О технологии изготовления валов электродвигателей

История происхождения

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны со ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется в школьных классах физики, вместо токсичной ртути используют рассол. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности.

Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русский ученый Б. С. Якоби пошёл иным путем. В 1834 г. он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б. С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «дает непосредственно круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное» .

Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременного притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довел мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.

В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту.

Электрический двигатель — электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, и наоборот побочным эффектом при этом является выделение тепла. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называются генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.

Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею энергии называется обратимостью машины. Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями. электрический вал индукция В зависимости от рода тока электроустановки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и переменного тока.

Классификация электродвигателей По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создается вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — надвигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатель постоянного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щеточно-коллекторного узла подразделяется на:

• · Коллекторные двигатели;
• · Бесколлекторные двигатели.

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей.

Двигатели переменного тока Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и много фазными. Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные машины, а также катекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное регулирование частоты вращения в широких пределах В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они потребляют около 50% электроэнергии, вырабатываемой электростанциями страны. Такое широкое распространение асинхронные электродвигатели получили из-за своей конструктивной простоты, низкой стоимости, высокой эксплуатационной надежности. Они имеют относительно высокий КПД: при мощностях более 1кВт кпд=0,7:0,95 и только в микродвигателях он снижается до 0,2−0,65.

Наряду с большими достоинствами асинхронные двигатели имеют и некоторые недостатки: потребление из сети реактивного тока, необходимого для создания магнитного потока, в результате чего асинхронные двигатели работают с соs =1. Кроме того, по возможностям регулировать частоту вращения они уступают двигателям постоянного тока.

Принцип действия.

В основе работы электродвигателей лежит принцип электромагнитной индукции. Электродвигатель включает в себя статор (неподвижную часть) и ротор (якорь, если мы имеем дело с машиной постоянного тока)(подвижную часть). При помощи электрического тока (либо постоянных магнитов) в электродвигателе возникают неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Статор — это неподвижная, обычно внешняя часть электродвигателя. Функции статора зависят от типа электродвигателя: он способен как генерировать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, так и создавать вращающееся магнитное поле и состоять из обмоток, питаемых переменным током.

Ротор — это подвижная, обычно расположенная внутри статора, часть электродвигателя.

Может содержать в себе:

• · постоянные магниты;
• · обмотки на сердечнике, через которые протекают электрические токи (подключаемые через щеточно-коллекторный узел);
• · короткозамкнутую обмотку («беличье колесо» /" беличья клетка"), токи в которой возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).

Благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора в электродвигателе возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Так происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на обмотки двигателя, в механическую энергию вращения. Данная энергия используется с целью привода механизмов в движение.

В статье предусматривается технология изготовления «Вала электродвигателя», который является одной из важнейших деталей механизма для передачи вращения при заданном передаточном отношении.

Вал — это часть ротора, которая выведена за пределы корпуса и которая непосредственно приводит в движение приводной механизм. Вал может быть выведен только с одной стороны или с обеих сторон мотора (тогда говорят, что электродвигатель с двумя валами). Такое исполнение вала чаще всего имеет крановый мотор, но и общепромышленные электродвигатели тоже могут изготавливаться двухконцевыми.

Вал ротора вращается в подшипниках, которые укреплены в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. Главным образом это подшипники качения и только в машинах большой мощности иногда используются подшипники скольжения.

Подшипниковые щиты прикрепляют болтами к корпусу статора. В корпус запрессовывают сердечник статора.

Для вала двигателя характерны два главных размера — диаметр вала и вылет вала. Два конца вала могут быть одного и того же диаметра, а могут быть разного (для крупногабаритного общепрома характерен второй несколько тоньше, чем основной).

Общепромышленные электродвигатели с двумя свободными концами вала не так уж часто используются, но все-таки бывают. Как правило, электродвигатель с двумя выходящими валами (или как еще говорят электродвигатель с двумя валами или электродвигатель с двумя выходами вала) — позиция заказная, но некоторые наиболее часто покупаемые позиции могут быть на складе, так что лучше позвонить и уточнить наличие у наших менеджеров.

В отличии от крановых электродвигателей, у которых бывают цилиндрические и конические валы, у общепромышленных трехфазных электродвигателей валы всегда цилиндрические, а вот толщина второго вала может быть или такой же, как и основного или меньше, в зависимости от назначения второго конца вала. Так как электродвигатели с двумя валами чаще всего заказная позиция, по толщине второго вала могут быть выполнены некоторые пожелания заказчика. В каталогах и справочниках электродвигателей с двумя выходами вала обычно указаны одинаковые концы валов у электродвигателей с двумя концами вала небольших габаритов и одинаковые или второй вал несколько тоньше — у асинхронных трехфазных электродвигателей с двумя выходами вала больших габаритов.

