Машина постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Машина постоянного тока

Машина постоянного тока, электрическая машина, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока (генератор) или обратное преобразование (двигатель). П. т. м. обратима, т. е. одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель; так, например, работают тяговые двигатели подвижного состава и исполнительные двигатели мощных электроприводов постоянного тока. Действие генератора основано на явлении индукции электромагнитной. При вращении витка из электропроводящего материала в постоянном магнитном поле в витке возникает переменная эдс Для преобразования переменной эдс в постоянное напряжение служит коллектор электромашинный. К пластинам коллектора подсоединяются концы витка (в реальной машине имеется большое число витков и коллекторных пластин). Для подключения внешней цепи служат угольные или графитные щётки, соприкасающиеся с пластинами коллектора. Работа двигателя основана на взаимодействии проводников с током и магнитного поля (см. Ампера закон), что приводит к появлению электромагнитного вращающего момента. Активными частями П. т. м. являются магнитные сердечники, обмотки статора и ротора. (якоря) и коллектор (рис 1).

Магнитный сердечник статора состоит из стальной станины, шихтованных (набранных из стальных пластин) главных и массивных дополнительных полюсов. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения, на дополнительных -- обмотка, соединённая последовательно с обмоткой якоря. Магнитопровод (сердечник) якоря также шихтованный; в его пазах расположена рабочая обмотка. Конструктивные элементы ДПТ. -- вал, подшипники, подшипниковые щиты, токосъёмное устройство, вентилятор. Обмотка возбуждения создаёт основное магнитное поле. При подключении обмотки якоря к внешней цепи по ней проходит ток, создающий магнитное поле якоря. Результирующий поток в зазоре между статором и ротором благодаря влиянию магнитного поля якоря меньше, чем поле при холостом ходе (когда цепь отключена). Размагничивающее действие магнитного поля якоря обусловлено насыщением и увеличением магнитного сопротивления полюсных наконечников. При работе ДПТ. может появляться искрение под щётками в процессе коммутации тока. При прохождении секции обмотки якоря из зоны одной полярности (например, N) в зону др. полярности (S) направление тока в ней меняется на обратное. Вследствие этого в секции, замкнутой накоротко щёткой, индуктируется т. н. реактивная эдс. Она представляет собой сумму эдс самоиндукции, обусловленной изменением тока, и эдс взаимоиндукции (если коммутируются одновременно несколько секций). Помимо этого, в коммутируемой секции возникает т. н. эдс вращения, обусловленная перемещением секции в поле якоря, которое в зоне коммутации имеет наибольшую величину. Эти эдс вызывают замедление изменения тока, увеличение плотности тока под сбегающим краем щётки и искрение под щётками. Для компенсации реактивной эдс в коммутируемой секции применяют дополнительные полюса, изменяющие направление поля якоря в зоне коммутации. Наличие коллектора и щёточного устройства усложняет конструкцию, обусловливает высокую стоимость и сравнительно низкую надёжность ДПТ.

Первый двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей, был построен Б. С. Якоби в 1838. Двигатель получал питание от гальванических батарей и использовался для привода гребного вала лодки. Первый генератор постоянного тока создан также Якоби в 1842. Вначале в П. т. м. использовались постоянные магниты. Существенным шагом вперёд явилось применение электромагнитов. В 1859 А. Пачинотти изобрёл электродвигатель с кольцевым якорем, который был усовершенствован З. Т. Граммом в 1869. Начало широкого промышленного применения П. т. м. относят к 70-м гг. 19 в., когда Ф. Хефнер-Альтенек заменил кольцевой якорь барабанным, упростив тем самым конструкцию П. т. м. и увеличив вдвое её мощность. В таком виде П. т. м. сохранилась практически без изменений, усовершенствования касались главным образом применения лучших изоляционных и конструкционных материалов, более прогрессивной технологии, разработки точных методов расчёта и оптимизации габаритов. П. т. м. были созданы и получили промышленное применение ранее машин переменного тока, но утратили доминирующее положение после изобретения М. О. Доливо-Добровольским системы трёхфазного тока (1889). П. т. м. использовались лишь в отдельных областях, где необходимо регулирование частоты вращения в широком диапазоне: генераторы -- как возбудители синхронных машин, сварочные генераторы, в системах генератор-двигатель; двигатели -- в электроприводах на транспорте, в металлургии (на мощных прокатных станах) и т.п. Однако с 50-х гг. 20 в. сфера применения ДПТ вновь расширилась: ДПТ. средней мощности стали применять как электромашинные усилители (ЭМУ), а микроэлектромашины -- в системах автоматического регулирования и в бытовых электрических устройствах. Микродвигатели постоянного тока имеют лучшие характеристики, больший диапазон регулирования по частоте вращения и более высокую точность регулирования, чем микродвигатели переменного тока. В то же время ДПТ. утрачивают своё значение как возбудители синхронных машин, на смену им приходят ионные и полупроводниковые системы возбуждения.

2. Обзор технической литературы

2.1 Анализ учебных изданий и статей

Машина постоянного тока, работающая в режиме двигателя. ДПТ дороже двигателей переменного тока и требуют больших затрат на обслуживание, однако они позволяют плавно и экономично регулировать частоту вращения в широких пределах, вследствие чего получили распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте, в подъёмных кранах, на прокатных станах, в устройствах автоматики и т.п. Основные характеристики ДПТ -- зависимость частоты вращения n от вращающего момента (момента на валу) М, называемая механической характеристикой, и зависимость вращающего момента от тока якоря (ротора) Iя. Вид характеристик) определяется системой возбуждения двигателя; возбуждение может быть независимым, параллельным или смешанным. При независимом и параллельном возбуждении частота вращения меняется незначительно, зависимость n = f (M) имеет слабо выраженный падающий характер (т. н. "жёсткая" характеристика). Для того чтобы частота вращения при изменении момента вращения менялась в широких пределах, применяют последовательное возбуждение; при этом зависимость n = f (M) имеет явно выраженный падающий характер ("мягкая" характеристика). Иногда у ДПТ с независимым возбуждением частота вращения по разным причинам может увеличиваться с возрастанием момента на валу, что приводит к неустойчивой работе двигателя. Для поддержания устойчивого режима работы, обеспечиваемого падающим характером кривой n = f (M). часто применяют смешанное возбуждение (устаревшее название -- компаундное возбуждение), при котором основной магнитный поток создаётся параллельной обмоткой возбуждения, а последовательная обмотка является стабилизирующей. При смешанном возбуждении механическая характеристика имеет промежуточный характер.

