БАНДАЖ ОБМОТКИ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2008 года по МПК H02K3/46 

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается усовершенствования устройства многослойного проволочного бандажа крепления обмотки на цилиндрическом якоре электрической машины.

Многослойные проволочные бандажи крепления обмотки на цилиндрических роторах (в частности, якорях) электрических машин известны. Они обычно выполняются в виде непрерывной сплошной намотки виток к витку в слое проволоки из магнитного или немагнитного материала - бронзы и немагнитной стали (Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. М.-Л., Госэнергоиздат, 1958. Стр.146, 186). Применяется луженая проволока, стальная бандажная -- по ГОСТ 2333-80. Проволока стальная. Типы (стр.6), для которой возможность неметаллических покрытий (в частности, полимерами) в указанном действующем стандарте предусмотрена.

Применение луженой проволоки в конструкциях проволочных бандажей на якорях электрических машин связано исключительно с традиционным "жестяным" пропаянным выполнением их вспомогательных узлов-замков и скрепляющих элементов, предохраняющих бандаж от поперечного разваливания, а также междубандажных держателей. В отдельных случаях оно обусловлено необходимостью получения (сплошной пропайкой) монолитного сечения многослойного бандажа в конструкциях скоростных машин.

Это трудоемкое, но технологически простое и надежное техническое решение. Однако ему присущи важные недостатки. Главный из них - большие тепловые потери от вихревых токов в контурах, образуемых поперечными (относительно направления главных действующих сил в бандаже и соответственно намотки проволоки; в системе координат якоря и машины в целом - аксиальными) гальваническими связями между продольными проводниками в проволочных слоях бандажа.

Общая идея преодоления указанного недостатка - создание бандажа без поперечных (см. выше) гальванических связей между металлическими кольцевыми силовыми элементами, составляющими бандаж.

Эта идея нашла применение в ряде конструкторских разработок.

Известно, например, предложение выполнять бандаж лобовой части обмотки якоря электрической машины в виде пакета выштампованных из листа "кольцевых металлических пластин, электрически изолированных одна от другой" неэлектропроводным покрытием (Авт. свид. СССР №871276, кл. Н02К 3/50). В этом бандаже нет замка, исключается размотка и, главное, практически нет потерь от вихревых токов.

Однако изготовить этот пакет, учитывая соотношение размеров сечения и диаметра, - по-видимому, невозможно. Нельзя создать в таком бандаже направленное к центру вращения предварительное радиальное нажатие бандажируемой обмотки. Предусмотренное здесь поджатие лобовой части обмотки к бандажу изнутри с упором коническим элементом в жесткий обмоткодержатель - направлено наружу, т.е. радиально выталкивает обмотку из паза в месте ее входа в него. Это, конечно, недопустимо.

Для обеспечения устойчивости колец бандажа при действии на каждое из них распирающих изнутри радиальных сил бандажный пакет должен быть жестко сжат. Однако здесь принято упругое осевое поджатие, да еще в статически неопределимой схеме - с одновременным радиальным распором разрезной конической втулкой лобовой части обмотки изнутри (см. выше). В результате или пакет бандажа будет сжат, или лобовая часть обмотки будет поджата к нему. Устойчивость листов-колец пакета бандажа гарантированно обеспечить при этом нельзя. Сама втулка с коническим нажимным элементом от осевого перемещения не зафиксирована, и в условиях вибрации работающего двигателя силой упругого упора в пакет бандажа будет обязательно выдавлена наружу.

Представляется, что перечисленные недостатки обсуждаемой конструкции исключают возможность ее полезности.

Второй характерный пример реализации идеи устранения из конструкции бандажа контуров вихревых токов - двухслойный проволочный бандаж из луженой проволоки с традиционной системой поперечных припаянных жестяных элементов общей сборки (Алексеев А.Е. Конструкция ... Стр.185, рис.5-42 - прототип). В нем "чтобы не иметь чрезмерных потерь и нагревов ..., при укладке производится изолировка витков друг от друга тонким, гибким миканитом или, лучше, асбестом ...".

Однако в таком бандаже теоретически правильная цель практически не достигается, так как его конструкции присущи важные недостатки:

а) по-прежнему велико количество поперечных электропроводящих связей, образующих контуры для вихревых токов;

б) межвитковая изоляция "тонким, гибким миканитом или ... асбестом" - это, по-видимому, отдельные прокладки, что не может обеспечить равномерность слоя и стабильность свойств такой изоляции.

