книги / Проектирование электрических машин

риальных

затрат.

Унификация

ба­

R20

ф20 =

V/T o = I,1 2

20

зируется

на

анализе

требований

4 0 ,—

различных

министерств

и

ведомств

R 4 0

ф40 =

40

]/ 1 0= 1,06

и разработке единых серий электро­

Каждый ряд построен на знаме­

оборудования. На

базе

единых

се­

рий машин и трансформаторов раз­

нателе ПрОГреССИИ

ф 5,

Срю,

ф 20, ф40 в

рабатываются

модификации,

пред­

интервале от. 1 до

10.

Числа свыше

назначенные

для

различных

усло­

10 получаются

умножением на 10;

вий работы. Внутри

серии

прово­

100;

1000 и т. д.,

а

числа,

меньшие

дится

максимальная

унификация

1, — умножением на 0,1; 0,01; 0,0001

и т.д.

узлов

и деталей.

в электротехни­

предпочтительным

числам

и

Стандартизация

По

ческой

промышленности

строится

геометрическим

рядам

предпочти­

на базе

государственной

системы

тельных чисел построены ряды мощ­

ностей

электродвигателей,

транс­

стандартизации.

Стандарты

СССР

подразделяются

на

следующие

ка­

форматоров

и

автотрансформато­

тегории:

ров.

в

СССР

госу­

государственные

стандарты

Разработанный

СССР

(ГОСТ);

отраслевые

стан­

дарственный

стандарт

на

шкалу

дарты

(ОСТ);

республиканские

мощностей

(ГОСТ

12139-74)

при­

стандарты

(РСТ);

стандарты

пред­

веден в табл.

1-3. Этот ряд мощно­

приятий

(СТП).

в

СССР

являются

стей наиболее массовых серий элек­

Стандарты

тродвигателей

максимально

приб­

обязательными

в пределах установ­

лижается

к ряду

предпочтительных

ленной сферы их действия, области

чисел

Я 10.

и условий

их

применения.

Т а б л и ц а

1-3

Кроме

стандартов

утверждают­

Ряд мощностей по ГОСТ 12139-74

ся технические условия (ТУ), пред­

(в

диапазоне от

0,06 до 1000 кВт)

ставляющие

собой

распространен­

0,06

1,5

22

160

ный вид нормативно-технической

0,09

2,2

30

200

документации.

подот­

0,12

3,0

37

250

В основу

стандартизации

0,18

4.0

45

315

раслей электротехнической промыш­

0,25

5,5

55

400

ленности

положены

базовые

стан­

0,37

7,5

75

500

0,55

11

90

630

дарты. Таким стандартом для элек­

0,75

15

ПО

800

трических

машин

является

ГОСТ

1.1

18,5

132

1000

183-74, устанавливающий общие

технические требования на все элек­

В

стандартах

на

электрические

трические машины. На

основе еди­

машины

кроме

размеров, техничес­

ных стандартов

подотрасли

уста­

ких требований

и методов

испыта­

навливаются

стандарты

на

единые

ний устанавливаются

основные по­

серии

(например,

на

асинхронные,

казатели: номинальные напряжения

синхронные машины и др.).

в вольтах, частота

вращения

(син­

При

стандартизации

электро­

хронная) в оборотах в минуту

и

оборудования

применяются

ряды

мощности в киловаттах или ваттах.

предпочтительных

чисел,

построен­

Размеры

электрических

машин,

ные на геометрической

прогрессии:

определяющие возможность их мон­

о;

ах\

ах2, . . . . axn—i.

тажа

и сочленения

с

рабочими ме­

ханизмами

(высота

оси

вращения,

Оказалось

достаточным

иметь

диаметры

концов

валов),

устанав­

четыре

десятичных

ряда

геометри-

ливаются

в

соответствии

с

ГОСТ

ческой

прогрессии:

6636-69 «Нормальные линейные раз­

Ряд

Знаменатель ряда

Количсстпо

меры».

Этот

ГОСТ

устанавливает

членов п пре­

ряды линейных

размеров

в

интер­

делах ряда

Я5

ф5 = |5/T o = i,6

5

вале от 0,001

до 20 000

мм, которые

применяются

в

машиностроении.