При подключении ДПТ к источнику питания ток в обмотке якоря (пусковой ток) в 15--20 раз превышает номинальное значение (в начальный момент эдс якоря равна 0 и ток ограничивается лишь сопротивлением цепи якоря). Для того чтобы уменьшить пусковой ток, в цепь якоря включают т. н. пусковое сопротивление, которое по мере нарастания частоты вращения постепенно уменьшают; по окончании пуска его замыкают накоротко.

ДПТ с параллельным возбуждением имеют пределы регулирования частоты вращения примерно 1: 3. У них удобнее и дешевле всего регулировать частоту вращения реостатом в цепи возбуждения. Регулирование может производиться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения частоты вращения, причём при всех частотах вращения кпд сохраняется достаточно высоким. У ДПТ с последовательным возбуждением частота вращения регулируется в сторону уменьшения реостатом в цепи якоря, в сторону увеличения -- включением параллельно обмотке возбуждения шунтирующего сопротивления. Потери в реостате, введённом в цепь якоря, существенно снижают кпд. При шунтировании обмоток возбуждения кпд изменяется незначительно.

Для обмотки двигателей постоянного тока применяют например изолированный провод марки ПЭТ-155 пример обмоточных данных представлены в таблице 1.1

В зависимости от конкретных условий эксплуатации машины, предпочтение может быть отдано массогабаритным, энергетическим или другим показателям; это сильно влияет на выбор «оптимальной» машины. Например, для машин, применяющихся в авиации, главный показатель -- масса машины, для двигателя прокатного стана -- надежность и срок службы и т. д. Обычно рассчитывают несколько вариантов машин, различающихся диаметром якоря, числом полюсов и т. п. и из этих вариантов выбирают наиболее экономичный. Однако при расчете каждого из вариантов задача ставится более узкая: вписать максимальную мощность в заданный габарит или получить машину заданной мощности при минимальных габарита

2.2 Патенты и авторские свидетельства

Патент России №1649618

БЕЗРЫЧАЖНЫЕ ЩЕТКОДЕРЖАТЕЛИ С РУЛОННОЙ САМОСКРУЧИВАЮЩЕЙСЯ ПРУЖИНОЙ

Применяются для электрических машин постоянного и переменного тока. Устанавливаются как обычные, так и высокие щетки с рабочей длиной до 100мм

Предназначены для замены щеткодержателей ДГ, ДГМ, ДБ, ДП, ДРПра1, ДРПч, ДРПрс1 и т.д., в электрических машинах постоянного и переменного тока Применение щеткодержателей новой конструкции с рулонной пружиной постоянного нажатия (Патент России №1649618) позволяет применять щетки высотой до 80-100 мм с рабочим участком (60-80 мм) в 2-3 раза превышающим рабочий участок традиционных щеток. Стальной корпус сварной конструкции (8 вариантов исполнений) и стальная нажимная планка обеспечивают повышенную термическую стойкость щеткодержателя, что увеличивает ресурс работы щеточного аппарата в 4 - 5 раз. При этом снижаются расходы на техническое обслуживание и повышается надежность работы электрических машин.

(21) Заявка: 5051537/07

(22) Дата подачи заявки: 1992.07.06

(45) Опубликовано: 1994.04.15

(71) Заявитель(и): Белых Юрий Иванович; Виноградов Игорь Леонидович; Мухин Юрий Константинович

(72) Автор(ы): Белых Юрий Иванович; Виноградов Игорь Леонидович; Мухин Юрий Константинович

(73) Патентообладатель(и): Белых Юрий Иванович; Виноградов Игорь Леонидович; Мухин Юрий Константинович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Использование: электротехника, тяговые двигатели на электрическом транспорте, для привода различного технологического оборудования. Сущность изобретения: электрический двигатель постоянного тока содержит статор с обмоткой возбуждения, шихтованный барабанный якорь с коллектором и обмоткой, подключенной к его пластинам. Обмотка якоря выполнена в виде двух независимых секций, расположенных относительно друг друга со сдвигом в 45 эл. град. Каждая секция через пару пластин коллектора и пару токосъемных колец параллельно подключена к конденсатору

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве тягового двигателя на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Известны электрические двигатели постоянного тока, у которых вращающий момент создается путем переключения тока в секциях обмотки якоря (А. С. Касаткин, М. В. Немцов: Электротехника. М. , Энергоатомиздат, 1983). Недостатком двигателей постоянного тока является наличие индуктивной (реактивной) составляющей тока в цепи обмотки якоря, возникающей при переключении тока в секциях обмотки якоря.

