10.14. Перспективы развития конструкции машин постоянного тока
Направления совершенствования машин постоянного тока в решающей степени определяются общими тенденциями развития электропривода производственных машин и прежде всего такой прогрессивной и динамичной отрасли машиностроения, какой является станкостроение.
На всех этапах развития они неизменно подчиняются необходимости решения следующих задач:
максимально возможного расширения диапазона регулирования частоты вращения;
максимально возможного увеличения вращающего момента (мощности) двигателя при заданном значении высоты оси вращения;
улучшения динамических свойств двигателей и их виброакустических характеристик;
повышения эксплуатационной надежности.
С 60-х годов к конструкции двигателей стали предъявляться еще два непреложных требования:
соответствие установочно-присоедини-тельных размеров и номинальных данных рекомендациям МЭК;
обеспечение надежной работы от тири-сторных преобразователей.
За последние три десятилетия в мировом электромашиностроении произошла смена четырех поколений конструкций двигателей постоянного тока.
Поколение |
Статор |
Мощность, о. е. |
Диапазон регулирования |
1 |
Массивный, круг- |
1 |
1:5 |
|
лый с явно вы- |
|
|
|
раженными по- |
|
|
|
люсами |
|
|
2 |
То же |
3 |
1:10 |
3 |
Шихтованный, |
5 |
1:100 |
|
круглый с неяв- |
|
|
|
но выраженны- |
|
|
|
ми полюсами |
|
|
4 |
Шихтованный, |
10 |
1:1000 |
|
многогранный |
|
|
|
(прямоуголь- |
|
|
|
ный), форсиро- |
|
|
|
ванное охлажде- |
|
|
|
ние |
|
|
Примечание. Установочно-присоединительные размеры не соответствуют рекомендациям МЭК.
Данные по срокам разработки новых конструкций ведущими европейскими электромашиностроительными фирмами:
период морального старения серий машин постоянного тока в среднем составляет:
в ФРГ - 5 лет; в ЧССР - 7 лет; в ГДР -10 лет; в СССР - 12 лет;
за 70-е годы удельная масса двигателей европейскими электромашиностроительными фирмами снижена вдвое.
Существенное повышение требований к виброакустическим характеристикам двигателей при одновременном увеличении уровня теплового и коммутационного использования, являющееся следствием значительного увеличения их мощности, при создании новых конструкций выдвинуло проблему кардинального повышения точности и стабильности технологических процессов путем перехода с преимущественно ручных способов производства к так называемой машинной технологии.
Развитие производства машин постоянного тока в последнее десятилетие во всех индустриально развитых странах характеризуется внедрением во все возрастающих масштабах штамповочных, намоточных, сборочных автоматов, а также автоматизированных средств их испытаний.
Соответствие конструкции двигателей условиям машинного производства является принципиально новым требованием, которому должны удовлетворять машины постоянного тока современных поколений.
Советским электромашиностроением за 25 лет в результате целенаправленной работы коллективов ВНИИэлектромаша, ВНИИТэлектромаша, ЛПЭО «Электросила», прокопьевского, харьковского заводов «Электромашина» и Псковского электромашиностроительного завода единичные мощности двигателей серии П, 2П и 4П увеличены практически для каждого габарита соответственно :
длины якоря — в результате его форсированного охлаждения.
Ограничивающими факторами при создании конструкции двигателей второго поколения с круглой станиной-магнитопроводом являлись уровень теплового использования, допускаемый изоляционными материалами класса В, и расход охлаждающего воздуха, достижимый вентиляторным колесом, встроенным внутрь круглого корпуса.
При создании конструкции двигателей 3-го поколения с многогранной шихтованной станиной ограничивающими факторами являлись уровень теплового использования, допускаемый электроизоляционными материалами нагревостойкости класса F, и расход воздуха, обеспечиваемый независимым электровентилятором приемлемой массы при заданном допустимом уровне звукового давления.
Для двигателей отечественных серий отношение диаметра якоря к высоте оси вращения составляет: в серии П — 0,8; в серии 2П - 1,0; в серии 4П - 1,2.