/?10

10 —

10

Аттестация

качества

продук­

ф10 = у

10= 1,25

ции — один

из постоянно

денствую-

щих факторов, стимулирующих соз­

нохозяйственный эффект, чем улуч­

дание

продукции,

превосходящей

шение КПД

и cos ф.

по

своим

технико-экономическим

Согласно

ГОСТ

13377-75 «На­

показателям

лучшие

отечественные

дежность в технике. Термины и оп­

и мировые достижения. Аттестация

ределения»

надежность — это свой­

качества

продукции

производится

ство объекта, заключающееся в его

на основании

«Основных

положе­

способности

выполнять

определен­

ний единой системы аттестации ка­

ные задачи в определенных услови­

чества

промышленной

продукции

ях эксплуатации. Одной

из основ­

(ЕСАКП)». ЕСАКП объединяет го­

ных

характеристик

надежности

яв­

сударственную, отраслевую и за­

ляется вероятность безотказной ра­

водскую

аттестации.

боты,

т. е.

вероятность

того, что в

В ЕСАКП установлено, что про­

заданном

интервале

времени отказ

дукция аттестуется по трем катего­

изделия не

возникнет.

Отказ — это

риям

качества:

высшей,

первой

и

событие, заключающееся

в наруше­

второй.

категории

относится

нии

работоспособности

изделия.

К

высшей

Отказы бывают внезапные и посте­

продукция,

соответствующая

или

пенные. Внезапные

отказы

(корот­

превосходящая

по

своим

технико­

кое замыкание,

обрыв

провода, за­

экономическим

показателям

выс­

клинивание

подшипников)

приво­

шие

достижения

отечественной

и

дят

к полному

нарушению

работо­

зарубежной науки и техники. Этой

способности.

Постепенные

отказы

продукции

присваивается

государ­

обусловлены

изменением

парамет­

ственный Знак

качества.

ров элементов

технических изделий

К

первой

категории

относится

в связи со старением и износом.

продукция,

которая

по

своим

тех­

Мерой

надежности

является

ин­

нико-экономическим

показателям

тенсивность

отказов,

т. е. плотность

соответствует

современным

требо­

распределения

наработки

изделия

ваниям

действующих

стандартов

и

до

отказа, определяемая

при усло­

технических

условий.

вии,

что до

рассматриваемого

мо­

Ко

второй

категории

относится

мента

отказ

не возник.

продукция,

которая

не

соответству­

Кроме

вышеназванных

к основ­

ет современным

требованиям,

под­

ным понятиям

теории

надежности

лежит

модернизации

или

снятию

с

относятся

следующие.

Безотказ­

производства.

ность— свойство

изделия

непре­

Вновь

разрабатываемые

изде­

рывно сохранять работоспособность.

лия, передаваемые в серийное про­

Долговечность — свойство

объекта

изводство,

должны

соответствовать

сохранять

работоспособность

до

высшей

категории

качества.

За

наступления

предельного

состояния

прошедшие годы з

электротехниче­

с

необходимыми

перерывами

для

ской

промышленности

аттестована

технического

обслуживания и

ре­

практически

вся продукция.

монта.

Работоспособность — состо­

Надежность

машин неотделима

яние изделия, при котором оно спо­

от понятия качества, но понятие на­

собно

выполнять

заданные функ­

дежности

более

узкое,

так

как

ка­

ции,

сохраняя

значения

основных

чество сочетает

энергетические

по­

параметров в пределах, установлен­

казатели,

стоимость

и технический

ных нормативно-технической доку­

уровень

электрической

машины.

ментацией.

Ремонтопригодность —

свойство

изделия,

заключающееся

1-6. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

в приспособленности

к выполнению

МАШИН

его ремонтов и технического обслу­

Повышение

надежности

элек­

живания.

Наработка — продолжи­

тельность

или

объем

работы,

вы­

трических

машин — важная

задача

полняемый

изделием.

Ресурс— на­

электротехнической

промышленно­

работка

изделия

до

наступления

сти.