Прототипом данного технического решения является четырехполюсный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением и петлевой обмоткой якоря (А. С. Касаткин, М. В. Немцов: Электротехника, М. , Энергоатомиздат, 1983 г. , с. 297-304), который включает четырехполюсный статор с обмоткой возбуждения, барабанный якорь с петлевой обмоткой, коллектор, к пластинам которого подключаются секции обмотки якоря, а к щеткам - источник питания. При подаче питания на двигатель с помощью коллектора обеспечивается коммутация тока в секциях обмотки якоря и его непрерывное вращение. Недостатком известного решения является потеря мощности при коммутации тока в секциях обмотки якоря. Указанный недостаток обусловлен тем, что при изменении направления тока в секциях обмотки якоря щетки замыкают эти секции накоротко (А. С. Касаткин, М. В. Немцов: Электротехника, с. 310). При коротком замыкании секций обмотки якоря энергия, которая была затрачена источником тока на создание магнитного поля в этих секциях на предыдущем цикле, теряется (Р. В. Поль. Учение об электричестве, М. , Физматгиз, 1962 г. , с. 172). Целью настоящего изобретения является повышение КПД электрического двигателя постоянного тока путем снижения затрат энергии источника тока на создание магнитного поля в секциях обмотки якоря. Указанная цель обеспечивается тем, что в электрическом двигателе постоянного тока, содержащем четырехполюсный статор с обмоткой возбуждения, барабанный якорь с обмоткой и коллектор, обмотка якоря выполнена в виде двух независимых секций, расположенных друг к другу под углом сорок пять градусов и подключенных к двум конденсаторам через две пары токосъемных колец. Наличие двух независимых секций обмотки якоря, параллельно подключенных к двум конденсаторам через две пары токосъемных колец, обеспечивает при коммутации тока аккумулирование энергии магнитного поля секции обмотки якоря в конденсаторах с последующим восстановлением ее в соответствующих секциях, что позволяет снизить затраты энергии источника тока на восстановление энергии магнитного поля и повысить КПД электрического двигателя постоянного тока. Электрический двигатель постоянного тока содержит четырехполюсный статор с обмоткой возбуждения, шихтованный барабанный якорь с обмоткой, включающей две расположенные друг к другу под углом сорок пять градусов независимые секции, коллектор размещенный на рабочем валу и включающей щетки, нейтральные и активные коллекторные пластины. Независимые секции обмотки якоря подключаются к активным пластинам и токосъемным кольцам, к которым через щетки подключаются два конденсатора. Конденсаторы совместно с секциями образуют два колебательных контура, у которых емкости конденсаторов выбираются такими, чтобы обеспечить резонанс токов при номинальном режиме работы двигателя. Двигатель работает следующим образом. При подаче напряжения на щетки в секциях обмотки якоря, если они находятся в зоне полюсов статора, протекает ток, под действием которого возникает вращающий момент на рабочем валу. При подключении обмоток к источнику питания заряжаются конденсаторы. При выходе секции в межполюсное пространство происходит ее отключение от источника питания. При отключении секций от источника питания в контурах секций обмотки якоря происходит перезарядка конденсаторов и соответственно изменение направления токов в секциях обмотки якоря. Если конденсаторы настроены на удвоенную частоту вращения рабочего вала, то в колебательных контурах секций обмотки якоря возникает резонанс токов по первой гармонике. Двигатель может быть снабжен устройством регулирования емкости (центробежный переключатель) в случае работы двигателя в широком диапазоне скоростей рабочего вала.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с известными двигателями постоянного тока обеспечивает повышение КПД за счет снижения затрат энергии источника тока на создание магнитного поля в секциях обмотки якоря при изменении направления тока в последних. При использовании предлагаемого изобретения экономический эффект может быть получен за счет снижения потребления тока от источника питания. (56) Касаткин А. С. , Немцов М. В. Электротехника, М. , Энергоатомиздат, 1983. с 297-304.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электрический двигатель постоянного тока, содержащий статор с обмоткой возбуждения, шихтованный барабанный якорь с коллектором и обмоткой, подключенной к его пластинам, отличающийся тем, что он снабжен двумя конденсаторами, двумя парами токосъемных колец, обмотка якоря выполнена в виде двух независимых секций, расположенных одна относительно другой со сдвигом в 45 эл. Град. , при этом каждая секция через пару пластин коллектора и пару токосъемных колец параллельно подключена к конденсатору.

Заявка: 93058145/07

(22) Дата подачи заявки: 1993.12.30

(45) Опубликовано: 1997.03.27

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - Л.: Энергия, 1977, с. 304. 2. Авторское свидетельство СССР N 917262, кл. H 02 K 1/06, 1982. 3. Авторское свидетельство СССР N 394895, кл. H 02 K 3/46, 1973.

(71) Заявитель(и): Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н. Крылова

(72) Автор(ы): Андреев Н.М.; Горчинский Ю.Н.; Кузнецов В.И.; Куклинов В.И.; Сосков В.А.

(73) Патентообладатель(и): Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н. Крылова

(54) ЯКОРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрических машин постоянного тока и может быть использовано при разработке тяговых электродвигателей, судовых гребней электродвигателей, двигателей экскаваторов и т. д. Изобретение решает задачу создания конструкции якоря, позволяющей получить минимальные массогабаритные показатели машины постоянного тока при малом уровне зубцовых гармонических вибраций. Для этого на активной длине якоря каждый обмоточный слой набран из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов, в частности шихтованных трапециевидного сечения. На каждый обмоточный слой наложен бандаж в виде сплошного покрытия из электроизолирующего материала, в частности, стекловолокнистой ленты.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрических машин постоянного тока и может быть использовано при разработке машин средней и большой мощности, например, тяговых электродвигателей (для электровозов, трамваев, электропоездов), судовых гребных электродвигателей, электродвигателей экскаваторов, прокатных станов и т.д. Актуальными вопросами улучшения технических характеристик электромашин постоянного тока являются уменьшение массогабаритных показателей и снижение вибрации. Одним из главных препятствий в этом направлении является применение в наиболее распространенных в настоящее время конструкциях электромашин зубчатого якоря. Проводники обмотки укладываются в пазы между зубцами и отделяются от окружающего паз железа электрической изоляцией, толщина которой в зависимости от ее типа, условий работы машины, а также с учетом опыта машиностроения, для машин средней и большой мощности с номинальными напряжениями порядка 0,5-3 кВ составляет до 1-1,5 мм на сторону (см. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л. Энергия, 1977, с.304).

