильками выбирают их размер и число. При расчете исходят из того, что давление в запрессованном магнитопроводе находится в пределах 7 · 105...106 Па. Принимают, что образование веера в торцах зубцового слоя не снижает давление и реакции запрессовки. Такое допущение упрощает расчетные формулы.
Рис. 8.7. размеры двутаврового сечения нажимного пальца
Расчет нажимных шайб, пальцев и шпонок. На нажимные пальцы и шайбу действует изгибающий момент, созданный равномерным давлением спрессованного магнитопровода.
Полное усилие запрессовки, H,
, (8.1)
где — коэффициент, который определяется в зависимости от(см. рис. 8.5):;— площадь сечения всех пазов статора, м2; — внешний диаметр магнитопровода статора, м.
Диаметр равнодействующей усилия запрессовки, м,
, (8.2)
где — коэффициент;— высота паза, м.
Момент, изгибающий нажимную шайбу, Н·м,
. (8.3)
Напряжение изгиба, Па,
, (8.4)
где — в м (см. рис. 8.5).
Допустимое напряжение ограничено условием необходимой жесткости нажимной шайбы. Для стали марки Ст3 Па.
Изгибающий момент, действующий на нажимные пальцы крайних листов сердечника в сечении А—А (см. рис. 8.5), Н·м,
, (8.5)
где — число пазов.
Напряжение изгиба пальцев, Па:
При двутавровом сечении пальца (рис. 8.7)
, (8.6)
где — размеры в метрах по рис. 8.7;
при прямоугольном сечении пальца
. (8.7)
Допустимое напряжение для пальцев из стали марки Ст3 равно 1600105 Па.
Напряжение смятия шпонки, Па,
(8.8)
где — число шпонок;— размеры контактной поверхности одной шпонки, м.
Допустимое напряжение Па.
Пример. Исходные данные: синхронный двигателькВт,м,м,м,,м,м. Размеры пальца:м,м. Контактная поверхность шпонким2, для шайбым, число шпонок,
Площадь сечения всех пазов статора м2.
Усилие запрессовки по (8.1)
Н.
Из (8.2)
м;
Изгибающий момент по (8.3)
Н·м.
Напряжение изгиба по (8.4)
Па,
где при получаем.
Из (8.5)
Н·м
Напряжение изгиба пальцев по (8.7)
Па.
Напряжение смятия по (8.8)
Па.
Расчет числа и диаметра шпилек. Расчет проводится по усилию запрессовки магнитопровода, определяемому по (8.1).
Число шпилек
, (8.9)
где — площадь сечения шпильки по нарезке, м2; — внутренний диаметр резьбы шпильки, м.
Допустимое напряжение для шпилек из стали марки Ст3 равно 1600·105 Па, из стали марки Ст5 2100·105 Па.
Нажимные пальцы рассчитываются так же, как и в предыдущем случае.
Пример. Синхронный двигатель:м,м,м,м,.
Из (8.1)
Н.
Выбираем шпильки М36 (м2) из стали марки Ст3.
По (8.9)
.
Выбираем 8 шпилек.
Бандажные кольца обмотки статора. При протекании ток по обмотке статора на ее лобовые части действуют электродинамические силы, которые стремятся отогнуть их к магнитопроводу. Особенно велики эти силы при внезапных коротких замыканиях, когда токи возрастают в несколько раз по сравнению с их номинальным значением. Для предупреждения отгиба лобовых частей применяется крепление их с помощью бандажных колец (рис. 8.8). Необходимость применения бандажных колец определяется вылетом лобовых частей и высотой паза. Если длина вылета при данной высоте паза лежит выше кривой (см. рис. 8.8), то установка бандажных колец необходима. Число колец определяется из следующего расчета: одно кольцо на каждые 100 мм вылета лобовой части сверх значения, ограниченного кривой на рис. 8.8.
Рис. 8.8. к определению числа бандажных колец
Сечение колец выбирают по растягивающему усилию, испытываемому кольцом при внезапном коротком замыкании, Н,
, (8.10)
где — внутренний диаметр магнитопровода, м; — число полюсов; — относительное переходное реактивное сопротивление обмотки статора (находится из электромагнитного расчета); для предварительных расчетов можно принять у синхронных явнополюсных машин, у короткозамкнутых асинхронных двигателей, у асинхронных двигателей с фазным ротором.
Напряжение растяжки в кольце, Па,
, (8.11)
где — диаметр кольца, м.
Тогда
. (8.12)
При доброкачественной сварке кольца из стали марки Ст3 допустимое напряжение растяжения Па. Бандажные кольца изготавливают из прутков диаметрами 10, 12, 16, 20, 24 мм и прутков квадратного сечения 2222 и 3232 мм2. В машинах с внешним диаметром магнитопровода статора более 1 м приваривают петли, которые крепят с помощью шпилек к нажимным шайбам статора (рис. 8.9).
Рис. 8.9. Крепление бандажных
колец с помощью шпилек
Число шпилек выбирают в зависимости от диаметра сердечника: принимают 4 шпильки при диаметрах от 1 до 2 м, 6 шпилек при диаметрах от 2 до 2,6 м и 8 шпилек при диаметрах свыше 2,6 м.
Пример. Дано: м,м,, вылет лобовой части обмотки 23,4 см.
При высоте паза мм вылет лобовой части равен 23,4 см, поэтому бандажные кольца необходимы (23,4>21,5 см). Принимаем, тогда:
по (8.10)
Н;
по (8.12)
м.
Для изготовления кольца выбирается пруток диаметром 12 мм.