Алюминий в электротехнике

Электрические машины малой мощности (до 600 вт )

Для всех электрических машин, в том числе и для машин малой мощности (двигатели и генераторы постоянного тока, асинхронные и синхронные двигатели, тахогенераторы и универсальные двигатели переменного тока), замена медных проводников алюминиевыми приводит к увеличению эксплуатационных расходов за счет снижения энергетических показателей при одинаковой себестоимости производства.

Поэтому замена меди алюминием оправдана только необходимостью экономии меди, так как потребность в меди опережает ее производство.

Расход медных обмоточных проводов (по массе) на изготовление одной машины в зависимости от мощности представлен на рис. 11-1 и 11-2.

Если энергетические показатели электрической машины с алюминиевым проводом надо сохранить на уровне машин с медным проводом, то необходимо изменять длину машины (без изменения диаметра) или и диаметр и длину. Чаще требуется сохранить габариты малых машин неизменными, т. е. идти на некоторое снижение к. п. д. и повышение нагрева.

Ниже рассматриваются результаты применения алюминиевых проводов и фольги в двигателях постоянного тока и в асинхронных двигателях с сохранением габаритов машин медного исполнения.

В табл. 11-1 приводятся опытные данные асинхронного управляемого двигателя повышенной частоты, предназначенного для работы в условиях повышенной температуры в медном и алюминиевом исполнениях. Пакеты статоров и роторов собраны из электротехнической стали Э-44 с крайними листами из стеклотекстолита СТК-41/ЭП. Обмотки пропитаны кремний органическим лаком К-47. Для панелей применен прессматериал КМК-218.

Число витков обмотки статора сохранилось неизменным за счет увеличения коэффициента заполнения паза из-за более тонкой оксидной изоляции алюминиевого провода.

В табл. 11-2 приведены характеристики двигателей постоянного тока с изоляцией класса Н двух типоразмеров мощностью 25 и 75 вт в медном и алюминиевом (в. том числе с анодированной фольгой) исполнениях. Коллекторы изготовлены из кадмиевой меди и впрессованы пластмассой К-41-5. В двигателях применены щетки марок ВТ-1 и МГС-7. Пайка алюминиевого провода к петушкам коллектора проводилась цинкокадмиевым припоем П300А, имеющим температуру плавления 300° С , с применением органического флюса Ф-59А.

Как видно из табл. 11-2, применение алюминиевого провода и фольги привело к некоторому снижению к. п. д. и повышению нагрева.

Масса электродвигателей, данные по которой приведены в таблицах 11-1 и 11-2, в алюминиевом исполнении оказалась на 17—19% меньше, чем в медном.

Большим недостатком алюминиевого провода марки АОТ является его значительная хрупкость, поэтому особый интерес представляет техническая возможность замены медного обмоточного провода в катушках возбуждения электрических машин постоянного тока анодированной фольгой (табл. 11-3).

Однако технология изготовления фасонных катушек, связанная с большим числом операций (анодирование фольги, намотка катушки, механическая фрезерная и токарная обработка, устранение короткозамкнутых витков и т. д.), довольно сложна, а применение концентрических катушек вызывает осложнения изготовления прямоугольного корпуса и щитов машины. Исходя из этого применение фольги экономически оправдывается лишь при выпуске машин более нескольких десятков тысяч штук в год.

Весьма существенным при решении вопроса о замене меди алюминием в машинах малой мощности являются технико-экономические расчеты.

В СКВ завода Эльфа разработана методика расчета затрат активных материалов при замене медных проводников алюминиевыми в электродвигателях малой мощности с зубчатым статором.