Значения отношений активной длины якоря к его диаметру (la/Da)> реализованные в конструкциях трех поколений серий П, 2П и 4П, представлены на рис. 10.15, там же для сравнения показано это отношение, характерное для двигателей старой серии ПН. Переход от круглой станины к многогранной в двигателях серии 4П при равенстве высот оси вращения в сравнении с серией 2П позволил увеличить диаметры якорей в 1,5 — 1,7 раза. Объем якоря с учетом большей его активной длины в двигателях серии 2П в среднем больше в 2,1 раза, чем в серии П; в двигателях серии 4П больше в 2,2 раза, чем в серии 2П.
Увеличение линейной нагрузки, осущест-
А, мм |
112 |
132 |
160 |
180 |
200 |
225 |
250 |
355 |
Серия П |
0,4 |
1,0 |
3,8 |
8,0 |
__ |
14 |
25 |
100 |
Серия 2П |
2,2 |
5,5 |
11 |
18,5 |
30 |
45 |
75 |
315 |
Серия 4П |
11 |
22 |
45 |
25 |
по |
160 |
250 |
1000 |
Проблема максимизации номинальной мощности в заданном габарите двигателя, определяемом его высотой оси вращения, решалась путем увеличения диаметра и длины якоря, а также повышения линейной нагрузки. Максимально возможное увеличение диаметра якоря было достигнуто путем оптимизации параметров магнитопровода и повышения теплоотдачи обмоток статора, максимально возможное увеличение активной
вленное в двигателях серий 2П и 4П, характеризуется данными, представленными на рис. 10.16. Помимо совершенствования аэродинамики воздушного тракта и увеличения расхода охлаждающего воздуха, как показано на рис. 10.17, повышение электромагнитного использования якоря в конструкциях двигателей второго и третьего поколений обусловлено переходом на более нагревостойкий класс электроизоляционных
Рис. 10.15. Отношение la/Da в двигателях серий ПН, П, 2П и 4П.
Рис. 10.17. Расход охлаждающего воздуха в двигателях с различной высотой оси вращения разных серий
материалов в каждой новой серии по сравнению с предыдущей; повышением коэффициента заполнения паза; утоньшением корпусной изоляции.
Соотношение масс двигателей с одинаковым номинальным моментом 60 Н • м, принадлежащих трем поколениям конструкций:
Тип |
Год выпуска |
5 ° § «§•! |
В Л |
2 |
's SJ я - 18-7 SI 2 |
П61 |
1956 |
225 |
0,07 |
163 |
140 |
2П160 |
1974 |
160 |
0,07 |
159 |
102 |
4П112 |
1985 |
112 |
0,07 |
122 |
57 |
Существенно при этом подчеркнуть, что стремление снизить высоту оси вращения приводит к относительному уменьшению доли торцевых зон конструкции в общей массе двигателя. Так, при равенстве номинальных вращающих моментов отношение объема торцевой зоны двигателей серий 2П к П и серий 4П к 2П практически пропорционально соотношению их высот оси вращения.
Рис. 10.16. Линейная нагрузка якоря в зависимости от его диаметра в двигателях серий П, 2П и 4П.
Рис. 10.18. Динамика изменения удельной мощности (а) и удельной механической инерционности ДПТ по годам начала освоения серий (б)
Динамика изменения удельной мощности и механической инерционности двигателей разных серий с высотой оси вращения, равной 160 мм, представлена на рис. 10.18, а и б.
По сравнению с серией П в двигателях постоянного тока серии 4П обеспечено в среднем увеличение удельной мощности в 2 — 2,5 раза при одновременном снижении механической инерционности якоря в 2,5 — 3 раза.
Список литературы
1. Антонов М. В., Герасимова Л. С.
Технология производства электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1982. 512 с.
2. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболевская. М.: Энергоатомиздат, 1982. 504 с.
3. Асинхронные двигатели общего назначения/Е. П. Бойко, Ю. В. Гаинцев, Ю. М. Ковалев и др. М.: Энергия, 1980. 488 с.
4. Борисенко А. И., Костиков О. Н., Яковлев А. И. Охлаждение промышленных электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с.
5. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
6. Глебов И. А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.: Наука, 1979. 316 с.
