Учебное пособие 1857

Рис.4.9

Рис.4.10

Предположим, что усилие в т.С. (рис.4.8) отсутствует из-за экрани-

рующего действия ротора.

Тогда момент орбитального двигателя Морб будет пропорционален чис-

лу сателлитов и разности R0 и r/2:

числа сателлитов приближается к радиусу исходного ротора. Практически,

однако имеем уменьшение и индукции и момента орбитального варианта,

что вызовет поднятие кривой (рис.4.9)

2. Электромагнитный расчет. Алгоритм расчета рабочих характеристик распадается минимум на три ветви в зависимости от конфигурации составно-

го ротора:

а) ротор без вставок,

б) ротор со вставками без короткозамкнутой обмотки,

в) ротор со вставками с к.з. обмоткой.

Кроме этого, каждая из ветвей алгоритма разделяется на две: для ос-

новной и пониженной скорости. Отдельную ветвь составляет расчет машин с дополнительным внутренним статором.

Проведем расчет рабочих характеристик характерными для орбиталь-

ной многороторной машины.

2.1. Вариант составного ротора без вставок. 2.1.1. Основная скорость.

Ротор представляет собой набор барабанного типа из нескольких рото-

ров - сателлитов.

Считаются заданными следующие параметры статора и машины в це-

лом: мощность, число пар полюсов, номинальные напряжение и ток, ме-

ханические потери, сопротивления (активное и реактивное) и число витков обмотки статора.

Далее находится намагничивающий ток в долях от номинального,

причем более значительных, чем у двигателей обычного исполнения из-за большего значения магнитного напряжения воздушного зазора. По намагни-

чивающему току определяется реактивная и активная составляющие тока синхронного холостого хода. Для определения последней, потери в стали статора находят по известным формулам.

При нахождении приведенного значения активного сопротивления фазы обмотки короткозамкнутого ротора находят коэффициент приведения

"Г" образной схемы замещения и складывают отдельные сопротивления ро-

торов - сателлитов. Для определения коэффициента с1, находят индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, активное и реактивное сопротив-

ления взаимной индукции обмоток статора и ротора.

Находят расчетные величины а', а, b'.

Определение величины b проводится с учетом индуктивного сопро-

тивления обмотки короткозамкнутого ротора, составленного из сателлитов.

При этом при нахождении коэффициента магнитной проводимости

дифференциального рассеяния коэффициент воздушного зазора k (коэф-

фициент Картера) должен быть скорректирован введением не только ко-

эффициентов, учитывающих влияние зубцов статора k 1 к ротора k 2, но и введением частичного коэффициента k 3, учитывающего влияние эксцен-

триситета.

Определение рабочих характеристик далее происходит в обычном по-

рядке.

2.1.2. Пониженная скорость Расчет удобно проводить на один ротор - сателлит, для которого (с

учетом введения передаточного числа редуктора) задаются мощность, ток,

механические потери и сопротивления.

Остальные параметры остаются без изменений. Однако, частота вра-

щения выходного вала (водила) должна быть скорректирована с учетом пе-

редаточного отношения и соотношений для планетарных передач. Также большое влияние оказывает тип зацепления - внешнее иди внутреннее, по-

скольку от него зависит направление вращения выходного вала.

2.2. Вариант составного ротора с ферромагнитными шихтованными вставками без короткозамкнутых обмоток.

2.2.1. Основная скорость.

Основные изменения общего алгоритма расчета касаются необходи-

мостью уменьшения намагничивающего тока и реактивной составляющей тока синхронного холостого хода. Частичный коэффициент k 3 также мень-

ше, чем в предыдущем случае, поскольку он учитывает лишь увеличение примерно в два раза воздушного зазора для той части окружности роторов,

которая находится не в непосредственной близости от статора. 2.2.2. Пониженная скорость.

При прочих равных условиях по сравнению с п.2.1.2. произойдет уве-

личение полезного момента из-за уменьшения намагничивающего тока. При

этом потери в стали вставок определяются по известным формулам, учиты-

вающим частоту перемагничивания f, пропорциональную частоте вращения n составного ротора и числу пар полюсов р:

pn f 60 ,

индукцию в материале вставок, массу вставок, удельные потери и марку ста-

ли.

2.3. Вариант составного ротора с шихтованными вставками с коротко-

замкнутыми обмотками.

2.3.1. Основная скорость.

В данном случае мощность, передаваемая на вал имеет две сос-

тавляющие: мощность, реализованная на роторах согласно п.2.1.1. и мощ-

ность, реализованная на вставках, которые являются в данном случае сегмен-

тами составного ротора. Поэтому дальнейший расчет целесообразно разде-

лить на расчет, аналогичный п.2.1.1 с учетом уменьшения намагничивающе-

го тока согласно п.2.2.1, и растет для сегментных вставок. Для каждого слу-

чая определяются параметры соответствующей схемы замещения, в частно-

сти, коэффициента воздушного зазора.

Далее, при получении рабочих характеристик основные результаты суммируются, поскольку и момент роторов и момент вставок направлены в одну сторону, частота тока в них одинакова, и при действии тормоза - фикса-

тора они представляют собой в механическом отношении единое целое. 2.3.2. Пониженная скорость.

