Конструкция электрических машин
Большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их подвижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. В.З) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая — имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.
Рис. В.З. Обобщенная конструктивная схема электрической машины
Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, возникший в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на вращение какого-либо механизма, станка и т. п.
Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, — на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.
Диапазон мощностей электрических машин весьма широк — от долей ватт до сотен тысяч киловатт.
Страница обновлена: 05.02.2018
Отзывы и пожелания можно направлять по адресу energ2010@yandex.ru
Информация предоставлена для ознакомления и не является официальным источником.
Конструктивная схема электрических машин
§1.3. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Основные элементы конструкции. Вращающиеся электрические машины независимо от их исполнения имеют некоторые однотипные элементы конструкции. Каждая вращающаяся машина имеет две основные части: вращающийся ротор 1 и неподвижный статор 2 (рис. 1.1). В большинстве случаев ротор располагается внутри статора. Между ними всегда имеется воздушный зазор 3. Ротор крепится на валу 4,
Рис. 1.1. Конструктивная схема электрической машины:
1 — ротор; 2 — статор; 3 — воздушный зазор; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 — корпус
Рис. 1.2. Асинхронный двигатель в защищенном исполнении:
1 — лапы для крепления машины; 2 — вентиляционное окно для входа охлаждающего воздуха; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — подшипниковые щиты; 6 — корпус; 7— вентиляционное окно для выхода воздуха
который опирается на подшипники 5. Один конец вала удлинен для сопряжения с другими рабочими механизмами. Подшипники обычно располагаются в подшипниковых щитах 6, прикрепленных болтами к корпусу (станине) 7. Статор также крепится к корпусу.
На рис. 1.2 и 1.3. дан общий вид асинхронных двигателей, а на рис. 1.4 представлен двигатель в разобранном виде.
Часть машины, где размещается рабочая обмотка, в которой индуктируется э. д. с, называется якорем. Якорем может быть ротор или статор.
Системы охлаждения. Электрические машины выполняются с естественным и искусственным охлаждением. В ка-
честве охлаждающей среды используется воздух, в некоторых случаях масло, водород или вода.
Естественное охлаждение происходит за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Движение охлаждающей среды может создаваться в результате вращения частей машины, в которой не
Рис. 1.3. Асинхронный двигатель в закрытом исполнении: 1 — лапы для крепления машины; 2 — подшипниковый щит; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — корпус; 5 —кожух. Стрелки А и В показывают направление движения воздуха
Рис. 1.4. Асинхронный двигатель защищенного исполнения в разобранном виде: 1 — ротор; 2 — статрр; 3 — лапы для крепления; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 — корпус; 8 — вентиляционные лопатки
имеется специальных вентиляционных приспособлений. Микромашины обычно имеют естественное охлаждение.
Вращающиеся электрические машины мощностью более 0,6 квт обычно выполняются с искусственным охлаждением, которое осуществляется при помощи специальных вентиляционных устройств. Применение вентиляции позволяет существенно повысить мощность и является экономически целесообразным. Машины с искусственным охлаждением имеют меньшие габариты, вес и расход активных материалов.
Электрические машины малых и средних мощностей обычно выполняются с самовентиляцией. В этом случае напор охлаждающегося воздуха создается вентилятором, который укрепляется на валу, или вентиляционными лопатками и приспособлениями (см. 8 на рис. 1.4), укрепленными на торцовой поверхности ротора.
В машинах охлаждающий воздух может прогоняться в направлении оси вала (рис. 1.5, а). Такая система вентиляции называется осевой. Осевая вентиляция может быть вытяжной или нагнетательной. В первом случае вентилятор помещается на «выходе», во втором — на «входе» воздуха. Охлаждающий воздух может прогоняться и в радиальном направлении (рис. 1.5, б), проходя по радиальным каналам между пакетами стали и обдувая лобовые части обмоток, Такая система вентиляции называется радиальной.
Во многих случаях применяется комбинированная радиально-осевая система вентиляции.
Виды исполнения. У электрических микромашин объем активных частей, в которых выделяется тепло, небольшой по отношению к поверхности охлаждения. Поэтому потери, приходящиеся на еди-
Рис. 1.5. Система вентиляции: а — осевая; б — радиальная
ницу поверхности охлаждения, небольшие, и микромашины сравнительно хорошо охлаждаются естественным путем. К тому же в микромашинах не остается места для размещения вентилятора, поэтому они (микромашины) обычно выполняются закрытыми и имеют внешнее естественное охлаждение.
Основным исполнением электрических машин мощностью свыше 0,6 квт является защищенное и закрытое обдуваемое. Машины в защищенном исполнении предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведу-щим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов. Машина, имеющая приспособления, защищающие от попадания в нее капель, падающих под углом к вертикали, называется брызгозащищенной. Доступ к вращающимся и токоведущим частям защищенной машины затруднен (рис. 1.2 и 1.6), так как вентиляционные окна, предназначенные для входа и выхода охлаждающего воздуха, расположены снизу таким образом, что брызги не могут попадать внутрь машины.