Увеличение

срока

службы

и

предельного состояния. Срок служ­

повышение

надежности

зачастую

бы — календарная

продолжитель­

дают

относительно

больший

народ­

ность

эксплуатации

от

определен­

ного момента до предельного состо­

лия. Кривая

интенсивности

отказов

яния. Средняя наработка до от­

для трех периодов работы техниче­

каза — математическое

ожидание

ских

устройств,

к которым

могут

наработки до первого отказа. Вос­

быть отнесены и электрические ма­

станавливаемое и невосстанавливае-

шины,

представлена

на

рис.

1-7.

мое

изделие — изделие,

работоспо­

В начале периода

приработки

(от

собность

которого в случае

возник­

О до /i)

интенсивность отказов весь­

новения

отказа

соответственно

ма значительна

и затем постепенно

подлежит или не подлежит восста­

новлению

в

рассматриваемой

ситу­

ации.

Математическая

трактовка,

не­

обходимая для количественной оцен­

ки

показателей

надежности,

бази­

руется на теории вероятности и ма­

тематической

статистике.

Вероят­

ность безотказной работы в течение

заданного

промежутка

времени

P(t)

является убывающей

функци­

Рис. 1-7. Кривая

интенсивности

отказов

ей

и

обладает

следующими

свойст­

вами:

асинхронных двигателей.

Р{ оо) =

0 < /> ( 0

1;

Я(0) =

1;

0.

спадает. В период нормальной экс­

Вероятность

отказа изделия

плуатации

(от /1

до t2)

интенсив­

ность отказов минимальна и в сред­

Q(t)r= 1 - /> (/) .

(1-4)

нем приблизительно

постоянна. Пе­

Частота отказов

риод нормальной эксплуатации соот­

С-5)

ветствует работе машин как одно­

п Ы

кратного,

так

и

многократного

где Дя — число отказавших

изделий

использования;

период износа отно­

сится только

к ремонтируемым

из­

в интервале времени

делиям

многократного

использова­

п — общее число изделий, под­

ния.

Отказы,

имеющие

место в

вергаемых испытанию.

период

приработки,

стремятся

лик­

Интенсивность отказов

видировать

путем

замены

отдель­

ных узлов. Например, перед выпус­

ком с завода предварительно произ­

где «ср — среднее значение

исправ­

водятся притирка шеток на кол­

но работающих изделий

в интерва­

лекторе

или

на

кольцах,

налад­

ле Д/.

ра­

ка подшипниковых узлов и т.д,.

Среднее время безотказной

Внезапные

отказы

электричес­

боты (средняя наработка до перво­

ких изделий

(обычно в периоде нор­

го

отказа)

есть

математическое

мальной

эксплуатации)

подчиняют­

ожидание

времени безотказной

ра­

ся экспоненциальному

закону

рас­

боты:

пределения,

износовые

отказы —

Tv, =

jp (t)d t .

(1-7)

приблизительно

нормальному

зако­

ну,

отказы

в

период

приработки

Практика

эксплуатации

элек­

можно с определенной степенью до­

стоверности

отнести

к

распределе­

тротехнических

изделий

позволила

нию

Вейбулла

[14].

Экспоненци­

выделить три основных периода их

альное распределение

имеет

место

функционирования:

период

прира­

только при постоянстве интенсивно­

ботки,

когда

происходит

отбраков­

сти внезапных

отказов.

Нормаль­

ка

технологических

конструктив­

ное распределение

(двухпараметрн-

ных и

производственных

дефектов;

ческое)

имеет

место в том

случае,

период

нормальной

эксплуатации

когда на исследуемый

объект

воз­

(с

внезапными

отказами);

период

действует

целый

ряд

случайных

старения, когда появляются отказы,

факторов. В

электрических

маши­

вызванные износом элементов изде­

нах

к нормальному

закону

близко

распределение

отказов

щеточно­

ки срока

службы

изоляции

класса

коллекторного узла.

А пригодно

экспериментально

най­

Современные

технические

изде­

денное «правило восьми

градусов»:

лия

представляют

собой

сложные

повышение температуры на каждые

объекты,

состоящие из

различных

8° С

выше

допустимой

сокращает

элементов

и

частей.

