Проектирование электрических машин

Приложение 6-8.doc

Приложение 6. Шкала мощностей высоты
осей вращения и установочные размеры
Таблица П6.1. Шкала мощностей кВт по ГОСТ 12139—84
(в диапазоне от 006 до 1000 кВт)
Таблица П6.2. Высоты оси вращения
За высоту вращения принимается расстояние от оси вращения до опорной
плоскости машины измеренное в середине выступающего конца вала.
Номинальные значения высот оси вращения должно соответствовать ряду 40
5 400 450 500 560 630 710 800 900 и 1000 мм.
Примечание. 1. В технически обоснованных случаях допускается применение
высот оси вращения 125 140 и 236 мм и для машин разрабатываемых на базе
существующих серий также высоты оси вращения 600 мм.
Указанные значения высот оси вращения распространяются на все
конструктивные формы вновь разрабатываемых и модернизируемых (в части
установочных размеров) электрических машин общего назначения и специального
назначения с горизонтальной осью вращения.
Отклонение от номинальной высоты оси вращения относительно опорной
плоскости машины должно соответствовать ГОСТ для электрических машин и
непосредственно соединяемых с ними неэлектрических машин кроме
неэлектрических двигателей.
Таблица П6.3. Высоты оси вращения и связанные с ними установочные
мм электрических машин (см. рис. 11.2)
[pic] [pic] Условное [pic] [pic] [pic]
Высоты оси вращения от 56 до 400 мм
-05 125 — 100 50 10
-05 140 S 100 56 10
0 -05 160 S 112 63 12
2 -05 190 S 114 70 12
2 -05 216 S 140 89 12
0 -05 254 S 178 108 15
0 -05 279 S 203 121 15
0 -05 318 S 228 133 19
5 -05 356 S 286 149 19
0 -05 404 S 311 168 24
0 -1 457 S 368 190 24
5 -1 508 S 406 216 28
5 -1 610 S 500 254 28
0 -1 686 S 560 280 35
Высоты оси вращения от 450 до 630 мм
0 -1 710 800 900 — 355 400 450 — 35
0 -1 800 900 1000— 400 450 500 — 42
0 -1 900 1000 — 450 500 560 — 42
0 -1 1000 1120 — 500 560 630 — 48
Примечание. Для двигателей с высотами оси вращения от 450 до 630 мм
размеры [pic] следует выбирать из ряда 100 200 224 250 280 315 335
0 1000 мм независимо от высоты вращения.
Таблица П6.4. Размеры выступающего конца вала
электрических двигателей (см. рис. 11.2)
[pic] мм [pic] мм Наибольший момент
Таблица П6.5. Размеры мм крепительных фланцев по данным публикации МЭК
Диаметры фланца Отверстия для болтов
[pic] [pic] [pic] Число Диаметр [pic] мм
0 880 1000 8 28 М24
80 1000 1150 8 28 М24
Приложение 7. Условное обозначение исполнения электрических машин по
Условное обозначение степени защиты электрических изделий
обеспечиваемых их оболочками состоит из двух букв латинского алфавита — IP
(начальные буквы слов International Protection) и двух цифр.
Первая цифра (от 1 до 6) обозначает степень защиты персонала от
соприкосновения с находящимися под напряжением и вращающимися частями
расположенными внутри оболочки электротехнического изделия а также от
попадания внутрь оболочки твердых посторонних предметов (табл. П7.1).
Вторая цифра (от 1 до 8) обозначает степень защиты изделия от попадания
воды внутрь его оболочки (см. табл. 1.3).
Электрические машины выпускаются со степенями защиты обозначение которых
приведено в табл. 1.4.
Если требуется указать степень защиты изделия только одной цифрой
условного обозначения то пропущенная цифра заменяется буквой «X»
Таблица П7.1. Условное обозначение степени защиты электрических машин
Первая цифра Вторая цифра обозначения2
Хладагент свободно подводится из окружающей среды к машине и свободно
возвращается в эту среду — свободная циркуляция.
Хладагент подводится к машине или к охладителю не из окружающей среды а
из другого источника через подводящую трубу или подводящий канал а затем
удаляется через отводящую трубу или отводящий канал на некоторое
расстояние от машины — охлаждение при помощи подводящей и отводящей труб
Первичный хладагент циркулирует по замкнутой системе и отдает свое тепло
через поверхность корпуса вторичному хладагенту которым является среда
окружающая корпус машины. Поверхность корпуса машины может быть гладкой
или ребристой для лучшей теплопередачи — охлаждение внешней поверхности
вторичному хладагенту в охладителе встроенном в машину и являющемся ее
неотъемлемой частью; вторичным хладагентом не является среда окружающая
машину — охлаждение при помощи встроенного охладителя без использования
вторичному хладагенту в охладителе являющемся независимым устройством
установленным непосредственно на машине; вторичным хладагентом не
является среда окружающая машину — охлаждение при помощи пристроенного
охладителя без использования окружающей среды.
Примечание. В таблице приведены обозначения не всех цепей циркуляции
хладагента используемых для охлаждения электрических машин.
Таблица П8.2. Условное обозначение способа перемещения хладагента
(вторая цифра в условном обозначении системы охлаждения)
Цифра Способ перемещения хладагента
За счет разницы температур — свободная конвекция; вентилирующее действие
ротора машины незначительно
Вентилирующим действием ротора или при помощи специального устройства
расположенного на валу ротора машины — самовентиляция
При помощи зависимого встроенного устройства не смонтированного
непосредственно на валу машины например встроенного вентилятора с
зубчатой передачей или ременным приводом
При помощи зависимого пристроенного устройства установленного
непосредственно к машине например вентилятора приводимого в действие
электрическим двигателем получающим питание от выводов охлаждаемой машины
При помощи отдельного устройства не установленного на машине и не
зависящего от нее или под давлением в системе циркуляции хладагента
например путем подачи воды из водопроводной сети или газа под давлением
при помощи форсунки
Посредством относительного движения машины через хладагент например
тяговый двигатель охлаждаемый воздухом или двигатель приводящий в
движение вентилятор и охлаждаемый основным воздушным потоком
Таблица П8.3. Примеры условных обозначений систем охлаждения
Система охлаждения Обозначение*
Защищенная машина с самовентиляцией; вентилятор расположен на валу IC01
Защищенная машина охлаждаемая пристроенным вентилятором; приводной IC03
электродвигатель вентилятора получает питание от выводов охлаждаемой
Закрытая машина с естественным охлаждением без внешнего вентилятора IC0040
Закрытая машина с ребристой или гладкой станиной обдуваемая внешним IC0141
вентилятором расположенным на валу машины
Закрытая машина с подводящей и отводящей трубами; машина охлаждается IC37
вентилятором с приводным электродвигателем не установленным на машине
Закрытая машина с воздушным охлаждением и пристроенным водяным ICW37A81
охладителем; циркуляция воды в охладителе осуществляется отдельным
насосом или водопроводной сети
Закрытая машина имеющая обмотку статора с непосредственным водяным IC87 обмотка
охлаждением; обмотка ротора охлаждается водородом; циркуляция воды в статора (W87)
обмотке статора осуществляется отдельным насосом или от водопроводной ротор H71
сети; к машине пристроен воздушный охладитель
* См. табл. П8.1 и П8.2.

Список литературы.doc

Автоматизированное проектирование электрических машин. Ю.Б. Бородулин
В.С. Мостейкис. Г.В. Попов. В.П. Шишкин Под ред. Ю.Б. Бородулина. М.:
Высшая школа 1989. 280 с.
Антонов М.В. Технология производства электрических машин. М.:
Энергоатомиздат 1993. 592 с.
Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. М.: Высшая школа 2000.
История электротехники Под ред. И.А. Глебова. М.: Издательство МЭИ
Кожевников В.А. Копылов И.П. Развитие теории и конструкции машин
постоянного тока. Л.: Наука 1985 147 с.
Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа 2000. 607 с.
Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.:
Высшая школа 2001. 318 с.
Костеленец Н.Ф. Кузнецов Н.Л. Испытание и надежность электрических
машин. М.: Высшая школа 1989. 232 с.
Курбатов А.С. Седов В.И. Сорин Л.Н. Проектирование тяговых
электродвигателей Под ред. А.С. Курбатова. М.: Транспорт 1987. 536 с.
Лопухина Е.М. Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных двигателей
с применением ЭВМ. М.: Высшая школа 1980. 359 с.
Орлов И.Н. Маслов С.И. Системы автоматизированного проектирования
электромеханических устройств. М.: Энергоатомиздат 1989. 296 с.
Пешков И. Б. Обмоточные провода М.: Энергоатомиздат 1995. 416
Попов В.И. Ахунов Т.А. Макаров Л.Н. Современные асинхронные машины:
Новая Российская серия РА. М.: Издательство «Знак» 1999. 256 с.
Приводы и их элементы. Рынок продукции: Каталог-справочник. А.Б.
Чистяков Б.М. Парфенов В.К. Свешников и др. Под ред. А.Б. Чистякова.
М.: Машиностроение 1995. 432 с.
Проектирование электрических машин: В 2 кн. Под ред. И.П. Копылова.
М.: Энергоатомиздат 1993. 384 с.
Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Под общей ред. И.П.
Копылова Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат 1988 1989. 1 т. 456 с.; 2 т.
Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. Л.:
Энергоатомиздат 1986. 256 с.
Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 2 Электротехнические изделия
и устройства Под общ. Ред. Профессора МЭИ В.Г. Герасимова и др. М.:
Издательство МЭИ 1998. 518 с.
Гольдберг О.Д. Гурт Я.С. Свириденко И С. Проектирование
электрических машин. Под ред. О.Д. Гольдберга. 2-е изд. перераб. и доп.
М.: Высшая школа 2001. 430 с.

Предметный указатель.doc

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автомат гашения поля
Аэродинамическое сопротивление
Валы электрических машин
— машин постоянного тока
— фаз обмотки машин переменного тока
Давление статическое вентилятора
— асинхронной машины
Диаграмма круговая асинхронной машины
Диаметр короткозамыкающих колец ротора средний
— ротор асинхронного двигателя внутренний
— магнитопровода расчетная
Задание на проектирование
Замыкание короткое режим
Защита электрических машин от воздействия окружающей среды
Измерение температуры методы
Изоляция катушечных обмоток роторов
— — — статоров витковая
— — — — из круглого провода
— — — — из подразделенных катушек
— — — — из прямоугольного провода
— стержневых обмоток роторов асинхронных двигателей
Индукция в воздушном зазоре
— — — — асинхронного двигателя
— на участках магнитной цепи асинхронного двигателя
Исполнение электрических машин
— — — конструктивное
— — — по способам охлаждения
— — — по степени защиты от влияния окружающей среды
Каналы вентиляционные аксиальные
Категории размещения электрических машин
Классы нагревостойкости изоляции
Короткозамыкающие кольца обмотки ротора
Коэффициент аэродинамического сопротивления
— заполнения паза медью
— — сердечника сталью
— изменение индуктивного сопротивления от действия эффекта вытеснения
— магнитной проводимости дифференциального рассеяния
— — — лобового рассеяния
— — — пазового рассеяния
— насыщения зубцовой зоны
— полезного действия электрической машины
— полюсного перекрытия
— — тока обмотки ротора
— теплоотдачи с поверхности
— увеличение активного сопротивления от действия вытеснения тока
Критерий оптимизации
Лобовые части обмотки
— проводимость дифференциального рассеяния
— лобового рассеяния
— — пазового рассеяния
Магнитное напряжение воздушного зазора
— — — — — с фигурными пазами и двойной беличьей клеткой
— — явно выраженных полюсов
— — ярм статора и ротора
— электроизоляционные
Машины электрические асинхронные
— — постоянного тока
Момент асинхронного двигателя
— инерции электрической машины
Нагрузки электромагнитные
Надежность электрических машин
Намагничивающий ток асинхронного двигателя
Напряжение на контактных кольцах фазного ротора
— — переменного тока
— — — — распределительные
— — — — сосредоточенные
— — постоянного тока возбуждения
— — — — компенсационные
— роторов асинхронных двигателей
— — — — короткозамкнутые
— — — — — с двойной клеткой на роторе
— — — — схемы катушечные
— — — — — — без перемычек
— — — — — — с дробным числом пазов на полюс и фазу
— статоров асинхронных двигателей
— — — — — — концентрические
— — — — — одно двухслойные
— — — — — однослойные концентрические
— — — — — двухслойные
— — — — — — равнокатушечные
— — — — — полюснопереключаемые
— — из круглого провода
— — из прямоугольного провода
Охлаждение электрических машин
Оптимизация электрических машин
Пазы короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя
— статора асинхронного двигателя
Параллельные ветви обмотки
Параметры электрических машин
— — — относительные значения
— — — при действии насыщения от полей рассеяния и эффекта вытеснения тока
— — — с двухклеточным ротором
— — — вентиляционные и механические
— добавочные при нагрузке
— — — холостого хода
— магнитные в стали магнитопровода
— на трение щеток о контактные кольца
— — — в щеточных контактах
Припуски на сборку и шихтовку сердечников
— для механизированной укладки
— двухклеточного ротора
— индивидуальной машины
— электрических машин оптимизационные
Расчет асинхронного двигателя
— с короткозамкнутым ротором
Роторы асинхронных двигателей короткозамкнутые
— — — — двухклеточные
Серии электрических машин
Скольжение асинхронного двигателя критическое
Система автоматического проектирования электрических машин
Сталь электротехническая
Сопротивление активное обмоток статора
— — фазы обмотки статора индуктивное
— — — короткозамкнутого ротора активное
— — — — — индуктивное
— — — — — — с двойной беличьей клеткой
Составы пропитывающие
Схема замещения асинхронного двигателя
— — фазы короткозамкнутого ротора с двойной беличьей клеткой
Температура частей электрической машины предельно-допустимая
Теплоемкость удельная
Тепловое сопротивление
Теплопроводность материалов
Унификация в электротехнической промышленности
Уравнительные соединения
Условия эксплуатации нормальные
Характеристики асинхронного двигателя рабочие
— — — по круговой диаграмме
— синхронных двигателей
Характеристики холостого хода
— — якоря машины постоянного тока по коллектору
Электромагнитные нагрузки
Эффект вытеснения тока

