Проектировании двигателей

При проектировании асинхронных двигателей в течение расчета — поиска варьируются только следующие параметры: наружный диаметр сердечника статора Ds\, внутренний диаметр сердечника статора D\, длина сердечника 1\, размеры пазов статора и ротора, количество витков и прочие зависящие от них параметры — индукция в воздушном зазоре Вй, диаметр вентилятора, сечение короткозамыкающих колец, длина лобовой части обмотки статора и т. п. Следует заметить, что наружный диаметр сердечника статора определяют только для базового типоразмера двигателя, а для других типоразмеров двигателей принятой высоты оси вращения он остается постоянным. При расчете накладывается и ряд конструкционно-технологических ограничений. Например, ширина зубцов статора и ротора в наиболее узком месте не должна быть меньше (1+0,01 Дп), мм; высота спинки статора не должна быть меньше 0,055 ?>нь мм.

При оптимальном расчетном проектировании асинхронных двигателей эти параметры должны быть учтены при определении размеров и параметров двигателей, исходя из минимума затрат на эксплуатацию машин. Следует иметь в виду, что КПД отражает затраты, связанные с потерями электроэнергии, в то время как коэффициент мощности отражает затраты на компенсацию реактивной энергии.

При оптимальном расчетном проектировании асинхронных двигателей эти параметры должны быть учтены при определении размеров и парамет-

Проектирование новой машины начинают с выбора базовой модели, на которую ориентируются при проведении всех расчетов, начиная с выбора главных размеров, и при разработке конструкции отдельных узлов. За базовую обычно выбирается конструкция двигателя одной из новых серий, выпускаемых в настоящее время. Например, при проектировании асинхронных двигателей общего назначения малой и средней мощности (до 400 кВт) в качестве базовой модели следует выбирать конструкцию двигателей серии 4А или АИ предусмотренного в техническом задании исполнения,

В большинстве случаев эффект вытеснения тока в обмотках корот-козамкнутых роторов играет положительную роль, так как увеличивает начальные моменты двигателей. Это широко используют при проектировании асинхронных машин, выполняя роторы с глубокими прямоугольными или фигурными пазами или с двойной беличьей клеткой, в которых эффект вытеснения тока проявляется особенно сильно. Однако неравномерное распределение плотности тока по сечению стержня ротора может привести и к нежелательным последствиям. Например, при неудачно выбранных размерных соотношениях стержней чрезмерно возрастающая в пусковых режимах плотность тока в их верхних участках может вызвать неравномерное тепловое удлинение стержней и их изгиб. При этом стержни разрывают усики пазов и выгибаются в воздушный зазор, что неизбежно приводит к выходу двигателя из строя. В связи с этим правильный учет влияния эффекта вытеснения тока является необходимым при проектировании асинхронных машин с короткозамкну-тыми роторами.

6. Что определяет выбор числа пазов на полюс и фазу при проектировании асинхронных двигателей?

При проектировании асинхронных двигателей в течение расчета — поиска варьируются только следующие параметры: наружный диаметр сердечника статора DHi, внутренний диаметр сердечника статора D\, длина сердечника 1\, размеры пазов статора и ротора, количество витков и прочие зависящие от них параметры — индукция в воздушном зазоре Be, диаметр вентилятора, сечение короткозамыкающих колец, длина лобовой части обмотки статора и т. п. Следует заметить, что наружный диаметр сердечника статора определяют только для базового типоразмера двигателя, а для других типоразмеров двигателей принятой -высоты оси вращения он остается постоянным. При расчете накладывается и ряд _ конструкционно-технологических ограничений. Например, ширина зубцов статора и ротора в наиболее узком месте не должна быть меньше (1+0,01 DHi), мм; высота спинки статора не должна быть меньше 0,055 Д,ь мм.

Чтобы уменьшить провалы в кривой момента, надо уменьшить амплитуды высших гармоник поля в воздушном зазоре. Для этого необходимо стремиться распределение МДС выполнять близким к синусоиде, выбирать определенные соотношения чисел зубцов на роторе и статоре, делать скос пазов и выбирать необходимое раскрытие пазов, т. е. принимать все меры к уменьшению амплитуд высших гармоник поля (см. § 1.11). Кривая момента идеальной машины является лучшей, и к ней стремятся при проектировании асинхронных машин.

статора или ротора. При проектировании асинхронных двигателей используют таблицы рекомендуемых сочетаний чисел пазов статора и ротора с учетом числа полюсов машины, наличия или отсутствия скоса пазов, формы паза и величины воздушного зазора.

При проектировании асинхронных двигателей стремятся всемерно улучшать их энергетические показатели, в ряде случаев за счет увеличения расхода активных материалов. Проектирование электродвигателей в СССР ведется по минимуму суммарных затрат в народном хозяйстве: на их производство (стоимость материалов и рабочей силы) и эксплуатацию (стоимость электроэнергии при эксплуатации двигателей). При этом принимают, что средняя

Более подробно вычислительные методы нелинейного программирования, применяемые при оптимальном проектировании асинхронных двигателей, рассмотрены в [13].