Каждая

нз

срок службы изоляции вдвое.

этих частей имеет различные значе­

Количество

отказов

подшипни­

ния

вероятности

безотказной

рабо­

ков для

различных

классов

машин

ты. Для

расчета

вероятности

без­

колеблется

от

10 до

80%

общего

отказной работы всей системы в це­

числа отказов. Подшипниковые уз­

лом необходимо учитывать все ос­

лы электрических

машин

подвер­

новные

входящие

в

нее элементы.

жены в основном абразивному изно­

Результирующее

значение

вероят­

су из-за

проникновения

в

подшип­

ности безотказной

работы

зависит

ник щеточной пыли, мелких частиц,

от

типа

соединения

элементов

продуктов

коррозии,

что приводит

(с точки зрения

надежности) — по­

к постепенному

истиранию

сепара­

следовательного

или

параллельно­

торов и дорожек качения. Критери­

го. При

последовательном

соедине­

ями

работоспособности

подшипни­

нии

из

п

элементов

вероятность

ков являются температура

(обычно

безотказной

работы

всего

изделия

измеряется

температура

наружного

определяется

следующим

образом:

кольца),

время

выбега,

шум

и

p ( t ) = p 1( i ) p . ( t ) - p nd ) =

спектр вибрационных

частот.

При

ненормальной

работе

подшипника

= П

Л(0.

(1-8)

наблюдаются

резкое

повышение

температуры,

значительный

шум,

1=1

повышенное сопротивление при тро-

где

Pi (t) — надежность

i-ro

эле­

гании и

вращении,

утечка

смазки

мента.

и, наконец, разрушение или закли­

Электрическую

машину

следует

нивание.

рассматривать

как

изделие из

по­

В

машинах

постоянного

тока

следовательно

соединенных элемен­

кроме рассмотренных

подшипнико­

тов

(подшипников,

обмоток,

кол­

вого узла и изоляции подлежит ис­

лектора и т. д.). При этом отказ лю­

следованию

на

надежность

коллек­

бого из них приводит к потере

ра­

торно-щеточный узел. Анализ ста­

ботоспособности

машины.

тистических

данных

показывает,

Электрическая

машина

рас­

что процент отказов двигателей по­

сматривается как совокупность под­

стоянного тока по причине неблаго­

объектов,

т. е.

основных

узлов,

из

приятной работы коллекторно-ще­

которых

она

состоит.

Аналитичес­

точного

узла

колеблется

от

10 до

ким

или

экспериментальным

путем

50%, а у некоторых типов

прокат­

определяется

надежность

каждого

ных

и

тяговых

двигателей — до

из выделенных основных узлов. По­

65%.

сле

этого

определяется

надежность

Основными

критериями

работо­

машины

в целом.

способности

для

коллектора

явля­

Изоляция

обмоток

электричес­

ются

уровень

искрения,

биение и

ких машин в значительной мере оп­

температура, а

для щеток — износ.

ределяет надежность обмотки. Раз­

На

работоспособность

коллектор­

рушение изоляции происходит в ре­

но-щеточного узла влияет ряд элек­

зультате влияния совокупности раз­

тромагнитных, физико-химических и

нообразных

факторов:

вибрации,

механических факторов.

Сюда

от­

нагрева,

влажности,

запыления,

аг­

носятся условия коммутации

(в зна­

рессивности

окружающей

среды.

чительной

мере

определяемые

на­

Наиболее

строго

пока

решена

стройкой

добавочных

полюсов),

задача старения

изоляции, точнее—

марка щеток и материал коллекто­

определения

срока

службы

того

ра, давление на щетку, частота вра­

или иного класса изоляции при оп­

щения. Из

химических

факторов —

ределенной

температуре

окружаю­

состояние контактной пленки на по­

щей

среды. Для

качественной

оцен­

верхности

коллектора

(политуры),

влажность и агрессивность окружа­

ности подшипников

и

подпятников.

ющей

среды.

Весьма

существенны

Повышение

надежности

синхрон­

также уровень вибрации, окружаю­

ных машин может быть достигнуто

щая

температура,

эксцентриситет

путем использования

новых

актив­

и биение

коллектора.