Кроме указанных, важны и другие, конструктивно-технологические недостатки обсуждаемого бандажа-прототипа:

а) в сравнении с обычным исполнением резко возрастает трудоемкость операции наложения бандажа, многократно прерываемой необходимостью установки изолирующих прокладок;

б) в связи с этим, судя по рис.5-42 (см. выше), изолируются друг от друга не отдельные витки проволоки, а их группы; теплотехническая эффективность принимаемой меры уменьшения потерь в бандаже от вихревых токов при этом, естественно, снижается;

в) при принятой здесь конструкции и технологии выполнения межвитковой изоляции намотать весь бандаж плотно, виток к витку, - нельзя; поэтому бандаж получается "рыхлым" - с уменьшенным значением коэффициента линейного заполнения слоя

,

где D- диаметр проволоки;

n - количество витков в слое;

L - осевой размер бандажируемой поверхности;

г) аналогичный эффект недоиспользования объема бандажного пространства создает система поперечных "жестяных" связей и замков на участках размещения их элементов под проволочным слоем. В таких местах давление на обмотку повышено, а в соседних отсутствует, где образующиеся пустоты даже после их заполнения при пропитках ухудшают теплопередачу между обмоткой и бандажом. Общая радиальная жесткость бандажа также уменьшается;

д) на участках размещения указанных вспомогательных элементов бандажа снаружи, над проволочным слоем, резко ухудшается использование габаритных возможностей физического воздушного зазора по расточке на длине бандажированной рабочей части обмотки, поскольку такие местные выступы над главным - проволочным - слоем бандажа могут составлять значительную (до 1/3) его часть.

Предлагаемый, согласно изобретению, бандаж перечисленных недостатков бандажа-прототипа не имеет.

Задача изобретения - создание конструктивно и технологически простой и надежной конструкции бандажа обмотки якоря электрической машины с предельным технически возможным уменьшением потерь от вихревых токов.

Решение этой задачи, согласно данной разработке, достигается тем, что бандаж обмотки якоря электрический машины выполнен в виде непрерывной сплошной намотки виток к витку в слое изолированной проволоки из магнитного или немагнитного материала на всей осевой длине бандажируемой части обмотки. Бандаж содержит четное количество слоев проволоки с замком начала и конца намотки на одной из торцевых сторон. При этом под каждым одинарным или двойным слоем проволоки помещена охватывающая в один слой бандажируемую поверхность якоря лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала, содержащего аксиально ориентированные жесткие на растяжение прямые нити. Указанная лента-прокладка снабжена на наружных поверхностях по торцевым краям упорами-буртами прямоугольного сечения с жестко и прочно заделанными в них концами нитей поперечной арматуры ленты-прокладки. Упоры-бурты продольно армированы проволокой или жесткими на растяжение неметаллическими нитями. Высота выступов упоров-буртов над наружной поверхностью ленты-прокладки равна диаметру изолированной проволоки или толщине двойного слоя, снабженного промежуточной плоской изолирующей прокладкой между слоями, аналогичной указанной ленте-прокладке, - с поперечной арматурой, - а осевой размер L между внутренними поверхностями упоров-буртов равен осевому размеру L бандажируемой поверхности.

С целью снижения концентрации механических напряжений в сопряжении внутренней поверхности упора-бурта с наружной поверхностью ленты-прокладки при действии разваливающих проволочный слой бандажа поперечных сил - оно выполнено с выкружкой, радиус которой не превышает половину диаметра изолированной проволоки.

Для максимально прочной связи упоров-буртов с полотном ленты-прокладки и, через нее, между собой - концы нитей поперечной арматуры ленты-прокладки заделаны в упорах-буртах отгибом по выкружке до выхода их к внешней цилиндрической поверхности упора-бурта.

Благодаря тому, что высота выступов упоров-буртов над наружной поверхностью ленты-прокладки равна диаметру изолированной проволоки или толщине двойного слоя (см. выше), общая высота упора-бурта равна общей толщине проволочной части бандажа, образуя единую с ней цилиндрическую поверхность внешнего геометрического и физического ограничения.

Этим создается возможность сплошного беззазорного коаксиального сопряжения не только двух элементарных слоев бандажа, но и выполнения монолитных многослойных бандажей, составленных из двухслойных.