При вращении якоря происходит периодическое изменение числа зубцов, находящихся под полюсом машины, вследствие чего возникают пульсации магнитного потока с частотой, пропорциональной числу зубцов, и, как следствие, появляются соответствующие составляющие в спектре вибраций машины ("зубцовые гармонические"). Возможным способом уменьшения количества изоляции в обмоточном слое и устранения зубцовых гармонических вибрации является переход на использование беззубцовой конструкции якоря ("гладкого якоря"). Витки обмотки в якорях этого типа укладываются на изолированную поверхность беззубцового сердечника и отделяются друг от друга только витковой изоляцией (толщиной 0,1-0,2 мм). Известен ряд конструкций машин постоянного тока с гладким якорем (см. авт.св. N 394895, Н 02 К 3/46, 1973.). Общим недостатком этих машин, обусловленным отсутствием магнитопроводящих элементов в обмоточном слое, является большая величина немагнитного зазора. Особенно сильно это появляется в машинах большой мощности, имеющих соответственно и большую толщину обмоточного слоя. Увеличение расхода мощности в обмотке возбуждения приводит к ухудшению КПД и росту массообъемных показателей машины, вследствие чего машины постоянного ток с гладким якорем в настоящее время находят применение, главным образом, в маломощных системах автоматики (см. Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики. Под ред. Ю.К.Васильева. М. Энергия, 1979).

В изобретениях по авт.свид. N 917262, Н 02 К 1/06, 1982. обмотки предполагается изготавливать из биметаллических материалов, состоящих из токопроводящих и магнитопроводящих частей. Через ферромагнитный материал (сталь) проходит часть общего электрического тока обмотки, вследствие чего увеличивается токовая нагрузка обмоточного слоя якоря. Однако в машинах постоянного тока применение обмоток из биметалла является нецелесообразным в силу следующих причин. Наличие ферромагнитных элементов в лобовых частях обмотки будет увеличивать магнитную проводимость для потоков самоиндукции коммутируемой секции, а также потоков взаимоиндукции с другими секциями. Вследствие этого возрастает величина реактивной ЭДС и ухудшится процесс коммутации (см. Вольдек А. И. Электрические машины. М.-Л. Энергия, 1966). За счет увеличения магнитной проводимости лобовых частей обмотки ротора увеличатся также потоки рассеяния главных и добавочных полюсов.

Параллельное подключение медных проводников к стальным магнитопроводам будет приводить к уменьшению электрического сопротивления на пути наводимых в стали вихревых токов, а следовательно, увеличить соответствующие потери мощности, особенно при высоких частотах перемагничивания (20oC 50 Гц). Кроме того, предложенная в указанных изобретениях конструкция обмотки якоря, предназначена для использования на неподвижной (статорной) части многофазных машин переменного тока и практически не может быть реализована на вращающемся роторе машины постоянного тока. Каких-либо технических решений, направленных на снижение уровня вибрации машин зубцового характера (возникающих вследствие введения в токовый слой ферромагнитных элементов), рассмотренные предложения не содержат.

По совокупности основных признаков (род тока машины, конструкция и способ крепления обмотки, ее расположение на роторе машины) предлагаемое техническое решение наиболее близко к конструкции, представленной в авт.св. 394895, Н 02 К 3/46, 1973. которая и принята за прототип.

В известной конструкции обмотка размещена на изолированной поверхности беззубцового якоря, закреплена бандажом и приклеена к сердечнику якоря в виде монолитного слоя. Подобная конструкция обеспечивает простое крепление обмоточного слоя на якоре, отсутствие электромагнитных вибраций зубцового происхождения, однако обладает общим недостатком машин с гладким якорем увеличенным немагнитным зазором, приводящим к ухудшению массообъемных показателей машины (или понижению КПД). Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции якоря машины постоянного тока, позволяющей получить минимальные массообъемные показатели машины при малом уровне зубцовых гармонических вибрации.

Это достигается тем что на активной длине якоря машины постоянного тока, содержащего беззубцовй магнитопровод и закрепленную при помощи бандажа из электроизоляционного материала и замоноличенную вместе с ним обмотку, каждый обмоточный слой выбирается из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов, например, шихтованных, например, трапециевидного сечения, а на каждый обмоточный слой наложен силовой бандаж в виде сплошного покрытия из электроизоляционного материала, например, стекловолокнистой ленты. При этом толщина ферромагнитных элементов выбирается не большей, чем величина суммарного немагнитного зазора машины. Наличие в обмоточном слое ферромагнитных элементов обеспечивает достаточную магнитную проводимость для основного магнитного потока, а малый объем, занимаемый изоляцией в слое (только тонкая витковая) возможность получения высоких уровней заполнения слоя проводниками тока. Вследствие этого уменьшается необходимая МДС обмоток возбуждения, а общая масса и объем машины с якорем предлагаемой конструкции становится меньше, чем с якорем, принятым за прототип или зубчатым.

В отличие от прототипа при вращении якоря предлагаемой конструкции возможно возникновение вибраций машины зубцового характера вследствие наличия на нем ферромагнитных элементов. Однако принятием определенных конструктивных мер уровень вибраций может быть снижен до допустимых значений.

Как известно (см. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. Л. Энергоатомиздат, 1986), величина главных возбудителей вибрации машин постоянного тока электромагнитного происхождения знакопеременных сил, действующих на полюс при прохождении под ним зубцов ротора зависит от соотношения ширины зубца и величины немагнитного зазора машины. Вибрация машины уменьшается при относительном уменьшении ширины зубца.