ных,

изоляционных

и

конструктив­

При относительной простоте кон­

ных

материалов,

разработки

новых

струкции

надежность

асинхронных

высоконадежных конструкций, улуч­

двигателей все еще остается весьма

шения

технологии

изготовления

и

низкой и колеблется в зависимости

контроля

качества.

обра­

от

области

использования

от

60—

Наряду со

статистической

80 тыс. ч

(в

химической

промыш­

боткой данных

эксплуатации

для

ленности) до 5—6 тыс. ч

(в горно­

оценки

надежности

электрических

добывающей

промышленности).

машин используются также опреде­

Средний срок службы их составля­

лительные и контрольные

испыта­

ет около 20 000 ч (5 лет). Выход из

ния.

Определительные

испытания

строя

двигателей

в основном

зави­

проводятся

для

определения

фак­

сит

от

недостатков

эксплуатации,

тических

показателей

надежности,

низкого

качества

ремонта,

от

тех­

контрольные — для

контроля

соот­

нологических дефектов и неправиль­

ветствия

показателей

требованиям

ного применения. Всего 10—12%

стандартов

или

технических

усло­

двигателей выходят из строя вслед­

вий.

определительных

испыта­

ствие процессов старения и износа.

Для

Как объект исследования на на­

ний

объем

выборки

(количество

дежность

асинхронные

двигатели

машин,

случайным

образом

отоб­

представляют

собой

совокупности

ранных из партии или серии, подле­

двух

узлов — подшипникового

узла

жащих

испытаниям)

составляет

и обмотки. При этом согласно ста­

20—30

машин.

Испытания

прово­

тистике на долю подшипников при­

дятся до отказа всех машин выбор­

ходится

до

8%,

на долю

обмотки

ки, что позволяет построить кривую

85—95%

отказов.

двигате­

вероятности

безотказной

работы

в

Статоры

асинхронных

функции

наработки.

прово­

лей малой и средней мощности име­

Контрольные

испытания

ют

в

основном

всыпную

обмотку.

дятся либо для одного уровня

(риск

При этом отказы распределены сле­

заказчика р), либо для

двух

(риск

дующим образом: межвитковые за­

заказчика

р и

риск

изготовителя

мыкания 93%. повреждения между-

а). Для соответствующих

значений

фазной

изоляции

5%,

пазовой

изо­

Р и а по

таблицам

определяется

ляции

2%.

надежности

асин­

объем

выборки,

необходимый

для

Повышение

подтверждения

требуемого

значе­

хронных двигателей идет по пути

ния

вероятности

безотказной

рабо­

новых конструктивных решений как

ты [14]. Машины ставятся на испы­

всего двигателя, так и отдельных

тания. В случае,

если

число отка­

узлов,

снижения

температуры

наи­

завших во время испытаний машин

более

нагретых участков,

примене­

а не

превышает

некоторого

числа

ния изоляции более высокого клас­

с — так

называемого

приемочного

са

нагревостойкости,

капсулирова-

числа,

требуемый

уровень вероят­

ния всыпиых обмоток

(посредством

ности безотказной работы P(t) под­

литой

оболочки из термореактивно­

тверждается.

В

противном

случае

го компаунда), улучшения техноло­

гипотеза

о

соответствии

надежно­

гии

и

совершенствования

методов

сти партии машин требуемому уров­

контроля.

причинам, приводя­

ню отклоняется.

надежность, как

К основным

Испытания

на

щим к

выходу

из

строя

синхрон­

определительные, так

и

контроль­

ных машин, следует отнести повре­

ные,

весьма

длительные

и дорого­

ждение

обмотки

статора,

ослабле­

стоящие. Кроме того, данные испы­

ние

запрессовки

активной стали,

тания зачастую

запаздывают

и не

механические

повреждения

ротора,

могут дать

оперативном

коррекции

а также

обмотки

ротора,

неисправ­

при

конструировании

и

совершен-

В

качестве

основного

пособия

ции,

выбора

той или

иной

марки

для

проектирования

электрических

обмоточных проводов и т. п.