Глава 10 Проектирование синхронных машин.doc

Глава десятая. Проектирование
Синхронные машины имеют широкое распространение и выпускаются в большом
диапазоне мощностей и частот вращения. В энергетике их применяют в качестве
генераторов на электростанциях их мощность составляет 1500 МВт для
турбогенераторов и 800 МВт для гидрогенераторов. В промышленных установках
большое применение находят синхронные двигатели и генераторы.
Синхронные двигатели предназначены для привода механизмов не требующих
регулирования частоты вращения таких как компрессоры насосы шаровые
мельницы вентиляторы двигатель-генераторные установки и т. п.
Двигатели изготовляют с неявнополюсным и с явнополюсным ротором.
В неявнополюсном исполнении синхронных двигателей — турбодвигатели —
выпускают с частотой вращения 3000 обмин мощностью от 630 до 12500 кВт.
Более широкое распространение имеют явнополюсные синхронные двигатели с
диапазоном частот вращения от 1500 до 100 обмин мощностью от нескольких
сотен до нескольких десятков тысяч киловатт.
Шкала мощностей выпускаемых в настоящее время двигателей приведена в
табл. 10.1. Двигатели выпускают с номинальными напряжениями 3806606000 и
В отдельных случаях допускается изготовление двигателей на напряжение
00 В для мощностей указанных в таблице для двигателей с номинальным
Синхронные генераторы выполняют с явнополюсными роторами и применяют в
сопряжении с двигателями внутреннего сгорания или электродвигателями. В
табл. 10.2 приведена шкала мощностей частот вращения и напряжений для
синхронных генераторов. Для дизель-агрегатов выпускают генераторы с
частотой вращения 375 обмин. Кроме того выпускают синхронные генераторы
небольших мощностей; от 4 до 100 кВт. Большинство выпускаемых генераторов
работает с самовозбуждением и автоматической системой регулирования
Налажено серийное производство различного типа синхронных двигателей
мощностью от нескольких сотен ватт до долей ватта (микродвигатели) [16].
Таблица 10.1. Шкала мощностей синхронных двигателей
Номинальная Номинальная частота вращения обмин
Номинальное напряжение В
Таблица 10.5. Значения КПД синхронных генераторов %
[pic] = 08 [pic]= 230 и 400 В и [pic]= 1500 обмин
[pic]кВт 4 8 12 16 20 30
[pic] 143—152 14—145 135—14 13—135 128—133 122—128
Полученное значение [pic] следует округлить до ближайшего
нормализованного диаметра. Значения их даны в табл. 10.7. Нормализованные
диаметры получены исходя из наиболее благоприятного раскроя листов
электротехнической стали при котором уменьшаются отходы при штамповке.
Нормализованным диаметром определяется габарит машины.
Таблица 10.7. Высота оси вращения и диаметр статора
Габарит Диаметр мм Высота оси вращения мм
От выбранного внешнего диаметра магнитопровода статора [pic] зависит
высота оси вращения [pic] у проектируемой машины. Высоты осей вращения в
зависимости от [pic] для выпускаемых в настоящее время синхронных машин
даны в табл. 10.7. Машины выполненные на диаметрах [pic] от 1180 мм и
выше имеют высоту оси вращения [pic] мм что достигается соответствующей
приваркой лап к станине (см. рис. 10.3).
Если в результате округления отношение [pic] будет выходить за пределы
значений коэффициента [pic] то следует произвести пересчет внутреннего
диаметра [pic] и полюсного деления [pic]:
В этом случае для [pic] можно взять среднее значение при данном числе
По полученному диаметру [pic] находят расчетную длину машины м:
[p [pic] — обмоточный
коэффициент обмотки статора; [p [pic]
— максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной
нагрузке Тл; [pic] — внутренний диаметр статора м.
Как [pic] так и [pic] зависят от размеров и конфигурации полюсного
наконечника а также воздушного зазора и полюсного деления. Поскольку на
данной стадии расчета эти значения неизвестны то предварительно можно
принять [pic]= 065 068 [pic] = 116 141 а их произведение [pic] =
5 078 (эти значения соответствуют [pic] = 068 072 [pic] = 15 и
[pic] = 001). При равномерном воздушном зазоре над полюсным наконечником в
машинах небольшой мощности (менее 100 кВт) [pic] = 1 и можно принять
Обмоточный коэффициент [pic] определяют по шагу обмотки статора и числу
пазов на полюс и фазу. Предварительно [pic] можно взять равным 092 что
примерно соответствует шагу обмотки [pic] = 083.
Линейную нагрузку [pic] и индукцию [pic] для машин мощностью от 100 150
кВт и выше выбирают по кривым рис. 10.9 где приведенные зависимости
получены для серийно выпускаемых синхронных машин с номинальным напряжением
00 6600 В . Эти же зависимости соответствуют машинам и при номинальном
напряжении 380 400 В. При номинальном напряжении 10000 В индукцию [pic]
можно так же выбирать по кривым рис. 10.9 а линейную нагрузку
целесообразно снизить на 10 15% так как из-за более толстой пазовой
изоляции ухудшается охлаждение проводников обмотки якоря.
Рис. 10.9. Зависимость [pic] и A от [pic]
для синхронных машин мощностью более 100 кВт
Значения индукции [pic] и линейной нагрузки [pic] для машин мощностью
менее 100 кВт выбирают по рис 10.10.
Рис. 10.10. Зависимость [pic] и A от [pic]
для синхронных машин мощностью менее 100 кВт
Найденные из рис. 10.9 или 10.10 значения [pic] и [pic] следует
рассматривать как предварительные. В дальнейшем расчете при необходимости
их можно изменить. При этом следует иметь в виду что в зависимости от
выбора [pic] и [pic] изменяется активный объем [pic] проектируемой машины.
Чем больше произведение [pic] тем меньший объем будет иметь машина. Однако
как [pic] так и [pic] имеют свои верхние пределы.
Основным фактором ограничивающим линейную нагрузку является нагрев
обмотки так как с возрастанием [pic] в ней увеличиваются электрические
потери. Допустимое значение линейной нагрузки зависит от класса
нагревостойкости применяемой изоляции а также от конструктивного
выполнения машины и прежде всего от способов ее охлаждения. Приведенные
на рис. 10.9 и 10.10 значения [pic] получены по данным выпускаемых в
настоящее время синхронных машин защищенного исполнения с косвенным
воздушным охлаждением имеющих изоляцию класса нагревостойкости В. При
применении изоляции класса нагревостойкости [pic]линейную нагрузку следует
увеличить в 112 раза а при применении изоляции класса нагревостойкости H
Верхний предел индукции [pic] ограничен главным образом насыщением
магнитной цепи и в первую очередь насыщением зубцового слоя. С повышением
насыщения увеличивается мощность необходимая для возбуждения машины
вследствие чего возрастают размеры обмотки возбуждения и высоты полюса.
Следует также отметить что от отношения [pic] зависят индуктивные
сопротивления обмотки. С увеличением этого отношения индуктивные
сопротивления возрастают.
Определив расчетную длину машины [pic] находят отношение
От [pic] зависят ряд показателей машины и условия ее охлаждения. Чем
длиннее машина (больше [pic]) тем хуже условия ее охлаждения. Значение
[pic] для выпускаемых в настоящее время синхронных машин обычно лежит в
пределах указанных на рис. 10.11. Если [pic] не укладывается в указанные
пределы то следует изменить диаметр [pic] а если потребуется то и
внешний диаметр [pic]. При изменении диаметра [pic] в соответствии с
(10.5) изменится и [pic].
Рис. 10.11. Значение [pic] в зависимости от числа пар полюсов
У машин небольшой мощности при [pic] меньше 250 300 мм а у более крупных
машин меньше 200 мм магнитопровод статора выполняется из одного пакета.
При большей длине в целях улучшения охлаждения сталь статора разбивают на
несколько пакетов между которыми делают радиальные вентиляционные каналы
(рис. 10.12). Обычно длину пакетов [pic] выбирают равной 4—5 см а ширину
канала [pic] = 1 см. При наличии вентиляционных каналов истинная длина
статора будет больше расчетной и может быть найдена по формуле
Рис. 10.12. Размеры активной стали статора
Длину всех пакетов чаще всего берут одинаковой. Число вентиляционных
каналов в этом случае будет равно:
причем [pic] округляют до целого числа.
Определив число каналов уточняют длину пакета:
Суммарная длина пакетов сердечника
В некоторых случаях главным образом для машин имеющих большую длину
крайние пакеты изготовляют более длинными чем средние.
6. ОБМОТКА И ЗУБЦОВАЯ ЗОНА СТАТОРА
Для статоров синхронных машин находят применение петлевые обмотки
состоящие из многовитковых катушек и волновые обмотки числом эффективных
проводников в пазу не более двух. Применение волновых обмоток имеет
определенные преимущества при токах в параллельной ветви более 1000 A
поэтому они целесообразны для очень крупных машин (гидрогенераторы
Для статоров синхронных машин общего назначения находят применение
двухслойные катушечные петлевые обмотки с числом эффективных проводников в
пазу [pic] более двух (см. гл. 3). По условиям технологии каждый
эффективный проводник в зависимости от его сечения составляется из
нескольких элементарных прямоугольных проводников с поперечным сечением
20 мм2. Ток в таком составном проводнике допускается до 150 200 А . Если
номинальный фазный ток машины [pic] превышает указанные пределы то обмотку
выполняют из нескольких параллельных ветвей.
Номинальный фазный ток [pic] обмотки статора при соединении ее в звезду
равен линейному току [pic] а при соединении в треугольник будет в [pic]
Номинальный линейный ток [pic] машины определяют исходя из заданных
номинальных значений мощности и напряжения:
При выборе числа параллельных ветвей следует исходить из того чтобы ток
в параллельной ветви находился в пределах от 50 до 150 A или в крайнем
В этом диапазоне намечают возможное число параллельных ветвей [pic] —
целое число[pic] имея виду что [pic] должно быть кратно числу полюсов. В
дальнейшем число параллельных ветвей необходимо увязать с выбранным числом
При выборе числа пазов следует учитывать ряд обстоятельств влияющих на
технико-экономические показатели машины. При большом числе пазов
увеличивается расход дорогостоящей пазовой изоляции уменьшается
механическая прочность зубцов но улучшается форма кривых ЭДС и МДС обмотки
При уменьшении числа пазов возрастает объем тока в пазу и перепад
температуры в изоляции увеличиваются добавочные потери в меди а так же
пульсационные и поверхностные потери. Кроме того с увеличением размеров
катушки усложняются ее изготовление и укладка в пазы. При разработке серии
в целях унификации обмоточных проводов и числа применяемых штампов
стремятся выбирать одинаковые пазы для машин с различным числом полюсов.
Оптимальный выбор числа пазов [pic] может быть сделан путем расчета и
сопоставления между собой ряда вариантов. Задача упрощается если
воспользоваться опытом разработки подобных машин при этом можно исходить
из зубцового деления:
На рис. 10.13 показаны пределы изменения [pic] в зависимости от полюсного
деления для выпускаемых в настоящее время машин общепромышленного
применения мощностью свыше 100 кВт. Определив при данном значении
максимальное и минимальное значения [pic] находят числа пазов (зубцов)
Рис. 10.13. Пределы изменения зубцового деления [pic]
в зависимости от полюсного деления [pic] для синхронных машин:
— 13 и 14-го габаритов; 2 — 16 и 17-го габаритов;
— 18—21-го габаритов
Из этого диапазона выбирают такие числа пазов [pic] — целое число[pic]
при которых выполняются следующие требования.
[pic] должно быть кратным числу фаз [pic] и числу параллельных ветвей
[pic] т. е. [pic] — целое число.
Число пазов на полюс и фазу [pic] должно быть целым или дробным вида
[pic] [pic] — целое число а [pic] — правильная несократимая дробь[pic]
причем [pic] не может быть кратно числу фаз [pic] и должно быть меньше
Для синхронных машин при [pic] чаще всего выбирают целое число пазов на
полюс и фазу [pic] (большие значения для машин с меньшим числом полюсов).
При числе полюсов [pic] и малом полюсном делении можно выбирать обмотки с
Число параллельных ветви и число полюсов должны быть связаны
следующими соотношениями:
а) при целом числе пазов на полюс и фазу [p
б) при дробном числе пазов на полюс и фазу [pic] — целое число.
Для удобства сегментировки статора желательно чтобы число пазов
разлагалось на возможно большее число простых множителей (2 3 5).
Число пазов должно быть кратным числу разъемов статора.
Четвертое требование следует выполнять для машин имеющих внешний диаметр
статора [pic] мм а пятое — для машин [pic] мм. Из найденного выше
диапазона чисел пазов выбирают такие [pic] при которых наиболее полно
удовлетворяются указанные требования. Затем определяют число эффективных
проводников в пазу [pic] и зубцовое деление [pic]:
значение [pic] округляют до ближайшего четного числа.
По найденному значению [pic] уточняют линейную нагрузку:
Наилучшим вариантом числа пазов следует признать такой при котором
уточненное значение линейной нагрузки незначительно отличается от выбранной
в начале расчета (± 5 %) и зубцовое деление имеет приемлемое значение.
Полученные таким образом значения [pic] и [pic] для машин с [pic] мм
являются окончательными и должны использоваться в дальнейших расчетах.
Для машин имеющих [pic] мм число пазов устанавливают после выбора
сегментировки статора (см. § 10.7).
У синхронных машин мощностью менее 100 кВт при [pic] B для статора чаще
всего применяют полузакрытые пазы и всыпные петлевые обмотки из круглых
проводников. Пазы имеют трапецеидальную или грушевидную форму. Число пазов
на полюс и фазу [pic] берут целым и выбирают в пределах от 2 до 5. Большее
значение [pic]принимают для машин с меньшим число полюсов.
Задавшись числом [pic] определяют общее число зубцов статора:
Тогда зубцовое деление статора
Зубцовое деление для этих машин составляет 15 25 см. Число эффективных
проводников в пазу статора
При двухслойной обмотке статора [pic] должно быть четным. При округлении
[pic] следует контролировать изменение линейной нагрузки [pic]. При
значительном ее отклонении от ранее выбранной (более ± 5 %) может
потребоваться изменение [pic] . При этом выбирают другое значение [pic] или
число параллельных ветвей.
7. СЕГМЕНТИРОВКА СТАТОРА
Листы электротехнической стали выпускаются с максимальной шириной 1000
мм. Поэтому когда [pic] мм то магнитопровод статора собирается из
отдельных сегментов (рис. 10.14).
Рис. 10.14. Сегмент стали статора
Хорда [pic] сегмента (рис. 10.15) с необходимым припуском на штамповку
(5 10 мм) должна быть возможно ближе к ширине одного из стандартных листов
электротехнической стали имеющих размеры 600[pic]1500 750[pic]1500
0[pic]1720 1000[pic]2000 мм.
Рис. 10.15. Раскрой стандартного листа электротехнической стали
Если принять что число сегментов в полной окружности статора равно
[pic] то можно определить длину хорды [pic]:
Хорда также может быть выбрана равной примерно половине ширины листа но
не менее 370 мм. Число сегментов в слое может быть целым или дробным.
Предпочтительным является целое число сегментов. Для большинства
выпускаемых в настоящее время средних и крупных синхронных машин общего
назначения число сегментов равно целому числу и выбрано в пределах от 6 до
Однако встречаются отдельные машины у которых [pic] равно целому числу
плюс 15 или 25 или 12 или 13. На рис. 10.14 показан сегмент с 15
пазами: его дуга соответствует 500. Следовательно здесь [pic] и в одном
слое будет укладываться семь сегментов а 45 восьмого перейдет в следующий
слой и т. д. Каждый сегмент должен иметь целое число пазовых делений а
стыки между соседними сегментами должны проходить через середину паза. Для
того чтобы избежать накладывания краев сегментов друг на друга между
сегментами одного слоя предусматривается промежуток в 04 06 мм. Число
пазов в сегменте берется от 8 до 20. При четном числе пазовых делений в
сегменте каждый следующий их слой сдвигается на 12 сегмента а при
нечетном числе — на 13 сегмента для чего число пазовых делений должно
быть кратно трем. Если число сегментов в слое дробное то число пазов в
сегменте должно быть кратным знаменателю дроби.
Сегменты сердечника статора крепят к корпусу на двух трех а иногда и
большем числе клиньев или шпилек. Для этого на внешней дуге сегмента
предусматривают пазы соответствующей формы расположенные обычно
симметрично относительно середины сегмента. При круглых пазах крайние
отверстия делают скошенными (см. рис. 10.14). Как правило синхронные
машины общего назначения имеют внешний диаметр меньше 3250 мм. Поэтому
подразделение статора на части вызванное возможностью его транспортировки
по железной дороге у них не производится.
При проектировании статора стремятся к подбору такого числа пазов статора
[pic] при котором на один сегмент приходилось бы соответствующее целое их
число а сегменты обеспечивали хороший paскрой листов стали. Задача эта
может решаться двояко.
При данном [pic] находят возможные варианты чисел сегментов и их хорд.
Число сегментов должно быть кратно числу пазов и для их определения
целесообразно использовать разложение [pic] на множители.
Задаются рядом размеров хорды [pic] и приближенно находят число
Хорда [pic] должна быть равна или быть несколько меньше следующих
значений: 370 420 490 590 740 850 мм. Затем округляя [pic] до целого
или соответствующего дробного числа добиваются чтобы число зубцов [pic] в
хорде было равно целому числу [pic] после чего уточняют длину хорды [pic]
по (10.20). Такие расчеты целесообразно проделать для нескольких выбранных
ранее значений [pic]. Для удобства сопоставления результаты расчетов
следует свести в таблицу табл. 10.8.
Таблица 10.8. Результаты расчетов
Номер Число Число Хорда Число Число Число параллельных
вариантпазов сегментовсегмента пазов в пазов на ветвей [pic]
а [pic] [pic] [pic] сегменте полюс и
[pic] 22—3 3—4 4—5 5—6 6—75 При наличии демпферной
[pic] 16—22 22—3 3—37 37—45 45—55 При отсутствии
см демпферной клетки
Высота полюсного сердечника [pic] м предварительно может быть найдена
по одной из следующих формул:
для машин 16—20-го габаритов:
для машин 10—15-го габаритов при [pic]:
для машин небольшой мощности (до 100 кВт):
В (10.48) [pic] и [pic] подставляют в метрах.
Окончательно высоту [pic] устанавливают после расчета и укладки обмотки
возбуждения (см. § 10.15) и вычерчивания эскиза с расположением ее
проводников в межполюсном пространстве.
Ширину полюсного сердечника [pic] определяют исходя из допустимого
значения индукции [pic] в основании полюса. При определении индукции [pic]
необходимо учитывать поток рассеяния полюса [pic]. Этот поток наряду с
основным потоком [pic] проходит по сердечнику полюса (см. § 10.11). Таким
образом поток полюса
где [pic] — коэффициент рассеяния.
Поток и коэффициент рассеяния зависят от размеров полюса которые пока
неизвестны. Предварительно коэффициент рассеяния можно определить так:
где [p [pic] — коэффициент зависящий от высоты
полюсного наконечника [pic].
При выборе коэффициента [pic] можно руководствоваться следующими данными:
[pic] 7 85 10 11 12
Тогда ширину полюсного сердечника находят по следующей формуле
Коэффициент заполнения полюса сталью [pic] принимают при толщине листов 1
мм — 095 при толщине листов 14 мм — 097. Индукцию [pic] выбирают в
Расчетная длина сердечника полюса м
где [pic] — толщина одной нажимной щеки полюса м:
В (10.52) принимают [pic] а не [pic] чтобы приближенно учесть
ослабление сечения щек за счет закругления краев и отверстий для гаек
Размеры остова или обода магнитного колеса [pic] в большинстве случаев
определяются конструктивными соображениями и требованиями механической
прочности и получаются больше чем это необходимо для проведения магнитного
потока. Ввиду этого при электромагнитном расчете определяют длину остова
или обода [pic] и их минимально возможную толщину [pic]. В дальнейшем при
размещении обмотки возбуждения на полюсе и при разработке конструкции
толщина остова или обода а также их внешние диаметры и размеры самого
полюса должны быть уточнены:
для крупных машин [p
Индукция [pic] выбирается в пределах 1 13 Тл.
10. РАСЧЕТ ДЕМПФЕРНОЙ (ПУСКОВОЙ) ОБМОТКИ
Демпферную (пусковую) обмотку размещают в пазах полюсных наконечников
ротора (рис. 10.20 [pic]). Эта обмотка в генераторах служит для ослабления
обратного синхронного поля при несимметричной нагрузке успокоения качаний
ротора предотвращения динамических перенапряжений при несимметричных
коротких замыканиях и повышения электродинамической стойкости. В двигателях
эта обмотка необходима для асинхронного пуска и успокоения качаний ротора.
Расчет демпферной обмотки заключается в определении количества и размеров
стержней обмотки а также размеров короткозамыкающих сегментов.
Короткозамыкающие сегменты замыкают все стержни с торцов полюса и
соединяются с сегментами соседних полюсов образуя кольцо (рис. 10.20
[pic]). В этом случае демпферная обмотка носит название продольно-
поперечной. Если сегменты соседних полюсов не соединяются между собой (рис.
20 [pic]) то обмотка называется продольной. Наиболее часто применяют
продольно-поперечные демпферные обмотки.
Рис. 10.20. Демпферная (пусковая) обмотка:
а — расположение обмотки на полюсе;
б — продольно-поперечная обмотка; в — продольная обмотка
Для машин общего назначения число стержней [pic] на полюс выбирают обычно
в пределах от 5 до 10. Стержни выполняют из меди или латуни круглого
сечения. Чаще всего демпферную (пусковую) обмотку выполняют из медных
стержней. Стержни из латуни применяют в тех случаях когда необходимо
получить большие значения начального пускового момента у синхронных
двигателей. Иногда для повышения пускового момента обмотку изготовляют из
разнородных материалов — крайние стержни клетки делают из латуни а
остальные — из меди. Поперечное сечение всех стержней расположенных на
полюсе принимают равным 015 035 сечения меди обмотки статора
приходящейся на полюс. Исходя из этого сечение стержня
Коэффициент в скобках (10.55) для генераторов принимается равным
5 025 для двигателей 025 035.
округляют до размера кратного 05 мм.
Зубцовый шаг на роторе
где [pic] — расстояние между крайним стержнем и краем полюсного
наконечника: [pic] м.
Кроме выполнения основной своей задачи демпферная обмотка снижает
амплитуды гармоник магнитного поля обусловленных зубчатостью статора. Эти
гармоники и вызывают пульсацию ЭДС в обмотке статора и образуют токи и
добавочные потери в самой демпферной обмотке. Для того чтобы демпферная
обмотка наилучшим образом выполняла свои задачи при ее проектировании
следует соблюдать следующие требования.
В генераторах для уменьшения добавочных потерь и искажения ЭДС
желательно иметь зубцовый шаг на роторе [pic] возможно более близким к
зубцовому шагу статора [pic]. Если число пазов на полюс и фазу в статоре
[pic] — целое число или [pic] или [pic] то [pic].
Для исключения из кривой ЭДС высших гармонических обусловленных
зубчатостью статора необходимо иметь:
где [p [pic] — целое число близкое к
При достаточно высокой дробности зубцовые гармонические в кривой ЭДС не
проявляются поэтому при [pic] можно принимать [pic].
Исходя из этого необходимо найденное в (10.59) значение зубцового шага
проверить на соответствие указанным требованиям и в случае их невыполнения
сделать пересчет задавшись другими значениями [pic] и [pic].
В двигателях для уменьшения добавочных потерь и исключения «прилипания»
ротора число стержней [pic] и их шаг [pic] выбирают так чтобы
Пазы на роторе выбирают круглые полузакрытые. Диаметр паза [pic] мм
равен [pic]. Ширина шлица паза [pic] мм высота [pic] мм. В дальнейшем при
расчете параметров и пусковых характеристик раскрытие паза может быть
Длина стержня [pic] м предварительно может быть принята равной:
Окончательно длину стержня устанавливают при разработке конструкции.
Сечение короткозамыкающего сегмента выбирают примерно равным половине
сечения стержней одного полюса:
По найденному сечению выбирают стандартную полосовую медь (см. табл.
П3.6) толщиной [pic] не менее [pic] [2].
11. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Расчет магнитной цепи проводят в целях определения МДС обмотки
возбуждения [pic] необходимой для создания магнитного потока машины [pic]
при холостом ходе [6].
При вращении ротора этот поток наводит в обмотке статора ЭДС. Таким
образом в результате расчета магнитной цепи может быть построена
зависимость [pic] которая носит название характеристики холостого хода.
При расчете магнитной цепи задаются фазной ЭДС [pic] в обмотке статора и
по известному выражению определяют полезный поток Вб;
[p [pic] — коэффициент формы поля представляющий собой
отношение действующего значения индукции к ее среднему значению.
При синусоидальном распределении магнитного потока в зазоре машины
коэффициент формы поля [pic]. Однако в синхронных машинах магнитное поле
имеет несинусоидальную форму. Характер распределения этого поля зависит от
ширины и конфигурации полюсного наконечника а также от относительной длины
воздушного зазора [pic]. Для определения коэффициента формы поля [pic] в
этом случае можно воспользоваться кривыми рис. 10.21 [pic]
Рис. 10.21. [pic] и [pic]
для синхронной машины:
а — при [p б — [pic]
По найденному потоку определяют максимальное значение индукции в
воздушном зазоре машины Тл:
где [pic] — расчетный коэффициент полюсного перекрытия равный отношению
расчетной длины полюсной дуги [pic] к полюсному делению [pic].Этот
коэффициент определяют по рис. 10.21 в зависимости от [p [pic]
— полюсное деление и расчетная длина м.
Расчетную длину магнитопровода (уточняют значение) определяют по формуле
Магнитодвижущую силу обмотки возбуждения определяют как сумму магнитных
напряжений отдельных участков магнитной цепи машины.
Магнитное напряжение воздушного зазора А
где [p [pic] — в ми [pic] Гнм.
Коэффициент воздушного зазора [pic] учитывает зубчатое строение статора и
ротора. Из-за наличия зубцов и пазов происходит перераспределение потока в
зазоре в результате чего индукция а следовательно и магнитное
напряжение зазора над коронками зубцов возрастают. Этот коэффициент равен
произведению коэффициентов воздушного зазора для статора [pic] и ротора
Коэффициент [pic] и [pic] определяют по эмпирическим формулам
где [p [pic]и [pic] — ширина
паза статора и прорези паза ротора; при полузакрытых пазах на статоре [pic]
— ширина прорези паза; [pic] — по (10.46).
Магнитное напряжение зубцов статора А
Для упрощения расчета магнитного напряжения зубцов имеющих
трапециевидную форму напряженность магнитного поля [pic] находят по
значению индукции [pic] для одного сечения расположенного от коронки на
высоте [pic] высоты паза [pic]:
Ширина зубца на высоте [pic] от его коронки
Высоту паза [pic] и другие линейные размеры в формулы (10.68) и (10.70)
подставляют в метрах [p [pic]
Для машин небольшой мощности имеющих полузакрытые пазы зубец по большой
части своей высоты имеет прямоугольную форму и в этом случае [pic] и [pic]
определяют для сечения расположенного на высоте [pic] высоты [pic].
При нахождении [pic] соответствующего полученному значению индукции
используют кривые намагничивания стали из которой выполнена магнитная
система статора. У выпускаемых в настоящее время синхронных машин
магнитопроводы статора выполняют из горячекатаных сталей марок 1211 для
машин мощностью до 100 кВт и 1511 1512 1413 для более мощных машин.
При разработке новых машин возможно также применение изотропных
холоднокатаных сталей имеющих лучшие магнитные характеристики по сравнению
с горячекатаными. Для машин относительно небольшой мощности целесообразно
применение сталей марки 2013 или 2312 и для более мощных машин — марки
При значениях [pic] Тл для горячекатаной стали и [pic] Тл для
холоднокатаной стали [pic] для выбранной марки стали определяют по основным
кривым намагничивания (см. приложение 1). При больших значениях индукции
необходимо учитывать что из-за насыщения зубцов часть потока будет
ответвляться в пазы и вентиляционные каналы. Напряженность [pic] в этом
случае для выбранной марки стали определяют по индукции [pic] по одной из
кривых (см. приложение 2) построенных для различных отношений площади
воздушных частей к площади зубцов в данном сечении:
Магнитное напряжение для спинки статора А
где [pic] — длина магнитной линии в спинке статора м:
[pic] — коэффициент выбираемый по рис. 10.22 и учитывающий неравномерное
распределение индукции по поперечному сечению спинки статора; [pic] —
напряженность магнитного поля в спинке статора Ам.
Напряженность [pic] определяют в соответствии с индукцией [pic] по той же
кривой намагничивания что и для зубцов статора:
Рис. 10.22. Зависимость коэффициента [pic]
Магнитное напряжение зубцов ротора А
Высота зубца ротора м (см. рис. 10.20)
Напряженность магнитного поля зубцов определяют из кривой намагничивания
стали ротора по индукции в зубце [pic]. Для роторов крупных машин для
полюсов применяют сталь Ст3. У машин небольшой мощности полюсы изготовляют
из стали 1211. Соответствующие кривые намагничивания даны в приложении 1.
Индукцию [pic] Тл и соответствующую ей напряженность магнитного поля
[pic] определяют для одного сечения зубца ротора расположенного от коронки
зубца на расстоянии [pic]:
При [pic] Тл необходимо учитывать потоки вытесняемые в паз так же как
это было показано для зубцов статора.
Магнитное напряжение полюса А
напряженность поля у основания полюса Ам.
Напряженность поля [pic] определяют из кривых намагничивания по индукции
в основании полюса [pic].
При определении индукции [pic] следует исходя из найденных размеров
полюса (см. рис. 10.19) произвести уточнение потока рассеяния [pic]. Поток
рассеяния [pic] можно подразделить на три составляющие (рис. 10.23):
Рис. 10.23. К расчету потоков рассеяния полюсов
) поток рассеяния между внутренними поверхностями сердечников полюсов
) поток рассеяния между внутренними поверхностями полюсных наконечников
) поток рассеяния между торцевыми поверхностями полюсов (линия 3). В
соответствии с этим [pic] Вб можно найти по следующему выражению:
где [p [pic] — удельная
магнитная проводимость для потока рассеяния на одну сторону полюса.
Удельная проводимость рассеяния между внутренними поверхностями
Удельная проводимость рассеяния между внутренними поверхностями полюсных
Удельная проводимость рассеяния между торцевыми поверхностями
Здесь принято [pic] при [pic] первым членом в (10.82) пренебрегают.
Если индукция [pic] в основании полюса превышает 16 Тл то следует
проводить уточненный расчет учитывающий изменение потока по высоте полюса.
Для этого определяют потоки в трех сочетаниях полюса: у его основания
[pic] у полюсного наконечника [pic] и в среднем сечении [pic]. Деля эти
потоки на площадь поперечного сечения полюса определяют индукции а затем
и магнитные напряжения [pic].
Расчетное значение напряженности полюса определяют по приближенной
Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора определяют по
индукции в основании полюса [pic] А:
Магнитное напряжение в остове или ободе ротора А
где [p [pic] — напряженность
магнитного поля Ам определяемая по кривой намагничивания исходя из
Индукция в остове или ободе магнитного колеса Тл с некоторым
приближением может быть определена так:
При нешихтованном ободе [pic].
Обычно в средних и крупных машинах магнитное напряжение [pic]
относительно мало и при расчете магнитной цепи не учитывается.
Просуммировав магнитные напряжения всех участков магнитной цепи
определяют МДС обмотки возбуждения на один полюс при холостом ходе:
Проделав подобный расчет для ряда значений ЭДС получают характеристику
холостого хода [pic]. Для расчетов можно задаваться следующими значениями
ЭДС: 05; 11; 12 и 13[pic]. Полученные результаты сводят в таблицу (см.
пример расчета). Характеристику холостого хода целесообразно выразить в
относительных единицах и сравнить ее с нормальной характеристикой. При
переводе в относительные единицы значение ЭДС в вольтах делят на
номинальное фазное напряжение. Для МДС обмотки возбуждения за базовое
значение принимают МДС соответствующую номинальному фазному напряжению
[pic] и к ней относят остальные значения МДС.
За нормальную характеристику холостого хода для явнополюсных синхронных
машин принимают характеристику со следующими данными (в относительных
[pic] 058 1 121 133 144 146 151
[pic] 05 1 15 2 25 3 35
Расчетная и нормальная характеристики должны быть близки друг к другу но
их полное совпадение не является обязательным.
12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МДС РЕАКЦИИ ЯКОРЯ
Для определения МДС обмотки возбуждения необходимой для создания нужного
потока при нагрузке необходимо учитывать влияние реакции якоря. Амплитуда
первой гармоники МДС реакции якоря при токе [pic].
Для количественного учета влияния реакции якоря на магнитное поле машины
обычно МДС [pic] разлагают на две составляющие: продольную [pic][pic]
максимум которой совпадает с осью полюсов и поперечную [pic] максимум
которой совпадает с осью проходящей через середину межполюсного
пространства. Угол [pic] является углом между током [pic] и ЭДС [pic].
Магнитодвижущие силы якоря и обмотки возбуждения имеют различное
пространственное распределение и поэтому одинаковые их значения создают
различные потоки. Для удобства совместного рассмотрения одну из МДС
необходимо привести к другой. Так как обычно при расчетах используется
характеристика холостого хода то целесообразно МДС якоря привести к
прямоугольной МДС обмотки возбуждения. Для этого [pic] и [pic] заменяются
эквивалентными МДС обмотки возбуждения [pic] и [pic]. Эквивалентные МДС
[pic] и [pic] определяют исходя из того чтобы потоки первой гармоники
создаваемые ими были соответственно равны потокам первой гармоники от МДС
[pic] и [pic]. При переходе от [pic] и [pic] к [pic] и [pic] вводят
коэффициенты [pic] и [pic] [6].
Коэффициенты [pic] и [pic] зависят от отношений [pic] и [pic]. Они могут
быть найдены из рис. 10.24.
Рис. 10.24. Кривые для определения коэффициентов [pic] и [pic]:
а — при [p б — при [p в — [pic]
В ненасыщенной машине можно принимать что продольное и поперечное поля
существуют независимо и не оказывают взаимного влияния друг на друга. При
наличии насыщения такое допущение может внести в расчет погрешности. Однако
учет взаимного влияния продольного и поперечного потоков в насыщенной
машине связан с большими трудностями и может быть сделан приближенно.
На основе анализа магнитных полей в синхронных машинах при нагрузке и
насыщении были определены коэффициенты [pic] и [pic] (рис. 10.25) на
которые нужно умножить МДС [pic] и [pic] чтобы получить соответствующие их
значения [pic] и [pic] при учете насыщения. Эти коэффициенты получены в
функции [pic] т. е. отношения суммы магнитных напряжений воздушного
зазора зубцов и спинки статора к магнитному напряжению воздушного зазора.
Коэффициенты [pic] и [pic]получены для машин с равномерным воздушным
зазором а [pic] и [pic] — для машин у которых зазор изменяется согласно
где [pic] — расстояние от оси полюса до рассматриваемой точки.
Коэффициенты [pic] и [pic] можно с некоторым приближением применить и для
машин у которых [pic].
Рис. 10.25. Зависимость коэффициентов [pic] и [pic] от [pic]
Как известно поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним
краем полюса и усиление его под другим. В ненасыщенной машине
результирующий поток полюса при этом не изменяется. При насыщении магнитной
цепи увеличение потока под одним из краев полюса происходит в меньшей мере
чем ослабление под другим и результирующий поток (его первая гармоника)
уменьшается. Для компенсации размагничивающего действия поперечной реакции
якоря необходимо увеличивать МДС обмотки возбуждения на [pic].
При равномерном воздушном зазоре [pic] можно определить по формуле
а при зазоре изменяющемся по (10.92) — по формуле
На рис. 10.25 даны зависимости [pic] и [pic] от отношения [pic].
Количественный учет реакции якоря при определении МДС обмотки возбуждения
производится с помощью векторных диаграмм (см. § 10.14) [6].
13. ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ СТАТОРА
ДЛЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ
При построении векторных диаграмм а в дальнейшем и при расчете
характеристик синхронных машин необходимо знать параметры обмотки статора.
Активное сопротивление обмотки статора Ом
где [p [pic] — сечение
эффективного проводника м2; [p
[pic] — число параллельных ветвей.
Длину лобовой части [pic] определяют при жестких секциях по (9.139) а
для всыпных обмоток — по (9.136).
Активное сопротивление фазы в относительных единицах
Индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора [pic]обусловлено полями
рассеяния пазовой и лобовой частей обмотки а также высшими гармониками
поля в воздушном зазоре (дифференциальное рассеяние) и определяется по
где [pic] — коэффициенты удельной (на единицу длины) проводимости пазового
лобового и дифференциального рассеяния.
Коэффициент удельной проводимости паза [pic] состоит из двух
составляющих: пропорциональной проводимости между стенками паза [pic] и
проводимости по коронкам зубцов [pic]:
где [p [pic] — ширина шлица паза (при
открытых пазах [p [pic] — коэффициент полюсного перекрытия (из §
9); [p [pic] — по рис. 10.26 в зависимости от отношения
Рис. 10.26. Зависимость [pic] от отношения [pic]
При больших отношениях [pic] проводимость [pic] становится отрицательной
что приводит к уменьшению [pic]. Это уменьшение связано с искривлением
силовых линий поля рассеяния вблизи воздушного зазора по сравнению с
прямолинейным законом их распределения как это было принято при выводе
Коэффициент проводимости лобового рассеяния определяют по (9.159).
Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния приближенно
определяют по формуле
Индуктивное сопротивление рассеяния в относительных единицах
Ненасыщенное значение индуктивного сопротивления продольной реакции якоря
в относительных единицах
где [p [pic] — магнитное
напряжение воздушного зазора при [p [p [pic]
—коэффициент учитывающий влияние магнитных напряжений стали и зазора между
полюсом и ярмом для ненасыщенной машины; он может быть найден из расчета
магнитной цепи для точки соответствующей [pic].
Ненасыщенное значение индуктивного сопротивления поперечной реакции якоря
Коэффициент [p [pic] — коэффициент
воздушного зазора — по (10.66).
Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси
Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси
-14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МДС ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
ПРИ НАГРУЗКЕ. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ
Для определения МДС обмотки возбуждения при нагрузке используют векторные
диаграммы (рис. 10-27).
Для их построения целесообразно использовать относительные значения
параметров тока напряжения ЭДС и МДС.
Для более точного определения потока рассеяния полюсов при нагрузке
необходимо иметь частичные характеристики намагничивания:
Рис. 10.27. векторные диаграммы:
а — для генератора; б — для двигателя
Здесь принято [p [pic]— базовое значение потока равное
потоку при номинальном фазном напряжении;
[pic]—базовое значение МДС равное МДС обмотки возбуждения при холостом
ходе и номинальном фазном напряжении. На рис. 10.28 все характеристики
имеют одинаковые масштабы по соответствующим осям координат.
Рис. 10.28. Частичные характеристики намагничивания
Для оценки насыщения машины удобно построить зависимость [pic] (рис.
29). Указанные графики строятся по данным расчета магнитной цепи машины.
Рис. 10.29. Зависимость [pic] от отношения [pic]
Диаграмма при заданных номинальных значениях тока [pic] напряжения [pic]
и угла между ними строится следующим образом.
В выбранном масштабе для тока и напряжения откладывают вектор
номинального фазного тока и под углом [pic] к нему— вектор фазного
К вектору напряжения пристраивают векторы падения напряжения [pic]
[pic] для генератора и [pic] [pic] для двигателя в результате чего
находят ЭДС[pic] которая индуктируется в обмотке якоря при нагрузке. При
[pic] векторы падения напряжения численно равны [pic] и [pic]. В крупных
машинах падение напряжения в активном сопротивлении [pic] относительно мало
и им можно пренебречь.
По [pic] из зависимости [pic] определяют отношение [pic] по которому
из рис. 10.25 находят коэффициенты [pic] и [pic].
Определяют значение результирующей ЭДС по продольной оси [pic] и угол
[pic]. Для этой цели находят МДС (в относительных единицах):
Отложив [pic] по оси абсцисс характеристики [pic] на оси ординат получают
ЭДС равную [pic] (см. рис. 10.28). Добавляя эту ЭДС к вектору [pic] (или
[pic]) получают точку Д (см. рис. 10.27) через которую пройдет линия
совпадающая с направлением ЭДС [pic] (или [pic]). Угол между током [pic] и
этой линией является углом [pic].
Опустив перпендикуляр из конца вектора [pic] (или [pic]) на линию 0Д
находят ЭДС [pic] наводимую в обмотке якоря результирующим потоком по
продольной оси [pic]. Из характеристики [pic] по [pic] определяют МДС [pic]
Определяют МДС продольной реакции якоря:
[pic] ([pic]см. рис. 10.25)
По сумме [pic] по характеристике [pic]определяют поток рассеяния
По потоку полюса [pic] из характеристики [pic]определяют сумму
магнитных напряжений ротора [pic].
Находят МДС обмотки возбуждения при нагрузке в относительных единицах
и в физических единицах (амперах)
Из характеристики холостого хода [pic] по [pic] определяют ЭДС [pic]
наводимую в обмотке статора при холостом ходе а затем находят изменение
напряжения на выводах машины (для генератора):
15. РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Обмотка возбуждения синхронных машин подключается к источнику постоянного
тока. До недавнего времени для питания обмоток возбуждения применялись
специальные генераторы постоянного тока — возбудители.
В настоящее время для возбуждения синхронных машин применяют статические
устройства. Серии синхронных машин общего назначения 13—21-го габаритов
(СД2 СГ2 СДН2 и т. д.) оснащены комплектными тиристорными возбудительными
устройствами (ТВУ). Особенностью ТВУ является бесконтактное и
быстродействующее управление током возбуждения во всех эксплуатационных
режимах и наличие автоматического регулирования возбуждения. Это повышает
надежность и улучшает использование машин. Кроме того КПД тиристорных
возбудительных устройств выше чем генераторов постоянного тока.
На рис. 10.30 приведена структурная схема одного из применяемых в
настоящее время ТВУ. В ТВУ питание обмотки возбуждения происходит через
тиристорный преобразователь или от сети переменного тока с напряжением 380
В через согласующий трансформатор ТСЗВ или от дополнительной трехфазной
обмотки расположенной на статоре. Преобразователи осуществляют
выпрямление переменного тока в постоянный и имеют трехфазную схему со
средним выводом при выпрямленном напряжении до 100 В или трехфазную
мостовую при напряжении выше 100 В. Параллельно обмотке возбуждения
синхронного двигателя через тиристорный ключ подключен пусковой резистор.
Управление тиристорным преобразователем осуществляется фазоимпульсным
Рис. 10.30. Структурная схема тиристорного возбудителя
синхронного двигателя (питание от сети 380 В):
СГ — схема гашения поля; СФ — схема форсировки возбуждения;
АРВ — автоматический регулятор возбуждения; СП — схема пуска;
СЗП — схема защиты пускового сопротивления;
ФИУ — фазоимпульсное устройство; УУ — устройство управления;
БП — блок питания; СЗК — схема защиты от коротких замыканий;
СОТР — схема ограничения тока ротора; ДТР — датчик тока ротора;
СУ — схема установок угла регулирования; К — герконное реле
Функции управления и регулирования в ТВУ осуществляет электронная система
управления в комплект которой входит ряд блоков показанных на рисунке.
В табл. 10.10 даны номинальные данные тиристорных возбудительных
устройств серии ТВУ для синхронных двигателей.
Таблица 10.10. Номинальные данные тиристорных возбудительных устройств
Тип Номинальные данные ТВУ Пусковое
сопротивление [pic]
[pic] А [pic] В [pic] кВт [pic] В
ТВУ-46-320 320 46 147 80 0385
ТВУ-65-320 320 65 208 115 051
ТВУ-80-320 320 80 256 140 064
ТВУ-105-320 320 105 336 185 08
ТВУ-137-320 320 137 438 240 102
ТВУ-166-320 320 166 52 290 144
ТВУ-195-320 320 195 62 340 144
ТВУ-217-320 320 247 79 435 16
Кроме того для синхронных машин 13-го и 14-го габаритов разработаны ТВУ
с питанием от дополнительной обмотки статора. Выпрямленное напряжение этих
устройств 25 36 B при токе 140 170 А.
Иногда для возбуждения синхронных машин применяют бесконтактные системы.
В этом случае к обмотке возбуждения непосредственно (без контактных колец)
подводят выпрямленное напряжение от машины переменного тока небольшой
мощности (синхронной или асинхронной) якорь которой располагается на одном
валу с синхронной машиной. Выпрямители закрепляют на роторе и они
вращаются вместе с ним.
При проектировании обмоток возбуждения для улучшения теплоотдачи и
заполнения катушки медью стремятся увеличить сечение проводников обмотки и
уменьшить число ее витков при соответствующем увеличении тока возбуждения.
В связи с этим напряжение для питания обмотки возбуждения выбирается
низким и в некоторых случаях нестандартным. В качестве предварительных
значений можно наметить следующую шкалу напряжений: 25 35 45 65 80
0 115 160 200 230 B которая однако не является строго
обязательной и в зависимости от конкретной схемы возбуждения напряжения
могут иметь иные значения. Меньшие значения напряжения выбирают для машин
небольшой мощности. Учитывая переходное падение напряжения [pic] в контакте
между щеткой и кольцом напряжение на обмотке возбуждения [pic] следует
принимать на 1—2 B меньшим чем напряжение ТВУ.
Обмотки возбуждения выполняют однорядными (рис. 10.31) и многорядными
(рис. 10.32). Многорядные катушки в сечении имеют скошенную форму.
Рис. 10.31. Однорядные обмотки возбуждения
Рис. 10.32. Многорядные обмотки возбуждения
Для синхронных машин мощностью от сотен киловатт и выше как правило
применяют однорядные обмотки которые выполняют из полосовой
неизолированной меди сечением больше 30 мм2 намотанной на ребро.
Однорядные обмотки более надежны и вследствие лучшего охлаждения допускают
большие плотности тока чем многорядные. Многорядные обмотки применяют для
машин небольшой мощности.
Изоляция катушек однорядных обмоток возбуждения для машин мощностью свыше
0 кВт дана в табл. 10.11 в соответствии с рис. 10.33. В табл. 10.12 и на
рис. 10.34 представлена изоляция многорядных обмоток для машин мощностью
Рис. 10.33. Изоляция катушки однорядной
Рис. 10. 34. Изоляция многорядных катушек обмотки возбуждения
При расчете обмотки возбуждения ее МДС для запаса увеличивается на 10
% по сравнению со значением полученным из векторной диаграммы для
номинального режима:
Сечение проводника обмотки возбуждения [pic] м2 предварительно
где [pic] - удельное сопротивление меди при рабочей температуре обмотки
Ом·м; для однослойной обмотки из неизолированной меди и изоляции класса
нагревостойкости B [pic]=139·106 Ом·м для многослойных обмоток при
изоляции класса нагревостойкости B [p [pic]— напряжение
на обмотке возбуждения B; [pic] — средняя длина витка обмотки возбуждения
Таблица 10.11. Изоляция катушек ротора явнополюсных синхронных машин
мощностью свыше 100 кВт
Позиция на Материал Число Общая Примечание
рис. 10.33 слоев толщина
Наименование Толщина
Медь полосовая — — — —
Бумага асбестовая 02 2 04 Для классов нагревостойкости
электроизоляционна А Е В применяется лакировка
я глифталебакелитовым лаком для
классов F и H — лаком на
кремнийорганической основе
Миканит 05 3 15 Для обмоток в тропическом и
формовочный (или (02) (16) химически стойком исполнениях
микафолий или применять только
стекломикафолий) стекломикафолий или
формовочный миканит
Миканит 05 1 05 Промежутки между шайбами и
прокладочный сердечником заполняются
электроизоляционной замазкой
Стеклотекстолит 5 1 5 Для класса нагревостойкости А
нормального исполнения вместо
стеклотекстолита применяют
Таблица 10.12. Изоляция катушек ротора явнополюсных синхронных машин
мощностью до 100 кВт
Позиция наКлассы нагревостойкости А и В Классы нагревостойкости А и В Классы нагревостойкости F и H всех
рис. 10.34нормального исполнения усиленного влагостойкого исполнений и класс
исполнения нагревостойкости B химически
стойкого и тропического исполнений
[p [pic]— толщина катушки обмотки
возбуждения м; [pic]— ширина проводника обмотки м.
Рис. 10.36. Лобовая часть с двумя закруглениями
Предварительно пока не известны размеры катушки обмотки и размеры
проводника можно принять:
для многорядных обмоток [pic]25·10-2 м при [pic] м и [pic]5·10-2 м при
для однорядных обмоток [pic].
Напряжение [pic] может быть задано или его следует выбрать. При выборе
напряжения подводимого к обмотке возбуждения необходимо учитывать
некоторые особенности связанные с выполнением и охлаждением обмотки. Для
машин мощностью до 100 кВт в которых применяют многорядные обмотки
напряжение возбуждения следует выбрать таким чтобы получить сечение
прямоугольных проводников возможно большим но не выше 30 40 мм2. Для малых
машин при сечении проводника меньше 25 мм2 применяют круглые провода.
В крупных машинах (при [pic] >100 кВт) для которых следует применять
однорядные обмотки сечение прямоугольных проводников должно быть больше
40 мм2 но не выше 300 мм2. По конструктивным и технологическим
требованиям отношение сторон проводника должно быть не больше 10—15.
Намотку обмотки ведут на ребро. Допустимая плотность тока в проводниках
обмотки зависит от класса нагревостойкости изоляции и условий охлаждения. В
современных синхронных машинах изоляция обмоток возбуждения имеет класс
нагревостойкости B или F.
Однорядные обмотки выполняют из неизолированной прямоугольной меди.
Изоляция витков состоит из двух слоев асбестовой бумаги общей толщиной
после опрессовки 03 мм приклеенной лаком к широкой стороне проводника.
Для многорядных обмоток при меняют изолированные проводники с изоляцией
класса нагревостойкости B или F например марки ПСД.
Предварительно значения плотности тока Ам2 в проводниках обмотки
возбуждения [pic] можно выбрать в следующих пределах:
Для однорядных обмоток крупных машин(3.5 — 53)
Для многорядных обмоток (3.2 — 38)
Меньшие значения плотности тока выбирают для машин имеющих большую
[pic]Определив ток возбуждения найдем число витков в катушке полюса
обмотки возбуждения:
В некоторых случаях когда задается ток возбуждения [pic] витки обмотки
могут быть определены по (10.112) исходя из МДС [pic]. Поперечное сечение
проводников обмотки по выбранной плотности тока определяют как
Для многорядных обмоток по найденному сечению проводника (по табл. П3.3)
определяют его размеры [pic]. Отношение сторон проводников [pic] должно
находиться в пределах 15—2.
Проведя раскладку проводников по слоям вычерчивают масштабный эскиз по
которому определяют размеры катушки. Намотку можно производить как на
широкую так и на узкую стороны проводника.
Размеры проводников при этом берутся с учетом изоляции для выбранной
марки провода (по табл. П3.4).
Для возможности размещения катушек на полюсах а также для прохождения
охлаждающего воздуха между катушками соседних полюсов в нижней их части
должно быть предусмотрено расстояние не менее 07 10 см (расстояние [pic]
Для однорядных обмоток меньший размер прямоугольного проводника
определяют исходя из найденного числа витков и выбранной ранее высоты
полюсного сердечника [pic]:
где [p [pic] — суммарная толщина
изоляции обмотки от полюсного наконечника и ярма ротора: для машин [pic]
кВт [p для машин [pic] кВт [pic] м (большие значения принимают для
По сечению [pic] определяют возможные размеры широкой части провода м:
Далее по табл. П3.6 выбирают близкие к найденным размеры стандартной
прямоугольной меди [pic] и [pic] затем проверяют размещение обмотки на
полюсе. Если обмотка не размещается на полюсе то следует или несколько
изменить размеры проводника или изменить высоту полюса. После того как
определились размеры проводника обмотки возбуждения необходимо проверить
расстояние между катушками соседних полюсов (расстояние [pic] на рис. 10.31
Это расстояние должно быть не менее 7 мм.
Для проверки нагрева обмотки возбуждения уточняют плотность тока
и определяют превышение температуры 0С по нижеприведенным формулам.
Для многорядных обмоток
где [p [pic] — число слоев в
наиболее широкой части катушки; [pic] — периметр боковой части катушки м
([p [pic] — окружная скорость вращения ротора мс.
Для однорядных катушек
Согласно ГОСТ 183—74 допустимое превышение температуры для многорядных
обмоток равно 800 С при изоляции класса нагревостойкости B и 1000 С при
изоляции класса нагревостойкости F. Для однорядных обмоток с оголенными
поверхностями допустимые превышения температуры соответственно равны 90 и
При расчете машины допустимое превышение температуры следует принимать на
150 С меньше по сравнению с рекомендованной ГОСТ.
Если превышение температуры получится больше или наоборот много меньше
допустимого то необходимо произвести пересчет обмотки возбуждения что
может потребоваться и в том случае если расстояние [pic] будет мало.
При пересчете можно попытаться изменить значения некоторых из
рекомендуемых ниже величин: плотности тока в обмотках соотношения
между сторонами прямоугольного проводника высоты и в небольших пределах
(3 6%) ширины полюсного сердечника сечения проводника за счет изменения
напряжения подводимого к обмотке возбуждения воздушного зазора.
После того как окончательно установлены размеры обмотки возбуждения
уточняют размеры полюса среднюю длину витка по (10.108)—(10.110) и ток
Определяют сопротивление обмотки возбуждения:
Значение [pic] см. в табл. 5.1.
Напряжение на кольцах обмотки возбуждения при номинальной нагрузке и
температуре 1300 С (или 1200 С для многорядных обмоток)
Коэффициент запаса возбуждения (находится в пределах 11—12)
где [pic] — номинальное напряжение ТВУ.
16. ПАРАМЕТРЫ И ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕНИ
Параметрами машины называют активные и индуктивные сопротивления обмоток.
В § 10.13 определены некоторые параметры обмотки статора. Здесь даются
расчетные формулы для нахождения параметров роторных обмоток и параметров
обмотки якоря которые необходимы для расчетов переходных и несимметричных
режимов работы машины. Приведенные ниже формулы дают значения параметров в
относительных единицах. Параметры цепей ротора приведены ук числу витков
Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения
где [p [pic] и [pic]
— магнитное напряжение воздушного зазора и поток при [p
[pic] определяют по (10.81)—(10.83).
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения
Индуктивное сопротивление рассеяния демпферной (пусковой) обмотки по
Здесь [p [pic] — МДС статора при
номинальном токе; [p [pic] — коэффициент
проводимости пазового рассеяния. При круглых полуоткрытых пазах (см. рис.
[pic] — коэффициент проводимости дифференциального рассеяния: [pic] [pic] —
коэффициенты проводимости короткозамыкающих колец по продольной и
поперечной осям: [p коэффициенты приведения [pic] и [pic] находят по
рис. 10.37; [pic] — коэффициент распределения демпферной (пусковой)
Значения [pic] можно найти также по рис. 10.38.
Рис. 10.37. Коэффициенты приведения [pic] и [pic]
для расчета проводимости короткозамыкающих колец
Формулы (10.125) и (10.126) получены для наиболее часто применяемого
случая равномерного распределения стержней на полюсном наконечнике и полной
(продольно-поперечной) демпферной (пусковой) обмотки.
При неполной обмотке (продольной) [pic] определяют по (10.125) а
Рис. 10.38. Коэффициенты распределения для успокоительной (пусковой)
Индуктивное сопротивление нулевой последовательности для двухслойных
где [p [pic] — коэффициент укорочения
шага обмотки статора для первой гармоники — по (10.39); [pic] — высота и
ширина паза статора; [pic] — высота верхней части паза не занятой
обмоткой; [pic] — число пазов на полюс и фазу обмотки статора.
При отсутствии демпферной (пусковой) клетки перед вторым членом
коэффициент 0355 необходимо заменить на 071.
Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси
Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора
Индуктивное сопротивление обмотки статора обратной последовательности при
работе машины на большое внешнее реактивное сопротивление
при работе машины на малое внешнее сопротивление (короткое замыкание)
Активное сопротивление обмотки возбуждения
Активное сопротивление демпферной (пусковой) клетки при равномерном
распределении стержней из однородного материала
где [p [pic] и [pic] — коэффициенты
приведения (по рис. 10.37); [pic] и [pic] — отношение удельных
сопротивлений материала стержня и кольца к удельному сопротивлению меди
(для меди эти коэффициенты равны 1 для латуни 4 для фосфористой бронзы
При применении стержней из разнородного материала приближенно
сопротивление демпферной (пусковой) обмотки можно найти по (10.136) и
(10.137) заменив в них первый член в скобках выражением
где [pic] — число стержней на полюс с относительным удельным сопротивлением
[p [pic] — число стержней на полюс с относительным удельным
сопротивлением [pic].
Постоянная времени представляет собой отношение индуктивности данной
обмотки к ее сопротивлению. От постоянной времени зависит продолжительность
протекания переходных процессов в синхронной машине.
Постоянная времени с обмотки возбуждения при разомкнутых обмотках
статора и демпферной (пусковой)
Постоянная времени с обмотки возбуждения при замкнутой обмотке статора
Постоянные времени демпферной (пусковой) обмотки c при разомкнутых
обмотках статора и возбуждения:
Постоянные времени демпферной (пусковой) обмотки по продольной оси c
при замкнутой накоротко обмотке возбуждения и разомкнутой обмотке статора
Постоянная времени демпферной (пусковой) обмотки по продольной оси c
при замкнутых накоротко обмотке возбуждения и обмотке статора
Постоянная времени демпферной (пусковой) обмотки по поперечной оси
полюсов c при замкнутой накоротко обмотке статора
Постоянная времени обмотки статора c при короткозамкнутых обмотках
Пределы изменения параметров и постоянных времени для синхронных машин
общего назначения даны в табл. 10.13 и 10.14.
Таблица 10.13. Параметры явнополюсных синхронных генераторов и
Схема [pic] [pic] [pic] [pic]
С демпферной (пусковой) 01—02 0008—0021—24 06—16
Без демпферной (пусковой) 01—02 008—002 1—24 06—16
Схема [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
С демпферной (пусковой) 02—06 015—03 015—04 015—035 002—02
Без демпферной (пусковой) 02—06 — — 03—08 004—025
Таблица 10.14. Постоянные времени явнополюсных синхронных генераторов и
Схема [pic] с [pic] с [pic] с [pic] с
С демпферной (пусковой) 2—10 08—25 001—008 003—035
Без демпферной (пусковой) 2—10 08—25 — 01—05
17. МАССА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для оценки массогабаритных параметров спроектированной машины для
расчета потерь и т. п. возникает необходимость в определении массы активных
материалов. В дальнейшем после разработки конструкции может быть
определена масса конструкционных материалов а затем и масса всей машины.
При определении массы активных материалов необходимые для расчета размеры
берут (в метрах) из параграфов указанных в скобках или из соответствующих
[p [p [pic] — по (10.27) или по эскизу
ярма магнитопровода статора кг
где [pic] — по (10.32)
меди обмотки статора кг
здесь [p [p [pic] — см. в §
меди обмотки возбуждения кг (см. § 10.15)
меди стержней демпферной (пусковой) обмотки кг (см. § 10.10)
меди короткозамыкающих колец кг (см. § 10.10)
стали полюсов кг (см. § 10.9):
стали обода ротора кг (см. § 10.9):
где [p для [pic] берут уточненные значения полученные из
механического расчета.
По этим данным можно найти общие затраты меди и активной стали в машине.
Полная масса активной стали
Разделив (10.155) и (10.156) на полную номинальную мощность [pic]
находят массу активных материалов на единицу мощности:
Потери в синхронной машине можно разделить на основные и добавочные. Ниже
приводится расчет этих потерь для номинального режима работы.
Основные потери. Основные электрические потери в обмотке статора кВт
Потери на возбуждение кВт при наличии возбудителя сочлененного с валом
машины согласно ГОСТ определяют с учетом потерь в возбудителе:
Для машин возбуждаемых от отдельно установленных устройств
[pic]— КПД возбудителя ([pic]= 08 085).
Сопротивления обмоток [pic] и [pic] определяют по (10.95) и (10.120)
соответственно и приводят к расчетной температуре равной 750 C для обмоток
с изоляцией классов нагревостойкости A Е В или 1150 С для обмоток с
изоляцией классов нагревостойкости F и Н.
Магнитные потери в ярме магнитопровода статора кВт
Магнитные потери в зубцах магнитопровода статора кВт
где [pic] и [pic]— удельные потери при индукции 1 Тл и частоте 50 Гц
которые следует взять из табл. П1.17 для соответствующей марки стали; [pic]
и [pic]— коэффициенты учитывающие увеличение потерь из-за частичного
замыкания листов вследствие наличия заусенцев а также изменения структуры
стали при штамповке: при [p [p при [pic] > 100
кВт [p [p [pic] и [pic] — индукция в ярме статора и зубце
статора на 13 высоты зубца при [pic] см. расчет характеристики холостого
Механические потери равные сумме потерь в подшипниках и на вентиляцию
где [p [pic]— полная длина статора м.
Добавочные потери. Добавочные потери возникают в машине как при холостом
ходе так и при нагрузке. При холостом ходе возникают потери на поверхности
полюсных наконечников кВт из-за колебания индукции вследствие
зубчатого строения статора:
где [p [p [pic]— коэффициент воздушного
зазора; [pic]— коэффициент: [pic]= 46 при полюсах из листов толщиной 1 мм
и [pic]= 86 при полюсах из листов толщиной 2 мм при массивных полюсных
наконечниках [p [p [pic] —
число зубцов статора ([pic] и [pic] подставляются в метрах).
Добавочные потери при нагрузке [pic] появляются в обмотках статора из-за
вихревых токов и в стали как в статоре так и в полюсных наконечниках
ротора от высших гармонических магнитного поля якоря.
Приближенно полные добавочные потери при нагрузке можно определить в
процентах полезной мощности для генераторов и подводимой мощности для
Для машин до 1000 кВ·А 05
Для машин более 1000 кВ·А 025—04
Общие потери при номинальной нагрузке
Коэффициент полезного действия генератора
где [p [pic]— активная
мощность подводимая к двигателю при номинальной нагрузке кВт: [pic].
19. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА
Для оценки теплового состояния обмотки статора можно воспользоваться
методикой упрощения расчета применяемого в заводской практике для
нормальных синхронных машин защищенного исполнения. Эта методика базируется
на следующих допущениях. Принимается что все потери выделяемые в пределах
активной длины статора отводятся с его цилиндрической охлаждаемой
поверхности а потери в лобовых частях обмотки — с охлаждаемой поверхности
При этих допущениях определяется отдельно превышение температуры части
обмотки находящейся в пределах активной длины стали и превышение
температуры лобовых частей по длине этой части.
Среднее превышение температуры всей обмотки находят как
среднеарифметическое значение превышений отнесенное к 1 м длины полувитка
обмотки. Ниже приводятся расчетные формулы.
Перепад температуры в изоляции обмотки статора определяют по (10.33).
Удельный тепловой поток [pic] на единицу цилиндрической внутренней
поверхности статора Втм2
где [pic] и [pic] — потери в стали спинки и зубцов статора при холостом
средняя длина полувитка обмотки статора м.
Искомое превышение температуры охлаждаемой поверхности статора
относительно температуры окружающего воздуха находят так:
где значения коэффициента теплоотдачи а в зависимости от отношения длины
статора [pic] к полюсному делению [pic] могут быть приняты равными:
а = 80 Вт(0 C·м2) при [p
а = 66 Вт(0 C·м2) при [p
[pic] — окружная скорость ротора мс.
Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей обмотки
статора над температурой охлаждающего воздуха. Так как лобовые части
обмотки обычно образуют своеобразную решетку продуваемую воздухом то они
охлаждаются почти по всему периметру поперечного сечения каждой якорной
секции. Соответственно этому плотность теплового потока на единицу
охлаждаемой поверхности лобовых частей Втм2 равна:
где [p [pic] — периметр поперечного
сечения паза статора м; А — линейная нагрузка Ам; [pic] — плотность тока
в статоре Ам2; [pic] — удельное сопротивление при температуре [pic].
Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей статора 0C
где [pic] — окружная скорость ротора при радиальной вентиляции или
вентилятора при аксиальной вентиляции мс.
Превышение температуры обмотки статора. Среднее значение превышения
температуры обмотки статора 0C
где [p [pic] — длина лобовой части обмотки
20. ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ МАШИН
20.1. Основные характеристики
Рабочие свойства машины определяются ее характеристиками. Для генераторов
основными характеристиками являются внешняя регулировочная U-образная и
угловая для двигателей — рабочие U –образная и угловая. Для построения
всех указанных характеристик используют векторные диаграммы [6].
Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость
[pic] при [pic]=const и [pic]=const (рис. 10.39). Для построения этой
характеристики задают ряд значений тока якоря [pic]в пределах от 0 до 1 и
при одних и тех же значениях [pic] и [pic] строят векторные
диаграммы из которых находят ток возбуждения. Ток возбуждения при [pic]=0
определяют из характеристики холостого хода по заданному напряжению. Для
регулировочной характеристики при [pic]=1=const и [pic]=[pic]=const ток
возбуждения соответствующий номинальному току якоря можно определить по
векторной диаграмме построенной раньше для нахождения МДС обмотки
возбуждения (см. § 10.14). Эта МДС в относительных единицах равна току
Рис. 10.39. Регулировочные характеристики
Внешняя характеристика [pic] при [pic]=const и [pic]=const (рис. 10.40)
определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки. Исходная
точка этой характеристики имеет координаты [pic] =1 и [pic]=1. При токе
[pic]=0 напряжение [pic]=[pic] берут из векторной диаграммы построенной
для номинального режима машины. Промежуточные точки характеристики можно
найти построив ряд регулировочных характеристик при различных значениях
напряжения [pic]. Напряжения [pic] при которых строят регулировочные
характеристики берут в пределах от [pic] до 1 а [pic]=[pic]. Точки
пересечения регулировочных характеристик с прямой проведенной параллельно
оси абсцисс при [pic] дают искомые точки внешней характеристики.
Рис. 10.40. Внешняя характеристика
U-образные характеристики [pic] при [pic] (рис. 10.41) можно получить
путем построения ряда векторных диаграмм при [pic]=1=const и [pic]=const
(рис. 10.42). Из построенных векторных диаграмм для каждого значения тока
[pic] определяют ток возбуждения [pic].
Рис. 10.41. U — образные характеристики
Рис. 10.42. К построению U — образных характеристик
Угловые характеристики дают зависимость активной мощности от [pic] (угла
нагрузки): [pic] при [pic]= 1 и [pic]=const. Угол [pic] является углом
между осями полюсов и результирующего магнитного поля или между векторами
ЭДС [pic] и напряжения [pic]. Построение угловых характеристик с учетом
насыщения машины связано с большими трудностями. Ниже приведен расчет этой
характеристики без учета насыщения. Параметры в этом случае принимают
постоянными равными их значению для ненасыщенной машины а [pic].
Характеристику при [pic]= l в относительных единицах строят по уравнению
Электродвижущую силу [pic] определяют по продолжению прямолинейной части
характеристики холостого хода при токе возбуждения [pic]. При построении
характеристики [pic] угол [pic] изменяется в пределах от 0 до [pic].
По угловой характеристике определяют статическую перегружаемость машины
равную отношению[pic]. Номинальная мощность [pic] в относительных единицах
равна [pic]. Если пренебречь активным сопротивлением (что возможно для
машин средней и большой мощности) то можно принять
где [pic]и [pic]— максимальный и номинальный моменты.
Статическую перегружаемость можно также рассчитать по формуле
Коэффициент [pic]учитывает реактивные составляющие мощности и момента
обусловленные неодинаковыми индуктивными сопротивлениями [pic] и [pic]. Он
принимается по рис. 10.43 в зависимости от отношения [pic].
Рис. 10.43. К определению коэффициента [pic]
Как уже отмечалось ранее статическая перегружаемость синхронных
двигателей общего назначения должна быть не ниже 165.
Для синхронных двигателей U-образные и угловые характеристики строят
так же как и для генераторов с использованием соответствующих векторных
Рабочие характеристики двигателей т. е. зависимости [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] при [pic]=1=const и [pic]=const могут быть получены по U-
образным характеристикам. Для этого необходимо построить несколько U-
образных характеристик при различных значениях [pic]=const и [pic]=1=const.
По этим характеристикам при [pic] находят ток I при данном значении
мощности [pic] и [pic]. Затем определяют мощность на валу:
[pic]([pic]— потери в машине для данного режима работы) [pic].
20.2. Токи короткого замыкания
При расчете механических усилий воздействующих на лобовые части обмотки
статора и на их бандажи исходят из наибольшего мгновенного значения тока
трехфазного короткого замыкания на выводах машины при данном значении
возбуждения. Этот ток называется ударным током короткого замыкания.
Согласно ГОСТ 183 синхронная машина должна выдерживать ударный ток
короткого замыкания при напряжении холостого хода равном 105%
Коэффициент 18 учитывает затухание апериодической составляющей тока
короткого замыкания.
Для машин без демпферной обмотки в (10.177) вместо [pic] следует
Практический интерес представляют кратности установившихся токов
короткого замыкания. Под этим понимают отношение установившегося тока
короткого замыкания к номинальному току обмотки якоря.
Кратность при возбуждении холостого хода т. е. при возбуждении которое
при номинальной частоте вращения и разомкнутой обмотке якоря дает на
выводах машины номинальное напряжение обозначают ОКЗ (отношение короткого
где [pic] — ЭДС определяемая по продолжению прямолинейной части
характеристики холостого хода при [pic]=1.
Кратность при номинальном токе возбуждения
20.3. Пусковые характеристики
Основным методом пуска синхронных двигателей в настоящее время является
асинхронный пуск. Для этого в полюсах ротора размещается пусковая обмотка
по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя.
Оценку пусковых свойств двигателя производят по пусковым характеристикам
т. е. зависимостям тока в статоре и момента от скольжения [pic]. Наибольший
интерес на этих характеристиках представляют величины соответствующие s=l:
начальный пусковой ток [pic] и начальный пусковой момент [pic] а также
момент при скольжении s=005 — входной момент в синхронизм [pic].
При расчете пусковых характеристик необходимо учитывать что в отличие от
ротора обычного асинхронного двигателя ротор синхронного явнополюсного
двигателя имеет магнитную и электрическую несимметрии. Если условно
подразделить пусковую обмотку на две части то можно принять что по
продольной оси машины на роторе располагаются две обмотки одной из которых
является обмотка возбуждения а другой — часть пусковой обмотки
представляющая ее эффект по продольной оси. По поперечной оси на роторе
имеется только пусковая обмотка представляющая ее эффект по поперечной
оси. Необходимо также учитывать что обмотка статора по продольной и
поперечной осям имеет неодинаковые индуктивные сопротивления[pic].
На основании сказанного полное сопротивление по продольной оси машины
которое зависит от скольжения s будет равно:
где [pic] [[pic]— по (10.135)].
Полное сопротивление по поперечной оси
В приведенных формулах значения всех параметров принимают в относительных
единицах (здесь и далее звездочка в обозначениях величин в относительных
единицах опускается).
Вследствие магнитной и электрической несимметрий машины в статоре кроме
тока I' основной частоты [pic] протекают токи I'' частоты 2s—1. Значения их
могут быть найдены по следующим формулам:
ток якоря частоты [pic]
действующее значение тока статора
где [pic]— активная составляющая тока [pic].
Последний член выражения в скобках соответствует моменту создаваемому
током [pic]. При скольжениях s > 05 этот момент положительный а при s
— отрицательный в результате чего в кривой [pic] могут наблюдаться
провалы. Из-за наличия провалов в кривой момента при разгоне двигатель
может застрять на промежуточной скорости и не войти в синхронизм. Обычно
для уменьшения провала в кривой момента обмотку ротора замыкают на
добавочный резистор с сопротивлением примерно в 10 раз большим
сопротивления самой обмотки.
В этом случае при определении [pic] и [pic] как уже указывалось
сопротивление [pic] принимается равным (10-12)[pic].
Расчет по приведенным формулам связан с большой вычислительной работой.
Его можно упростить если у машин средней и большой мощности пренебречь
активным сопротивлением [pic]. Тогда получим
Погрешность такого расчета по сравнению с расчетом по (10.177) — (10.180)
Для построения пусковых характеристик задают ряд значений скольжения s
в пределах от 1 до 005 и для каждого его значения определяют ток [pic] и
М. Иногда можно ограничиться расчетом начального пускового и входного
моментов и начального пускового тока.
Промышленность выпускает двигатели со следующими значениями:
Пример расчета трехфазного синхронного двигателя
Номинальная мощность [pic] кВт.
Номинальное напряжение (линейное) [pic] В.
Номинальная частота вращения [pic] обмин.
[pic] (опережающий).
Кратность максимального момента [pic].
Режим работы — продолжительный. Конструкция — защищенная (IP11) с
горизонтальным валом.
Номинальные величины
Номинальное фазное напряжение (предполагается что обмотка статора
Номинальная полная мощность
(по табл. 10.3 исходя из номинальных данных машины определяем [pic]).
Номинальный фазный ток
По рис. 10.8 для [pic] кВ·А при [pic] предварительно находим
внутренний диаметр статора [pic] м.
Внешний диаметр статора по (10.3)
По табл. 10.7 ближайший нормализованный внешний диаметр статора [pic] м
(16-й габарит). Высота оси вращения [pic] м.
Поскольку найденный диаметр [pic] лежит в пределах задаваемых
коэффициентом [pic] то пересчет диаметра не производим.
Полюсное деление по (10.4)
Расчетная длина статора. По рис. 10.9. для [pic] при [pic] находим
[pic] Ам [pic] Тл. Задаемся [pic]. По (10.5) определяем расчетную длину
Находим [pic] по (10.6):
По рис. 10.11 устанавливаем что найденное значение [pic] при [pic] лежит
в допустимых пределах ограниченных кривыми.
Действительная длина статора по (10.7)
Число вентиляционных каналов по (10.8) при [pic] м.
Длина пакета по (10.9)
Суммарная длина пакетов магнитопровода по (10.10)
Зубцовая зона статора. Сегментировка
Число параллельных ветвей обмотки статора.
Так как [pic] А то выбираем [pic].
По рис. 10.13 (кривая 2) для [p [pic] м.
Максимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора
минимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора
Число пазов магнитопровода статора.
Так как [pic] мм то магнитопровод статора выполняется сегментированным.
В диапазоне пазов [pic] требованиям п. 1—4 § 10.6 удовлетворяет числа пазов
[pic] [pic] [pic] м [pic].
Расчет числа проводников в пазу [pic] по (10.15) числа сегментов
[pic] и хорды [pic] по (10.20) а также уточненной линейной нагрузки [pic]
по (10.16) сводим в табл. 10.15.
Наилучший результат дает вариант 3 который и принимаем для дальнейших
Таблица 10.15. Расчетные значения
№ Число пазов [pic] Число сегментов [pic] Хорда [pic] м
по ширине по высоте по ширинепо высоте
Провод ПЭТВСД [pic] мм 1 24 1[pic]762(12[pic]
Лента стеклослюдинитовая ЛС 013 мм 6 слоев Вполнахлеста45 45
Лента стеклянная ЛЭС (покровная) 01 1 слой Встык 02 02
Двусторонняя толщина изоляции одной — — 47 47
Стеклотекстолит СТ1 толщиной 1 мм — 2 — 2
Стеклотекстолит СТ1 толщиной 05 мм — 2 — 1
Общая толщина изоляции на паз — — 47 124
Разбухание изоляции — — 005 12
Допуск на укладку — — 02 02
Уточненное значение плотности тока в проводнике обмотки статора
Проверка индукции в зубце статора (приближенно) по (10.31):
Проверка индукции в ярме статора (приближенно) по (10.32):
[pic] и [pic] находят в допустимых пределах.
Перепад температуры в изоляции паза по (10.33);
Градиент температуры в изоляции паза
Проведенная проверка показала что размеры паза выбраны удачно.
Витки фазы обмотки статора по (10.37)
Шаг обмотки по (10.38)
Коэффициент укорочения шага по (10.39)
Коэффициент распределения обмотки статора по (10.40)
Так как [pic] дробное то в формулу вместо [pic] подставляется [pic].
Обмоточный коэффициент по (10.41)
Воздушный зазор и полюсы ротора
Исходя из данных отношения [pic] по рис. 10.18. находим [pic].
Приближенное значение воздушного зазора по (10.44)
Принимаем воздушный зазор под серединой полюса равным 00027 м (27
мм). Зазор под краями полюса [pic] мм. Среднее значение воздушного зазора
Ширина полюсного наконечника определяется по (10.47). Примем [pic]
Радиус дуги полюсного наконечника по (10.45)
Высота полюсного наконечника по табл. 10.9 при [pic]м
Длина сердечника полюса и полюсного наконечника
Расчетная длина сердечника полюса определяется по (10.52). Принимаем
Предварительная высота полюсного сердечника по (10.48)
Коэффициент рассеяния полюсов находится по (10.50). При [pic] м
Ширина полюсного сердечника определяется по (10.51). Задаемся [pic]
Тл; [pic] (полюсы выполнены из стали марки Ст3 толщиной 1 мм):
Эскиз полюсов дан на рис. 10.45. Так как
то принимаем крепление полюсов шпильками к ободу магнитного колеса.
Рис. 10.45. Полюсы ротора
Длина ярма (обода) ротора по (10.53)
Минимальная высота ярма ротора по (10.54)
Принято [p [pic] уточняется по чертежу.
Число стержней пусковой обмотки на полюс
Поперечное сечение стержня пусковой обмотки по (10.55)
Диаметр стержня находим по (10.56) материал стержня — медь: [pic] м
Вбираем [pic] м тогда [pic] м.
Зубцовый шаг на роторе определяется по (10.57). Принимаем [pic] м:
Проверяем условие (10.60)
Пазы выбраны круглые. Полузакрытые.
Раскрытие паза [pic] мм.
Длина стержня по (10.61)
Сечение короткозамыкающего сегмента
По табл. П3.6 выбираем прямоугольную медь [pic] мм (сечение [pic] мм2).
Расчет магнитной цепи
Для магнитопровода статора выбираем сталь марки 1511 толщиной 05 мм.
Полюсы ротора выполняют из стали марки Ст3 толщиной 1 мм. Крепление полюсов
к ободу магнитного колеса осуществляют с помощью шпилек и гаек. Толщину
обода (ярма ротора) принимают [pic] мм (см. выше) (см. приложение 1).
Магнитный поток в зазоре по (10.62)
По рис. 10.21 при [pic] и [pic] находим [pic] и [pic].
Уточненное значение расчетной длины статора по (10.64) равно:
Индукция в воздушном зазоре по (10.63) Тл
Коэффициент воздушного зазора статора по (10.67)
Коэффициент воздушного зазора ротора по (10.67)
Коэффициент воздушного зазора по (10.66)
Магнитное напряжение воздушного зазора по (10.65) А
Ширина зубца статора на высоте 13 [pic] от его коронки по (10.70)
Индукция в сечении зубца на высоте 13 [pic] по (10.69) Тл
Магнитное напряжение зубцов статора по (10.68) А
Индукция в спинке статора по (10.74) Тл
Магнитное напряжение спинки статора по (10.72) А
[pic] — по рис. 10.22.
Высота зубцов ротора по (10.76)
Ширина зубцов ротора по высоте [pic] от его коронки по (10.78)
Индукция в зубце ротора по (10.77) Тл
Магнитное напряжение зубцов ротора по (10.75) А
Удельная магнитная проводимость рассеяния между внутренними
поверхностями сердечника полюсов по (10.81)
Удельная магнитная проводимость между внутренними поверхностями
полюсных наконечников по (10.82)
Удельная магнитная проводимость рассеяния между торцевыми
поверхностями по (10.83)
Удельная магнитная проводимость для потока рассеяния
Магнитное напряжение ярма статора зазора и зубцов полюсного
Поток рассеяния полюса по (10.80) Вб
Поток в сечении полюса у его основании Вб
Индукция в полюсе по (10.84) Тл
Магнитное напряжение полюса по (10.79) А
Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора по (10.86)
Индукция в ободе магнитного колеса (ярме ротора) по (10.88) Тл
Магнитное напряжение в ободе магнитного колеса по (10.87) А
Сумма магнитных напряжений сердечника полюса ярма ротора и стыка
между полюсом и ярмом А
Сумма магнитных напряжений всех участков магнитной цепи А (10.89)
Результаты расчета магнитной цепи сведены в табл. 10.17.
При переводе магнитных напряжений [pic] и потоков [pic] и [pic] в
относительные единицы за базовые значения соответственно приняты МДС [pic]
По табл. 10.17 на рис. 10.46 построена в относительных единицах
характеристика холостого хода [pic]. На этом же рисунке приведена
нормальная характеристика холостого хода.
Рис. 10.46. Характеристика холостого хода:
— расчетная характеристика;
— нормальная характеристика
Таблица 10.17. Результаты расчета магнитной цепи
Расчетная величина Единица [pic] и [pic]
[pic] В 1734 3468 38148 41616 45084
[pic] Вб 00227 00454 005 00545 00591
[pic] Тл 0428 086 0941 1026 1112
[pic] А 1231 24623 27085 29547 3201
[pic] Тл 08 16 176 192 208
[pic] Ам 254 6700 19000 29000 61000
[pic] А 188 4958 1406 2146 4514
[pic] Тл 062 123 135 148 16
[pic] 063 042 04 032 03
[pic] Ам 156 810 1410 3370 6700
[pic] А 143 496 823 157 2935
[pic] Тл 076 153 168 184 199
[pic] Ам 380 2710 6230 13400 26200
[pic] А 536 3821 878 1889 3694
[pic] А 12695 30459 42846 54466 83779
[pic] Вб 00034 00083 0012 0015 0023
[pic] Вб 0026 00537 0062 007 0082
[pic] Тл 073 149 172 193 228
[pic] Ам 363 2110 4752 12508 37167
[pic] Ам 6425 3735 841 2214 6578
[pic] А 1825 3725 430 4825 570
[pic] Тл 0622 1276 147 163 195
[pic] Ам 506 1500 2620 4550 9600
[pic] А 328 972 1698 2948 622
[pic] А 2795 8432 14408 29913 7770
[pic] А 1549 3888 5725 84379 16148
[pic] — 0398 1 147 217 415
[pic] — 0575 118 137 154 181
[pic] — 0075 018 027 034 051
[pic] 0326 078 11 14 215
[pic] 0072 022 037 077 2
[pic] 103 124 158 184 262
Примечания.1. При определении магнитного напряжения зубцов в тех случаях
когда [pic]([pic]или [pic]) учитывалось ответвление потока в паз по
При [pic]Тл магнитное напряжение полюса определялось по трем сечениям.
Параметры обмотки статора для установившегося режима
Средняя длина витка обмотки статора
Длина лобовой части обмотки статора по (9.139)—(9.143) и рис. 9.49
где [p [pic] и [pic]— по рис. 9.49.
Активное сопротивление обмотки статора по (10.95)
Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах по
Индуктивное сопротивление рассеяния по (10.97)
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния по (10.98)
Коэффициент магнитной проводимости между стенками паза по табл. 9.24
Размеры паза по рис. 8.50 [p [p [p
При [pic] по (9.156) и (9.158) [pic] и [pic]:
Коэффициент магнитной проводимости по коронкам зубцов по (10.99)
При [pic] из рис. 10.26 [pic]
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния по (9.159)
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния по
Индуктивное сопротивление продольной реакции якоря в относительных
единицах по (10.102)
по (10.90); [pic] из рис. 10.24. По характеристике холостого хода (см.
табл. 10.17) для [pic] МДС [pic] А.
Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря в относительных
единицах по (10.103)
Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси в
относительных единицах
Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси в
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения при нагрузке
0. По табл. 10.17. на рис. 10.47. построены частичные характеристики
намагничивания [pic] а на рис. 10.48 — зависимость [pic].
Рис. 10.47. Частичные характеристики намагничивания
Рис. 10.48. Зависимость [pic]
Из векторной диаграммы диаграммы для номинального режима [pic] и
[pic](рис. 10.49) определяем [pic].
Рис. 10.49. Векторная диаграмма для номинальной нагрузки
Из рис. 10.48 по [pic] находим [pic] а затем из рис. 10.25 [pic] и
1. Для дальнейшего построение векторной диаграммы определяем МДС:
где [pic] — базовое значение МДС возбуждения (соответствует [pic]).
По найденной МДС из характеристики [pic] определяемая ЭДС [pic] (см.
рис. 10.47) отложив которую на векторной диаграмме получим направление а
затем и модуль [pic]
Из характеристики [pic] по [pic] определяем [pic]
2. Полная МДС реакции якоря по продольной оси А
По сумме [pic]из характеристики [pic]определяем [pic] Поток полюса [pic]
Из характеристики [pic] по потоку [pic] определяем [pic].
3. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения в относительных единицах
при номинальной нагрузке А
4. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения А
Выбираем однорядную обмотку с лобовой частью в виде полуокружности.
Изоляция класса нагревостойкости B.
5. Средняя длина витка обмотки возбуждения
Для питания обмотки возбуждения по табл. 10.10 выбираем тиристорное
возбудительное устройство ТВУ -65-320 ([pic] В [pic]А). Напряжение на
кольцах с учетом переходного падения напряжения в щеточном контакте
6. Сечение проводников обмотки возбуждения (предварительное значение)
7. Ток возбуждения по (10.111)
8. Число витков обмотки возбуждения по (10.112)
9. Меньший размер прямоугольного проводника обмотки возбуждения по
Принимаем [p [pic]м. По приложению 3 выбираем проводник с размерами
0. Расстояние между катушками соседних полюсов по (10.116)
[pic]111. Плотность тока в обмотке возбуждения (уточненное значение)
2. Превышение температуры обмотки возбуждения по (10.119)
3. Уточненное значение высоты полюса
Так как расхождение с ранее выбранной высотой [pic] м составляет 15% то
пересчет магнитного напряжения полюса не производим.
4. Активное сопротивление обмотки возбуждения по (10.120)
5. Напряжение на кольцах обмотки возбуждения при номинальной нагрузке и
6. Коэффициент запаса возбуждения по (10.122)
Параметры и постоянные времени
7. Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения по (10.123)
8. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения по (10.124)
9. Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по продольной
оси находим по (10.125)
при [pic] из рис. 10.38 определяем [pic].
Из рис. 10.37. находим [pic]. Тогда
0. Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по поперечной
1. Активное сопротивление обмотки возбуждения при [pic] по (10.135)
2. Активное сопротивление пусковой обмотки по продольной оси при [pic]
3. Активное сопротивление пусковой обмотки по поперечной оси при [pic]
4.зубцов статора по (10.147)
5.ярма статора по (10.148)
6.меди обмотки статора по (10.149)
7.меди обмотки возбуждения по (10.159)
8.меди стержней пусковой обмотки по (10.151)
9.меди короткозамыкающих колец по (10.152)
0.стали полюсов по (10.153)
1.стали обода ротора по (10.154)
2. Полная масса меди по (10.155)
3. Полная масса активной стали по (10.156)
4. Основные электрические потери в обмотке статора по (10.159)
5. Потери на возбуждение по (10.161)
6. Магнитные потери в ярме статора по (10.162)
7. Магнитные потери в зубцах статора по (10.163)
8. Механические потери по (10.164)
9. Поверхностные потери в полюсных наконечниках по (10.165)
0. Добавочные потери при нагрузке
1. Общие потери при номинальной нагрузке по (10.166)
2. Коэффициент полезного действия по (10.168)
Превышение температуры обмотки статора
3. Удельный тепловой поток на 1 м2 внутреней поверхности статора по
4. Превышение температуры внешней поверхности статора над температурой
охлаждающего воздуха по (10.170)
5. Плотность теплового потока с внешней поверхности лобовых частей
Удельная проводимость меди при 750 C [p периметр паза (без учета
клина) по рис. 10.44 [pic] м .
6. Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей обмотки
статора над температурой охлаждающего воздуха по (10.172)
7. Перепад температуры в пазовой изоляции обмотки статора (см. п. 30)
8. Среднее превышение температуры обмотки статора по (10.173)
Характеристики двигателя
9. Статическая перегружаемость по (10.176)
При МДС обмотки возбуждения [pic] по продолжению прямолинейной части
характеристики холостого хода находим [pic]. По рис. 10.43 при [pic]
0. Угловая характеристика [pic] по (10.174)
Построенная по этому уравнению характеристика дана на рис. 10.50.
Рис. 10.50. Угловая характеристика
1. U -образные характеристики [pic] построены по векторным диаграммам
для трех значений мощности [pic] и [pic] (за базовое значение мощности
за базовое значение тока якоря принят номинальный ток [pic] А).
При [pic] векторные диаграммы для трех значений тока [pic] и [pic]
представлены на рис. 10.51.
Рис.10.51. Векторные диаграммы
(к построению U-образных характеристик)
Расчетные значения необходимые для построения векторных диаграмм и
определения тока возбуждения сведены в табл. 10.18 (в относительных
Ток возбуждения [pic] соответствующий номинальному току якоря при [pic]
был определен раньше (по рис. 10.49). Для других значений мощности U-
образные харапктеристики строятся аналогично. Характеристики приведены на
Рис. 10.52. U-образные характеристики
Таблица 10.18. Расчетные значения необходимые для построения векторных
диаграмм и определения тока возбуждения
[pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
2.Рабочие характеристики [pic] при [pic] даны на рис. 10.53.
Рис. 10.53. рабочие характеристики двигателя при [pic]
Из рис. 10.52. при [pic] находим токи якоря: [pic]кВт[pic]ток [pic] (571
А) для [pic](297 кВт) ток [pic] (47 А) для [pic](119 кВт) ток
[pic][pic](40 А). Расчет рабочих характеристик приведен в табл. 10.19. При
расчете потерь [pic][pic] пересчитываются электрические потери в обмотке
статора и добавочные потери (пропорцианально [pic]). Остальные потери
принимаются неизменными.
Таблица 10.19. Расчет рабочих характеристик
[pic] 0382—j31076—j313142—j234159—j131 112—j046
[pic] 375—j516368— 203— 106— 054—
j252 j067 j0145 j0037
[pic] 413— 444— 345— 265— 166— j134
j915 j649 j374 j2295
[pic] 0041+ 007+ 013+ 022+ 036+ j029
j009 j0105 j014 j0187
[pic] 0041+ 007+ 013+ 022+ 036+ j042
j022 j0235 j027 j0317
2- j55117- 145- j3 149- j21412- j14
- j1234 849- 494- 216- j033134-
- j1376 849- 494- 216- j177134- j154
316+ 00625+ 0185+ 028+ j023032+ j037
[pic] 00316+ 00625+ 0185+ 028+ j036032+ j05
- j52716- j4822- j26 135- j17309- j143
6- 1385- 173- j28142- j193105- j141
-003- 0107- 014+ j01-00035+ -0075-
j0115 j023 j01 j0005
[pic] 547 465 33 24 176
[pic] 0119 0253 0172 0105 00754
[pic] 548 467 331 24 176
[pic] 107 154 192 158 117
Начальный пусковой момент [pic].
Начальный пусковой ток [pic].
Вывод: спроектированный двигатель удовлетворяет ГОСТ и заданию на