Сочетанием перечисленных особенностей предлагаемого бандажа решается задача изобретения:

а) предельно проста конструкция: двухслойный бандаж на всю длину бандажируемой поверхности конструктивно состоит из двух основных деталей - проволоки и лент-прокладок - при одном замке простейшей конструкции на торце;

б) столь же предельно проста технология; это непрерывная намотка с простейшей установкой между слоями одной, промежуточной детали - ленты-прокладки - и с простейшим, хорошо освоенным в производстве выполнением замка, например, паянным на сворачиваемой трубке;

в) обеспечено предельное технически возможное уменьшение потерь от вихревых токов; достигается уменьшением, в сущности, почти до теоретического предела возможности образования контуров вихревых токов в металле бандажа применением изолированной проволоки;

г) гарантирована стабильная надежность, как следствие высокого качества изготовления при предельно простой конструкции и технологии, а также возможности длительного сохранения механических и электротехнических свойств бандажа в эксплуатации благодаря практическому отсутствию его нагрева вихревыми токами. Этому же способствует принятое выполнение бандажа с четным количеством слоев проволоки, в особенности при двухслойном бандаже, чем исключаются тангенциальные реакции взаимодействия замка и бандажируемой поверхности, неизбежно сопровождаемые ослаблением натяжения проволоки крайних витков в бандажах без сплошной пропайки с нечетным количеством слоев (особенно однослойных).

На фиг.1 показано меридиональное сечение активного слоя пазового якоря с установленным бандажом предлагаемой конструкции - вариант размещения на каждой ленте-прокладке одного проволочного слоя;

на фиг.2 - вид с торца якоря узла, показанного на фиг.1, с разрезом по лобовой части обмотки у ее основания;

на фиг.3 изображено меридиональное сечение слоя бандажа в районе упора-бурта (вариант фиг.1);

на фиг.4 - то же, что и на фиг.3, двухслойный вариант;

на фиг.5 приведена общая расчетная схема для исследования работы бандажа в конструкции беспазового якоря (слева - распределение радиальных сил в стоповом режиме, справа - при действии центробежной силы Р_м обмотки);

на фиг.6 показаны характеристики зависимости сил Р в элементах расчетной схемы фиг.5 от радиальных деформаций Δ при Ж_Н<Ж_Б;_{символом ΩН обозначена область недопустимых деформаций;}

на фиг.7 - то же, что и на фиг.6, при Ж_Н>Ж_Б,

на фиг.8 приведен график функции f(β), характеризующей дифференциальную зависимость Р_г(Ж′_Б) граничной центробежной силы Р_г обмотки от радиальной жесткости Ж′_Б бандажа.

Конструктивное выполнение предлагаемого бандажа обмотки якоря электрической машины иллюстрируется примером его применения в пазовой конструкции якоря для крепления обмотки на ее рабочей длине (фиг.1-2).

Основной элемент бандажа - многовитковый проволочный слой, выполненный в виде непрерывной сплошной намотки виток к витку в слое изолированной проволоки 1 из магнитного или немагнитного материала по всей осевой длине бандажируемой части обмотки 2. Бандаж содержит четное количество слоев проволоки (в приводимом примере минимальное - два) с замком начала и конца намотки на одной из торцевых сторон бочки якоря (на фиг.1 и 2 не показан).

Под каждым одинарным (как в данном примере) или двойным слоем проволоки помещена лента-прокладка 3 (фиг.1), охватывающая в один слой бандажируемую поверхность 4 обмотки 2 якоря 5 (фиг.2). Лента-прокладка 3 выполнена из неэлектропроводного армированного материала, содержащего аксиально ориентированные жесткие на растяжение нити 6, прямые на осевой длине бандажируемой поверхности 4 обмотки 2.

Указанная лента-прокладка 3 снабжена на наружных поверхностях 7 по торцевым краям упорами-буртами 8 прямоугольного сечения с жестко и прочно заделанными в них концами 9 нитей 6 поперечной арматуры ленты-прокладки 3 (фиг.3). Упоры-бурты 8 продольно армированы проволокой или жесткими на растяжение неметаллическими нитями 10. Осевое расстояние между упорами l=L (см. фиг.1).

Сопряжение внутренней поверхности упора-бурта 8 с наружной (под проволоку 1) поверхностью 7 ленты-прокладки 3 выполнено с выкружкой радиуса R, который не превышает половину диаметра D изолированной проволоки (фиг.3).

