либо разработкой определенного вида технической документации, либо изготовлением образцов и проведением их испытаний.

ГОСТ 2.103-68 Стадии разработки и ГОСТ 15.001-73 Разработка и постановка продукции на производство предусматривают следующие стадии разработки: техническое задание техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, установочные серии.

Организации, принимающие участие в создании новой электрической машины (серии машин), в соответствии с выполняемыми функциями разделяются на заказчиков, разработчиков, изготовителей и потребителей (иногда заказчик является одновременно и потребителем).

Рассмотрим содержание стадий разработки.

Техническое задание. Проектированию электрической машины (серии машин) предшествует разработка технического задания, которое определяет технико-экономические требования и показатели качества машины, а также устанавливает основные этапы работы, сроки их выполнения и службы (организации и предприятия), выполняющие этапы работы. Техническое задание разрабатывается на основе предъявленных заказчиком исходных требований с учетом современных достижений науки и техники.

Техническое задание выполняется разработчиком, рассматривается и согласовывается потребителем и заводом-изготовителем.

Техническое предложение. Техническое предложение определяет научно-техническую возможность и экономическую целесообразность осуществления технического задания в предлагаемые сроки. Оно содержит различные варианты конструкций машины. После сравнительного анализа выбирают наиболее оптимальный вариант конструкции машины. Техническое предложение выполняется разработчиком.

Эскизный проект. При разработке эскизного проекта устанавливают принципиальное решение по разработке машины (серии машин). На этой стадии производят: сравнительную оценку вариантов по выбору материалов и конструктивных решений проектируемых изделий, изготовление и испытание макетных образцов, предварительную проработку основных вопросов технологии, оценку технологичности и показателей унификации и стандартизации предварительной конструкции изделий. Эскизный проект согласовывают с заказчиком и заводом-изготовителем.

Технический проект. Технический проект содержит подробную разработку решений, принятых в эскизном проекте, с учетом всех требований технического задания. Технический проект выполняется разработчиком и включает окончательное техническое решение, дающее полное представление о конструкции проектируемых изделий и материалах для их изготовления. Этот проект включает чертежи разрабатываемых изделий (обычно общие виды) и подробные расчеты. Технический проект должен обеспечить соответствие конструкции машины (серии машин) техническому заданию, высокий уровень технологичности принятых конструкций, удобство

ИХ эксплуатации с учетом современных требований технической эстетики. Результаты расчетов и целесообразность конструкторских решений должны быть подтверждены результатами экспериментальных исследований макетных образцов изделий, изготовленных на стадии технического проекта. Технический проект согласовывают с заказчиком и заводом-изготовителем.

Рабочий проект. На этой стадии проектирования выполняют следующее: разработку конструкторской документации для изготовления опытных образцов и опытных партий изделий всех габаритов и типоразмеров; изготовление и испытание опытных образцов, корректировку конструкторской документации по результатам испытаний опытных образцов; государственные межведомственные испытания опытных образцов и корректировку документации по результатам этих испытаний.

Вся техническая документация, полученная на этой стадии, передается заводу-изготовителю для технической подготовки производства к изготовлению установочной серии машин (в случае серийного производства).

Установочные серии. Установочные серии электрических машин (при их серийном производстве) выпускаются заводом-изготовителем серийной продукции по типовым технологическим процессам. Машины установочной серии подвергаются квалификационным испытаниям на возможность получения заданных параметров в серийном производстве. После этого производится корректировка технической документации на проектируемые изделия с учетом их серийного изготовления.

1.7. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Надежность является важнейшим технико-экономическим показателем любого изделия, в том числе и электрической машины. Чем выше надежность электрических машин, тем реже они выходят из строя, тем дешевле их эксплуатация. Поэтому повышение надежности машин имеет огромное народнохозяйственное значение, так как является дополнительным источником увеличения парка действующих электрических машин.

Надежность - это свойство изделия (электрической машины) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транс- портирования.

К основным показателям, определяющим надежность электрической машины относятся исправность, работоспособность, отказ.

Исправность - это состояние, при котором машина соответствует всем требованиям, установленным для нее технической документацией, например техническими условиями.