ГЛАВА 4 Магнитная цепь.doc

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Магнитная цепь электрической машины
Электромагнитное поле электрической машины образуется МДС обмоток статора
и ротора расположенных в пазах магнитопроводов или на сердечниках явно
выраженных полюсов. Неравномерность распределения проводников обмотки по
объему машины нелинейность магнитной характеристики и сложность
конфигурации магнитопроводов а также наличие воздушного промежутка между
статором и ротором делают точный расчет поля в машине практически
невозможным даже при применении современных вычислительных средств. Поэтому
при проектировании машины пользуются рядом упрощающих допущений.
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Поле в машине подразделяют на главное поле и поле рассеяния. Под главным
понимают поле магнитные линии которого сцеплены с витками как первичной
так и вторичной обмотки. Полем рассеяния называют поле линии которого
сцеплены с витками какой-либо одной из обмоток — статора или ротора
(соответственно поле рассеяния статора и поле рассеяния ротора).
Магнитные линии главного поля замыкаются по магнитопроводам статора и
ротора и пересекают воздушный зазор. Элементы магнитопроводов и зазоры по
которым проходит главный поток каждой пары полюсов называют магнитной
цепью машины. Расчет магнитной цепи заключается в определении суммарного
магнитного напряжения всех ее участков соответствующего определенному
значению потока [6].
В идеальной симметричной машине потоки каждой пары полюсов одинаковы
поэтому при расчете пренебрегают возможной асимметрией потоков реальных
машин и рассчитывают магнитную цепь только одной пары полюсов. На
поперечном сечении магнитопроводов магнитные линии потока пары полюсов
располагаются на секторе составляющем 12р часть всего сечения.
На рис. 4.1 а представлен сектор поперечного сечения машины с
распределенными обмотками на статоре и роторе а на рис. 4.1 б — с явно
выраженными полюсами на роторе. На этих рисунках пунктиром показана средняя
линия потока пары полюсов.
Рис. 4.1. Магнитная цепь электрической машины:
а — с распределенными обмотками; б — с явно выраженными полюсами
В целях упрощения расчета магнитная цепь машины подразделяется на ряд
последовательно расположенных вдоль силовой линии участков каждый из
которых имеет сравнительно простую конфигурацию и состоит из материала с
определенной магнитной характеристикой. Предполагается также что на
участках известно основное направление магнитных линий потока. Для машин с
распределенными обмотками на статоре и роторе например асинхронных
такими участками являются (см. рис. 4.1 а) ярмо статора (участок 1—2)
зубцовые зоны статора (участки 2—3 и 1—5) и ротора (4—5 и 6—7) воздушный
зазор (3—4 и 7—5) и ярмо ротора (5—6). Для машин с явно выраженными
полюсами например синхронных (см. рис. 4.1 б) — ярмо статора (участок
—2) зубцовая зона статора (2—3 и 1—12) воздушный зазор (3—4 11—12)
сердечники полюсов (4—6 и 9—11) ярмо ротора (7—8). При наличии демпферной
обмотки отдельно учитывают участки соответствующие ее зубцовой зоне (4—5 и
—11). При наличии технологических воздушных промежутков в месте
соединения полюсов с остовом ротора добавляются участки соответствующие
этим воздушным зазорам (6—7 и 8—9).
Для расчета магнитной цепи используется уравнение полного тока для
Интеграл берется по контуру вдоль линии потока. Правая часть равенства в
соответствии с подразделением на участки представляется в виде суммы
где n — число участков на которые подразделена магнитная цепь; li — длина
средней магнитной линии в пределах каждого из участков; Hi — расчетное
значение напряженности магнитного поля на i-м участке.
Магнитное напряжение на каждом из участков цепи определяют приближенно
принимая напряженность поля в пределах границ участка неизменной и равной
расчетному для данного участка ее значению Hi. Тогда суммарная МДС
Методы расчета магнитных напряжений различных участков цепи имеют
особенности обусловленные размерными соотношениями характером
распределения потока необходимостью учета влияния потока рассеяния и
другими факторами [6].
Ниже приводятся общие для всех рассматриваемых типов машин методы расчета
характерных участков магнитной цепи.
2. МАГНИТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА
В воздушном зазоре электрической машины индукция непостоянна. При
распределенной обмотке она изменяется по кривой близкой к синусоиде (рис.
2 а) а при сосредоточенных обмотках имеет форму приближающуюся к
прямоугольнику (рис. 4.2 6). Значение потока на полюсном делении
где Вх — индукция в зазоре в точке х.
В практических расчетах электрических машин производить интегрирование
неудобно тем более что точное аналитическое выражение распределения
индукции вдоль дуги полюсного деления получить трудно. Поэтому вводится
понятие расчетной полюсной дуги b на протяжении которой
индукция принимается постоянной. Значение b находится из условия равенства
потоков в воздушном зазоре на единицу длины магнитопровода:
где В — максимальное значение индукции в воздушном зазоре.
Величина b определяется как часть полюсного деления машины:
где α — коэффициент полюсного перекрытия; его значение как следует из
определения b зависит от формы кривой поля в воздушном зазоре.
Рис. 4.2. Распределение индукции в воздушном зазоре на полюсном
делении электрической машины: а — с распределенной обмоткой;
б — с сосредоточенной обмоткой (с явно выраженными полюсами)
При синусоидальном распределении индукции по длине полюсного деления
неявнополюсных машин
При насыщении зубцов кривая поля уплощается и значение α возрастает. Для
средненасыщенных машин значение α лежит в пределах 07 — 074 но при
больших насыщениях может превышать 08.
В машинах с явно выраженными полюсами форма кривой поля зависит от
конфигурации размеров и вида полюсных наконечников поэтому расчетная
длина полюсной дуги b определяется в зависимости от размерных соотношений
полюсных наконечников и зазора. Методы расчета b для машин с явно
выраженными полюсами приведены в главах книги в которых рассматривается
проектирование машин этих типов.
Картина поля в воздушном зазоре в осевой плоскости (рис. 4.3) показывает
что индукция по длине зазора также неодинакова. Против вентиляционных
каналов она будет несколько меньше чем на участках лежащих против пакетов
сердечника. Кроме того часть магнитных линий потока замыкается через
торцевые поверхности сердечника. Так как в расчетах используется постоянное
значение В то для правильного определения потока через зазор вводится
понятие расчетной длины магнитопровода l при определении которой
учитывается неравномерность распределения В вдоль зазора. Расчетная длина
может быть найдена аналитическим решением графическим построением по
картине поля или аналогично определению b т. е. из условия
определяющего равенство площадей прямоугольника длиной l и высотой В и
площади криволинейной фигуры ограниченной действительной кривой
распределения индукции вдоль зазора (см. рис. 4.3).
Исследования показали что доля потока полюсного деления линии которого
замыкаются через торцевые поверхности сердечника зависит в основном от
воздушного зазора. В машинах имеющих малый зазор например в асинхронных
двигателях эта часть потока незначительна и в расчетах ее не учитывают. В
машинах с большими зазорами увеличение расчетной длины воздушного зазора по
сравнению с действительной за счет этой части потока принимается равным 2.
Рис. 4.3. Распределение индукции в Рис.
4. К расчету коэффициента
воздушном зазоре электрической машины
по длине магнитопровода
Влияние провалов в кривой индукции возникающих над радиальными
каналами учитывается при определении l с ледующим образом.
Действительная ширина
радиальных каналов bk заменяется расчетной b'k которая зависит от
Таким образом расчетная длина магнитопровода в общем случае определяется
l = l1 - nk b'k + 2 (4.8)
где nk и b'k – соответственно
число и расчетная ширина радиальных вентиляционных каналов.
При наличии каналов только на статоре (или только на роторе)
При каналах на статоре и на роторе
Радиальные вентиляционные каналы обычно выполняются шириной bk = 10
мм. В машинах с малым воздушным зазором ( bk) расчетная ширина канала
В машинах с большим воздушным зазором ( >> bk) расчетная ширина канала
С учетом рассмотренных особенностей распределения индукции в воздушном
зазоре электрической машины расчетная площадь полюсного деления
Тогда индукция в зазоре
Магнитодвижущая сила воздушного зазора между гладкими поверхностями
В большинстве машин поверхности статора и ротора ограничивающие
воздушный зазор не гладкие а имеют различные неровности: пазы углубления
для размещения бандажей и др. Магнитное сопротивление участков такого
зазора в поперечном сечении машины различно поэтому распределение индукции
по площади воздушного зазора неравномерно. Наибольшая неравномерность
возникает из-за наличия зубцов на статоре и роторе. Над коронками зубцов
магнитные линии сгущаются а над прорезями пазов плотность линии
уменьшается (рис. 4.4). В кривой индукции в воздушном зазоре появляются
провалы. Магнитное сопротивление и магнитное напряжение воздушного зазора
при неравномерной индукции возрастают.
Увеличение магнитного напряжения учитывается введением коэффициента
воздушного зазора (коэффициента Картера) k. Этот коэффициент полученный
расчетом полей в зазорах с различным соотношением ширины зубцов и пазов
показывает насколько возрастает магнитное напряжение зазора при зубчатой
поверхности статора или ротора по сравнению с магнитным напряжением зазора
между гладкими поверхностями.
Можно использовать также понятие расчетного воздушного зазора
т. е. равномерного воздушного зазора который имеет магнитную проводимость
равную магнитной проводимости реального воздушного зазора. С учетом k МДС
Если одна поверхность зазора гладкая а другая зубчатая то k достаточно
точно определяется по формуле
k = tz (tz - γ) (4.15)
Обозначения величин входящих в формулы ясны из рис. 4.4.
Формула (4.15) получила наибольшее распространение. Формула (4.16)
используется в основном при открытых пазах.
Коэффициенты воздушного зазора рассчитывают отдельно для статора и для
ротора. В первом случае предполагается что поверхность статора зубчатая а
ротора — гладкая во втором — наоборот: поверхность ротора зубчатая а
В расчетные формулы (4.14) — (4.16) подставляются значения tz и bш
характеризующие зубцы влияние которых учитывается коэффициентами k1 и
k2. Так для машины имеющей зубцы и на статоре и на роторе
где tz1 bш1 и tz2 и bш2 — соответственно зубцовые деления и ширина шлица
пазов статора и ротора.
По аналогичным формулам находят и другие частичные коэффициенты
воздушного зазора k3 k4 учитывающие влияние других неравномерностей
воздушного зазора например канавок для размещения бандажей на якорях машин
Результирующий коэффициент воздушного зазора равен произведению всех
частичных коэффициентов рассчитанных для статора и ротора:
Таким образом МДС воздушного зазора электрической машины F А
определяется по формуле
где k — коэффициент воздушного зазора; В — индукция в воздушном зазоре
α — коэффициент полюсного перекрытия; l — расчетная длина магнитопровода
3. МАГНИТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ЗУБЦОВЫХ ЗОН
При расчете магнитных напряжений зубцовых зон принимается попущение что
линии равного магнитного потенциала в поперечном сечении машины
представляют собой окружности с центром на оси вращения ротора. При этом
допущении магнитное напряжение зубцовой зоны статора Fz1 или ротора Fz2
определяется разностью магнитных потенциалов между эквипотенциальными
поверхностями (на поперечном сечении — окружностями) проходящими по дну
пазов и по поверхности головок зубцов.
Обычно рассматривают поле в одном элементе зубцовой зоны — зубцовом
(пазовом) делении tz = D Z. Магнитные сопротивления паза и зубца в
магнитной цепи машины соединены параллельно поэтому поток в зубцовом
делении распределяется между ними пропорционально проводимостям магнитных
силовых трубок проходящих через зубец и паз. Пазы в электрической машине
заполнены проводниками и их изоляцией т. е. средой с магнитной
проницаемостью во много раз меньшей чем проницаемость стали зубца.
Поэтому поток в пазу составляет лишь небольшую часть общего потока
зубцового деления. Эта часть потока как бы «вытесняется» из зубца в паз.
При малом насыщении зубцов она очень мала и в расчетах ее не учитывают. При
увеличении насыщения зубцов доля потока в пазу возрастает и ее влияние
начинает сказываться на магнитном напряжении зубцовой зоны Fz.
Рассмотрим вначале расчет магнитного напряжения зубцовой зоны без учета
вытеснения части потока в паз. При принятом допущении о конфигурации
эквипотенциальных линий и в силу симметрии зубцовой зоны магнитные силовые
линии проходящие через середины оснований зубцов совпадают с отрезками
радиусов (см. рис. 4.1 а и б) поэтому
где Hzx — напряженность магнитного поля в сечении зубца соответствующем
расстоянию hz hz — высота зубца (рис. 4.5 а).
Рис. 4.5. К расчету магнитного напряжения зубцовой зоны
При постоянном сечении зубца считают что напряженность поля в нем Hz
При переменном сечении зубца Fz можно определить разделив
зубец по высоте на n достаточно малых участков с высотой
Δh в пределах которых изменением Hz пренебрегают. Определив для
каждого участка индукцию напряженность магнитного поля магнитное
напряжение и просуммировав последние находят магнитное напряжение зубца.
Поток приходящийся на одно зубцовое деление
Фtz = B tz l. (4.22)
Если через bzx обозначить ширину зубца на высоте hzx то соответствующее
активное сечение зубца
где kc — коэффициент заполнения сердечника сталью; lст — длина
магнитопровода без вентиляционных каналов.
Индукция в рассматриваемом сечении зубца (рис. 4.5 б)
Напряженность поля определяется для соответствующей индукции по кривым
намагничивания для выбранной марки стали.
Проведя несколько таких расчетов для различных сечений зубца можно для
потока ФtZ построить кривую распределения напряженности поля по высоте
зубца (рис. 4.5 в). Площадь ограниченная этой кривой SACDE определяется
в масштабе магнитного напряжения зубца:
Зубцы в электрических машинах могут иметь сложную конфигурацию поэтому
такие расчеты выполняют лишь на ЭВМ при необходимости получения уточненных
данных при этом программы расчетов должны учитывать особенности размерных
соотношений данной зубцовой зоны.
В практических расчетах оказывается достаточным приближенное решение
когда Fz находится по (4.21) для некоторой средней расчетной напряженности
Hz и расчетной высоты зубца hz для которых справедливо [pic].
При плавно изменяющихся сечениях зубцов расчетная напряженность Hz
достаточно точно находится по формуле
Hz = [pic]( Hzmax + 4Hzср + Hzmin). (4.24)
Здесь Hzmax Hzmin и Hzcp — напряженности поля в поперечных сечениях зубца
которые определяются по индукциям в наиболее узком Szmin наиболее широком
Szmax и среднем по высоте Szcp сечениях зубца по следующим формулам:
где bzmin bzmax - наибольшая и наименьшая ширина зубца (см. рис. 4.5 б)
При прямоугольных пазах при Bzmax ≤ 20 Тл используется распространенный
метод расчета Fz по напряженности Нz13 определенной по индукции в сечении
на 13 высоты зубца от его узкой части (см. рис. 4.5):
дающий хорошее совпадение с уточненными расчетами при небольшой разнице
наибольшего и наименьшего сечений зубцов. При этом площадь прямоугольника
ACD'E' со сторонами Hz13 и hz равновелика площади фигуры ACDE (см. рис.
В отдельных случаях при большей разнице bzmax и bzmin и больших
насыщениях расчет проводится более детально. Зубец делится по высоте на две
части и для каждой из них определяется средняя напряженность поля
указанным методом. В этом случае расчетные сечения берутся на высоте
от наиболее узкого сечения зубца.
При расчете магнитного напряжения зубцов с резко изменяющимся по высоте
сечением например зубцов двухклеточного ротора асинхронного двигателя и
короткозамкнутого ротора с фигурными пазами зубцы также делятся по высоте
на два участка с плавно изменяющимся сечением при этом магнитное
напряжение зубцов равно сумме магнитных напряжений участков.
Рис. 4.6. Магнитный поток в зубцовом делении
при насыщении стали зубцов
Влияние местных изменений сечения зубца на изменение магнитного
напряжения не распространяющихся на большие участки по его высоте
(углубления в стенках пазов для крепления пазовых клиньев расширения в
коронках зубцов и т. п.) в практических расчетах обычно не учитывают.
В насыщенной зубцовой зоне доля потока в пазу возрастает. Ее можно
оценить не прибегая к полному расчету поля на зубцовом делении следующим
Обозначим поток в зубце ФZ и поток в пазу Фп (рис. 4.6) тогда поток на
зубцовом делении на высоте зубца hzx будет равен:
Фtz = Фzx + Фпх (4.27)
Разделив (4.27) на Szx и умножив и разделив второе слагаемое правой части
на Sпх = bnx l получим
B'zx = Bzx + Bпх[pic][pic] (4.29)
где В'zх — расчетная индукция определимая полным потоком в сечении зубца
Sz bzx — действительная
индукция в сечении зубца Szx т.е. индукция определенная с учетом того
что часть потока вытесняется из зубца в паз; Впх — индукция в сечении паза
Sпх создаваемая вытесненной в паз частью потока.
Так как паз заполнен средой с магнитной проницаемостью 0 (магнитной
На основании принятого допущения о конфигурации эквипотенциальных линий в
зубцовой зоне напряженность поля в зубце и в пазу на одной и той же высоте
hzx будет одинакова т. е.
Тогда из (4.29) и (4.30) имеем
В'zх = Вzх + 0 Нzх [pic] (4.31)
B'zx = Bzx + 0 Hzx kпx (4.32)
где kпx — коэффициент определяющий отношение площадей поперечных сечений
паза и зубца на высоте hzx:
В машинах нормального исполнения kп для различных по высоте зубца
сечений обычно находится в пределах kп = 05 - 20.
Для определения действительной индукции в каждом сечении зубца
первоначально находят расчетную индукцию по полному потоку зубцового
После этого задаваясь значениями bzx несколько меньшими чем B'zx
подбором находят действительную индукцию Bzx и соответствующее ей значение
Hzx при которых удовлетворяется равенство (4.32). Для облегчения расчета в
приложении 2 приведены кривые позволяющие определить hzx непосредственно
по расчетной индукции b'zx с учетом фиксированных значений коэффициента kп.
Численные значения kп и 0 = 4 10-7 Гнм в (4.32) позволяют судить о
значениях индукции в зубцах при которых необходимо учитывать ответвление
потока в паз. Для большинства современных электротехнических сталей при
индукции Bz ≤ 18 Тл напряженность поля не превышает H ≤ 16000 Ам
следовательно при этом уровне насыщения действительная индукция в зубцах
будет меньше чем расчетная лишь на 2—3 % даже при больших значениях kп
поэтому в расчетах этим изменением можно пренебречь.
При индукциях Bz ≥ 18 Тл расчет следует проводить с учетом ответвления
потока в паз. Естественно что вопрос о необходимости такого учета решается
при определении индукции в каждом из расчетных сечений зубца в отдельности
4. МАГНИТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ЯРМ СТАТОРА И РОТОРА
Распределение потока в ярмах статора и ротора зависит от конструкции
машины размерных соотношений магнитопроводов и уровня насыщения стали.
Значение потока в различных сечениях вдоль средней линии ярма непостоянно.
При распределенной обмотке например в асинхронных машинах наибольший
поток в ярмах статора и ротора имеет место в сечении 1—1 (рис. 4.7) так
как на этом участке ярма потоки зубцов находящихся на
Рис. 4.7. Магнитные силовые линии потока в магнитопроводе
электрической машины с распределенной обмоткой
половине полюсного деления суммируются. То же происходит в статорах
синхронных машин нормального исполнения и якорях машин постоянного тока.
В станинах машин постоянного тока и ярмах явнополюсных роторов синхронных
машин поток по длине средней линии меняется мало и его изменением
Распределение потока по высоте ярма также неравномерно из-за кривизны
ярма и некоторого изменения его сечения в местах примыкания полюсов и под
основаниями зубцов. Ближе к оси машины индукция в ярме больше чем на
периферии. Неравномерность индукции возрастает с увеличением насыщения
стали и уменьшением диаметра магнитопровода.
Для точного учета влияния этих факторов необходимы трудоемкие расчеты
В практических расчетах обычно пренебрегают кривизной магнитопровода т.
е. рассматривают поперечное сечение ярма как прямоугольник с длиной равной
длине средней магнитной силовой линии потока в ярме.
Неравномерность распределения потока по сечению ярм учитывают либо
пользуясь для расчетов специальными кривыми намагничивания построенными
для сталей ярм машин с распределенной обмоткой либо введением в расчетные
формулы коэффициента [6].
Расчет проводят по индукции в среднем сечении ярма. Расчетные формулы для
определения МДС ярм зависят от особенностей конструкции машин и даны в
главах учебника посвященных проектированию машин различных типов. Там же
приводятся методы учета ответвления потока ярма ротора в вал машины при
посадке сердечника ротора непосредственно на вал без втулки.
5. МАГНИТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И КОЭФФИЦИЕНТ РАССЕЯНИЯ ПОЛЮСОВ
Магнитные силовые линии потока в явно выраженных полюсах показаны на рис.
8. Как видно независимо от того расположены полюса на статоре (на
станине в машинах постоянного тока) или на роторе (в синхронных машинах)
поток в полюсе состоит из двух
Рис. 4.8. Магнитные силовые линии в магнитопроводе электрической машины
с явно выраженными полюсами:
а — на статоре; б — на роторе
частей. Одна из них поступает в воздушный зазор и формирует поле машины
передающее электромагнитную мощность. Эта часть является рабочим потоком Ф.
Другая часть сцеплена только с витками обмотки возбуждения и косвенно
участвует в создании электромагнитного момента. Эту часть потока называют
потоком рассеяния и обозначают Ф.
Суммарный поток в полюсе
Поток Фm строго говоря непостоянен по высоте сердечника полюса так как
магнитные силовые линии потока рассеяния ответвляются в межполюсное окно по
всей высоте поверхности сердечника полюсов. Наибольшая величина Фm будет в
основании полюса а наименьшая в полюсном наконечнике (рис. 4.8).
Поток рассеяния по высоте межполюсного окна определяется МДС обмотки
возбуждения сцепленной с каждой частью потока рассеяния и проводимостью
этой части потока в межполюсном окне (магнитным сопротивлением стали для
потока рассеяния можно пренебречь так как магнитное сопротивление
воздушного промежутка значительно больше сопротивления стали).
Из рис. 4.8 видно что магнитные силовые линии потока выходящие из
торцов полюсных наконечников имеют по сравнению с другими наименьшую длину
пути по воздуху поэтому проводимость этой части потока рассеяния будет
наибольшей. Кроме того поток между полюсными наконечниками создается
полной МДС всей обмотки полюса поэтому поток рассеяния через кромки
полюсных наконечников в основном определяет весь поток рассеяния полюсов.
Через боковые поверхности полюсов ответвляется значительно меньшая часть
потока Ф. Это позволяет в практических расчетах принять допущение о
постоянстве потока Фm по всей высоте полюса. Поток Фm по отношению к потоку
Ф при первоначальных pacчетах оценивается приближенно коэффициентом
Фm = Ф + Ф = Ф(1 + Ф Ф) = m Ф. (4.36)
Значение m обычно лежит в пределах 12—25 в зависимости типа и
При принятом допущении о постоянстве потока Фm расчетная индукция в
где Sm — сечение сердечника полюса м2; kc — коэффициент заполнения
сердечника полюса сталью; bm и lm — ширина и длина сердечника полюса м.
МДС на один полюс рассчитывается по Нm найденной для соответствующей
марки стали по индукции Вт:
где hm — высота полюса с полюсным наконечником м.
Расчет Fm основанный на приближенном значении m проводят лишь при
предварительном определении размеров полюса. При расчете параметров и
характеристик машины необходимо более точное определение Ф.
Поток рассеяния Ф зависит от размеров полюсов межполюсного окна и
магнитных характеристик элементов магнитной цепи машины. На рис. 4.9
приведена упрощенная схема замещения магнитной цепи явнополюсной синхронной
машины. Для машин постоянного тока последующие выводы остаются такими же.
Основной поток Ф и поток рассеяния Ф создаются одной и той же МДС обмотки
возбуждения FВ. Магнитные сопротивления путей этих потоков включены
параллельно. Сопротивление потоку Ф определяется магнитными
характеристиками воздушного зазора зубцовых зон и ярма статора. Суммарное
магнитное сопротивление этих участков (см. рис. 4.9) обозначено R.
Сопротивление для потока Ф определяемое в основном магнитной
характеристикой межполюсного пространства обозначено R. Магнитные
сопротивления стали полюсов и ярма ротора общие для обоих потоков на
Проводимость = 1 R нелинейно изменяется в зависимости от насыщения
стальных участков; проводимость = l R для данных размерных соотношений
полюсов постоянна и определяется размерами межполюсного пространства и
полюсных наконечников.
Распределение потоков Ф и Ф по параллельным ветвям пропорционально
проводимостям ветвей т . е.
Рис. 4.9. Упрощенная схема замещения магнитной цепи
явнополюсной синхронной машины
Так как — магнитная проводимость зубцовой зоны воздушного зазора и
спинки статора то справедливо выражение
где F z a — суммарная МДС этих участков:
F z a = F + Fz + Fa. (4.41)
Из (4.39) и (4.40) получим
Выражение (4.42) показывает что величина потока Ф зависит как от
проводимости межполюсного окна так и от МДС и возрастает с увеличением
насыщения магнитной цепи машины.
Следует отметить что в суммарную МДС F z a должна быть также включена
МДС зубцовой зоны демпферной (пусковой) обмотки а в машинах постоянного
тока — компенсационной обмотки так как она создает магнитное сопротивление
Расчет МДС F Fz и Fa рассмотрен в предыдущих параграфах. Расчет
связан с особенностями и размерными соотношениями явновыраженных полюсов и
рассмотрен в главах относящихся к проектированию синхронных машин и машин
6. ХАРАКТЕРИСТИКА ХОЛОСТОГО ХОДА
При расчете электрической машины необходимо определить характеристику
холостого хода т. е. зависимость ЭДС в ее обмотках от МДС или от тока
обмотки возбуждения: Е = f (Fв). Так как МДС обмотки
возбуждения соответствует напряжению магнитной цепи машины Fц а ЭДС
обмотки якоря при постоянной частоте вращения пропорциональна потоку Ф то
характеристика холостого хода при этом условии эквивалентна зависимости Ф =
f (Fц) которую называют магнитной характеристикой машины [6].
Напряжение магнитной цепи Fц представляет собой сумму МДС всех ее
участков расчет которых рассмотрен в предыдущих параграфах.
Участки в магнитной цепи машины соединены последовательно а магнитные
напряжения каждого из них зависят от потока в участке. Поэтому при расчете
Fц берут сумму магнитных напряжений участков определенных для одного и
того же потока. Естественно что при расчете магнитных напряжений ряда
участков в явнолюсных машинах должны быть приняты во внимание потоки
рассеяния полюсов этих машин.
Если МДС цепи генератора определить для потока при котором его ЭДС на
холостом ходу при номинальной частоте вращения будет равна номинальному
напряжению то полученное значение Fц определит МДС возбуждения Fв0
необходимую для обеспечения такого режима. Fв0 называют МДС возбуждения
холостого хода а ток возбуждения создающий Fв0 — током возбуждения
холостого хода и обозначают Iв0.
Для характеристики работы генератора на холостом ходу необходимо знать
как изменяется напряжение на его выводах при изменении тока возбуждения.
Для этого рассчитывают Fц при нескольких различных значениях потока для
каждого из них находят соответствующую ЭДС и строят характеристику
В двигателях ЭДС обмотки определяется напряжением питающей сети и для
режима холостого хода может быть с некоторым приближением определена до
расчета магнитной цепи. Поэтому характеристика холостого хода двигателя
имеет несколько иной по сравнению с генератором смысл. Она показывает
какой должна быть МДС или каким должен быть ток возбуждения холостого хода
при определенной ЭДС машины.
В асинхронных двигателях ток создающий намагничивающую силу возбуждения
(намагничивающий ток) потребляется из питающей сети. Он также зависит от
МДС магнитной цепи но при неизменной ЭДС обмотки статора намагничивающий
ток изменяться не будет. Поэтому для определения I достаточно рассчитать
МДС магнитной цепи для одного значения потока соответствующего режиму
Для двигателей постоянного тока и синхронных строят полную
характеристику однако для дальнейших расчетов удобнее пользоваться не
характеристикой холостого хода а магнитной характеристикой т. е.
непосредственно зависимостью Ф = f (Fц) получаемой при расчете Fц для
нескольких значений потока.
Конкретные методы расчета МДС и характеристик холостого хода приведены в
главах учебника посвященных проектированию машинин различных типов.
7. ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ НА ПОЛЕ МАШИНЫ
Если работающую на холостом ходу электрическую машину нагрузить то из-за
увеличения тока электромагнитное поле в ней изменится так как МДС тока
нагрузки создаст поле называемое полем реакции якоря. Под действием
реакции якоря результирующий поток в машине может уменьшаться или
увеличиваться в зависимости от ряда условий.
Влияние реакции якоря на характеристики машины всегда учитывают при
расчете нагрузочных режимов. Прямой расчет потока созданного двумя
различными намагничивающими силами — возбуждения и реакции якоря по-
разному распределенными в активном объеме машины очень сложен поэтому в
инженерной практике поступают следующим образом. Сначала рассчитывают
магнитную цепь машины и поток при холостом ходе. Потом проводят расчет МДС
реакции якоря и определяют ее влияние на поле потока возбуждения.
При расчете приходится также учитывать изменение ЭДС обмотки при нагрузке
машины по сравнению с холостым ходом вызванное падением напряжения на
внутреннем сопротивлении из-за увеличения тока.
В различных типах машин реакция якоря сказывается по-разному. В
асинхронных двигателях поток создается намагничивающим током статора
который определяется сопротивлением магнитной цепи и ЭДС обмотки. При
расчетах приближенно принимают что изменение намагничивающего тока при
различных нагрузках обусловлено только изменением ЭДС связанным с падением
напряжения на сопротивлении обмотки статора. ЭДС при переходе от холостого
хода к номинальной нагрузке в процентном отношении
изменяется мало поэтому номинальный режим работы асинхронных двигателей
часто рассчитывают по данным магнитной цепи определенным для холостого
хода. При более точных расчетах принимают что намагничивающий ток
изменяется в зависимости от ЭДС.
Так же поступают при расчете пусковых характеристик и в тех случаях когда
увеличение падения напряжения на сопротивлении обмотки статора при переходе
от холостого хода к номинальной нагрузке заметно влияет на ЭДС.
В синхронных машинах и машинах постоянного тока различают продольную и
поперечную реакции якоря т. е. раздельно рассматривают составляющие поля
реакции: совпадающую с осью поля возбуждения и нормальную к нему. И
продольная и поперечная реакции якоря оказывают влияние на поле
машины поэтому при расчетах приходится определять МДС возбуждения
необходим для обеспечения работы машины с номинальными данными которая в
общем случае отличается от МДС возбуждения холосто хода Fв0 [6].
Определение МДС возбуждения при нагрузке и учет влияния реакции якоря на
характеристики рассматриваются в соответствующих главах расчета машин
постоянного тока и синхронных машин.

ГЛАВА 5 Параметры ЭМ.doc

ГЛАВА ПЯТАЯ. Параметры электрических машин
Параметрами электрических машин называют активные и индуктивные
сопротивления ее обмоток. К параметрам относят также момент инерции ротора
значение которого входит в уравнение движения электрической машины.
1. АКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТОК
Общим выражением для расчета активного сопротивления фазы обмотки
электрических машин является формула
где kr — коэффициент вытеснения тока; pv — удельное сопротивление материала
проводника Ом[p L — длина проводника
фазы обмотки м; qэф — площадь поперечного сечения эффективного проводника
м2; а — число параллельных ветвей обмотки.
Удельные сопротивления некоторых наиболее часто применяемых в
электрических машинах проводниковых материалов для различных расчетных
температур приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Удельные электрические сопротивления
материала проводников обмоток
Тип обмотки Материал Удельное электрическое
сопротивление Ом-м при
Обмотка из медных обмоточныхМедь [pic] [pic] [pic]
проводов или неизолированной
медной проволоки или шины
Короткозамкнутые обмотки Алюминиевые [pic] [pic] [pic]
роторов асинхронных шины
Алюминий [pic] [pic] [pic]
Примечание. Удельное сопротивление алюминия после заливки в пазы ротора
несколько повышается в связи с образованием некоторого количества раковин
(воздушных включений) и с изменением структуры при охлаждении в узких пазах
или участках паза. Поэтому в расчетах принимают удельные сопротивления
литой алюминиевой обмотки роторов асинхронных двигателей равными 10-6215
Ом[pic]м при температуре 75° С и 10-6 205 Ом[pic]м при температуре 115°
Согласно ГОСТ 183-74 для обмоток предельно допустимые превышения
температур которых соответствуют классам нагревостойкости А Е и В
расчетная температура принимается равной 75° С а для обмоток предельно
допустимые превышения температуры которых соответствуют классам
нагревостойкости F и Н 115° С.
Длина проводника фазы распределенной обмотки
где lср — средняя длина одного витка:
lср = 2(lп + lл). (5.3)
Длину пазовой части витка lп принимают равной длине сердечника. Длина
лобовой части lл зависит от типа и конструкции обмотки ее шага и
внутреннего диаметра статора (наружного диаметра ротора или якоря).
В машинах постоянного тока общая длина обмотки якоря
L = lcpw = lcp N2 (5.4)
где N — число эффективных проводников в обмотке.
Число параллельных ветвей обмотки якоря в отличие от машин переменного
тока обозначают 2а поэтому активное сопротивление одной параллельной
rветви = [pic] (5.5)
а сопротивление всей обмотки
Коэффициент вытеснения тока kr зависит от характера распределения тока
по сечению проводников и представляет собой отношение активного
сопротивления проводника при неравномерном распределении плотности тока по
сечению к сопротивлению того же проводника при одинаковой плотности тока во
всех точках его сечения.
Проводники расположенные в пазах электрических машин находятся в зоне
полей пазового рассеяния. Если в обмотке протекает переменный ток то в
проводниках возникают вихревые токи которые накладываясь на основной ток
проводника увеличивают или уменьшают плотность тока на различных участках
Равномерность распределения плотности тока нарушается и активное
сопротивление проводника увеличивается.
При постоянном токе в обмотке вихревые токи не возникают и kr = 1.
Поэтому сопротивление проводников при постоянной по всему сечению плотности
тока называют сопротивлением постоянному току.
Если проводник или какой-либо участок проводника расположен в воздухе и
не находится в зоне сильного электромагнитного поля машины то плотность
тока во всех точках его сечения при расчете принимают одинаковой. Так
поступают например в большинстве случаев при расчете сопротивлений
лобовых частей обмоток для которых принимают kr = 1. Некоторое увеличение
активного сопротивления связанное с неравномерностью распределения
плотности тока из-за проявления поверхностного эффекта влияния полей
лобового рассеяния изгибов проводников и т. п. учитывают приближенно
относя его к добавочным потерям.
Расчет распределения плотности тока по сечению проводников находящихся в
пазах магнитопровода показал что наибольшая плотность тока будет в
верхних участках поперечных сечений проводников т. е. в участках
расположенных ближе к раскрытию паза и воздушный зазор (рис. 5.1). Ток как
бы вытесняется в верхнюю часть сечения проводника поэтому такое явление
называют эффектом вытеснения тока а коэффициент kr введением которого
учитывают изменение активного сопротивления под действием этого эффекта —
коэффициентом вытеснения тока.
Эффект вытеснения тока приводит к увеличению расчетного активного
сопротивления проводника (всегда kr ≥ 1). Значение коэффициента kr зависит
от частоты тока в обмотке удельного сопротивления проводникового
материала размеров числа и расположения проводников в пазу и от размеров
Методы определения kr приводятся в главах учебника относящихся к расчету
сопротивлений обмоток машин конкретных типов.
Рис. 5.1. Распределение плотности тока в проводниках
обмотки под действием эффекта вытеснения тока:
а — при одном массивном проводнике в пазу;
б — при нескольких проводниках в пазу
Площадь поперечного сечения эффективного проводника определяется
размерами обмоточного провода и числом элементарных проводников в одном
эффективном. Для распределенных обмоток электрических машин не применяют
прямоугольные провода площадью поперечного сечения более 17. ..20 мм2 так
как при большем их сечении резко возрастают потери на вихревые токи
наводимые полем машины.
Распределенные обмотки из круглого провода наматывают обмоточными
проводами площадью поперечного сечения не превышающей 25 мм2 так как при
большем сечении не удается достичь удовлетворительного заполнения паза из-
за возрастающей с диаметром упругости провода. В связи с этим обмотки с
расчетной площадью поперечного сечения эффективного проводника превышающей
указанную цифру наматывают не одним обмоточным проводом а несколькими
параллельными проводами одновременно. Такие проводники в отличие от
параллельных ветвей в схеме обмотки (см. гл. 3) называют элементарными.
Несколько элементарных проводников образуют один эффективный площадь
поперечного сечения которого
где nэл — число элементарных проводников в одном эффективном; qэл — площадь
поперечного сечения элементарного проводника при этом принимают допущение
что плотность тока во всех элементарных проводниках составляющих один
эффективный одинакова и размеры катушек не зависят от nэл.
2. ИНДУКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТОК
Индуктивное сопротивление обмоток электрических машин определяется их
взаимной индуктивностью и собственной индуктивностью. Индуктивное
сопротивление взаимной индукции является характеристикой главного поля
машины поток которого сцеплен с витками как первичной так и вторичной
обмоток. Методы расчета индуктивных сопротивлений взаимной индукции
различны для разных типов машин.
Индуктивные сопротивления самоиндукции или как их называют индуктивные
сопротивления рассеяния обмоток характеризуют поля рассеяния потоки
которых сцеплены с витками каждой из обмоток в отдельности. Методы их
расчета более сложные но для машин различных типов имеют
много общего. Поля рассеяния статора и ротора рассматривают раздельно.
Потоки рассеяния каждой из обмоток кроме того подразделяют на три
составляющие: пазового лобового и дифференциального рассеяния.
Соответственно подразделению потоков вводят понятия сопротивлений пазового
лобового и дифференциального рассеяний сумма которых определяет
индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора или ротора. Для
расчета сопротивлений рассеяния помимо размеров магнитопровода и обмоточных
данных машины необходимо знать удельные коэффициенты магнитной проводимости
пазового λп лотового λл и дифференциального λд рассеяний.
Под удельной магнитной проводимостью понимают магнитную проводимость
отнесенную к длине части обмотки расположенной в пазу или вне паза.
При расчете индуктивного сопротивления взаимной индукции и пазового
рассеяния под удельной магнитной проводимостью понимают магнитную
проводимость отнесенную к единице расчетной длины магнитопровода с учетом
ослабления поля над радиальными вентиляционными каналами. При этом
l' = l – 05 nк bк (5.8)
где nпк и bк — число и ширина радиальных вентиляционных каналов в
Так как расчет коэффициентов магнитной проводимости проводят всегда на
единицу длины то слово «удельной» в тексте обычно опускают.
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния.
Предположим что в пазу с высотой hп расположено Nп проводников
однослойной обмотки (рис. 5.2). Примем следующие допущения: проводники с
током распределены равномерно по всей площади поперечного сечения паза
плотность тока в каждой точке сечения паза постоянна магнитная
проницаемость стали магнитопровода равна бесконечности магнитные линии
потока рассеяния в пазу прямолинейны и направлены нормально к оси паза. Все
рассмотрение будем проводить относительно единицы условной
длины l'. Для того чтобы учесть потокосцепление потока рассеяния с
проводниками обмотки выделим в пазу на высоте hx от дна паза элемент
высотой dx представляющий собой трубку потока рассеяния паза. Поток этого
элемента на единицу длины обозначим dФх. Создаваемое им потокосцепление с
проводниками обмотки Nx расположенными в пазу ниже выделенного элемента
Рис. 5.2. К расчету коэффициента магнитной проводимости
потока пазового рассеяния
При принятом допущении об отсутствии насыщения стали можно записать
dФх = 0 Fx d x (5.10)
ширина паза на высоте hx.
Учитывая что Fx = NxI где I — ток в одном проводнике из (5.9) и (5.10)
dх = 0 I N2x [pic] .
Потокосцепление всего потока рассеяния паза со всеми проводниками
расположенными в данном пазу равно:
п = 0 I [pic] [pic] (5.11)
откуда индуктивное сопротивление проводников одного паза на единицу длины
где Nn — полное число проводников в пазу.
Интеграл в правой части выражения (5.12) определяет коэффициент магнитной
проводимости потока пазового рассеяния с учетом потокосцепления с
проводниками паза. Его обозначают
Так как при расчете индуктивного сопротивления рассеяния учет
потокосцепления обязателен индекс в обозначении обычно опускают тогда
х'п = 2 f 0 [pic]. (5.14)
Выразив Nп через число витков фазы (при условии что обмотка фазы
расположена в Zm пазах) получим выражение для индуктивного сопротивления
пазового рассеяния всей фазы с учетом условной длины поля рассеяния:
хп = 4 f 0 [pic] (5.15)
Расчетные формулы для определения λп получают из (5.13) с учетом
конфигурации пазов и типа обмотки.
В частном случае коэффициент магнитной проводимости прямоугольного паза
полностью занятого проводниками однослойной обмотки
так как в прямоугольном пазу ширина bх = bп постоянна и не зависит от
высоты а при принятом допущении о равномерности распределения проводников
по площади сечения паза справедливо равенство
где Sп — площадь поперечного сечения паза занятая проводниками с током a
Sx — часть площади сечения паза ограниченная высотой hx. В более сложных
случаях например когда проводники с током занимают не весь паз и
конфигурация паза отлична от прямоугольной коэффициент проводимости
где Sп и Sx — площади поперечного сечения паза занятые проводниками
Интегрирование проводят по частям паза причем паз делят по высоте таким
образом чтобы в пределах каждой части ширина паза могла быть выражена
аналитически в зависимости от высоты а плотность тока в каждой точке ее
сечения была одинаковой. Например для прямоугольного паза со свободной от
обмотки верхней — клиновой частью (рис. 5.3) таких участков интегрирования
будет три: нижняя часть паза занятая изоляцией высотой h0 часть паза с
однослойной обмоткой высотой h1 и клиновая часть с высотой h2.
Коэффициент магнитной проводимости всего паза равен:
[pic][pic][pic] (5.18)
Рис. 5.3. К расчету λп прямоугольного паза с однослойной обмоткой
В двухслойных обмотках с укороченным шагом в части пазов размещены
стороны катушек принадлежащих разным фазам поэтому токи в них сдвинуты во
времени. Это влияние на потокосцепление пазового рассеяния в расчетных
формулах учитывается коэффициентами k и k' зависящими от укорочения шага
Чтобы не производить интегрирование при каждом расчете для наиболее часто
встречавшихся конфигураций пазов формулы расчета пазового рассеяния
приводятся в виде справочных таблиц в соответствующих главах.
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния
принципиально можно найти методом аналогичным описанному выше однако
индуктивное сопротивление лобовых частей обмоток определяется не только
индуктивностью каждой из катушек но и взаимоиндуктивными связями лобовых
частей всех катушек обмотки. Это значительно усложняет расчет так как поле
рассеяния в зоне расположения лобовых частей имеет более сложный характер
чем в пазах. Криволинейность проводников в лобовых частях
разнообразные в различных машинах конфигурации поверхностей
ферромагнитных деталей окружающих лобовые части и сложный характер
индуктивных связей усложняют аналитический расчет λл и требуют для его
выполнения ряда упрощающих допущений. В практических расчетах коэффициент
магнитной индукции лобового рассеяния обмотки λл определяют по
относительно простым эмпирическим формулам полученным на основании
многочисленных экспериментальных исследований проведенных для различных
типов и конструкций обмоток. При вычислении значение λл также относят к
единице условной длины l'.
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния. Полем
дифференциального рассеяния называют всю совокупность полей различных
гармоник в воздушном зазоре не участвующих в создании электромагнитного
момента. Потокосцепление этих полей с витками
обмотки определенным образом увеличивает ее индуктивное сопротивление что
учитывается коэффициентом магнитной проводимости дифференциального
рассеяния λд. Его значение зависит от размерных соотношений
воздушного зазора числа пазов на полюс и фазу q размеров шлица зубцовых
делений степени демпфирования полей высших гармоник токами в проводниках
расположенных на противоположной от рассматриваемой обмотки стороне
воздушного зазора и от ряда других факторов.
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки определяют по формуле
аналогичной (5.15) в которую вместо λп подставляют сумму коэффициентов
магнитных проводимостей пазового лобового и дифференциального рассеяний:
хп = 4 f 0 [pic] (5.19)
В асинхронных машинах индуктивное сопротивление фазы обмотки статора
обозначают х1 а обмотки ротора х2. В синхронных машинах индуктивное
сопротивление рассеяния обмотки статора обозначают х1. В машинах
постоянного тока индуктивное сопротивление обмотки якоря непосредственно не
рассчитывают однако коэффициенты магнитной проводимости рассеяния
определяют для расчета реактивной ЭДС секций обмотки.
Индуктивные и активные сопротивления обмоток в уравнениях напряжений
являются коэффициентами перед токами. Эти параметры входят как в
дифференциальные уравнения описывающие переходные и установившиеся режимы
так и в комплексные уравнения описывающие только установившиеся процессы
Расчетные формулы для определения коэффициентов магнитных проводимостей
пазового лобового и дифференциального рассеяний непосредственно связаны с
формой и размерами пазов типом и конструкцией обмоток и размерными
соотношениями зубцовой зоны. Эти факторы для разных типов машин различны.
Расчет коэффициентов магнитных проводимостей рассеяния асинхронных и
синхронных машин а также машин постоянного тока приводится в
соответствующих главах.
Момент инерции характеризует динамические свойства машины. Он входит в
где J — момент инерции; р — угловая скорость ротора; Мс — момент
сопротивления; Мэ — электромагнитный момент.
Момент инерции вращающегося тела равен сумме произведений масс всех его
точек на квадраты их расстояний от оси вращения. Значение момента инерции
тела относительно оси OZ может быть получено из интеграла
где ρ — расстояние до оси вращения dV — элемент объема.
Для тел имеющих простую геометрическую форму (цилиндр диск и т. п.)
значения моментов инерции приводятся в справочниках. Например момент
инерции полого цилиндра массой m длиной l внешним радиусом R1 и
внутренним R2 равен:
Момент инерции сплошного цилиндра (R1 = R; R2=0)
Как видно при одном и том же объеме момент инерции тела с меньшим
радиусом будет меньше чем при большом радиусе.
Момент инерции является мерой инертности тела поэтому двигатели с малым
моментом инерции разгоняются с большими ускорениями и быстро достигают
установившейся частоты вращения. Для эксплуатации в режимах с частыми
пусками стремятся выполнить двигатели с малыми моментами инерции для чего
уменьшают диаметры роторов при соответствующем увеличении длин их
В приводах с ударной или пульсирующей нагрузкой (поршневые компрессоры)
целесообразно применять двигатели имеющие большой момент инерции т. е. с
относительно большим диаметром ротора и малой длиной. При постоянной
частоте вращения кинетическая энергия вращающегося тела пропорциональна его
моменту инерции поэтому двигатели с большим моментом инерции обладают
большой кинетической энергией за счет которой преодолеваются толчки
Ввиду сложности конфигурации роторов электрических машин и наличия в них
элементов с различной удельной массой (сталь сердечников обмотка
изоляция детали крепления) для расчета момента инерции ротор делят на
несколько частей имеющих сравнительно простую конфигурацию и для каждой
из них определяют J руководствуясь формулами специальных методик.
При расчете динамических характеристик двигателя вместе с приводом
учитывают моменты инерции механизмов соединенных с валом двигателя
значения которых приводят к частоте вращения ротора. Общий приведенный
момент инерции определяют по формуле
где J1 — момент инерции ротора двигателя; J(i+1) — моменты инерции
механизмов соединенных с валом ротора; ji — передаточное отношение i-й
передачи равное отношению частот вращения данного механизма и ротора

