Материалы, применяемые в электромашиностроении.

В настоящее время улучшение показателей машин общего назначения достигается, в основном, за счет повышения качества материалов, применяемых при их изготовлении. Используемые в электромашиностроении материалы делят на магнитные, из которых изготовляются магнитопроводы, проводниковые, из которых выполняются обмотки, изоляционные и конструкционные. Магнитные и проводниковые материалы принято относить к активным. Деление на активные и конструкционные материалы условно, так как часто функции материалов совмещаются. Магнитные, проводниковые, изоляционные и конструкционные материалы обеспечивают распределение электромагнитных и тепловых полей в электрической машине, при котором осуществляется оптимальное электромеханическое преобразование энергии.

2.1. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Для изготовления магнитопроводов электрических машин применяются листовая электротехническая сталь, стальное литье, листовая сталь, чугун и магнитодиэлектрики.

Тонколистовая электротехническая сталь по ГОСТ 21427.0 – 75 разделяется на 38 марок. Она изготовляется в виде рулонов, листов и резаной ленты.

Обозначения марок стали состоят из четырех цифр. Первая обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки, вторая – примерное содержание кремния, третья – группу по основной нормируемой характеристике. Эти три первые цифры в обозначении марки означают тип стали, а четвертая – порядковый номер типа стали.

Сталь подразделяют по структурному состоянию и виду прокатки на 3 класса: 1 – горячекатаную изотропную, 2 - холоднокатаную изотропную, 3 - холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой.

По содержанию кремния сталь подразделяют на 6 групп: 0 – с содержанием кремния, равным 0,4% включительно (нелегированная); 1 – с содержанием кремния, равным 0,4…0,8%; 2 – с содержанием кремния, равным 0,8…1,8% ; 3 – 1,8…2,8%; 4 – 2,8…3,8%; 5 – 3,4…4,8%.

По ГОСТ 21427.0 – 75 химический состав стали не нормируют.

По основной нормируемой характеристике стали делят на 5 групп: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (р_1,7/50); 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (р_1,5/50); 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (р_1,0/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В_0,4); 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В₁₀).

Свойства стали зависят от содержания кремния и условий ее изготовления. Сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую относительную магнитную проницаемость и большие магнитные потери, а также большую индукцию насыщения. Стали с высоким содержанием кремния имеют меньшие потери на вихревые токи и гистерезис и высокую относительную магнитную проницаемость в слабых и средних полях. Содержание кремния снижает плотность и повышает удельное электрическое сопротивление стали. Для стали с содержанием кремния 0,8…1,8% плотность составляет 7800 кг/м³ , удельное сопротивление 0,25∙10^-6 Ом∙м. Для стали с содержанием кремния 3,8…4,8% плотность составляет 7550 кг/м³, удельное сопротивление 0,5∙10^-6 Ом∙м.

В электротехнической промышленности широко применяют анизотропные холоднокатаные стали, имеющие в направлении проката более высокую проницаемость и меньшие потери в слабых полях, чем горячекатаные стали. В анизотропных сталях магнитные свойства вдоль прокатки и в направлении, перпендикулярном прокатке, - различные.

Созданы изотропные холоднокатаные стали с кубической текстурой, имеющие высокие магнитные качества как в направлении проката, так и в перпендикулярном направлении.

Горячекатаная изотропная тонколистовая электротехническая сталь изготовляется в виде листов следующих марок: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571 и 1572.

По точности прокатки по толщине сталь подразделяют на сталь нормальной (Н) и повышенной (П) точности.

На электротехнические заводы листы стали поставляются в термически обработанном состоянии. По состоянию поверхности сталь выпускается с травленой (Т) и с нетравленой (НТ) поверхностью. Поверхность листов должна быть гладкой, без ржавчины, отслаивающей окалины, налета порошкообразных веществ, препятствующих нанесению изоляции.

Пример условного обозначения листа толщиной 0,5 мм, шириной 1000 мм, длиной 2000 мм, повышенной точности прокатки, класса неплоскостности 2, с травленой поверхностью, из стали марки 1512: лист 0,50х1000х2000-П-2-Т-1512.

На электротехническую холоднокатаную анизотропную тонколистовую сталь, изготовляемую в виде рулонов, листов и резаной ленты, распространяется ГОСТ 21427.1 – 83, соответствующий стандарту СТ СЭВ 102-85. Эта сталь выпускается следующих марок: 3311, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406.

По точности прокатки и неплоскостности сталь классифицируют так же, как и горячекатаная, по виду покрытия: с электроизоляционным термостойким покрытием (ЭТ), с покрытием, не ухудшающим штампуемость (М), мягкое, без электроизоляционного покрытия (БП).