В машинах с зубчатым якорем через зубцы на сердечник ротора передается вращающий момент машины (электромагнитные усилия, действующие на проводники, расположенные в пазу), вследствие чего ширина зубца у основания не может быть меньше, чем допустимая по условиям его механической прочности. В машине с гладким якорем и замоноличенным обмоточным слоем вращающий момент передается через весь обмоточный слой, а ферромагнитные вставки, через которые проходит магнитный поток, не выполняют функций основных элементов для передачи момента. Это позволяет принимать при проектировании машины ширину ферромагнитной вставки меньшую, чем у машин с зубчатым якорем, и за счет этого снизить уровень вибрации.

Удовлетворяющий большинству практических случаев и существенно меньший, чем у машин с зубчатым якорем уровень вибрации от зубцовых гармонических может быть достигнут при уменьшении толщины ферромагнитных элементов до значений меньших, чем величина немагнитного зазора машины (определяемого суммарной величиной основного воздушного зазора и радиальными толщинами корпусной, межслойной и наружной изоляции обмоток). На чертеже представлен схематический поперечный разрез якоря машины постоянного тока с предлагаемой конструкцией обмотки (сектор в 45o).

Якорь выполнен следующим образом.

На вал 1 насажен сердечник 2, изготовленный из листов электротехнического железа. На цилиндрическую наружную поверхность сердечника уложен слой корпусной изоляции 3. На этом слое размещены стержни проводников нижнего слоя обмотки 4, покрытые витковой изоляцией 5, и поочередно с ними (в тангенциальном напpавлении) уложены ферромагнитные элементы стержни 6, длина которых соответствует активной длине машины.

Ферромагнитные элементы 6 имеют поперечное сечение в виде трапеции, расширяющейся в радиальном направлении. Подобное исполнение позволяет наилучшим образом заполнить объем между токопроводящими стержнями и обеспечить минимальное магнитное сопротивление на пути магнитного потока. Для обеспечения малого уровня вибрации машины максимальная толщина ферромагнитных элементов не превышает величины суммарного немагнитного зазора машины, а при высоких частотах вращения машины (перемагничивания) они могут быть выполнены шихтованными.

Нижний обмоточный слой, включая ферромагнитные элементы 6, покрыт слоем электроизоляционной ленты 7, например стекловолокнистой, которая одновременно выполняет функции силового бандажа и электроизолирующего слоя, отделяющего нижний обмоточный слой от верхнего (межслойной изоляции). Верхний слой обмотки состоит из токопроводящих стержней 8 и ферромагнитных элементов 9, покрытых внешней изоляцией 10 (бандажами). Все обмоточные слои пропитаны и замоноличены в электроизолирующем материале.

Выполненные расчеты (в том числе, совместно с ЛПЭО "Электросила"), а также экспериментальные исследования моделей машин различной мощности (включая изготовление и испытания якоря для трамвайного двигателя мощностью 45 кВт) подтвердили возможность реализации предлагаемой конструкции. При этом ожидаемый выигрыш по массе по сравнению с двигателем с гладким якорем известной конструкции составит не менее двукратного, а по сравнению с двигателем с зубчатым якорем 20-40% (в зависимости от параметров машины, мощности, частоты вращения).

Предлагаемое для снижения зубцовых составляющих вибрации техническое решение было проверено расчетным путем и экспериментально на изготовленных образцах электрических машин (с замером уровня вибрации).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Якорь электрической машины постоянного тока, содержащий беззубцовый магнитопровод и обмотку, закрепленную на изолированной поверхности магнитопровода при помощи бандажа из электроизоляционного материала и замоноличенную вместе с бандажом, отличающийся тем, что каждый обмоточный слой на активной длине якоря набран из чередующихся между собой покрытых витковой изоляцией проводников обмотки и ферромагнитных элементов трапециевидного сечения, в частности шихтованных, а бандаж из электроизоляционного материала наложен на каждый обмоточный слой и выполнен в виде сплошного покрытия, в частности из стекловолокнистой ленты.

Якорь по п. 1, отличающийся тем, что толщина ферромагнитных элементов не превышает величины суммарного немагнитного зазора машины.

Государственные стандарты

ГОСТ 25941-83 (МЭК 34-2-72 МЭК 34-2А-74)

УДК 621.313.281.001.4:006.354 Группа Е69

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

МАШИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ

Методы определения потерь и коэффициента полезного действия

Rotating electrical machines.

Methods for determining losses and efficiency

МКС 29.160.01

ОКП 33 0000

Дата введения 01.01.84

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

РАЗРАБОТАН И ВHEСЕH Министерством электротехнической промышленности

СССР

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 14.10.83 г. № 4975

Изменение № 2 принято Межгосударственным советом по стандартизации,

метрологии и сертификации (протокол № 19 от 24.05.2001)

За принятие проголосовали:

Наименование государства Наименование национального органа по

стандартизации

Азербайджанская Республика Азгосстандарт

Республика Армения Армгосстандарт

Республика Беларусь Госстандарт Республики Беларусь

Грузия Грузстандарт

Республика Казахстан Госстандарт Республики Казахстан

Кыргызская Республика Кыргызстандарт

Республика Молдова Молдова-стандарт

Российская Федерация Госстандарт России

Республика Таджикистан Таджикстандарт

Туркменистан Главгосслужба «Туркменстандартлары»

Республика Узбекистан Узгосстандарт

Украина Госстандарт Украины

В стандарте введены международные стандарты МЭК 34-2-72 и МЭК 34-2А-74

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 3243-81

ВЗАМЕН ГОСТ 11828-75 разд. 6

ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка Номер пункта

ГОСТ 7217-87 2.6, 6.2.3, 6.2.5

ГОСТ 8865-93 1.4

ГОСТ 10159-79 6.14

ГОСТ 10169-77 6.3.4

ГОСТ 11828-86 1.2

ИЗДАНИЕ (август 2003 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в октябре 1988 г., августе 2002 г. (ИУС 1-89, 11-2002)

Настоящий стандарт распространяется на вращающиеся электрические машины постоянного и переменного тока без ограничения мощности, напряжения и частоты и устанавливает методы определения потерь и коэффициента полезного действия (КПД). Стандарт не распространяется на электрические машины, предназначенные для применения на подвижных средствах наземного, водного, воздушного и космического транспорта.

