Бандаж обмотки якоря электрической машины постоянного тока
Владельцы патента RU 2747567:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к области электромашиностроения и касается конструкции якоря электрической машины постоянного тока. Технический результат - снижение нагрева обмотки якоря и увеличение ресурса электрической машины. Бандаж лобовых частей обмотки якоря выполнен из чередующихся участков двухслойного проволочного бандажа с лентами-прокладками из неэлектропроводного армированного материала и бандажа из стеклоленты, по высоте равного высоте участков проволочного бандажа. 3 ил.
Изобретение относится к области электромашиностроения и касается усовершенствования конструкции многослойного бандажа крепления обмотки на цилиндрическом якоре тяговой электрической машины постоянного тока.
Чередование в бандаже слоев бандажной проволоки и стеклоленты в осевом направлении якоря машины постоянного тока позволяет снизить температуру лобовых частей обмотки якоря и повысить ресурс электрической машины по показателю износовых отказов более, чем в два раза.
«Уровень техники»
Тяговая электрическая машина постоянного тока относится к классу машин предельного использования, работает в широком диапазоне изменения нагрузок и климатических условий при ограниченном диапазоне регулирования расхода охлаждающего воздуха. Сложность конструкции электрической машины, использование в ней конструкционных материалов с различными физическими характеристиками приводит неравномерности нагрева ее узлов. Опыт эксплуатации электродвигателей постоянного тока показывает, что максимальную температуру имеют лобовые части обмотки якоря со стороны, противоположной коллектору, которые определяют износ изоляции и сокращение ресурса электрической машины [1, 2].
Наименьшие допустимые температуры имеют коллекторный миканит и изоляция обмоток [3]. Вследствие того, что коллектор обладает высоким теплоотводом коллекторный миканит перегревается только на аварийных режимах работы машины (например, при неисправности системы охлаждения).
Плотность укладки обмотки якоря неравномерная. Пазовая часть обмотки имеет осевое расположение с эффективной теплопередачей к охлаждающему воздуху через сталь ярма.
Лобовая часть обмотки имеет диагональное расположение и покрыта бандажом. За счет диагональной укладки лобовой части обмотки на единицу поверхности охлаждения приходится большее тепловыделение. Поэтому теплопередача к охлаждающему воздуху через бандаж осуществляется менее эффективно, чем в пазовой части обмотки. Это приводит к перегревам обмотки якоря выше допустимого значения в лобовых частях, закрепляемых бандажами, и двух-трехкратному снижению ресурса машины относительно рекомендованного заводом-изготовителем из-за пробоя изоляции лобовой части обмотки [2].
В настоящее время известны проволочные бандажи крепления обмотки на цилиндрических роторах электрических машин [4, 5]. Для бандажирования обмотки роторов применяют стальную луженую проволоку диаметром 0,8-2 мм, обладающую большим сопротивлением на разрыв.
Главные недостатки проволочных бандажей - большие тепловые потери от вихревых токов в контурах, нагрев и термические деформации бандажа, которые приводят к деформации лобовых частей обмоток электрических машин и снижению прочности изоляции обмотки. Кроме того, при разрыве проволочного бандажа разрушаются полюсные катушки [5].
Для уменьшения потерь от вихревых токов в [6] (принято за прототип) предложена конструкция бандажа, выполненного сплошной намоткой изолированной проволоки из магнитного или немагнитного материала с четным числом слоев. Расположенная между слоями лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала, сокращает контуры для вихревых токов и уменьшает нагрев бандажа.
Недостатком данного технического решения для тяговых машин, работающих с большими токами, являются термические растяжения бандажной проволоки за счет ее нагрева и сил инерции вращения якоря, деформация лобовых частей обмотки якоря и повреждения изоляции, которые приводят к отказу самой машины.
Известна конструкция бандажа лобовой части обмотки якоря электрической машины в виде пакета выштампованных из листа "кольцевых металлических пластин, электрически изолированных одна от другой" неэлектропроводным покрытием [7]. Однако сложность предлагаемой конструкции делают маловероятным изготовить этот пакет. Кроме того, как и в предыдущем случае, термические деформации и большие силы инерции вращающегося якоря будут приводить к растяжениям "кольцевых металлических пластин" и деформациям самой обмотки.
Поскольку проволочные бандажи не обеспечивают надежной работы электрических машин, особенно тяговых двигателей, работающих в сложных условиях, Всероссийский электротехнический институт совместно с институтом Стекловолокна разработали нетканую стеклоленту для бандажа обмоток якоря тяговых двигателей, в которой смолы при нагреве заполняют пустоты, образуя гемогенную массу. В отвержденном состоянии стеклобандаж представляет собой твердую и жесткую конструкцию, в которой отсутствуют потери от вихревых токов и термические деформации самого бандажа и лобовых частей обмотки якоря [8].