Концы 9 нитей 6 поперечной арматуры ленты-прокладки 3 заделаны в упорах-буртах 8 отгибом по выкрутке до радиального выхода их к внешней цилиндрический поверхности 11.

Высота h_y выступов упоров-буртов 8 под наружной поверхностью 7 ленты-прокладки 3 равна диаметру D изолированной проволоки (фиг.3) или толщине двойного слоя (фиг.4), снабженного промежуточной плоской изолирующей прокладкой 12 толщиной между слоями, аналогичной указанной ленте-прокладке 3, - с поперечной арматурой (см. выше), и с толщиной второго слоя , подобной толщине первого δ_С=δ_Л+D (фиг.4). Поэтому

(аналогично ),

т.е. общая высота δ₀ упора-бурта 8 равна сумме размеров h_y и толщины δ_Л ленты-прокладки 3. В результате образуется единая цилиндрическая поверхность 11 на всей ширине бандажа - поверхность общего внешнего геометрического и физического ограничения, что создает возможность сплошного беззазорного коаксиального сопряжения двух элементарных слоев бандажа (см. фиг.1 и 2) и выполнения многослойных бандажей, составленных из двухслойных.

Использование междужелезного пространства машины от наружной поверхности 13 полюсов 14 якоря 5 до внутренней поверхности 15 магнитопровода 16 статора (радиальный размер по расточке δ_Р) для работы бандажа, конструкция которого разработана в данном предложении, - характеризуется следующими геометрическими соотношениями (фиг.1 и 2):

а) технологический зазор (для гарантированного обеспечения предварительного натяжения Р₀ - см. ниже)

,

где h₀ - радиальный размер (высота) установленной обмотки 2 якоря 5 в сборе;

h_П - глубина паза магнитопровода якоря 5;

б) физический воздушный зазор

,

где δ_Б - толщина бандажа.

Работу предлагаемого бандажа рассмотрим на примерах применения в устройствах бандажирования обмотки на длине ее рабочей части якорей двух наиболее характерных типов: пазового и беспазового.

Отметим сначала общие в обоих случаях следующие полезные особенности:

а) при применении изолированной проволоки 1 исчезают межвитковые контуры вихревых токов. Тем самым предельно снижаются тепловые потери в собственно бандаже, которые в бандажах обычной конструкции - из неизолированной луженой проволоки - могут быть большими, особенно при общей пропайке всего бандажа;

б) применение в одинарном или двойном слое прокладки 3 из армированного полимера, содержащей, в частности, прямолинейные поперечные элементы 6 арматуры (например, из стекловолокна), закрепленные концами 9 в боковых кромках ленты (упорах-буртах 8), - обеспечивает надежное предохранение от разваливания бандажа по ширине. При заполнении полимерным связующим каждого слоя бандажа при намотке образуется практически неразрушаемая ортогонально армированная по направлению действующих сил оболочка-монолит. Одновременно устраняется большое количество всевозможных луженых скрепок и скобок с их обязательной пропайкой в бандаже (см., например: Алексеев А.Е. Конструкция ... Стр.182-186). Их применение также создает замкнутые контуры с образованием в них дополнительных потерь от вихревых токов;

в) вторая функция указанной ленты-прокладки 3 - изоляция от обмотки 2 (в эквиваленте корпусная) первого слоя бандажа и межслойная в последующих. Эти обязательные в обычных конструкциях проволочных бандажей дополнительные элементы такого назначения в предлагаемом устройстве не требуются;

г) бандаж в виде двухслойного непрерывно намотанного блока - как самостоятельный объект или элемент многослойного бандажа - содержит единственный вспомогательный конструктивный элемент: замок, установленный на каком-либо одном из торцев бандажа. Конструкции их для замыкания смежных слоев известны, просты и надежны. При этом ни внутри бандажа, ни во взаимодействии его с поверхностью 4 бандажируемой конструкции никаких дополнительных сил, кроме растяжения проволоки 1 внутри бандажа и обусловленного этим полезного радиального нажатия на бандажируемую поверхность 4 - нет.

Рассмотрим теперь особенности работы предлагаемого бандажа в пазовом и беспазовом якорях.

