Общие сведения об электрических машинах

Электрические машины имеют чрезвычайно широкое распространение. Они применятся в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в энергетике, на транспорте, в авиации, в морском и речном флоте, медицине, быту и т.д.

Существует большое разнообразие электрических машин. Ониразличаются по принципу действия, мощности, частоте вращения. Размеры машин колеблются в широких пределах. Имеются машины, которые могут быть размещены в наперстке, а есть машины, диаметр которых превышает 16 м.

Широкому распространению электрических машин способствуют их высокие энергетические показатели, удобство обслуживания и простота управления.

Электрическая машина – это электромеханический преобразователь, который может превращать механическую энергию в электрическую или наоборот —электрическую в механическую.

Электрические машины, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, называются электрическими генераторам.

Электрические машины, в которых совершается преобразование электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями.

Конструктивно двигатель устроен так же, как и генератор.

Электрические генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии. Более половины вырабатываемой электроэнергии потребляют электрические двигатели.

В электрической машине взаимное преобразование механической и электрической энергии может происходит в любом направлении, т.е. одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором. Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине. Однако каждая выпускаемая заводом-изготовителем электрическая машина проектируется и предназначается для одного, определенного режима работы (двигателем или генератором). При этом оказывается возможным наилучшим образом приспособить машины для заданных условий работы.

По роду тока электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и машины переменного тока.

Машины переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные.

В курсе электрических машин изучают также трансформаторы. В трансформаторе электрическая энергия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого напряжения.

Трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не происходит превращения одного вида энергии в другой. Однако физические процессы, происходящие в трансформаторе, имеют много общего с процессами, происходящими во вращающихся электрических машинах. Аналогичны и уравнения, описывающие эти процессы. Поэтому теорию трансформаторов обычно рассматривают совместно с теорией электрических машин.

Электрические машины выпускаются на различные мощности: от долей ватта до нескольких десятков и сотен мегаватт. Их обычно подразделяют на микромашины до 500 Вт, машины малой мощности— от 0,5 до 10 кВт, машины средней мощности — от 10 до 200 кВт и машины большой мощности— 200 кВт и выше.

В2. Материалы, применяемые в электромашиностроении

В электрических машинах и трансформаторах используются проводниковые, изоляционные, магнитные и конструкционные материалы. Проводниковые, изоляционные (диэлектрические) и магнитные материалы называют электротехническими.

Обмотки электрических машин и некоторых трансформаторов изготавливаются из меди. Промышленностью выпускаются также трансформаторы с обмотками из менее дефицитного и более дешевого алюминия. Алюминий имеет значительно меньшую плотность по сравнению с медью, но его удельное электрическое сопротивление примерно в 1,6 раза выше. Технология изготовления алюминиевых обмоток несколько сложнее, чем медных.

Обмотки выполняются из проводников круглого и прямоугольного поперечного сечения, а обмотки маломощных трансформаторов иногда могут выполняться из тонкой фольги.

В процессе работы машин и трансформаторов происходят потери активной мощности, и возникающая при этом тепловая энергия нагревает элементы конструкции. Наименее стойки к воздействию теплоты – изоляционные материалы. Они лимитируют допустимые потери мощности и температуру нагрева всего устройства.

Кроме теплостойкости электроизоляционные материалы должны иметь высокие электрическую и механическую прочность, хорошие теплопроводность и стойкость к воздействию влаги и химически активных веществ.

Важнейшим показателем качества изоляционных материалов является их теплостойкость (или нагревостойкость), которая определяет расход активных материалов, надежность работы и срок службы машин и трансформаторов. Разные изоляционные материалы, имеющие различную нагревостойкость, по ГОСТ 8865—93 подразделяются на семь классов, которые характеризуются максимальной допустимой температурой нагрева Θ_доп (табл. В.1).

Таблица В1

Классы изоляционных материалов по нагреваемости

Перечислим материалы, принадлежащие к разным классам по нагре востойкости:

Y— бумага, картон и другие материалы на основе целлюлозы, шелка, хлопка, не пропитанные жидким диэлектриком, а также синтетические материалы: полиэтилен, полистирол и др.;

А — материалы на основе целлюлозы, шелка, хлопка и дерева, пропитанные жидким диэлектриком (гетинакс, текстолит, лакоткани, электротехнический картон), трансформаторное масло, капрон и др.;

Е — эмаль (винифлекс), эпоксидная смола, лавсан и другие синтетические материалы;

В — материалы на основе слюды (миканит, микалента), асбеста и стекловолокна, пропитанные органическими лаками и смолами;

F — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, про­питанные смесью органических лаков и кремнийорганическими смолами, а также высокопрочная эмаль на полиэфиримидной основе;

Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, пропитанные кремнийорганическими смолами (стекломиканит, стеклолакоткань, стеклотекстолит и др.);

С — слюда, асбест, стекловолокно, стекло, кварц, фарфор в чистом виде, без пропиток.

При воздействии температур, превышающих Θ_доп, физико-химические свойства электроизоляционных материалов ухудшаются, их механическая и диэлектрическая прочность уменьшается, поэтому срок службы становится существенно меньше.

Сердечники электрических машин и трансформаторов изготавливают из магнитного материала — специальной электротехнической стали, которая отличается от обычных конструкционных сталей более высокой магнитной проницаемостью μ и более низкими удельными потерями мощности в единице объема. Меньшие потери в электротехнической стали определяются более высоким удельным электрическим сопротивлением вследствие легирования ее кремнием.

8

Рис. В1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов:

1 – холоднокатанная сталь; 2 – горячекатаная сталь; 3 – конструкционная сталь; 4 – серый чугун

Характеристики трансформатора, сердечник которого выполнен из обычной конструкционной стали, будут очень плохими (он будет иметь значительно большие габаритные размеры, ток холостого хода и потери), т.е. КПД такого трансформатора окажется весьма низким.

Сердечники магнитопроводов собраны из тонких пластин толщиной обычно 0,35 или 0,5 мм. Для увеличения сопротивления вихревым токам пластины изолируются лаком или оксидной пленкой. В результате вихревые токи и вызванные ими потери мощности существенно снижаются.

Существует несколько марок электротехнической стали. При этом сталь, которая используется в сердечниках трансформаторов, часто называют трансформаторной. Ранее это была горячекатаная изотропная сталь, сейчас почти исключительно – холоднокатаная анизотропная сталь. У холоднокатаных сталей магнитная проницаемость в направлении прокатки выше, чем у горячекатаных, а удельные потери меньше. Например, при индукции 1 Тл и частоте f = 50 Гц одна из типичных марок горячекатаной стали имеет потери 1,2 Вт/кг, а холоднокатаной – 0,7 Вт/кг. Магнитопроводы электрических машин изготавливаются из изотропной стали, причем как горячекатаной, так и холоднокатаной, а у крупных машин – из анизотропной.

Для сравнения магнитных свойств электротехнических и кон­струкционной сталей и серого чугуна на рис. В.1 приведены их кривые намагничивания. Магнитная проницаемость равна отношению индукции В к напряженности магнитного поля Н. Отметим, что с насыщением она уменьшается.