Материалы и технологии, применяемые при изготовлении электрических машин, во многом определяют их качественные показатели (надёжность, эксплуатационные свойства, габариты и так далее).
Для электромашиностроения, как и для других машиностроительных отраслей промышленности, характерно применение различных материалов. Основные материалы в электромашиностроении это: магнитные, проводниковые и изоляционные материалы.
Магнитные материалы
Магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов электрических машин. Как правило, это листовая элекротехническая сталь. В зависимости от частоты, на которой будет работать электрическая машина, выбирается и толщина электротехнической стали (50 Гц – 0,5мм и 0,35мм ; 400 Гц – 0,2мм и 0,15мм ; 20кГц – до 0,05мм).
В состав электротехнической стали входят легирующие присадки, главной из которых является кремний. Добавки кремния уменьшают магнитные потери в стали. Как правило, добавки кремния находятся в пределах 1%…5% , и чем больше содержания кремния, тем меньше магнитные потери в стали. При увеличении содержания кремния повышается также хрупкость и твёрдость стали, что вносит определённые трудности при её обработке. Поэтому, сталь с содержанием кремния 4%…5% (т.е. высоколегированную) применяют там, где нет сложных по своей конфигурации деталей, например для изготовления трансформаторов. Листовую электротехническую сталь с содержанием кремния 1%…3% (т.е. не высоколегированную) применяют где есть сложные по своей конфигурации детали, например для изготовления статоров и роторов вращающихся машин с наличием выштампованных пазов сложной формы.
Листовую электротехническую сталь в большинстве случаев изготавливают на металлургических комбинатах способом холодного катания. Важным магнитным свойством такой стали является то, что при совпадении направлений прокатки и магнитного потока индукция насыщения и магнитная проницаемость возрастают, а также уменьшаются потери в стали на перемагничивание примерно в 2-3 раза. Поэтому, при проектировании и изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной стали, необходимо учитывать вышеуказанное свойство, которое усложняет конструкцию и технологию, так как требуется исключать прохождение магнитного потока поперек прокатки, вынужденно уменьшая длины участков, где этого нельзя избежать. Эти сложности, вплоть до ограниченного применения холоднокатаной стали, особенно проявляются при проектировании и изготовлении вращающихся машин (электродвигателей, генераторов и т.п.), где имеет место сложная конфигурация магнитопроводов, особенно это касается очень крупных электрических машин. Следует отметить что, холоднокатаная листовая электротехническая сталь широко используется при изготовлении трансформаторов.
Из магнито-мягкой низколегированной стали изготавливают корпуса машин постоянного тока, так как они зачастую являются одной из составных частей магнитопровода. Валы электрических машин изготавливают из сталей с добавками никеля, хрома и т.д., то есть высокопрочных конструкционных сталей.
Проводниковые материалы
Проводниковые материалы применяют для изготовления обмоток и контактов электрических машин. Как правило, из меди или алюминия изготавливают обмотки, а из бронзы или стали контактные кольца.
Поскольку медь обладает большей (примерно в 1,6 раза) электропроводностью чем алюминий, то её используют для изготовления обмоток чаще. Обмотки, выполненные из меди, позволяют также уменьшить габариты электрических машин. Поэтому, несмотря на значительную разницу в цене (медь дороже алюминия), предпочтение отдают меди.
Когда же применяют алюминий? В тех случаях, когда обмотки электрической машины имеют относительно малую тепловую нагрузку, а также в тех случаях, когда увеличение габаритов и массы за счёт увеличения размера обмоток не являются критически важными факторами для эксплуатации машины. Поэтому, алюминий значительно чаще применяют для изготовления обмоток трансформаторов, чем для изготовления обмоток вращающихся электрических машин.
Медь, бронзу или сталь применяют для изготовления коллекторов и контактных колец. Бронзу и сталь применяют там где, кроме электропроводности, важна также механическая прочность изделия.
Изоляционные материалы
Изоляционные материалы применяются главным образом для надёжного предотвращения межвитковых замыканий обмоток электрических машин, а также их электрического контакта (пробоя) с корпусом. Межвитковые замыкания вызывают перегрев электрической машины и как следствие её возможное возгорание. Электрический контакт (пробой) обмоток с корпусом, в большинстве случаев, может вызвать поражение электрическим током, если до этого не было правильно выполнено защитное заземление электрической машины. Поэтому к изоляционным материалам всегда должны быть повышенные требования. Как правило, неисправности, вызванные нарушением изоляции, устраняются либо капитальным ремонтом, либо заменой электрической машины. Стоимость изоляции современных машин довольно велика и может составлять до 30%…70% от их общей стоимости. Основные требования к изоляции: нагревостойкость, электрическая прочность, влагостойкость, теплопроводность, механическая прочность, эластичность.
Нагревостойкость является важнейшим требованием к изоляции. От неё в значительной степени зависит продолжительность работы (или жизни) электрической машины в режиме температурных перегрузок, вызванных различными причинами. В зависимости от нагревостойкости, изоляционные материалы в электромашиностроении разделили на классы.
Нагревостойкость – это способность изоляции не менять своих электрических и механических свойств под воздействием температур. Срок службы и свойства изоляции сильно зависят от воздействия температуры, что подтверждают исследования в этой области. Например, исследования показали, что повышение температуры всего на 8 Сº в диапазоне температур 60 Сº -180 Сº для изоляции класса А, снижает срок её службы в 2 раза.
Для изготовления электрических машин в основном используются эмалевые изоляции проводов. Эмалевые изоляции бывают классов от А до Н. Такой важный параметр как нагревостойкость зависит от материала из которого изготавливают эмаль. Например, нагревостойкими эмалями считаются изготовленные из фторопласт-3,фторопласт-4 , менее нагревостойкими на основе лавсана и эпоксидных смол, ещё менее нагревостойкими из полистирола, полиамида и т.д..
В современном производстве широко используется литая изоляция. Литая изоляция, отличается большой толщиной и как разновидность нагревостойких эмалевых изоляций является довольно перспективной. Эмалевые и литые изоляции сравнительно легко заполняют пазы обмоток и повышают их нагревостойкость, а также позволяют механизировать процесс изготовления изоляции.
Электрические щётки
Щётки обеспечивают электрический контакт со скользящими поверхностями (коллектором и контактными кольцами). Они представляют собой прямоугольные бруски из материала сложного состава на графитовой основе. Типы щёток многочисленны и отличаются по коэффициенту трения, твёрдости, падению напряжения под ними и так далее. В основном щётки подбирают экспериментально, при этом руководствуясь определенными правилами, которые известны проектировщикам электрических машин. Ранее, во времена появления первых электрических машин, электрический контакт со скользящими поверхностями осуществляли при помощи щёток из проволоки – отсюда и термин “электрические щётки”.