Стандарт пригоден для целей сертификации.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2)

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Состояние машины при испытаниях

Испытания должны проводиться на исправной машине со всеми закрытиями, установленными так, как это требуется для нормальной работы. Устройства для автоматического регулирования напряжения или частоты вращения, не составляющие неотъемлемых частей машины, должны быть выведены из действия, если иное не оговорено. Щетки на коллекторах при отсутствии других указаний должны находиться в положении, соответствующем нормальной эксплуатации машины; однако, при определении потерь в стали щетки должны быть поставлены в нейтральное положение, если это допускает конструкция машины. Испытания следует проводить при практически установившейся температуре опор (подшипников и подпятников) испытуемой машины. В случае невозможности непосредственного измерения температуры опор машина должна до начала испытания вращаться без нагрузки при номинальной частоте вращения в течение времени, указанного в табл. 1, если иное не установлено в стандартах или технических условиях на конкретные виды машин.

Таблица 1

Мощность машины, кВт (кВ·А)	Продолжительность вращения, мин
	при периодических испытаниях машин с или приемосдаточных испытаниях машин с подшипниками скольжения	при приемосдаточных испытаниях машин с подшипниками качения
До 1 Св. 1 до 10 » 10 » 100 » 100 » 1000 » 1000	10 30 60 120 240	15 15 30 60 120

При испытании на механизированных и автоматизированных испытательных устройствах допускается уменьшение времени по табл. 1:

до 1 мин -- для машин мощностью до 10 кВт;

до 2 мин -- для машин мощностью свыше 10 кВт.При испытаниях машин переменного тока, питаемых от полупроводниковых преобразователей (далее преобразователей), должны применяться те типы преобразователей, с которыми они будут эксплуатироваться.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

Измерительные приборы и способы измерений--по ГОСТ 11828.

Примечание. При испытаниях машин переменного тока, питаемых от

преобразователей, следует учитывать, что применяемые приборы должны быть способны работать в широком спектре (диапазоне) частот.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2)

КПД группы машин

В случае измерения общего КПД или общего значения потребляемой мощности группы машин, состоящей из двух электрических машин или одной машины и одного трансформатора, одного генератора и его приводной машины или одного двигателя и приводимой им машины, отдельные значения КПД указывать не требуется. Если отдельные КПД приводятся, то их следует рассматривать как ориентировочные.

При отсутствии других указаний все потери вида I2R должны быть приведены соответствующим пересчетом к одному из указанных ниже значений расчетной рабочей температуры:

75°С -- для классов изоляции А и Е;

95°С -- для класса изоляции В;

115°С -- для класса изоляции F;

130°С -- для класса изоляции Н.

Классификация изоляции по нагревостойкости -- по ГОСТ 8865.

Расчетная рабочая температура обмоток с непосредственным жидкостным охлаждением независимо от класса их изоляции устанавливается в стандартах или технических условиях на конкретные виды машин. В стандартах или технических условиях на электрические машины конкретных видов допускается устанавливать другие значения расчетной рабочей температуры, по возможности близкой к средней температуре обмоток в номинальном режиме работы.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2)

Температура окружающей среды

Испытания по определению потерь и КПД следует проводить по возможности при температуре окружающей среды от 10 до 30°С; при соблюдении этого условия никакие поправки к измеренным значениям отдельных потерь и КПД не вносятся. Температура подшипников и подпятников при испытаниях должна быть практически установившейся.

УЧИТЫВАЕМЫЕ ПОТЕРИ

Механические потери Рмех -- потери на трение всех видов во вращающейся машине: в подшипниках, подпятниках и уплотнениях вала (для герметичных машин); на трение щеток на коллекторах и контактных кольцах; на трение вращающейся части машины о среду, заполняющую полость машины, и на трение охлаждающей среды в каналах вращающейся части, если они покрываются с вала машины; потери, обусловленные работой вентиляторов, водяных и масляных насосов и всяких иных механизмов, приводимых от вала машины и предназначенных только для обслуживания машины.

Мощность, потребляемая независимыми смазочными и вентиляционными системами и насосами, а также потери в подшипниках и подпятниках, общих для электрической машины и сопряженного с нею механизма -- первичного двигателя или приводимого машиной устройства -- учитываются при вычислении КПД только по согласованию между изготовителем и потребителем. В случае, если это необходимо, должны указываться значения осевого и радиального усилий, температура опор и смазочного масла и его марка, соответствующие данному значению потерь. вихревые токи при перемагничивании сердечника якоря, а также на вихревые токи на поверхностях сердечников от разного рода пульсаций магнитного поля при отсутствии нагрузки машины и на вихревые токи во всех прочих частях машины, активных и конструктивных, от потоков рассеяния при холостом ходе.

2.3 Основные потери в цепях рабочих обмоток

Рм -- основные потер I2R, создаваемые током нагрузки в обмотке якоря и во всех других обмотках соединенных последовательно с якорем. Эти потери вычисляются по току и сопротивлению обмоток, измеренному при постоянном токе и приведенному к расчетной рабочей температуре, кроме тех случаев, когда измерение сопротивления практически неосуществимо из-за его очень малого значения, и тогда допускается его вычисление по геометрическим размерам соответствующей обмотки; или по причине недоступности обмотки, в этом случае применяются особые приемы для определения потерь в такой обмотке, как, например, в обмотке короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя по п. 6.2.3.

В случае применения различного рода устройств, шунтирующих такие обмотки, как последовательные, компенсационные и добавочных полюсов машин постоянного тока, потери следует определять по полному току и результирующему сопротивлению.

