Материалы. В электрических машинах используются конструкционные, активные и изоляционные материалы.
Конструкционные материалы применяются для восприятия и передачи механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты, нажимные шайбы и др.), для них используют сталь, цветные материалы и их сплавы, пластмассы.
Активные материалы делятся на проводниковые и магнитные, из них изготавливают активные части машины обмотки и сердечникимагнитопроводов. Проводниковые материалы в большинстве случаев - это электролитическая медь и рафинированный алюминий или их сплавы.
Для изготовления магнитопроводов применяется листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая сталь и иногда чугун.
Наиболее важный класс магнитных материалов составляют листовые электротехнические стали с добавлением кремния для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи.
Электротехническая сталь разделяется на ряд марок, например Э11, Э21, Э31, Э43, Э310, отличающихся друг от друга содержанием кремния (первая цифра после буквы Э): 1 -слаболегированная (содержание кремния 0,8- 1,8%); 2- среднелегированная; 3- повышенно-легированная; 4 - высоколегированная (кремния до 4,8%). Вторая цифра за буквой Э: 1, 2 и 3- соответственно нормальные, пониженные и низкие удельные потери; третья цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурованная. В машинах с частотой тока до 100 Гц обычно применяется листовая сталь толщиной 0,5 мм, при более высоких частотах ■■- более тонкая сталь.
Изоляционные материалы используют для изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали. Они должны иметь высокую электрическую и механическую прочность, нагревостойкость и теплопроводность, малую гигроскопичность и толщину. Изоляционные материалы могут быть твердые, жидкие и газообразные. В электромашиностроении наибольшее значение имеют твердые изоляционные материалы. Нагревостойкость изоляционных материалов решающим образом влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. Государственный стандарт на тяговые электрические машины (ГОСТ 2582--81) предусматривает пять классов нагревостойкости изоляции - А, Е, В, Р и Н. В тепловозных тяговых машинах используются изоляции классов В, Р и Н.
Класс В объединяет изоляционные материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостойкости органического происхождения. Сюда относятся материалы на основе тонкой щипаной слюды -- микалента, микафолит, миканит, а также слюдинитовые материалы. К классу В принадлежат различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, фторопласт-3, некоторые полиуретано-вые смолы и др.
К классу Г" относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с использованием органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими и другими смолами с высокой нагревостойкостью.
Класс Н включает в себя материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с крсмнийорганическими, поли-органометаллосилоксановыми и другими нагревостойкими смолами. Такие смолы применяются при изготовлении миканита, слюдинита, стекломиканита, стекломикаленты, стеклослюдинита, стеклолако-ткани и стеклотекстолита. К классу Н также относится изоляция на основе фторопласта-4.
Под воздействием вибраций, тепла и других факторов происходит старение изоляции, т. е. потеря механической прочности и изолирующих свойств. Опытами установлено, что срок службы изоляции классов Л н В снижается в два паза при повышении температуры на каждые 8 10 °С сверх 100°С.
Тяговые генераторы и электродвигатели тепловозов ТЭ1, ТЭ2 и ТЭЗ имеют изоляцию класса В. На тяговых машинах более мощных тепловозов применена изоляция классов Р и Н.
Нагревание электрических машин. Для тепловозных тяговых электродвигателей и тяговых генераторов установлен продолжительный номинальный режим. Продолжительный режим тягового электродвигателя определяется наибольшим током, который не вызывает превышения температур частей электродвигателя выше допустимых, установленных ГОСТ 2582 81, при работе его на испытательном стенде неограниченно долго при номинальном напряжении и требуемом охлаждении.
Для тягового генератора установлены два продолжительных режима для низшего напряжения (номинальный) и при высшем напряжении. Так как тяговые машины тепловоза работают при резко меняющихся нагрузках, то и температура этих машин достигает предельной или при сравнительно небольшой нагрузке в течение длительного времени, или при очень большой нагрузке в течение короткого промежутка времени. Соответственно этому различают ток продолжительного режима и максимальный кратковременный ток.
Ток продолжительного режима (продолжительный) - наибольший ток при номинальном режиме работы электрической машины, при котором предельно допустимое превышение температур обмоток над температурой охлаждающего воздуха (перегрев) достигает установившегося значения, соответствующего данному классу изоляции.
