Глава 1 Общие вопросы проектирования электрических машин (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин), страница 2

Важнейшим требованием при производстве является минимальная материалоемкость электрических машин. Экономия электротехнической стали, меди, алюминия, изоляции и конструкционных материалов является важнейшим требованием при создании новой электрической машины.

Экономия материалов связана с безотходной и малоотходной технологией. При штамповке листов стали статора и ротора в среднем 40% стали идет в отходы, а в некоторых случаях 60…70%. В машинах малой мощности за счет изменения конструкции и технологии изготовления магнитной системы можно значительно уменьшить отходы электротехнической стали [2].

Электрические машины с безотходной технологией изготовления имеют преимущества перед обычными машинами, если сохраняются и требования к машине как к объекту эксплуатации.

Как объект эксплуатации электрическая машина должна иметь высокие энергетические показатели (КПД и ). Электрические машины с минимальными потерями позволяют уменьшить вложения материалов в энергосистему. Высокие энергетические показатели электрической машины гарантируют снижение уровня текущих затрат на эксплуатацию и капитальные вложения потребителя.

Улучшение энергетических показателей электрических машин стало особенно актуальным в связи с ростом цен на энергоносители. Вновь разрабатываемые электрические машины должны соответствовать высшей категории качества. Они должны быть надежными и, как правило, иметь срок службы 8…10 лет.

Показатели экономической эффективности электрической машины могут быть установлены на основании анализа приведенных затрат, которые включают затраты на изготовление и эксплуатацию машины.

1.2. ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования. Оптимальное проектирование электрических машин можно представить как поиск оптимальных параметров путем решения этой системы уравнений.

Выбор оптимальных параметров затрудняется сложностью алгоритма расчета электрической машины по формулам проектирования. При проектировании необходимо учитывать стоимость машины, надежность и технологичность конструкции. Эти показатели косвенно входят в формулы проектирования, что затрудняет оптимизацию. Оптимальные варианты электрической машины выбираются на основании широкого применения вычислительных машин, опыта и интуиции проектировщика [1].

Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным двигателям единой серии до 10 кВт показал, что примерно 70% затрат составляют текущие расходы на их эксплуатацию. На долю капиталовложений приходится лишь 15…20% всех затрат. Следовательно, повышение эффективности новых электрических машин связано, прежде всего со снижением эксплуатационных расходов. Первоочередное значение здесь имеют повышение надежности работы машин и улучшение их энергетических показателей, при этом повышение КПД экономически более выгодно, чем повышение .

Повышение надежности и улучшение КПД должны достигаться без заметного увеличения затрат на изготовление электрической машины. Сокращение расходов на электротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное уменьшение себестоимости электрической машины.

Хотя основная заработная плата и составляет 5…8% себестоимости, снижение трудоемкости механических и обмоточно-изолировочных работ имеет важное значение. В свое время в связи с увеличением выпуска электрических машин и недостатком рабочей силы снижение трудоемкости было настолько важно, что в серии 4А пошли на некоторое снижение энергетических показателей, увеличив размеры шлиц пазов для возможности машинной намотки обмотки. Проектирование электрических машин неотделимо от конструирования и технологии изготовления, связанных с условиями, переживаемыми государством.

При оптимизации электрических машин важное значение имеет выбор критерия оптимизации. Выбор критерия оптимизации зависит от назначения электрической машины и предъявляемых к ней требований. Для специальных машин целесообразно выбирать минимум массы или минимальные габариты. Для электрической машины общего назначения в качестве критерия оптимизации принимают минимум приведенных затрат. Этот критерий широко применяется во многих странах. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе производства и эксплуатации являются обобщающим экономическим показателем, включающим основные экономические эквиваленты основных технических характеристик. Нельзя найти универсальный критерий оптимальности. Действительно, минимальная масса машины обуславливает снижение энергетических показателей и ухудшение надежности. Наиболее очевидны противоречия между статическими и динамическими характеристиками. Для уменьшения времени разбега асинхронного двигателя надо увеличивать активное сопротивление обмотки ротора, что вызывает ухудшение энергетических показателей в установившемся режиме.