Рулонную сталь изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,50 мм и шириной 750, 860 и 1000 мм. Резаную ленту изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35; 0,50 мм, шириной 170, 180, 190, 200, 240, 250, 300, 325, 360, 400, 465 и 500 мм. Предельные отклонения по толщине стали, по ширине рулона и ленты, неплоскостность оговариваются ГОСТ. Сталь поставляется в термически обработанном состоянии. Сталь толщиной 0,28; 0,30 и 0,35 мм изготовляют с электроизоляционным термостойким покрытием, а сталь толщиной 0,50 мм – без электроизоляционного термостойкого покрытия или с покрытием, не ухудшающим штампуемость. Магнитные свойства стали приведены в приложении 1.

Тонколистовая холоднокатаная изотропная электротехническая сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты следующих марок: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412 (ГОСТ 21427.2-83).

По точности прокатки, неплоскостности, коэффициенту заполнения подразделения те же, что и у анизотропной стали. По типу покрытия эти стали выпускаются с термостойким электроизоляционным покрытием (ЭТ), с нетермостойким (Э) и без покрытия (БП). Изотропную рулонную сталь изготовляют толщиной 0,35; 0,50; 0,65 мм и шириной 500, 530, 600, 670, 750, 850 и 1000 мм.

Магнитные свойства сталей характеризуют кривые намагничивания, приведенные в приложении 2. Потери в стали от вихревых токов и гистерезиса определяются удельными потерями, т. е. потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном напряжении.

Магнитные характеристики сталей, приведенные в приложении 1, сняты на образцах на аппарате Эпштейна. Геометрия листов стали, механическая обработка искажают свойства электротехнической стали. Поэтому магнитные характеристики сталей в магнитопроводах электрических машин учитываются технологическими коэффициентами, которые определяются обычно опытным путем и учитывают конструкцию и технологию изготовления.

Для уменьшения потерь от вихревых токов листы стали изолируют лаком и выпускают с термостойким покрытием. Изоляционные прослойки уменьшают активное сечение пакета стали, что учитывается коэффициентом заполнения пакета сталью . Он характеризует отношение сечения стали (без изоляции) ко всему сечению пакета. В табл. 2.1 приведены усредненные значения в зависимости от изоляции и толщины листов, так как зависит от степени прессовки листов и длины пакетов.

Таблица 2.1. Коэффициент заполнения пакета сталью k_c.

Роторы короткозамкнутых асинхронных машин с заливкой пазов алюминием собирают из неизолированных листов. В этом случае берется равным 0,95.

Для магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях, применяются: техническое железо с содержанием углерода менее 0,04%, а также углеродистые стали и чугуны.

Для изготовления небольших магнитопроводов используются магнитодиэлектрики – материалы, имеющие высокие магнитные свойства и высокое электрическое сопротивление.

Листовая сталь 1211 толщиной 0,5 или 1 мм применяется для изготовления главных полюсов машин постоянного тока. Для полюсов синхронных машин используются стали толщиной 1…2 мм и более. Это ведет к улучшению , который в этом случае составляет 0,95…0,98.

Листовая сталь применяется для сварных станин машин постоянного тока и изготовления ободов роторов синхронных машин. Толщина листовой стали колеблется от 1,5 до 12 мм. Магнитные свойства такие же, как и у литой стали.

Стальное литье используется для изготовления станин и роторов синхронных машин. Магнитные характеристики углеродистой стали приведены в приложении 1. Кованые стали находят применение при изготовлении роторов синхронных машин и добавочных полюсов машин постоянного тока. Чугун в последнее время в электромашиностроении используется все реже из-за плохих магнитных свойств.

2.2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К проводниковым материалам, применяемым в электромашиностроении, относятся медь и алюминий. Серебро, имеющее удельное сопротивление, на 4 % меньшее по сравнению с медью, относится к дефицитным материалам и почти не применяется при изготовлении электрических машин.

Почти все изделия из меди для электротехнической промышленности изготовляются путем проката, прессования и волочения. Волочение применяют для производства проводов диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и фольги толщиной до 0,008 мм. При механических деформациях медь подвергается наклепу, который может быть устранен термообработкой [12].

В соответствии с ГОСТ 859 медь по химическому составу делится на девять марок: М1, М00к, М0ку, М0к, М00б, М0б, М1б, М1к, М1у. Цифры 0, 00, 1 определяют содержание меди, наибольшее содержание меди имеют марки М00к и М00б.

Индексы при марках имеют следующие значения: к, ку – катодная медь, б – бескислородная, у – катодная переплавленная. Примеси оказывают неблагоприятное влияние на механические и электрические свойства меди, поэтому медь с содержанием примесей выше 0,1 % для изготовления проводов не используется.

