Глава 8 Элементы конструкции и механические расчеты (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин)

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 1600 10⁵ Па.

Напряжение смятия шпонки, Па,

(8.8)

где — число шпонок; — размеры контактной поверхности одной шпонки, м.

Допустимое напряжение Па.

Пример. Исходные данные: синхронный двигатель кВт, м, м, м, , м, м. Размеры пальца: м, м. Контактная поверхность шпонки м², для шайбы м, 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,