2.4. Потери на возбуждение Рв -- потери I2R, создаваемые током возбуждения как в самой обмотке возбуждения, так и в постоянно соединенных с нею сопротивлениях, предназначенных для регулирования или ограничения тока возбуждения, с добавлением потерь в источниках возбуждения, если эти последние покрываются возбуждаемой машиной.

2.4.1. Если обмотка возбуждения питается непосредственно от напряжения на выводах возбуждаемой машины, то потери на возбуждение вычисляются как произведение этого напряжения на ток возбуждения.

2.4.2. Если обмотка возбуждения питается от какого-либо возбудительного

устройства, подключенного к выводам возбуждаемой машины, потери н возбуждение вычисляются как произведение квадрата тока возбуждения на сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к расчетной рабочей температуре, плюс потери в возбудительном устройстве, вычисленные в соответствии с его системой.

2.4.3. Если обмотка возбуждения питается от электромашинного возбудителя постоянного или переменного тока, приводимого от вала возбуждаемой машины и служащего только для ее возбуждения, то потери на возбуждение вычисляются как произведение квадрата тока возбуждения на сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к расчетной рабочей температуре, плюс потери в возбудителе, определяемые по общим правилам для машин того вида, к которому относится возбудитель, однако без учета механических потерь в возбудителе, которые причисляются к механическим потерям возбуждаемой машины. В случае возбудителя переменного тока к потерям в нем прибавляются потери в выпрямительном устройстве, определяемые в соответствии с его системой.

2.4.4. Если обмотка возбуждения питается от независимого нерегулируемого источника постоянного тока, как от батареи, выпрямителя или двигатель-генератора, то потери в источнике не принимаются в расчет, равным образом как и потери в соединительных проводах между источником и возбуждаемой машиной, если это не обусловлено иначе.

2.5. Электрические потери в щетках Рш -- потери в переходных контактах щеток на коллекторе или контактных кольцах, равные произведению тока на падение напряжения в переходном слое ДU, условно принимаемое не зависящим ни от тока, ни от полярности контакта, и равным на каждый контакт:

ДU = l В -- для угольных или графитных щеток;

ДU = 0,3 В -- для металлоугольных или металлографитных щеток.

В случае применения иных контактов, например, жидкометаллических, потери в них определяются по согласованию между изготовителем и потребителем.

2.6. Добавочные потери при нагрузке Рд -- потери всех других видов, кроме перечисленных, в основном на вихревые токи в активных и конструктивных частях машины от полей рассеяния, создаваемых током нагрузки. Добавочные потери при нагрузке включают в себя:

потери в активной стали магнитопровода и других металлических частях, кроме проводников обмотки, обусловленные нагрузкой;

потери от вихревых и циркуляционных токов в проводниках; 3) потери в щетках, вызванные циркуляционными токами при коммутации (машин постоянного тока).

Для машин постоянного тока добавочные потери при номинальном режиме работы вычисляются условно как определенная доля электрической мощности, т. е. подводимой мощности для двигателя и отдаваемой мощности для генератора.

Для асинхронных машин добавочные потери при нагрузке определяют опы тным путем по ГОСТ 7217. При необходимости определения потерь машин на месте установки добавочные потери при номинальном режиме работы по согласованию вычисляют как определенную долю электрической подводимой мощности для двигателя.

Для синхронных машин добавочные потери при нагрузке не вычисляют, а определяют опытным путем совместно с основными потерями в цепях рабочих обмоток и их сумма называется обычно потерями короткого замыкания Рк. Условно считается, что потери короткого замыкания не зависят от температуры обмоток.

Если требуется вычислить добавочные потери при режимах работы, отличных от номинального, то при отсутствии других указаний они должны быть пересчитаны пропорционально квадрату тока нагрузки.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

2.7. Дополнительные потери Рдоп -- потери в машинах переменного тока, питаемых от преобразователя, обусловленные высшими гармоническими параметрами питания (как тока, так и напряжения).

Помимо потерь, перечисленных в пп. 2.1-2.6, машины, питаемые от

преобразователей, имеют дополнительные потери, которые включают в себя:

дополнительные потери в обмотке статора;

дополнительные потери в обмотке ротора;

дополнительные потери в сердечнике статора;

дополнительные потери в сердечнике ротора.

Дополнительные потери определяют опытным путем: методом непосредственной нагрузки или методом взаимной нагрузки. При этом дополнительные потери рассчитываются как разность между измеренными полными потерями и всеми

остальными составляющими потерь. По согласованию с заказчиком, а также при необходимости определения потерь машин на месте установки, дополнительные потери при номинальном режиме работы вычисляют как определенную долю электрической подводимой мощности.

Если требуется вычислить дополнительные потери при режимах работы, отличных от номинального, то при отсутствии других указаний они должны быть пересчитаны пропорционально квадрату тока нагрузки.

(Введен дополнительно, Изм. № 2)

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ И КПД

Классификация методов определения потерь и КПД

По технике выполнения испытания делятся на три группы:

- измерение мощности, подводимой к машине и отдаваемой ею.

Как правило, оно включает в себя измерение механической мощности на валу машины, подводимой к машине или отдаваемой ею;

- измерение подводимой и отдаваемой мощности двух машин, объединенных механически, например, двух одинаковых машин или испытуемой машины с тарированной машиной. Этим устраняется измерение механической мощности, подводимой к машине или отдаваемой ею;

- измерение действующих потерь в машине при определенном режиме ее работы. Измеряемые потери могут не обязательно быть полными, но содержать определенные отдельные потери; однако метод может быть применен для определения как полных, так и отдельных потерь. Испытания первой группы проводятся для непосредственного определения КПД; испытания второй группы в зависимости от применяемого метода могут проводиться как для непосредственного, так и для косвенного определения КПД; испытания третьей группы проводятся только для косвенного определения КПД. Они могут быть выполнены:

- с определением отдельных составляющих потерь для их последующего суммирования;

- с определением одновременно всей суммы потерь.