Глава 8 Элементы конструкции и механические расчеты.doc

Глава восьмая. Элементы конструкции
и механические расчеты
Наряду с электромагнитными и тепловыми расчетами механические расчеты во
многом определяют энергетические массогабаритные и виброакустические
показатели а также надежность и срок службы электрических машин. Поэтому
расчеты узлов и отдельных деталей при проектировании электрических машин
имеют важное значение.
1. МАГНИТОПРОВОД СТАТОРА
Магнитопроводы статора машин переменного тока общего назначения выполняют
шихтованными из электротехнической стали толщиной 035 055 мм. При
внешнем диаметре магнитопровода до 990 мм он выполняется из целых листов
(рис. 8.1) а при больших диаметрах собирают из отдельных сегментов (см.
рис. 10.14). По внутренней поверхности магнитопровода штампуют пазы
требуемой формы для размещения в них обмотки статора. Так как в размерах
отдельных зубцов имеется разброс обусловленный допусками при изготовлении
штампа то при шихтовке магнитопровода листы укладываются в одно и то же
положение относительно друг друга по шихтовочному знаку А который вырубают
на внешней поверхности. Для изоляции листов друг от друга их после снятия
заусенцев лакируют. Если листы изготовляют из стали 2013 то их подвергают
термообработке в результате которой уменьшаются потери в стали и на
поверхности создается оксидный и изоляционный слой.
Рис. 8.1. Периметр чертежа листа статора
При большой длине магнитопровода его делят на пакеты между которыми
выполняют вентиляционные радиальные каналы шириной 10 мм путем приварки к
крайним листам пакета распорок (рис. 8.2) имеющие чаще всего двутавровое
Рис. 8.2. Крайний лист магнитопровода статора
с приваренными к нему распорками (а) и формы распорок (б)
При внешнем диаметре до 452 493 мм магнитопровода набирают из целых
листов насаживая их на цилиндрическую оправку диаметром равным
внутреннему диаметру статора. Для предотвращения деформации (распушения)
относительно тонких зубцов торцевые листы магнитопровода штампуют из более
толстых листов или их попарно сваривают точечной сваркой. Собранный таким
образом магнитопровод прессуют и после этого скрепляют по внешнему диаметру
П-образными скобами (рис. 8.3). Скобы приваривают к торцам и к внешней
поверхности магнитопровода или как это сделано у машин серии 4А
укладывают в специальные канавки В (см. рис. 8.1) в форме ласточкина хвоста
на внешней поверхности магнитопровода. После укладки обмотки и пропитки ее
лаком магнитопровод запрессовывают в станину и закрепляют стопорными
Рис. 8.3. Магнитопровод статора стянутый скобами:
— магнитопровод; 2 — скоба; 3 — нажимная шайба
Иногда в асинхронных машинах небольших габаритов ([pic]63 мм)
спрессованный магнитопровод покрывают тонкостенной оболочкой из алюминия
или алюминиевого сплава (рис. 8.4). Эта оболочка охватывает внешнюю и
частично торцевые поверхности магнитопровода. Она скрепляет пакет и
заменяет собой станину. Оболочка выполняется в формах на специальных
машинах для литья под давлением. Такое изготовление статора экономически
более выгодно по сравнению с изготовлением его с чугунной станиной.
При внешних диаметрах магнитопровода 520 990 мм он собирается из
листов которые укладываются в расточенный корпус или на обработанные
Рис. 8.4. Магнитопровод статора залитый в оболочку:
— магнитопровод; 2 — оболочка (корпус)
Рис. 8.5. Магнитопровод статора
запрессованный нажимными шайбами:
— нажимная шайба; 2 — ребро станины;
— нажимные пальцы; 4 — запорная шпонка
Магнитопровод скреплен двумя нажимными шайбами (кольцами). Для создания
осевого сжатия у одного края ребра имеется выступ а у другого края —
канавка в которую вставляется запорная шпонка. Нажимная шайба передает
усилие сжатия на магнитопровод через нажимные пальцы — стальные пластинки
приваренные к крайним листам.
При внешних диаметрах магнитопровода более 990 мм он собирается из
сегментов. Различают слоевую шихтовку при которой каждый слой состоит из
целого числа сегментов и винтовую при которой в каждом слое последний
сегмент перекрывает предыдущий.
Для шихтовки магнитопровода из сегментов существуют несколько способов
крепления листов в корпусе. В машинах общего назначения наибольшее
распространение находит способ крепления на сборочных шпильках 5 которые
одновременно являются и стяжными (рис. 8.6). Базирование магнитопровода в
радиальном направлении происходит на ребрах станины 1.
Рис. 8.6. Магнитопровод статора стянутый шпильками:
— ребро станины; 2 — нажимное кольцо; 3 — нажимные пальцы;
— «глухая» стенка станины; 5 — сборочные шпильки
При механическом расчете магнитопровода проверяют прочность стягивающих
При запрессовке магнитопровода шайбами проверяют прочность этих шайб
нажимных пальцев и шпонки. При стяжке магнитопровода шпильками выбирают их
размер и число. При расчете исходят из того что давление в запрессованном
магнитопроводе [pic] находится в пределах 7 · 105 106 Па. Принимают что
образование веера в торцах зубцового слоя не снижает давление и реакции
запрессовки. Такое допущение упрощает расчетные формулы.
Рис. 8.7. размеры двутаврового сечения нажимного пальца
Расчет нажимных шайб пальцев и шпонок. На нажимные пальцы и шайбу
действует изгибающий момент созданный равномерным давлением спрессованного
Полное усилие запрессовки H
где [pic] — коэффициент который определяется в зависимости от [pic] (см.
рис. 8.5): [p [p [pic] —
внешний диаметр магнитопровода статора м.
Диаметр равнодействующей усилия запрессовки м
где [p [pic] — высота паза м.
Момент изгибающий нажимную шайбу Н·м
Напряжение изгиба Па
где [pic] — в м (см. рис. 8.5).
Допустимое напряжение ограничено условием необходимой жесткости нажимной
шайбы. Для стали марки Ст3 [pic] Па.
Изгибающий момент действующий на нажимные пальцы крайних листов
сердечника в сечении А—А (см. рис. 8.5) Н·м
где [pic] — число пазов.
Напряжение изгиба пальцев Па:
При двутавровом сечении пальца (рис. 8.7)
при прямоугольном сечении пальца
Допустимое напряжение для пальцев из стали марки Ст3 равно 1600[pic]105
Напряжение смятия шпонки Па
где [p [pic] — размеры контактной поверхности одной
Допустимое напряжение [pic] Па.
Пример. Исходные данные: синхронный двигатель [pic] кВт [pic] м [pic]
м [pic] м [pic] [pic] м [pic] м. Размеры пальца: [pic] м [pic]м.
Контактная поверхность шпонки [pic] м2 для шайбы [pic] м число шпонок
Площадь сечения всех пазов статора [pic] м2.
Усилие запрессовки по (8.1)
Изгибающий момент по (8.3)
Напряжение изгиба по (8.4)
где при [pic] получаем [pic].
Напряжение изгиба пальцев по (8.7)
Напряжение смятия по (8.8)
Расчет числа и диаметра шпилек. Расчет проводится по усилию запрессовки
магнитопровода определяемому по (8.1).
где [p [pic] — внутренний
диаметр резьбы шпильки м.
Допустимое напряжение [pic] для шпилек из стали марки Ст3 равно 1600·105
Па из стали марки Ст5 2100·105 Па.
Нажимные пальцы рассчитываются так же как и в предыдущем случае.
Пример. Синхронный двигатель: [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м [pic].
Выбираем шпильки М36 ([pic] м2) из стали марки Ст3.
Бандажные кольца обмотки статора. При протекании ток по обмотке статора
на ее лобовые части действуют электродинамические силы которые стремятся
отогнуть их к магнитопроводу. Особенно велики эти силы при внезапных
коротких замыканиях когда токи возрастают в несколько раз по сравнению с
их номинальным значением. Для предупреждения отгиба лобовых частей
применяется крепление их с помощью бандажных колец (рис. 8.8).
Необходимость применения бандажных колец определяется вылетом лобовых
частей [pic] и высотой паза [pic]. Если длина вылета при данной высоте паза
лежит выше кривой (см. рис. 8.8) то установка бандажных колец необходима.
Число колец [pic] определяется из следующего расчета: одно кольцо на каждые
0 мм вылета лобовой части сверх значения ограниченного кривой на рис.
Рис. 8.8. к определению числа бандажных колец
Сечение колец выбирают по растягивающему усилию испытываемому кольцом
при внезапном коротком замыкании Н
[pic] — относительное переходное реактивное сопротивление обмотки статора
(находится из электромагнитного расчета); для предварительных расчетов
можно принять у синхронных явнополюсных машин [pic] у короткозамкнутых
асинхронных двигателей [pic] у асинхронных двигателей с фазным ротором
Напряжение растяжки в кольце Па
где [pic] — диаметр кольца м.
При доброкачественной сварке кольца из стали марки Ст3 допустимое
напряжение растяжения [pic] Па. Бандажные кольца изготавливают из прутков
диаметрами 10 12 16 20 24 мм и прутков квадратного сечения 22[pic]22 и
[pic]32 мм2. В машинах с внешним диаметром магнитопровода статора более 1
м приваривают петли которые крепят с помощью шпилек к нажимным шайбам
Рис. 8.9. Крепление бандажных
колец с помощью шпилек
Число шпилек выбирают в зависимости от диаметра сердечника: принимают 4
шпильки при диаметрах от 1 до 2 м 6 шпилек при диаметрах от 2 до 26 м и 8
шпилек при диаметрах свыше 26 м.
Пример. Дано: [pic] м [pic] м [pic] вылет лобовой части обмотки 234
При высоте паза [pic] мм вылет лобовой части равен 234 см поэтому
бандажные кольца необходимы (234>215 см). Принимаем [pic] тогда:
Для изготовления кольца выбирается пруток диаметром 12 мм.
Станины статоров электрических машин выполняют литыми сварными или из
труб. В машинах переменного тока станина является каркасом в котором
располагается магнитопровод статора с обмоткой. Конструкция станины зависит
от степени защиты машины. Для асинхронных двигателей закрытого исполнения
(степень защиты IР44) (см. рис. 9.7) применяют литые чугунные станины
цилиндрической формы. Для улучшения охлаждения машины внешней поверхности
станины отливают продольные ребра (при [pic] 355 мм) или приваривают
распределенный воздухоохладитель состоящий из двух-трех рядов стальных
трубок диаметром 32 40 мм (при [pic] [pic] 400 мм). Между ребрами или
через трубки воздухоохладителя наружным вентилятором расположенным на валу
машины прогоняется охлаждающий воздух. Высоту ребер [pic] выбирают равной
(015—02)[pic]. Число ребер приходящихся на четверть поверхности станины
выбирают от 8 до 12.
Внутренняя поверхность станины у машин небольшой мощности гладкая
обработана для посадки магнитопровода статора более крупных машин (при
[pic] > 400 мм) для закрепления магнитопровода на ней предусматривают
У двигателей защищенного исполнения (степень защиты IР23) (см. рис. 9.4)
станины выполняют литыми с гладкой внешней поверхностью а на внутренней
поверхности имеются 4—6 ребер для посадки магнитопровода. В боковых частях
станины предусматривают отверстия для выхода охлаждающего воздуха.
Отверстия закрывают жалюзи которые штампуют из стали или выполняют из
алюминиевых сплавов.
В синхронных машинах относительной небольшой мощности станины также
выполняют литыми (рис. 8.10).
Рис. 8.10. литая станина с впрессованным магнитопроводом
Для машин переменного тока большой мощности (больше сотен киловатт) чаще
всего применяют сварные станины. Сварные станины выполняют в виде кольцевой
коробки П-образного сечения и состоят они из ряда продольных балок
приваренных к боковым кольцам (рис. 8.11). В машинах общего назначения чаще
всего применяют станины с «глухой» наружной стенкой (см. рис. 8.6). Одна из
торцевых наружных стенок 4 такой станины имеет отверстие диаметр которого
меньше внешнего диаметра магнитопровода
(глухая стенка). К этой стенке приваривают нажимные пальцы 3. Вторая
торцевая стенка открытая и через нее ведут шихтовку магнитопровода. К этой
стенке после прессовки магнитопровода приваривают нажимное кольцо 2 с
Рис. 8.11. Сварная станина
В машинах постоянного тока станина кроме того что к ней прикрепляют
главные и добавочные полюсы является частью магнитопровода. В целях
уменьшения размеров подшипниковых щитов и повышения их жесткости иногда
увеличивают длину станины. Развитая в сторону подшипниковых щитов часть
станины может иметь меньшую толщину. Толщину станины определяют из
электромагнитного расчета. Полученные размеры станины обеспечивают ее
достаточную прочность и жесткость. В машинах постоянного тока станины как
при защищенном (степень защиты IP22) так и при закрытом исполнении
(степень защиты IP44) (см. рис. 11.3) имеют гладкую внешнюю поверхность.
При высотах оси вращения до 200 мм станины выполняют из цельнотянутых
стальных труб а при больших высотах оси вращения сваривают из
толстолистовой стали свернутой в трубу. Сварной шов целесообразно
располагать по линии главных полюсов чтобы исключить влияние этого шва на
распределение магнитного потока. В удлиненных станинах предусматривают люки
для обслуживания коллектора и подачи охлаждающего воздуха.
Для улучшения работы двигателей постоянного тока при питании их от
тиристорных преобразователей целесообразно магнитопровод статора выполнять
шихтованным из листов электротехнической стали толщиной 05 1 мм а затем
запрессовывать его в литой корпус.
При проектировании станины электрической машины в нижней ее части должны
быть предусмотрены лапы с помощью которых она крепится к фундаменту.
Расположение лап на станине должно быть таким чтобы можно было свободно
вставлять в их отверстия крепящие машину болты а в машинах постоянного
тока — еще и не затруднять установку и выем болтов крепящих полюсы.
Опорные лапы либо отливают вместе со станиной либо изготовляют отдельно.
Кроме того на станине должны быть окна и приваренные или отлитые основания
для размещения коробки вводных проводов.
В верхней части станины делают приливы или приваривают бобышки в которых
высверливают отверстия и нарезают резьбу для рым-болтов. В малых машинах
делают один рым-болт а у более крупных — два. При массе машины менее 30 кг
рым-болт отсутствует. Станины должны иметь зажим для заземления.
При внешнем диаметре станины менее 1 15 м к ее торцам болтами
привертывают подшипниковые щиты для чего на торцах должны быть выполнены
кольцевые заточки для посадки и предусмотрены приливы или ушки с нарезными
отверстиями для крепления щитов. При больших диаметрах станины применяют
стояковые подшипники.
В последнее время получили распространение станины прямоугольной формы.
Машина такой формы лучше вписывается в интерьер производственных помещений
гармонируя с прямыми линиями колонн окон станков и т. п. Кроме того при
прямоугольной форме станины удается лучше использовать ее внутренний объем
и за счет этого уменьшить размеры машины.
В новой серии RA для машин с высотой оси вращения
132 мм используют алюминиевые станины получаемые экструзией. Станины
имеют горизонтально-вертикальное оребрение улучшенную эстетичность формы
Электрические машины общего назначения выполняют преимущественно с
горизонтальным расположением вала. В этом случае вал несет на себе всю
массу вращающихся частей через него передается вращающий момент машины.
При сочленении машины с исполнительным механизмом (для двигателя) или с
приводным двигателем (для генератора) через ременную или зубчатую передачу
а также и через муфту на вал действуют дополнительные изгибающие силы.
Кроме того на вал могут действовать силы одностороннего магнитного
притяжения вызванные магнитной несимметрией усилия появляющиеся из-за
наличия небаланса вращающихся частей а также усилия возникающие при
появлении крутильных колебаний. Правильно сконструированный вал должен быть
достаточно прочным чтобы выдержать все действующие на него нагрузки без
появления остаточных деформаций. Вал должен так же иметь достаточную
жесткость чтобы при работе машины ротор не задевал о статор. Критическая
частота вращения вала должна быть значительно больше рабочих частот
вращения машины. При критической частоте вращения вынуждающая сила
небаланса имеет частоту равную частоте собственных поперечных колебаний
вала (т. е. наступает явление резонанса) при которой резко увеличиваются
прогиб вала и вибрация машины.
Валы изготовляют из углеродистых сталей преимущественно из стали марки
Для повышения механических свойств сталей их подвергают термической
Размеры вала определяют при разработке конструкции. Валы имеют
ступенчатую форму с большим диаметром в месте посадки магнитопровода
ротора. Число ступеней вала зависит от количества узлов машины размещаемых
на нем (магнитопровод коллектор подшипники вентилятор контактные кольца
и т. д.). При переходе с одного диаметра вала на другой для предупреждения
недопустимой концентрации напряжений в местах переходов должны быть
предусмотрены закругления (галтели) максимально возможного радиуса.
Отношение радиуса галтели к диаметру вала должно быть больше 005. По этой
же причине не следует применять отношение диаметров соседних ступеней вала
более 13. Иногда для фиксации положения пакета магнитопровода ротора на
валу предусматривается упорный буртик. Диаметр вала см в той его части
где размещается магнитопровод предварительно можно выбрать по формуле
где [pic] — номинальные значения соответственно мощности кВт частоты
вращения обмин; [pic] — коэффициент значение которого следует принять
равным 24—29 для машины средней мощности и 18—20 для крупных машин (от 400
Окончательные размеры вала устанавливаются после его расчетов на
жесткость и прочность. Свободный конец вала имеет цилиндрическую или
коническую форму. Широкое применение имеют валы с цилиндрическим концом. На
этот конец насаживают полумуфту или шкив или шестерню которые закрепляют
с помощью шпонки. На валу имеется еще ряд шпонок для закрепления различных
узлов размещаемых на валу. В цепях упрощения обработки вала ширину всех
шпонок желательно брать такой же как и у свободного конца.
Размеры свободного конца вала (рис. 8.12) должны быть выбраны в
соответствии с ГОСТ (табл. 8.1). Концы валов предусматриваются двух
исполнений — длинные и короткие.
Рис. 8.12. Свободный конец вала
Шпонки для свободного конца вала выбирают по стандартам.
При конструировании вала следует также согласовать размеры шеек вала
на которых размещают подшипники с размерами выбранных подшипников.
Расчет вала на жесткость. При расчете прогиба вала принимают что вся
масса активной стали ротора с обмоткой и коллектором (в машинах постоянного
тока) и участка вала под ними приложена в виде сосредоточенной силы [pic]
посредине длины магнитопровода. Массу указанных частей определяют по данным
электромагнитного расчета. Массой остальных частей вала можно пренебречь.
Таблица 8.1. Цилиндрические концы валов
Принимая что ротор асинхронного двигателя или якоря машины постоянного
тока представляют собой сплошной цилиндр с плотностью 8300 кгм3 его массу
можно определить как
ротора синхронной машины приближенно равна:
где [p [pic][pic] — длина
сердечника без радиальных вентиляционных каналов м; [pic] — внешний
диаметр и длина коллектора м; [pic] — длина ротора.
В машинах постоянного тока в том случае когда коллектор насаживается на
вал расчет прогиба вала проводят исходя из приведенной силы тяжести (рис.
где [p [pic] — масса коллектора с
валом под ним кг; [pic] — коэффициент который принимают из табл. 8.2 в
зависимости от отношений [pic] и [pic] (см. рис. 8.13).
Рис. 8.13. К определению коэффициента [pic]
При креплении корпуса коллектора к корпусу якоря масса коллектора
учитывается как прибавка к массе якоря.
Таблица 8.2. Зависимость [pic] и [pic]
При определении прогиба вала воспользуемся аналитическим методом. Для
этого необходимо иметь эскиз вала со всеми его размерами (рис. 8.14). Вал
разбивают на три участка: [pic] и [pic]. Прогиб вала м под действием силы
[pic] на участке соответствующем середине магнитопровода
[p для сплошного вала
диаметром [p [pic] — силы тяжести
Рис. 8.14. Эскиз вала
В (8.15) все линейные размеры должны быть приняты в метрах. Расчет [pic]
удобно представить в виде таблицы (см. пример расчета).
Электрическая машина сочленяется с исполнительным механизмом или
двигателем одним из указанных способов: через ременную передачу зубчатую
передачу или через упругую муфту. При работе машины возникают поперечные
силы [pic] приложенные к выступающему концу вала и соответственно вызванные
натяжением ремня давлением на зубец шестерни или же неточностью сопряжения
валов и изготовлением деталей муфты. Эту силу [pic] Н можно определить
где [pic] — номинальный вращающий момент Н·м:
коэффициент при передаче упругой муфтой [pic] при передаче зубчатыми
шестернями [pic] при передаче клиновыми ремнями [pic] при передаче
плоскими ремнями [p [pic] — радиус делительной окружности шестерни или
радиус по центрам пальцев муфты или окружности шкива м.
Сила [pic] вызывает дополнительный прогиб вала под серединой
где [pic] (см. рис. 8.14 и табл. 8.3) [pic]— расстояние от точки
приложения силы [pic] до ближайшей опоры м.
При сочленении валов с помощью шкива или зубчатой шестерни точка
приложения силы [pic] лежит в середине свободного конца вала (см. рис.
14). При сочленении валов эластичной муфтой сила приложения лежит
посредине упругой части пальцев.
Прогиб вала вызывают также силы одностороннего притяжения которые
возникают если ротор будет смещен из центрального положения по отношению
внутреннего диаметра статора. Первоначально смещение ротора происходит
вследствие неточности
обработки износа подшипников и прогиба вала под действием сил [pic] и
[pic] Первоначальное смещение ротора м принимают равным:
где [pic] — воздушный зазор м.
Вследствие смещения ротора магнитные потоки полюсов будут неодинаковыми.
У полюсов расположенных со стороны меньших воздушных зазоров потоки
больше. Соответственно больше и сила поперечного магнитного притяжения.
Силу одностороннего магнитного притяжения Н вызванную смещением ротора на
[pic] определяют по формуле
где [p [pic] — длина ротора без радиальных каналов
Сила [pic] вызывает дополнительный прогиб вала который пропорционален
прогибу [pic] от силы тяжести ротора:
Вследствие увеличения прогиба силы магнитного притяжения увеличатся что
вызовет дальнейшее увеличение прогиба. Так будет продолжаться до тех пор
пока магнитное притяжение и жесткость вала не уравновесятся при этом
установившийся прогиб под действием сил магнитного притяжения будет равен:
Результирующий прогиб вала определяется для наихудшего случая когда
остальные составляющие прогибов суммируются:
Для надежной работы машины выбор допустимого прогиба зависит от способа
ее сочленения с исполнительным механизмом или двигателем.
При применении упругой соединительной муфты суммарный прогиб в процентах
длины воздушного зазора должен составлять в асинхронных двигателях не более
% в синхронных машинах — не более 8% и в машинах постоянного тока — не
более 6 %. При сочленении посредством ременной передачи прогиб должен быть
не более 10% воздушного зазора. При ограничении перекоса зубьев при
зубчатой передачи прогиб не должен превышать 10% у асинхронных двигателей
% у синхронных машин и 5% у машин постоянного тока
Таблица 8.3. Параметры участков вала
11·10-2718·10-25·10-1562·10-6 1562·10-6
участ-[pic] [pic] [pic] [pic] м3[pic] м3 м-1
11·10-2718·10-25 1562·10-1562·10-600217·1
135·101630·1011 1331·10-6131538·100807·10
15·10-22484·10431 80063·10-78732·10-6317·102
Критическая частота вращения. Для определения критической частоты
вращения обмин воспользуемся приближенной формулой которая получена при
учете одностороннего магнитного притяжения в предложении что ротор
представляет однородную массу:
Рабочая частота вращения ротора должна отличаться от критической не менее
Расчет вала на прочность. Вал электрических машин передает вращающий
момент и кроме того испытывает изгибающие усилия от сил тяжести
магнитного притяжения и от поперечных сил на свободном конце. В результате
этого вал испытывает совместное действие напряжения изгиба и напряжения
При совместном действии и кручения по теории наибольших касательных
напряжений приведенное к случаю изгиба напряжения Па определяется по
отношение допустимого напряжения при изгибе к удвоенному допускаемому
напряжению при кручении.
после подстановки их в (8.26) получаем расчетную формулу
где [pic] — момент сопротивления при изгибе м3 для вала диаметром [pic]:
[p [pic] — номинальный
вращающий момент Н·м; [pic] — коэффициент перегрузки который в среднем
можно принять равным 2—25; [pic] — коэффициент [pic] для нереверсивных
машин и [pic] для реверсивных.
Расчет вала на прочность заключается в определении напряжений в сечении
каждой его ступени. Для этого необходимо для каждой ступени определить
изгибающий момент с учетом перегрузки и момент сопротивления при изгибе. На
участках вала ослабленных шпоночными канавками момент сопротивления
определяется по диаметру [pic] (см. рис. 8.14). Изгибающий момент Н·м:
для участка вала [pic] (см. рис. 8.14)
Нагрузка от установившегося магнитного притяжения Н
Расчетные значения [pic] сопоставляют с допускаемым для данного
материала. Допускаемое значение напряжения не должно превышать 07 предела
текучести. Для стали марки 45 предел текучести равен 3600·105 Па.
Пример. Рассчитать вал асинхронного двигателя имеющего следующие данные:
[pic] Н·м [pic] обмин масса ротора (включая среднюю часть вала) 753 кг
внешний диаметр магнитопровода ротора [pic] длина магнитопровода ротора
без радиальных каналов [pic] м воздушный зазор [pic]м. Сочленение
двигателя с приводом — через эластичную муфту. Диаметр по центрам пальцев
муфты [pic] м. Размеры вала приведены на рис. 8.15.
Прогиб вала посредине магнитопровода под давлением силы тяжести ротора по
[pic] м-1 и [pic] м-1
(взяты из табл. 8.3).
Рис. 8.15. Вал асинхронного двигателя
Прогиб вала посредине магнитопровода ротора от поперечной силы муфты по
Первоначальное смещение ротора по (8.20)
Начальная сила одностороннего магнитного притяжения по (8.21)
Прогиб от силы [pic] по (8.22)
Установившийся прогиб вала от одностороннего магнитного притяжения по
Суммарный прогиб посредине магнитопровода ротора
т. е. составляет 665% что допустимо.
Критическая частота вращения по (8.25)
[pic] обмин > 13 [pic].
В расчете на прочность принимаем коэффициент перегрузки [pic].
Напряжение на свободном конце вала в сечении [pic] (см. рис. 8.15):
Напряжение в сечение [pic]:
Напряжение в сечении [pic]:
Напряжение в сечении [pic]
Из сопоставления полученных данных следует что наиболее нагруженным
является сечение [pic] для которого
Таким образом вал удовлетворяет всем требованиям механических расчетов.
4. ПОДШИПНИКИ. ПОДШИПНИКОВЫЕ ЩИТЫ
В электрических машинах с горизонтальным валом подшипники выполняют роль
поддерживающих опор. Они воспринимают действия силы тяжести ротора силы
одностороннего притяжения сил возникающих от несбалансированности ротора
и дополнительных продольных нагрузок от приводных механизмов. В машинах
относительно небольшой мощности подшипники размещают в подшипниковых щитах
которые располагаются по торцам машины и предназначаются для прикрытия
лобовых частей обмоток.
Подшипниковые щиты выполняют сварными и литыми (рис. 8.16) в средней
части щитов выполняют сквозное цилиндрическое отверстие для подшипников.
Щиты приболчивают к корпусу.
Рис. 8.16. Подшипниковый щит
асинхронного двигателя
Дня центровки относительно станины в верхней торцевой части щита делают
кольцевой буртик. Если буртик подшипникового щита входит в расточку
корпуса то такое сочленение образует внутренний замок. При расположении
буртика на наружной поверхности станины замок называется наружным.
В машинах защищенного исполнения в щитах выполняют окна дня прохождения
охлаждающего воздуха. Если подшипниковый щит охватывает коллектор или
контактные кольца то для доступа к щеткам в верхней его части делают
проемы закрываемые крышками. Для закрепления щита в станке при его
обработке на нем делают специальные технологические приливы.
В машинах большой мощности при внешних диаметрах более 1 м подшипники
выносят за корпус и устанавливают на специальных стояках (рис. 8.17).
Стояковые подшипники крепят болтами к той же фундаментной плите на которой
установлен корпус. Во избежание появления подшипниковых токов один из
стояков изолируют от фундаментной плиты изоляционной прокладкой при этом с
помощью изоляционных трубок и шайб изолируют также крепящие болты и штифты.
Подшипниковые токи которые замыкаются по контуру вал — стояк подшипника
— фундаментная плита — стояк подшипника — вал приводят к коррозии
поверхности подшипников шеек вала и вызывают старение масла. Причиной
появления этих токов является ЭДС наводимая в вале от сцепленного с ним
изменяющего во времени потока вызванного магнитной несимметрией из-за
наличия стыков между частями статора и сегментами наличием шпоночных
канавок эксцентричным положением ротора и т. д. Появление подшипниковых
токов наблюдается главным образом у машин относительно больших мощностей.
По конструктивным признакам подшипники подразделяют на подшипники качения
(роликовые и шариковые подшипники) и подшипники скольжения. По роду
воспринимаемой нагрузки различают опорные подшипники с радиальной нагрузкой
и упорные подшипники с аксиальной нагрузкой а по функциональным признакам
— несущие и направляющие подшипники.
Подшипники качения. В машинах с горизонтальным расположением вала в
основном применяют радиальные однорядные шарико- и роликоподшипники.
Радиальные шарикоподшипники (рис. 8.18) могут кроме радиальной нагрузки
воспринимать некоторую осевую нагрузку. При повышенном радиальном зазоре
между шариками и дорожками качения колец подшипник приобретает свойства
радиально-упорного подшипника и хорошо работает на восприятие больших
осевых нагрузок. Поэтому в некоторых случаях (особенно в малых машинах)
такие подшипники могут быть установлены в машинах с вертикальным
Рис. 8.18. Шарикоподшипник
Роликоподшипники (рис. 8.19) применяют для больших нагрузок чем это
допустимо для шарикоподшипников. Подшипники показанные на рис. 8.19 [pic]
и [pic] могут воспринимать только радиальную нагрузку а подшипник на рис.
19 [pic] кроме радиальной нагрузки может воспринимать небольшую осевую
нагрузку в одном направлении. В машинах небольшой мощности при [pic] мм
чаще всего оба подшипника выбираются шариковыми. У машин средней и большой
мощности подшипник со стороны привода воспринимающий большую нагрузку
выбирается роликовым а с противоположной стороны — шариковым.
От осевого перемещения на посадочных местах под действием осевой нагрузки
кольца подшипников удерживаются при помощи выступа и гайки или специальной
упорной пластинки закрепляющейся на болтах в торце вала — или
насаживаемым на вал кольцом. В машинах небольшой мощности обычно не делают
фиксации внутреннего кольца шарикоподшипника на валу а закрепляют лишь
наружное его кольцо подшипниковой крышкой являющейся одновременно деталью
удерживающей смазку подшипника. Если в машине применяются оба шариковых
подшипника то для возможности перемещения подшипника в осевом направлении
при расширении вала у одного из них а иногда и у обоих следует
предусмотреть зазоры между крышками и наружным кольцом (рис. 8.20).
Рис. 8.19. Роликоподшипник
Рис. 8.20. Подшипниковые узлы с шарикоподшипниками
Подшипники катящегося трения смазываются преимущественно консистентными
смазками. Смазка служит для обеспечения коррозийной стойкости подшипников
распределения и отвода тепла снижения потерь энергии за счет
предотвращения сухого трения уменьшения шума защиты от попадания грязи.
Рабочее пространство подшипникового узла заполняется смазкой не более чем
на 23 объема. Выбор консистентной смазки проводится на основании данных об
условиях работы подшипников.
Дня нормальной работы подшипников необходимо предусмотреть уплотнения
подшипниковых узлов защищающих их от пыли грязи а также препятствующих
вытеканию смазки в полость машины. Применяются различные конструкции
уплотнений: фетровые кольцевые зазоры манжетные лабиринтные и др. На
рис. 8.21 показаны некоторые из таких конструкций.
При больших частотах вращения (когда [pic] > 300 где [pic] — частота
вращения обмин [pic] — диаметр вала м) для смазки подшипников применяют
При проектировании машины перед конструктором ставится задача выбора по
каталогу типа подшипника соответствующего нагрузке и условиям их работы.
Для подбора конструкции типа и размера подшипника необходимо знать: 1)
значение и направление действующих на подшипник нагрузок; 2) характер
нагрузки (спокойная ударная переменная); 3) диаметр цапфы на которую
сажается подшипник; 4) частоту вращения машины; 5) желательный срок службы
Рис. 8.21. Подшипниковые узлы асинхронных двигателей серии 4А:
[pic] — двигателя 4А112 с герметизированными подшипниками
(1 — подшипниковый щит; 2 — пружинное кольцо; 3 — герметизированный
[pic] — двигателя 4АН180 смазка которого пополняется при разработке
(1 — наружная крышка подшипника; 2 — подшипник; 3 — внутренняя крышка
[pic] — двигателя 4А200 с устройством для пополнения смазки
(1 — масленка; 2 — пробка; 3 — войлочное уплотнение наружной крышки
подшипника; 4 — кольцо уплотнения; 5 — стопорное кольцо; 6 — пробка
спускного канала; 7 — войлочное уплотнение внутренней крышки подшипника)
В общем случае на подшипник действуют радиальная и осевая нагрузки. Выбор
подшипника проводится по приведенной динамической нагрузке [pic]. Для
однорядных радиальных шарикоподшипников эта нагрузка Н определяется по
коэффициент учитывающий характер нагрузки двигателя: при постоянной
спокойной нагрузке [pic] при нагрузке с умеренными толчками [pic] при
нагрузке со значительными толчками [pic] при нагрузке с ударами и частыми
сильными толчками [pic] для машин общего назначения в большинстве случаев
можно принять [p [pic] — коэффициент приведения осевой нагрузки к
радиальной. Значение [pic] и [pic] для однорядных радиальных
шарикоподшипников в зависимости от отношения [pic] ([pic] — статическая
грузоподъемность Н см. табл. П5.5) определяют по табл. 8.4.
Таблица 8.4. Значение [pic] и [pic] для однорядных подшипников
Для промежуточных значений [pic] применяют линейную интерполяцию. Для
электрических машин с горизонтальным расположением вала в большинстве
случаев можно не учитывать осевую нагрузку [pic]. При вертикальном
расположении вала осевая нагрузка равна Н:
где [pic] — силы тяжести ротора (или якоря с коллектором) и шкива (или
полумуфты); [pic] — осевое магнитное притяжение.
При определении радиальной нагрузки на подшипники [pic] и [pic] исходят
из наихудшего случая. Для нахождения [pic] при односторонней передаче
предполагается что сила [pic] направлена вниз а для [pic] — вверх тогда
сила тяжести ротора Н; [pic] — сила одностороннего магнитного притяжения
Рис. 8.22. К определению радиальных
Определяя приведенную нагрузку [pic] а также учитывая частоту вращения
подшипника [pic] и требуемый срок службы [pic] находят динамическую
грузоподъемность [pic] (Н) которая является основной характеристикой
для шарикоподшипников
для роликоподшипников
Срок службы (или долговечность) подшипника может быть задан или его
выбирают равным [pic] ч.
По найденной динамической грузоподъемности по таблицам ГОСТ (см. табл.
П5.1 и П5.2) выбирают конкретный подшипник и находят его габаритные
размеры. Диаметр внутреннего кольца выбранного подшипника должен быть равен
диаметру цапфы (цапфа — часть вала на которую горячей посадкой
насаживается подшипник). Наряду с динамической грузоподъемностью в таблицах
приведены данные о предельной частоте вращения. Расчетное значение [pic]
должно быть меньшим или равным табличному значению. Если расчетное значение
[pic] получается больше табличного а долговечность нельзя уменьшить то
следует выбрать подшипник из другой соответствующей заданным параметрам
серии. В некоторых случаях можно пойти на установку сдвоенных подшипников.
При применении сдвоенных подшипников учитывая неравномерность
распределения между ними нагрузки каждый подшипник следует рассчитывать на
нагрузку равную 70 % всей нагрузки опоры. Подбор подшипников рекомендуется
производить начиная с легкой серии.
Подшипники скольжения. В настоящее время подшипники скольжения применяют
главным образом для крупных электрических машин и выполняют в виде
стояковых подшипников (рис. 8.23). Корпус подшипника изготовляется из
чугуна. В корпус входят стояк 1 и верхняя крышка 2. Основным элементом
подшипника являете вкладыш 3 — втулка разрезанная по образующей на две
половины. В его верхней половине выполняют одно или два отверстия для
смазочных колец 4. Вкладыши изготовляются из стали чугуна бронзы и других
материалов. Толщина вкладышей принимаете равной [pic]мм[pic] [pic]
мм[pic] где [pic] — диаметр цапфы. Внутренняя поверхность вкладыша
охватывающая цапфу вала заливается антифрикционным белым сплавом —
баббитом. Для улучшения связи между баббитом и вкладышем последний имеет
кольцевые канавки в виде ласточкина хвоста. Толщина слоя заливки в
зависимости от диаметра вкладыша равна 2 8 мм. Посадка вкладышей и корпус
подшипников выполняется жесткой или самоустанавливающейся (рис. 8.24). При
жесткой посадке вкладыш фиксируется в гнезде при самоустанавливающейся он
опирается на шаровые опоры и может занимать положение в своих гнездах
соответственно прогибу или перекосу вала.
Рис. 8.23. Стояковый подшипник с кольцевой смазкой
Рис. 8.24. Посадки вкладышей в корпусе подшипника:
а — жесткая; б — сферическая; в — узкоцилиндрическая
Для смазки трущихся поверхностей применяют масло. Способ подачи смазки
выбирают в зависимости от условий работы машины. Наиболее распространенным
способом смазки является кольцевая. Для этого на цапфу надевают
металлическое кольцо большего диаметра. Кольцо свободно висит на цапфе
погружаясь в масляный резервуар подшипника. При вращении цапфы кольцо также
начинает вращаться и проходя через масляный резервуар подает масло на
верхнюю часть цапфы где оно растекается по всей поверхности. Для контроля
уровня масла в ванной подшипника имеется маслоуказатель который снабжают
смотровым стеклом. Кольцевая смазка применяется при окружных скоростях цапф
[pic] мс. При скоростях [pic] мс применяют принудительную смазку. В этом
случае в пространство между трущимися поверхностями подается извне под
давлением масло которое затем стекает в масляную ванну и по спускной трубе
идет в холодильник а затем снова к насосу. При такой смазке в подшипник
поступает такое количество масла которое необходимо для смазки и
охлаждения подшипника. Масло подают под давлением (025 1)·105 Па.
Находит применение также комбинированная система смазки когда при
принудительной смазке применяются маслоподающие кольца.
Для предотвращения попадания масла в машину и вытекания его из подшипника
в месте выхода из стояка помещают лабиринтные уплотнения и
маслоулавливающие кольца.
Отдельные элементы подшипников скольжения стандартизированы.
Выбор подшипника скольжения проводят по табл. 8.5 исходя из нагрузки на
подшипник которую определяют по (8.36) или (8.37). Указанные в таблице
размеры вкладыша подшипника означают его внутренний диаметр и длину. В
таблице приведена ступенчатая линия которая разграничивает подшипники с
кольцевой смазкой (выше линии) и подшипники требующие принудительной
Таблица 8.5. Допускаемые нагрузки на подшипники с кольцевой смазкой кН
РазмерыЧастота вращения обмин
[pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] мм [pic]+1 [pic]+12 [pic]+18 [pic]+23 [pic]+29 [pic]+32
[pic] мм 25 35 45 55 65 7
Допустимое напряжение на срез для гетинакса равно 10 МПа для текстолита
— 15 МПа для дерева при расположении волокон поперек паза — 4 и вдоль паза
Пример. Тот же двигатель что и в предыдущем примере ([pic] кВт). Размеры
паза [pic] м. Остальные данные те же.
Центробежная сила пазовой части обмотки
Материал клина — текстолит с [pic] МПа. Выбираем [pic]=14·10-3 м.
По табл. 8.9 выбираем клин с [p [p
Выбранный клин имеет достаточную механическую прочность.
Коллектор является ответственной и сложной частью постоянного тока. Он
состоит из коллекторных пластин изготовляют из твердотянутой меди
трапецеидального сечения толщиной 3 15 мм. Иногда для повышения
механической прочности применяют пластины из меди с присадкой кадмия. Для
медных пластин друг от друга между ними укладывают прокладки из
специального коллекторного миканита толщиной 08 15 Набор коллекторных
пластин с изоляцией между ними должен прочно закреплен и иметь строго
цилиндрическую форму при режимах работы машины. Существующие конструкции
коллекторов различают по способу крепления пластин и имеют большое
многообразие. Здесь рассматриваются наиболее употребляемые в современных
машинах способы крепления: нажимными конусными фланцами и конструкционной
При креплении нажимными конусными фланцами коллекторные пластины
выполняют в виде ласточкина хвоста. Изоляционные прокладки между пластинами
— такой же формы. Коллекторы с креплением нажимными конусными фланцами
делят на арочные и клиновидные. В первом случае нажим на пластины
осуществляется только на ласточкин хвост (рис. 853 а) во втором — на
ласточкин хвост и концы пластин (рис. 53 б).
Рис. 8.53. Способы крепления коллекторных пластин
Наибольшее распространение получили арочные коллекторы как более
технологичные. На рис. 8.54 и 8.55 показаны конструкции таких коллекторов.
Ни рис. 8.54 нажимные фланцы 1 надетые на втулку 2 стягиваются
кольцевой гайкой 3. Для изоляции всех коллекторных пластин от корпуса на
нажимные фланцы надевают прессованные из миканита манжеты 4 а на втулку —
миканитовый цилиндр 5. Со стороны якоря у коллекторной пластины имеется
выступ 6 называемый петушком в котором выфрезеровывается шлиц. В этот
шлиц закладывают а затем припаивают проводники обмотки якоря.
Рис. 8.54. Коллектор малых машин
Рассмотренную конструкцию применяют при диаметрах коллекторов до
0 250 мм и малой длине. В коллекторах с общей длиной более 200 мм не
рекомендуется применять затяжку фланцев кольцевой гайкой так как в этом
случае при нагреве пластин из-за температурной деформации происходит
бочкообразный выгиб пластин.
Пример конструкции коллекторов с большими диаметрами показан на рис.
55. Здесь нажимные фланцы 1 стягивают стальными шпильками 2. На фланцы
надевают миканитовые манжеты 3. При большой разнице в диаметрах якоря и
коллектора в шлиц пластины впаивают медные полоски 4 — петушки к которым
присоединяют проводники якоря.
Рис. 8.55. Коллектор на пластмассе
В коллекторах относительно небольших размеров (с внешним диаметром до
50 см) в настоящее время находит широкое применение крепление пластин
пластмассами (рис. 8.56). По сравнению с креплением нажимными фланцами
такие коллекторы более надежны в эксплуатации в отношении сохранения
правильной цилиндрической формы имеют меньшую трудоемкость изготовления
и себестоимость за счет отсутствия механической обработки пластин на
станке. Для посадки коллектора на вал внутри его предусматривают стальную
втулку 1 в которой для лучшего сцепления с пластмассой проточены кольцевые
канавки. Пластмассу 2 впрессовывают в пространство между втулкой и
коллекторными пластинами. Для этого применяют пластмассу марки К6 или
АГ-4. В целях повышения механической прочности в углубления коллекторных
пластин 3 вкладывают армировочные кольца 4 выполненные из стальной
проволоки или полосы. Размеры колец и число их витков зависят от диаметра
коллектора. Показанная на рис. 8.5 конструкция коллектора применяется при
их диаметрах до 25 см.
Внешний диаметр коллектора [pic] его общую длину [pic] и ширину
коллекторного деления [pic] определяют из электромагнитного расчета. Ниже
даны некоторые соотношения позволяющие выбрать размеры коллекторных
пластин (рис. 8.57).
Высоту коллекторной пластины принимают равной:
Рис. 8.56. Коллектор на пластмассе
Рис. 8.57. Коллекторная пластина
Высота ласточкина хвоста
Дня равномерного распределения центробежных сил ласточкины хвосты
стараются располагать несимметрично: [pic]. При выборе длины [pic] можно
исходить из соотношения
Ширину выточки [pic] нужной для выхода шлифовального круга и фрезы при
продорожке изоляции между пластинами берут равной 6 8 мм.
Размер [pic] выбирается для якорей с многовитковыми секциями равной
15 мм а для якорей с одновитковыми секциями 15 20 мм.
Толщина миканитовых манжет равна 1 15 мм а миканитового цилиндра 075 1
Профиль ласточкина хвоста задается углами [pic] и [pic] которые обычно
применяются равными соответственно 30 и 3°. При диаметре коллектора менее
см эти углы принимаются равными 45 и 3°. Число шпилек для стягивания
нажимных фланцев зависит от диаметра коллектора. При [pic] менее 50 см
число шпилек выбирается в пределах от 6 до 12. Диаметр шпилек не
рекомендуется брать менее 16 мм.
8.1. Механический расчет коллектора
с нажимными конусными фланцами
Ниже дается упрощенная методика позволяющая получить
удовлетворительные результаты для большинства практических случаев.
В предлагаемой методике механического расчета коллектора проводится
проверка напряжений в наиболее опасных сечениях пластины стяжных болтах и
миканитовой манжете. Опасными сечениями коллекторных пластин являются
сечения I—I II—II III—III (рис. 8.58).
При расчете напряжений в сечениях I—I и II—II консольную часть
пластины рассматривают как балку с заделанным концом на которую действует
распределенная нагрузка. Распределенная нагрузка создается двумя силами:
центробежной силой части пластины [pic][pic] и радиальной составляющей силы
арочного распора [pic] которая возникает в результате сжатия пластин
Рис. 8.58. К расчету коллектора
Консольные части пластины рассчитывают для изношенного коллектора.
Радиальный износ [pic] можно принять до 20 40% [pic] (см. рис. 8.58).
Исходя из сказанного напряжение изгиба в сечении I—I Па находится по
где [pic] — средняя толщина консольной части пластины м:
здесь [p [pic] — число коллекторных
пластин; [pic]— размеры м по рис. 8.57.
Центробежная сила [pic] Н определяется по формуле
где [p [pic] — масса выступа
(консольной части) кг:
[pic] — площадь боковой поверхности выступа м2.
Радиальная составляющая силы арочного распора Н
Давление между пластинами [pic] выбирают таким чтобы обеспечить сжатие
миканитовых прокладок при котором они не имели бы возможности перемещаться
радиально. Это давление может быть определено по эмпирической формуле Па
где [pic] — диаметр коллектора см.
Для сечения II—II напряжение подсчитывают аналогично (с учетом петушков).
При расчете напряжения от растягивающих и сжимающих сил в сечении III—III
Па уголок хвоста рассматривают как балку заделанную в этом сечении и
нагруженную сосредоточенной силой:
где [pic] — толщина пластины в средней части хвоста м:
[pic] — размеры м по рис. 8.58.
Центробежную [pic] и радиальную [pic] составляющие силы арочного
рассчитывают по (8.116) и (8.117). При этом вместо массы [pic] должна быть
взята полная масса коллекторной пластины и вместо [pic] — расчетная площадь
боковой поверхности пластины. Радиус инерции берется равным [pic].
Напряжения [pic] и [pic] не должны превосходить 120 МПа. Напряжение сжатия
в миканитовых манжетах отнесенное к 1 м2 площади прилегания манжеты к
конусу с углом [pic] находят по формуле
где [pic]— по рис. 8.58.
Напряжение сжатия не должно превосходить 50 МПа.
Сжатые болты рассчитывают исходя из осевого давления которое должны
создать нажимные шайбы.
Напряжение в болтах на растяжение Па
где [p [pic] — число болтов.
Значение не должно превышать 300 МПа.
Когда фланцы стягивают кольцевой гайкой проверяют напряжение на срез
витков резьбы гайки от силы запрессовки Па:
Напряжение не должно быть более 80 МПа.
При нагреве коллектора возникают дополнительные напряжения вследствие
неодинакового расширения меди и стали. Эти напряжения учитывают путем
умножения найденных выше напряжений и коэффициент 11 12.
Пример. Исходные данные: [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м
[pic] м 59[pic] м [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м2 [pic] м2 [pic]
м2 [pic]м2 [pic] обмин [pic] м [pic] м
масса консольной части
радиус инерции консольной части
центробежная сила по (8.116)
напряжение изгиба по (8.115)
Сечение II—II (с учетом петушков рис. 8.58):
центробежную силу определяем для двух участков консольной части (А и [pic]
где [p напряжение изгиба по (8.115)
Сечение III—III: из (8.117)
напряжение сжатия в манжетах по (8.120)
напряжение на срез резьбы гайки по (8.122)
Коллектор имеет достаточную механическую прочность.
8.2. Механический расчет коллектора на пластмассе
При механическом расчете коллектора на пластмассе определяют напряжение в
кольце из пластмассы удерживающем пластину. Давление на кольцевой выступ
пластмассового кольца Па (рис. 8.59) определяется по формуле
окружности по центру тяжести коллекторных пластин м; [pic]— коэффициент
трения меди по миканиту: [p [pic] — радианная мера толщины прокладок
боковая площадь коллекторной пластины м2; [pic] — приведенная площадь
пластмассового кольца с учетом стальных колец м2; [pic] — ширина
кольцевого выступа м:
коэффициент равный отношению испытательной частоты вращения коллектора к
максимальной частоте вращения якоря [p [pic] —
коэффициент заполнения коллектора медью:
Напряжение растяжения всего кольца вызванное радиальной деформацией
Рис. 8.59. К расчету коллектора на пластмассе
Предел прочности при растяжении составляет 20 МПа пластмассы К6 и 80
МПа для пластмассы АГ-4.
Прочность коллекторных пластин проверяется на напряжение в них от
арочного распора [pic] и центробежной силы С.
Консольные части пластин проверяют так же как и в предыдущем случае по
(8.115). Кроме того проверяется напряжение в сечениях [pic] и [pic]
Напряжение растяжения пластины в сечении [pic] Па
где [pic] — толщина коллекторной пластины в сечении [pic] и длина хвостовой
части пластины в этом сечении м.
Силы [pic] и [pic] определяют по (8.116) и (8.117) соответственно для
части пластины расположенной выше линии [pic].
Напряжение среза в сечении [pic]. Па
где [pic] — средняя толщина и высота пластины в сечении [pic] м.
Силы [pic] и [pic] определяют для всей пластины.
Среднее давление между пластинами обеспечивающее необходимый арочный
распор Па определяют по формуле
Пример. Исходные данные: [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м2 [pic] м2
[pic] м2 [pic] м [pic] м [pic] обмин [pic] м.
Коэффициент заполнения коллектора медью
Приведенная площадь пластмассового кольца
Давление между пластинами по (8.127)
Средняя толщина коллекторной пластины
Средняя толщина пластины в сечении [pic] (рис. 8.59)
Напряжение среза в сечении [pic] по (8.126)
9. КОНТАКТНЫЕ КОЛЬЦА
Контактные кольца применяют в синхронных машинах и асинхронных двигателях
с фазным ротором. Они располагаются на валу машины и к ним подсоединяют
обмотку ротора. У синхронных машин устанавливают два кольца а у
асинхронных — три. К контактным кольцам синхронных машин через неподвижные
щетки подсоединяют источник питания для обмотки возбуждения а в
асинхронных двигателях пусковой или регулировочный резистор. Контактные
кольца или располагают между магнитопроводом ротора и подшипниковым щитом
или выносят за подшипниковый щит. Наиболее часто применяют последнюю
конструкцию так как в этом случае можно выполнять оба подшипниковых щита
одинаковыми кроме того устраняется опасность попадания на обмотки
Материалом для колец служат сталь чугун латунь или медь. На 9.5
показана конструкция узла контактных колец для асинхронных двигателей. На
рис. 10.2 приведена конструкция узла колец для синхронных двигателе СДН2.
У машин относительно небольшой мощности контактные кольца 1 в холодном
или горячем состоянии напрессовывают на втулку 2 расположенную на валу
(рис. 8.60). Для изоляции колец от втулки применяют наложенный в несколько
слоев формовочный миканит 3 толщиной 05 07 мм. При внешнем диаметре до
0 мм контактные кольца иногда выполняют на пластмассе.
Рис. 8.60. Контактные кольца на втулке
Для машин большой мощности применяют кольца с болтовым креплением (рис.
61). Контактные кольца 1 изолированы друг от друга и от болтов 3
изоляционными трубками 2. Весь узел прикрепляют к торцу вала 4. Эта
конструкция имеет сравнительно небольшую массу хорошее охлаждение колец
но она менее надежна в отношении прочности крепления и биения.
Рис. 8.61. Контактные кольца с болтовым креплением
Механический расчет контактных колец производят в целях определения
напряжения в них от действия центробежной силы. Расчет производится для
колец после их предельного износа. Предельный диаметральный износ
принимают: 8 мм для колец диаметре до 100 мм 12 мм для диаметров 100 250
мм и 16 мм для диаметров свыше 250 мм.
Центробежная сила кольца Н
максимальная частота вращения обмин.
Напряжение на растяжение в опасном сечении (сечение кольца ослабленное
отверстием для контактной шпильки) Па
где [pic] — площадь сечения кольца м2:
[p [pic] — внутренний диаметр
кольца и диаметр отверстия под шпильку м; [pic] — ширина кольца м.
Напряжения в контактных кольцах напрессованных на втулку должны быть
рассчитаны с учетом натяга при прессовой посадке по (8.97). Допускаемые
напряжения не должны превышать 150 МПа для стальных колец и 75 МПа для
10. ТОКОСЪЕМНЫЙ АППАРАТ
Токосъемный аппарат предназначенный для съема тока с коллектора или с
контактных колец состоит из щеток щеткодержателей щеточных пальцев и
траверсы. На рис. 8.62 показаны некоторые из возможных конструкций
Щетки для электрических машин прессуют из угольных и графитных порошков.
Электрические свойства щеток и стандартизованные их размеры приведены в
приложении 5. Для отвода тока в щетки заделываются гибкие плетеные канатики
которые вторыми своими концами посредством припаянных к ним
наконечников соединяют к неподвижной части щеткодержателя. Щетки 2
устанавливают в обойму щеткодержателя 1. Щеткодержатели выполняют из латуни
литыми или штампованными. Для того чтобы осуществить плотный контакт с
коллектором или контактными кольцам на щетки с помощью пружины 3
осуществляется давление которое выбирается равным 002 004 МПа.
Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах с помощью колодок 5. На
щеточном пальце обычно размещают несколько щеткодержателей. Наиболее
распространенным видом щеткодержателей являются радиальные (рис.
62 а) у них направление щетки совпадает с продолжением радиуса
коллектора. Такие щеткодержатели применяют для реверсивных машин так как
условия работы щеток не зависят от направления вращения. На рис. 8.63
показана еще одна конструкция радиального щеткодержателя.
Для машин одностороннего вращения чаще находят применение реактивные
щеткодержатели (см. рис. 8.62 6) достоинство которых заключается в том
что при определенном нажиме и угле наклона щетка не упирается в обойму и
скользит в ней без трения.
Рис. 8.62. Щеткодержатели машин постоянного тока:
а — радиальный; б — реактивный
Рис. 8.63. Радиальный щеткодержатель
— щетка; 2 — щеткодержатель;
— фарфоровый наконечник; 4 — пружина; 5 — рычаг;
— нажимная пружина; 7 — корпус щеткодержателя
В машинах постоянного тока щеточные пальцы крепят к траверсе являющейся
несущей конструкцией всего узла токосъема. Траверса должна иметь
возможность перемещения по окружности в целях установки щеток на
геометрическую нейтраль при сборке и наладке машины. На рис. 8.64 показана
одна из возможных конструкций траверсы которая применяется для машин
относительно небольших мощностей. Траверсу закрепляют на специальной
заточке подшипникового щита стяжными и стопорными болтами.
Пальцы на которых укрепляют щеткодержатели представляют собой
цилиндрические или призматические стержни. Второе исполнение встречается
чаще так как оно проще в производстве и лучше фиксирует положение щеток.
Призматические пальцы выполняют гетинакса или текстолита либо из полосы
стали спрессованной в месте крепления с траверсой. Цилиндрические пальцы
изолируют от траверсы миканитовыми втулками и шайбами или спрессовывают
пластмассой. Число пальцев в машине обычно равно числу полюсов. Щеточные
пальцы одинаковой полярности соединяют между собой медными шинами или
Щеткодержатели асинхронных и синхронных машин располагаются на
изолированной части пальца металлический конец которого спрессован или
ввинчен в прилив подшипникового щита.
Иногда у машин постоянного тока применяется также крепление щеточных
пальцев непосредственно к подшипниковому щиту. Такое крепление принято
например у машин серии 2П с высотой оси вращения [pic] мм.