Резьба может быть как внутри вала электродвигателя (тогда говорят, что вал проточен), так и снаружи.

Рисунок 1 — Вал электродвигателя Конструкция валов (рисунок 1) зависит от характера работы двигателя. Вал тягового электродвигателя более нагружен, поэтому переход от одной ступени к другой выполнен плавным, в форме радиуса, называемого галтелью. Этим достигается снижение концентрации напряжений в местах перехода. У вала электродвигателя единой серии в местах перехода ступеней имеется небольшое занижение диаметра, предназначенное для выхода круга при шлифовании. Для крепления пакета сердечника на валу предусмотрена шпоночная канавка. У валов небольшого диаметра вместо шпоночной канавки делают рифление. Валы электрических машин изготавливаются из углеродистой стали марки 45 (ГОСТ 1050 — 60). Для наиболее нагруженных валов применяется легированная сталь марки 20ХНЗА или 30ХГСА. Для получения мелкозернистой структуры заготовки валов подвергают термообработке (нормализации). Вал является наиболее точной деталью электрической машины. Большинство его поверхностей изготовляют по 2-му классу точности системы отверстия и 7-му классу чистоты (ГОСТ 2789 — 59). Особенно точно должны быть изготовлены ступени валов под подшипник. При изготовлении ступеней по 2-му классу точности сумма овальности и конусности должна быть не более половины допуска на изготовление. На чертежах валов указывают также допускаемые отклонения на расположение отдельных поверхностей. Например, для вала отклонение от соосности шеек под подшипник не должно быть более 0,015 мм.

Заготовки получают отрезкой от горячекатаных или холодно-тянутых нормальных прутков и непосредственно подвергают механической обработке. Прокат круглого сечения поступает на машиностроительные заводы в виде многометровых прутков, из которых в заготовительных цехах нарезаются заготовки необходимой длины.

В производстве с более значительным масштабом выпуска, а также при изготовлении валов более сложной конфигурации с большим количеством ступеней, значительно различающихся по диаметру, заготовки целесообразно получать методом пластической деформации. Эти методы (ковка, штамповка, периодический прокат, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электровысадка) позволяют получать заготовки, по форме и размерам наиболее близкие к готовой детали, что значительно повышает производительность механической обработки и снижает металлоемкость изделия.

Основными базами подавляющего большинства валов являются поверхности его опорных шеек. Однако использовать их в качестве технологических баз для обработки наружных поверхностей, как правило, затруднительно, особенно при условии сохранения единства баз. Поэтому при большинстве операций за технологические базы принимают поверхности центровочных отверстий с обоих торцов заготовки, что позволяет обрабатывать почти все наружные поверхности вала на постоянных базах с установкой его в центрах.

Основные поверхности вращения обрабатываются начерно и начисто за токарную операцию с ЧПУ.

После термической операции (закалки) выполняются круглошлифовальные операции, на которых достигается требуемая точность и шероховатость поверхностей. Контроль детали выполняется во время выполнения операций резанием и на окончательном этапе технологического процесса на отдельной операции контроля.

При обработке заготовки из легированной стали используем инструмент с пластинами из твёрдого сплава Т 15К 6 и Т 5К 10 — резцы, фрезы червячные, фрезы шпоночные.

Установка валов при обработке пазов обычно производится на призме или в центрах.

Шпоночные пазы изготовляются различными способами в зависимости от конфигурации паза и вида применяемого инструмента; они выполняются на горизонтально-фрезерных или вертикально-фрезерных станках общего назначения или специальных.

При выборе контрольно-измерительных средств учитываем точность измеряемой поверхности, её формы и размеры: используем в основном, стандартные измерительные инструменты и стандартные контрольные приспособления для проверки биения.

• 1. Справочник технолога-машиностроителя / под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985. — Т. 1. — 665 с.
• 2. Справочник технолога-машиностроителя / под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985. — Т. 2. — 496 с.
• 3. Зуев, А. А. Технология машиностроения / А. А. Зуев. — 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: Изд-во «Лань», 2003. — 496 с.
• 4. Технология машиностроения. Ч. II: Проектирование технологических процессов / под ред. С. Л. Мурашкина. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. — 498 с.
• 5. http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/2007/k_Tkachev.pdf
• 6. Обработка металлов резанием: справочник технолога / под ред. А. А. Панова. — М.: Машиностроение, 1988. — 736 с.
• 7. Маракулин, И. В. Краткий справочник технолога тяжелого машиностроения / И. В. Маракулин и др. — М.: Машиностроение, 1987. — 464 с.