Если нет иных указаний, то косвенное определение КПД обязательно для машин с гарантированным значением КПД 85 % и выше; косвенное определение может быть применено и для машин с гарантированным значением КПД менее 85 %.

Методы непосредственного определения КПД.

Испытание для определения КПД непосредственными методами должно

проводиться при температуре машины, по возможности более близкой к той, которая

достигается в конце периода работы, установленного номинальным режимом. Не

следует вводить никаких поправок на изменение сопротивления обмоток от нагревания.

Метод измерения механической мощности -- метод непосредственного определения КПД, при котором механическая мощность на валу машины, отдаваемая в случае двигателя или подводимая в случае генератора, определяется как произведение измеренного вращающего момента на угловую частоту вращения, а электрическая мощность, подводимая в случае двигателя или отдаваемая в случае генератора, измеряется электроизмерительными приборами. Измерение вращающего момента проводится при помощи динамометра, а в случае испытания двигателя -- также тормоза, электромагнитного, механического или гидравлического.

Метод измерения электрической мощности -- метод непосредственного определения КПД, при котором две одинаковые машины механически соединяются друг с другом и одна работает в режиме двигателя от соответствующего источника, а другая -- в режиме генератора на реостат или на сеть. Полные потери в двух машинах определяются как разность между электрической мощностью, подводимой к первой машине, и электрической мощностью, отдаваемой второй, машиной. Температура, при которой проводится испытание, должна быть как можно боле близкой к рабочей температуре; никакие другие поправки не должны делаться. Потери в обеих машинах покрываются сетью, к которой присоединены обе машины. Частота вращения синхронных машин и машин постоянного тока устанавливается равной номинальному значению. Среднее значение токов якоря машин постоянного тока устанавливается равным номинальному току, среднее напряжение на двух якорях должно быть выше или ниже номинального на падение напряжения в цепи якоря в зависимости от того, как предполагается использовать обе машины -- соответственно в качестве генератора или двигателя. Две асинхронные машины должны быть механически соединены устройством, регулирующим частоту вращения, как, например, редуктор, чтобы обеспечить правильную передачу мощности. Передаваемая мощность зависит от разности частот вращения. Для подведения электрической мощности, покрывающей потери в обеих машинах, и намагничивающей реактивной мощности необходимо подключение к электрической системе. Когда две синхронные машины соединены электрически и механически, то механическое соединение должно быть сделано с правильным соотношением углов нагрузки. Передаваемая мощность зависит от суммы абсолютных значений углов нагрузки обеих машин.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

Метод тарированной вспомогательной машины -- метод непосредственного определения КПД, при котором испытуемая машина механически соединяется с тарированной машиной, генератором в случае испытания двигателя и двигателем в случае испытания генератора. В случае испытания двигателя КПД определяется как отношение суммы мощности, отдаваемой тарированной машиной, и потерь в ней, к мощности, подводимой к испытуемой машине; в случае испытания генератора КПД определяется как отношение мощности, отдаваемой испытуемой машиной, к разности между мощностью, подводимой к тарированной машине, и потерями в ней.

Методы косвенного определения КПД

Метод взаимной нагрузки -- метод косвенного определения КПД, при котором две одинаковые машины соединяются механически и электрически так, что одна из них работает в режиме двигателя и передает всю развиваемую ею механическую мощность второй машине, работающей в режиме генератора и возвращающей всю генерируемую ею электрическую мощность первой машине.

Метод динамометра или тарированного двигателя -- метод косвенного определения КПД, при котором испытуемая машина приводится во вращение при помощи динамометра или тарированного двигателя с номинальной частотой вращения и нагружается суммой механических потерь и потерь в стали и добавочных потерь холостого хода или суммой механических потерь и потерь короткого замыкания (только для синхронных машин). При применении динамометра искомые потери определяются произведением вращающего момента на частоту вращения. При применении тарированного двигателя искомые потери определяются как разность между мощностью, подводимой к тарированному двигателю, и потерями в нем. В случае необходимости отделения механических потерь от измеряемой суммы проводится измерение подводимой мощности при невозбужденной испытуемой машине: в случае необходимости отделения потерь на трение щеток этот же опыт повторяется при полностью поднятых щетках. В случае необходимости получения зависимости потерь в стали и добавочных потерь холостого хода от напряжения или потерь короткого замыкания от его тока, такая зависимость определяется при понижении тока возбуждения от наибольшего допустимого значения до нулевого. Для машин, охлаждаемых газом при различном давлении, полные вентиляционные потери могут быть отделены от потерь на трение посредством испытания при различных плотностях охлаждающего газа. Возбуждение испытуемой машины рекомендуется производить от независимого источника, чтобы не осложнять опыт необходимостью учета потерь на возбуждение. Для асинхронных машин этим методом могут быть определены только механические потери.

Метод ненагруженного двигателя -- метод косвенного определения КПД, при котором испытуемая машина работает в режиме ненагруженного двигателя при питании от источника соответствующего напряжения (и частоты в случае машины переменного тока). Искомая сумма механических потерь, потерь в стали и добавочных

потерь холостого хода определяется как разность между мощностью, подводимой к испытуемой машине, и основными потерями в цепях ее рабочих обмоток при температуре опыта, а также потерь в переходных контактах щеток, если последние входят в рабочую цепь машины. В случае необходимости отделения механических потерь опыт проводится при понижении напряжения источника питания от наибольшего допустимого значения до наименьшего, при котором еще возможно устойчивое вращение испытуемой машины с данной частотой. Экстраполяция нижней прямолинейной части зависимости измеренных таким образом потерь от квадрата приложенного напряжения отсекает на оси ординат механические потери. Измерение мощности при испытании асинхронных двигателей рекомендуется проводить ваттметрами, предназначенными для измерения при низких значениях коэффициента мощности.

...