Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

§ 1-1. Основные направления в развитии электромашиностроения

Электромашиностроение прошло большой путь развития, начи­ная от простейших моделей, созданных полтора века тому назад на основе открытий М. Фарадея (1821 — 1831), до современных электродвигателей и генераторов.

Хотя на протяжении нескольких последних десятилетий прин­ципы устройства электрических машин остались в основном теми же, однако коренным образом изменились их конструктивное оформление, рабочие характеристики и технико-экономические по­казатели. При этом почти все электромашиностроители перешли на проектирование и изготовление рядов или серий электрических машин.

Электропромышленность царской России представляла собой группу небольших предприятий, работавших по технической до­кументации иностранных фирм. После 1917 г. стало развиваться отечественное электромашиностроение. Была поставлена задача, пройти за короткий исторический период путь, который зарубежная техника прошла в течение почти полувека.

Начиная с середины двадцатых годов, советские электромаши­ностроители приступили к созданию новых отечественных конст­рукций, а также к разработке теоретических вопросов и проведе­нию исследований, связанных с проектированием машин. К сере­дине тридцатых годов был создан и внедрен в производство ряд серий асинхронных двигателей, синхронных машин и машин по­стоянного тока. Развившиеся и окрепшие к этому периоду элек­тромашиностроительные заводы выпускали, однако, разные серии машин, с несовпадающими техническими данными, конструкцией и технико-экономическими показателями, что влекло за собой за­труднения для потребителей в части замены, ремонта и создания резерва машин.

В связи с этим возникла необходимость создания единых серий машин, которые находились бы на современном техническом уров­не и изготовлялись бы на различных заводах по единой техниче­ской документации, обеспечивая целесообразную специализацию производства на основе современной технологии. Первая единая серия была создана к началу пятидесятых годов в области наиболее массовых машин — асинхронных двигателей мощностью от 0,6 до 100 кВт — серия А и АО. Затем единая серия была продлена для диапазона мощностей от 100 до 1000 кВт — серия А и АК. В области синхронных машин были разработаны генераторы мощностью от 12 до 75 кВт — серия ЕС, а также генераторы и двигатели мощностью от 100 до 800 кВт — серия СГ и СД. Единая серия П машин (двигателей и генераторов) постоянного тока мощностью от 0,3 до 200 кВт была создана в середине пятидеся­тых годов; затем серия была продлена для диапазона мощностей от 200 до 1400 кВт.

Опыт показывает, что изменение требований к электрическим машинам, появление улучшенных электротехнических материалов, усовершенствование конструкции и технологических процессов производства приводят к тому, что серии достаточно быстро уста­ревают и практически заменяются в производстве новыми через 10—20 лет (меньший срок относится к машинам с большим коли­чественным выпуском — асинхронным двигателям мощностью до100 кВт).

В настоящее время отечественной электропромышленностью из­готовляются асинхронные двигатели мощностью от 0,12 до 400 кВт и мощностью свыше 400 до 1000 кВт, синхронные генераторы мощностью от 5 до 50 кВт серии ЕСС и мощностью от 125 до 800 кВт серии СГ2, синхронные двигатели мощностью от 132 до 1000 кВт серии СД2 и СД32, машины постоянного тока мощностью от 0,37 до 1000 кВт серии 4П (см. гл. 9—11).

Машины этих серий обладают высокими технико-экономичес­кими показателями, находящимися на уровне современных серий ведущих зарубежных фирм. Новые серии разработаны с учетом международных норм-рекомендаций МЭК.

Научно-технический прогресс в области электротехнических сталей, изоляционных материалов и обмоточных проводов приводит к тому, что почти все электромашиностроительные фирмы мира, в том числе электромашиностроительные заводы России, каждые 10—20 лет обнов­ляют единые серии электрических машин. Так вместо единой серии асинхронных двигателей серии 4А, несколько лет тому назад была разработана единая серия АИ, а затем ряд электромашиностроитель­ных заводов (в том числе в г. Владимире и Ярославле) разработали еще более совершенные отрезки серий этих электродвигателей. При этом интересно отметить следующую тенденцию. Раньше новые серии электродвигателей разрабатывались для удовлетворения спроса на внутреннем рынке страны, теперь же все большее внимание уделяется международной стандартизации и мировым тенденциям в развитии электромашиностроения, для того чтобы выпускаемые электрические машины пользовались спросом и на внешнем рынке.

По указанным причинам вместо единой серии машин постоян­ного тока П, а затем 2П , разработана серия 4П.

Наибольший удельный вес в выпуске электрических машин за­нимают асинхронные двигатели, конструкция которых относитель­но простая, а трудоемкость изготовления малая. О масштабах применения и значения этих двигателей в народном хозяйстве страны можно судить по тому, что асинхронные двигатели мощностью от 0,12 до 400 кВт потребляют в России более 40% всей вырабатываемой электрической энергии.

Синхронные машины широко используют в качестве генерато­ров в передвижных и стационарных установках. В качестве дви­гателей они имеют ограниченное распространение при мощности свыше 100 кВт, хотя обладают преимуществами перед асинхрон­ными в том, что могут работать как с коэффициентом мощности, равным единице, так и с опережающим, но стоимость их выше, а эксплуатация несколько сложнее.