При проектировании двигателей электробуров стремятся добиться максимальной мощности при наименьших размерах, определяемых диаметром долота и технологией бурения. Синхронную частоту вращения двигателя можно определить, исходя из максимально допустимой частоты вращения долота, которая по нормам не должна превышать 1 000 об/мин. Конструктивно трудно изготовить погружной двигатель промышленной частоты с синхронной частотой вращения менее 500 об/мин.. Следовательно, синхронная частота вращения двигателей электробуров может быть 500, 600, 750 или 1000 об/мин. Опыт бурения глубоких скважин электробурами свидетельствует о целесообразности снижения частоты вращения вала электробура в сочетании с увеличением его момента. Это достигается применением электробура с зубчатым редукторов-вставкой. У двигателей редукторных электробуров синхронная частота вращения равна 1500 об/мин.

При проектировании двигателей электробуров стремятся добиться максимальной мощности при наименьших габаритных размерах, определяемых диаметром долота и технологией бурения. Синхронную частоту вращения двигателя можно определить исходя из максимально допустимой частоты вращения долота, которая по нормам не должна превышать 1000 об/мин. Конструктивно трудно изготовить погружной двигатель промышленной частоты с синхронной частотой вращения менее 500 об/мин. Следовательно, синхронная частота вращения двигателей электробуров может быть 500, 600, 750 или 1000 об/мин. Опыт бурения глубоких скважин электробурами свидетельствует о целесообразности снижения частоты вращения вала электробура в сочетании с увеличением его момента. Это достигается применением электробура с зубчатым редуктором — вставкой. У двигателей редукторных электробуров синхронная частота вращения раина 1500 об/мин.

При проектировании двигателей с монолитной станиной, питаемых от тиристорных преобразователей с коэффициентом пульсации более 1,1, значения А'2 по 10-5, а следует снижать на 10%, а Б'6 по 10-5, б — на 5%.

Значение X характеризует основные размерные соотношения в машине. Большие X имеют машины относительно малого диаметра и большой длины, и, наоборот, малые значения X — короткие машины с большим диаметром. В первом случае машины имеют меньшую массу и меньшую высоту оси вращения. В них лучше используется медь обмотки, так как длина лобовых частей катушек по сравнению с длиной их пазовых частей становится меньше. Момент инерции машин меньше при больших X, чем при малых X, что особенно важно при проектировании двигателей, предназначенных для работы с частыми пусками.

Технология изготовления роторов с короткозамкнутой обмоткой значительно проще, чем фазных. Кроме того, в связи с отсутствием изоляции, контактных колец, скользящих контактов и пусковых реостатов уменьшаются габариты и стоимость двигателей, повышается их надежность и упрощаются техническое обслуживание и эксплуатация. Поэтому большинство современных асинхронных двигателей выполняют с корот-козамкнутыми роторами. Одним из недостатков асинхронных двигателей с короткозамкнугыми роторами является невозможность включить в цепь ротора во время пуска реостат для увеличения пускового момента и снижения тока. При проектировании двигателей с короткозамкнуты-ми роторами направленным выбором параметров ограничивают пусковой ток до 6-7-кратного по сравнению с номинальным, а для повышения пусковых моментов используют эффект вытеснения тока в стержнях

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостого хода к режиму полной нагрузки частота вращения п2 изменяется обычно незначительно, так как при проектировании двигателей с целью уменьшения потерь мощности в роторе ДЯЭл2 стремятся, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02—0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

При проектировании двигателей с монолитной станиной, .питаемых от тиристорных преобразователей с коэффициентом пульсации более 1,1, значения А'2 по 10-5, а следует снижать на 10%, а В'в по 10-5, б — на 5%.

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостого хода к режиму полной нагрузки частота вращения п2 изменяется обычно незначительно, так как при проектировании двигателей с целью уменьшения потерь мощности в роторе АЯЭл2 стремятся, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02... 0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой». Значения скольжения s и частоты вращения п2 находят на основании схемы замещения ( 4.2, в), как указано в § 4.1; можно также построить характеристики Лг=/(/'2) и n,2=f(M) по приближенным значениям п2, Р2 и М, полученным из круговой диаграммы. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им величины полез-

При проектировании двигателей серии АИ для определения геометрии активной части применялся метод случайного поиска с самообучением, при котором информация о поведении целевой функции в предыдущих точках используется для определения наивыгоднейшего направления следующего шага. При этом увеличивается вероятность выбора более удачного направления. Для уменьшения дисперсии ошибки случайные пробные шаги заменяют шагами, вычисленными на основе теории планирования экспериментов. Планирование эксперимента позволяет уменьшить число пробных точек по сравнению с градиентными методами.

Выбор критериев. Задача оптимального проектирования серии асинхронных двигателей является многокритериальной. В качестве основного критерия при проектировании двигателей серий 4А и АИ принимался критерий минимума приведенных суммарных затрат (Зт), учитывающих стоимость изготовления двигателей и расходы на их эксплуатацию за нормативный срок окупаемости. Кроме по-лска^лгимальных параметров двигателей по этому основному критерию осуществляется также поиск по минимуму длины сердечника статора как показателя технологичности конструкции. При использовании методов нелинейного программирования представляется возможным осуществлять проектирование серии или отдельных машин по другим критериям оптимальности: максимуму полезной мощности, минимальной стоимости машины, минимуму массы, максимальным энергетическим показателям и др.

Эти значения ka и / были положены в основу оптимизационных расчетов при проектировании двигателей серии АИ. Однако для ряда отраслей промышленности (текстильная и др.), у которых электроприводы имеют среднюю годовую наработку более 3 тыс. ч, в серии АИ предусмотрено специальное исполнение двигателей. Расчеты показали, что такие двигатели целесообразно выполнять с повышенными значениями КПД и cosqn путем увеличения длины пакета магнитопровода.