7. Гидрогенераторы /И. А. Глебов, В. В. Домбровский, А. А. Дукштау и др. Л.: Энергоатомиздат, 1982. 366 с.
8. Глебов И. А., Данилевич Я. Б. Научные основы проектирования турбогенераторов. Л.: Наука, 1986. 184 с.
9. Зимин В. И., Каплан М. Я., Палей М. М. Обмотки электрических машин.— 7-е изд. Л.: Энергия, 1975. 288 с.
10. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 928 с.
11. Кожевников В. А., Копылов И. П. Развитие теории и конструкции машин постоянного тока. Л.: Наука, 1985. 146 с.
12. Копылов И. П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986. 360 с.
13. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа. 1987. 248 с.
14. Нормы испытания электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей / Главгосэнергонадзор. М.: Энергоатомиздат, 1982. 104 с.
15. Пекне В. 3. Синхронные компенсаторы: Конструкция, монтаж, испытания и эксплуатация. М.: Энергия, 1980. 270 с.
16. Правила устройства электроустановок.-6-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. 648 с.
17. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок.—2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. 424 с.
18. Проектирование электрических машин/Под ред. И. П. Копылова. М.: Энергоатомиздат, 1980. 496 с.
19. Сибикин Ю. Д. Эксплуатация и ремонт электрооборудования и сетей машиностроительных предприятий: Справочник.— 2-е изд. М.: Машиностроение, 1981. 288 с.
20. Справочник по автоматизированному электроприводу/Под ред. В. А. Елисеева, А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.
21. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.
22. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л.: Энергия, 1974. 220 с.
23. Электротехнический справочник. Т. 2/ /Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов).—7-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А Активное сопротивление фазы 15 Асинхронные машины, конструкция 216 — — регулирование 221 — — технические данные 223 Аттестация качества 23
В Вентиляция 56 — условные обозначения 59 Вероятность безотказной работы 19 Вибрация, измерение 21, 107 — источники 24 — классы 119 — показатели 26 Воздействующие факторы биологические, климатические, механические, специальные 35 Взрывоопасные зоны 119 Выбор защиты электродвигателей 128 — электродвигателей 117 Выводы обмоток, условные обозначения 69, 91
Г Генераторы постоянного тока 396, 410, 438 — синхронные явнополюсные автономных систем, особенности 175 Генераторы-двигатели 168 Гидрогенераторы вертикального исполнения, конструкция 154 _____ охлаждение 159 — вибрации и шумы 175 — капсульные 168 — классификация 154 — режимы работы 172 — системы возбуждения 171 Группы однородной продукции 30
Д Двигатели асинхронные, общие сведения 216 — — общего назначения 223 — — специального назначения 336 — постоянного тока общие сведения 344 — — — технические данные 351 — синхронные, классификация 187 — — неявнополюсные 204 — - — пуск 207 — — — системы возбуждения 208 — — явнополюсные 188 _____ системы возбуждения 204 Диагностика электрических машин 111 Долговечность 19 Допустимое число включений в час 123