В ряде областей народного хозяйства электропривод на посто­янном токе значительно эффективнее по производительности и точности, чем на переменном токе, так как они могут обеспечивать необходимые по форме механические характеристики, плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широких преде­лах, быстрые пуск и торможение, реверс и высокие кратковремен­ные перегрузки. Роль этих двигателей в народном хозяйстве стра­ны и их количественный выпуск становятся все более значитель­ным вследствие расширяющегося внедрения автоматизированных производственных процессов, а также успехов в развитии тиристорного привода.

Основные тенденции в развитии электрома­шиностроения:

применение утоньшенной корпусной изоляции и обмоточных проводов с малой толщиной изоляции (главным образом эмаль-проводов), обладающих необходимой механической и электриче­ской прочностью. При этом повышается коэффициент заполнения обмоточного пространства медью и соответственно использование объема машины;

использование более нагревостойкой изоляции. В начале разви­тия электромашиностроения применялась изоляция класса нагревостойкости А, затем — классов Е и В, а в настоящее время наибольшее распространение находит изоляция класса F. В маши­нах, работающих в более тяжелых условиях, распространена изо­ляция класса нагревостойкости Н;

применение улучшенных марок электротехнической стали. Ши­роко используемые в настоящее время марки холоднокатаной электротехнической стали, обладают большей магнитной проница­емостью и меньшими удельными потерями в сравнении с соответ­ствующими марками горячекатаной стали;

усовершенствование охлаждения машин путем повышения про­изводительности вентиляторов, уменьшения аэродинамического сопротивления воздухопровода, увеличения поверхности охлажде­ния отдельных обмоток и всей машины за счет оребрения корпуса (в закрытых машинах), а также усиления теплопередачи путем лучшего заполнения воздушных прослоек в обмотках пропитыва­ющими лаками и компаундами;

усовершенствование методов расчета машин;

улучшение конструкции машин с придачей узлам и деталям эстетических и рациональных форм, при обеспечении снижения их массы и повышения прочности.

Развитию технического уровня электрических машин сопутст­вуют и другие тенденции:

снижение динамического момента инерции за счет уменьшения объема двигателя, следовательно, и объема вращающейся части двигателя (ротора или якоря), а также путем увеличения отноше­ния длины сердечника ротора или якоря к его диаметру;

повышение надежности машин,_ в частности за счет широкого распространения машин закрытого исполнения, в которых для улучшения охлаждения используют обдув наружной поверхности. Например, асинхронные двигатели мощностью до 15 кВт выпуска­ются в настоящее время только в закрытом исполнении с наружным обдувом (степень защиты IР44, способ охлаждения IС0141 — см. § 1-2). Значительно повышают надежность электрических ма­шин применение конструкции изоляции с повышенной электриче­ской и механической прочностью и ряд других мероприятий;

улучшение у двигателей постоянного тока регулировочных свойств, как в части расширения диапазона регулирования частоты вращения вверх от номинальной изменением тока возбуждения, так и вниз от номинальной изменением напряжения на якоре. Улучшению регулирования частоты вращения вниз от номиналь­ной без существенного уменьшения вращающего момента содей­ствует применение независимой вентиляции;

улучшение условий работы двигателей постоянного тока, пи­таемых от статических преобразователей с относительно высокими значениями пульсации напряжения, при полностью шихтованной магнитной системе, включая станину.

Энергетические показатели машин (КПД и cos) в основном сохраняются на одном уровне.

Особо следует отметить повышение технологичности конструк­ции, осуществляемой широкой унификацией узлов и деталей ма­шин и придания им форм, содействующих возможности примене­ния прогрессивных технологических процессов и усовершенство­ванного оборудования—автоматических линий, агрегатных станков, полуавтоматов, конвейеров и т. п.

Наблюдаемый в настоящее время переход к прямоугольным формам очертания машин нашел свое отражение в области оте­чественных асинхронных двигателей с высотой оси вращения h280 мм. Такая форма кроме эстетичности дает возможность осуществить блочную конструкцию машин с коробчатой стани­ной, при которой блоки механической и электрической частей изго­товляют на отдельных технологических участках, и объединяют при сборке. При блочной конструкции обмотка сердечника статора и процесс пропитки могут производиться вне станины. Соответствен­но облегчается ремонт обмотки.

Основным исполнением перечисленных единых серий электри­ческих машин являются машины общего назначения. Под маши­нами общего назначения подразумеваются такие машины, которые могут применяться в различных отраслях народного хозяйства, в отличие от специальных машин, предназначенных для использова­ния в определенных специфических условиях, например взрывозащищенных, крановометаллургических, тяговых и т. п.

На базе машин общего назначения проектируют и изготовляют без значительного изменения конструкции модификации машин, обладающие несколько измененными характеристиками, которые рассчитаны на удовлетворение требований отдельных видов элек­тропривода. Например, у асинхронных двигателей модификация­ми могут быть двигатели с повышенным - скольжением, многоско­ростные двигатели с переключением числа полюсов и т. п.