Глава 1 Общие вопросы проектирования электрических машин.doc

Глава первая. Общие вопросы проектирования
электрических машин.
Электрические машины применяют во всех отраслях промышленности в
сельском хозяйстве и в быту. Их выпускают большими сериями и в
индивидуальном исполнении. Во многих случаях электрические машины
определяют технический уровень изделий в которых они используются в
качестве генераторов и двигателей. Проектирование электрических машин
требует глубоких знаний и высокого профессионального мастерства.
1. ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Впервые электрические машины получили применение в промышленности более
ста лет назад. Тогда же появились и первые рекомендации по их расчету. В
конце XIX в. в Европе и Америке появились крупные электротехнические фирмы
«Сименс» «Вестингауз» АЭГ и другие на которых сложились крупные
конструкторские и расчетные отделы. В это время начинают издаваться первые
электротехнические журналы. В России журнал «Электричество» начал
издаваться в 1880 г.
В России первые электротехнические заводы появились в начале XX в. Это
«Электросила» в С.-Петербурге «Динамо» в Москве и заводы в Харькове и
Таллине. В годы первых пятилеток Москва Ленинград и Харьков превратились в
крупные производственные центры электропромышленности. После Великой
Отечественной войны электротехническая промышленность развивалась бурными
темпами и в настоящее время крупные центры электромашиностроения есть в
десятках городов СНГ. Около пятидесяти кафедр высших учебных заведений
выпускают специалистов по электрическим машинам.
Первые фундаментальные работы по расчетам и проектированию электрических
машин появились в конце десятых — начале двадцатых годов XX в. Это были
книги Э. Арнольд М. Видмара А. Ла-Кура Р. Рихтера К.И. Шенфера В.С.
Кулебакина и др. [5].
Первыми отечественными трудами по проектированию были книги А.Я. Бергера
П.П. Копняева В.А. Пантелеева и Ф.И. Холуянова. Большой вклад в
проектирование электрических машин внесли работы ученых А.Е. Алексеева
Б.П. Апарова А.И. Вольдека В.Т. Касьянова М.П. Костенко Б.И. Кузнецова
Р.А. Лютера Г.Н. Петрова И.М. Постникова П.С. Сергеева Т.Г. Сорокера
В.А. Трапезникова и др. [3].
Проектирование электрической машины — сложная многовариантная задача. При
ее решении приходится учитывать большое количество факторов. Единственным
стремлением всех кто проектирует машину является получение по
возможности наиболее быстрым путем более близкого к заданию расчетного
варианта. Поэтому методики подход к расчету и проектированию электрических
машин на всех этапах развития включали все новейшие достижения ву теории и
практике электромашиностроения.
Большинство расчетных методик исходит из так называемой «машинной
постоянной» определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок.
Машинная постоянная Арнольда записывается в виде:
где [pic] — диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диаметр
статора м; [p [pic] — угловая
скорость радс; [p [pic] — линейная нагрузка
Ам; [p [pic] — коэффициент полюсного
перекрытия; [pic] — коэффициент формы кривой индукции учитывающий
изменение напряжения на выводах машины при холостом ходе и нагрузке; [pic]
— обмоточный коэффициент.
Определив [pic] для различных типов электрических машин можно получить
базу для их расчетов. Машинная постоянная не является константой и зависит
от электромагнитных нагрузок напряжения типа изоляции системы
охлаждения стоимости материалов надежности работы машины суммы
капитальных и эксплуатационных затрат и других факторов.
Ученые в разное время по-своему интерпретировали машинную постоянную.
Эссон в конце 20-х годах XX в. предложил при проектировании применять
коэффициент использования машины — момент на единицу объема по существу
величину обратную постоянной Арнольда.
Машинная постоянная Рихтера есть момент отнесенный к единице поверхности
якоря. В машинной постоянной Шенфера вместо внутреннего диаметра статора
используется внешний диаметр.
В 1926 г. В.С. Кулебакин при выборе главных размеров синхронных машин
учитывал токи короткого замыкания. В 1934 г. Б.П. Апаров для синхронных
машин предложил при выборе главных размеров исходить из необходимой
кратности пускового и максимального моментов.
Г.Н. Петров вводит понятия единичной машины и касательной силы
действующей на единицу поверхности ротора. Касательная сила зависит от
мощности машины но даже у самых крупных машин не превышает 003 004 МПа.
Развитие теории электрических машин и широкое применение вычислительных
машин изменяют подход к проектированию электрических машин. Наиболее общим
показателем для различных типов электрических машин становится удельная
мощность энергии магнитного поля сконцентрированная в воздушном зазоре
на единицу мощности является одним из основных факторов
характеризующих технический уровень электрических машин. По сравнению с
13 г. масса асинхронных двигателей современных серий снижена более чем в
раза (рис. 1.1). Наиболее значительное снижение массы было достигнуто в
20 1950 гг. Предполагается что в 2000 2001 гг. сокращение массы может
составить не более 4—5%. В дальнейшем будет еще труднее обеспечить снижение
массы при практически неизменном уровне энергетических показателей
электрической машины. Даже небольшой процент сокращения расхода активных
материалов потребует серьезных работ по усовершенствованию конструкции
технических свойств изоляционных и магнитных материалов. Снижение
металлоемкости необходимо так как выпуск машин единых серий постоянно
Рис. 1.1. Снижение массы асинхронных двигателей в XX в.
Удельный расход материалов в турбогенераторах с 1952 г. снизился более
чем в 3 раза. Турбогенератор на 150 тыс. кВт с водородным охлаждением имел
массу 350 т. Турбогенератор ТВВ-1200-2 имеет массу на единицу мощности
равную 0457 кг(кВ·А).
Значительный рост цен на медь приводит к повышению цены на обмоточные
провода. Поэтому реальный становится проблема замены медных проводов на
ферромагнитные (стальные) провода имеющие активное сопротивление в десять
раз больше чем медные. Однако хорошие магнитные свойства и увеличение
сечения проводов делают реальным замену медных обмоточных проводов на
ферромагнитные при сохранении энергетических характеристик двигателей при
некотором увеличении их габаритов.
Проектирование новых электрических машин со стальными обмотками
потребуется сосредоточить усилия и талант многих коллективов инженеров-
электромехаников. Вполне реальна замена меди в общепромышленных сериях
электрических машин мощность до 5 кВт так как в этом диапазоне мощности
электротехническая промышленность потребляет свыше 50% меди [6].
Как следует из формулы (1.1) размеры машины зависят от индукции в
воздушном [pic] и линейной нагрузки [pic].
При рассмотрении электрической машины как объекта разработки необходимо
учитывать объем и длительность проектных расчетных и технологических
работ. Предпроизводственные работы включают изготовление рабочих чертежей
технологической оснастки и опытных образцов.
Этот этап требует достаточно много времени и больших коллективов
конструкторов и технологов. Качество разработки проекта определяет судьбу
электрической машины в производстве и эксплуатации.
Электрическая машина как объект производства должна иметь минимальную
трудоемкость и капитальные минимальные вложения в производство. Для этого
необходимы технологическая конструкция и максимальное использование
существующего технологического оборудования и оснастки.
С каждым годом повышается механизация и автоматизация
электромашиностроительных заводов. Широко используются станки для
механизированной укладки обмотки статоров и якорей электрических машин
применяются высокопроизводительные штампы и прессы. Для сборочных работ
используются работы для изготовления валов и станин применяются
автоматизированные линии. В ближайшие годы на заводах будут широко
использоваться гибкие автоматизированные комплексы. При проектировании
машины необходимо учитывать особенности производства на котором
предполагается изготовление машины.
После распада СССР более 43% производственных мощностей по выпуску
электрических машин остались за границей в странах СНГ. Россия лишилась
целого ряда габаритов асинхронных двигателей с высотами оси вращения 63
80 90 200 222 и 250 мм. В то же время заводы столкнулись с резким
спадом спроса на выпускаемую продукцию. Все это потребовало структурной
перестройки российских электромашиностроительных предприятий.
Если раньше завод производил асинхронные двигатели одной- двух высот
вращения то теперь потребовалось например Ярославскому
модификаций от 030 до 100 кВт Владимирскому электромоторному заводу ВЭМЗ
— от 01 до 1250 кВт.
Сложившиеся условия потребовали от инженеров-электромехаников новых
подходов к проектированию и организации производства электрических машин.
Значительно сократились сроки проектирования и подготовки производства
небольших но многообразных модификаций серий электрических машин. Если
раньше электромашиностроители диктовали условия для потребителей то теперь
заказчик определяет номенклатуру изделий. Многообразие типов и модификаций
машин снизило возможности автоматизации производства и поставило на первый
план технологические возможности быстрого перехода к выпуску мелких партий
Важнейшим требованием при производстве является минимальная
материалоемкость электрических машин. Экономия электротехнической стали
меди алюминия изоляции и конструкционных материалов является важнейшим
требованием при создании новой электрической машины.
Экономия материалов связана с безотходной и малоотходной технологией. При
штамповке листов стали статора и ротора в среднем 40% стали идет в отходы
а в некоторых случаях 60 70%. В машинах малой мощности за счет изменения
конструкции и технологии изготовления магнитной системы можно значительно
уменьшить отходы электротехнической стали [2].
Электрические машины с безотходной технологией изготовления имеют
преимущества перед обычными машинами если сохраняются и требования к
машине как к объекту эксплуатации.
Как объект эксплуатации электрическая машина должна иметь высокие
энергетические показатели (КПД и [pic]). Электрические машины с
минимальными потерями позволяют уменьшить вложения материалов в
энергосистему. Высокие энергетические показатели электрической машины
гарантируют снижение уровня текущих затрат на эксплуатацию и капитальные
вложения потребителя.
Улучшение энергетических показателей электрических машин стало особенно
актуальным в связи с ростом цен на энергоносители. Вновь разрабатываемые
электрические машины должны соответствовать высшей категории качества. Они
должны быть надежными и как правило иметь срок службы 8 10 лет.
Показатели экономической эффективности электрической машины могут быть
установлены на основании анализа приведенных затрат которые включают
затраты на изготовление и эксплуатацию машины.
2. ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету
зависимостей между основными показателями заданных в виде системы формул
эмпирических коэффициентов графических зависимостей которые можно
рассматривать как уравнения проектирования. Оптимальное проектирование
электрических машин можно представить как поиск оптимальных параметров
путем решения этой системы уравнений.
Выбор оптимальных параметров затрудняется сложностью алгоритма расчета
электрической машины по формулам проектирования. При проектировании
необходимо учитывать стоимость машины надежность и технологичность
конструкции. Эти показатели косвенно входят в формулы проектирования что
затрудняет оптимизацию. Оптимальные варианты электрической машины
выбираются на основании широкого применения вычислительных машин опыта и
интуиции проектировщика [1].
Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным двигателям единой
серии до 10 кВт показал что примерно 70% затрат составляют текущие расходы
на их эксплуатацию. На долю капиталовложений приходится лишь 15 20% всех
затрат. Следовательно повышение эффективности новых электрических машин
связано прежде всего со снижением эксплуатационных расходов.
Первоочередное значение здесь имеют повышение надежности работы машин и
улучшение их энергетических показателей при этом повышение КПД
экономически более выгодно чем повышение [pic].
Повышение надежности и улучшение КПД должны достигаться без заметного
увеличения затрат на изготовление электрической машины. Сокращение расходов
на электротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное
уменьшение себестоимости электрической машины.
Хотя основная заработная плата и составляет 5 8% себестоимости снижение
трудоемкости механических и обмоточно-изолировочных работ имеет важное
значение. В свое время в связи с увеличением выпуска электрических машин и
недостатком рабочей силы снижение трудоемкости было настолько важно что в
серии 4А пошли на некоторое снижение энергетических показателей увеличив
размеры шлиц пазов для возможности машинной намотки обмотки. Проектирование
электрических машин неотделимо от конструирования и технологии
изготовления связанных с условиями переживаемыми государством.
При оптимизации электрических машин важное значение имеет выбор критерия
оптимизации. Выбор критерия оптимизации зависит от назначения электрической
машины и предъявляемых к ней требований. Для специальных машин
целесообразно выбирать минимум массы или минимальные габариты. Для
электрической машины общего назначения в качестве критерия оптимизации
принимают минимум приведенных затрат. Этот критерий широко применяется во
многих странах. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе
производства и эксплуатации являются обобщающим экономическим показателем
включающим основные экономические эквиваленты основных технических
характеристик. Нельзя найти универсальный критерий оптимальности.
Действительно минимальная масса машины обуславливает снижение
энергетических показателей и ухудшение надежности. Наиболее очевидны
противоречия между статическими и динамическими характеристиками. Для
уменьшения времени разбега асинхронного двигателя надо увеличивать активное
сопротивление обмотки ротора что вызывает ухудшение энергетических
показателей в установившемся режиме.
Выбор критерия оптимизации электрической машины работающей в автономной
энергетической системе обычно отличается от выбора критерия оптимизации
машин общего назначения. Машины автономных энергетических систем в
большинстве случаев оптимизируют по минимуму массы а в передвижных
энергетических системах — по минимуму общей массы электрооборудования
системы. Если электрическая машина работает при неизменном напряжении
приложенном к ее выводам и не зависящем от нагрузки (сеть бесконечной
мощности) задачу оптимизации машины следует проводить по минимуму
Задача оптимального проектирования электрической машины или серии машин
может быть представлена как общая задача нелинейного математического
программирования которая сводится к нахождению минимума или максимума
критерия оптимальности при наличии определенного числа независимых
переменных проектирования и функций лимитеров представляющих собой
технические или технологические требования-ограничения к проекту [110].
Применение ЭВМ при проектировании для расчетов электрических машин
началось в начале 50-Х годов XX в. Во ВНИИЭМ ЭВМ использовались для
расчетов серий асинхронных машин. В настоящее время ни один расчет
электрических машин не обходится без применения ЭВМ. В большинстве случаев
ЭВМ используются для расчетов отдельных частей или всей электрической
машины по существующим методикам что обеспечивает ускорение вычислений
перебор многих вариантов дает возможность в короткие сроки создать
оптимальную электрическую машину.
Внедрение ЭВМ в проектирование привело к существенному повышению технико-
экономических показателей электрических машин снижению сроков
проектирования обеспечило качественный сдвиг в решении задач оптимального
При проектировании электрических машин применяются в основном цифровые
ЭВМ. Аналоговые ЭВМ удобно применять при решении задач динамики.
Недостатками их являются ограниченный объем решаемой задачи и малая
универсальность. Цифровые ЭВМ лишены этих недостатков однако они требуют
трудоемкого программирования. Чтобы избежать излишних потерь времени
целесообразно создавать универсальные программы и хранить их в банках
В настоящее время решается задача комплексной автоматизации
проектирования электрических машин. Этой цели служит система
автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ). Однако на
заводах и НИИ используются свои программы отличающиеся друг от друга и
появившиеся в различное время.
Широкая автоматизация проектных работ изменит в ближайшие годы процесс
проектирования электрических машин произойдут значительные изменения и в
учебном проектировании. В гл. 12 описание САПР ЭМ. Данный учебный рассчитан
на применение частных программ и мини-ЭВМ так как пока еще не накоплен
достаточный опыт промышленного автоматического проектирования электрических
машин а без использования классических формул проектирования невозможно
заниматься и использовать САПР ЭМ.
3. РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНОЙ МАШИНЫ И СЕРИИ МАШИН
Электрические машины концентрируют энергию магнитного поля в воздушном
зазоре. Объем активной части — пространство в котором размещены сердечники
и пазовые части обмоток определяется произведением [pic] (1.1). Размеры
[pic] и [pic] называются главными размерами машины.
Расчетная мощность машины
где [pic] и [pic] — соответственно номинальный ток и ЭДС обмотки статора
для асинхронных и синхронных машин а для машин постоянного тока —
номинальный ток и ЭДС якоря; [pic] — число фаз для машин переменного тока
(для машин постоянного тока [pic]=1).
определяет удельную мощность машины т. е. мощность на единицу активной
части. Удельная мощность характеризует степень использования материалов
активной части и является важным показателем для сравнения машин различной
мощности и конструктивного исполнения.
Более общим критерием оптимизации является отношение момента
развиваемого машиной к объему ее активной части которое называют
коэффициентом использования
[p [pic] — расчетная длина
Эффективность использования объема активной части машины определяется
электромагнитными нагрузками линейной нагрузкой [pic] и индукцией в
воздушном зазоре [pic]. Линейная нагрузка определяется отношением тока всех
витков обмотки к длине окружности. Ее значение показывает какой ток
приходится в среднем на единицу длины окружности зазора машины. Индукция в
воздушном зазоре при данных диаметре по зазору и числе полюсов определяет
поток машины и следовательно уровень индукции в участках магнитопровода.
Чем больше [pic] и [pic] тем больше коэффициент использования объема
активной части [pic]~[pic]. Однако с ростом мощности машины [pic]
увеличивается. Это объясняется тем что с увеличением объема активной части
площадь с которой отводится тепло увеличивается быстрее чем объем
машины. Если объем машины пропорционален линейному размеру в третьей
степени то поверхность этого объема пропорциональна линейному размеру в
Лучшие условия охлаждения в машинах большой мощности позволяют выбирать
большие [pic] и [pic] что обеспечивает лучшее использование материалов.
Поэтому машинная постоянная [pic] остается «постоянной» лишь в определенном
диапазоне мощностей. С повышением мощности растет и [pic].
Наибольшие допустимые уровни электромагнитных нагрузок для конкретных
машин определяются допустимым нагревом активных частей так как с ростом
[pic] и [pic] увеличиваются потери в единице активного объема машины. На
основании опыта проектирования и эксплуатации электрических машин
выработаны определенные диапазоны возможных значений [pic] и [pic] для
различных типоразмеров машин при которых нагрев их активных частей не
превышает допустимого для принятого класса изоляции обмоток. Значения
электромагнитных нагрузок задаются в виде рекомендаций в соответствующих
расчетов методиках и служат основной для правильного выбора объема активной
части. С развитием теории и практики электромашиностроения коэффициент
использования объема активной части машин повышается.
Переход на более нагревостойкую изоляцию позволяет рассчитать машины на
большие превышения температуры обмоток что дает возможность при той же
мощности уменьшить габариты машины.
То же самое происходит если в машине применена более совершенная система
охлаждения — водородная жидкостная форсированные системы или внутреннее
охлаждение. В этих случаях при том же превышении температуры способность
рассеивать тепло также возрастает и объем активной части машины может быть
уменьшен. Однако при слишком больших нагрузках значительно снижаются КПД и
Использование новых сортов электротехнических сталей с лучшими магнитными
свойствами и меньшими удельными потерями и новых электроизоляционных
материалов позволяющих уменьшить толщину изоляции и за счет этого снизить
плотность тока в обмотках приводит к уменьшению потерь и необходимого
объема активной части.
Поиски новых конструктивных решений применение вычислительных машин
новых методов оптимизации обобщение опыта проектирующих организаций
позволяют создавать электрические машины с лучшими энергетическими
характеристиками и меньшей массой.
За счет применения новых электроизоляционных и магнитных материалов
совершенствования конструкции и систем охлаждения развития теории и
применения ЭВМ удалось снизить массу электротехнических машин общего
назначения в 2-3 раза (см. рис. 1.1).
При проектировании новых машин и в частности при выполнении учебных
проектов необходимо ориентироваться на современное конструктивное
исполнение электрических машин предусматривать применение новых
электротехнических материалов.
Ориентируясь на рекомендованные в методиках значения электромагнитных
нагрузок и используя выражение для машинной постоянной можно достаточно
точно найти объем активной части проектируемой машины [pic] при котором ее
превышение температуры будет соответствовать допустимому. Однако этот объем
может быть получен при различных сочетаниях значений [pic] и [pic].
Аналитических зависимостей однозначно определяющих эти величины для
конкретных машин не существует. В практике проектирования предварительно
определяют диаметр [pic]. Для этой цели обычно используют кривые
характеризующие среднюю зависимость [pic] для большого числа построенных и
эксплуатируемых машин данного типа (где [pic] — мощность машины). После
этого с учетом выбранных электромагнитных нагрузок определяют [pic] исходя
из машинной постоянной.
Проверкой правильности выбора [pic] является значение отношения [pic] или
более часто принятое в практике отношение [pic] где полюсное деление
[pic]. Число полюсов обычно известно или определяется из технического
Значение [pic] характеризует основные размерные соотношения в машине.
Большие [pic] имеют машины относительно малого диаметра и большой длины и
наоборот малые значения [pic] — короткие машины с большим диаметром. В
первом случае машины имеют меньшую массу и меньшую высоту оси вращения. В
них лучше используется медь так как длина лобовых частей катушек по
сравнению с длиной их пазовых частей становится меньше. Момент инерции
машин меньше при больших [pic] чем при малых [pic] что особенно важно при
проектировании двигателей предназначенных для работы с частыми пусками.
Однако относительное увеличение длины машины при больших [pic] затрудняет
условия их охлаждения а в машинах постоянного тока приводит к ухудшению
коммутации. В машинах небольших габаритов с увеличением [pic] возникают
трудности с выполнением необходимого для нормальной работы числа пазов.
Анализ этих зависимостей и опыт эксплуатации позволили определить для
различных типов машин диапазон значений [pic] при которых обеспечиваются
их экономичность и хорошие эксплуатационные данные. Эти рекомендации служат
критерием проверки правильности предварительного выбора [pic] для
проектируемой машины. Конкретные диапазоны возможных [pic] для различных
типов машин приведены в соответствующих главах книги.
При проектировании индивидуальной машины необходимо по возможности
использовать имеющиеся на заводе штампы модели шаблоны и т. п. и так
выбирать размеры чтобы максимально использовать существующие узлы и
В индивидуальном исполнении проектируют только машины для специальных
применений. Обычно электрические машины выпускают сериями. Серия — ряд
машин возрастающей мощности имеющих одну конструкцию и единую технологию
производства на больших участках серии и предназначенных для массового
производства. При проектировании серий машин важнейшее значение имеют
вопросы унификации деталей конструктивных узлов и нормализации ряда
размеров. Все это связано с рациональной организацией производства как
внутри завода так и в объединении выпускающем единую серию машин. При
этом необходимо заботится об экономической эффективности целой серии машин
При проектировании серий асинхронных машин выбирают внешние диаметры
статора таким образом чтобы при одном и том же диаметре при изменении
длины машины получить несколько машин на различные мощности и частоты
вращения. Для машин постоянного тока выбирают одинаковым диаметр якоря и
изменяя длину машины проектируют на нем несколько машин различной мощности
и на разные частоты вращения.
Такое построение серий приводит к сокращению количества штампов
уменьшению количества моделей для отливки станин и подшипниковых щитов
сохранению одних и тех же диаметров валов унификации подшипниковых щитов
сокращению количества оснастки и измерительного инструмента. Широкая
унификация облегчает применение гибких автоматизированных производств
облегчает кооперацию между заводами.
Проблема создания единых отечественных серий электрических машин возникла
в конце 20-х г. когда машины выпускались по иностранным чертежам. Начало
работ по созданию единой серии асинхронных двигателей заводом «Электросила»
и Харьковским электромашиностроительным заводом (ХЭМЗ) относится к
28—1929 гг. «Электросила» разработала серии АД мощностью 1 10 кВт и АМ —
свыше 100 кВт. ХЭМЗ разработал серию МА-200 мощностью до 100 кВт.
В 1943 г. Баранчинский электромашиностроительный завод выпустил серию
«Урал» мощностью 1 13 кВт заменившую серию АД.
Первая единая всесоюзная серия асинхронных двигателей А (с
короткозамкнутым роторам) и АК (с фазным ротором) появилась в 1952—1956 гг.
Серия имела твердую шкалу мощностей и высокую степень унификации.
В 1964—1968 гг. ЦПКТБ крупных электрических машин (г. Ленинград)
московский завод им. Владимира Ильича (ЗВИ) и Баранчинский
электромеханический завод разработали серию А2 мощностью свыше 100 кВт в
которой уровень использования активных материалов был повышен на 20 25% по
сравнению с ранее выпускавшимися сериями.
В начале 90-х гг. в странах СЭВ (ГДР ЧССР НРБ) и СССР была создана
серия 4А включавшая двигатели до 400 кВт. В серии 4А за счет применения
новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность
двигателей при тех же высотах оси вращения была повышена на 2—3 ступени.
В 80-х гг. организацией социалистических стран Интерэлектро была
разработана серия АИ. Асинхронные двигатели серии АИ при диапазонах
мощности 025 315 кВт на 18 высотах оси вращения 45 355 мм обладали
высокими энергетическими показателями повышенной надежностью и низким
На базе единых серий изготовляются двигатели различных исполнений
предназначенные для работы в специальных условиях. Так на базе серии 5А и
РА выпускаются следующие электрические модификации: с повышенным пусковым
моментом с повышенным скольжением 10-полюсные и 12-полюсные
многоскоростные на частоту сети 60 Гц однофазные с фазным ротором и
другие специализированные по таким конструкциям: встраиваемые с
встроенным электромагнитным тормозом малошумные с встроенной температурой
защиты с повышенной точностью по установочным размерам высокоточные;
специализированные по следующим условиям окружающей среды:
влагоморозостойкие химостойкие тропические; узкоспециализированного
исполнения: для сельского хозяйства для судов морского флота для
холодного климата лифтовые фреономаслостойкие полиграфические швейные и
Непрерывно возрастающие требования к современным системам электропривода
могут быть удовлетворены только при применении регулируемых
электродвигателей переменного тока работающих с преобразователями частоты
и прежде всего двигателей постоянного тока.
Первой общесоюзной серией машин постоянного тока с нормализованной шкалой
номинальных мощностей и частот вращения была серия П созданная в 1956 г.
В 1974 г. в серии 2П впервые были применены установочно-присоединительные
размеры двигателей увязанные с номинальной мощностью в соответствии с
рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК). По
сравнению с серией П в двигателях серии 2П при одной и той же высоте оси
вращения увеличена в 3—5 раз а диапазон регулирования — в 16 раза.
Стремление удовлетворить потребность в широко регулируемых двигателях для
гибких автоматизированных систем и робототехники привело к созданию в 1984
г. двигателей серии 4П. В двигателях этой серии применены компенсационная
обмотка шихтованный магнитопровод квадратная станина изоляция класса
нагревостойкости F и форсированное охлаждение [3].
За счет улучшения конструкции форсированного охлаждения и применения
изоляционных материалов допускающих более высокие превышения температуры
удалось в течение 50 лет снизить расход материалов в 3 раза (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Снижение массы двигателей постоянного тока:
—станина круглая; 2 — станина квадратная улучшенная вентиляция;
— форсированное охлаждение
В серии 4П проведена унификация по деталям сборочным единицам и в целом
конструкции машин постоянного тока с асинхронными двигателями серий 4А и
АИ. Это позволяет обеспечить дальнейшую кооперацию производства двигателей
и снизить их себестоимость.
Многочисленные конструкции асинхронных и синхронных машин представлены в
4. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Почти все электрические машины имеют вращательное движение причем
вращается одна часть машины – ротор.
Независимо от рода питания (постоянного или переменного тока)
электрические машины можно разделить на явно- и неявнополюсные.
К неявнополюсным машинам относятся асинхронные машины и быстроходные
синхронные машины (турбогенераторы и турбодвигатели).
Явно выраженные полюсы располагают либо на роторе (синхронные машины)
либо на статоре (машины постоянного тока). В специальных случаях машины
постоянного тока могут быть с вращающимися обмотками возбуждения а
синхронные машины – с неподвижными. Такие машины принято называть
За 100 лет промышленного применения электрических машин их конструкция
претерпела значительные изменения. На рис. 1.3 [pic] дана одна из первых
конструкций машины постоянного тока сконструированной З. Граммом и
изготовленной фирмой «Альянс» в середине семидесятых годов ХIХ века. В этой
машине на станине 1 укреплены электромагниты 2 с полюсными наконечниками 3
между которыми вращается якорь 4. Щетки скользят по коллектору 5.
Рис. 1.3. Машина постоянного тока:
На рис. 1.3 [pic] представлен общий вид машины постоянного тока серии
ПН которая выпускалась в СССР после Отечественной войны. На рис. 1.3
[pic] дана конструкция машины серии 2П которая выпускалась в начале 70-х
Рис. 1.3. Машины постоянного тока:
б — серии ПН; в — серии 2П
Конструкция машины новой серии 4П показана на рис. 1.3 [pic]. Эта
унифицированная конструкция имеющая ряд деталей заимствованных от серии
асинхронных машин 4А выпускается с середины 80-х годов ХХ в.
Условия в которых работают электрические машины классифицируют по ряду
признаков (направление оси вала чистота окружающего воздуха его
температура влажность и т.п.) в зависимости от которых выпускают машины
различных конструктивных исполнений.
При эксплуатации электрических машин возникает необходимость
устанавливать их не только в горизонтальном но и в вертикальном
положениях. В зависимости от способа крепления направления оси вала и
конструкции подшипниковых узлов конструктивные исполнения машин по способу
монтажа делят на девять конструктивных групп (ГОСТ 2479) каждая из которых
подразделяется в свою очередь на несколько форм исполнения. Условное
обозначение содержит буквы латинского алфавита IМ и четыре цифры. Первая
цифра определяет группу конструктивного исполнения ( от 1 до 9) вторая и
третья – способ монтажа и направление конца вала четвертая – исполнение
конца вала (от 0 до 8).
Структура условного обозначения конструктивного исполнения электрических
машин по способу монтажа:
Группы конструктивных исполнений:
– на лапах с подшипниковыми щитами (с пристроенным редуктором);
– на лапах с подшипниковыми щитами с фланцем на подшипниковом щите
– без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на одном подшипниковом
щите (или щитах) с цокольным фланцем;
– без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на станине;
- без подшипниковых щитов;
– на лапах с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками;
– на лапах со стояковыми подшипниками (без щитов);
– с вертикальным валом кроме групп от IМ1 до IМ4;
– специального исполнения по способу монтажа.
Исполнения концов вала (концом вала называется его часть выступающая за
– с одним цилиндрическим;
– с двумя цилиндрическими;
– с одним коническим;
– с двумя коническими;
– с одним фланцевым;
– с двумя фланцевыми;
– с фланцевым со стороны привода и цилиндрическим на противоположной
– все прочие исполнения концов вала.
Примеры условного обозначения форм конструктивного исполнения
электрических машин приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Примеры условного обозначения форм
конструктивного исполнения электрических машин
Группа Конструктивное исполнение Обозначение
IM1 С двумя подшипниковыми щитами на IM 1001
Машины на лапах лапах вал горизонтальный с [pic]
с подшипниковымицилиндрическим концом
То же вал вертикальный с IM 1011
цилиндрическим концом направленным [pic]
На лапах с фланцем на одном IM 2001
IM2 подшипниковом щите доступным с [pic]
Машины на лапах обратной стороны вал горизонтальный
с подшипниковымис цилиндрическим концом
На лапах с фланцем на одном IM 2131
подшипниковом щите недоступным с
обратной стороны вал вертикальный с[pic]
цилиндрическим концом направленным
IM3 С двумя подшипниковыми щитами с IM 3001
Машины без лап фланцем на стороне Dдоступным с [pic]
с подшипниковымиобратной стороны вал горизонтальный
щитами с с цилиндрическим концом
С двумя подшипниковыми щитами с IM 3912
фланцами доступными с обратной [pic]
стороны на обоих подшипниковых
щитах вал вертикальный с
цилиндрическим концом
IM4 С двумя подшипниковыми щитами с IM 4001
Машины без лап сфланцем на стороне Dдоступным с [pic]
фланцем на обратной стороны вал горизонтальный
станине с цилиндрическим концом
С одним подшипниковым щитом с IM 4731
фланцем на стороне Nдоступным с [pic]
обратной стороны вал вертикальный с
IM5 Без станины с ротором и IM 5001
Машины без горизонтальным валом с [pic]
подшипниковых цилиндрическим концом
Со станиной на лапах с ротором безIM 5410
IM6 На лапах с двумя подшипниковыми IM 6000
Машины с щитами с одним стояковым [pic]
подшипниковыми подшипником на стороне Dбез
щитами и фундаментальной плиты
Со станиной на лапах с IM 6211
фундаментальной плитой с одним [pic]
стояковым подшипником на стороне Nc
одним подшипниковым щитом
IM7 Без фундаментальной или опорной IM 7001
Машины со плиты станина на лапах с одним [pic]
стояковыми стояковым подшипником
С фундаментальной плитой на IM 7610
приподнятых лапах с двумя [pic]
стояковыми подшипниками
IM8 С подпятником и направляющим IM 8201
Машины с подшипником расположенными под [pic]
вертикальным ротором с валом без маховика
С подпятником и направляющим IM 8411
подшипником расположенными под [pic]
ротором с валом без маховика
IM9 Встраиваемое исполнение с IM 90001
Машины цилиндрической станиной (или без [pic]
специального станины) с двумя подшипниковыми
исполнения по щитами вал горизонтальный с
способу монтажа цилиндрическим концом
С двумя подшипниковыми щитами на IM 9631
лапах в горизонтальной плоскости [pic]
вал вертикальный с цилиндрическим
Примечание. Под стороной вала D понимается сторона обращенная к
приводному механизму для двигателей а для генераторов – сторона
обращенная к турбине или дизелю. При двух концах вала D – сторона вала с
концом большего размера а при равных диаметрах для машин на лапах с
коробкой выводов расположенных не сверху - сторона с которой коробка
выводов видна справа. N – сторона вала противоположная D.
Более подробно конструктивное исполнение электрических машин по способу
монтажа рассмотрено в [16].
Электрические машины эксплуатируются в различных климатических условиях
различной влажности температуре окружающего воздуха давлении (различной
высоте над уровнем моря) в атмосфере содержащей те или иные коррозионно-
активные элементы и при других условиях существенно отличающихся от
нормальных. В нашей стране за нормальные условия принимают температуру
окружающей среды (+25 ± 10)0 С относительную влажность воздуха 35 80% и
атмосферное давление 84 106 кПа. Чем более отличны условия в которых
эксплуатируется машина от нормальных тем значительнее отличается
конструкция ее корпуса обмоток различных уплотнений и изоляции от
принятых в машинах общего назначения. ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-89Е
классифицируют макроклиматические районы и места установки машин в
зависимости от факторов влияющих на условия эксплуатации электрических
машин и определяют обозначения машин предназначенных для работы в тех или
иных условиях (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Условное обозначение
климатического исполнения электрических машин
Исполнение Обозначение
Электрические машины предназначенные для эксплуатации на суше
реках озерах для макроклиматических районов:
с умеренным климатом У
с холодным климатом ХЛ
с влажным тропическим климатом ТВ
с сухим тропическим климатом ТС
как с сухим так и с влажным тропическим климатом Т
для всех макроклиматических районов на суше
(общеклиматическое исполнение) О
Электрические машины предназначенные для установки на морских
судах для макроклиматических районов:
с умеренно холодным морским климатом М
с тропическим морским климатом для судов каботажного плавания
или иных предназначенных для плавания только в тропической ТМ
для неограниченного района плавания ОМ
Электрические машины предназначенные для всех В
макроклиматических районов на суше и на море
Категория размещения электрических машин обозначается цифрой (от 1 до 5)
следующей за буквенным обозначением климатического исполнения. Машины
которые можно эксплуатировать на открытом воздухе обозначаются цифрой 1 в
закрытом помещении где температура и влажность воздуха несущественно
отличаются от колебаний наружного воздуха — 2 если машины рассчитаны на
работу в закрытых помещениях в которых колебания температуры и влажности
а также воздействие песка и пыли существенно меньше чем на открытом
воздухе — 3; в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими
условиями например в закрытых отапливаемых помещениях — 4; в помещениях с
повышенной влажностью в которых возможно длительное наличие воды и
происходит частая конденсация влаги на стенах и потолке например в
неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях —5.
Обозначение ХЛ1 означает что машина может работать в районах с холодным
климатом при установке на открытом воздухе. Двигатели общего назначения к
которым не предъявляют каких-либо дополнительных требований имеют
исполнение У3 или У4 т. е. они могут работать в районах с умеренным
климатом в закрытых помещениях категории 3 или 4.
Существуют исполнения по степени защиты от попадания внутрь машины
твердых посторонних тел и воды и от соприкосновения обслуживающего
персонала с токоведущими и вращающимися частями находящимися внутри
машины. Этот вид исполнения обычно называют исполнением по степени защиты.
ГОСТ 14254—80 устанавливает буквенно-цифровое обозначение исполнения
состоящее из латинских букв IP и двух цифр. Первая цифра (от 0 до 6)
характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими
или вращающимися частями находящимися внутри машины а также степень
защиты самой машины от попадания в нее твердых посторонних тел; вторая
цифра (от 0 до 8) — степень защиты машины от проникновения в нее воды
Таблица 1.3. Степень защиты обслуживающего персонала от соприкосновения с
токоведущими и вращающимися частями электрических изделий и от попадания
твердых тел внутрь корпуса
Первая цифра Степень защиты
Специальная защита отсутствует
Защита от проникновения внутрь оболочки большого участка
поверхности человеческого тела например руки и от
проникновения твердых тел размером свыше 50 мм
Защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или предметов
длиной не более 80 мм и от проникновения твердых тел размеров
Защита от проникновения внутрь оболочки инструментов
проволоки и т. д. диаметром или толщиной более 25 мм и от
проникновения твердых тел размером более 1 мм
Защита от проникновения внутрь оболочки проволоки и от
Проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено
Однако пыль не может проникать в количестве достаточном для
нарушения работы изделия
Проникновение пыли предотвращено полностью
Таблица 1.4. Степени защиты электротехнических изделий
от проникновения воды
Вторая цифра Степень защиты
Защита от капель воды: капли воды вертикально падающие на
оболочку не должны оказывать вредного воздействия на изделие
Защита от капель воды при наклоне оболочки до 150: капли воды
вертикально падающие на оболочку не должны оказывать вредного
воздействия на изделие при наклоне его оболочки на любой угол
до 150 относительно нормального положения
Защита от дождя: дождь падающий на оболочку под углом 600 от
вертикали не должен оказывать вредного воздействия на изделие
Защита от брызг: вода разбрызгиваемая на оболочку в любом
направлении не должна оказывать вредного воздействия на
Защита от водяных струй: струя воды выбрасываемая в любом
направлении на оболочку не должна оказывать вредного
воздействия на изделие
Защита от волн воды: вода при волнении не должна попадать
внутрь оболочки в количестве достаточном для повреждения
Защита при погружении в воду: вода не должна проникать в
оболочку погруженную в воду при определенных условиях
давления и времени в количестве достаточном для повреждения
Защита при длительном погружении в воду: изделия пригодны для
длительного погружения в воду при условиях установленных
Открытые машины в конструкции которых не предусмотрено никаких мер для
защиты обозначаются IP00. Наиболее распространенными исполнениями по
степени защиты являются IP22 IP23 и IP44. Первые два исполнения
соответствуют защите от соприкосновения с токоведущими и вращающимися
частями машины пальцев человека и твердых тел диаметром более 12 мм (первая
цифра 2 в обозначениях) а также защите от попадания в них капель воды.
Исполнение IP22 предусматривает защиту от проникновения внутрь машины
капель падающих под углом не более 150 к вертикали а исполнение IP23 —
под углом не превышающим 600 к вертикали. Машины исполнений IP22 и IP23
называют каплезащищенными.
Машины исполнения IP44 выполнены защищенными от возможности
соприкосновения инструментов проволоки или других подобных предметов
толщина которых не превышает 1 мм с токоведущими частями а также от
попадания внутрь машины твердых тел диаметром более 1 мм (первая цифра 4).
Вторая цифра 4 обозначает что машина защищена от попадания внутрь корпуса
водяных брызг любого направления. Такие машины называют также
Для специальных целей выпускают электрические машины с более высокой
степенью защиты например IP57. В этом исполнении машина защищена от
попадания пыли внутрь корпуса и может работать погруженной в воду.
Исполнение по способу охлаждения электрических машин определяет ту или
иную систему вентиляции расположение вентилятора и систему забора
охлаждающего воздуха. Машина исполнений IP22 и IP23 обычно выполняют с
самовентиляцией и продувом воздуха через машину при этом вентилятор
располагается на валу машины а воздух проходя внутри корпуса охлаждает
обмотку и сердечники. Машины исполнения IP44 в большинстве случаев имеют
наружный обдув. Охлаждающий воздух при этой системе охлаждения прогоняется
вдоль наружной поверхности оребренного корпуса с помощью вентилятора
установленного вне корпуса на выступающем конце вала и с противоположной
стороны от его выходного конца. Более подробно системы вентиляции и
исполнения машин по способу их охлаждения рассмотрены в приложении П8.1—8.3
и в последующих главах [16].
Все эти электрические машины имеют много общего в конструкции обмоток
сердечников валов торцевых щитов подшипниковых узлов и корпусов. Однако
различия в требованиях предъявляемых при эксплуатации не позволяют
создать полностью идентичные конструкции всех типов электрических машин
так же как и методов их расчета и проектирования. Каждый из типов машин
(асинхронные синхронные и машины постоянного тока) имеет свои особенности
Асинхронные двигатели выпускают двух типов: с роторами имеющими фазную
обмотку и с короткозамкнутыми роторами. Более распространены двигатели с
короткозамкнутыми роторами так как отсутствие изоляции обмотки роторов и
скользящих контактов делает их наиболее дешевыми в производстве и надежными
в эксплуатации. Основным недостатком таких двигателей является отсутствие
надежного и экономичного способа плавного регулирования частоты вращения.
В настоящее время нашли применение вентильные двигатели выполненные на
базе асинхронных или синхронных двигателей с коммутаторами на тиристорах
или транзисторах. Вентильные двигатели занимают среднее положение между
двигателями постоянного тока и двигателями синхронными и асинхронными и
применяются там где необходимо изменять частоту вращения а наличие
коллектора и щеток нежелательно. Коммутатор как правило выполняется
отдельно а конструкция асинхронного или синхронного двигателя мало
отличается от обычной [14].
Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются на низкое напряжение
мощностью от 06 до нескольких сотен киловатт и на высокие напряжения (36
или 10 кВ) мощностью до нескольких десятков тысяч киловатт. Наиболее
распространены низковольтные двигатели малой и средней мощности.
На рис. 1.4 показан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
мощностью 15 кВт при 2р = 4 на напряжение 220380 В. Конструктивная форма
исполнения двигателя IМ1001 исполнение по степени защиты IР44. Такое
исполнение характерно для большинства асинхронных машин мощностью менее
70 кВт. Низковольтные двигатели большей мощности с фазными и с
короткозамкнутыми роторами выпускаются в большинстве случаев в двух
исполнениях – IР23 и IР44.
Рис. 1.4. Асинхронный двигатель серии 4А
в закрытом обдуваемом исполнении 4А160УЗ
На рис. 1.5 показан асинхронный двигатель серии 4А с фазным ротором
мощностью 250 кВт при 2р = 4 исполнение по степени защиты IР23. Основной
конструкцией асинхронных двигателей являются серии 4АМ и АИ которые
отличаются друг от друга выполнением корпуса и подшипниковых узлов.
Активные части в этих сериях идентичны.
Рис. 1.5. Асинхронный двигатель
с фазным ротором с квадратной станиной
Синхронные машины общего назначения распространены значительно меньше
чем асинхронные. Синхронные генераторы сравнительно небольшой мощности (до
нескольких тысяч киловатт) применяются в автономных установках. Синхронные
двигатели не получили широкого распространения из-за более сложной
конструкции большей стоимости и худших пусковых характеристик. Они находят
применение в приводах компрессоров воздуходувок и т. п. Синхронные машины
могут быть использованы одновременно и как двигатели и как генераторы
реактивной энергии что дает им большое преимущество перед асинхронными
двигателями являющимися потребителями реактивной энергии.
Синхронные машины в зависимости от конструкции ротора делятся на явно– и
В явнополюсной конструкции более удобно располагать обмотку возбуждения
чем в пазах ротора с неявновыраженными полюсами. Поэтому все синхронные
машины с числом пар полюсов более двух выполняются с явнополюсным ротором.
В двухполюсных машинах из-за большой частоты вращения центробежные силы
действующие на ротор настолько велики что не удается надежно закрепить на
нем явно выраженные полюсы с обмоткой. Обмотку возбуждения приходится
укладывать в отдельные пазы рассредоточивая их по окружности ротора.
Синхронные машины общего назначения выполняют в основном с
явнополюсными роторами. На рис. 1.6 показан синхронный двигатель мощностью
500 кВт на частоту вращения 375 обмин. Из-за большой массы вала и ротора
его подшипниковые узлы установлены на подшипниковых стойках вне корпуса
Рис. 1.6. Синхронный двигатель
Наряду с крупными синхронными машинами выпускают синхронные двигатели и
генераторы мощностью менее 100 кВт на низкое напряжение. Для упрощения
эксплуатации и повышения надежности они выполнятся с самовозбуждением
(обмотка возбуждения питается постоянным током от выводов статора через
выпрямитель). В настоящее время разработаны конструкции синхронных машин в
которых отсутствует скользящий контакт при этом выпрямительные элементы
установлены на роторе а ток в обмотке возбуждения возникает за счет высших
гармоник поля или с помощью бесконтактного возбудителя.
Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты
вращения в широком диапазоне обладают высокими пусковыми и перегрузочными
моментами. Это определило их распространение в приводах требующих
изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в
станкостроении электротранспорте в металлургической текстильной и
полиграфической промышленностях других отраслях народного хозяйства.
Генераторы постоянного тока применяют для питания обмоток возбуждения
синхронных машин в системах генератор—двигатель и в некоторых специальных
производствах как например в химической промышленности для целей
В то же время машины постоянного тока не получили такого широкого
распространения как асинхронные из-за меньшей надежности сложности
эксплуатации и большей стоимости обусловленных наличием в их конструкции
механического преобразователя частоты коллектора. Эти машины могут иметь
различные конструкции коллектора якоря обмоток и полюсов. Машина
постоянного тока общего назначения проектирование которых рассмотрено в
последующих главах имеют вращающийся якоря цилиндрический коллектор и
неподвижные полюсы с обмотками возбуждения расположенными на станине.
На рис. 1.7 показан двигатель постоянного тока мощностью 110 кВт и
номинальной частотой вращения 1500 обмин исполнения по степени защиты
IP22. Такое исполнение является типичным для двигателей постоянного тока
общего назначения так как они большей частью устанавливаются в которых
исключается попадание на машины капель падающих под углом более 150 к
Рис. 1.7. Продольный и поперечный разрезы
двигателя постоянного тока серии 4ПО
— корпус; 2 — магнитопровод статора; 3 — щит подшипниковый передний;
— сердечник якоря; 5 — вентилятор; 6 — кожух; 7 — коробка выводов;
— коллектор; 9 — токосъемный аппарат
С каждым годом в конструкцию серий машин переменного и постоянного тока
вводится все большая унификация различные узлы и детали машин стремятся
делать одинаковыми. В то же время применение гибких автоматизированных
производств позволяет выполнять большее число модификаций на основе базовой
В последние десятилетия проявляется тенденция к объединению электрических
машин с управляющими силовыми полупроводниковыми элементами и
микропроцессорами. При этом вентильные двигатели наряду с асинхронными
двигателями и двигателями постоянного тока находят все большее применение.
Создание серий электромеханических систем для широкого класса
электроприводов внесет новые изменения в конструкцию электрических машин.
Унификация и стандартизация в электрической промышленности.
Стандартизация является частью общегосударственной технической политики
средством внедрения в производство передовых достижений науки обеспечения
оптимального уровня качества продукции экономии трудовых и материальных
затрат. Унификация базируется на анализе требований различных министерств и
ведомств к разработке единой серий электрооборудования. На базе единых
серий машин и трансформаторов разрабатываются модификации предназначенные
для различных условий работы. Внутри серии проводится максимальная
унификация узлов и деталей.
Стандартизация в электротехнической промышленности строится на базе
государственной системы стандартизации. Стандарты являются обязательными в
пределах установленной сферы их действия области и условий их применения.
Кроме стандартов утверждаются технические условия (ТУ) представляющие
собой распространенный вид нормативно-технической документации.
В основу стандартизации подотраслевой электротехнической промышленности
положены базовые стандарты. Таким стандартом для электрических машин
является ГОСТ 183 устанавливающий общие технические требования на все
электрические машины. На основе единых стандартов устанавливаются стандарты
на единые серии (например на асинхронные синхронные машины и др.).
При стандартизации электрооборудования применяются ряды предпочтительных
чисел построенные на геометрической прогрессии:
Оказалось достаточным иметь четыре десятичных ряда геометрической
Ряд Знаменатель ряда Количество членов в
Каждый ряд построен на знаменателе прогрессии [pic] [pic] [pic] [pic]
в интервале от 1 до 10. Числа свыше 10 получаются умножением на 10 100
00 и т. д. а числа меньшие 1 — умножением на 01; 001; 00001 и т. д.
По предпочтительным числам и геометрическим рядам предпочтительных чисел
построен ряд номинальных мощностей электрических машин и трансформаторов
(ГОСТ 12139—84). Шкала регламентированных мощностей приведена в приложении
В стандартах на электрические машины устанавливаются размеры
технические требования методы испытаний номинальные напряжения в вольтах
частота вращения (синхронная) в оборотах в минуту и мощности в киловаттах
Размеры электрических машин определяющие возможность их монтажа и
сочленения с рабочими механизмами (высота оси вращения диаметры концов
валов) устанавливаются в соответствии с ГОСТ 6636 «Номинальные линейные
размеры». Этот ГОСТ устанавливает ряды линейных размеров в интервале от
01 до 20000 мм которые применяются в машиностроении.
Высоты оси вращения и установочные размеры электрических машин приведены
Развитие международных связей и значительное увеличение объема
электротехнической продукции которой обмениваются разные страны
обуславливают необходимость международной стандартизации. Основные цели
международной стандартизации определены Постоянным техническим комитетом
Международной организации по стандартизации (СТАКО и ИСО). Международные
стандарты ИСО и МЭК играют важную роль в создании новых серий электрических
машин и ликвидации торговых барьеров между странами.
Основополагающие стандарты на электрические машины и стандарты
регулирующие общие для электротехники нормы и правила приведены в
«Справочнике по электрическим машинам» том I [16].
5. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Повышение надежности электрических машин – важная задача
электротехнической промышленности. Увеличение срока службы и повышение
надежности дают относительно больший народнохозяйственный эффект чем
снижение удельного расхода материалов при изготовлении электрических машин
Согласно ГОСТ 27.002 – 89 «Надежность в технике. Основные понятия.
Термины и определения» надежность определяется как свойство объекта
сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров
характеризующих способность выполнять требуемые функции заданных режимах и
условиях применения технического обслуживания ремонтов хранения и
Для объектов в зависимости от назначения применяют различные показатели
надежности. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты. Если
нормативно-технической и конструкторской документацией предусмотрено
проведение ремонта объекта то он называется ремонтируемым. Неремонтируемые
объекты работают до первого отказа после чего их снимают с эксплуатации.
Значительное число электрических машин малой мощности относятся к
неремонтируемым объектам. Для различных видов электрических машин и условий
эксплуатации основные понятия теории надежности – безотказность
долговечность ремонтопригодность и сохраняемость – имеют различную
относительную значимость. Для неремонтируемых электрических машин основным
показателем является безотказность. Для остальных машин большое значение
имеет ремонтопригодность.
Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное
состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность —
свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления
предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и
ремонта. Ремонтопригодность — свойство объекта заключающееся в
приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния
путем технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость — свойство объекта
сохранять в заданных пределах значения параметров характеризующих
способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения
и транспортирования.
Отказ — событие заключающееся в нарушении работоспособного состояния
объекта. При оценке надежности электрических машин необходимо заранее
оговорить какое состояние считается неработоспособным. По характеру
возникновения различают отказы внезапные характеризующиеся скачкообразным
изменением значений одного или нескольких параметров объекта и отказы
постепенные характеризующиеся постепенным изменением значений одного или
нескольких параметров объекта. Внезапные отказы обычно проявляются в виде
повреждений элементов (обрывы пробои изоляции образование трещин
поломки). Постепенные отказы связаны с износом и старением элементов и
материалов (износ щеток и коллектора старение изоляции).
По условиям создания и работы объектов различают конструкционные
производственные и эксплуатационные отказы. Они характеризуют основные
причины их возникновения: при конструировании — несовершенство или
нарушение установленных норм и правил конструирования и проектирования при
производстве — нарушение или несовершенство установленного процесса
изготовления или ремонта при эксплуатации — нарушение установленных правил
и условий эксплуатации.
Для оценки надежности неремонтируемых электрических машин используют
вероятностную характеристику случайной величины — наработку до отказа Т
под которой понимают наработку объекта от начала эксплуатации до
возникновения первого отказа.
Распределение наработки до отказа может быть описано вероятностью
безотказной работы P(t) плотностью распределения наработки до отказа f(t)
и интенсивностью отказов [pic]. Вероятностью безотказной работы P(t)
называют вероятность того что величина Т — наработка до отказа — будет не
Во многих задачах требуется определить вероятность безотказной работы
объекта за время t — вероятность того что в пределах заданной наработки не
возникает отказа объекта т. е. вероятность [pic] безотказной работы в
интервале наработки [pic]. Она равна отношению вероятностей безотказной
работы в начале и в конце интервала:
Статистически вероятность безотказной работы определяется отношением
числа объектов безотказно проработавших до момента t к числу объектов
работоспособных в начальный момент времени:
где N — число объектов в момент начала наблюдений или испытаний; n(t) —
число объектов отказавших за время t.
Вероятность отказа объекта
Надежность ряда ремонтируемых объектов не всегда удобно характеризовать
вероятностью безотказной работы так как P(t) у них весьма близка к
единице особенно для небольших интервалов наработки поэтому используется
другой показатель надежности — плотность распределения наработки до отказа:
Для неремонтируемых объектов используется другой показатель —
интенсивность отказов [pic]. Интенсивность отказов — условная плотность
вероятности возникновения отказа объекта определяемая при условии что до
рассматриваемого момента времени отказ не возник:
Статистически интенсивность отказов определяют следующим образом:
число работоспособных объектов в конце интервала [p [pic] — число
отказавших объектов в интервале [pic].
Одним из показателей безотказности является средняя наработка до отказа —
математическое ожидание наработки объекта до первого отказа:
На практике используется следующая оценка средней наработки до отказа:
где [p N — число объектов.
Для восстанавливаемых объектов пользуются средней наработкой на отказ –
отношением суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому
ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.
Наиболее распространенными показателями долговечности электрических машин
являются средний ресурс и средний срок службы. Средний ресурс –
математическое ожидание ресурса. Ресурс – это суммарная наработка объекта
от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в
предельное состояние. Средний срок службы – математическое ожидание срока
службы. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала
эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в
предельное состояние.
Для характеристики нескольких свойств надежности объектов используют
комплексные показатели надежности. Среди них большое значение имеет
коэффициент готовности:
где [p [pic] - среднее время
При рассмотрении работоспособности электрических машин наблюдаются
характерные периоды отражающие главные причины их отказов (рис. 1.8).
Период I – это период приработки когда при испытаниях или начальной стадии
эксплуатации происходят выявление и отбраковка конструктивных и
производственных недостатков. Для предотвращения отказов в эксплуатации в
период приработки производят замену дефектных деталей исправными и если
это возможно приработку отдельных узлов. Для электрических машин
производится проверка изоляции обмоток притирка щеток на коллекторе или
контактных кольцах настройка систем регулирования и возбуждения наладка
подшипниковых узлов. Для ответственных электрических машин период
приработки происходит непосредственно на заводе-изготовителе чтобы
избежать отказов в эксплуатации обусловленные производственными причинами
Рис. 1.8. Интенсивность отказов
В большинстве случаев в период приработки вероятность безотказной работы
может быть описана законом Вейбулла
где [p [pic]- параметры.
После периода приработки начинается период нормальной эксплуатации II
когда интенсивность отказов падает и в течение длительного времени остается
примерно постоянной (см. рис. 1.8). В этот период происходят внезапные
отказы т. е. может иметь место случайное повышение нагрузок. Распределение
наработки до отказа описывается показательным законом при этом функция
плотности распределения
Вероятность безотказной работы
При постоянной величине интенсивности отказов средняя наработка до отказа
Период работы электрической машины III характеризуется увеличением
интенсивности отказов (см. рис. 1.8). С момента времени [pic] элементы и
узлы машины начинают отказывать чаще что вызвано их старением и износом. У
электрических машин в этот период отмечается существенное нарушение свойств
изоляции уменьшение ее электрической прочности износ тел качения
подшипников изменение структуры смазки износ коллектора и изменение
структуры материала коллекторных пластин повышение вибраций и т. д.
Распределение наработки до отказа по причине изнашивания и старения
описывают с помощью нормального закона. Так как наработка до отказа
является случайной величиной которая может принимать только положительные
значения то распределение Т может быть усечено-нормальным. Оно получается
из нормального при ограничении интервала возможных значений этой величины.
Плотность усеченного нормального распределения определяется из выражения
где [p [pic] — функция нормального распределения
наработки до отказа:
где [p [pic] — среднеквадратичное отклонение.
Величина [pic] в (1.22) определяется с помощью нормированной функции
[pic] — интервалы ограничения средней наработки до отказа.
Практика эксплуатации электрических машин позволила наиболее полно
исследовать статистическими методами надежность асинхронных двигателей.
Систематическое наблюдение двигателей от начала эксплуатаций до
капитального ремонта показало что капитальному ремонту подвергаются 20%
двигателей. При относительной простоте конструкции надежность асинхронных
двигателей все еще остается низкой: средней срок службы составляет 20 тыс.
ч (5 лет) и колеблется в зависимости от области применения — от 60 тыс. ч
(в химической промышленности) до 6 тыс. ч (в горнодобывающей
Основными причинами выхода из строя асинхронных двигателей являются их
неправильная эксплуатация несовершенная защита или ее отсутствие. При
защите плавкими предохранителями двигатели отказывают из-за работы на двух
фазах. Данные эксплуатации показывают что 80% аварий от работы на двух
фазах происходят из-за отсутствия тепловой защиты и 20% — из-за
неисправности а 15% двигателей отказывают также из-за несоответствия
конструктивного исполнения условиям эксплуатации. Наблюдаются также отказы
двигателей обусловленные неправильным выбором двигателей по мощности.
Иногда превышение температуры двигателей вызываются неравномерностью
воздушного зазора что приводит к задеванию ротора о статор машины. Это
может быть обусловлено тем что технологический процесс и состояние
оборудования не обеспечивают требуемую обработку станин подшипниковых
узлов и пакетов ротора. Неравномерность воздушного зазора может быть
вызвана и прогибом вала в случае его недостаточной жесткости. Причиной
отказа обмоток двигателей нередко является низкое качество изоляции
обмоточных проводов и пропитывающих лаков. Преждевременные отказы обмоток
вызываются часто несовершенными технологическими процессами некачественной
пропиткой намоткой и укладкой в пазы витков обмотки статора. Основные
причины отказов можно количественно охарактеризовать следующим образом:
неправильное применение — 15 35% недостатки эксплуатации 25 50%
недостатки конструкции и технологии 30 35%. Лишь 10 12% двигателей выходят
из строя вследствие процессов износа и старения.
В подавляющем большинстве случаев отказы двигателей происходят из-за
повреждения обмоток 85 95% 2 5% двигателей отказывают из-за повреждений
подшипников. Основные отказы обмоток приходятся на межвитковые замыкания
% пробой изоляции 2% пробой межфазной изоляции 5%. Это распределение
показывает что основное внимание в асинхронных двигателях со всыпной
обмоткой должно быть уделено межвитковой изоляции.
Для межвитковой изоляции разработана математическая модель надежности.
Элементами модели являются два витка расположенных рядом в пазу или
лобовой части и разделенных межвитковой изоляции состоящей из собственной
изоляции обмоточного провода пропиточного лака и воздушных прослоек. Для
безотказной работы обмотки необходима исправность всех ее составляющих
элементов. Отказ происходит тогда когда приложенное напряжение к соседним
виткам превышает пробивное напряжение межвитковой изоляции.
Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции обмотки состоящей
из n пар проводников равна:
где [p [pic] — функция
распределения пробивного напряжения межвитковой изоляции.
Распределение приложенного напряжения между витками зависят от напряжения
на фазе числа последовательно соединенных секций в фазе кратности и
распределения коммутационных напряжений вдоль обмотки и числа проводников в
пазу. Пробивное напряжение изоляции обмоток зависит от свойств изоляционных
материалов и условий эксплуатации.
Синхронные машины являются в основном крупными электрическими машинами
изготовляемыми мелкими сериями что затрудняет обработку статистических
данных. Синхронные машины являются ремонтируемыми объектами поэтому для
таких машин важны как показатели надежности коэффициент готовности и
среднее время восстановления. Синхронные машины отличаются тем что имеют
относительно высокое качество обслуживания; количество отказов по причинам
связанным с ошибками персонала соизмеримо с количеством отказов из-за
дефектов изготовления. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно
происходят доводка усовершенствование модернизация машины. Статистические
данные свидетельствуют о том что одной из основных причин отказов
синхронных машин являются заводские дефекты. Число аварийных отключений
вызванных дефектами изготовления значительно больше вызванных недостатками
конструкции. В течение первого периода работы (5 10 тыс. ч) имеет место
приработка когда заменяют и ремонтируют детали с заводскими дефектами.
Период нормальной эксплуатации составляет 15 20 лет после чего начинаются
отказы связанные с износом и старением материалов и элементов конструкции.
Для оценки эксплуатационной надежности синхронных генераторов широко
применяют такой показатель как удельная повреждаемость — удельное число
аварийных отключений которое измеряется средним числом повреждений на одну
машину в год выраженное в процентах. Установлено что повреждаемость
вызванная заводскими недостатками составляет для турбогенераторов 35%
для гидрогенераторов 4%. Удельная повреждаемость возрастает с ростом
Большинство повреждений относятся к обмотке статора. Основным местом
повреждений изоляции обмоток статора является пазовая часть обмотки пробой
которой составляет примерно 50% всех пробоев обмоток статора. На процесс
изменения и разрушения изоляции оказывает влияние возрастание нагрузок:
повышенные механические усилия при переходных процессах вибрации
перенапряжения перегрузки по току. В процессе изготовления могут появиться
участки с пониженной электрической прочностью. Это связано с изготовлением
стержней обмоток с размерами выходящими за пределы допуска что приводит к
повреждению изоляции при укладке обмотки в пазы. В процессе изготовления
возможно попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц вибрация
которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции.
Вследствие поломки листов статора создаются условия повреждения изоляции
Надежность изоляции лобовых частей во многом определяется способом их
крепления. Лобовые части обмоток крупных электрических машин наибольшей
опасности подвергаются при переходных процессах при этом возможны разрывы
бандажей деформация частей обмотки появление трещин и вмятин в изоляции.
В процессе эксплуатации синхронных генераторов отмечаются также пробои
изоляции вследствие попадания масла и влаги. Среди повреждений активной
стали наиболее частыми являются ослабление запрессовки расшатывание
сердечника стали под действием вибрационных и магнитных сил повреждение
изоляционной пленки на поверхности листов.
На подвижных частях машины частые повреждения возникают на бандажных
узлах. Они вызываются действием центробежных сил деформациями вала и
усилиями горячих посадок на вал. Под действием температуры происходят
перемещение обмотки ротора деформация проводников обмотки. Возможно также
перекрытие каналов охлаждения и снижения сопротивления изоляции при
попадании влаги масла и пыли на обмотку.
Характерными повреждениями и нарушениями в работе подшипниковых узлов
крупных синхронных машин являются: выплавление баббита повреждение
вкладышей и цапф подшипниковыми токами. Выплавление баббита обычно
происходит при нарушении работы систем маслоснабжения. Наиболее
распространенной неисправностью подшипников является вытекание масла.
Подшипниковые токи возникают из-за несимметрии в магнитной системе
обусловленной неравномерным зазором наличием осевых каналов
несимметричным размещением сегментов активной стали. Замыкание обмотки
ротора на корпус также приводит к появлению подшипниковых токов. Это
явление сопровождается повреждением поверхностей вкладышей и шеек вала
вследствие эрозии под воздействием разрывов.
Для обеспечения надежности крупных синхронных машин большое внимание
уделяется контактно-щеточной системе и возбудителям. Число отказов
возбудителей иногда превышает число отказов обмоток ротора и статора.
Статистическая обработка эксплуатационных данных показывает что
неравномерное токораспределение вызывает большой разброс скорости
изнашивания щеток. Это вызвано многими причинами среди которых важнейшими
являются характеристики и конструкция материалов скользящего контакта
плотность тока под щетками и соотношение электрических и механических
потерь в контакте вид вольт-амперных характеристик щеток. При эксплуатации
генераторов износ щеток и контактных колец зависит также от величины
вибрации колец удельного давления на щетки попадания масла на щетки и на
контактную поверхность колец из опорных подшипников. При эксплуатации
турбогенераторов возможно отделение втулки контактных колец от вала в месте
ее посадки. Это вызывает резкое увеличение вибрации колец и общее ухудшение
работы щеточного аппарата.
Для оценки надежности синхронных генераторов средней мощности (до 100
кВт) с достаточной полнотой использовались статистические методы.
Установлено что вероятность безотказной работы генераторов ЕС и ЕСС в
период до 4 тыс. ч описывается законом распределения Вейбулла. В период
12 тыс. ч распределение отказов является экспоненциальным. Характеристика
отказов этих машин имеет общие черты с отказами крупных генераторов и
асинхронных двигателей. Основными узлами подверженными отказам являются
обмотки ротора и статора блок регулирования напряжения подшипниковый
узел. Установлено что среднее время наработки на отказ для различных типов
крупных машин составляет 3 5 тыс. ч а среднее время ремонта 10 35 тыс. ч.
Данные о причинах выхода из строя в период эксплуатации электрических
машин постоянного тока как общего так и специального назначения
показывают что большинство аварий происходят по вине обслуживающего
персонала который не всегда обеспечивает необходимый уход и качественное
выполнение текущего ремонта. Среди других причин отказов следует отменить
конструкционные недостатки и условия эксплуатации.
Наиболее частыми повреждениями возбудителей синхронных генераторов
являются повреждения бандажей обмотки якоря нарушения пайки петушков и
износ коллектора при этом надежность коллекторно-щеточного узла во много
зависит от мощности возбудителя.
В тяговых двигателях электровозов одной из частых причин отказов в работе
является возникновение кругового огня на коллекторе. Это вызвано условиями
эксплуатации (буксование колесных пар электровозов) невысоким качеством
выпрямительного питающего напряжения повышенными ударами и вибрационными
Для электрических машин постоянного тока общего назначения характерным
повреждением является также неисправность коллектора. По статистике выход
из строя этих машин из-за повреждений коллектора составляет 20% общего
числа отказов. Относительно большое число повреждений коллектора вызывается
трением щеток. Скорость износа щеток не является величиной одинаковой для
всех щеток. Она зависит от следующих факторов: неправильной установки
щеток неисправностей щеткодержателей попадания летучих фракций
пропиточных лаков обмотки на коллектор механических неисправностей
коллектора неправильного выбора марок и конструкции щеток. Механическая
нестабильность скользящего контакта приводит также к разрушению щеток и
Повреждения коллектора могут проявляться в нарушении цилиндричности
поверхности коллектора из-за неравномерного ее износа и нарушений в
механических узлах машины. На поверхности коллектора в процессе
эксплуатации происходит нарушение полировки из-за подгорания пластин и
царапин и неравномерности нажатия отдельных щеток на коллектор. К
механическим факторам влияющим на износ коллектора относятся давление
щеток на коллектор их вибрация и биение коллектора высокая окружная
скорость вращения. Износ коллектора зависит также от химических факторов к
которым относятся образование контактной пленки на поверхности коллектора
состав и влажность окружающей среды наличие в среде активных веществ.
Среди электрических факторов влияющих на износ коллектора следует
отметить плотность тока под щетками сопротивление переходных контактов
щеток и коллектора нарушение коммутации машины которое приводит к
появлению искрения под щетками.
Повреждение обмоток якорей машин постоянного тока проявляется в пробое
корпусной изоляции между пакетом стали якоря и обмоткой и пробое изоляции
между витками в якорях с многовитковыми секциями. В крупных машинах
постоянного тока повреждения проявляется в распайке соединительных петушков
коллекторных пластин с обмоткой и из-за разрушения проволочных бандажей.
Отказы механических узлов машин постоянного тока определяются в
основном состоянием шеек вала и подшипников качения и скольжения.
Повреждение подшипников скольжения и шее вала выражаются в виде износа
вкладышей в гнездах подшипников вытекания смазки из подшипников при их
неисправностях нарушения работы смазочных колец в подшипниках. Отказы
подшипников качения происходят из-за вытекания смазки из подшипников
поломки шариков или роликов между обоймами подшипников разрушение
сепаратора заклинивания шариков в обоймах подшипников. Другим механическим
узлом который повреждается при эксплуатации электрических машин
постоянного тока является щеточная траверса. Повреждения этого узла
проявляется в виде поломки кольца траверсы закрепляющего ее на
подшипниковом устройстве расстройстве регулировки положения
щеткодержателей на кольцах или бракетах траверсы.
Наряду со статистической обработкой данных эксплуатации для оценки
надежности электрических машин используются также определительные и
контрольные испытания. Определительные испытания проводят для определения
сравнительных показателей надежности контрольные — для контроля
соответствия показателей требованиям стандартов или технических условий
Для определительных испытаний объем выборки (количество машин случайным
образом отобранных из партии или серии подлежащих испытаниям) составляет
30 машин. Испытания проводятся до отказа всех машин выборки что
позволяет построить кривую вероятности безотказной работы в функции
Контрольные испытания проводят либо для одного уровня (риск заказчика
[pic]) либо для двух (риск заказчика [pic] и риск изготовителя [pic]). Для
соответствующих значений [pic] и [pic] определяется объемом выборки
необходимый для подтверждения требуемого значения вероятности безотказной
работы. После испытания машин в случае если число отказавших во время
испытаний машин [pic] не превышает некоторое число с — так называемого
приемочного числа требуемый уровень вероятности безотказной работы [pic]
подтверждается. В противном случае гипотеза о соответствии надежности
партии машин требуемому уровню отклоняется.
Испытания на надежность как определительные так и контрольные весьма
длительные и дорогостоящие. Кроме того данные испытаний зачастую
запаздывают и не могут дать оперативной коррекции при конструировании и
совершенствовании технологии. Сокращение времени испытаний решается
проведением форсированных испытаний на надежность. В этом случае испытания
электрических машин проводятся в специальных условиях характеризующихся
повышенным уровнем некоторых воздействующих факторов: температура
окружающей среды вибрации номинальных частоты вращения и нагрузки числа
пусков влажности удельного нажатия и плотности тока под щеткой
Ускоренным испытаниям данного типа машин определенной мощности или
диапазона мощностей предшествуют испытания по определению коэффициента
ускорения. Коэффициент ускорения [pic] есть отношение времени в течение
которого вероятность безотказной работы машины в номинальном режиме
составляет [pic] ко времени в течение которого та же вероятность [pic]
будет в режиме форсировки. Необходимо соблюдение адекватности законов
распределения в форсированном и нормальном режиме. Это в свою очередь
означает что при форсированных испытаниях не должна нарушаться физика
старения и износа материалов и конструкции электрической машины.
Количество факторов форсировки обычно варьируется от двух до четырех.
Электрические машины могут быть испытаны с коэффициентом ускорения 10—15
что значительно сокращает время испытаний [816].
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Проектирование электрических машин включает электромагнитные тепловые
вентиляционные механические и другие расчеты с одновременным выбором
конструкции удовлетворяющей технологическим требованиям ее изготовления
при минимальных затратах материалов большей надежности и меньшей
стоимости. Все эти требования противоречивы и необходим расчет многих
вариантов геометрии активной части и изменения конструкции машины.
Задание на курсовой проект содержит основные данные проектируемой машины
указания о режиме ее работы конструктивном исполнении в виде защиты от
окружающей среды и системе вентиляции. Кроме того могут быть заданы
дополнительные требования например диапазон регулирования частоты вращения
двигателей постоянного тока наименьшие допустимые значения кратности
пускового и максимального моментов асинхронных двигателей и т. п.
Проектируемая машина должна удовлетворять соответствующим ГОСТ.
Наименование разделов курсового проекта и их примерный объем в процентах
приведены в тал. 1.5. Отдельные разделы проекта должны быть выполнены и
представлены для проверки руководителю в установленные сроки.
Таблица 1.5. Основные разделы курсового проекта их относительный объем
Наименование разделов проектов Объем раздела %
Выбор главных размеров 5
Электромагнитный расчет 35
Разработка конструкции (выполнение чертежей общих 30
видов в тонких линиях)
Механические расчеты 5
Вентиляционный расчет 5
Экономический расчет 5
Завершение чертежей и оформление пояснительной 10
В табл. 1.5 объем разделов курсового проекта указан ориентировочно и при
индивидуальном задании корректируется в зависимости от темы проекта.
В качестве основного пособия для проектирования электрических машин
общего назначения может быть использована настоящая книга. Однако для
полноты проработки материала необходимо использовать также и другие
источники. Так при разработке конструкции машины следует обратиться к
заводским чертежам аналогичных машин близких по габаритам к заданной в
проектном задании каталогам и справочникам на электрические машины [16].
Примеры общей компоновки машин и конструкции их отдельных узлов и деталей
технология изготовления основных деталей и сборки конструкция изоляции и
изоляционные материалы применяемые в электрических машинах различных
назначений рассмотрены в [216].
При работе над проектом следует использовать конструктивные исполнения
принятые в электрических машинах современных серий.
Расчеты машин проводят в последовательности изложенной в соответствующих
главах данной книги. Вначале выбирают главные размеры и выполняют
электромагнитный расчет в процессе которого определяют обмоточные данные и
размеры машины. Электромагнитные расчеты заканчивают построением основных
После электромагнитного расчета должны быть выполнены в тонких линиях
чертежи машины. В процессе конструирования проверяются выбранные ранее
размерные соотношения деталей и узлов.
Вентиляционный тепловой и механические расчеты выполняют исходя из
размеров полученных в расчете и на чертеже. Содержание и объем этих
расчетов определяются руководителем проекта в зависимости от требования
технического задания.
Экономический расчет при учебном проектировании является заключительным.
Его объем и методика проведения определяются кафедрой ведущей
проектирование. Вопросы экономики учитывают в течение всей работы над
К защите проекта представляются чертежи спроектированной машины и
пояснительная записка.
Пояснительная записка 1 должна содержать окончательные варианты расчетов
всех разделов проекта. Если в процессе работы выявилась необходимость
изменения каких-либо первоначально принятых размеров или рассчитанных
данных потребовавшая пересчета ряда позиций то первоначальные варианты
расчета в текст пояснительной записки не включаются. К принятому
окончательному варианту необходимо сделать краткое пояснение.
При оформлении пояснительной записки и графической части проекта
рекомендуется использовать книгу Александрова К.К. Кузьминой Е.Г.
Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат 1990.
В тексте записки необходимые по ходу расчета пояснения и обоснования
следует излагать кратко и ясно. При записи расчетов нужно обязательно
привести расчетную формулу в общем виде затем ту же формулу с заменой
символов соответствующими числами и наконец численный результат с
указанием единицы полученной величины. Результаты промежуточных вычислений
могут быть опущены. Все расчеты проводят в системе СИ.
Текст пояснительной записки должен сопровождаться достаточным количеством
иллюстраций – эскизов графиков в полной мере поясняющих принятые в
расчете обозначения размеров и полученные размерные соотношения. Все
рисунки должны быть выполнены с точным соблюдением масштаба что позволяет
вовремя заметить возможные ошибки в расчете. Пояснительная записка
выполняется на стандартных листах писчей бумаги формата 11. Текст пишется
чернилами. Оборотная сторона листа не используется. Страницы записки
необходимо пронумеровать рисунки выполнить на отдельных листах чертежей
или миллиметровой бумаге того же формата и сброшюровать вместе с текстом.
Графическая часть проекта обычно состоит из двух-трех листов чертежей
формата 24. Она содержит чертежи общих видов машин с необходимыми для
пояснения конструкции разрезами и нескольких деталей поперечные размеры
пазов с расположенными в них проводниками и изоляцией обмотки схему
обмотки и основные характеристики спроектированной машины. Объем и
содержание графической части проекта корректируются в зависимости от
требований технического задания и времени отведенного в учебных планах на
выполнение курсового проекта.