И Изоляция электрических машин, допустимые превышения температуры 48 — — — конструкция 64, 85 — — — нагревостойкость 46 _____ старение 46 Индуктивность фаз обмоток 15 Индуктивные сопротивления обмоток 15, 211 Индукционный регулятор 222, 336 Исполнение электрических машин климатическое 35 — — — по способу монтажа 38 _____ по степени защиты 43 Испытания электрических машин аттестационные 98 — — — классификационные 98 — — — на надежность контрольные 108 _____ определительные 108 — — — нормы и методы 100 — — — периодические 97, 100 — — — приемо-сдаточные 97, 98 — — — приемочные 96 — - — при ремонте 132 — — — промышленные 96 — — — специальные 98 _ _ __ синхронных, особенности 209 _ __ _ типовые 96
К Категории размещения 35 Компенсаторы синхронные назначение 182 — — с водородным охлаждением 183 — — с воздушным охлаждением 182 — — режимы работы, пуск 187 — — системы возбуждения 186 Коэффициент вытеснения тока 15 — заполнения паза 65 — инерции 54 — искажения синусоидальности кривой напряжения 210 — обмоточный, распределения 67 — полезного действия 17, 108, 213 — ускорения испытаний 108 — формы поля 15
М Машины электрические 5 — - асинхронные 7, 216 — — вентильные 9 — — двухмерные 5 — — емкостные 5 — — идеальные 5 — - индуктивно-емкостные 5 — — индуктивные 5 Машины электрические индукторные 7 — — коллекторные 8, 344 — — линейные 6 — — обобщенные 11 — — одномерные 6 — — параметрические 6 — — постоянного тока 6, 344 — — синхронные 7, 140 — — торцевые 6 — — униполярные 8 Метод средних потерь 121 — эквивалентного момента 121 — эквивалентной мощности 122 — экспертных оценок 112 Модель обобщенного электромеханического преобразователя 14 — электрической машины математическая 11 Момент вращающий 13 — инерции 16
Н Нагревостойкость изоляционных материалов 46 Нагрузка электрических машин 17 — — — кратковременная 125 — — — номинальная 18 — — — стохастическая 126 — — — ударная 124 Надежность электрических машин 18 — — — испытания 108 — — — показатели 19 — — — прогнозирование 112 Номинальные данные 17, 37
О Обмотки возбуждения машин постоянного тока 95 — — синхронных машин 93 — двухфазных и однофазных асинхронных двигателей 81 — компенсационные 91 — машин переменного тока двухслойные 75 _____ концентрические 79 — — — — одно-двухслойные 79 — — — - однослойные 73 _ _ _ _ с дробным числом пазов 77 _ _ _ _ стержневые волновые 78 — — постоянного тока волновые 88 _ _ _ _ искусственно-замкнутые 90 — — — — лягушачьи (комбинированные) 91 — — — — петлевые 86 — — — — с мертвой секцией 90 — многоскоростных асинхронных двигателей 79 Отказы электрических машин 21, 127 Отношение короткого замыкания 210
П Параметры электрических машин 14 — — — в относительных единицах 20 — электрической энергии 33 Пожароопасные зоны 118 Показатели работоспособности 112 Потери в электрических машинах классификация, распределение 45 Постоянная самоторможения 213 Постоянного тока машины 344 — — — большой мощности 434 — — — замена 420 — — — перспективы развития конструкции 443 Постоянные времени 211 Преобразование энергии 9 Прогнозирование технического состояния 111
Р Режимы работы асинхронных машин специальные 222 — — электрических машин 10, 51 Ремонт электрических машин 129, 136 — — — планово-предупредительный (система) 131 Ремонтопригодность 114 Ремонтный цикл 130
С Скольжение 9, 268 Стандарт на электрические машины основополагающие 31 --------------СЭВ, МЭК 32 Стандартизация в электромашиностроении, принципы 29 Синхронные генераторы явнополюсные 175 — гидрогенераторы 140 — двигатели 187 — компенсаторы 182 — машины 140 — — особенности испытаний 209 — — перспективы развития 214
Т Тахогенераторы 433 Торможение динамическое 10 — рекуперативное 10 Турбогенераторы с воздушным охлаждением 141 — с водородно-водяным 143 — с водородным 142 — с полным водяным 148 — с масляным 149 — системы возбуждения 151 — режим работы 152 — ударные 153