А. При пазовом якоре (фиг.1 и 2) для применения бандажа согласно изобретению паз выполняется простейшей формы - прямоугольным - с глубиной h_П, меньшей радиального размера (высоты) h₀ укладываемого в паз комплекта обмотки 2 на величину технологического зазора δ_T. Он выбирается из условия гарантированного отсутствия касания внутренней поверхности бандажа и наружной поверхности 13 полюсов 14 магнитопровода якоря 5 после предварительной осадки обмотки 2 в пазах перед постановкой бандажа и с учетом уменьшения высоты h₀:

- радиальным предварительным нажатием Р₀ установленного бандажа;

- действием радиальных сил инерции (центробежных) на установленный в пазу комплект обмотки 2, как на радиально деформируемый элемент;

- релаксацией напряжений в полимерных материалах изоляции сжатых слоев с соответствующей деформацией;

- усыханием изоляции тангенциальных слоев.

Истирание боковой поверхности изоляции комплекта обмотки 2 в результате трения о стенки паза при изменении скоростного режима устраняется предварительной радиальной нагрузкой обмотки 2 Р₀, которая (см. выше) должна исключать потерю упора обмотки 2 в дно паза, т.е. должна быть больше ее наибольшей радиальной (центробежной) силы инерции Р_М в угонном режиме (см. далее). Рациональные соотношения этих сил, отработанные практикой, известны (см., например: Алексеев А.Е. Конструкция ... Стр.186). Для сравнения заметим, что при традиционном (одноклиновом в слое) радиальном креплении обмотки в пазах безупречное (в смысле точного обеспечения заданной величины предварительного нажатия Р₀ и равномерности его распределения по длине паза) выполнение этого условия даже теоретически невозможно. Вакуумная пропитка готовых якорей этот недостаток полностью не устраняет.

Рассмотренные особенности работы в пазовом якоре бандажа предлагаемой конструкции как механической системы - при применении проволоки из магнитного и немагнитного материала, - одинаковы.

Как элемент магнитной системы машины с пазовым якорем предлагаемый бандаж в зависимости от материала проволоки 1 работает по-разному.

Действие бандажа из магнитной стальной проволоки 1 на магнитное поле машины двояко:

а) кольцевой ферромагнитный слой, помещенный в зазор по расточке δ_Р (фиг.1), создает дополнительные тангенциальные потоки рассеяния, уменьшающие главные - радиальные - потоки магнитного поля машины;

б) он же при фиксированном значении δ_Р уменьшает магнитное сопротивление для радиальных составляющих, способствуя тем самым увеличению радиальных потоков.

Количественную оценку этого противоречия можно, очевидно, получить только при рабочем проектировании машины. При этом надо также учитывать, что при применении в пазовом якоре предлагаемого бандажа из магнитной стальной проволоки 1 он "железно" перекрывает выход из паза в зазор по расточке, т.е. одновременно с указанными выше явлениями возникает эффект, подобный действию закрытого или полузакрытого паза (см. фиг.2). Полезность этого в борьбе с ВГ магнитного потока полюсов 14 известна и велика.

Действие предлагаемого бандажа из немагнитной проволоки 1 на магнитное поле машины сводится к увеличению расчетного воздушного зазора добавлением к физическому δ_В величины, эквивалентной толщине бандажа δ_Б (фиг.1). В связи с практическим отсутствием в бандаже вихревых токов и, следовательно, порождаемых или дополнительных магнитных полей - новых магнитных явлений в этом случае не возникает.

Б. Предлагаемый бандаж при применении в конструкции беспазового якоря электрической машины (Авт. свид. СССР №394895, кл. Н02К 3/46) как механическая система работает, в общем, так же, как в якоре пазовой конструкции. Его работа как элемента магнитной системы машины также аналогична. Однако граничные условия механического нагружения и деформации элементов здесь существенно иные. Принципиально различны возможные терминальные состояния системы. Поэтому рассмотрим ее работу более подробно.

Расчетная схема для анализа в рамках общепринятой в таких случаях плоской задачи строительной механики показана на фиг.5. Ее основа - две неподвижные базовые поверхности с неизменяемым расстоянием h между ними. Они образуют линейную систему координат, жестко связанную с общим фундаментом - магнитопроводом якоря.

Между базовыми поверхностями включена силовая цепь, состоящая из последовательно соединенных элементов. Это:

а) радиально упругий блок H (условное название "нижний"), состоящий из элементов слоя корпусной изоляции (далее индекс "К") и соответствующего слоя изоляции комплекта шин обмотки с индексом "Ш";

б) жесткий блок М (условное обозначение М - "медь") - это расчетная масса обмоточной меди, центробежная сила которой Р_М считается внешней по отношению к рассматриваемой системе. Это главный силовой фактор, извне нагружающий и деформирующие систему;

в) радиально упругий блок Б ("бандажный"), состоящий из (элементов) блока Н и последовательно соединенным с ним радиально упругим элементам, эквивалентным по радиальной податливости и жесткости бандажу при его растяжении в условиях воспринимаемой от М силы.