Работоспособность - это состояние, при котором электрическая машина способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией. Разница в этих понятиях состоит в том, что работоспособная машина в отличие от исправной может не

соответствовать некоторым требованиям технической документации, не влияющим на выполнение машиной заданных функций. Например, машина может иметь некачественную окраску, либо другой дефект, не влияющий на основные параметры машины - мощность, КПД, частоту вращения и т. п. Строго говоря, такая машина неисправна, но в течение определенного времени остается работоспособной. Нарушение работоспособности машины называется отказом. Различают отказы внезапные и постепенные. Отказ называют внезапным, если он характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров. Если же отказу предшествует постепенное закономерное изменение какого-либо параметра, то он называется постепенным. Например, постепенный износ коллектора может послужить причиной нарушения коммутации в машине постоянного тока (постепенный отказ), наличие неисправного подшипника или дефектной щетки также может послужить причиной отказа машины (внезапный отказ).

Электрическая машина должна обладать долговечностью - свойством сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, оговоренного технической документацией. Предельное состояние - это состояние машины, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или неустранимого ухода заданных параметров за установленные пределы, или необходимости проведения ремонта.

Долговечность электрической машины определяется техниечским ресурсом п сроком службы. Технический ресурс -это наработка машины от начала эксплуатации или от возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния, а срок службы - это календарная продол--жнтельность эксплуатации машины от ее начала или от возобновления после ремонта до наступления предельного состояния.

Вошедшее в определение технического ресурса понятие наработка* представляет ссйой продолжительность работы машины в единицах времени или выполненную работу в киловатт-часах, километрах, тоннах и т. п. в зависимости от вида работы, выполняемой устройством, на котором установлена машина. Если электрическая машина работает непрерывно, то ее технический ресурс, измеренный в единицах времени, равен сроку службы. Если же машина работает с перерывами, то технический ресурс определяется суммарной наработкой. В этом случае технический ресурс машины, измеренный в единицах времени, меньше срока службы.

В зависимости от отрезка времени, на протяжении которого определяют наработку, различают суточную наработку, месячную наработку и т. п.

Свойство электрической машины сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки называется безотказностью.

Одним из количественных показателей безотказности является вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. Количественно вероятность безотказной работы определяется статистическим отношением числа машин, безотказно проработавших в течение времени t, к общему числу работоспособных машин в начале наблюдения, т. е. в момент времени / = 0:

N-n(t) N

Pit) =

где n(t) - количество машин, отказавших за время наблюдения t. 22

(1.1)

Вероятность безотказной работы является убывающей функцией времени и может изменяться от нуля (при i-<x>) до единицы (при =0). Из этого следует, что с увеличением заданной наработки t вероятность безотказной работы P(t) уменьшается и наоборот - с уменьшением наработки t P(t) возрастает. Вероятность безотказной работы электрической машины определяется при наработке, она должна быть не менее указанной в технической документации. Например, для асинхронных двигателей общего назначения современных серий основного

Рнс. 1.2. Интенсивность отказов для трех периодов работы электрической машины

Приработка

Нормальная

эксплуатация Износ

исполнения установлена вероятность безотказной работы P(t)>>Q,9 при наработке t= = 10 000 ч, а для двигателей постоянного тока P(t)0,9 при /=2000 ч.

Практикой эксплуатации з.чектрических машин установлено три периода, характеризуемых различной интенсивностью отказов К. На рис. 1.2 эти периоды отмечены характерным изломом графика X=f{i). В течение первого периода, называемого приработкой, выявляются скрытые дефекты, в основном технологического характера, не обнаруженные службой технического контроля завода-изготовителя. Этот период характерен случайными отказами. С течением времени эксплуатации машины интеисив-иость отказов снижается и при ti достигает некоторого постоянного значения ?1.пост. С этого времени наступает нормальная эксплуатация (ti-(2). Отказы в этот период носят случайный характер - происходят в основном по причине нарушения условий эксплуатации: перегрузка машины, изменение внешних факторов (допустимых значений температуры, влажности, вибраций и т.п.), попадание внутрь машины металлической стружки или воды и т.д. Период нормальной эксплуатации является наиболее продолжительным (до 15-25 тыс. ч). Затем наступает период износа (старения). Этому периоду (ti-(3) соответствует нарастание интенсивности отказов, имеющих в основном постепенный характер, так как они обусловлены главным образом старением изоляции, износом подшипников, коллектора, контактных колец и т. п.

Многолетние наблюдения за эксплуатацией электрических машин и анализ причин их отказов показали: в асинхронных двигателях 85-95 % всех отказов происходит вследствие выхода из строя обмотки статора, 5-8 % - из-за выхода из строя подшипниковых узлов, остальное приходится на прочие причины, в основном механические повреждения. В машинах постоянного тока 65 % всех отказов происходит из-за выхода из строя обмотки якоря, 15%-обмотки возбуждения, 9 %-коллектора, 11 7о - подшипников и по причине других механических повреждений.