В машинах закрытого исполнения отсутствует интенсивное сообщение между ее внутренним пространством и окружающей средой. Для лучшего охлаждения нагретых частей внутри машины создается циркуляция воздуха, которая в некоторых случаях осуществляется внутренним вентилятором. Для лучшего охлаждения корпус
Рис. 1.6; Защищенный асинхронный двигатель с вертикальным расположением вала и фланцевым исполнением:
1 — окно, предназначенное для входа охлаждающего воздуха; 2 — окно, предназначенное для выхода охлаждающего воздуха; 3 — фланец
такой машины часто выполняется ребристым и обдувается внешним вентилятором, который прогоняет воздух, засасываемый из внешней среды, между корпусом и направляющим кожухом (рис. 1.3). В торцовой части кожуха имеются отверстия. Направление, в котором воздух засасывается в отверстие, показано стрелкой А. Стрелка В показывает направление движения воздуха, охлаждающего корпус (см. рис. 1.3).
Закрытые машины могут быть герметическими, имеющими газонепроницаемое, водонепроницаемое и взрывобезопасное исполнения. Мощность закрытых невентилируемых двигателей средних и больших мощностей при одинаковом нагреве обмоток должна быть уменьшена почти в два раза по сравнению с обдуваемыми машинами.
Электрические машины обычно выполняются для работы при горизонтальном или вертикальном положении вала. Крепление машины, как правило, осуществляется при помощи лап, расположенных на ее корпусе (см. рис. 1.2, 1.3 и 1.4). Некоторые машины вместо лап имеют для крепления на подшипниковом щите фланец (см. рис. 1.6).
Шумы электрических машин. Работа электрических машин сопровождается шумом, источником которого являются периодические колебания и упругие деформации отдельных частей машины. Шум может быть вызван механическими причинами, связанными с неточностью балансировки ротора, периодическим колебанием щеток вследствие неровной поверхности коллектора, трением щеток о коллектор и трением в подшипниках (особенно в шарикоподшипниках).
При работе машины может появиться так называемый магнитный шум, вызванный периодическими деформациями участков маг-нитопровода, которые могут возникнуть в результате изменения магнитной проводимости воздушного зазора при вращении зубчатого якоря, а при работе на переменном токе также вследствие периодического перемагничивания магнитной системы. Источниками шума могут явиться и вихреобразования потока воздуха, охлаждающего машину.
Условно можно считать машины бесшумными, если акустический уровень шума Г
Конструктивная схема электрических машин
| ||
 | ||
| Основными элементами конструктивной схемы электрической машины переменного тока, показанной на рисунке, являются: 1)Статор – имеет вид цилиндра, набранного из листов электротехнической стали. На внутренней части цилиндра имеются продольные пазы, в которые уложена обмотка статора. 2)Ротор – этот элемент может быть выполнен явнополюсным или неявнополюсным. В первом случае на валу ротора насажена массивная многоугольная крестовина (число граней – по числу полюсов ротора). В пазах этой крестовины закреплены полюса ротора, на которых насажены катушки обмотки ротора. Во втором случае ротор выполняется цилиндрическим (шихтованным или массивным). На его наружной части расположены продольные пазы, в которые укладывают обмотку ротора. 3)Передний и задний подшипниковые щиты – это круглые щиты, закрепленные на статоре. В их центральной части устанавливают подшипники качения, в которых вращается вал ротора. Если электрическая машина имеет большую мощность и массу, то для нее предусматривают подшипники скольжения, которые располагают в отдельных выносных стояках, установленных на общем с машиной фундаменте. В этом случае подшипниковые щиты называют наружными щитами. Они ограничивают внутренний объем машины, что необходимо в целях создания системы охлаждения электрической машины, защиты от пыли и т.п. 4)Вал машины объединяет в единое целое все элементы вращающейся части. На валу насажены собственно ротор, крылатка вентилятора, в машинах постоянного тока – коллектор, в синхронных генераторах – контактные кольца и т.д. Для крупных машин на одном валу может быть смонтирован возбудитель. 5)Коробка выводов обмоток машины. Она обычно закреплена на статоре или на корпусе (7) машины, если сердечник статора расположен внутри корпуса (коробка выводов на рисунке не показана).