Для наматывания бандажей из стеклоленты применяют то же оборудование, что и для бандажирования стальной проволокой с дополнительным приспособлением в виде натяжных роликов и укладчиков ленты [9].
Недостатком бандажей из стеклоленты является его низкая теплопроводность. Исследования тягового электродвигателя ЭД-118 показывают, что при использовании бандажа из стеклоленты температура лобовой части обмотки со стороны противоположной коллектору (задняя лобовая часть обмотки) при н.у. на продолжительном режиме работы (ток обмотки якоря Ia=720 A, частота вращения якоря 585 об/мин) на 4° превышает температуру пазовой части обмотки и на 12°С - среднюю температуру обмотки. Для изоляции класса нагревостойкости F повышение температуры обмотки на 12°С приводит к 1,5 кратному снижению ресурса относительно расчетного.
При увеличении тока обмотки якоря или снижении эффективности охлаждения температура обмотки якоря в лобовой части со стороны привода значительно повышается и сильно снижает ресурс изоляции.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом изобретения является повышение надежности тяговой электрической машины постоянного тока (ТЭМ), что обеспечивается повышением эффективности охлаждения лобовых частей обмотки якоря, в наибольшей степени подверженных перегревам в эксплуатации, и поддержанием температуры узлов указанных ГОСТом 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые" в зоне допустимого диапазона.
Предложенная конструкция бандажа обмотки якоря электрической машины постоянного тока позволяет обеспечить:
1. требуемую механическую прочность бандажа;
2. эффективную теплопередачу от обмотки якоря к охлаждающему воздуху через проволочные участки бандажа;
3. уменьшение собственной центробежной силы бандажа благодаря наличию участков из стеклоленты, имеющих меньший удельный вес, чем стальная проволока;
4. уменьшение вихревых токов и нагрева бандажа из-за наличия участков из стеклоленты;
5. уменьшение времени по наплавке припоя на проволочные участки бандажа. Указанный технический результат достигается тем, что бандаж обмотки якоря электрической машины постоянного тока выполнен из чередующихся участков двухслойного проволочного бандажа с лентами-прокладками из неэлектропроводного армированного материала и бандажа из стеклоленты по высоте равного высоте участков проволочного бандажа. Бандаж лобовых частей обмотки якоря выполняется комбинированным из бандажной проволоки и стеклоленты с последующей пропиткой лаком и запеканием, как предусмотрено технологией изготовления изоляции классов нагревостойкости F и Н.
«Краткое описание чертежей» На Фиг. 1 представлена конструкция бандажа лобовой части тяговой электрической машины со стороны коллектора.
На Фиг. 2 представлена конструкция бандажа лобовой части тяговой электрической машины со стороны, противоположной коллектору.
На Фиг. 3 проиллюстрировано изменение температуры обмотки якоря тягового электродвигателя ЭД-118 на продолжительном режиме работы при штатном бандаже обмотки якоря из стеклоленты и комбинированном бандаже из стеклоленты и бандажной проволоки.
«Осуществление изобретения»
Сущность изобретения состоит в следующем.
Конструктивно бандаж представляет собой последовательное чередование участков из двух слоев бандажной проволоки и многослойной стеклоленты по высоте равной высоте проволочного бандажа (Фиг. 1, Фиг. 2). В результате, при более эффективном теплоотводе от лобовой части обмотки якоря обеспечивается необходимая прочность бандажа.
1 - стеклолента; 2 - лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала; 3 - бандажная проволока; 4 - ярмо якоря; δ - обмотка якоря; 6 - коллектор; 8 -воздушный зазор; hб - высота бандажа
Конструктивно бандаж лобовой части обмотки якоря по длине разбивается на четыре участка: чередующихся участков проволочного бандажа, выполненного в два слоя бандажной проволокой (аналогично бандажу тягового электродвигателя ЭД-107), и бандажа, выполненного стеклолентой (аналогично бандажу тягового электродвигателя ЭД-118). Со стороны коллектора первый участок по ходу намотки бандажа выполняется из бандажной проволоки (Фиг. 1). Это необходимо, поскольку в соответствии с ГОСТ-2582 допустимое превышение температуры коллектора на 20-400С ниже, чем у обмоток с изоляцией классов нагревостойкости F и Н [2]. При такой намотке бандажа теплота от коллектора будет более интенсивно передаваться охлаждающему воздуху через обмотку якоря.
Со стороны, противоположной коллектору, ближний к ярму якоря участок бандажа выполняется из бандажной проволоки. Это способствует эффективной теплопередачи от обмотки якоря к охлаждающему воздуху (Фиг. 2).