Преобладание отказов по причине выхода из строя обмоток статора и якоря в машинах средней мощности объясняется в основном спецификой укладки всыпных обмоток, когда проводники располагаются в пазу беспорядочно, образуя неровности и перехлесты. В процессе укладки проводников в пазы их при-

ходится уплотнять, что является причиной возможных механических повреждений изоляции обмоточных проводов и приводит к межвитковым коротким замыканиям. Более надежными являются обмотки из проводов прямоугольного сечения, так как они укладываются в открытые и полуоткрытые пазы в определенном порядке.

Существенное влияние на надежность электрических машии оказывают вибрации, вызванные неуравновешенностью вращающихся частей машин. Эти вибрации передаются на подшипники, ускоряя их износ, и иа обмотки, изоляция которых, особенно в лобовых частях, испытывая механические усилия, постепенно изнашивается и выходит из строя.

Причиной частых отказов электрических машин является также их применение в условиях, не соответствующих исполнению по способам защиты и монтажа, а также климатическим условиям эксплуатации. Поэтому значительный резерв повышения надежности электрических машин заложен в разработке и внедрении различных специализированных исполнений, рассчитанных на специфические условия работы.

Для предупреждения отказов машин, вызванных их перегрузкой, в наиболее ответственных случаях применяют встроенную температурную защиту обмотки статора, отключающую машину от сети при значительном превышении температуры обмоткн над температурой охлаждающей среды.

Большое влияние на надежность машины оказывает качество ее изготовления. Эффективным средством повышения качества изготовления электрических машин является тщательная отработка технологичности машины при ее проектировании, предполагающая применение наиболее совершенных и перспективных технологических процессов с высокой степенью механизации.

Глава вторая

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИИ

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе работы, транспортирования и хранения электрическая машина испытывает целый комплекс механических и тепловых воздействий, а также действие солнечной радиации, пыли, коррозионно-активных элементов и т. д. Механические нагрузки обусловлены центробежными силами и вибрациями, реакцией передачи, алектромагнитными силами, возникающими в рабочем режиме и особенно значительными при переходных процессах. Тепловые воздействия связаны с окружающей средой и различными видами потерь в самой машине. Наиболее опасны тепловые воздействия на электрическую изоляцию, в которой при температурах, превышающих допустимую, процесс теплового старения развивается весьма интенсивно.

При выборе материалов исходят не только из их физических свойств (механической прочности, электрической проводимости, нагревостойкости и т. п.), но и из их цены и дефицитности. Если

физические свойства материалов определяют энергетические показатели машины, ее надежность и технологичность, то их стоимость существенно влияет на экономичность машины.

Материалы, применяемые в электромашиностроении, разделяются на конструкционные, активные и электроизоляционные.

Конструкционные материалы применяются для изготовления деталей машины, преимущественным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок, а также обеспечение требуемой степени защиты, охлаждения, смены смазки и т. д. (станины, подшипниковые щиты, валы, жалюзи, уплотнители, вентиляторы и т. д.). В качестве конструкционных материалов используют сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. Подробнее вопросы выбора конструкционных материалов изложены в главах, посвященных конструированию электрических машин.

Активные материалы служат для создания в электрической машине необходимых условий для протекания электромагнитных процессов и подразделяются на проводниковые и магнитные. Электроизоляционные материалы предназначены для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей машины.

Некоторые Детали и сборочные единицы машины работают в сложных физических условиях и выполняют функции как конструкционных, так и активных (например, станины машин постоянного тока). К таким материалам предъявляются смешанные требования. Например, хорошие магнитные свойства материала или его электропроводящие свойства должны сочетаться с механической прочностью.

2.2. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы применяют для изготовления магнито-проводов. Одним из основных требований, предъявляемых к магнитным материалам, является высокая магнитная проницаемость, т. е. чтобы требуемый магнитный поток в машине создавался возможно меньшей МДС обмотки возбуждения.

Некоторые элементы магнитопроводов электрических машин (сердечники статоров машин переменного тока, якорей машин постоянного тока и т. п.) подвержены перемагничиванию, что вызывает потери энергии на вихревые токи и на перемагничивание (гистерезис).

К магнитным материалам, из которых изготавливаются такие элементы магнитопроводов, предъявляются еще и требования минимальных потерь на перемагничивание и повышенное удельное электрическое сопротивление. Последнее способствует уменьшению потерь на вихревые токи.

В настоящее время наилучшим магнитным материалом, удовлетворяющим всем перечисленным требованиям, является тонколистовая электротехническая сталь. Широкий диапазон электромагнитных свойств электротехнической стали достигается изменением содержания кремния. Обычно сталь с меньшим содержанием