Расчеты показывают, что замена меди алюминием для 30 типоразмеров электродвигателей с зубчатым статором и распределенной обмоткой и двигателей 05 я 06 габаритов единой серии универсальных коллекторных двигателей при сохранении в основном энергетических показателей вызывает следующие дополнительные затраты и изменения:

расход электротехнической стали в двухполюсных машинах увеличивается на 24—32%, а в четырехполюсных — на 32—40%;

масса обмотки уменьшается на 30—40%, а диаметр провода увеличивается на 30—45%;

расход конструктивных материалов возрастает из-за увеличения габаритов на 12—18%;

трудоемкость изготовления машин увеличивается на 8—15%;

перераспределяются потери в стали (увеличиваются на 20—30%) и в обмотке (уменьшаются соответственно);

индукция в зубцах и ярме статора уменьшается.

Из-за сравнительно высоких цен на алюминиевые провода, выпускаемые кабельной промышленностью для указанных машин, в настоящее время замена меди алюминием экономически нецелесообразна и может диктоваться только необходимостью экономии дефицитной меди.

Если же производить замену меди алюминием в двигателях с зубчатым статором с распределенной обмоткой при сохранении габаритных размеров, то это приведет к следующим изменениям:

при одинаковом сечении медных и алюминиевых обмоток (лист статора не изменяется) к. п. д. в двигателях с алюминиевыми проводами мощностью 6—20 вт уменьшается на 21—10%. мощностью 80—200 вт — на 14,1— 6,4% и мощностью 250—600 вт — на 7,9—4,3%;

при одинаковом сечении медных и алюминиевых обмоток (лист статора не изменяется) коэффициент мощности (соs ф ) в двигателях с алюминиевыми проводами мощностью 6—50 вт увеличивается на 11—37%, мощностью 80—200 вт — на 7—10%, мощностью 250— 600 вт — на 4,5—8,5%;

уменьшается масса обмотки статора в 3 раза и соответственно уменьшается масса машин;

увеличивается превышение температуры машин соответственно увеличению потерь;

уменьшается мощность машин на 10—18% и соответственно уменьшается максимальный момент. Для сохранения мощности неизменной по сравнению с машиной е медной обмоткой необходимо увеличить лоток на 5— 10%, при этом к. п. д. изменяется на 1—3%, a cos ф уменьшается на 5—10% относительно варианта прямой замены меди на алюминий без изменения обмоточных данных;

трудоемкость увеличивается на 4—8%;

потери в алюминиевой обмотке статора увеличиваются на 63%, а в стали остаются практически неизменными в случае прямой замены меди алюминием; при увеличении магнитного потока на 10% потери в алюминиевой обмотке статора увеличиваются на 35%, а в стали — на 25—30%.

Для двигателей с сосредоточенной обмоткой статора в ряде случаев (например, коллекторные двигатели типа УВ) замена меди алюминием даже при существующих у нас ценах на алюминиевые провода может быть экономически целесообразной, так как не увеличивает расход материалов и трудоемкость изготовления машины, при этом необходимо изменить конструкцию листа индуктора.

В машинах, работающих непродолжительное время в течение года, замена меди алюминием благодаря большей нагревостойкости алюминиевых эмалированных прjводов возможна и экономически целесообразна за счет перехода на более высокий класс нагревостойкости изоляции в пазовой и лобовой частях машины.

При изготовлении малых электрических машин следует учитывать некоторую специфику технологии их изготовления.

Намотка секций из алюминиевого провода наиболее распространенных сечений (диаметром 0,44—1,2 мм) не приводит к возрастанию трудоемкости и лишь незначительно увеличивает затраты из-за более сложной технологии сварки проводов. Трудоемкость укладки секций в статор при равных длинах статоров также одинакова для алюминиевого и медного провода. Однако при работе с тонкими проводами диаметром ниже 0,5 мм имеют место более частые обрывы при укладке алюминиевого провода из-за меньшей по сравнению с медными проводами прочности и недостаточной пластичности в нагартованном состоянии.

Более трудоемким процессом является пайка алюминиевого обмоточного провода с выводными концами из медного провода за счет зачистки алюминиевых концов.