Предельно допустимые превышения температур обмоток (измеренные методом сопротивления) и коллектора (измеренное методом термометра) при продолжительном режиме тяговых машин следующие.
|
Класс изоляции В |
F |
Н |
|
Обмотка якоря, "С 120 |
140 |
160 |
|
Обмотка возбуждения, °С 130 |
155 |
180 |
|
Коллектор, °С 95 |
95 |
105 |
При больших перегревах про-' исходит разрушение изоляции.
Процесс нагревания обмоток электрических машин происходит постепенно.
При различных токах нагрузки он может быть изображен в виде кривых, если по горизонтальной оси отложить время t, а по вертикальной - превышение температуры т (рис. 2.14). Каждая кривая соответствует определенному току якоря 1, при 850 об/мин вала генератора.
Как видно из рис. 2.14, при любом токе превышение температуры обмотки возрастает сначала быстро (за 30 мин оно достигает 50% установившегося значения), а затем медленно приближается к определенному значению - так называемому установившемуся превышению температуры т,. (через 180-249 мин). Чем больше ток, тем больше установившееся превышение температуры (при 1, = 1800 А ту = 76° С, при 1г = 2400 А ту=102°С). Кривые нагревания показывают, что если машина работает с током, большим продолжительного, но кратковременно, то перегрев обмоток не превысит допустимого значения.
Все рассмотренные примеры взяты при условии, что машина начинает работать с холодного состояния обмоток. На этом же рисунке показаны кривые остывания (падающие), позволяющие определить снижение перегрева обмотки (после прохождения тяжелого подъема), если ток нагрузки уменьшился. При тяговых расчетах масса поезда выбирается такой, чтобы превышения температуры обмоток не были выше допустимых по стандарту.
Всякая электрическая машина, в том числе и тепловозная, характеризуется данными номинального режима: мощностью, напряжением, током и частотой вращения якоря. Для тяговых тепловозных электрических машин важны также максимальные величины тока и напряжения и их масса.
Охлаждение электрических машин. Если температура электрической машины превысила температуру окружающей среды, происходит отдача теплоты. Тепло отводится от машины тем больше, чем быстрее сменяется воздух, соприкасающийся с нагретыми частями. Номинальная мощность машины зависит от применяемого класса изоляции и интенсивности охлаждения.
От машины можно получить тем большую мощность (без недопустимого перегрева ее частей), чем выше интенсивность охлаждения. Для интенсивной отдачи теплоты в тепловозных электрических машинах применены две системы охлаждения: независимая (принудительная) и самовентиляция.
При независимой системе охлаждения устанавливают специальный вентилятор, подающий охлаждающий воздух в машину со стороны коллектора и выбрасывающий его со стороны задних лобовых частей обмотки якоря или, наоборот, нагнетающий его со стороны лобовых частей и выбрасывающий со стороны коллектора. По первому типу устроено охлаждение тепловозных тяговых электродвигателей (рис. 2.15, а), по второму - тяговых генераторов мощных тепловозов. Независимая вентиляция является наиболее
Рис. 2.15. Схемы независимой системы охлаждения: а- аксиально-осевая; б - радиально-осевая; 1- коллектор; 2- корпус (остов); 3 ■ входное вентиляционное отверстие; 4 - добавочный полюс; 5- главный полюс; 6- выходное отверстие; 7- задние лобовые части обмотки якоря; 8- якорь; 9 валэффективной, так как позволяет применить высокопроизводительный вентилятор. При самовентиляции вентиляторное колесо, насаженное на вал якоря, всасывает воздух со стороны коллектора и выбрасывает его наружу.
Так устроена система охлаждения у тяговых генераторов маневровых тепловозов с передачей постоянного тока и магистрального тепловоза ТЭЗ.
Все тепловозные машины имеют параллельную вентиляцию, т. е. один поток охлаждающего воздуха омывает поверхность коллектора, щеток, обмоток главных и добавочных полюсов, а также частично обмотку и сердечник якоря. Второй поток охлаждает коллектор изнутри, проходит по аксиальным (в осевом направлении) или радиальным вентиляционным каналам сердечника якоря электрической машины и выбрасывается наружу (рис. 2.15, б). В зависимости от этого различают осевую и радиально-осевую системы охлаждения.
Глава 3
ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
⇐ | Реакция якоря, коммутация, мощность, к.п.д. | | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Особенности тяговых машин | ⇒