Натяжением проволоки при намотке вся система предварительно сжата силой Р₀ с общей деформацией Δ₀.

Распределение сил Р_Н и Р_Б между блоками Н и Б определяется соотношением их характеристик деформативности под нагрузкой. Найдем их.

Податливость блока Н

откуда его жесткость

Податливость блока Б (как указано выше, радиальную упругость изоляции между внутренней поверхностью проволочного слоя бандажа и наружной поверхностью бандажируемого слоя изолированной обмотки принимаем, как у корпусной)

.

где - податливость собственно бандажа (см. выше);

жесткость блока Б

или в развернутом виде

.

Деформация предварительного сжатия силой Р₀ элементов Н и Б (фиг.5)

общая предварительная деформация системы

Жесткость связи блока М с базовой системой при ограниченных перемещениях

Постулируем теперь основополагающее условие работоспособности исследуемой системы:

растяжение неармированных в направлении действия силы полимеров в силовых конструкциях недопустимо; поэтому при всех режимах работы блок Н и слои связующего в его соединениях с сердечником якоря и блоком М должны быть сжаты, т.е. всегда должно быть

.

Из соотношения функций Р_Н(Δ) и Р_Б(Δ) (фиг.6 и 7) видно, что при действии силы Р_М первоначальная структура системы сохраняется до значения Δ_М<Δ_Н. При этом центробежная сила Р_М=Р_Г на границе потери несущей способности блока Н (т.е. условного перехода его в растянутое состояние)

что с учетом силы предварительного нажатия Р₀ образует запас

Найдем зависимость силы Р_Г непосредственно от радиальной жесткости собственно бандажа.

Представим Р_Г согласно определению (7) с учетом формулы (5) в виде

или в развернутом для анализа виде (см. формулу (2))

Свойства этой функции оценим зависимостью

и в относительных единицах по соотношению Ж′_Б=βЖ_Н

Функция f(β) (фиг.8) показывает: при принятом допущении.(1) увеличение радиальной жесткости бандажа интенсивно увеличивает Р_Г лишь при относительно малых значениях . При β>1 функция f(β) быстро приближается к асимптотическому значению f(β)=0, т.е. даже при абсолютно радиально жестком бандаже жесткость блока Б (фиг.5) Ж_Б≠∞, но согласно (2) получает также асимптотическое конечное значение Ж_Б=Ж_Н. В этом случае (см. формулы (3) и (9))

т.е. без разрушения принятой аналитической структуры исследуемого явления наибольшее (граничное - Р_Г) значение центробежной силы обмотки ("меди") Р_М не может быть больше удвоенного значения силы предварительного натяжения Р₀.

Это фундаментальный результат. Он получен при условии равенства радиальных податливостей λ_Н "нижнего" блока изоляции и изоляции слоя "медь обмотки - металл проволоки" λ_П первого слоя бандажа

,

что с учетом принятого на данном этапе анализа условия λ_Б=0 определяет

,

Изменить результат (12) можно, очевидно, только изменением соотношения равенства λ_Н и λ_П.

При λ_Н>λ_П (фиг.6) надежность бандажированной согласно изобретению системы обмотки беспазового якоря возрастает, особенно в условиях значительного изменения эксплуатационных режимов по скорости:

, ,

где Р_З - запас для выполнения условий постулата (6).

При λ_Н<λ_П (фиг.7) указанные соотношения противоположны. С усилением (λ_Н<<λ_П) этого определяющего неравенства Р_Г→Р₀, а запас Р_З→0. В такой конструкции даже незначительное превышение центробежной силы обмотки Р_М над силой предварительного натяжения Р₀ ведет к выходу радиальной деформации Δ_Н "нижнего" блока Н в область Ω_Н недопустимых ее значений. Это нарушение требований постулата (6). Неизбежное следствие - потеря связи всего забандажированного обмоточного слоя с магнитопроводом якоря, т.е. тяжелая авария.

Именно такая ситуация сложилась с применением стеклобандажей в конструкции беспазового якоря тяговых двигателей электровозов. Это было следствием незнания принципов крепления обмотки на роторах электрических машин конструкциями с применением армированных полимеров, а также непонимания смысла работы такой конструкции, как статически неопределимой механический системы.