В [9, 10] указано, что механическая прочность стеклобандажных лент (720 МПа) примерно в два раза меньше, чем у стальной бандажной проволоки (1500 МПа). Поэтому площадь сечения стеклобандажа принимается в два раза больше проволочного. Стеклобандаж несмотря на это, не требует дополнительного места, так как при его применении отсутствует подбандажная изоляция и по высоте участок стеклобандажа соответствует бандажу, выполненному в два слоя бандажной проволокой.
Технологически на лобовые части обмотки сначала следует наматывать стеклоленту слоями друг на друга до тех пор, пока общая высота стеклобандажа не достигнет высоты бандажа из проволоки с учетом прокладок из неэлектропроводного армированного материала, т.к. ротор до наматывания на него стеклоленты необходимо прогревать до 100°С для обеспечения требуемого остаточного напряжения при запекании бандажа [9]. Затем, наматывают бандаж из проволоки, заполняя свободные участки. Концы бандажной проволоки заделывают жестяными скобами. При этом намотку бандажа можно производить на одном рабочем месте, достаточно заменить механизм натяжения стеклоленты и проволоки.
Далее все участи бандажа пропаивают лаком и запекают.
Предлагаемая конструкция бандажа обладает преимуществами перед бандажами, выполненными только из проволоки и только из стеклоленты, а именно:
1. высокая механическая прочность;
2. эффективная теплопередача от обмотки к охлаждающему воздуху через проволочные участки бандажа;
3. уменьшение собственной центробежной силы бандажа благодаря наличию участков из стеклоленты, имеющих меньший удельный вес, чем стальная проволока;
4. уменьшение вихревых токов из-за наличия участков из стеклоленты и, следовательно, уменьшение нагрева бандажа;
5. уменьшение времени по наплавке припоя на проволочные участки.
Для предложенной конструкции бандажа методом конечных элементов был выполнен расчет изменения температуры обмотки якоря тягового электродвигателя ЭД-118 для продолжительного режима работы (Фиг. 2). На Фиг. 2 проиллюстрировано изменение температуры обмотки якоря тягового электродвигателя ЭД-118 на продолжительном режиме работы при штатном бандаже обмотки якоря из стеклоленты (1) и комбинированном бандаже из бандажной проволоки и стеклоленты (2).
Расчет показал, что при использовании бандажа, состоящего из чередующихся участков бандажной проволоки и стеклоленты средняя температура обмотки якоря электродвигателя будет ниже на 5°С, чем при штатной конструкции, выполненной из стеклоленты. При этом температура в лобовой части обмотки якоря со стороны противоположной коллектору будет на 10°С - 14°С ниже и не превышает температуру обмотки якоря в пазовой части.
Полученный результат позволяет сделать прогноз, что применение в конструкции тяговых электродвигателей постоянного тока комбинированных бандажей, состоящих из бандажной проволоки и стеклоленты, увеличит его ресурс приблизительно в два раза.
Источники информации.
1. Roman Nefedov R, Loginova E.Investigation of wear of insulation of traction engines of locomotives in operation/ ITM Web of Conferences Volume 18 (2018) 7th Seminar on Industrial Control Systems: Analysis, Modeling and Computing (ICS 2018) - Moscow, Russia, February 27-28, 2018 - URL: https://www.itm-conferences.org/articles/itmconf/abs/2018/03/contents/contents.html
2. Логинова Е.Ю. Моделирование нестационарных тепловых полей в тяговой электрической машине//«Электротехника». 1999. - №11 - С. 21-24.
3. ГОСТ-2585 «Машины электрические вращающиеся тяговые»
4. ГОСТ 9124-85. «Проволока стальная луженая бандажная. Технические условия»
5. Электрические машины и электрооборудование тепловозов [Учебник для вузов ж.-д. трансп. Гаккель Е.Я., М.А. Никулин, Рудая К.И. и др.]; Под ред. Е.Я. Гаккель. М. Транспорт 1981. 256 с.
6. Патент РФ RU 2321134 С2. Бандаж обмотки якоря электрической машины. Долгошеев Э.А., Федоренко Р.И., Кравченко А.И. Опубликовано: 2008.03.27 - URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2321134C2_20080327
7. Авт. свид. СССР №871276, кл. Н02К 3/5 - URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2321134C2_20080327
8. Виноградов Н.В. Производство электрических машин. 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1970. - 288 с.
9. Устройство и ремонт электрических машин - бандажирование и балансировка роторов и якорей - URL: https://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/ustroystvo-i-remont-elektricheskih-mashin-13.html
10. Кокорев А.С. Электрослесарь по ремонту электрических машин: Учеб. для СПТУ. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1987. - 175 с. : ил.
Бандаж обмотки якоря электрической машины постоянного тока, отличающийся тем, что выполнен из чередующихся участков двухслойного проволочного бандажа с лентами-прокладками из неэлектропроводного армированного материала и бандажа из стеклоленты, по высоте равного высоте участков проволочного бандажа.