Приложения стр. 708-738.doc

Приложение 2. Кривые намагничивания1
для зубцовых зон с учетом ответвления
[pic] — коэффициент определяющий отношение площадей поперечных сечений
паза и зубца на высоте [pic].
Рис. П2.1. Кривые намагничивания стали марки 2013
(к определению магнитного напряжения зубцовых зон асинхронных двигателей)
Рис. П2.2 Кривые намагничивания стали марок 2211 2312 2411
Рис. П2.3. Кривые намагничивания стали марки 2013
(к определению магнитного напряжения зубцовых зон машин постоянного тока и
Рис. П2.4. Кривые намагничивания стали марок 2211 2312 2411
Рис. П2.5. Кривые намагничивания стали марок 1211 1212 1311
Рис. П2.6. Кривые намагничивания стали марки 1411
Рис. П2.7. Кривые намагничивания стали марок 1511 1512 1513
Рис. П2.8. Кривые намагничивания стали марки 3413
Приложение 3. Обмоточные провода.
Таблица П3.1. Диаметр и площади поперечного сечения круглых медных
эмалированных проводов марок ПЭТВ и ПЭТ-155
Номинальный диаметр Среднее значение диаметра Площадь поперечного сечения
неизолированного провода изолированного провода мм неизолированного провода
Таблица П3.2. Размеры и площадь поперечного сечения прямоугольной проволоки
Номинальный размерНоминальный размер проволоки по меньшей стороне [pic] мм
Продолжение табл. П3.2
при диаметрах голого провода [pic] мм
при диаметрах голого провода [pic] мм прямоугольного провода при
меньшей стороне сечения
Приложение 4. Щетки для электрических машин
Таблица П4.1. Шкала размеров электрощеток (в миллиметрах) [pic]
ТангенциальнОсевой размер [pic]
Г-20 Угольно-гр29 15 40 50 Генераторы и двигатели
афитные с облегченными
условиями коммутации и
коллекторные машины
Г-21 43 5 30 15—100
Г3 Графитные 19 11 25 20—25 Генераторы и двигатели
ЭГ2А Электро-гр26 10 45 20—25 Генераторы и двигатели
афитирован со средними и
ЭГ2АФ 22 15 90 15—21
ЭГ14 То же 25 11 40 20—40 То же
ЭГ51 22 12 60 20—25
ЭГ71 22 12 40 20—25
ЭГ74 27 15 50 175—25
ЭГ74АФ 23 15 60 15—21
ЭГ85 23 15 50 175—35
М1 Металлогра15 15 25 15—20 Низковольтные
фитные генераторы и
МГ То же 02 20 20 18—23 То же
МГ64 05 25 25 15—20
МГС0 02 20 20 18—23
Примечание: 1. при работе электрических машин в условиях повышенной
вибрации и больших частот вращения коллектора (свыше 1500 обмин) давление
на щетку может быть повышено до 50 кПа.
Плотность тока щетки должна выбираться в зависимости от частоты
вращения коллектора и условий коммутации каждого конкретного типа
электрической машины.
Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным 025 для всех
Приложение 5. Подшипники качения
Таблица П5.1. Шарикоподшипники радиальные однорядные (рис. 8.18).
Обозначения см. § 8.4
Условное [pic] мм [pic] мм [pic] мм [pic] мм [pic] Н [pic] Н [pic]
Таблица П5.2. роликоподшипники радиальные с короткими цилиндрическими
роликами (рис. 8.19)
Условное [pic] мм [pic] мм [pic] мм[pic] мм [pic] Н [pic] Н [pic]
— 32219 4221995 170 32 35 130 000 109 000 3150
20 32220 — 100 180 34 35 132 500 109 000 2500
— 32221 42221105 190 36 35 160 000 137 000 2500
22 32222 — 110 200 38 35 185 000 159 000 2500
Средняя узкая серия
Средняя широкая серия
— 32410 4241050 130 31 35 100 000 75 000 4000
16 32416 — 80 200 48 5 244 000 200 000 2500
— 32419 — 95 240 55 5 320 000 273 000 2500
— 32426 42426130 340 78 6 670 000 605 000 1250
— 32428 42428140 360 82 6 725 000 655 000 1250
Таблица П.5.3. Подшипники шариковые радиальные однорядные
с двумя уплотнениями
0603 17 47 19 15 10 700 6680 8000

Введение.doc

Электротехническая промышленность несмотря на все трудности
послеперестроичного периода остается ведущей отраслью в государстве.
Продукция используется во всех промышленных сельскохозяйственных военных
и бытовых установках. Поэтому качество электротехнических изделий во многом
определяет технический уровень продукции других отраслей.
Электрические машины в общем объеме производства электротехнической
промышленности занимают основное место поэтому их технико-экономические
показатели и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики
Проектирование электрических машин — это искусство соединяющее знание
процессов электромеханического преобразования энергии с опытом накопленным
поколениями инженеров-электромехаников умение применять вычислительную
технику и талантом инженера создающего новую или улучшающего уже
При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора
выбирают типы обмоток обмоточные провода изоляция материалы активных и
конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть так
сконструированы и рассчитаны чтобы при ее изготовлении трудоемкость и
расход материалов были наименьшими а при эксплуатации машина обладала
высокой надежностью и наилучшими энергетическими показателями при этом
электрическая машина должна соответствовать условиям применения ее в
При проектирование электрических машин необходимо учитывать соответствие
их технико-экономических показателей современному уровню при соблюдении
требований государственных и отраслевых стандартов а также назначение и
условие эксплуатации стоимость активных и конструктивных материалов КПД
технологию производства надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и
конструирование электрических машин неотделимы от технологии их
изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности
электротехнических заводов стремиться к максимальному снижению
трудоемкости изготовления электрических машин.
Электрические машины массового производства выпускают едиными сериями.
Только асинхронных двигателей единых серий изготовляют несколько миллионов
Серии электрических машин сменялись в течение 7—12 лет. Проектирование
новых серий — ответственная задача решаемая с учетом новейших мировых
достижений ведущих электротехнических фирм. Это накладывает особые
требования на проектирование базовых машин серий и их модификаций. При
проектировании необходимо учитывать возможные изменения стоимости
материалов и электроэнергии спрос на международном рынке затраты на
технологическое оборудование и другие факторы.
После распада СССР в России осталась примерно половина мощности
электротехнических заводов. В начале девяностых годов ХХ в. Целый ряд
типоразмеров электрических машин в России не выпускался. Если раньше на
одном заводе выпускались машины двух-трех высот оси вращения и была высокая
автоматизация производства то в последние годы электромашиностроительные
заводы нашей страны освоили широкую номенклатуру машин и принимают заказы
практически на любые машины соответствующие возможностям производства.
Все это потребовало новых подходов к проектированию электрических машин —
значительно сократить сроки предпроизводственной подготовки и несколько
изменить технологию.
Критерий оптимизации электрических машин определяется как правило
минимумом суммарных затрат т.е. минимумом стоимости материалов затрат на
изготовление и эксплуатацию. Стоимость эксплуатации зависит от КПД
коэффициента мощности качества машины ремонтоспособности и ряда других
При проектировании индивидуальной машины или небольшой серии критерий
оптимизации согласовывается с заказчиком.
Выбрать вариант производства электрической машины можно сопоставив
многие варианты расчета поэтому без вычислительных машин не обходится ни
одной серьезный расчет электрических машин. В настоящее время ЭВМ применяют
для выполнения полного оптимизационного расчета электрической машины
ведутся работы по созданию системы автоматизированного проектирования
электрических машин которая должна не только выполнять расчет машины но и
выдавать рабочие чертежи. Предполагается что в будущем автоматизированные
системы проектирования будут выполнять работу от приема заказа на
проектирование до испытания без ее изготовления (прогнозирование геометрии
надежности и характеристик).
Сопоставление программ расчетов накопление банков данных решение
вопросов создания автоматизированной системы проектирования электрических
машин — одни из трудовых и важных задач электротехнической науки. Но прежде
чем заниматься этими вопросами необходимо научиться проектировать машину.
Для этого надо уметь проводить электромагнитный тепловой механический и
экономический расчет машины.
Данный учебник научит рассчитывать электрическую машину применяя
традиционные средства вычислительной техники. В книге по каждому типу машин
даны примеры расчета которые можно выполнять с применением мини-ЭВМ.
Учебник не может охватить все данные необходимые для расчета и
конструирования электрической машины поэтому предполагается что читатель
при выполнении проекта будет пользоваться справочниками
электротехническими журналами каталогами и атласами чертежей.

LAB SW ukr A5 ч I 1164.pdf

МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАНИ
Запорізький національний технічний університет
до лабораторних робіт з дисципліни "Конструювання
спеціального обладнання електротехнічної промисловості
для студентів спеціальності 8.092206
Електричні машини та апарати" усіх форм навчання
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Конструювання спеціального обладнання електротехнічної промисловості
Частина для студентів спеціальності 8.092206 "Електричні машини
та апарати" усіх фори навчання Укл.: .М. Коцур О.О. Шлянін
М.. Коцур – Запоріжжя: ЗНТУ 2008. 46 с.
. М. Коцур доцент к.т.н.
О.М. Андрієнко доцент к.т.н.
В. Д. Флора доцент к.т.н.
на засіданні кафедри
від «23» травня 2008 р.
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота № 1 Деталі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Завдання до лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Порядок проведення лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота № 2 Складання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота № 3 Креслення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота № 4 Малювання тривимірних ескізів . . . . .
Лабораторна робота № 5 Елементи по перерізах . . . . . . . . . . . . .
Література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В пропонованих студентам методичних вказівках до лабораторних робіт з курсу "Конструювання спеціального обладнання електротехнічної промисловості" показано можливості використання системи
автоматизованого проектування SolidWorks.
Система автоматизованого проектування SolidWorks створена
для використання на персональному комп'ютері в операційному середовищі Microsoft Windows. В SolidWorks використовується принцип
тривимірного твердотілого й поверхневого параметричного проектування що дозволяє конструктору створювати об'ємні деталі й компонувати складання у вигляді тривимірних електронних моделей по
яких створюються двомірні креслення й специфікації відповідно до
Тривимірне моделювання виробів дає масу переваг перед традиційним двовимірним проектуванням наприклад виключення помилок збирання виробу ще на етапі проектування створення по електронній моделі деталі керуючої програми для обробки на верстаті з
ЧПУ. За допомогою програми SolidWorks можна побачити майбутній
виріб з усіх боків в об'ємі й додати йому реалістичне відображення
відповідно до обраного матеріалу для попередньої оцінки дизайну.
Метою лабораторних робіт є вивчення можливостей та набуття
практичних навичок при використанні графічного пакету SolidWorks
для виконання креслень загальних виглядів та основних елементів
електричних машин та апаратів.
Головні знання котрі забезпечують успішне виконання лабораторних робіт набуваються студентами при вивченні основних положень з обчислювальної техніки та програмування інженерної графіки
та креслення електричних машин та апаратів.
Звіт з лабораторних робіт оформляється в електронному виді.
ЛАБОРАТО РН А РОБОТА № 1
Мета: Засвоїти програмний інтерфейс SolidWorks та створити
1 Загальні відомості
Тривимірна деталь SolidWorks утворюється у результаті комбінації тривимірних примітивів. Більшість елементів засновані на плоскому ескізі по якому створюється базовий тривимірний об'єкт. Послідовне нарощування 3D об'єктів і дозволяє в підсумку отримати бажаний результат.
Двоспрямовані асоціативні взаємозв'язки між деталями складаннями і їхніми кресленнями SolidWorks гарантують відповідність
моделі й креслення тому що всі зміни зроблені в деталі автоматично
передаються пов'язану з нею складання й креслення.
нте рф е йс корис тув ач а
нтерфейс програми SolidWorks документація й функціональні
інструкції переведені компанією-розроблювачем на російську мову. З
огляду на це й інтуїтивно зрозумілі принципи проектування в
SolidWorks потрібно зовсім не багато часу на освоєння програми й
одержання кінцевої конструкторської документації.
Права панель являє собою графічну область у якій виконуються
різні операції над деталлю складанням або кресленням.
У лівій частині вікна SolidWorks відображається інформація про
дерево побудови Feature Manager параметрах функцій і конфігураціях
Послідовність побудови моделі фіксується в дереві Feature
Manager. Дерево проектування Feature Manager дозволяє управляти
елементами побудови моделі вносити зміни в конструкції деталі на
будь-якому етапі проектування не перебудовуючи деталь заново з
Менеджер властивостей PropertyManager відображає інформацію про всі можливі параметри безлічі таких функцій як ескізи округлення побудова твердотільного елемента поверхні сполучення
Менеджер конфігурації служить для створення вибору й перегляду численних конфігурацій деталей і складань у документі. Використання конфігурацій дає можливість створювати в одному файлі моделі кілька виконань виробу.
Бібліотека матеріалів SolidWorks дозволяє визначати матеріал
деталі для масових характеристик специфікацій і розрахунків в
COSMOSXpress або COSMOSWorks. База даних може бути поповнена
користувачем і містить інформацію про фізичні властивості матеріалу
й властивості видимості (кольори деталі штрихування текстура матеріалу).
Для зручності проектування є всі необхідні інструменти для перегляду інформації в області моделювання вибір стандартних видів
збільшення й обертання моделі створення швидких аналітичних розрізів і т.д.
SolidWorks відкрита система для написання користувальницьких програм на Visual Basic й Visual C++.
Стандартні функції Windows забезпечують роботу з файлами
(відкриття збереження ) печатка ескізів 3D моделі з екрана й креслень SolidWorks здійснюється на будь-який плоттер або принтер.
П рое ктув ання де тал е й
Тривимірний об'єкт рунтується на плоскому або тривимірному
ескізі для побудови ескізу існує велика кількість різних інструментів
діючих у сукупності з "розумними" прив'язками й що дозволяють будувати:
прямі окружності й сплайни;
обрізати й подовжувати лінії;
дзеркально відображати й копіювати об'єкти;
робити округлення й фаски;
будувати різні масиви об'єктів й ескізи тексту;
проставляти розміри в автоматичному або ручному режимі;
накладення геометричних взаємозв'язків;
проектування на ескіз контурів обраних елементів і т.д.
нструмент побудови тривимірних твердотільних елементів:
витягуванням ескізу або обраного контуру в будь-якому напрямку;
одержання тіл обертання;
елемента по заданих перерізах;
по зазначеній траєкторії;
додання товщини поверхні;
створення ухилів на грані моделі
вирізи по ескізі поворотом по перерізах по траєкторії площиною або поверхнею;
одержання округлень (з постійним або змінним радіусом) і
побудова ребер жорсткості;
одержання масиву елементів різними способами;
деформування твердого тіла;
копіювання елементів;
комбінування твердих тіл й об'єднання в одну деталь;
вставка деталі з файлу в активний документ деталі й т.д.
нструмент побудови поверхонь:
витягуванням або обертанням профілю;
витягуванням профілю уздовж траєкторії;
по перерізах між профілями;
еквідістанта до поверхні;
відсікання поверхні площиною ескізом або іншою поверхнею;
рознімання між деталями;
Проектування зварених деталей по тривимірному ескізі з компонуванням профілів з бази. Профіль у базі визначається по стандарті
типу й розміру. Можна створювати власні профілі й додавати їх у бібліотеку. При обробці зварених конструкцій є інструмент:
відсікання й подовження як інструментами обрізки;
побудови торцевих пробок;
побудови зварених швів;
елементів кутового з'єднання й т.д.
Проектування деталей з листового металу в SolidWorks можливо як у прямому "від деталі до розгорнення" так й у зворотному порядку "від розгорнення до деталі".
Моделювання тривимірних об'єктів рідко обходиться без побудови допоміжної геометрії. В SolidWorks є можливість побудови довідкової площини осі системи координат і крапки або вказати один з
об'єктів довідковим.
Після додавання розмірів в ескіз стан ескізу з'явиться в рядку
стану. Всі ескізи SolidWorks можуть бути представлені в одному із
шести станів. Кожний стан позначається іншими кольорами:
У повністю визначеному ескізі положення всіх об'єктів повністю описані за допомогою розмірів або взаємозв'язків або тих і інших
одночасно. У такому ескізі всі об'єкти показані чорними кольорами.
У недовизначеному ескізі для повної вказівки геометрії потрібні
додаткові розміри або взаємозв'язки. У цьому стані можна перетаскувати невизначені об'єкти ескізу для зміни ескізу. Невизначені об'єкти
ескізу показуються синіми кольорами.
У перевизначеному ескізі об'єкт містить суперечливі розміри
або взаємозв'язки або ті й інші одночасно. Перевизначені об'єкти ескізу показуються червоними кольорами.
У відособленому ескізі об'єкт з'являється відображеними коричневими кольорами й пунктиром. Відособлений об'єкт - це об'єкт що
має взаємозв'язок з іншим предметом геометрії що більше не існує
або так змінений що взаємозв'язок не може бути розв'язаним.
Коли ескіз не вирішений положення геометрії не може бути визначене за допомогою існуючих обмежень і відображається він рожевими кольорами.
У некоректному ескізі геометрія була геометрично неприпустимої якби розрахунок ескізу був виконаний. Об'єкт некоректного ескізу буде відображений жовтими кольорами.
2 Завдання до лабораторної роботи
Додавання елемента - бобишка
Зміна елементів (додавання округлень зміна розмірів)
Відображення розрізу деталі
Оформлення звіту по роботі.
3 Порядок проведення лабораторної роботи
Створення нового документа деталі
Натисніть кнопку Створити
на панелі інструментів "Стандартна".
З'явиться діалогове вікно Новий документ SolidWorks.
Виберіть параметр Деталь потім натисніть OK.
З'явиться вікно нової деталі.
Малювання прямокутника
Першим елементом у деталі є коробка витягнута з ескізного
прямокутного профілю. Почніть із малювання прямокутника.
Натисніть кнопку Витягнута бобишкаоснова
інструментів "Елементи". З'являться Передня Верхня й Права площини і покажчик прийме форму
Зверніть увагу що при переміщенні покажчика на площину
границя площини виділяється.
Помістить покажчик на передню площину й виберіть її.
Зображення на дисплеї зміниться таким чином що Передня
площина буде звернена прямо на користувача. У диспетчері команд
з'являться команди панелі інструментів "Ескізи" а ескіз відкриється
на Передній площині.
Виберіть Прямокутник
на панелі інструментів “нстру-
Перемістить покажчик у вихідну точку ескізу
При приміщенні покажчика на вихідну точку він приймає наступну форму
Натисніть на вихідну точку а потім перемістите покажчик
щоб створити прямокутник.
При переміщенні покажчика зверніть увагу на те що поруч із
ним відображається розмір прямокутника.
Натисніть кнопку миші для завершення побудови прямокутника.
Натисніть кнопку Вибрати
Дві сторони прямокутника що стосуються вихідні точки відображаються чорними кольорами. Оскільки малювання ескізу починалося у вихідній точці вершина цих двох сторін автоматично прив'язується до вихідної точки. (Незалежне переміщення вершини неможливо.)
Дві інші сторони (і три вершини) показані синіми кольорами. Це
означає що вони недовизначені і тому їх можна вільно переміщати.
Щоб змінити розміри прямокутника перетягнете одну зі сторін синіх кольорів або вершину.
У цьому розділі порозумівається як задаються додаються й
змінюються розміри намальованого прямокутника. В SolidWorks необов'язково вводити розміри на ескізі до того як вони будуть використані для створення елементів. Однак у даному прикладі зараз додаються розміри для повного визначення ескізу.
Виберіть Автоматичне нанесення розмірів
струментів "Ескіз". Покажчик прийме форму.
Натисніть на верхню крайку прямокутника потім натисніть у
тім місці де потрібно нанести розмір.
Кольори вертикальної лінії праворуч змінився із синього на чорний. Вказівкою розміру довжини верхньої сторони прямокутника
було повністю визначене положення самого правого сегмента. Проте
можна перетаскувати верхній сегмент нагору й униз (спочатку натисніть Автоматичне нанесення розмірів
для відключення інструмента). Його сині кольори означає що він недовизначений.
Переконаєтеся що обрано параметр Автоматичне нанесення
і натисніть на праву сторону прямокутника потім натисніть щоб нанести її розмір.
Верхній сегмент і вершини що залишилися стають чорними. У
рядку стану в правому нижньому куті вікна вказується що ескіз повністю визначений.
Зміна значень розмірів
У цьому розділі можна змінити розміри.
Двічі натисніть на один з розмірів.
З'явиться діалогове вікно Змінити.
Поточний розмір виділений.
Установіть значення рівне 120 потім
Розмір на ескізі зміниться відповідно до нового розміру. Значення розміру тепер становить 120 мм
Натисніть кнопку Змінити в розмір екрана
на панелі інструментів “Вид” щоб відобразити весь прямокутник у повний розмір
і розмістити його по центрі в графічній області.
Двічі натисніть на інший розмір й уведіть значення 120.
розміщення ескізу по центрі.
Перший елемент у будь-якій деталі називається основою. Цей
елемент створюється шляхом витяжки намальованого прямокутника.
Виберіть Вихід з ескізу
на панелі інструментів "Ескіз" або
З'явиться діалогове вікно Витягнути
PropertyManager (Менеджера властивостей) у
дереві конструювання FeatureManager (на лівій панелі) вид ескізу буде показаний у триметрії а в графічній області з'явиться попередній вид витяжки.
У вікні PropertyManager (Менеджері властивостей) у вікні групи Напрямок 1: установить для параметра Гранична умова значення
На задану відстань; уведіть значення 30 для параметра Глибина.
Змінити значення для параметра Глибина
допомогою стрілок нагору й униз . При кожнім натисканні стрілок у
графічній області обновляється попередній вид.
для створення витяжки.
Новий елемент Extrude1 (Витягнути1) з'являється в дереві
конструювання FeatureManager і графічної області.
Якщо потрібно змінити масштаб щоб відобразити модель цілком натисніть Z для зменшення або Shift+Z для збільшення.
Тепер збережемо деталь.
Натисніть кнопку Зберегти
на панелі інструментів "Стандартна". З'явиться діалогове вікно Зберегти як.
Уведіть м'я файлу й натисніть Зберегти.
Розширення .sldprt додасться до імені файлу і файл буде збережений. В іменах файлів не враховується стан регістра.
Для створення додаткових елементів на деталі (наприклад бобишок або вирізів) можна малювати їх на гранях або площинах моделі а потім витягати ескізи.
Натисніть кнопку Сховати невидимі лінії
Натисніть кнопку Витягнута бобишкаОснова
Перемістить покажчик по лицьовій грані
Натисніть на лицьову грань деталі для її
Ескіз відкриється на лицьовій грані деталі. У
диспетчері команд з'являться команди панелі інструментів "Ескізи".
Натисніть кнопку Окружність
інструментів "Ескіз".
Покажчик прийме форму
Натисніть поруч із центром грані й переміщаючи покажчик намалюйте окружність. Натисніть
знову для завершення побудови окружності.
Нанесення розмірів и витяжка бобишки
Для встановлення місця розташування й розміру окружності додайте необхідні розміри.
Натисніть на верхню крайку грані натисніть на окружність потім у тім місці де
необхідно нанести розмір.
Двічі натисніть на розмір установіть
значення 60 у діалоговому вікні Змінити й
Повторите операцію щоб задати відстань від центра окружності до бічної крайки
грані. Установіть це значення рівним 60.
Користуючись всі тим же інструментом Автоматичне нанесення розмірів
натисніть на окружність для визначення розміру
її діаметра. Посувайте покажчик для одержання попереднього перегляду даного розміру. Коли розмір вирівняний по горизонталі або вертикалі він відображається як лінійний розмір; якщо він під кутом - як
Натисніть у тім місці де потрібно нанести розмір діаметра. Установіть значення
Окружність стає чорної а в рядку стану
вказується що ескіз повністю визначений.
Натисніть Вихід з ескізу
PropertyManager (Менеджера властивостей).
У вікні PropertyManager (Менеджер властивостей) у вікні групи Напрямок 1 установіть
для параметра Глибина
інших елементів залишіть параметри за замовчуванням і натисніть OK для витяжки елемента бобишки. Елемент Extrude2 (Витягнути2) з'явиться в дереві конструювання FeatureManager.
Створіть виріз концентричний з бобишкою. Для виконання цього створимо ескіз вирізу й нанесемо розміри. Далі додамо взаємозв'язку до центра намальованої окружності на бобишці. Нарешті витягнемо виріз. Спочатку намалюйте виріз і вкажіть для нього розміри.
Натисніть кнопку Зафарбувати із крайками
Натисніть кнопку Витягнутий виріз
на панелі інструментів "Елементи".
Натисніть на лицьову грань кругової бобишки для її вибору.
Натисніть Стандартні види
й виберіть Перпендикуляр-
. Деталь повертається обраною гранню моделі.
Намалюйте окружність поруч із центром
бобишки як показано на малюнку. Виберіть
Автоматичне нанесення розмірів
й установите розмір діаметра окружності рівний 50 мм.
Потім додайте взаємозв'язок "концентричність".
Натисніть кнопку Додати взаємозв'язку
на панелі інструментів "Ескіз".
З'явиться вікно Додати взаємозв'язки PropertyManager (Менеджера властивостей).
Виберіть намальовану окружність (внутрішню окружність) і
крайку бобишки (зовнішню окружність).
Вибір буде показаний у розділі Обрані елементи.
У розділі Додати взаємозв'язку виберіть Концентричність.
Concentric0 (Концентричність0) з'явиться в розділі снуючі
взаємозв'язки. Внутрішня й зовнішня окружності тепер мають взаємозв'язок “Концентричність”.
Натисніть кнопку OK.
Далі завершіть виріз.
. З'явиться діалогове вікно ВирізВитягнути PropertyManager (Менеджера властивостей).
У вікні PropertyManager (Менеджер властивостей) у вікні групи Напрямок 1 виберіть Через усе в списку Гранична умова.
й виберіть Триметрія
У цьому розділі описується як виконати округлення чотирьох
кутових крайок деталі за допомогою елемента округлення. Оскільки
всі округлення виконуються з однаковим радіусом (10 мм) їх можна
створювати як єдиний елемент.
Спочатку необхідно змінити кілька параметрів відображення.
Виберіть нструменти Параметри Настроювання користувача Відображеннявибір крайки.
У розділі Сховані крайки відображаються як виберіть Тверде тіло.
Цей параметр спрощує сприйняття схованих ліній при використанні виду Невидимі лінії відображаються.
У розділі Відображення ліній переходу в деталіскладанню
виберіть Лінії переходу видимі.
Цей параметр спрощує сприйняття округлених крайок при їхньому створенні.
Натисніть кнопку Невидимі лінії відображаються
нелі інструментів "Вид".
За допомогою цього виду відображаються сховані крайки. Далі необхідно
виконати округлення чотирьох кутових
Натисніть на першу кутову крайку для її вибору.
Утримуючи натиснутої клавішу
Ctrl виберіть три крайки що залишилися.
Натисніть кнопку Округлення
на панелі інструментів
У вікні PropertyManager (Менеджер властивостей) у вікні групи
Округлити елементи в поле Крайки грані елементи й петлі відображаються чотири обрані крайки.
У вікні групи Округлення елементів виберіть параметр Повний попередній перегляд.
У графічній області з'явиться попередній вид скруглень.
Установить для параметра Радіус
Чотири обраних кути округлюються. У
дереві конструювання FeatureManager з'явиться елемент Fillet1 (Скруглення1).
Додавання інших округлень
Тепер додайте округлення для інших гострих крайок деталі.
Натисніть кнопку Скруглення
З'явиться вікно Округлення Property
Manager (Менеджера властивостей).
Натисніть на лицьову грань основи для її
вибору як показано на рисунку.
Попередній вид округлення з'явиться на
зовнішній крайці елемента основа-витягнути й
Список Крайки грані елементи й петлі вказує що обрано одну грань. Умовна позначка в графічній області вказує Радіус
У вікні групи Округлення елементів встановите для параметра Радіус
значення 5 потім натисніть OK
Натисніть на лицьову грань кругової
бобишки як показано на рисунку.
Установите для параметра Радіус
значення 2 і натисніть OK
Виберіть Зафарбувати із крайками
панелі інструментів "Вид".
Натисніть кнопку Зберегти щоб зберегти деталь.
Далі створюється оболонка деталі.
Створення оболонки деталі
При створенні оболонки у деталі виконується порожнина шляхом видалення матеріалу з обраної грані і залишаються тонкі стінки.
таль розвертається тильною стороною до що дивиться.
Натисніть кнопку Оболонка
на панелі інструментів “Елементи”. З'явиться вікно
Оболонка Property Manager (Менеджера властивостей).
Натисніть на задню грань для її вибору.
У вікні групи Параметри в списку Видалити грані
з'явиться обрана грань.
У вікні групи Параметри встановите
для параметра Товщина
значення 2 потім натисніть OK.
Під час операції створення оболонки
віддаляється обрана грань і залишаються
Редагування існуючих елементів
Можна в будь-який час змінити будь-який елемент.
Двічі натисніть на елемент Extrude1 (Витягнути1) у дереві конструювання FeatureManager.
Розміри елемента з'являться в графічній області.
Двічі натисніть на 30. З'явиться діалогове
Установить значення рівне 50 потім натисніть
Виберіть Перебудувати
на панелі інструментів "Стандартна" щоб обновити елемент за допомогою нового розміру.
3.14 Відображення розрізу
Можна в будь-який час відобразити тривимірний вид розрізу
моделі. Для вказівки січних площин розрізу використаються грані або
площини моделі. У даному прикладі для годиться розрізу моделі використається права площина.
Натисніть кнопку Зафарбувати
і виберіть Триметрія
Натисніть кнопку Розріз
на панелі інструментів "Вид
З'явиться вікно Розріз Property Manager (Менеджера властивостей). У розділі Переріз 1 за замовчуванням з'явиться передня площина у вікні Довідкова площинаповерхня перерізу.
У розділі Переріз 1 натисніть Права
Уведіть 60 для параметра Відстань зсу потім натисніть клавішу Enter.
З'явиться площина розрізу зі зсувом 60
мм від правої площини. Перемкнетеся у вид
щоб краще зрозуміти як працює інструмент Розріз.
Відображається розріз деталі. Розсікається
тільки зображення деталі але не сама модель. Зображення розрізу зберігається навіть якщо змінюється орієнтація або масштаб.
Натисніть на кнопку Розріз
чить параметр Розріз.
4 Контрольні запитання
нтерфейс програми SolidWorks.
Що розуміють під базовим об'єктом моделі?
Чи можна в базовому середовищі створювати округлення
між двома паралельними лініями?
між двома непаралельними й непересічними лініями?
Для якого типу округлення не задається радіус?
Що необхідно зробити для створення витягнутого елемента з
різною глибиною витягування у двох напрямках?
Якщо ескіз є замкнутим його можна перетворити в тонкостінний елемент? Як?
Як формуються округлення при створенні тонкостінного
Що означає перевизначення ескізу? Якими кольорами воно
Що означає певний і невизначений ескіз? Якими кольорами
воно відображається?
Як називається гранична умова при якому витягування елемента обмежується заданою відстанню від деякої поверхні?
Команди що використовуються при створенні деталі
Ш. Таку “Эффективная работа: Solid Works2004” “Питер”
05г.- С. 104-156 329-391.
ЛАБОРАТО РНА РОБОТА № 2
Мета: Ознайомитись з методами створення складань у
SolidWorks. Створити просте складання за основу якої взята деталь
яка була створена у попередній роботі
Складання - це вузол що складається із двох або більше деталей
називаних також компонентами в одному документі SolidWorks. Розташування й орієнтація компонентів задається за допомогою сполучень що встановлюють взаємозв'язки між компонентами.
Проектування складань в SolidWorks здійснюється по двох основних методах: "знизу нагору" або "зверху вниз" а також їхнім сполученням. При проектуванні "знизу нагору" спочатку створюються
деталі потім вони уставляються в складання й сполучаються відповідно до вимог проекту. Метод проектування "зверху вниз" відрізняється
тим що робота починається в складанні. Проектування "зверху вниз
у контексті складання дозволяє створювати посилання на геометрію
вихідної моделі таким чином що якщо змінюється розмір вихідної
моделі пов'язана з нею деталь обновляється автоматично.
нструменти для роботи зі складаннями:
додавання існуючого вузла або деталі в складання;
переміщення й обертання компонентів складання;
сполучення компонентів складання у тому числі за принципом симетричності кулачка й редуктора;
створення видів з рознесеними компонентами;
приховання й відображення компонентів;
настроювання прозорості компонентів складання;
перевірка інтерференції й вимір динамічного зазору між
При накладенні відповідних взаємозв'язків між компонентами
складання можливе моделювання кінематики механізму складання.
Для цього до одного з взаємозалежних компонентів що має відповідні
ступені волі прикладаються рушії здатні імітувати поступальний або
обертовий рух привод від пружини або дія сил гравітації.
Створення нової деталі (створення основи створення виступу на деталі зміна кольорів деталі)
Створення складання (додавання деталі в складання сполучення компонентів додавання сполучень)
Переміщення й обертання компонентів у складанні
Для створення основи нової деталі можна скористатися методами описаними у лабораторній роботі № 1.
Натисніть кнопку Створити на панелі інструментів "Стандартна" а потім відкрийте нову деталь.
Виберіть Витягнута бобишкаОснова
на передній площині.
Ескіз відкриється на передній площині.
Намалюйте прямокутник починаючи з вихідної точки.
Натисніть кнопку Автоматичне нанесення розмірів
вкажіть розмір прямокутника рівний 120 x 120 мм.
Натисніть Вихід з ескізу.
З'явиться вікно Витягнути PropertyManager (Менеджера властивостей) і попередній вид витяжки.
Установити для параметра Гранична умова значення На задану відстань.
Установити для параметра Глибина
Натисніть Округлення
на панелі інструментів "Елементи" і виберіть чотири грані
показані на рисунку.
В PropertyManager у розділі Округлити
елементи встановите Радіус
на панелі інструментів "Елементи". З'явиться вікно Оболонка PropertyManager (Менеджера властивостей).
Виберіть передню грань моделі. Грань
відображається в списку Видалити грані в
PropertyManager (Менеджері властивостей).
У вікні Параметри встановите для параметра Товщина
Створення виступу на деталі
Для створення геометрії ескізу використаються інструменти Перетворення об'єктів і Зсув об'єктів. Потім створимо виріз щоб зробити виступ для приєднання деталі.
Виберіть передню грань тонкої стінки.
Крайки грані будуть висвітлені.
. Ескіз відкривається на обраній грані.
Натисніть кнопку Перетворення об'єктів
Натисніть знову на лицьову грань.
Натисніть кнопку Зсув об'єктів
Ескіз". З'явиться діалогове вікно Зсув об'єктів PropertyManager (Менеджера властивостей).
У вікні групи Параметри встановите Відстань зсуву
рівне 2. Попередній перегляд показує зсув висунутий назовні.
Виберіть параметр Реверс щоб змінити напрямок зсуву.
В ескіз додається ряд ліній зміщених від зовнішньої крайки обраної грані на 2 мм. Це співвідношення зберігається якщо змінюються
З'явиться діалогове вікно Виріз-Витягнути PropertyManager
(Менеджера властивостей).
У вікні групи Напрямок 1 установити Глибину
рівне 30 натисніть OK
Матеріал між двома лініями вирізається
та таким чином створюється виступ.
Тепер можна створити складання використовуючи дві деталі.
Якщо файл lab1.sldprt ще не відкритий натисніть Відкрити
на панелі інструментів "Стандартна" і відкрийте деталь.
Виберіть Створити на панелі інструментів "Стандартна" виберіть Складання потім натисніть OK .
З'явиться вікно Вставити компоненти PropertyManager (Менеджера властивостей).
У вікні ДетальСкладання для
вставки виберіть lab1.
Натисніть у графічній області щоб
В PropertyManager (Менеджері властивостей) у розділі ДетальСкладання для вставки виберіть lab2. Натисніть у графічній
області для щоб розмістити lab2 поруч із lab1.
Збережіть складання.
Сполучення компонентів
Вивчимо взаємозв'язки сполучення компонентів у складанні завдяки яким вони рівно й точно підганяються друг до друга.
Натисніть кнопку Сполучення
З'явиться діалогове вікно Сполучення Property Manager (Менеджера властивостей).
У графічній області виберіть верхню крайку lab1 потім виберіть зовнішню
крайку виступу у верхній частині lab2.
З'явиться спливаюча панель інструментів Сполучення а компоненти перемістяться на місце й відобразиться попередній вид сполучення. Крайки відображаються в поле Об'єкти для сполучення
вікна Вибір сполучень в PropertyManager (Менеджері властивостей).
На спливаючій панелі інструментів Сполучення виконаєте наступні дії: виберіть Збіг
як тип сполучення; виберіть Дода-
тизавершити сполучення
З'явиться сполучення "Збіг" у розділі Сполучення у вікні
Положення компонента lab2 визначено не повністю. Він усе ще
має деякий ступінь волі переміщення по напрямках які поки не обмежені сполученнями.
Протестуйте ступені волі спробувавши перемістити компоненти.
У графічній області натисніть на
компонент lab 2 й утримуйте ліву кнопку
Спробуйте перемістити компонент у різні сторони щоб визначити наявні ступені волі.
Виберіть крайню праву грань
компонента потім виберіть відповідну грань в іншому компоненті.
На спливаючій панелі Сполучення виберіть Збіг
Додатизавершити сполучення.
нші сполучення "збіг" з'явиться в розділі
Сполучення у вікні PropertyManager (Менеджера властивостей).
Повторите кроки 1 й 2 але для додавання іншого сполучення Збіг вибирайте верхні
грані обох компонентів.
Для чого використається сполучення «Збіг»
Які сполучення використаються при моделюванні складання?
Необхідно чи задавати сполучення для елементів які створитися за допомогою масиву на деталі в складанні?
Чи передбачене редагування складальних сполучень?
Що таке гасіння елементів?
ЛАБОРАТО РН А РОБОТА № 3
Мета роботи: створити креслення деталей і складання із попередніх вправ додавання нового листа
Оформлення креслень в SolidWorks здійснюється відповідно до
вимог СКД. В основі креслення лежить тривимірна модель деталі.
Деталь і креслення мають взаємозв'язки автоматично оновлююче креслення при змінах деталі це забезпечує постійну відповідність моделі
й креслення. На креслення можна перенести стандартні види або будьякий інший вид з моделі у тому числі ізометричний. Ступінь автоматичного наповнення креслярського виду з моделі регулюється настроюваннями.
Для оформлення креслення є інструмент що дозволяє:
автоматично одержувати сполучені види місцеві види розрізи й перерізи;
будувати розрізи по розрізі
наносити розміри й позначення параметрів якості поверхні
додавати примітки й технічні умови
автоматично або вручну розставляти позиції
автоматичне формування специфікації;
указувати допуски й посадки з убудованої бази даних;
автоматичне заповнення основного напису;
копіювати види й створювати багатолистові креслення.
У цій вправі описується створення креслень на кількох листах
для деталей і складання із Вправ 1 і 2. Ця вправа включає:
Відкриття основного напису креслення
Вставка стандартних видів моделі деталі
Додавання приміток моделі й довідкових приміток
Додавання ще одного листа креслення
Вставка іменованого виду
Спочатку відкрийте основний напис креслення.
панелі інструментів "Стандартна".
Натисніть Креслення потім натисніть OK.
У графічній області з'явиться нове
креслення й відобразиться вікно Вид моделі
Настроювання параметрів оформлення креслення
Далі настройте розмір шрифту за замовчуванням а також стилі
розмірів стрілець й інші параметри оформлення. Для цієї вправи використайте параметри описані нижче. Надалі можна встановити параметри оформлення креслень у відповідності зі стандартами установленими у Вашій компанії.
Виберіть нструменти Параметри Властивості документа
У розділі Креслярський стандарт установіть значення Видалити для параметра Незначні нулі.
У розділі Стрілки виберіть елемент у списку Стиль для зміни
Натисніть Шрифт приміток.
У розділі Тип примітки виберіть Розмір. З'явиться діалогове
вікно Вибрати шрифт.
У розділі Висота установіть для параметра Точки значення
Натисніть OK ще раз щоб закрити це діалогове вікно.
Створення креслення деталі
Відкрийте файл lab1.sldprt. Поверніться у вікно креслення.
Натисніть кнопку Вид моделі
Креслення". З'явиться вікно Вид моделі PropertyManager (Менеджера
У вікні ДетальСкладання для вставки виберіть lab1 потім натисніть Далі.
У вікні Орієнтація виберіть Попереду в списку Орієнтація
виду потім виберіть Попередній перегляд.
Перемістите покажчик у
графічну область. Натисніть щоб
розмістити вид попереду як Креслярський вид1 що показано нижче.
Перемістите покажчик нагору й натисніть щоб розмістити Креслярський вид 2 потім перемістите
покажчик убік і натисніть щоб розмістити Креслярський вид 3.
У даному випадку використається проекція По третьому куту тому Креслярський вид2 є видом Зверху а Креслярський вид3 видом Праворуч.
Щоб використати проекцію По першому куту натисніть правою кнопкою миші в будь-якому місці креслення й виберіть Властивості. Потім виберіть По першому куту в діалоговому вікні Властивості листа.
У проекції по першому куті Креслярський вид2 є видом
Знизу а Креслярський вид3 - видом Ліворуч.
Переміщення креслярських видів
Вид можна переміщати нажавши й перетягнувши його границю. При переміщенні покажчика поблизу виду його границя стає видимою. Коли покажчик перебуває на границі він прийме форму
і можна нажати й перетягнути вид у будь-якому напрямку.
Натисніть на Креслярський вид2 (лівий верхній вид на кресленні) потім спробуйте перетягнути його нагору й униз.
Натисніть на Креслярський вид3 (правий нижній вид) потім
спробуйте перетягнути його вліво й вправо.
Креслярський вид2 і Креслярський вид3 вирівняні щодо
Креслярського виду1 і для збереження вирівнювання переміщаються
тільки в одному напрямку.
Натисніть Креслярський вид1 і перетягнете його в будьякому напрямку. Два інших види перемістяться щоб зберегти вирівнювання із Креслярським видом1.
Перемістіть види на креслення приблизно в те ж місце розташування що показано на рисунку.
Нанесення розмірів на креслення
На кресленнях показуються двомірні види моделей. Можна відобразити розміри які зазначені в моделі на всіх креслярських видах.
Натисніть кнопку Вибір а потім виберіть Вставка Елементи
З'явиться діалогове вікно Вставити елементи моделі. Можна
вибрати які типи розмірів приміток і довідкової геометрії потрібно
імпортувати з моделі.
У діалоговому вікні Вставити елементи моделі виберіть:
Відзначені для креслень
мпортувати елементи в усі види
Видалити повторні розміри
Розміри імпортуються в той вид
де описуваний ними елемент найкраще
видний. мпортується тільки одна копія
кожного розміру оскільки обрано параметр Видалити повторні розміри.
При зміні розміру моделі на виді
креслення відбувається автоматичне
відновлення моделі що відбиває дану
При зміні розміру моделі на виді креслення відбувається автоматичне відновлення моделі що відображає дану зміну і навпаки.
На Креслярському виді2 двічі
натисніть на розмір глибини витяжки
бобишки (25). З'явиться діалогове вікно
Зміните значення 25 на 40 і натисніть Перешикувати
Деталь перебудовується з використанням зміненого розміру. Обновляються
як креслення так і модель деталі.
Збережете креслення.
Тепер можна створити додатковий лист креслення для складання. Далі використайте команду Огляд щоб вставити документ
складання в креслення.
Якщо PropertyManager (Менеджер властивостей) ще відкритий натисніть кнопку OK щоб закрити його.
Натисніть правою кнопкою миші в будь-якій відкритій області листа креслення й виберіть Додати лист.
У діалоговому вікні Властивості листа в розділі Основний
написрозмір виберіть B - Альбомна потім натисніть OK. Лист2
відкриється й додасться в документ креслення.
Натисніть кнопку 3 стандартних види
на панелі інструментів "Креслення" потім натисніть Огляд в PropertyManager (Менеджері властивостей).
З'явиться діалогове вікно Відкрити.
Установите для параметра Тип файлу значення Складання (*.asm *.sldasm) перейдіть до файлу lab1.sldasm потім натисніть Відкрити.
На листі креслення з'являться три стандартних види складання.
Якщо з'явиться діалогове
вікно Відображення ліній переходу виберіть у ньому параметр
Видимі й натисніть OK.
Зміните положення видів
на листі як показано нижче.
Можна додати додаткові види в креслення щоб відобразить
модель у різних орієнтаціях. У цьому розділі додається стандартний
ізометричний вид складання.
В PropertyManager (Менеджері властивостей) у розділі ДетальСкладання для вставки виберіть lab1 потім натисніть Далі.
Виберіть наступне: у розділі Орієнтація виберіть зометрія; у
розділі Тип відображення виберіть Невидимі лінії відображаються
У розділівиберіть Використати масштаб листа.
Натисніть у якому-небудь місці креслення щоб розмістити
Які креслярські види можна використати при побудові креслення? Як вони задаються?
Як наносяться лінії розриву в роз'єднувальному виді?
Як звільнити креслярський вид від взаємозв'язку базового виду?
Яким образом задається позначення шорсткості на кресленні?
Як змінити масштаб креслярського виду?
Який інструмент використається для створення позицій?
Як змінити формат листа?
Як додати додатковий лист?
ЛАБОРАТО РН А РОБОТА № 4
МАЛЮВАННЯ ТРИВИМРНИХ ЕСКЗВ
Мета роботи: розробити тривимірний ескіз виконуючи: малювання щодо системи координат; нанесення розмірів у тривимірному
просторі; дзеркальне відбиття елементів.
За допомогою SolidWorks можна створювати тривимірні ескізи.
Тривимірний ескіз можна використати як напрямок елемента по траєкторії що направляє кривої для елементів по перерізах або по траєкторії осьовій лінії для елемента по перерізах а також у якості одного
з основних об'єктів у системі трубопроводу. Тривимірні ескізи можуть
застосовуватися при проектуванні систем трубопроводів.
Малювання щодо системи координат
Нанесення розмірів у тривимірному просторі
Дзеркальне відображення елементів
Використання тривимірного ескізу для створення полиці
У цій вправі зовнішня рамка дротової полиці буде побудована
шляхом створення окружності для елемента по траєкторії уздовж тривимірного ескізу. Після завершення однієї половини полки можна використати функцію Дзеркально відбити всі щоб закінчити модель.
Спочатку створюється тривимірний ескіз зовнішньої рамки.
Натисніть Створити й відкрийте нову деталь.
Натисніть кнопку Лінія
й намалюйте лінію довжиною
з вихідної точки уздовж осі X. Під
час малювання уздовж осі X покажчик прийме наступну форму
на панелі інструментів "Стандартна" і натисніть на крапку початку лінії.
Переконаєтеся що ця крапка точно перебуває в місці вихідної
точки (0 0 0 як показано в розділі Параметри) Збігається з вихідною точкою (як показано в розділі снуючі взаємозв'язки) і Повністю визначений.
Якщо кінцева крапка не перебуває в місці вихідної точки виконаєте наступне:
У розділі Параметри установите для Координата X Координата Y і Координата Z значення 0.
Натисніть кнопку Зафіксувати
у вікні групи Додати
й продовжите малювання інших
ліній з кінцевої крапки лінії довжиною 135 мм. Щораз коли починається малювання кожної нової лінії у її початку відображається вихідна точка для поточної системи координат.
a. Намалюйте лінію вниз по осі Y
b. Намалюйте лінію уздовж осі X
c. Натисніть клавішу Tab для зміни площини ескізу на площину YZ
d. Намалюйте лінію уздовж осі Z
e. Натисніть клавішу Tab двічі
щоб знову встановити площина XY як
f. Намалюйте лінію уздовж осі X
g. Намалюйте лінію нагору по осі
h. Намалюйте лінію уздовж осі X
Укажіть розміри ліній як показано на рисунку
Натисніть кнопку Округлення ескізу
на панелі інструментів "Ескіз" і виконаєте округлення всіх перетинань із радіусом 5 мм.
Натисніть 3D ескіз щоб закрити ескіз.
Використання інструмента "По траєкторії" для завершення створення елемента
Щоб закінчити основа витягніть окружність по напрямку тривимірного ескізу.
Виберіть Праву площину в дереві
конструювання FeatureManager потім натисніть кнопку Ескіз
щоб відкрити ескіз у
Намалюйте окружність діаметром
рівним 5 мм із центром у вихідній точці.
інструментів "Елементи".
В PropertyManager (Менеджері
властивостей) у вікні Профіль і напрямок: виберіть окружність (Sketch1)
ескіз (3DSketch1)(Тривимірний ескіз1)
Створіть лінійний масив витяжок від однієї сторони рамки до
Виберіть Передню площину в дереві конструювання
Намалюйте окружність на передбачуваній грані рамки. (Передня площина знаходиться фактично в центрі дроту рамки.)
Укажіть розмір 11 мм
від центра окружності до вихідної точки.
Укажіть діаметр окружності рівний 4 мм.
У вікні PropertyManager (Менеджері властивостей) у вікні групи Напрямок 1:
При необхідності виберіть Реверс напрямку
графічній області була спрямована правильно - до іншої сторони рамки.
Виберіть До поверхні на вкладці Гранична умова.
Для параметра Грань площину
виберіть протилежну сторону рамки.
Виберіть Результат злиття якщо він ще не обраний. Результат злиття дозволяє проконтролювати чи створюються окремі
Створення масиву витяжки
Тепер сформуйте масив витяжки.
Виберіть Вид Тимчасові осі для включення відображення
всіх тимчасових осей.
Виберіть елемент Extrude1 (Витягнути1) у дереві конструювання FeatureManager.
Натисніть кнопку Лінійний масив
Extrude1 (Витягнути1) з'явиться у
вікні групи Копіювати елементи
Виберіть тимчасову вісь на грані рамки де виконувалося малювання
У графічній області з'явиться попередній вид масиву а на правому кінці осі з'явиться стрілка що вказує напрямок масиву. В
Property Manager (Менеджері властивостей) Axis 1> (Вісь 1) з'явиться в Напрямку масиву.
У вікні групи Напрямок 1 виконаєте наступні операції:
а) Натисніть кнопку Реверс напрямку
Перевірте напрямок масиву на попередньому виді.
б) Установите для параметра нтервал
с) Установите для параметра Кількість екземплярів
Створення масиву витяжки завершено.
Використання функції Дзеркальне відбиття для завершення
створення дротової полиці.
Виберіть Вставка МасивДзеркало Дзеркальне відбиття.
Поверніть половину полиці й виберіть торцеву грань рамки.
Face 1> з'явиться у вікні Дзеркально відбити
Натисніть Копіювати тіла
потім натисніть у будь-якому
Створення полиці завершено. Збережіть деталь.
Як задається лінійний масив?
Щодо чого створюється дзеркальне відбиття об'єктів ескізу?
Як змінюються координати напрямку побудови ліній ескізу?
Які етапи й інструменти використаються для створення твердотільного елемента?
ЛАБОРАТО РН А РОБОТА № 5
ЕЛЕМЕН ТИ ПО ПЕРЕРЗАХ
Мета: Створити зубило з використанням можливостей побудови елемента по перерізах.
Елемент по перерізах - це основа бобишка або виріз створені
шляхом з'єднання декількох поперечних перерізів або профілів.
Значення площини ескізу
Раніше моделі створювалися на одній площині ескізу - передньої площини. Але як правило проект механічної конструкції складається з декількох ескізів елементів довідкової геометрії й розташовуваних елементів. Будучи об'єднані ці елементи утворять модель. У
більшості випадків вони лежать у різних площинах. При запуску
SolidWorks програма пропонує вам вибрати площина на якій буде будуватися ескіз. Виходячи з технічних вимог для створення основи
моделі можна вибрати будь-яку площину. Для інших елементів необхідно вибрати існуючу площину або плоску поверхню або створити
площина що буде використовуватися як площина ескізу. Після створення основи необхідно буде створити інші об'єкти ескізу додати розташовувані елементи й довідкову геометрію. Виступи й вирізи - це ті
елементи для яких необхідно задавати площину ескізу.
Елементи довідкової геометрії - це елементи єдиним призначенням яких є надання допомоги в процесі створення моделей. Довідкова геометрія в Solid Works включає площини осі крапки й системи
координат. Вони служать опорою при побудові ескізів елементів визначенні площини ескізу складанню компонентів посиланню на різні
розташовувані й ескізні елементи й т.д. Довідкові елементи не мають
маси або обсягу. Довідкова геометрія широко використається при
створенні складних моделей.
Загалом кажучи всі інженерні компоненти або проекти являють
собою моделі що складаються з безлічі елементів. Крім того як уже
говорилися раніше не всі елементи моделі створюються на тій же
площині що й основа. Тому необхідно побудувати ескіз ще одного
елемента вам необхідно або вибрати одну зі стандартних площин
пропонованих за замовчуванням або створити нову площину що буде
використатися як площина ескізу. Далі розглядаються стандартні
площини й створення нових площин.
При створенні нового документа Solid Works пропонує вам три
стандартні площини: фронтальна (Front) верхня (Тор) і права (Right).
Орієнтація компонента залежить від ескізу основи. Тому рекомендується вдумливо вибрати площина для побудови ескізу основи.
Це може бути одна зі стандартних площин.
Коли ви створюєте основу при виклику ескізного середовища
щигликом на кнопці Sketch (Ескіз) у графічній області автоматично
відображаються три стандартні площини. Якщо ж ви створюєте додатковий елемент то при виклику ескізного середовища стандартні
площини не показуються. У цьому випадку необхідно вибрати необхідну площину вручну.
Щоб вибрати площина для додаткового елемента клацніть на
кнопці Sketch (Ескіз). Відкриється менеджер властивостей Edit Sketch
(Редагувати ескіз). В SolidWorks при відображенні менеджера властивостей дерево конструювання FeatureManager зрушується в графічну
область. Клацніть на значку «+» ліворуч від імені документа деталі в
дереві конструювання FeatureManager відображуваному в графічній
області. Дерево розгорнеться і в ньому з'являться назви площин. Виберіть необхідну площину в цьому дереві.
Створення нових площин
Reference Geometry Plane (Довідкова геометрія Площина)
Insert Reference Geometry Plane (Вставка
Довідкова геометрія Площина)
Панель інструментів:
Довідкові площини використаються для побудови ескізів елементів.
Малювання копіювання й вставка профілів
Створення твердотільного елемента шляхом з'єднання профі-
лів (побудови елемента по перерізах)
Побудова елемента по перерізах варто почати з малювання ескізів профілів на гранях або площинах. Можна використати існуючі
грані й площини або створити нові площини.
й відкрийте нову деталь.
Площини в моделі SolidWorks не завжди видимі. Однак їх можна показати на екрані. Для цієї вправи придасться зображення передньої площини.
Натисніть Вид і виберіть Площини. Натисніть правою кнопкою миші на Передню площину в дереві конструювання Feature
Manager і виберіть Відобразити.
Передня площина з'явиться в графічній області.
Зберігаючи передню площину обраної натисніть Довідкова
на панелі інструментів "Елементи" потім натисніть
на плаваючій панелі інструментів “Довідкова геометрія”.
З'явиться вікно Площина PropertyManager (Менеджера властивостей). У графічній області з'явиться попередній вид нової площини Plane1 (Площина1). У вікні групи Обрані елементи Передня площина відобразиться у вікні Довідкові об'єкти
Установите для параметра Відстань
Нова площина Plane1 (Площина1) створюється перед передньою площиною.
Зберігаючи Plane1 (Площина1) обраної натисніть кнопку
ще раз і додайте іншу паралельну площину на відстані
рівної 25 мм. (Це - Plane2 (Площина2)).
нший метод створення паралельної площини - це копіювання
існуючої площини. Виберіть у графічній області Plane2 (Площина2) і
утримуючи натиснутої клавішу Ctrl перетягнете її розташувавши
перед Plane2 (Площиною2).
Створюється інша паралельна площина - Plane3 (Площина3).
Щоб установити відстань
зсуву для нової площини задайте
для параметра Відстань
значення рівне 40 у вікні Площина
PropertyManager (Менеджера властивостей).Натисніть OK
Графічна область повинна виглядати подібно цьому зображенню.
Малювання ескізів профілів
Рукоятка зубила створюється шляхом створення елементів по
перерізах з ескізів простих профілів.
Натисніть на передню площину в дереві конструювання FeatureManager або в графічній
області потім натисніть кнопку Ескіз
нтація виду зміниться на Передню
Намалюйте квадрат зі стороною рівною
мм і нанесіть розмір як показано на рисунку.
Відкрийте ескіз на Plane1 (Площини1) і намалюйте окружність із центром у вихідній точці.
Створюється враження що ескіз рисується поверх першого ескізу. Однак перший ескіз перебуває на передній площині і на нього не
впливають ескізи виконувані на Plane1 (Площини1) - паралельної
площини що перебуває перед нею.
Укажіть діаметр окружності рівний 50 мм.
Відкрийте ескіз на Plane2 (Площини2) і намалюйте окружність із центром у
вихідній точці. При перетаскуванні сполучите діаметр окружності з вершиною квадрата.
Для того щоб створити ще один профіль можна скопіювати ескіз із однієї площини в іншу.
щоб переглянути як вибудувані ескізи.
Натисніть на Sketch3 (Ескіз3) (більша окружність) у дереві
конструювання FeatureManager або в графічній області.
Натисніть кнопку Копіювати на
панелі інструментів “Стандартна”.
Натисніть на Plane3 (Площина3) у
дереві конструювання FeatureManager або
в графічній області.
Натисніть кнопку Вставити на панелі інструментів “Стандартна”.
Коли ескіз уставляється на площину новий ескіз створюється автоматично
Створення елемента по перерізах
Тепер скористайтеся функцією Бобишкаоснова по перерізах
для створення твердотільної моделі на основі профілів.
Натисніть кнопку Бобишкаоснова по перерізах
У вікні групи Параметри відключите параметр Попередній
У цьому випадку відключається попередній перегляд у режимі
Зафарбувати але показується як будуть з'єднані профілі.
У графічній області вкажіть те саме місце на кожному профілі
(наприклад праву верхню сторону) і виберіть ескізи в тій послідовності у якій необхідно їх з'єднати.
На попереднім зображенні показується як будуть з'єднані профілі. Система з'єднує крапки або вершини найближчі до зазначеного місця.
На попереднім зображенні переглянете як будуть з'єднані профілі.
Якщо ескізи з'єднуються не в тій послідовності можна скористатися кнопками Перемістити нагору
або Перемістити вниз
у групі Профілі у вікні PropertyManager (Менеджера властивостей)
для розміщення їх у необхідному порядку.
Якщо на попереднім зображенні видно що з'єднуються не ті
крапки натисніть праву кнопку миші в графічній області виберіть
Видалити обрані елементи й виберіть профілі знову.
Для перегляду попереднього зображення
твердотільної основи виберіть параметр Попередній перегляд.
Натисніть OK щоб створити твердотільну
Створення елемента - бобишка по перерізах
Для побудови загостреного кінця зубила створюється ще один
елемент по перерізах.
Утримуючи натиснутої клавішу Ctrl перетягнете передню
площину для створення паралельної площини за вихідною передньою
площиною.З'явиться вікно Площина PropertyManager.
Виберіть Реверс напрямку потім натисніть кнопку OK.
виберіть Перпендикулярно
Відкрийте ескіз на Площину4 потім намалюйте вузький прямокутник і вкажіть його розміри як показано на рисунку.
Тепер завершимо створення другої бобишки по перерізах.
Переключитеся у вид зометрія
каоснова по перерізах
Виберіть квадратний профіль:
а) Помістите покажчик на бічну частину елемента по перерізах поблизу нижнього правого кута.
б) Натисніть праву кнопку миші
виберіть Вибрати іншої потім натисніть
Буде обраний квадрат як показано
Натисніть у нижньому куті ескізу вузького прямокутника. На
попереднім зображенні переглянете як будуть з'єднані два профілі.
Перемкнетеся у вид Зафарбувати із крайками
Як можна створити площину в моделі?
Яким образом створюється площина на задану відстань?
Який інструмент використається для створення твердотільної
Як створити твердотільну модель?
Як фіксується ескіз на заданій площині?
Ш. Таку “Эффективная работа: Solid Works2006” “Питер”
В.П. Прохоренко “Solid Works. Практическое руководство”
Бином 2005г. -447 стр.
А.А Алямовский “Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике” BHV-Санкт-Петербург 2005г-800 стр.
Ш. Тику “Эффективная работа: Solid Works2006” “Питер”
Разработка и оформление конструкторской документации.
Справочник. Под редакцией Э.Т.Романычевой. –М.: Радио и связь