У Уравнения движения 13 — обобщенной электрической машины дифференциальные 12 Уравнительные соединения 86 Установочно-присоединительные размеры 39
Ф Фазорегуляторы (фазовращатели) 222, 341, 336
X Хранение электрических машин 36, 114
Ш Шраге — Рихтера двигатель 6, 8 Шум электрических машин измерения 27, 107 — — — источники, уровни 24 книги "Справочник по электрическим машинам"
УКАЗАТЕЛЬ СЕРИЙ И ТИПОВ МАШИН
Асинхронные машины Двигатели: А2 300 А2...ОМ 321 А2...СХ 320 А2...Т 319 А2...УП 320 А2...Ф 321 А2...Х 319 A3 297 А4 324, 326, 329, 331 АВ2 319 АВШ 299 АДО 328, 331 АИ 280 АИР 282 АИРХ 282 АИС 282 АИ модификации 282 АКСБ-15 335 АК2 315 АК4 324, 327, 329 АО2 300 АО2 модификации 312 АО2...ОМ 321 АО2-СХ 320 АО2...Т 319 АО2...УП 320 АО2...Х 319 АО2...ХЛ 320 АОЗ 293 АОК2 315 АОК2-560 335 АК2-630 335 АОЛ2 302 АОЛС2 310 АОП2 309 АОП2...ОМ 323 АОПВ2 321 АОС2 310 АОС2...ОМ 323 АПВ2 319 АПВ2...Ф 321 АСВ2 319 АТД4 323 4А 223, 228, 233 4А многоскоростные 249 4А на частоту 60 Гц 254 4А...Б 258 4А...Б2П...ПБ 268, 272 4А...Е 257 4А...Ж 258 4А...Н 257 4А...ОМ 260 4А...П2 263 4А...РН 259 4А...С 259 4А...СХ 259 4А...Т 258 4А...УП 260 4А...Х 259 4А...ХЛ 259 4АВ 257 4АК 255 4АМ 273 4АМХ 274 4А модификации 279 4АМР 279 4АМС 279 4АА 223, 231, 244 4АН-НЛБ 266 4АН...ОМ 260 4АНК 255 4АР 246 4АС 246 4АФ...НЛБ 266 4АХБ2П...ПБ 272 4АХД 273 ВАКЗ 329, 333 ВАМ 333 ДА304 324, 327, 330 СВМ-6М 300 ЭД1К, ЭДЗК 300 Индукционные регуляторы: ИР 336 ИР-6 340 Фазорегуляторы: ФР, ФРО 341 Постоянного тока машины
Возбудители: В818 432 Генераторы: ГП 441 ГПМ 441 МП 439 2МП 439, 441 П 410 П2 438, 441, 442 2ПН 396 Двигатели: П 399, 421 ПБ 404, 424 ПБС(ПБСТ) 412, 424 ПГ(ПГТ) 428 ПР 425 ПС(ПСТ) 418 П2 369, 436, 441, 444 4П 351, 444 4П 355, 450 367 4ПБ 352 4ПО 352 4ПФ 360 ЭП 431 Тахогенераторы: ПТ 433 Синхронные машины Генераторы для автономных систем: БГСП 17-61-8 177 ГАБ-М; ГАБ-М1 181 ГСФ100М, ГСФ200 180 ЕСС 179 ОС 178 СГ2-85/45-12 175 СГД1ОЗ-8 176 СГД625-1500; СГД625-1500М 176 СГД2-17; СГД2М-П 177
Генераторы-двигатели: Загорской ГЭС 168 Гидрогенераторы: ВГС 1190/215-48 161 ГЭС Верхне-Тиреберская 165 — Пурмари 165 — Сальто-Гранде 164 — Саяно-Шушенская 163 СВ 161 СГК 535/220-56 170 СТКВ 776/125 169
Двигатели: ВДС-375; ВДС2-325 201 ДСЗ-21 199 СДК2 193 СДКМ2 194 СДКП2 196 СДМЗ-2 198 СДМП2 198 СДН-2; СДНЗ-2 189 СТД 205, 207 СТДП 207 ТДС 205 Компенсаторы: с водородным охлаждением (КСВБО) 184 с воздушным охлаждением 182 Турбогенераторы: Т 141 ТВФ 143 ТВВ 145 ТВМ 146, 150 ТГВ 146, 150 ТИ 153 ТЭВ-800-2 148
Справочник по электрическим машинам:
В 2 т./ Под общ. ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1.
— М.: Энергоатомиздат, 1988.—456 с: ил. ISBN 5-283-00500-3
Приведены технические данные, описаны особенности конструкций и области применения электрических машин, выпускаемых предприятиями электротехнической промышленности СССР. Дана классификация электрических машин, описаны системы охлаждения, типы и особенности конструкций обмоток, приведены методы испытаний электрических машин. Том первый содержит технические данные машин общего назначения и крупных машин различных типов. Том второй выйдет в 1989 г. Для инженеров и техников, занятых эксплуатацией электрических машин, проектированием электрического оборудования различных предприятий, промышленных объектов и установок.