Так, на этапе первоначального применения стеклобандажей вместо проволочных - для лобовых частей обмотки пазового якоря с клиновым креплением ее рабочей части - критерием-гриентиров в сравнении с отработанной на практике системой проволочных бандажей принималось:

"допустимые напряжения на разрыв в бандаже выбирают не из условий прочности, а из условий обеспечения минимальной [подчеркнуто здесь] упругой деформации бандажа, не превышающей допустимой величины для стальных бандажей, при испытаниях двигателя на разгонную скорость (Бочаров В.И. и др. Магистральные электровозы. Электрические машины и трансформаторное оборудование электровозов. М., Машиностроение, 1968. Стр.136).

Но при разгонной скорости центробежные силы, растягивающие бандаж, (и, следовательно, его деформации) максимальны. Радиальные составляющие этих деформаций порождают силы, сдвигающие обмотку в местах ее выхода из пазов и, тем самым, значительно ухудшают условия работы изоляции. Это заставляет принимать специальные меры по ее защите здесь. Отсюда требование: максимальные (а не минимальные) упругие деформации стеклобандажа (т.е. при разгонной скорости) должны быть не больше деформаций стального - с тем, чтобы указанный вред, наносимый изоляции стеклобандажом лобовой части обмотки, был не больше привычного.

Условия работы стеклобандажей в беспазовом якоре значительно сложнее, чем их работы на лобовых частях обмоток якорей пазовой конструкции. В результате непонимание этих условий разработчиками беспазового якоря оказалось более глубоким (см., например, Бочаров В.И. Беспазовые тяговые электродвигатели постоянного тока. М., Энергия, 1976. Стр.42-48).

Достаточно, например, обратить внимание на такие выводы:

1) "при вращении [подчеркнуто здесь] якоря напряжения в стеклобандажах по длине активной части обмотки практически не изменяются" (стр.45). Однако:

а) "при вращении" - в каком режиме? Околостоповом? Разгонной скорости? Или все равно - при любом изменении скорости вращения "напряжения ... не изменяются"?

б) этот вывод получен из условия равенства (формула (19) на стр.45) остаточного натяжения Т₀ стеклобандажа после выпечки (стр.43) и тангенциальной составляющей С′ ц.б.с. обмотки, определяемой по формуле (17). Однако ц.б.с. всегда направлена от центра кривизны траектории движения массы и поэтому иметь тангенциальные составляющие не может. И, кстати, что есть "подбандажная изоляция"?

2) "вся ц.б.с. [подчеркнуто здесь] воспринимается слоем литой изоляции [т.е. корпусной - на магнитопроводе якоря - см. рис.16 на стр.44] после того, как предварительное сжатие станет равным нулю" (стр.46).

"Вся" - значит, для восприятия даже какой-нибудь доли ц.б.с. обмотки бандаж не нужен. Это, конечно, абсурд.

В общем предположении способности (несуществующей) слоя корпусной изоляции практически работать на радиальное растяжение ситуация рассмотрена ранее (см. фиг.6 и 7, область Ω_Н). Характеристики Р′_Н (Δ∈ Ω_Н) (см. ниже) и соответствующие характеристики Р′_М (Δ∈ Ω_Н) для ц.б.с. обмотки показаны штриховыми линиями.

Из анализа этих графиков видно, что в случаях, когда радиальная жесткость слоя корпусной изоляции меньше, чем у бандажа (фиг.6) или больше (фиг.7) - "вся ц.б.с." (в приведенном общем анализе это сила Р_М) почти полностью воспринимается бандажом с небольшим дополнением тяги Р′_Н от слоя корпусной изоляции.

Н₀ - напоминаем (см. выше Постулат): эта ситуация недопустима.