ГЛАВА 6 Потери и КПД.doc

ГЛАВА ШЕСТАЯ. Потери и КПД
В электромеханических преобразователях (электрических машинах)
электромеханическое преобразование энергии происходит с обязательным
преобразованием части электрической энергии (режим двигателя) или
механической (режим генератора) — в тепло [6]. Так как эта часть энергии
«теряется» в процессе преобразования ее принято называть потерями а
отношение полезной работы к затрачиваемой — коэффициентом полезного
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОТЕРЬ
КПД — основной показатель энергетических характеристик электрических
машин и его расчет имеет важное значение при их проектировании. Чтобы
определить КПД машины надо по возможности точно рассчитать потери.
Потери в отдельных ее частях необходимо также знать для определения в них
температуры что влияет на расчет размеров и геометрию основных
конструкционных узлов электрических машин. Потери в электрических машинах
делятся на основные и добавочные.
К основным потерям относятся электрические потери (потери в меди)
магнитные (потери в стали) и механические потери. Электрические потери
сосредоточены в обмотках электрических машин переменного тока а в машинах
постоянного тока к ним добавляются еще и потери на коллекторе. Магнитные
потери возникают там где замыкается переменный магнитный поток.
Механические потери связаны с потерями в подшипниках с трением вращающихся
частей машины о воздух и в скользящих контактах. К механическим потерям
относятся также вентиляционные потери которые расходуются па охлаждение
К добавочным потерям относятся потери которые не были учтены при расчете
Магнитные потери и механические потери в большинстве машин не зависят от
нагрузки и они являются постоянными потерями. Обычно это потери холостого
хода. Электрические потери зависят от нагрузки поэтому их относят к
переменным потерям [6].
Расчету потерь при проектировании уделяется большое внимание так как от
этого зависят основные размеры и геометрия электрической машины.
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Электрические потери возникают в проводниках обмоток соединительных
шинах и проводах в переходных контактах щетки — коллектор или щетки —
Потери в обмотках соединительных шинах и проводах. Электрические потери
Рэ Вт в обмотках и всех токоведущих частях электрической машины
рассчитывают по формуле
где rvi — сопротивление данной обмотки или i-го участка токопровода по
которому протекает ток Ii рассчитанное при необходимости с учетом влияния
эффекта вытеснения тока Ом.
Для расчета потерь сопротивление rv должно быть приведено к расчетной
температуре: для обмоток с изоляцией классов нагревостойкости А Е и В —
° С с изоляцией класса F или Н — 115° С (соответственно r75° и r115°).
Если по обмотке протекает постоянный ток то для расчета электрических
потерь часто используют выражение
где I— ток в обмотке A; U— напряжение на концах обмотки В.
Электрические потери рассчитывают отдельно для каждой из обмоток —
обмотки фазы машины переменного тока обмотки якоря возбуждения и т. п.
так как эти данные используют в дальнейшем для тепловых расчетов
электрических машин.
Обычно электрические потери в обмотках возбуждения синхронных машин и в
обмотках параллельного или независимого возбуждения машин постоянного тока
выделяют из общей суммы электрических потерь и относят к потерям на
возбуждение. Для синхронных машин потери в обмотках возбуждения учитывают в
тепловых расчетах а при определении КПД к потерям на возбуждение относят
мощность потребляемую возбудителем если он расположен на одном валу с
ротором или приводится во вращение от вала ротора.
При определении КПД машин постоянного тока учитывают также электрические
потери в регулировочных реостатах. На тепловое состояние машин эти потери
влияния не оказывают так как реостаты располагаются отдельно от машин.
В некоторых обмотках на их различных участках протекают разные токи. В
этом случае сопротивление одного из участков приводят к току другого. Так
при расчете сопротивления фазы обмотки короткозамкнутого ротора асинхронной
машины сопротивление замыкающих колец приводит к току стержней обмотки.
Потери в переходных контактах. Электрические потери в переходных
контактах щетки -- коллектор или щетки — контактные кольца зависят от тока
протекающего через контакт Iк.к А и падения напряжения под щетками Uщ В:
Рэ.щ = k ΔUщ Ik.к. (6.3)
В машинах постоянного тока и синхронных коэффициент k = 2 так как ток
проходит через два переходных контакта: под положительной и отрицательной
щетками. В асинхронных машинах с фазным ротором k = m где m — число фаз
Потери в переходных контактах нельзя рассчитать точно так как падение
напряжения под щетками непостоянно и зависит от режима работы состояния
трущихся поверхностей удельного давления щеток на коллектор или контактные
кольца и от ряда других факторов изменяющихся во время эксплуатации
машины. В расчетах используют значение ΔUщ взятое из технической
характеристики конкретной марки щеток которое принимают постоянным так
как Рэ.щ составляют лишь несколько процентов от общей суммы потерь в
машине погрешность расчета при этом незначительна.
Магнитные потери или как их чаще называют потери в стали (Рст)
возникают в участках магнитопровода с переменным магнитным потоком: в
статорах асинхронных и синхронных машин и якорях машин постоянного тока. В
роторах синхронных машин полюсах и станине машин постоянного тока поток
постоянный и основные потери в стали отсутствуют. В роторах асинхронных
машин частота тока и потока в номинальном режиме небольшая (f2 =
sном f ) поэтому потерями в стали ротора пренебрегают [5].
Основные потери в стали состоят из потерь на гистерезис и потерь на
вихревые токи. Они зависят от марки стали толщины листов магнитопровода
частоты перемагничивания и индукции. На них оказывают влияние также
различные технологические факторы. В процессе штамповки листов
магнитопровода образуется наклеп который изменяет структуру стали по
кромкам зубцов и увеличивает потери на гистерезис. Потери на вихревые токи
возрастают в результате замыканий части листов магнитопровода между собой
возникающих из-за заусенцев которые образуются при опиловке пазов при
забивке пазовых клиньев из-за чрезмерной опрессовки магнитопровода и ряда
Точных аналитических формул для расчета основных потерь в стали
учитывающих влияние приведенных выше факторов не существует. Потери в
стали рассчитывают по формулам основанным на результатах многолетних
теоретических и экспериментальных исследований.
Основные потери в стали определяют как сумму потерь в зубцах и в ярме
где kдi — коэффициент учитывающий увеличение потерь в стали зубцов или
ярма магнитопровода по технологическим причинам; Р150 — удельные потери в
стали при частоте перемагничивания 50 Гц и магнитной индукции 1 Тл Вткг;
f— частота перемагничивания Гц. Для машин переменного тока f равна частоте
питающей сети; для расчета потерь в стали якоря машин постоянного тока f =
зубцов или ярма магнитопровода кг; — показатель степени зависящий от
марки стали и толщины листов магнитопровода. В большинстве расчетов можно
Значения P150 и приводятся в технических характеристиках сталей; данные
по выбору kд и расчету массы стали зубцов и ярма приведены в главах
учебника посвященных проектированию конкретных видов машин.
4. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ ПОТЕРИ
Механические потери в электрических машинах состоят из потерь на трение в
подшипниках на трение вращающихся частей машины о воздух или газ и потерь
на трение в скользящих контактах щетки — коллектор или щетки — контактные
кольца. К вентиляционным потерям относят затраты мощности на циркуляцию
охлаждающего воздуха или газа.
В машинах с самовентиляцией на вентиляционные потери расходуется часть
подводимой к машине мощности. В машинах с принудительной вентиляцией или с
жидкостным охлаждением для циркуляции охлаждающего агента — воздуха газа
или жидкости — устанавливают вентиляторы или компрессоры с независимым
приводом. Потребляемая их двигателями мощность учитывается при расчете КПД
основной машины как потери на вентиляцию.
Расчетные формулы позволяющие найти каждую из составляющих этих видов
потерь основаны на экспериментальных данных и отражают зависимость потерь
от конструкции машины ее размеров частоты вращения и от ряда других
факторов. При проектировании машин конструкция которых несущественно
отличается от серийных в расчете можно использовать эмпирические формулы
дающие непосредственно сумму вентиляционных и механических потерь (за
исключением потерь на трение в скользящих контактах).
Расчет механических и вентиляционных потерь Рмех можно выполнить лишь
после завершения проектирования и определения размеров всех деталей машины.
Во время учебного проектирования при разработке конструкции машины следует
иметь в виду качественную зависимость этого вида потерь от
размерных соотношений машины. Потери на трение и вентиляцию резко
увеличиваются в машинах с большим диаметром ротора и большой частотой
вращения. Так в большинстве машин эти потери пропорциональны
квадрату частоты вращения и квадрату наружного диаметра статора.
Так как формулы для расчета механических потерь выведены для конкретных
типов и конструктивного исполнения машин то они приводятся в
соответствующих главах учебника. Там же приведены формулы для расчета
потерь на трение в скользящих контактах.
5. ДОБАВОЧНЫЕ ПОТЕРИ
Добавочные потери как правило меньше основных потерь рассмотренных в
предыдущих параграфах. Некоторые виды добавочных потерь возникают при
холостом ходе и не изменяются при нагрузке машины другие появляются только
с увеличением тока нагрузки. В зависимости от этого первый вид потерь
называют добавочными потерями холостого хода а второй — добавочными
потерями при нагрузке.
К добавочным потерям холостого хода относят поверхностные Рпов и
пульсационные потери Рпул:
Рст.доб = Рпов + Рпул (6.5)
Поверхностные потери возникают из-за пульсаций индукции в воздушном
зазоре. При работе машины индукция в каждой отдельно взятой точке
расположенной на одной из поверхностей магнитопровода обращенных к зазору
будет изменяться от наибольшего значения (когда против нее на
противоположной стороне зазора находится коронка зубца) до наименьшего
(когда на другой стороне располагается паз). Частота таких пульсаций
индукции определяется числом зубцов и частотой вращения т. е. зубцовой
Вызванная этими пульсациями ЭДС создает в тонком поверхностном слое
головок зубцов и полюсных наконечников вихревые токи потери от которых и
называют поверхностными.
Таким образом наличие зубцов на статоре определяет возникновение
поверхностных потерь в роторе и наоборот зубцы ротора вызывают
поверхностные потери на статоре. Поверхностные потери возникают во всех
машинах имеющих зубчатую поверхность на одной или на двух сторонах
воздушного зазора. Эти потери имеют место в статорах и роторах асинхронных
машин и на поверхности полюсных наконечников синхронных машин и машин
Для расчета Рпов предварительно находят амплитуду пульсаций индукции в
воздушном зазоре В0 в зависимости от индукции В и размерных соотношений
зазора — отношения ширины раскрытия паза к зазору bш. Среднее значение
удельных поверхностных потерь Рпов т. е. отнесенных к единице площади
поверхности магнитопровода статора или ротора обращенной к воздушному
Р'пов1 = k0 (Z2n 10000)15(103 B0tz2)2 ; (6.6)
Р'пов2 = k0 (Z2n 10000)15(103 B0tz1)2 (6.7)
где коэффициент k0 определяет влияние на потери толщины листов
магнитопровода марки стали и способа обработки поверхности; Z1 и Z2 —
числа зубцов статора и ротора; n — частота вращения ротора обмин; tz1 и
tz2 — зубцовые деления статора и ротора м.
Полные поверхностные потери Рпов Вт получают умножением Р'пов на
площадь всей рассматриваемой поверхности статора или ротора — головок
зубцов или полюсных наконечников.
Пульсационные потери Рпул возникают в машинах имеющих зубцы и на роторе
и на статоре например в асинхронных машинах. Они обусловлены пульсациями
потока в зубцах что приводит к появлению вихревых токов в стали зубцов.
Частота пульсаций потока и индукции в зубцах статора происходит с зубцовой
частотой ротора а частота пульсаций в зубцах ротора — с зубцовой частотой
статора. Амплитуда пульсаций Впул зависит от среднего значения индукции в
зубцах и размерных соотношений зубцовых зон. Потери Рпул Вт определяют
раздельно для зубцов статора и ротора по следующим формулам:
Рпул1 = (009 011)(Z2n 1000)2 B2пул1 (6.8)
Рпул1 = (009 011)(Z1n 1000)2 B2пул2 mz2 (6.9)
где Z1 и Z2 — числа пазов статора и ротора; Впул1 и Впул2 — амплитуда
пульсаций индукции в зубцах статора и ротора Тл; mz1 и mz2 — массы зубцов
статора и ротора кг.
Поверхностные и пульсационные потери возникают во всех машинах имеющих
пазы открытые в воздушный зазор хотя бы на одной из его поверхностей. При
закрытых пазах в магнитопроводе расположенном на противоположной им
стороне зазора поверхностные и пульсационные потери не возникают.
Например эти потери отсутствуют на поверхности и в зубцах статора
асинхронного двигателя если его ротор выполнен с закрытыми пазами.
Относительная величина Рпов и Рпул в общей сумме потерь резко возрастает
в машинах с большим числом пазов с большой частотой вращения а также при
увеличении ширины шлица паза и уменьшении воздушного зазора. Это
объясняется тем что в первом случае возрастает частота а во втором —
амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре и в зубцах магнитопровода.
В двухполюсных асинхронных двигателях чрезмерное уменьшение воздушного
зазора приводит к значительному увеличению потерь Рпов и Рпул что может
служить причиной возрастания суммарных потерь и уменьшения КПД двигателя.
Добавочные потери при нагрузке возникают как в проводниках обмоток так и
в стали на отдельных участках магнитопровода. Ток нагрузки создает потоки
рассеяния сцепленные с проводниками обмоток. В результате этого в
проводниках наводятся вихревые токи вызывающие добавочные потери не
учтенные ранее в расчете. В машинах постоянного тока увеличение потерь при
нагрузке связано также с коммутационным процессом при котором токи в
секциях изменяют свое направление. Поля созданные высшими гармониками МДС
обмоток и зубцовые гармоники поля с ростом нагрузки машины увеличивают
поверхностные и пульсационные потери. В машинах постоянного тока увеличение
добавочных потерь в стали с ростом нагрузки связано также с
искажением магнитного поля под действием поперечной реакции якоря.
Расчет отдельных добавочных потерь при нагрузке проводят обычно лишь для
машин большой мощности. Для машин общего назначения эти потери учитывают
приближенно. Согласно ГОСТ 11828—86 добавочные потери при нагрузке для
асинхронных и синхронных машин и машин постоянного тока с компенсационной
обмоткой при расчете берут равными 05 % потребляемой номинальной мощности
а для машин постоянного тока без компенсационной обмотки 1 %.
6. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Общее выражение для коэффициента полезного действия имеет вид
Для генераторов Р2 — активная мощность отдаваемая в сеть; Р1 —
механическая мощность затрачиваемая на вращение вала генератора. Для
двигателей Р2 — механическая мощность на валу и Р1 — активная электрическая
мощность потребляемая двигателем.
Расчет электрических машин обычно проводят исходя из заданной мощности
Р2 поэтому для любых значений нагрузки КПД % удобнее рассчитывать по
где Р1 и Р2 — потребляемая мощность Вт и нагрузка для которой
определяется КПД; ΣP — сумма всех потерь в машине при данной нагрузке Вт.
Современные электрические машины имеют высокий КПД. Так КПД машин
мощностью несколько тысяч и более киловатт достигает 95. ..98 % мощностью
несколько сот киловатт — 88. ..92 % мощностью около 10 кВт — 83 88 %.
Лишь КПД машин малой мощности до нескольких десятков ватт составляет 30..
КПД электрической машины изменяется с изменением ее нагрузки. При
увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной КПД сначала быстро
увеличивается достигает максимального значения после чего несколько
снижается. Для оценки нагрузки при которой КПД будет наибольшим разделим
все виды потерь в машине на три группы: постоянные не изменяющиеся от
нагрузки потери обозначим для номинального режима П1 потери
пропорциональные току П2 потери пропорциональные квадрату тока П3. К
первой группе отнесем все виды механических и вентиляционных потерь и
потери в стали ко второй — например электрические потери в щеточном
контакте к третьей — электрические потери в обмотках.
Введем понятие коэффициента нагрузки равного отношению нагрузки
электрической машины к ее номинальной мощности:
kнаг = Р2Рном. (6.12)
При условии что во время работы машины ее частота вращения напряжение
сети ток возбуждения и cos φ остаются постоянными можно записать
kнаг = Р2Р2ном =IIном. (6.13)
Тогда КПД при любой нагрузке электрической машины с учетом принятых
обозначений групп потерь
Для определения условия при котором КПД будет максимальным приравняем к
нулю производную этой функции:
Таким образом наибольший КПД у электрической машины будет при такой
нагрузке при которой потери зависящие от квадрата тока (k2нагП3) будут
равны потерям не зависящим от нагрузки П1. С известным приближением это
условие сводится к условию равенства электрических потерь в обмотках сумме
механических вентиляционных и магнитных потерь в машине.
Электрические потери в машине данной мощности определяются в основном
плотностью тока потери в стали — уровнем индукций на участках
магнитопровода. Рекомендации современных методик проектирования
электрических машин по выбору электромагнитных нагрузок дают такое
соотношение потерь в машине что наибольшего значения КПД составляет при
kнаг = 07—08. Это оправдано тем что при дискретной шкале мощностей
электрические машины особенно двигатели в большинстве случаев работают c
нагрузкой несколько меньшей чем номинальная мощность [6].
Если в техническом задании предлагается спроектировать машину с
наибольшим КПД в номинальном режиме то выбор электромагнитных нагрузок
должен быть проведен так чтобы электрические потери в обмотках в
номинальном режиме (kнаг = 1) были равны сумме потерь в стали механических
и вентиляционных. Для этого должна быть несколько увеличена индукция по
сравнению с обычно рекомендуемыми значениями и уменьшена плотность тока в

Глава 11 Проектирование машин постоянного тока.doc

Проектирование машин постоянного тока
Машины постоянного тока общего назначения выпускают серийно. Создание
каждой новой серии представляет собой сложную научно-техническую и
экономическую задачу решение которой ведется на основе глубокого анализа
тенденций развития электромашиностроения и прогнозов показателей
технического уровня разрабатываемых машин а также достижений в области
проектирования и технологии. В серии должны быть учтены требования
международной стандартизации и приняты рациональные принципы увязки
мощностей с высотой оси вращения.
1. СЕРИИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Первая общесоюзная серия машин постоянного тока была создана в 1956 г.
Она была названа серией П. В этой серии впервые была установлена
нормализованная шкала номинальных мощностей и номинальных частот вращения
машин. Машины серии П состояли из трех групп конструктивно подобных
отрезков серии: машины мощностью от 03 до 200 кВт (1—11-й габариты)
машины мощностью 200—1400 кВт (12—17-й габариты) и машин мощностью свыше
00 кВт (18—26-й габариты).
Габарит машины определяется диаметром якоря который нормализован. Для
каждого габарита устанавливают две длины сердечника. Исполнение двигателей
единой серии П от 1-го до 11-го габарита по степени защиты соответствует
IP22 по способу охлаждения - IC01 или IC05. Возбуждение смешанное. На рис.
1 приведена типичная для этой серии конструкция электрической машины.
Серия 2П созданная к 1974 г. приблизительно через 20 лет после создания
первой серии П спроектирована в полном соответствии с рекомендациями
Международной электротехнической комиссии (МЭК).
Эта серия машин имеет следующие особенности:
принята единая шкала номинальных высот оси вращения машины;
установочные размеры машины (рис. 11.2) однозначно увязаны с высотой оси
вращения но не определяются мощностью машины;
для каждой высоты оси вращения приняты три значения длины которым
соответствуют три обозначения длины станины; S — для коротких М — средних
и L — длинных машин.
Рис. 11.1. Машина постоянного тока типа П-92:
5 16 18 – крышки подшипников; 2 – передний щит; 3 – траверса; 4 –
шарикоподшипник; 6 – крышка подшипникового щита; 7 – коллектор; 8 –
станина; 9 – добавочный полюс; 10 – якорь; 11 – главный полюс; 12 – шайба
на валу; 13 – задний щит; 14 – вентилятор; 15 – болт; 17 – роликоподшипник;
– вал; 20 – шпонка; 21 – жалюзи
Установочные размеры электрических машин приведены в табл. П6.2 и П6.3.
Принятые обозначения размеров: h — высота оси вращения от нижней опорной
поверхности лап до оси вала; b10 — расстояние между отверстиями под болты в
лапах (торцевой вид); l10 — расстояние от оси отверстия в лапе машины до
упора (заплечика) свободного конца нала; d1 — диаметр основного свободного
конца вала; d10 — диаметр отверстий под болты в лапах машин.
Размеры l1 и d1 свободного конца вала не связывают с высотой оси
вращения а выбирают в зависимости от наибольшего длительного вращающего
момента двигателя согласно табл. П6.4; размеры шпонки и шпоночных канавок
связаны с размерами l1 и d1 .
Рис. 11.2. Установочные размеры машины постоянного тока серии 2П:
Диаметры крепительных фланцев регламентированные МЭК приведены в табл.
П6.5 а обозначения размеров — на рис. 11.2.
Двигатели серии 2П имеют следующие степени защиты (по ГОСТ 17494—87):
IР22 — с самовентиляцией (типа 2ПА) независимой вентиляцией от
постороннего вентилятора (типа 2ПН);
IР44 — закрытое исполнение с естественным охлаждением (типа 2ПВ) и
закрытое исполнение с наружным обдувом от постороннего вентилятора (типа
Номинальные мощности соответствующих серий приведены в [16].
Формы исполнения двигателей серии 2П в зависимости от габаритов даны в
Таблица 11.1. Формы исполнения двигателей серии 2П
Формы исполнения Диапазон габаритов
IМ1001 IМ1011 IМ1031 112132160180200
IM2101 IМ2111 IМ2131 180 и 200
IM3601 IM3611 IМ3631 112.132.160.180.200
Двигатели серии 2П предназначены для работы как от источников
постоянного тока так и от тиристорных преобразователей. Номинальные
напряжения якорной цепи 110 220440 600 В. Возбуждение независимое
номинальное напряжение возбуждения 110 и 220В.
Двигатели мощностью до 200 кВт выпускают с номинальными частотами
вращения 750 1000 1500 2200 3000 обмин. Частота вращения двигателей
может регулироваться как изменением напряжения якорной цепи так и
ослаблением поля главных полюсов. Увеличение частоты ослаблением поля
допускается до 3500 обмин при номинальной частоте вращения 1500 обмин или
до 3000 обмин при номинальной частоте вращения 1000 обмин и ниже.
Двигатели серии 2П защищенного исполнения типов 2ПА и 2ПН выполняют с
изоляцией класса нагревостойкости В двигатели закрытого исполнения типов
ПО и 2ПБ - с изоляцией класса нагревостойкости F.
Конструкция двигателя серии 2П приведена на рис. 11.3.
Корпус станины имеет цилиндрическую форму изготовляется из стали марки
СтЗ. К корпусу винтами привернуты главные и дополнительные полюсы с
обмотками. Главные полюсы набраны из штампованных листов электротехнической
стали марок 3411 3413 толщиной 05 или 1 мм. Пакеты листов полюсов
скрепляют заклепками. Сердечники дополнительных полюсов также выполняют из
электротехнической стали 3411 или другой марки толщиной 05 мм или 1 мм.
При высотах оси вращения до 132 мм сердечники дополнительных полюсов
выполняют из полосовой стали марки СтЗ. Обмотка главных полюсов -
многослойная из медного провода круглого сечения марки ПЭТВ. Обмотка
дополнительных полюсов - из медного провода круглого сечения марки ПЭТВ или
прямоугольного провода марки ПСД. Собранные катушки главных и
дополнительных полюсов пропитывают в нагревостойких лаках что обеспечивает
их монолитность и влагостойкость уменьшает внутреннее тепловое
сопротивление катушки. Изоляция обмоток главных и добавочных полюсов
приведена в табл. 11.2—11.3.
Пакет якоря набирается из штампованных изолированных лаком листов
электротехнической стали марок 2211 2312 2411 3413 и др. толщиной 05
мм напрессовывается непосредственно на вал и закрепляется между двумя
нажимными кольцами являющимися одновременно обмоткодержателями для лобовых
частей обмотки якоря.
В пазы сердечника якоря укладывают обмотку. При диаметрах якоря до 200 мм
пазы выполняют полузакрытыми овальной формы зубцы с параллельными
стенками. Обмотка якоря в этих случаях - всыпная из эмалированных медных
проводников круглого сечения образующих мягкие секции которые легко можно
уложить в пазы через сравнительно узкие шлицы.
Рис. 11.3. Машина постоянного тока типа 2П-160М:
623 — крышки подшипников; 2 — щит подшипниковый; 3 — траверса; 4 —
лента защитная; 5 — балансировочное колесо; 6 — коллектор; 7 — коробка
выводов; 8 — станина; 9 — болт; 10 — шайба; 11 — якорь; 12 — обмотка якоря;
— диффузор; 14 — защитная лента; 15 — вентилятор; 17 —
шарикоподшипник; 18 — подшипниковый щит;
— болт М10; 20 — шайба М10; 21 — болт М6; 22 — шайба М6; 24 — вал; 25
— дополнительный полюс; 27 — щетки
Таблица 11.2. Изоляция обмоток главных и добавочных полюсов машин
([pic]= 80 200 мм напряжение до 600 В)
Позиция НазначениеМатериал Число
Класс нагревостойкости
Изоляция Лакотканеслюдопласт 025 1
Рамка Стеклотекстолит 05 1
Класс нагревостойкости Класс
Каркас Стеклолакоткань 2 1
Изоляция СлюдопластофолСинтофолий F Синтофолий H 016
сердечника ий ИФГ-Б
Изоляция Стеклянная лента ЛЭС 1
Таблица 11. 4. Изоляция обмотки якоря двигателей постоянного тока
(пазы овальные полузакрытые обмотка двухслойная всыпная из круглого
эмалированного провода напряжение до 600В)
Высота оси ПозицияМатериал Число Односторонн
ращения. на рис. слоев яя
-112 1 Изофлекс 035 1
2-2001 Изофлекс Имидофлекс025 2
Класс нагревостойкости Класс нагревостойкости по ширинепо высоте при [pic]
Общая толщина изоляции в пазу (без витковой без высоты клина или без высоты 17 48 51 54 57
Лобовая 7 Стеклослюдинитовая лента Пленка 015 1 вполнахлеста
Наименование марка Класс нагревостойкостипо ширине по
Закрытые обдуваемые с 80
нормальным регулированием
Закрытые с естественным 100 12
Широкорегулируемые с 112 53
принудительной вентиляцией
Крупные двигатели для 355 3000
тяжелых условий эксплуатации IР23
Сравнение степени использования объема двигателей постоянного тока серии
П и асинхронных двигателей серии 4А показывает что мощность двигателя
постоянного тока унифицированной конструкции равна приблизительно 23
номинальной мощности «синхронного двигателя серии 4А при той же высоте оси
вращения. Однако по сравнению с двигателями серии 2П достигнуто
значительное снижение расхода активных материалов на единицу мощности.
Например в диапазоне мощностей от 15 кВт до 20 кВт расход обмоточной меди
в двигателях новой серии на 20 30 % меньше чем в двигателях серии 2П [5
2. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИНЫ
В соответствии с государственными стандартами разработка любого изделия
всех отраслей промышленности определяется техническим заданием в котором
устанавливаются основное назначение технические характеристики показатели
качества и технико-экономические требования предъявляемые к проектируемому
изделию соответствие его мировому техническому уровню.
В техническом задании на проектируемую машину постоянного тока
указываются следующие данные:
номинальная мощность машины кВт;
номинальное напряжение сети В;
номинальная частота вращения обмин;
исполнение по степени защиты способу монтажа и способу охлаждения;
условия эксплуатации при воздействии климатических и механических
номинальный режим работы и допускаемое превышение температуры класс
изоляции по нагревостойкости;
диапазон регулирования частоты вращения путем изменения напряжения сети
ослабления поля главных полюсов;
массогабаритные характеристики;
требования к коммутации;
дополнительные требования например показатели надежности и
долговечности значения КПД при номинальном режиме и определенном
коэффициенте нагрузки и др.
При задании указанных величин вся последовательность расчета и
проектирования машины постоянного тока соответствует установленным
практикой электромашиностроения принципам проектирования машин общего
назначения. На основе электромагнитного теплового и вентиляционного
расчетов может быть спроектирована машина соответствующая специальным
требованиям к конструкции и ее характеристикам. Сравнение степени
использования объема двигателей постоянного тока серии 4П и асинхронных
двигателей серии 4А показывает что мощность двигателя постоянного тока
унифицированной конструкции равна приблизительно 23 номинальной мощности
«синхронного двигателя серии 4А при той же высоте оси вращения. Однако по
сравнению с двигателями серии 2П достигнуто значительное снижение расхода
активных материалов на единицу мощности. Например в диапазоне мощностей от
кВт до 20 кВт расход обмоточной меди в двигателях новой серии на 20 30
% меньше чем в двигателях серии 2П [5 16].
Курсовой и дипломный проекты следует рассматривать как творческое
индивидуальное задание. При выполнении этих работ студент должен показать
умение мыслить творчески изобретательно и неординарно решать инженерные
задачи активно использовать полученные им в вузе теоретические знания
правильно разрешать возникающие противоречия и выбирать лучший вариант
удовлетворяющий всем требованиям технического задания.
3. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ
По формуле «машинной постоянной» (1.1) устанавливающей связь между
размерами машины и электромагнитными нагрузками определяют произведение
[pic] где [pic] — диаметр якоря и [pic] — длина якоря. При расчете [pic]
предварительно выбирают индукцию в воздушном зазоре [pic] и линейную
нагрузку А. Для определения главных размеров [pic] и [pic] задаются либо
отношением [pic] либо одним из размеров. При проектировании машин первых
серий и их модификаций не устанавливалась связь между диаметром машины и
установочными размерами поэтому выбор главных размеров машины определялся
на основании рекомендаций устанавливающих экономически целесообразные
значения отношения [pic]. Полученные при расчете диаметры якоря округлялись
до стандартного ближайшего значения выбранного по шкале диаметров якорей
Машины постоянного тока современных серий имеют единую шкалу высот оси
вращения. При заданной высоте оси вращения [pic] внешний диаметр корпуса
машины постоянного тока не может превышать размер 2[pic]. Обычно этот
диаметр должен быть не более [pic] м.
По данным многих типов и конструкций машин постоянного тока относительная
радиальная высота магнитной системы [pic] является функцией числа полюсов.
Область значений этой функции для различных чисел полюсов приведена на рис.
5. Пользуясь рис. 11.1 и рис. 11.5 можно определить предварительное
значение диаметра якоря. Значение [pic] необходимо уточнить после
составления эскиза магнитной системы и межполюсного окна. Далее по
постоянной Арнольда (1.1) и уточненному значению [pic] устанавливают
расчетную длину якоря [pic].
Так как традиционный способ определения главных размеров машины через
отношение длины якоря к его диаметру более удобен на рис. 11.6 приведены
зависимости [pic] от диаметра якоря для машин постоянного тока серий 4П
П П и ПН полученные путем расчета указанного показателя реальных машин.
При выборе отношения [pic] необходимо иметь в виду что с увеличением длины
машины уменьшается относительная длина лобовых частей возрастает КПД
снижается момент инерции якоря но при этом ухудшаются условия охлаждения и
Рис. 11.5. К определению отношения внешнего диаметра машины к диаметру
Рис. 11.6. Зависимость X от диаметра якоря для машин различных серий
Электромагнитная мощность. В (1.1) в качестве расчетной принята
электромагнитная мощность [pic]. Однако истинное значение электромагнитной
мощности можно определить только после полного расчета электрической машины
— на этапе расчета ее характеристик. Поэтому мощность [pic] определяют по
номинальной (заданной) мощности [pic] и предварительно принятому значению
Зависимость КПД от номинальной мощности для машин общего назначения
приведена на рис. 11.7.
Для генераторов расчетная мощность принимается равной:
Рис. 11.7. Зависимость КПД машин постоянного тока от мощности машины
Значения коэффициентов [pic] и [pic] приведены в табл. 11.8 там же даны
значения коэффициента [pic] определяющего отношения тока возбуждения к току
Таблииа11.8. Значения коэффициентов [pic] [pic] [pic]
Мощность машины кВт [pic] [pic] [pic]
Менее 1 14-115 065-085 02-008
—10 12-11 082-095 01-0025
—100 115-106 085-097 0035-002
0—1000 106-103 093-098 002-005
Для электрических машин общего назначения можно определить
электромагнитную мощность по формуле
где [pic] — КПД (рис. 11.7).
Выбор коэффициента полюсного перекрытия. Расчетный коэффициент полюсного
перекрытия [pic] как следует из (1.1) оказывает влияние на степень
использования машины: с увеличением [pic] возрастает использование машины.
Однако при чрезмерном увеличении [pic] уменьшается ширина межполюсного окна
[pic] возрастает поток рассеяния главных полюсов увеличивается
проникновение поля главных полюсов в зону коммутации уменьшается
коммутационная надежность машины.
Для машин общего назначения с добавочными полюсами значение [pic]
устанавливается в пределах 055 072 без добавочных полю сов [pic] =
На рис. 11.8 приведены зоны предельных значений [pic] для машин общего
назначения при числе полюсов 2р ≥ 4.
Рис. 11.8. Зависимость [pic]
Выбор электромагнитных нагрузок. Согласно (1.1) увеличение
электромагнитных нагрузок [pic] и [pic] приводит к улучшению использования
объема якоря. Однако с ростом линейной нагрузки [pic] увеличивается нагрев
якоря и машины ухудшается коммутация с ростом [pic] насыщаются отдельные
участки магнитной цепи.
Таким образом оптимальные значения электромагнитных нагрузок невозможно
выбрать на начальном этапе расчета электрической машины. Этот выбор как
правило основывается на данных полученных в результате анализа ранее
разработанных серий машин постоянного тока или путем расчета и сравнения
Рекомендуемые значения [pic] и [pic] для машин общего назначения
приведены на рис. 11.9 и 11.10. При выборе линейных нагрузок необходимо
учитывать что для хорошо охлаждаемых машин можно выбрать более высокие
значения линейных нагрузок; для тихоходных машин работающих с
перегрузками и частными реверсами необходимо принимать уменьшенные
значения линейных нагрузок. Выбранные значения электромагнитных нагрузок
обычно корректируются после расчета ряда вариантов выбора главных размеров
геометрии зубцовой зоны и обмоток.
Рис. 11.9. Зависимость линейной нагрузки от диаметра якоря
Рис. 11.10. Зависимость индукции в воздушном зазоре от диаметра якоря
4. РАСЧЕТ ОБМОТКИ И ПАЗОВ ЯКОРЯ
В § 3.13 даны исходные рекомендации по выбору и расчету обмоток машин
постоянного тока. Тип обмотки и число параллельных ветвей определяют
исходя из принятого числа главных полюсов 2р и тока параллельной ветви
[pic]. Число главных полюсов машин постоянного тока общего назначения в
зависимости от диаметра можно принимать: 2р = 2 при D до 100 мм и 2р = 4
Для расчета числа параллельных ветвей определяют предварительное значение
для двигателей [pic].
Значения коэффициентов [pic] приведены в табл. 11.8.
Исходя из принятого числа главных полюсов 2р предварительного значения
тока якоря [pic] и допустимого тока параллельной ветви [pic] = 250 300 А
согласно данным § 3.14 принимают тип обмотки.
При токах якоря до 600 А выбирают простую волновую обмотку от 500 до
00 А — простую петлевую обмотку. Число проводников обмотки якоря
Согласно рекомендации § 3.14 и ориентировочным значениям зубцового
деления [pic] определяют число пазов якоря:
Ориентировочные значения [pic] для различных высот оси вращения
[pic] мм 80 200 225 315 355 500
[pic] мм 10 20 15 35 18 40
Число эффективных проводников обмотки в пазу NZ должно быть в
двухслойных обмотках четным числом.
По условиям коммутации пазовый ток [pic] не должен превышать 1500 1600
Для расчета числа коллекторных пластин К и числа секционных сторон в пазу
ип целесообразно рассмотреть несколько вариантов выполнения обмотки.
Результаты расчета удобно представить в виде таблицы
№ варианта [pic] [pic] [pic] [pic]
При сравнении вариантов следует учесть что в двигателях с полузакрытыми
пазами всыпная обмотка из круглых проводников может иметь дробное число
витков секции [pic] так как в этом случае допускается выполнение секций
расположенных в одном пазу с разным числом витков. Например в некоторых
машинах серии 2П при волновой обмотке с [pic] = 3 число витков в секциях
принято равным 1-2-1 2-1-2 5-4-5.
При открытых пазах и проводах прямоугольного сечения значения [pic]
должны округляться до ближайшего целого числа.
Максимальное число коллекторных пластин [pic] должно оцениваться по
минимально допустимому значению коллекторного деления которое в
зависимости от диаметра коллектора должно быть не менее:
[pic] мм 125 140-280 315-500
Для серийных машин без компенсационной обмотки допускается [pic] до 16 В
для машин с компенсационной обмоткой [pic] ≤ 20 В для машин малой мощности
(до 1 кВт) [pic]≤ 25 30 В. Для расчета коллекторного деления [pic]
необходимо выбрать внешний диаметр коллектора [pic] из следующего ряда по
ГОСТ 19780—81: 56 63 71 80 90 100 112 125 140 160 180 200 224
0 280 315 355 400 450 мм.
Диаметр коллектора [pic] при открытых пазах якоря должен находиться в
При полузакрытых пазах якоря и отсутствии петушков на коллекторе
После выбора варианта обмотки необходимо уточнить линейную нагрузку
и скорректировать расчетную длину машины.
Поперечное сечение эффективного проводника обмотки якоря м2
где [pic] — плотность тока Ам2.
Плотность тока предварительно выбирают используя зависимости
произведения AJ от класса нагревостойкости изоляции (рис. 11.11)
построенные по данным серийных машин постоянного тока.
Для всыпных обмоток якоря с полузакрытыми пазами следует выбрать круглый
провод марки ПЭТВ при классе нагревостойкости В. При классе
нагревостойкости Н могут быть применены провода марки ПСДТК. Диаметр
изолированного провода не должен превышать 18 мм.
Эффективные проводники всыпных обмоток обычно состоят из нескольких
элементарных проводников. Число элементарных проводников [pic] и сечение
элементарного проводника [pic] определяют из равенства
где [pic] должно быть целым числом.
Рис. 11.11. Зависимость произведения AJ от диаметра якоря
Сечение и размеры прямоугольных проводников обмотки якоря с открытыми
пазами определяют при расчете размеров паза и зубца.
Форма паза и геометрии зубцовой зоны в целом зависят от диаметра якоря
типа и конструкции обмотки.
Наиболее целесообразной с точки зрения технологии обмоточных работ
формой паза является открытый паз с параллельными стенками. При
прямоугольной форме проводников эти пазы имеют высокий коэффициент
Однако при открытых пазах увеличивается коэффициент воздушного зазора
возрастают пульсация магнитного потока и зубцовые гармонические
электромагнитного момента. Увеличиваются также поверхностные и
пульсационные добавочные потери в магнитной системе.
Области применения полузакрытых и открытых пазов указаны в гл. 3.
При диаметрах якоря до 50 мм для упрощения формы штампа допускается
применение пазов круглой формы.
При выбранной форме паза исходной величиной в расчетах геометрии зубцовой
зоны является площадь паза которая должна быть достаточной только для
размещения в пазу проводников обмотки якоря изоляции и крепления (клина).
Овальные пазы якоря. При овальной форме паза зубцы выполняют с
равновеликим по высоте сечением (рис. 11.12). Ширина зубца предварительно
где [p kc — коэффициент
заполнения пакета якоря сталью (см. табл. 9.13).
Значения магнитной индукции [pic] в зависимости от частоты
перемагничивания степени защиты и способа охлаждения могут быть приняты
согласно данным табл. 11.9.
Высоту паза [pic] предварительно выбирают согласно рис. 11.13.
Предварительно выбранные значения размеров паза уточняют на основании
расчетов индукций в соответствующих участках магнитной цепи зубцовой зоны и
размещении обмоток в пазах. Одновременно необходимо иметь в виду что
высота ярма якоря [pic] (см. рис. 11.13) должна быть более или равной
значению [pic] при котором магнитная индукция в спинке якоря является
предельно допустимой (табл. 11.10).
Рис. 11.12. Зависимость высоты паза от диаметра якоря
Таблица 11.9. Значения магнитной индукции в зависимости от частоты
Исполнение двигателей по Магнитная индукция Bz Тл при частоте
степени защиты и способу перемагничивания Гц
IP22 IC01 IC17 IP44 IC37 165-185 175-195 185-205 19-21
IP44 IC0141 14-16 15-17 155-175 16-18
IP44 IC004I 13-15 13-16 15-17 155-175
Таблица 11.10. Исполнение двигателей по степени защиты и способу
Исполнение двигателей по степени защитыМагнитная индукция Bj Тл при частоте
и способу охлаждения перемагничивания Гц
IP22 IC01 IP22 IC17 IP44 IC37 14 145
Примечание. При числе полюсов 2р = 2 предельные значения В можно
Минимальная высота спинки якоря [pic] равна
где Ф — магнитный поток в воздушном зазоре Вб; [pic]— длина пакета якоря
м; df — диаметр аксиальных вентиляционных каналов м Bj — индукция в
Обычно магнитопроводы якорей с овальными пазами выполняются без
аксиальных каналов и только в некоторых случаях при высотах оси вращения
[pic] 200 мм и диаметрах якоря свыше 200 мм выполняется один ряд аксиальных
При расчете [pic] и [pic] необходимо вдаться значением внутреннего
диаметра листов якоря [pic] (см. рис. 11.13).
Рис. 11.13. Размеры полузакрытых пазов овальной формы
Это значение приближенно определяют по формуле:
где D0 — в см если [pic] в кВт.
Для машин серии 2П внутренний диаметр [pic] можно определить по табл.
Таблица 11.11. Внутренний диаметр машин серии 2П
IP22 IC01 IC17 IP44 IC37 19-21 2-22 21-23 22-24
IP44 IC0141 16-18 17-19 18-2 19-21
IP44 IC0041 15-17 16-18 17-1.9 18-2
Рис. 11.14. Размеры пазов прямоугольной формы
Рис. 11.15. К расчету и проектированию секций обмоток якоря
Якоря машин постоянного тока общего назначения с прямоугольными пазами
при диаметрах свыше 200 мм имеют аксиальные вентиляционные каналы. При
диаметрах до 300 мм достаточно выполнить один ряд каналов диаметром от 15
до 22 мм при числе каналов от 18 до 25.
При диаметрах от 300 мм до 500 мм выполняют два ряда каналов диаметром от
до 34 мм с числом каналов от 24 до 30.
При диаметрах якоря до 500 мм пакет магнитопровода насаживают
непосредственно на вал. Внутренний диаметр сердечника в этом случае
принимают ориентировочно равным [pic] или рассчитывают по формуле (11.13).
Размеры паза [p уточняют после проверки
индукции в спинке якоря [pic] которая не должна превышать предельных
значений приведенных в табл. 11.10.
При креплении обмоток в пазах якоря клиньями (рис. 11.14) высота клина
[pic] принимается равной приблизительно 4 мм высота шлица [pic] = 1 мм.
После выбора размеров паза и зубца определяется максимальная ширина
проводника с изоляцией:
При скосах пазов на одно или половину зубцового деления расчетную ширину
паза в формуле (11.27) необходимо уменьшить на 01 мм.
Предельно допустимые значения высоты проводника с изоляцией равны:
где [pic]— число витков в секции. Для уменьшения эффекта вытеснения тока в
проводниках обмотки якоря вращающегося в магнитном поле принимается
высота элементарного проводника не более 4 мм при [pic] 100 Гц 7 мм при
[pic] 50 Гц 10 мм при [pic] 25 Гц. В этом случае допускается разделить
эффективный проводник по высоте на два элементарных проводника каждый из
которых имеет высоту не превышающую допустимый размер по высоте для данной
По размерам [pic] необходимо выбрать по табл. ПЗ.З стандартные размеры и
Обмотки якорей с прямоугольными пазами выполняют из проводников
прямоугольного сечения марки ПЭТВП при классе нагревостойкости изоляции В и
ПЭТП-155 при классе нагревостойкости изоляции F.
Все типы двигателей серии 4П выполняют с изоляцией класса
Если провода имеют круглое сечение то при классах нагревостойкости
изоляции Вир выбирают марку ПСД при классе нагревостойкости Н — ПСДК.
После проверки размещения всех проводников обмотки якоря в пазу с учетом
клина пазовой и витковой изоляций уточняют размеры паза которые округляют
до ближайшей большей десятой миллиметра.
По выбранному сечению проводника определяют плотность тока Ам2
и произведение AJa А2м3.
Полученное значение произведения AJa необходимо сравнить с
рекомендованными (см. рис. 11.11). Если [pic] превышает допустимые
значения то необходимо увеличить площадь паза и повторив расчет зубцовой
зоны и размеров проводников установить окончательные размеры паза.
Размеры секций обмотки якоря (рис. 11.15) определяют по чертежу пакета
якоря и обмоточным данным.
Длины переднего [pic] и заднего [pic] вылетов секции равны:
где а — прямолинейный участок секции с учетом радиуса изгиба; в зависимости
от напряжения значение а равно:
U В 250 500 750 1500
а м 0013 0015 0019 0025
[pic] — прямолинейный участок концов секции который при перекрученных
проводниках секции равен 0015 002 м при расплющенных концах секции
4 м при выполнении секции без скрутки проводников 0012 0015 м; с —
прямолинейные участки лобовых частей передней части секции (с учетом
Прямолинейные участки лобовых частей передней части секции [pic] и задней
Соответственно вылеты [pic] и [pic] равны:
Шаг [pic] для предварительных расчетов
Угол [pic] определяют согласно рис. 11.15:
где [p [pic] [pic] — расстояние между
лобовыми частями двух соседних катушек:
Длина полувитка обмотки якоря м
Сопротивление и массу обмотки определяют соответственно по (11.25)
5. РАСЧЕТ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ПОД ГЛАВНЫМИ ПОЛЮСАМИ. КОМПЕНСАЦИОННАЯ
Воздушный зазор под главными полюсами является одним из главных размеров
машины хотя выбирают его часто исходя из технологических и конструктивных
соображений. От размера этого зазора зависят основные характеристики
машины а также потенциальные условия коммутации на коллекторе допустимый
диапазон регулирования частоты вращения и т. д.
Поскольку в машинах постоянного тока за редким исключением щетки
устанавливаются строго по линии геометрической нейтрали а магнитная цепь
насыщена то при расчете магнитной цепи машины рассматривают только
поперечную составляющую реакции якоря и влияние ее на магнитное поле в
Расчет размагничивающего действия поперечной реакции якоря производят по
переходной характеристике [pic] (рис. 11.16) построенной по результатам
расчета магнитной цепи (см. табл. 11.19). При нагрузке под действием
поперечной реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается: под
одним краем полюса индукция уменьшается под другим возрастает. Точки [pic]
и [pic] отстоящие от ординаты [pic] на расстоянии 05 [pic] (где [pic] —
ширина полюсной дуги) определяют значения [pic] и [pic] под краями
полюсов а кривая daf— распределение индукции в воздушном зазоре на
протяжении полюсной дуги.
Среднее значение индукции в воздушном зазоре в этом случае можно
определить по формуле известной из общего курса теории электрических машин
где [pic] — индукция в воздушном зазоре в режиме холостого хода.
Для определения МДС размагничивания поперечной реакции якоря [pic]
необходимо ось [pic] криволинейного четырехугольника [pic] сместить по оси
[pic] на отрезок [pic][pic]. В масштабе МДС этот отрезок определяет
размагничивающее действие реакции якоря.
Как видно из рис. 11.16 поперечная реакция якоря нарастает от середины
полюсной дуги к его краям. При значительной поперечной реакции якоря может
произойти опрокидывание поля под одним краем полюса: точка d сместится по
кривой индукции (рис. 11.16) в область отрицательных значений [pic].
Так как поле реакции якоря замыкается по контуру — зубцы якоря спинка
якоря воздушный зазор полюсный наконечник то воздушный зазор выбирают
таким чтобы индукция [pic] на протяжении всей полюсной дуги не изменяла
своего направления. Обычно это условие выполняется на всех рабочих
диапазонах изменения тока якоря и индукции в воздушном зазоре если
воздушный зазор [pic] находится в пределах указанных на рис. 11.17.
Рис. 11.16. Переходная характеристика машины постоянного тока
Рис. 11.17. Зависимость длины воздушного зазора от диаметра якоря
Рис. 11.18. Полюсный наконечник главного полюса
Рис. 11.19. Пазы компенсационной обмотки
В целях снижения реакции якоря под краями полюсов воздушный зазор может
выполняться эксцентричным или с приподнятыми краями полюсов (рис. 11.18). В
этом случае воздушный зазор может быть рассчитан по формуле
где [pic] — коэффициент приведения неравномерного воздушного зазора
имеющего размер [pic] под серединой полюса и [pic] под краем полюсного
наконечника. Обычно [pic].
В машинах серии 4П и в машинах других серий при диаметрах якоря свыше 300
мм а также в машинах с широким диапазоном регулирования частоты вращения и
большой кратностью перегрузок для компенсации поперечной реакции якоря в
зоне полюсной дуги применяют компенсационную обмотку.
Конструктивно компенсационную обмотку выполняют в виде однослойной
катушечной а в крупных машинах — в виде стержневой обмотки и укладывают в
пазы наконечников главных полюсов (рис. 11.19) или в пазы статора в машинах
Схема выполнения компенсационной обмотки приведена на рис. 11.20 где
буквами N и S обозначена полярность добавочных полюсов.
Рис. 11.20. Схема выполнения компенсационной обмотки
При расчете компенсационной обмотки обычно принимают ее МДС в зоне
полюсной дуги в пределах
Компенсационную обмотку соединяют последовательно с обмоткой якоря что
создает автоматическую компенсацию реакции якоря при любом токе нагрузки.
Во избежание вибраций магнитного происхождения зубцовый шаг по полюсному
наконечнику [pic] (см. рис. 11.19) должен отличаться от зубцового шага
[pic] по якорю. Это условие обычно выполняется если число пазов
компенсационной обмотки находится в пределах
Число зубцов [pic] должно быть четным. Выбор числа зубцов [pic] и расчет
зубцовой зоны компенсационной обмотки производят в следующем порядке.
Определяют число проводников компенсационной обмотки на один полюс:
Число параллельных ветвей [pic] принимают равным единице при токе якоря
до 2000 А. Если ток в пазу компенсационной обмотки превышает 2000 А то ее
выполняют в две параллельные ветви: [pic] = 2.
Выбирая ZK в диапазоне от 6 до 12 определяют шаг [pic] ширину зубца
индукция в минимальном сечении зубца компенсационной обмотки.
Ширина паза в свету равна:
При выбранном числе пазов [pic] определяют число проводников обмотки в
Число [pic] округляют до ближайшего целого числа.
Площадь поперечного сечения проводника компенсационной обмотки
где [pic] — плотность тока в компенсационной обмотке.
В зависимости от класса нагревостойкости изоляции плотность тока [pic]
принимают равной (47 52)·106 Ам2 для класса В (53 58)·106 Ам2
для класса F и (60 66)·106 Ам2 для класса Н. Плотность тока в
компенсационных обмотках машин серии 4П принимают в соответствии с
рекомендациями по выбору плотности тока в статорных обмотках асинхронных
При числе проводников в пазу более двух компенсационную обмотку выполняют
катушечной с укладкой в открытые пазы. В этом случае проводники размещают в
зависимости от выбранных размеров элементарного проводника либо меньшей
либо большей стороной по ширине паза. Стороны катушечных групп могут
укладываться как в один так и в два ряда по ширине паза (рис. 11.21 а—в).
При числе проводников в пазу [pic] = 1 или 2 (рис. 11.21 г д) обмотку
выполняют стержневой. Стержневые обмотки из неизолированной шинной меди
изолируют и вставляют с торца в полузакрытые пазы ширину шлица паза
принимают равной 2—3 мм. В лобовых частях стержни соединяют дугами из
неизолированной шинной меди.
Конструкция изоляции компенсационных обмоток в пазу и лобовых частях
приведена в табл. 11.13—11.15.
После выбора стандартных размеров проводника схемы размещения
проводников в пазу и класса нагревостойкости изоляции обмотки окончательно
рассчитывают размеры пазов уточняют степень компенсации:
Коэффициент [pic] должен находиться в пределах 085 — 115.
Высота клина принимается равной [pic] = 25 мм высота шлица [pic] = 10
Средняя ширина катушки компенсационной обмотки м
Рис. 11.21. Укладка проводников в пазы компенсационной обмотки
Таблица 11.13. Изоляция компенсационной обмотки машин постоянного тока
(пазы прямоугольные полузакрытые обмотка однослойная стержневая h =
5 500 мм напряжение до 1000 В)
ПозМатериал Число слоев Двусторонняя толщина
Наименование марка Толщина мм Рисунок а Рисунок б
Класс нагревостойкости Класс Класс нагревостойкостипо по по по
нагревостой ширинвысотширинвысот
Наименование марка Толщина мм
Воздушный зазор [pic] [pic] [pic] [pic]
Зубцы якоря [pic] [pic] [pic] [pic]
Ярмо якоря [pic] [pic] [pic] [pic]
Зубцы [pic] [pic] [pic] [pic]
Сердечник [pic] [pic] [pic]
главного полюса [pic]
Зазор между [pic] [pic] [pic] [pic]
Станина [pic] [pic] [pic] [pic]
где [p [pic] — ширина вентиляционного канала.
Расчетная ширина полюсной дуги [pic] при эксцентричном lasope под
главными полюсами и [pic] при концентрическом зазоре под главными полюсами
с компенсационной обмоткой.
Расчетная длина якоря [pic] равна длине пакета якоря [pic] т. е.
[pic] при отсутствии радиальных вентиляционных каналов и [pic] при наличии
[pic] радиальных вентиляционных каналов шириной [pic] каждого канала.
Расчетная длина станины k для машин постоянного тока может быть
где [pic] — длина главного полюса.
Высоту главного полюса [pic] для машин постоянного тока с диаметром
якоря до 05 м предварительно можно определить по рис. 11.23. При D > 05 м
для предварительного определения высоты полюса необходимо использовать
установленные зависимости [pic] приведенные на рис. 11.5.
Высота станины [pic] определяется при известных радиальных размерах
где [pic] — высота наконечника главного полюса (см. рис. 11.19) выбирается
исходя из условия чтобы магнитная индукция в сечении [pic] не превышала
19 Тл; индукция в станине из массивной стали не должна превышать
[pic] = 13 Тл (105 Тл при классе изоляции Н). Увеличение магнитной
индукции сверхустановленных значении приводит в первую очередь к
ухудшению коммутации машины.
Ширина выступа наконечника главного полюса [pic] может быть принята
равной (01 015)[pic].
Ширина сердечника главного полюса
где [pic] — индукция в сердечнике главного полюса. Для сталей марок 3411
12 3413 [pic]= 16 17 Тл для сталей марок 1211 и 1212 [pic]= 135 155
Тл. При исполнении машины по степени защиты IP44 и способам охлаждения
IС0141 и IС0041 индукция [pic] должна быть снижена на 02—03 Тл.
Рис. 11.23. К определению высоты главного полюса
Коэффициент магнитного рассеяния главных полюсов [pic] зависит от
воздушного зазора ширины межполюсного окна [pic] и ширины полюсного
наконечника добавочного полюса.
В каждом конкретном случае путем моделирования магнитного поля в
воздушном зазоре можно определить [pic].
При расчетах магнитных цепей машин постоянного тока можно принять [pic] =
5 для двухполюсных машин [pic] = 12 для четырехполюсных машин без
компенсационной обмотки [pic] = 125 при 2р = 4 и 6 и наличии
компенсационной обмотки.
Для построения характеристики намагничивания машины постоянного тока
необходимо определить сумму МДС всех участков магнитной цепи при значениях
магнитного потока в воздушном зазоре [p 075; 09; 11 и 115
Расчет характеристики намагничивания производится по привеченной в табл.
По данным табл. 11.17 строят характеристику намагничивания машины
постоянного тока [pic] и переходную характеристику
Таблица 11.17. Расчет характеристики намагничивания машины
№ пп Расчетная величина Расчетная формула
Менее 8·10-6 ПЭТВ ПЭТ-155 ПСД Многослойная катушка; проводники круглого
(8—25)·10-6 ПЭТВП ПЭТП-155 ПСДМногослойная катушка; проводники
ПСДК прямоугольного сечения с отношением сторон 14
Более 25·10-6 Голая шинная медь Однослойная по ширине катушка с намоткой меди
Многослойные катушки из проводников круглого сечения выполняют сплошными.
Размеры катушек (рис. 11.24) ориентировочно могут быть приняты в
зависимости от диаметра якоря:
[pic] м 009 0106 0110 0132 0156 0018
[pic] м 0023[pic]0032[pic]0024[pic]0025[pic0025[pic]003[pic]
19 0018 0023 ]003 0038 004
Катушки обмоток возбуждения машин с диаметром якоря свыше 02 м выполняют
секционированными. Это увеличивает поверхность охлаждения обмоток и
позволяет повысить плотность тока в обмотке возбуждения.
Проводники прямоугольного сечения и проводники из шинной меди
наматываются плашмя меньшей стороной сечения проводника по высоте катушки.
Для расчета числа витков необходимо задаться плотностью тока [pic] в
обмотке возбуждения. Средние значения [pic] могут быть приняты равными
(2 3)·106 Ам2 при исполнении по степени зашиты IP44 и (45 6)·106 Ам2
при исполнении по степени защиты IP22.
Число витков обмотки на один полюс
где [pic] — номинальный ток возбуждения.
При укладке обмотки в межполюсном окне необходимо обеспечить воздушные
промежутки между краями главных и добавочных полюсов и выступающими краями
катушек и внутренней поверхностью станины не менее (6 8)·10-3 м.
Площадь сечения катушки м2
где [pic] — диаметр изолированного провода (при проводах прямоугольного
сечения необходимо вместо [p [pic] — коэффициент
заполнения определяющий разбухание катушки.
Окончательные размеры катушек обмоток возбуждения устанавливаются после
размещения в межполюсном окне главных и добавочных полюсов. Если площадь
межполюсного окна не позволяет разместить обмотки то необходимо увеличить
внутренний диаметр станины.
Сопротивление обмотки возбуждения Ом
меди параллельной обмотки кг
Максимальный ток обмотки возбуждения А
где [pic] должен быть не менее 11.
На главных полюсах машин без компенсационных обмоток параллельного или
независимого возбуждения в целях повышения устойчивости работы двигателя и
частичной компенсации реакции якоря выполняют стабилизирующую обмотку
которая соединяется последовательно с обмоткой якоря и обмоткой добавочных
полюсов. Конструктивно стабилизирующая обмотка располагается либо у
полюсного наконечника либо между секциями катушек главных полюсов при
этом она одновременно выполняет роль дистанционной прокладки.
Плотность тока [pic] стабилизирующей обмотки принимают в первом
приближении равной плотности тока в обмотках главных полюсов.
Число параллельных ветвей стабилизирующей обмотки принимают равным числу
ветвей компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов.
Число витков на один полюс стабилизирующей обмотки
ток якоря А; [pic] — число параллельных ветвей обмотки добавочных полюсов.
Полученное число витков округляют до ближайшего целого числа. Марка
провода и конструкция обмотки выбираются согласно табл. 11.18.
Средняя длина витка обмотки м
где [pic] — толщина изоляции катушки согласно табл. 11.2 и 11.3 плюс
односторонний зазор между катушкой и полюсом который принимается равным
(05 08)·10-3 при диаметрах якоря до 500 мм; [pic] — ширина катушки
которая определяется после выбора марки провода и размещения обмотки в
Сопротивление стабилизирующей обмотки Ом
8. РАСЧЕТ КОММУТАЦИИ
Коммутационную надежность машин постоянного тока обычно оценивают по
ширине зоны безыскровой работы машины [pic] границы которой определяют
экспериментально по значениям токов подпитки или отпитки [pic] добавочных
полюсов вызывающих появление искрения под сбегающими краями щеток. ГОСТ
3—74 устанавливает что при номинальном режиме работы машины степень
искрения не должна превышать класса 15. При этом уровне искрения
наблюдается лишь слабое точечное искрение под большей частью электрощетки
которое однако не должно оказывать существенного влияния на срок службы
коллекторно-щеточного узла машины [6].
Косвенным критерием оценки коммутационной напряженности является
реактивная ЭДС [pic] которая индуктируется в замкнутой накоротко секции во
время ее коммутации.
Для машин с высотой оси вращения до 200 мм ЭДС [pic] не должна превышать
35 В. В машинах с высотой оси вращения до 355 мм максимально
допустимая ЭДС [pic] может достигать 5 В.
Реактивная ЭДС коммутируемой секции В
где [p [p А — линейная
нагрузка Ам; [p [pic] — приведенная
удельная магнитная проводимость пазового рассеяния. Для овальных
полузакрытых пазов (см. рис. 11.13)
для прямоугольных пазов (см. рис. 11.14)
Так как активные стороны секций вступают в процесс коммутации не
одновременно а через определенные интервалы времени зависящие от ширины
щетки коэффициента укорочения обмотки числа секционных сторон в пазу и т.
д. то расчет результирующей проводимости пазового рассеяния представляет
собой довольно трудоемкую задачу.
По формулам (11.68)—(11.70) с достаточной точностью можно рассчитать ЭДС
коммутации для машин общего назначения когда диаметр якоря не превышает
0 мм а условия коммутации не являются напряженными.
Для расчета коммутации напряженных в коммутационном отношении машин а
также машин с диаметром якоря свыше 300 мм используют зависимости
определяющие средний за период коммутации эффект взаимодействия секций
расположенных в одном пазу. В этом случае средний результирующий
коэффициент удельной проводимости пазового рассеяния
Здесь коэффициент [p
Рис. 11.25. К расчету результирующего коэффициента проводимости пазового
где размеры [pic] — по рис. 11.25
[p [pic] — воздушный зазор под добавочным полюсом
предварительно принимается [pic] при бандажах на лобовой части обмотки
якоря из магнитной проволоки и [pic] = 0 5 при стеклобандажах и бандажах из
немагнитной проволоки; [pic] — относительная ширина щетки определяющая
число одновременно коммутируемых секций:
где [pic] — коллекторное деление.
При расчете [pic] по (11.69) (11.70) необходимо предварительно выбрать
ширину щетки. Ширина щетки принимается [pic] при простых волновых обмотках
[pic] при простых петлевых обмотках и [pic] при двухходовых петлевых
Ширина щетки [pic] определяет ширину зоны коммутации [pic] т.е. ширину
дуги окружности поверхности якоря в границах которой находятся
коммутируемые секции:
Диаметр коллектора [pic] коллекторное деление [pic] а также [pic]
выбирают согласно данным § 11.4; укорочение обмотки в коллекторных делениях
[pic] принимают всегда со знаком плюс. Ширина щетки должна обеспечить
ширину зоны коммутации:
где [pic] — ширина нейтральной зоны.
Верхние границы этого отношения относятся к машинам с диаметром якоря до
м нижние значения принимаются при диаметрах якоря выше 04 м. При
отсутствии добавочных полюсов в машинах малой мощности отношение [pic]
можно выбивать в пределах 08—125.
Принятое значение ширины щетки округляется до ближайшего стандартного
размера [pic] (см. табл. П4.1).
При выборе ширины зоны коммутации следует иметь в виду что увеличение
ширины зоны коммутации приводит к сокращению числа проводников якоря
участвующих в создании электромагнитного момента что влечет увеличение
тока в якоре и ухудшение условий коммутации. Поэтому желательно чтобы
щетки перекрывали не более двух-трех коллекторных пластин.
Выбор марки щеток для машин постоянного тока — весьма сложная задача так
как от марки щеток зависят коммутация машины и срок службы коллекторно-
щеточного узла. На практике марку щеток определяют в соответствии с
условиями работы согласно табл. П4.2 где приведены основные технические
данные марок наиболее распространенных щеток и области их применения.
Контактная площадь всех щеток м2
где [pic] — плотность тока в щеточном контакте Асм2 (см. табл. П4.2).
Контактная площадь щеток одного бракета (щеточного болта)
По табл. П4.1 выбирают длину [pic] одной щетки определяют площадь
щеточного контакта одной щетки [pic] и рассчитывают число щеток на один
По выбранным размерам щеток [pic] и [pic] определяют фактически
контактную площадь и уточняют плотность тока в щеточном контакте [pic].
Активная длина коллектора при шахматном расположении щеток по длине
где [pic] — длина щетки м.
Механический расчет коллекторов приведен в гл. 8.
9. РАСЧЕТ ДОБАВОЧНЫХ ПОЛЮСОВ
Магнитодвижущая сила обмотки добавочных полюсов должна создать в зоне
коммутации магнитное поле индуктирующее в коммутируемой секции ЭДС
коммутации [pic] направленную встречно реактивной ЭДС Ер. Электродвижущая
сила [pic] должна быть несколько больше Ер чтобы процесс коммутации
протекал с некоторым ускорением. При расчете индукции в воздушном зазоре
под добавочными полюсами [pic] принимают расчетное значение реактивной ЭДС
В этом случае индукция [pic] Тл
Ширина наконечника добавочного полюса (рис. 11.26) м
Рис. 11.26. Размеры добавочных полюсов
Длину наконечника добавочного полюса [pic] принимают равной длине якоря:
[pic]. Магнитный поток добавочного полюса в воздушном зазоре в зоне
где [pic] — расчетная ширина полюсного наконечника добавочного полюса.
Магнитный поток в сердечнике добавочного полюса Вб
где [p [pic] = 25 35
для машин без компенсационной обмотки; [pic] = 2 для машин с
компенсационной обмоткой.
Ширину сердечника добавочного полюса [pic] предварительно определяют по
зависимости на рис. 11.27 а. Длину сердечника добавочного полюса [pic]
принимают равной длине якоря; для машин с диаметром якоря до 0132 м длина
[pic] короче длины полюсного наконечника на (5 10)·10-3 м.
Индукция в сердечнике добавочного полюса Тл
Она не должна превышать 16 Тл.
Рис. 11.27. К расчету магнитной цепи добавочных полюсов:
а — зависимость ширины добавочного полюса от диаметра якоря;
— магнитные цепи главных и добавочных полюсов
Сердечники добавочных полюсов выполняют из стали марки СтЗ при диаметрах
якоря до 016 м при больших диаметрах — из тегов электротехнической стали
марки 3411 толщиной 10 мм. В зависимости от отношения ширины полюсного
наконечника к ширине сердечника форма поперечного сечения добавочного
полюса может быть прямоугольной (см. рис. 11.26) и прямоугольной со
скошенным наконечником при [pic].
Для расчета МДС обмотки добавочных полюсов необходимо определить
магнитные напряжения отдельных участков и полную МДС магнитной цепи на один
полюс в соответствии с табл. 11.19.
Таблица 11.19. Расчет МДС обмотки добавочных полюсов
№ Расчетная величина Расчетная формула Единица Численное
IIП величины значение
Магнитный поток в воздушном [pic] Вб
Магнитная индукция в воздушном[pic] Тл
Магнитное напряжение [pic] А
Магнитная индукция в зубцах [pic] Тл
Напряженность магнитного поля [pic] Ам
в зубцах якоря по приложению 1 Ам
Средняя напряженность [pic] Ам
магнитного поля в зубцах
Магнитное напряжение зубцов [pic] Ам
Магнитная индукция в спинке
на участке согласного [pic] Тл
направления главного потока
на участке встречного [pic] Тл
направления главного потока и
потока добавочных полюсов
Напряженность магнитного поля:
на участке с индукцией Вj1 Ам
на участке с индукцией Вj2 Ам
средняя напряженность Ам
магнитного поля в ярме
Магнитное напряжение ярма [pic] А
Магнитный поток добавочного [pic] Вб
Магнитная индукция в [pic] Тл
сердечнике добавочного полюса
Напряженность магнитного поля [pic]
в сердечнике добавочного
Магнитное напряжение в [pic] А
воздушного зазора между
станиной и добавочным полюсом
Магнитная индукция в станине: [pic] Тл
на участке согласного
направления магнитных потоков
главного и добавочного полюсов
в станине: на участке с
индукцией [pic] на участке с [pic] Ам
магнитного поля в станине
Магнитное напряжение участка [pic] А
Сумма магнитных напряжений [pic] А
МДС обмотки добавочного полюса[pic] А
Распределение магнитных потоков главных полюсов Фг и добавочных полюсов
Фд в магнитной системе машины показано на рис. 11.27 б.
Магнитодвижущая сила обмотки добавочных полюсов для машин постоянного
тока без компенсационной обмотки находится в пределах
Число витков обмотки на один добавочный полюс
где [pic] — число параллельных ветвей обмотки добавочного полюса обычно
округляется до ближайшего целого числа. Сечение провода обмотки добавочных
Средние значения [pic] машин постоянного тока при исполнении по степени
защиты IP44 могут быть приняты равными (2 3)·106 Ам2 при исполнении по
степени защиты IP22 (45 65)·106 Ам2.
Марку провода и тип обмотки добавочных полюсов выбирают согласно
приложению 1. По выбранному стандартному сечению проводника уточняют
плотность тока [pic].
После проверки размещения катушек главных и добавочных поносов с учетом
принятых припусков на разбухание катушек (см. 5 11.7) определяют
окончательные размеры витка катушки м
ширина катушки добавочного полюса; [pic] — односторонний размер зазора
между сердечником добавочного полюса и катушкой с учетом изоляции
сердечника: [pic] = (17 22)·10-3 м при диаметрах якоря до 500мм.
Сопротивление обмотки добавочного полюса в холодном состоянии Ом
меди обмотки добавочных полюсов кг
10. ПОТЕРИ И КПД. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Коэффициент полезного действия машины %
где [p [pic]— сумма потерь в
машине кВт; [pic] — потребляемая мощность кВт.
Сумма потерь в машине в общем случае кВт
где Pэа - электрические потери в обмотке якоря; Pэ.с - то же в
стабилизирующей обмотке; Pэ.в - то же в обмотке параллельного возбуждения;
Pэ.д - то же в обмотке добавочных полюсов; Pэ.к - то ж компенсационной
обмотке; Pщ - то же в переходном контакте щеток; Pст - магнитные потери в
стали якоря; Рмех - суммарные механические потери; Pдоб - добавочные
Электрические потери в обмотке якоря кВт
Электрические потери в стабилизирующей обмотке кВт
Электрические потери в цепи обмотки параллельного возбуждения кВт
Электрические потери в обмотке добавочных полюсов кВт
Электрические потери в компенсационной обмотке кВт
Электрические потери в переходном контакте щеток кВт
Значение [pic] определяют для конкретной марки щеток по табл. П4.2.
Магнитные потери в стали зубцов и ярма якоря кВт
стали зубцов якоря с овальными пазами кг
стали зубцов с прямоугольными пазами кг
спинки ярма станины кг
При наличии аксиальных каналов в спинке ярма необходимо уменьшить площадь
сечения стали ярма на значение равное площадь поперечного сечения всех
каналов. Сумма механических потерь кВт
где [p [pic] — потери на
вентиляцию и трение в подшипниках.
При принятых значениях удельного нажатия на щетку и коэффициенте трения
щеток о коллектор составляющем [pic]025 потери на трение в щеточном
где [p [pic] — окружая
скорость коллектора мс.
Средние значения потерь [pic] можно определить по рис. 11.28. Семейство
кривых А на этом рисунке относится к машинам с вентиляторами
установленными на валу машины семейство кривых Б — к машинам приводные
двигатели вентиляторов которых не установлены на машинах.
Добавочные потери при номинальной нагрузке кВт:
для некомпенсированных машин
для компенсированных машин
где [pic] — предварительное значение КПД по рис. 11.7. При номинальной
нагрузке КПД определяют в следующем порядке. Задают значения тока якоря
[p [p [p ; [p [pic].
Для каждого значения тока определяют мощность кВт
Рассчитывают суммарные потери [pic]. Для каждого значения тока определяют
полезную мощность на валу [pic] и по (11.92) КПД.
Строят зависимости [pic] и для номинального значения [pic] определяют
номинальное значение тока якоря [pic] и номинальный КПД [pic].
Электромагнитная мощность при номинальном значении том якоря
Номинальное значение ЭДС В
Номинальное значение магнитного потока [pic] и суммарную МДС [pic]
определяют по характеристике холостого хода машины по переходной
характеристике рассчитывают размагничивают действие реакции якоря [pic].
Номинальная частота вращения обмин
Номинальный ток обмотки параллельного возбуждения
Вращающий момент на валу двигателя Н·м
Зависимости М п [pic] I от полезной мощности на валу определяют рабочие
характеристики двигателя.
При расчете рабочих характеристик генераторов принимается частота
вращения якоря п = const [6].
Напряжение на выводах генератора В определяется из основного уравнения
где Е — ЭДС обмотки якоря; [pic] — сопротивления определяются по (11.25)
(11.48) (11.60) (11.90) соответственно; [pic] — падение напряжения в
щеточном контакте принимается согласно приложению 4.
Однако Е в (11.115) является сложной функцией тока якоря I тока
возбуждения Iв и состояния магнитной цепи машины. Для определения ЭДС Е
необходимо задаться током возбуждения Iв током якоря I рассчитать
Далее по характеристике намагничивания определяется ЭДС Е.
Если при указанных расчетах напряжение на выводах генератора U = const а
рассчитывается зависимость тока возбуждения от тока нагрузки [pic] то
полученная характеристика называется регулировочной.
Если принимается полное сопротивление в цепи обмотки возбуждения [pic] =
const и определяется зависимость напряжения на выходах машины от тока
нагрузки: [pic] то полученная характеристика является внешней
характеристикой генератора. В этом случае МДС в (11.116)
[pic] — число витков обмотки возбуждения.
Путем расчета серии внешних характеристик для нескольких значений [pic]
можно построить нагрузочную характеристику дающую зависимость напряжения U
на выводах машины от тока возбуждения I для принятого значения тока