Расчет в основном аналогичен п.2.2.2, однако имеется существенное дополнение, вызванное наличием вставок. В случае внешнего зацепления моменты роторов и вставок направлены в одну сторону, но частота тока в них различная. Поэтому суммарная характеристика получается аналогичной характеристике двухдвигательного привода, причем оба "двигателя" работа-

ют в двигательном режиме. В случае внутреннего зацепления моменты ро-

торов и вставок противоположны, один из "двигателей" работает в тормоз-

ном режиме, что увеличивает потери, предоставляет возможность получения ползучей скорости.

3. Тепловой и вентиляционный расчеты На характер теплообмена в составном роторе существенное влияние

оказывает наличие или отсутствие ферромагнитных сегментных вставок между составляющими роторами - сателлитами. Поэтому алгоритм расчета разделяется на две ветви.

3.1. Составной ротор без вставок.

Соответствующая в первом приближении данному случаю расчетная схема приведена на рис.4.10 и характеризует n одинаковых цилиндров - ро-

торов - сателлитов - каждый длиной l, c радиусом r, расположенных на глу-

бине x0, параллельно изотермической поверхности полуограниченного тела

(статоры), расстояние у0 между цилиндрами одинаково. В общем случае те-

пловое сопротивление R1 находится, как:

где значения D=f(l/2x0) и Bn= (n) в интересующем нас диапазоне при-

ведены на рис.4.11.

В случае двух роторов (рис.4.7) радиусом r, радиус статора R, рас-

стояние между центрами роторов d, т.е. когда имеем два одинаковых цилин-

дра, расположенных внутри третьего симметрично его оси, то тепловое со-

противление находится в пределах:

Рис.4.11

Рис.4.12

Данные значения R1 могут быть использованы при расчете с помощью эквивалентных тепловых схем замещения теплораспределения при основной скорости при учете вращения.

Характерной особенностью рассматриваемого расчетного случая явля-

ется наличие потерь на трение о воздух цилиндрических роторов. Эти поте-

ри можно оценить по формуле:

где:

Cf - коэффициент трения,

- плотность среды,

- угловая скорость.

На величину коэффициента трения оказывает влияние расположение роторов, зависящее и от их количества, что влияет на индуктивное аэроди-

намическое сопротивление. Точные значения коэффициента трения могут быть получены опытным путем.

Дальнейшие тепловые расчеты ведутся традиционным путем для од-

ного ротора - сателлита, а далее корректируются c учетом их числа.

3.2. Составной ротор c вставками.

Данный случай и в тепловом и в аэродинамическом отношении от-

личается от предыдущего и эквивалентен теплообмену вращающегося тела с разным внутренним тепловыделением в зависимости от наличия иди отсут-

ствия короткозамкнутой обмотки на вставках. Кроме этого, такое сложное тело имеет радиальные дугообразные каналы щелевидного сечения с собст-

венным вращением одной из стенок (ротором - сателлитом). На повышенной скорости это вращение отсутствует. Наибольшее приближение для такого варианта ротора известны, приводятся зависимости сопротивления выхода и входа в заборники криволинейных каналов гладкого и не гладкого роторов от

скорости.

Далее следует иметь в виду, что радиальные каналы обеспечивают соб-

ственные напоры центробежного потока, суммирующиеся с гидравлической характеристикой составного ротора. Кроме этого, эти радиальные каналы одновременно являются и аксиальными. При этом должно быть учтено со-

противление боковых щек составного ротора.

Условие баланса тепла в составном роторе можно представить в виде:

P' - тепловой поток от части цилиндрической поверхности роторов к статору через воздушный зазор,

вок .

Имеющиеся аналитические выражения для данных тепловых потоков должны быть дополнены коррекцией эффективного теплоотдающего пери-

метра.

При этом длина пакета, коэффициенты теплоотдачи, эквивалентные се-

чения торцов, коэффициенты теплопроводности, средний подогрев возду-

ха полагаются известными.

Для более точного решения необходимо учитывать еще и тепловую связь роторов и вставок, что влияет на перераспределение температуры. Осо-

бенное значение это имеет при безобмоточных вставках.

4. Механические расчеты Следует выделить три подветви: расчет валов, расчет элементов зубча-

той передачи и расчет тормозов. 4.1. Расчет валов

Здесь и далее в качестве основной рассмотрим схему, показанную на рис.4.5, как наиболее простую. Расчету подлежат валы роторов с консоль-

ным креплением, основной вал водила также с консольным креплением и вал центрального колеса. Для каждого из валов определяются прогиб под дейст-

вием силы тяжести, под действием поперечной силы и под действием силы одностороннего магнитного притяжения, а также критическая частота вра-

щения, изгибающие моменты и напряжения в сечении каждой ступени вала.

Для сплошных валов ориентировочный диаметр d вала на наиболее на-

груженном участке определяется как

1

d K M н Кэ 3

где

К - коэффициент, учитывающий влияние изгибающего момента, для консольного положения для быстроходного вала К=4,4, для тихоходного

К=3,2,

Мн - номинальный вращающий момент,

kД - коэффициент динамичности, kД = 1,0...1,3 ,

- предел выносливости материала вала при изгибе.

4.2. Расчет зубчатый передачи Рассмотрим планетарный вариант редуктора, как основной. При пере-

даточных отношениях больших 30, возможно применение волнового редук-