Выбор критерия оптимизации электрической машины, работающей в автономной энергетической системе, обычно отличается от выбора критерия оптимизации машин общего назначения. Машины автономных энергетических систем в большинстве случаев оптимизируют по минимуму массы, а в передвижных энергетических системах — по минимуму общей массы электрооборудования системы. Если электрическая машина работает при неизменном напряжении, приложенном к ее выводам и не зависящем от нагрузки (сеть бесконечной мощности), задачу оптимизации машины следует проводить по минимуму суммарных затрат.

Задача оптимального проектирования электрической машины или серии машин может быть представлена как общая задача нелинейного математического программирования, которая сводится к нахождению минимума или максимума критерия оптимальности при наличии определенного числа независимых переменных проектирования и функций лимитеров, представляющих собой технические или технологические требования-ограничения к проекту [1,10].

Применение ЭВМ при проектировании для расчетов электрических машин началось в начале 50-Х годов XX в. Во ВНИИЭМ ЭВМ использовались для расчетов серий асинхронных машин. В настоящее время ни один расчет электрических машин не обходится без применения ЭВМ. В большинстве случаев ЭВМ используются для расчетов отдельных частей или всей электрической машины по существующим методикам, что обеспечивает ускорение вычислений, перебор многих вариантов, дает возможность в короткие сроки создать оптимальную электрическую машину.

Внедрение ЭВМ в проектирование привело к существенному повышению технико-экономических показателей электрических машин, снижению сроков проектирования, обеспечило качественный сдвиг в решении задач оптимального проектирования.

При проектировании электрических машин применяются в основном цифровые ЭВМ. Аналоговые ЭВМ удобно применять при решении задач динамики. Недостатками их являются ограниченный объем решаемой задачи и малая универсальность. Цифровые ЭВМ лишены этих недостатков, однако они требуют трудоемкого программирования. Чтобы избежать излишних потерь времени, целесообразно создавать универсальные программы и хранить их в банках данных.

В настоящее время решается задача комплексной автоматизации проектирования электрических машин. Этой цели служит система автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ). Однако на заводах и НИИ используются свои программы, отличающиеся друг от друга и появившиеся в различное время.

Широкая автоматизация проектных работ изменит в ближайшие годы процесс проектирования электрических машин, произойдут значительные изменения и в учебном проектировании. В гл. 12 описание САПР ЭМ. Данный учебный рассчитан на применение частных программ и мини-ЭВМ, так как пока еще не накоплен достаточный опыт промышленного автоматического проектирования электрических машин, а без использования классических формул проектирования невозможно заниматься и использовать САПР ЭМ.

1.3. РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНОЙ МАШИНЫ И СЕРИИ МАШИН

Электрические машины концентрируют энергию магнитного поля в воздушном зазоре. Объем активной части — пространство, в котором размещены сердечники и пазовые части обмоток, определяется произведением (1.1). Размеры и называются главными размерами машины.

Расчетная мощность машины

, (1.2)

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

Отношение

(1.3)

определяет удельную мощность машины, т. е. мощность на единицу активной части. Удельная мощность характеризует степень использования материалов активной части и является важным показателем для сравнения машин различной мощности и конструктивного исполнения.

Более общим критерием оптимизации является отношение момента, развиваемого машиной, к объему ее активной части, которое называют коэффициентом использования

. (1.4)

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

Эффективность использования объема активной части машины определяется электромагнитными нагрузками, линейной нагрузкой и индукцией в воздушном зазоре . Линейная нагрузка определяется отношением тока всех витков обмотки к длине окружности. Ее значение показывает, какой ток приходится в среднем на единицу длины окружности зазора машины. Индукция в воздушном зазоре при данных диаметре по зазору и числе полюсов определяет поток машины и, следовательно, уровень индукции в участках магнитопровода.