Для производства коллекторов машин постоянного тока применяется твердотянутая медь с присадкой кадмия. Кадмий увеличивает механическую прочность меди и благоприятно сказывается на качестве пленки на поверхности пластин, улучшая коммутацию.

Высокая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнической промышленности. Важными свойствами алюминия являются его малая плотность, низкая температура плавления, высокая пластичность, прочная и очень тонкая оксидная пленка, защищающая алюминий от коррозии. Алюминий хорошо обрабатывается давлением, и из него получаются листы, проволока, тончайшая фольга и штампованные детали. Плотность алюминия в 3,3 раза ниже, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди. Поэтому на единицу массы алюминий имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Алюминиевые провода с буквой А в обозначении изготовляют из алюминия марки АЕ, имеющего в своем составе 99,5 % чистого алюминия и 0,5 % примесей железа и кремния [12].

Для литейных сплавов наиболее употребительны сплавы АЛ2 и АЛ9.

Для заливки роторов асинхронных двигателей применяются сплавы, технические данные которых приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Алюминиевые сплавы для заливки роторов асинхронных двигателей

Сплавы, указанные в табл. 2.2, применяются при литье под давлением и центробежной заливке, сплавы АК3, АКМ4-4 и АМг7 – только при литье под давлением. Температура плавления составляет 640…740⁰ С.

Латунь (сплав меди с цинком) и бронзой (сплав меди с кадмием, бериллием и фосфором) применяются для изготовления короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей и демпферных обмоток синхронных машин. Они хорошо обрабатываются, имеют малую усадку и используются также для изготовления токоведущих деталей сложной формы.

В целях экономии меди контактные кольца асинхронных машин с фазным ротором выполняются из стали или чугуна. Из стали выполняются и роторы специальных асинхронных двигателей, но двигатели с массивным ротором применяются редко. В этом случае имеет место совмещение магнитных и проводниковых функций материалов.

В настоящее время обосновывается применение стальных проводов вместо медных в пусковых обмотках однофазных двигателей и измерительных цепях других электротехнических устройств.

При низких температурах, близких к абсолютному нулю, медь становится плохим проводником. В сверхпроводящих и криорезистивных проводах применяется сплав ниобия с титаном. Сверхпроводящая проволока имеет медное стабилизирующее покрытие, способствующее переходу сверхпроводника в нормальное состояние при резких изменениях магнитного потока. В последнее время выпускаются сверхпроводники, состоящие из транспортированных жил диаметром 1…10 мкм, число жил в медной матрице достигает сотен и тысяч.

Проводниковые материалы должны надежно использоваться в электрических машинах, работающих при 600⁰ С и выше. При температуре выше 225⁰ С медь начинает интенсивно окисляться, что приводит к резкому увеличению сопротивления и снижению эластичности. Чтобы защитить медную проволоку от окисления, наносится слой никеля. Биметаллическая проволока Cu—Ni для обмоточных проводов выпускается диаметром 0,1…2,5 мм.

При температуре 500…600⁰ С основными материалами биметаллических проводников являются серебро—никель и медь—нержавеющая сталь. Применяют также триметаллические проводники: медь—железо—никель или медь—железо—никопель [12].

2.3. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Электроизоляционные материалы, или диэлектрики, применяются в электромашиностроении для изоляции частей электрической машины, находящихся под разными потенциалами.

Диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. В электрических машинах применяют, в основном, твердые изоляционные материалы.

Толщина междувитковой и пазовой изоляции в большой степени определяет массогабаритные показатели машин. Нагревостойкость и теплопроводность изоляции определяют допустимые температуры частей машин и выбор электромагнитных нагрузок. Изоляция должна обладать необходимыми механическими свойствами и допускать механизацию и автоматизацию технологических процессов изготовления.

Изоляция во многом определяет надежность электрической машины. Срок службы электрической машины в нормальных условиях составляет 15…20 лет и зависит, главным образом, от срока службы изоляции.

При нагреве изоляции возникают процессы, приводящие к старению изоляции, т. е. к потере изолирующих свойств и механической прочности.

Нагревостойкость является одним из важнейших факторов, определяющих условия применения изоляции. Нагревостойкость — способность электроизоляционного материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации.

Согласно стандарту МЭК для определения нагревостойкости вводится характеристика, называемая температурным индексом (ТИ). Под температурным индексом понимается температура, при которой срок службы материала равен 20 тыс. ч.

Электроизоляционные материалы, применяемые в электромашиностроении, по нагревостойкости делятся на семь классов в соответствии с предельно допустимыми для них температурными (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Температурный индекс,