машин общепромышленного

назна­

К. защите

проекта

представля­

чения может быть использована на­

ются

чертежи

спроектирован­

стоящая книга. Однако для

полно­

ной

машины

и

пояснительная

за­

ты проработки

материала

необхо­

писка.

записка

должна

димо использовать также и другие

Пояснительная

источники. Так, при разработке кон­

содержать

окончательные

вариан­

струкции машины следует обратить­

ты расчетов всех разделов проекта.

ся к заводским чертежам аналогич­

Если в процессе работы выявилась

ных машин, близких по габаритам

необходимость

изменения

каких-

к заданной

па

в проектном, задании,

либо

первоначально

принятых

раз­

каталогам

электрические

маши­

меров или

рассчитанных

данных,

ны. В [2]

подробно

рассмотрены

потребовавшая

пересчета

ряда по­

примеры общей

компоновки

машин

зиций, то первоначальные варианты

и конструкция их отдельных узлов

расчета

в текст

пояснительной

за­

и детален.

Помимо

этого

следует

писки не включаются. К принятому

познакомиться по [6] с технологи­

окончательному

варианту

в

этом

ей изготовления

основных деталей

случае

необходимо сделать краткое

и сборки, а

по

[5] — с конструкци­

пояснение.

записки

необходимые

ей изоляции

и изоляционными

ма­

В тексте

териалами,

применяемыми

в

элек­

по ходу расчета пояснения и обос­

трических

машинах

различных

на­

нования следует излагать кратко и

значений и мощностей.

в

ясно. При записи

расчетов

нужно

Расчеты

машин

проводятся

обязательно

привести

расчетную

последовательности,

изложенной

в

формулу

в общем

виде,

затем ту

соответствующих

разделах

данной

же формулу с заменой символов со­

книги. Вначале

выбирают

главные

ответствующими

числами

и,

нако­

размеры и выполняют

электромаг­

нец, численный

результат с

указа­

нитный расчет, в процессе которого

нием единицы

полученной

величи­

определяются

обмоточные

данные

ны. Результаты промежуточных вы­

и размеры

машины.

Электромаг­

числений

могут быть опущены.. Все

нитные расчеты

заканчиваются

по­

расчеты

рекомендуется

проводить

строением

основных характеристик.

в системе

СИ.

записки

После окончания электромагнит­

Текст

пояснительной

ного расчета должны

быть

выпол­

должен

сопровождаться

достаточ­

нены в тонких линиях чертежи ма­

ным

количеством

иллюстраций —

шины. В процессе конструирования

эскизов,

графиков,

в

полной

мере

проверяются

выбранные ранее

раз­

поясняющих

принятые

и

в

расчете

мерные соотношения деталей и уз­

обозначения

размеров

получен­

лов.

ные

размерные

соотношения.

Все

Вентиляционный, тепловой и ме­

рисунки должны

быть

выполнены

ханические

расчеты

выполняются,

с точным

соблюдением

масштаба,

исходя из

размеров,

полученных

в

что

позволяет

вовремя

заметить

расчете и на чертеже.

Содержание

возможные

ошибки

в

расчете. По­

и объем этих расчетов определяют­

яснительная

записка

выполняется

ся руководителем проекта в зависи­

на стандартных

листах

писчей бу­

мости от

требования

технического

маги

формата

11.

Текст

пишется

задания.

расчет

является

чернилами. Оборотная сторона лис­

Экономический

тов

не

используется.

Страницы за­

заключительным

при

учебном

про­

писки

необходимо

пронумеровать,

ектировании.

Его

объем,

а также

рисунки

выполнить

на

отдельных

методика

проведения

определяются

листах чертежной

или

миллиметро­

кафедрой,

ведущей

проектирова­

вой бумаги того же формата и сбро­

ние. Вопросы

экономики

учитыва­

шюровать вместе с текстом.

ются в течение всей работы над про­

Графнческая

часть

проекта

ектом, начиная

с

выбора

главных

обычно состоит из двух-трех листов

размеров,

конструирования

изоля­

чертежей

формата

24

и

содержит