Приведенные примеры показывают: с таким аналитическим аппаратом получить истинные оценки стеклобандажа, как механической системы - нельзя, так как нельзя правильно учесть его основные отличительные особенности в сравнении с привычным стальным:

а) модуль упругости при растяжении стеклобандажа для беспазового якоря тягового двигателя 0,45·10⁴ кН/см², т.е. в 5 раз меньше, чем у стального - 2,1·10⁴ кН/см² (Думчус М.В., Москалев Л.А. Таран К.М. Методика определения модуля упругости ориентированных стеклопластиков. Сб. "Электровозостроение", т.14. Новочеркасск, 1972. Стр.242-246);

б) примерно в такой же мере ниже средние допускаемые напряжения (см.: 1) Бочаров В.И. и др. Магистральные ... Стр.137. 2) Алексеев А.Е. Конструкция ... Стр.146);

в) механические свойства стеклобандажей в эксплуатации со временем снижаются, что рекомендуется учитывать уменьшением расчетных допускаемых напряжений на 10-12% (Бочаров B.И. Магистральные ... Стр.138);

г) потеря преднатяга стеклобандажа при выпечке достигает 50% (Бочаров В.И. Беспазовые ... Стр.43).

Конструкторские разработки и расчеты, выполненные с учетом этих особенностей и без методических и вычислительных ошибок, показали: создать длительно работающий беспазовый якорь для электровозных тяговых двигателей постоянного тока при стеклобандаже на длине рабочей части обмотки - нельзя. Это можно сделать только при применении проволочных бандажей. Однако недостатки их известных конструкций (см. выше критику аналогов) не позволяют достичь в полной мере крупнейших преимуществ беспазовых якорей коллекторных машин постоянного тока в сравнении с пазовыми (Бочаров В.И. Беспазовые ... Стр.12).

Эту задачу можно успешно решить только с применением проволочного бандажа, предлагаемого в данной разработке.

Полигон работы электроподвижного состава и тепловозов с тяговыми двигателями постоянного тока огромен. Поэтому полезность выполнения их якорей беспазовыми с бандажом разработанной конструкции может быть очень большой.

Использование: в электромашиностроении. Бандаж обмотки якоря электрический машины выполнен в виде непрерывней сплошной намотки виток к витку в слое изолированной проволоки из магнитного или немагнитного материала на всей осевой длине бандажируемой части обмотки, не имеющей здесь иных средств радиального крепления. Бандаж содержит четное количество слоев проволоки с замком начала и конца намотки на одной из торцевых сторон. При этом под каждым одинарным или двойным слоем проволоки помещена охватывающая в один слой бандажируемую поверхность якоря лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала, содержащего аксиально ориентированные жесткие на растяжение прямые нити. Указанная лента-прокладка снабжена на наружных поверхностях по торцевым краям упорами-буртами. Упоры-бурты продольно армированы проволокой или жесткими на растяжение неметаллическими нитями. Осевой размер между их внутренними упорными поверхностями равен осевому размеру бандажируемой поверхности. Техническим результатом является простота конструкция, обеспечение предельно технически возможных уменьшений потерь от вихревых токов, обеспечение стабильной надежности. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Бандаж обмотки якоря электрической машины, выполненный в виде непрерывной сплошной намотки виток к витку в слое проволоки из магнитного или немагнитного материала на всей осевой длине бандажируемой части обмотки, содержащий четное количество слоев проволоки с замком начала и конца намотки на одной из торцевых сторон, отличающийся тем, что выполнен изолированной проволокой; под каждым одинарным или двойным слоем проволоки помещена охватывающая в один слой бандажируемую поверхность якоря лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала, содержащего аксиально ориентированные жесткие на растяжение прямые нити, снабженная на наружных поверхностях по торцевым краям продольно армированными проволокой или жесткими на растяжение неметаллическими нитями упорами-буртами прямоугольного сечения с жестко и прочно заделанными в них концами нитей поперечной арматуры ленты-прокладки, причем высота выступов упоров-буртов над наружной поверхностью ленты-прокладки равна диаметру изолированной проволоки или толщине двойного слоя, снабженного изолирующей прокладкой между слоями, аналогичной указанной ленте-прокладке, с поперечной арматурой, а осевой размер между внутренними упорными поверхностями упоров-буртов равен осевому размеру бандажируемой поверхности.2. Бандаж по п.1, отличающийся тем, что сопряжение внутренней поверхности упора-бурта с наружной поверхностью ленты-прокладки выполнено с выкружкой, радиус которой не превышает половину диаметра изолированной проволоки.3. Бандаж по п.2, отличающийся тем, что концы нитей поперечной арматуры ленты-прокладки заделаны в упорах-буртах отгибом по выкружке до выхода их к внешней цилиндрической поверхности упора-бурта.4. Бандаж по п.1, отличающийся тем, что при выполнении его многослойным составлен из двухслойных бандажей, каждый из которых снабжен отдельным замком намотки.