6)Воздушный зазор между сердечниками статора и ротора. 7) Другие, более мелкие элементы конструкции: лапы для крепления машины на фундаменте; рым-болт – для подъема машины; щеточное устройство для электрического соединения обмотки ротора с внешней сетью; крышки подшипников; муфта на валу – для соединения вала машины с первичным двигателем у генератора или с исполнительным механизмом у двигателя и др. Конструктивная схема и устройство машины переменного токаЭлектрическая машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором (рис. 3.1). Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность, возможность вращения, охлаждения и т. п. Магнитопровод машины, по которому замыкается переменный магнитный поток, выполняют шихтованным — из листов электротехнической стали, как и у трансформатора. Если поток постоянный, то магнитопровод можно выполнять массивным; в этом случае он может осуществлять и конструктивные функции, т. е. служить элементом, обеспечивающим прочность данной части машины (статора или ротора). Так как в частях электрических машин магнитный поток замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных, в них, как правило, применяется изотронная холоднокатаная сталь. Только для изготовления полюсов синхронных машин и крупных машин постоянного тока иногда применяется анизотропная холоднокатаная сталь, так как в полюсах направление магнитных линий совпадает с направлением прокатки, в котором магнитная проницаемость очень велика. Сердечники статоров и роторов асинхронных машин и якорей синхронных машин постоянного тока штампуют из изотронной рулонной холоднокатной стали, позволяющей при раскрое получать экономию порядка 10—15% по сравнению с листовой, вследствие чего листовая сталь применяется очень редко.
Рис. 3.1. Конструктивная электрической машины: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — воздушный зазор; 4 — ротор; 5 — обмотка ротора; 6 — подшипники; 7 — подшипниковые щиты; 8 — вал ротора; 9 — вентилятор; 10 — станина В машинах малой мощности применяется сталь марки 2013, с низким содержанием кремния, достаточно вязкая, которая и позволяет получать мелкие пазы сложной конфигурации. В машинах средней и большой мощности применяют сталь марки 2212, 2311 и 2411, с повышенным содержанием кремния. Эти стали более хрупки, что затрудняет их штамповку, но имеют низкие потери на перемагничивание и не требуют отжига сердечников после штамповки. В микромашинах широко применяют также магнитопроводы, собранные из листов железоникелевых сплавов типа пермаллой. Статор асинхронных и большинства синхронных машин состоит из шихтованного магнитопровода (рис. 3.2, а), который запрессовывают в литую станину (рис. 3.2,6). Поскольку через массивную станину переменный магнитный поток не замыкается, станину можно выполнять из немагнитного материала (алюминия) или ферромагнитного с малой магнитной проницаемостью (чугуна), сравнительно дешевых и хорошо приспособленных к литейной технологии. На внутренней поверхности шихтованного статора, в пазах, располагают обмотку статора. Ротор асинхронной машины (рис. 3.2, в) обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора. В синхронных машинах ротор выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора. При изготовлении листов ротора и статора в них штампуют пазы (рис. 3.3, а и б) для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.
Рис. 3.2. Устройство статора и ротора машины переменного тока: 1 — пакет статора; 2 — станина; 3 — сердечник ротора; 4 — вал Рис. 3.3. Листы ротора (а) и статора (б): 1 — лист ротора; 2 — зубец; 3- паз; 4 — вентиляционный канал; 5- отверстие под вал; 6- лист статора Конфигурация зубцов и пазов (рис. 3.4 и 3.5) зависит от типа машины и ее мощности. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняют из проводников прямоугольного сечения; в этом случае применяют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. В машинах малой и средней мощности обмотки ротора и статора обычно выполняют из провода круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. В ряде случаев при проводниках прямоугольного сечения применяют полуоткрытые пазы, уменьшающие магнитное сопротивление слоя «зубцы — пазы -воздушный зазор» по сравнению с открытыми пазами. В микромашинах роторы часто имеют пазы круглой формы; при этом существенно упрощается и удешевляется изготовление штампов.
При укладке проводников в пазы дно и стенки покрывают изоляционным материалом (электрокартоном, лакотканью, миканитом и пр.). Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолируют друг от друга. Чем выше напряжение, при котором работает машина, тем большую электрическую прочность должна иметь изоляция проводников от сердечника ротора или статора. Проводники укрепляют в пазах ротора и статора с помощью клиньев, а на роторе, кроме того, с помощью проволочных бандажей или стеклобандажей, которые наматывают на лобовые части его обмотки (части обмотки, выходящие из сердечника ротора). В некоторых случаях бандажи располагают и в нескольких местах вдоль сердечника ротора. Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе должны быть расположены контактные кольца: три кольца при трехфазном токе и два кольца при постоянном токе. Исключение составляют асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, которым контактные кольца не требуются. Токосъем с контактных колец осуществляют с помощью щеток — прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки устанавливают в специальных щеткодержателях и прижимают к контактной поверхности с помощью пружин. Электрические машины мощностью примерно до 2000 кВт имеют шариковые или роликовые подшипники, которые располагают в подшипниковых щитах. При больших мощностях применяют скользящие подшипники. Электрические машины переменного тока — асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность физических процессов обусловливает общность теории и сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины.  Горючее в баке автомобиля должно соответствовать предусмотренному  Присадки для двигателя помогают «оживить» устаревший  Система работающего двигателя достаточно защищена от  Работу двигателя обеспечивают сразу несколько важнейших |
