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 суммарных затрат.

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 [1,10].

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 проектирования.

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 данных.

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.

---

1.3. 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 (1.1). Размеры и называются главными размерами машины.

Расчетная мощность машины

, (1.2)

где и — соответственно номинальный ток и ЭДС обмотки статора для асинхронных и синхронных машин, а для машин постоянного тока — номинальный ток и ЭДС якоря; — число фаз для машин переменного тока (для машин постоянного тока =1).

Отношение

(1.3)

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

. (1.4)

Здесь — угловая скорость ротора, а — момент на валу машины, нм; — диаметр (внутренний или внешний), см; — расчетная длина машины, см.

Эффективность использования объема активной части машины определяется электромагнитными нагрузками, линейной нагрузкой и индукцией в воздушном зазоре . 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 и , тем больше коэффициент использования объема активной части ~ . Однако с ростом мощности машины 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 четвертой степени.

Лучшие условия охлаждения в машинах большой мощности позволяют выбирать большие и , что обеспечивает лучшее использование материалов. Поэтому машинная постоянная остается «постоянной» лишь в определенном диапазоне мощностей. С повышением мощности растет и .

Наибольшие допустимые уровни электромагнитных нагрузок для конкретных машин определяются допустимым нагревом активных частей, так как с ростом и увеличиваются потери в единице активного объема машины. На основании опыта проектирования и эксплуатации электрических машин выработаны определенные диапазоны возможных значений и 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 . [5].

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 , при котором ее превышение температуры будет соответствовать допустимому. Однако этот объем может быть получен при различных сочетаниях значений и . Аналитических зависимостей, однозначно определяющих эти величины для конкретных машин, не существует. В практике проектирования предварительно определяют диаметр . Для этой цели обычно используют кривые, характеризующие среднюю зависимость для большого числа построенных и эксплуатируемых машин данного типа (где — мощность машины). После этого с учетом выбранных электромагнитных нагрузок определяют , исходя из машинной постоянной.

Проверкой правильности выбора является значение отношения или более часто принятое в практике отношение , где полюсное деление . Число полюсов обычно известно или определяется из технического задания.

Значение характеризует основные размерные соотношения в машине. Большие имеют машины относительно малого диаметра и большой длины, и, наоборот, малые значения — 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 , чем при малых , что особенно важно при проектировании двигателей, предназначенных для работы с частыми пусками.

---

Однако относительное увеличение длины машины при больших затрудняет условия их охлаждения, а в машинах постоянного тока приводит к ухудшению коммутации. В машинах небольших габаритов с увеличением возникают трудности с выполнением необходимого для нормальной работы числа пазов.

Анализ этих зависимостей и опыт эксплуатации позволили определить для различных типов машин диапазон значений , при которых обеспечиваются их экономичность и хорошие эксплуатационные данные. Эти рекомендации служат критерием проверки правильности предварительного выбора для проектируемой машины. Конкретные диапазоны возможных 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 детали.

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, а не одной машины.

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 1928—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 0,25…315 кВт на 18 высотах оси вращения 45…355 мм обладали высокими энергетическими показателями, повышенной надежностью и низким уровнем шума.

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 др.

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 1,6 раза.

---

Смотрите также файлы

• Глава 3 Конструкция и схемы обмоток электрических машин.doc

• ГЛАВА 4 Магнитная цепь.doc

• ГЛАВА 5 Параметры ЭМ.doc

• ГЛАВА 6 Потери и КПД.doc

• Глава 7 Тепловой и вентиляционный расчет электрических машин.doc