Глава 7 Тепловой и вентиляционный расчет электрических машин.doc

Глава седьмая. Тепловой и вентиляционный расчет
В активных и конструктивных элементах электрических машин выделяется
значительное количество тепла. Мощность тепловых потоков выделяемых во
внутренних объемах машины такова что для их отвода в окружающую среду
необходимо создавать специальные принудительные системы охлаждения.
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛООТДАЧИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
От того как рассчитана и реализована система охлаждения электрической
машины во многом определяются ее технико-экономические показатели. К
сожалению в планах подготовки инженеров-электромехаников мало часов
отводится вопросам теплофизики которые по своему научно-техническому
содержанию мало уступают электродинамике. Поэтому в курсе проектирования
электрических машин используются упрощенные тепловые и вентиляционные
расчеты а на электромеханических заводах и НИИ есть группы инженеров-
теплофизиков занимающихся тепловыми и вентиляционными расчетами.
Тепловую напряженность машины можно оценить по мощности потерь
приходящейся на единицу наружной поверхности. Однако полная тепловая схема
машины представляет собой сложную многомерную тепловую систему.
Температурные поля в общем случае изменяются по каждой из трех
пространственных координат и не остаются постоянными с течением времени.
Для описания трехмерного температурного поля машины обычно используют
уравнение теплового состояния в общем виде
пространственные координаты; [pic] — время.
Тепловая энергия выделяемая на элементах машин при ее работе может
вызывать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных
элементов машины снижение электрической и механической прочности изоляции
обмоток уменьшение времени безотказной работы машины. Поэтому определение
тепловых потоков расчет изменения температуры в пространстве внутреннего
объема и на поверхностях охлаждения машины являются важными разделами
проектирования электрической машины. На основе этого расчета оценивается
тепловое состояние машины выбираются такие тепловые и вентиляционные схемы
и способы ее охлаждения при которых превышение температуры частей
электрической машины не превосходит пределов допускаемых значений
установленных ГОСТ 183—74 (табл. 7.1).
Температура частей электрической машины зависит от температуры
охлаждающей среды. В связи с неизбежными колебаниями температуры
охлаждающей среды принято тепловую напряженность частей электрической
машины характеризовать превышением их температуры над температурой
температура охлаждающей среды.
Номинальные данные электрической машины (мощность напряжение ток
частота вращения коэффициент мощности КПД и др.) обычно относятся к
работе машины на высоте до 1000 м над уровнем моря при температуре
окружающей среды до +40° C и охлаждающей воды до +30° C но не выше +33° C
если в стандартах или технических условиях на проектируемую машину не
указаны другие требования [19].
При длительной работе электрической машины влияние на тепловой режим и
нагрев ее отдельных частей оказывают изменения напряжения сети частоты
нагрузки и другие факторы.
Согласно ГОСТ 183—74 на общие технические требования к электрическим
машинам установлены восемь номинальных режимов работы из которых наиболее
часто встречаются следующие: 1) продолжительный (условное обозначение S1);
) кратковременным (S2) с длительностью рабочего периода 10 30 60 и 90
мин; 3) повторно-кратковременный (S3) с относительной продолжительностью
включения ПВ-15 25 40 и 60 % длительности одного цикла работы равного 10
мин; 4) перемежающийся с чередованием неизменной номинальной нагрузки и
холостого хода (S6) без выключения машины с продолжительностью нагрузки ПН-
25 40 и 60 % длительности одного цикла работы равного 10 мин.
Предельная допускаемая температура для какой-либо части электрической
машины определяется как сумма допускаемого превышения температуры взятой
из табл. 7.1 и предельной допускаемой температуры охлаждающей среды +40°
C принятой для электрических машин общего назначения.
Предельная допускаемая температура подшипников не должна превышать
следующих значений: для подшипников скольжения 80о C (температура масла
не должна быть при этом выше 65° С) для подшипников качения 100° С.
Таблица 7.1. предельно допустимые превышения температуры частей
электрических машин при температуре газообразной охлаждающей среды +40о C и
высоте над уровнем моря не более 1000 м (по ГОСТ 183—74)
№ Часть электрических машин Изоляционный материал (по ГОСТ 8865—87)
Сердечники и другие стальные
части не соприкасающиеся с
изолированными обмотками
Сталь листовая электротехническая марок:
Сталь листовая электротехническая шихтованная поперек пакетов:
лист 05 мм покрытие лаком 31
сталь 1521 035 мм пропитка компаундом ЭК-1М 19
Сплавы алюминия (АК3 АК4 АКМ2-1) 147 159
Сталь (марки 08 10 20 35 45) 48 64
Стеклополотно 017 018
Стеклолакоткань 018 021
Слюда (флогонит) 051
Миканит ГФС 021 041
Пленка полиимид 027
Пленка фторопласт 34 010022
Пленка экскапон 020
Стеклослюдинит (ФС25К-40ГС25КН) 012024
Стеклотекстолит 033 043
Изоляция пазовая обмоток якоря машин постоянного тока и роторов машин
То же статорных обмоток асинхронных машин:
классы В (компаундированная) F H 016
Изоляция монолит-2 различного состава 019 032
Воздух при [pic]= 101 кПа [pic]= 40 о C 00266
Используя законы Фурье и сохранения энергии можно привести уравнение
теплового состояния (7.1) к дифференциальному уравнению теплопроводности
которое связывает временные и пространственные изменения температуры
рассматриваемого элемента машины:
где [p с — удельная теплоемкость
элемента электрической машины Дж(кг· ° С); [pic] — мощность внутренних
источников тепла представляющая собой количество теплоты выделяемое в
единице объема элемента машины за единицу времени.
Уравнение (7.6) можно использовать для анализа нагревания; тела в
стационарных и нестационарных режимах.
Теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной)
средой конвективный теплообмен описывается экспериментальным законом
Ньютона—Рихмана связывающим плотность теплового потока на поверхности
[pic] с температурами поверхности [pic] и среды [pic]:
Соответственно перепад температуры между поверхностью охлаждающей средой
где [pic] — коэффициент теплоотдачи поверхности Вт(м2· ° С)
характеризующий интенсивность теплообмена [16 17].
Теплообмен путем излучения для электрических машин работающих в обычных
условиях не учитывается из-за небольшой его доли в общем процессе
теплообмена. Отвод тепла путем излучения становится основным при работе
Испарительное охлаждение в машинах общепромышленного применения
практически не используется.
3. НЕУСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРЕВАНИЯ
Испытания электрических машин на нагрев показывают что в области
номинальных нагрузок машины общего назначения имеющие сравнительно низкие
удельные тепловые нагрузки подчиняются закону нагревания идеального
однородного тела. В данном случае с достаточной точностью можно считать
что тепло рассеиваемое с поверхности машины S пропорционально превышении
температуры поверхности (7.4). При неизменных потерях [pic] выделяемых в
объеме машины дифференциальное уравнение нагревания выражающее баланс
энергии за время [pic] будет иметь вид
[pic] — масса машины кг.
В установившемся режиме когда достигнуто конечное превышение температуры
машины все выделяемое тепло рассеивается в окружающую среду:
Общим решением уравнения (7.5) при одномерном выделении теплоты будет
где [p [pic] — постоянная
времени нагревания машины равная [pic].
При [pic] уравнение (7.11) соответствует процессу нагревания при [pic] —
процессу охлаждения. Кривые нагревания и охлаждения машины представлены на
рис. 7.1 и 7.2. Если в процессе нагревания [pic] то уравнение (7.11)
Рис. 7.1. Кривая нагревания машины
Рис. 7.2. Кривая охлаждения машины
Если при охлаждении конечная температура машины сравняется с температурой
окружающей среды то [pic] и уравнение охлаждения по (7.11) имеет вид
При экспоненциальном законе нарастания температуру можно считать
установившейся (в пределах точности до 5 %) через время [pic]. Согласно
(7.10) ее значение составит
Уравнение (7.6) позволяет рассчитать нагрев машины для большинства
неустановившихся тепловых режимов [16 17].
4. СТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Основными источниками выделения теплоты в электрической машине являются
обмотка элементы магнитопровода и конструктивные элементы в которых
возникают потери от перемагничивания. Тепло выделяется и в скользящем
контакте. Механические потери в том числе и вентиляционные также
увеличивают нагрев машины.
На пути движения тепловых потоков от источников тепла происходит перепад
температуры в активных частях машины в изоляции и между охлаждающими
поверхностями и охлаждающей средой. В тепловом расчете определяются все
внутренние перепады и превышения температуры внешней поверхности
охлаждаемых частей электрической машины над температурой охлаждающего
В практических расчетах часто ограничиваются определение среднего
превышения температуры обмоток т. е. допускают что температура обмоток в
стали пакетов статора (ротора) постоянна.
Для определения полного превышения температуры обмоток необходимо учесть
подогрев охлаждающей среды которая поступая машину воспринимает тепло от
Повышение технического уровня новых серий электрических машин ставит
задачу поиска оптимальных вариантов основанных на весьма точных методах
электромагнитного и теплового расчетов разрабатываемой машины. Поэтому с
развитием электромашиностроения совершенствуются и развиваются методы
анализа и расчета тепловых процессов в машинах более точно рассчитываются
превышения температуры всех элементов машины.
Теплопроводность однородной стенки при отсутствии внутренних источников
потерь. Количество тепла [pic] проходящего через однородную стенку
(изоляцию воздушный зазор проводник лист стали и т.д.) пропорционально
перепаду температуры стенки [pic] площади стенки [pic] в плоскости
перпендикулярной движению теплового потока и теплопроводности [pic]
материала стенки и обратно пропорционально толщине стенки [pic]:
Соответственно перепад установившейся температуры составит
Введем понятие теплового сопротивления стенки [pic] определяющего
перепад температуры аналогично электрическому сопротивлению [pic]
вызывающему соответствующее падение напряжения в цепи:
В многослойной изоляционной стенке суммарный перепад температуры равен
сумме перепадов в отдельных слоях. Соответственно суммарное тепловое
сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных слоев изоляции:
где [pic] — тепловое сопротивление n-го слоя стенки паза толщиной [pic].
Эквивалентная теплопроводность многослойной изоляционной стенки с общей
толщиной [pic] равна
Наличие воздушных прослоек в слоистой изоляции резко снижает
результирующую теплопроводность изоляции. Для улучшения теплопроводности
многослойной изоляции обмоток электрических машин и повышения ее
электрической прочности предусматривают компаундирование обмоток
специальными лаками и компаундами. Поэтому при выполнении тепловых расчетов
электрических машин обычно используют эквивалентные значения
теплопроводности полученные экспериментальным путем для соответствующего
класса изоляции (табл. 7.2).
Теплоотдача с поверхности. Отвод тепла охлаждающей средой с поверхности
элементов машины определяется по формуле
где [pic] — коэффициент теплоотдачи зависящий от характера течения
скорости физических свойств охлаждающей среды и от шероховатости
поверхности охлаждения; [pic]— перепад температуры на поверхности
охлаждения °С; [pic] — площадь поверхности охлаждения м2
Выражение (7.20) по аналогии с электрической цепью можно представить в
где [pic] — тепловое сопротивление поверхности нагретого тела.
Коэффициент теплоотдачи [pic] определяют экспериментально на натурных
образцах или моделях. Результаты экспериментов обрабатывают и представляют
в таком виде чтобы формы уравнений для модели и реальной машины были
одинаковыми. Эти уравнения совпадают если вводятся критерии подобия. В
тепловых расчетах электрических машин используются наиболее часто следующие
[pic] — теплопроводность охлаждающей среды движущейся относительно
рассматриваемой стенки.
Характерный линейный размер для каналов определяется как отношение
площади сечения [pic] канала к его периметру [pic]. Этот параметр
называется гидравлическим диаметром канала:
Для канала круглого сечения гидравлический диаметр равен геометрическому
диаметру сечения канала. При прямоугольном сечении канала со сторонами
[pic] и [pic] гидравлический диаметр согласно (7.23) равен:
для квадратного сечения при [pic]
для узких прямоугольных каналов при [pic]
Для открытых поверхностей охлаждения характерная длина принимается равной
длине или высоте охлаждаемой поверхности.
гидравлический диаметр канала; [pic] — коэффициент кинематической вязкости
удельная теплоемкость; [pic] — плотность окружающей среды.
где [p [p [pic] — угловая
скорость прошения ротора.
Число Тейлора характеризует течение воздушного потока в цилиндрических
коаксиальных каналах одна из поверхностей которых вращается.
В электрических машинах с воздушным охлаждением на долю тепловых
сопротивлений поверхностей охлаждения приходится от 50 до 80% общего
теплового сопротивления электрической машины. Теплообмен в каналах и с
поверхностей охлаждения машин обычно рассчитывается по формулам полученным
при опытных исследованиях конвективного теплообмена на моделях и натурных
машинах. В табл. 7.3 приводятся некоторые формулы которые используют в
тепловых расчетах электрических машин [16].
Таблица 7.3. Теплообмен отдельных поверхностей охлаждения
Участок охлаждения Уравнение теплоотдачи
Теплообмен в зазоре между ротором и статором [pic]
Теплообмен в зазоре машин постоянного тока и [pic]
синхронных машин при Re = 25·103 15·104;
[p [p [pic] при вытяжной [pic] при
нагнетательной вентиляции
Теплообмен обдуваемых ребристых станин при [p
[pic] где [pic] — расходная скорость воздуха
на входе в канал; [pic] — окружная скорость [pic]
вентилятора. Высота оси вращения [pic] мм
Теплообмен внутренних поверхностей станины и [pic]
щитов асинхронных машин при [p [pic] и
[pic] — внешний и внутренний диаметры
сердечника статора; [pic]
Теплообмен на поверхности якоря и катушек [pic]
возбуждения машин постоянного тока где [pic]
— окружная скорость якоря
Теплообмен на поверхности коллектора и [pic]
контактных колец где [pic] без обдува
поверхности коллектора [pic] при интенсивном
обдуве поверхности коллектора; [pic] —
окружная скорость коллектора
Теплообмен на обдуваемых поверхностях станин и[pic]
подшипниковых щитов лакированных медных
поверхностях (усредненные значения
коэффициента теплоотдачи [pic] — для
поверхностей ротора; для поверхностей лобовых
частей и статорных обмоток [pic])
теплопередача через оребренную стенку. [pic] —[pic]
коэффициент эффективности ребра где [pic] и
теплопроводность материала ребра; [pic] —
коэффициент теплоотдачи на оребренной
При определении установившейся температуры рассматриваемой части машины
необходимо учесть подогрев воздуха обдувающего поверхность. Полный
подогрев охлаждающего воздуха
где [p [pic] — необходимое
количество охлаждающего воздуха м3с.
Принимая линейный характер изменения нагрева воздуха вдоль пути его
движения считают что среднее превышение его температуры над температурой
входящего холодного воздуха [pic] равно примерно [pic]. В итоге средняя
установившаяся температура обмотки электрической машины включает перепад
температуры в изоляции [pic] превышение температуры охлаждаемой
поверхности [pic] и среднее превышение температуры воздуха [pic]:
5. МЕТОД ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ
Точное решение задачи определения температурных полей электрических машин
возможно с применением численных методов расчета трехмерных полей. Однако
на практике тепловые расчеты машин выполняют чаще всего с помощью тепловых
схем замещения. Этот метод можно рассматривать как приближенный для решения
трехмерных задач. Он основан на аналогии тепловых и электрических
сопротивлений. Эта аналогия вытекает из известных формул для элементарных
участков тепловой и электрической цепи
При теплоотдаче с поверхности твердого тела уравнение (7.30)
площадь поверхности охлаждения.
Метод тепловых схем замещения может рассматриваться как метод конечных
разностей когда шаг сетки выбирают равным длине однородного участка
тепловой схемы машины и он становится соизмеримым с размерами отдельных
Для составления тепловой схемы замещения всю тепловую систему машины с
непрерывно распределенными тепловыми источниками и тепловыми параметрами
заменяют эквивалентной электрической схемой (сеткой) составленной из
внутренних сопротивлений между узловыми точками [pic] и поверхностных
сопротивлений [pic]. Точность решения увеличивается при увеличении числа
узловых точек тепловой схемы. При этом необходимо помнить что точность
теплового расчета определяется не только количеством узловых точек но в
большой степени зависит от точности определения коэффициентов теплоотдачи с
поверхностей нагрева теплопроводности выбранных материалов и других
факторов вносящих неопределенность в исходные данные. Поэтому часто для
определения тепловой напряженности отдельных участков или всей машины
используют упрощенные тепловые схемы замещения с мальм числом узловых
Применение тепловых схем замещения дает возможность определять средние
температуры частей электрической машины принимаемых за однородные тела.
Рассмотрим построение тепловой схемы замещения на примере статора
асинхронной машины. Тепловую схему статора можно разбить на три условно
однородные в тепловом отношении части являющиеся источником тепла и
имеющие внутренние тепловые сопротивления: пазовую и две лобовые части
обмотки статора с источниками тепловых потерь мощностью [pic] и [pic] и
стальной сердечник с потерями [pic] (рис. 7.3). В каждой части машины
выделяются потери мощность которых определяют тепловые потоки. Считая в
общем случае что условия охлаждения рассматриваемых частей машины
различны принимаем четыре пути рассеяния тепловых потоков: тепловой поток
к стенкам зубцов сердечника [pic] с перепадом температуры в тепловом
сопротивлении изоляции паза [p тепловой поток к охлаждающему воздуху в
радиальных вентиляционных каналах [p
тепловые потоки от пазовых частей обмотки с перепадом температуры в
тепловом сопротивлении обмоток вдоль проводников [p тепловые потоки
лобовых частей [p тепловые
потоки с поверхностей статора [pic] [pic] с перепадом температуры в
тепловых сопротивлениях [pic] и поток в радиальном направлении наружной
поверхности ярма статора и внутренней поверхности статора [pic] с перепадом
температуры в тепловом сопротивлении [pic].
Рис. 7.3. Тепловая схема замещения статора
Для расчета тепловой напряженности электрической машины и определения
средних значений превышений температуры с отдельных частей принимают
температуру охлаждающего воздуха у теплорассеивающих поверхностей
одинаковой и равной средней температуре нагрева воздуха в объеме машины в
ряде случаев пренебрегают тепловым сопротивлением обмоток вдоль
проводников. В этом случае тепловую схему машины сводят к упрощенной
тепловой схеме замещения (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Упрощенная тепловая схема замещения машины
Расчет тепловых сопротивлений элементов схемы замещения выполняют по
формулам тепловых сопротивлений приведенным в табл. 7.4 которые являются
усредненными и при тепловых расчетах могут дать превышения температуры с
большими отклонениями от действительно наблюдаемых. Более точные значения
тепловых сопротивлений получают в результате тепловых испытаний на моделях
или натурных образцах конкретных типов машин (см. главы 9—11).
Таблица 7.4. Тепловые элементы схемы замещения
Элементы электрической машины Формула теплового
Электрическая изоляция пазовой части всыпной обмотки: [pic][pic]
— периметр поверхности охлаждения паза; [pic] — длина
пакета статора; [p [pic] —
толщина изоляции; [p
[p [pic] — эквивалентная
теплопроводность внутренней изоляции катушки из круглого
провода; [pic] учитывает увеличение сопротивления материала
обмотки при увеличении температуры
Лобовые части обмотки статора: [p [pic]
[p [pic] — периметр
секции обмотки в лобовой части; [pic][pic] — высота паза
Электрическая изоляция обмотки якоря машины постоянного тока[pic]
со всыпной обмоткой: обозначения согласно п. 1; [pic] —
Сердечник якоря машины постоянного тока: [pic] — расчетный [pic]
диаметр якоря; [pic] — отношение потерь стали к потерям в
меди обмотки якоря; [pic] коэффициент теплоотдачи с
поверхности сердечника; [pic] — число и [pic] — диаметр
Лобовые части обмотки якоря машины постоянного тока: [pic]
обозначения согласно п. 1 и 2
Внешняя поверхность обмоток параллельного возбуждения и [pic]
добавочных полюсов: [pic](IP22) [pic] (IP44) [pic] (IP44
[pic] — коэффициент теплоотдачи с поверхности катушки
Внешняя поверхность коллектора машины постоянного тока: [pic]
[pic] — условная поверхность охлаждения коллектора [pic] —
коэффициент теплоотдачи с поверхности коллектора
Воздушный зазор асинхронной машины: [p [pic]
Ярмо магнитопровода статора [pic]: [pic] — высота и площадь [pic]
наружной поверхности ярма статора
Пакет статора в поперечном направлении; [pic] — коэффициент [pic]
теплоотдачи в радиальных вентиляционных каналах; [pic] —
боковая теплорассеивающая поверхность всех пакетов статора:
[pic] — теплопроводность пакета статора в поперечном
Внутренняя поверхность корпуса закрытой машины: [pic] [pic] [pic]
— скорость обдува внутренней поверхности; [pic] — полная
внутренняя поверхность корпуса
Внешняя поверхность корпуса станины: [pic] — [pic] — площади[pic]
оребренной поверхности боковой поверхности со стороны
вентилятора и поверхности щита со стороны вала
соответственно; коэффициенты теплоотдачи [pic] — [pic]
определяются типом и исполнением машины
6. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
При вентиляционном расчете машины определяют количество воздуха которое
необходимо ежесекундно прогонять через машину и давление (напор)
обеспечивающее прохождение требуемого количества охлаждающего агента.
Одновременно вентиляционный расчет проводится в целях определения
рациональной схемы вентиляции при которой количество охлаждающего воздуха
омывающего рассматриваемую поверхность не должно быть чрезмерным а должно
соответствовать количеству снимаемого с поверхности тепла и обеспечивать
заданный уровень превышения температуры обмоток машины. При расчетах
считают что воздушный поток обычно отводит все тепло машины за
исключением механических потерь в подшипниках и наружном вентиляторе.
Количество воздуха (м3) необходимое для охлаждения машины при
рациональной схеме вентиляции (когда превышения температуры воздуха на пути
всех струй и каналов внутри машины одинаковы):
где [p [pic]Дж(° C·м3) — удельная
теплоемкость воздуха; [p [pic] —
температура горячего воздуха ° С; [pic] — температура холодного воздуха °
Значение подогрева воздуха [pic] может быть принято равным 20° C для машин
с изоляцией классов нагревостойкости A E B до о С — для изоляции классов
нагревостойкости F и H 25° С — для турбо- и гидрогенераторов.
При составлении расчетной схемы вентиляционная (гидравлическая) цепь
системы охлаждения разбивается на большое число элементарных условно
однородных участков которые соединяются между собой как последовательно
Аэродинамическое сопротивление отдельного i-го участка системы определяют
как отношение между массовым расходом [pic] охлаждающей среды в заданном
канале и потерями давления на рассматриваемом участке. Здесь также может
быть проведена аналогия между гидравлическими и электрическими цепями.
Для определения необходимого давления вентилятора H требуется рассчитать
постоянную Z которую в дальнейшем будем изнывать аэродинамическим
сопротивлением. Для отдельного участка
где [p [pic] — плотность
охлаждающей среды; [pic] — сечение канала.
Расчет сопротивления [pic] проводят с использованием опытных значений
коэффициентов [pic] (табл. 7.5).
Таблица 7.5. Значение опытных коэффициентов [pic]
Форма участка канала Коэффициент сопротивления
Вход в круглые отверстия каналов с выступающими краями 06
Вход в круглые отверстия каналов с прямоугольными краями 03
Вход в круглые отверстия каналов с закругленными краями 0125
или через проволочную сетку
Внезапное расширение канала сечением [pic] до сечения [pic]
Внезапное сужение канала сечением [pic] до сечения [pic] [pic]
Изгиб вентиляционного канала на угол [pic] [pic]
Вентиляционный расчет на базе этих коэффициентов хотя и является
приближенным но дает возможность оценить требования предъявляемые к
вентиляционной системе и позволяет правильно выбрать размеры и
конфигурацию вентиляционных каналов.
Для круглых каналов значение коэффициента аэродинамического сопротивления
от трения воздуха Па·с2м2 можно рассчитать по формуле
где [p [pic] и [pic] — длина и
Для расчета трения в аксиальных каналах электрических машин принять
[pic]. В этом случае расчетная формула для коэффициента [pic] принимает
Если канал имеет прямоугольное сечение то вместо [pic] следует ввести
эквивалентный диаметр
где [pic] и [pic] — размеры сторон прямоугольного канала.
Для каналов произвольного сечения можно принять в качестве эквивалентного
размера диаметр круга равного по площади рассматриваемому сечению.
Потери давления Па от трения воздуха в канале
где [pic] — скорость воздуха в канале мс.
Расчет аэродинамического сопротивления лобовых частей обмоток имеет свои
особенности определяемые исполнением обмотки отношением ширины воздушного
промежутка между секциями шагу по середине пазов [pic]. При этом вводится
коэффициент [pic] учитывающий увеличение аэродинамического сопротивления.
Это коэффициент для машин различной мощности и исполнений мо изменяться в
Для вентиляционного расчета необходимо иметь чертежи машины и знать все
размеры каналов вентиляционной системы характеристики воздухопроводов
коэффициенты аэродинамического противления.
Любая сложная система вентиляции может рассматриваться как цепь
последовательно и параллельно включенных вентиляционных каналов. При
последовательном соединении [pic] участков вентиляционной схемы расход
воздуха [pic] на всех участках постоянный потеря давления равна [pic]
поэтому аэродинамическое сопротивление от входа [pic] до выхода [pic] равно
При параллельном соединении [pic] участков потери давления на всех
участках определяются разностью давлений в начале и в конце участка [pic]
а общий расход для всей цепи состоящий из [pic] параллельно соединенных
Аэродинамическое сопротивление участка [pic]
Вентиляционные схемы сложных систем охлаждения рассчитываются на ЭВМ с
использованием известных методов расчета электрических цепей.
В основу метода расчета вентиляционных и гидравлических цепей на ЭВМ
положена система уравнений составленная для всех узлов и контуров
вентиляционной схемы по аналогии с первым и вторым законами Кирхгофа:
[pic] т. е. во всех узлах алгебраическая сумма расходов равна нулю и
[pic] т. е. сумма напоров вентиляторов и потерь давления всех ветвей для
любого замкнутого контура равна нулю.
Конечным результатом вентиляционного или гидравлического расчета систем
охлаждения является определение номинального напора вентилятора или
нагнетательного устройства обеспечивающего номинальный расход охлаждающей
среды [pic] при расчетном суммарном сопротивлении всей схемы охлаждения
В [16] приводятся эмпирические зависимости позволяющие приближенно
рассчитать параметры нагнетательных элементов и расход [pic] м3с:
где при [pic] [pic] а при [pic] — [pic] [pic] — число и длина радиальных
вентиляционных каналов (при их отсутствии [p [pic] — внешний диаметр
машины. Полученное по (7.43) значение [pic] должно быть не менее
рассчитанного по (7.32). Давление Па
Для двигателей со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 с
наружным обдувом центробежным вентилятором необходимое количество воздуха
определяют по формуле
где [p [pic] — коэффициент
учитывающий изменение условий теплоотдачи по длине корпуса. Значение т
определяется по следующей таблице:
[pic] мм [pic] [pic]
Превышение температуры [pic] определяется по формуле
где [pic] — сумма всех потерь выделяемых во внутреннем объеме машины при
предельной допускаемой температуре; [pic] — внутренняя теплопередающая
поверхность двигателя; [pic] — коэффициент теплоотдачи внутренней
поверхности двигателя.
Расход охлаждающего воздуха (м3с) двигателей со степенью защиты IР44 и
способом охлаждения IС0141 можно определить по формуле
Напор вентилятора Па
Для оценки вентиляции и других двигателей с аксиальной вентиляцией
используют зависимости построенные на основе обобщения данных
вентиляционных систем выпускаемых электрических машин.
С достаточной точностью сопротивление Z вентиляционной системы машины
можно принять по рис. 7.5 а площади сечения входа [pic] и выхода [pic]
каналов вентиляционного тракта машины — по рис. 7.6.
Рис. 7.5. Зависимость среднего значения аэродинамического
сопротивления машины от диаметра якоря:
— якоря без аксиальных вентиляционных каналов;
— то же с аксиальными каналами
Рис. 7.6. Зависимость [pic] и [pic] от диаметра якоря
7. РАСЧЕТ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Встроенный вентилятор укрепленный на валу электрической машины должен
создавать напор достаточный для того чтобы обеспечить необходимый расход
охлаждающей среды в каналах вентиляционной системы машины. Вентиляторы
проектируются с учетом особенностей конструктивного исполнения конкретного
Ниже приводится упрощенный метод поверочного расчета встроенного
вентилятора основанный на данных серийных машин общего назначения. В таких
машинах используют преимущественно центробежные вентиляторы с радиальными
лопатками рабочее колесо которых изменяет свое направление потока на
Внешний диаметр вентиляторного колеса выбирают в соответствии с типом
вентиляционной системы и конструкции машины. При аксиальной вентиляции
внешний диаметр рабочего колеса [pic] (рис. 7.7) выбирают максимально
Рис. 7.7. Колесо вентилятора
По выбранному внешнему диаметру вентилятора определяют окружную скорость
Максимальное значение КПД вентилятора приблизительно соответствует
режиму когда номинальное давление вентилятора [pic] где [pic] — давление
развиваемое вентилятором в режиме холостого хода т. е. при закрытых
отверстиях по внешнему диаметру когда расход воздуха равен нулю.
Номинальное значение расхода приблизительно равно:
где [pic] — расход вентилятора м3с работающего в режиме короткого
замыкания (по аналогии с электрической цепью) т. е. в открытом
Из условия максимального КПД принимается
Сечение на выходной кромке вентилятора м2
где 042 — номинальный КПД радиального вентилятора.
Ширина колеса вентилятора
где 092 — коэффициент учитывающий наличие вентиляционных лопаток на
поверхности вентиляционной решетки (поверхности [pic]).
Внутренний диаметр колеса [pic] определяют из условия что вентилятор
работает при максимальном значении КПД т. е. при [pic] и [pic]. Используя
уравнения статического давления развиваемого вентилятором Па найдем
давление развиваемое вентилятором при холостом ходе:
где [p [pic] кгм3 — плотность воздуха.
Зная расход воздуха V сопротивление вентиляционной системы [pic] и
определив окружную скорость на внутренней кромке вентилятора [16]:
найдем внутренний диаметр колеса вентилятора м:
Во встроенных вентиляторах отношение [pic] лежит в пределах 12 15.
Число лопаток вентилятора принимают [16]:
Для уменьшения вентиляционного шума рекомендуется выбирать число лопаток
вентилятора таким чтобы оно равнялось нечетному числу. При вытяжной
вентиляции могут быть рекомендованы и числа зависимости от диаметра
вентилятора: при [pic] мм [pic] при [pic] мм [pic] при [pic]мм [pic] при
Для вентиляторов асинхронных двигателей серии 4А рекомендуется выбирать
число лопаток согласно табл. 7.6.
Таблица 7.6. Число лопаток вентилятора
Высота оси вращения ммЧисло лопаток при
Число лопаток вентиляторов машин постоянного тока выбирают
Значение [pic] округляют до ближайшего простого числа.
После расчета вентилятора необходимо уточнить результаты вентиляционного
Для определения действительного расхода воздуха [pic] и давления [pic] и
строят совмещенные характеристики вентилятора и вентиляционного тракта
машины. Характеристика вентилятора может быть выражена с достаточной
точностью уравнением
Характеристика вентиляционного тракта согласно (7.50)
На рис. 7.8 представлены графики построенные по уравнениям (7.58)
(кривая 1) и (7.59) (кривая 2). Координата точки пересечения этих
характеристик определяется путем решения уравнений
Рис. 7.8. Характеристики вентилятора
Мощность потребляемая вентилятором Вт
где [pic] — энергетический КПД вентилятора который может быть принят
Вентиляционный расчет электрической машины при курсовом проектировании
проводится по упрощенной методике. Более подробные расчеты отдельных видов
исполнения машин приводятся в гл. 9—11.