книги / Проектирование электрических машин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга

является

учебным

посо­

машин

МЭИ

и

призвана осущест­

бием

по

курсу

«Проектирование

вить

преемственность

с

книгой

электрических

машин» при

выпол­

П. С. Сергеева, Н. В. Виноградова,

нении курсовых и дипломных про­

Ф. А.

Горяйнова

«Проектирование

ектов

по

электрическим

машинам

электрических машин»,

выдержав­

для студентов

энергетических

вузов

шей три

издания.

и электротехнических

факультетов

Работа над книгой была рас­

политехнических

вузов.

асин­

пределена

между

авторами

следу­

В книге

рассматриваются

ющим образом: проф. И. П. Копы­

хронные,

синхронные

и коллектор­

ловым

написаны

введение,

гл.

1

и

ные машины постоянного тока об­

2; доц. Б. К. Клоковым — гл. 4 и 6,

щепромышленного

применения. Ин­

§ 1-3, 1-4, 1-7, 3-1—3-10 и приложе­

дивидуальные

машины.

проек­

ние; доц. В. П. Морозкиным — гл. 8

тируются на базе единыхсерий

и § 3-11—3-13; проф. Б. Ф. Токаре­

электрических

машин.

Хотя

книга

вым— гл.

7 и 9; проф. Ф.

А.

Го­

и имеет

учебное

назначение,

она

ряйнов является автором гл. 5, ко­

может

использоваться

инженерами-

торая мало изменена по сравнению

электромеханиками

в

практической

с написанными им ранее аналогич­

работе.

ными

разделами

книги

[28].

. При работе над книгой авторы

Авторы

благодарят

коллектив

использовали

достижения

электро­

кафедры

«Электрические машины»

технической

промышленности

по

ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ле­

сериям

4А,

2П

и новым

сериям

нина)

и

докт.

техн.

наук,

проф.

синхронных

двигателей.

В

книге

В. И. Радина за ценные замечания,

нет материалов

по

специальным

которые

учтены

при

работе

над

электрическим

машинам

и

турбо-

рукописью, а также коллектив ка­

и гидрогенераторам.

курсовой

федры

электрических

машин МЭИ

Предполагается,

что

и редактора

Ю. С. Маринина

за

проект может быть выполнен с ис­

большую

помощь при

подготовке

пользованием

логарифмической ли­

издания.

благодарностью

при­

нейки или мини-ЭВМ. По каждому

Авторы с

типу машин

приведены программы,

мут все замечания читателей и про­

позволяющие

использовать

вычис­

сят сообщить

их по адресу: 113114,

лительные машины

для

решения

Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10,

частных задач

проектирования.

нзд-во

«Энергия».

Данная

книга

написана сотруд­

никами

кафедры

электрических

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Электротехническая промышлен­

При

проектировании

необходи­

ность— ведущая отрасль

народно­

мо учитывать соответствие технико­

го хозяйства СССР. Объем продук­

экономических показателей

машин

ции

отрасли

превышает

10 млрд,

современному

мировому

уровню.

руб. в год, в ней занято около мил­

Проектирование

электрических

ма­

лиона

человек. Продукция

электро­

шин производится с учетом требо­

технической

промышленности

ис­

ваний

государственных и

отрасле­

пользуется почти во всех промыш­

вых

стандартов. При проектирова­

ленных установках, поэтому

каче­

нии

электрических

машин

прихо­

ство

электротехнических

изделий

дится

учитывать

назначение

и

продукции

других

отраслей

про­

активных

и

конструктивных

мате­

мышленности.

риалов,

КПД,

технологию

произ­

Электрические машины в общем

водства, надежность

в

работе

и

объеме

производства

электротехни­

патентную

чистоту.

Проектирова­

ческой

промышленности

занимают

ние электрических машин (их рас­

основное место, поэтому эксплуата­

чет

и

конструирование)

неотдели­

ционные свойства

новых электриче­

мы от технологии их изготовления.

ских

машин

имеют

важное значе­

Поэтому

при

проектировании

необ­

ние для экономики нашей страны.

ходимо

учитывать

возможности

Проектирование

электрических

электротехнических

заводов,

стре­

машин — это

искусство,

соединяю­

миться к максимальному снижению

щее

знание

процессов

электромеха­

трудоемкости.

нического

преобразования

энергии

Значительное увеличение

выпус­

с опытом,

накопленным поколения­

ка электрических машин

происхо­

ми

инженеров-электромехаников,

дит

при

некотором

сокращении

умением

применять

вычислитель­

численности рабочих. Это возмож­

ную технику и талантом инженера,

но только при внедрении комплекс­

создающего новую или улучшаю­

ной

автоматизации

и

механизации

щего

уже

выпускаемую

машину.

процессов

изготовления

машин.

При

проектировании

электриче­

В некоторых

случаях

оказывается

ской

машины

рассчитываются

раз­

целесообразным

для

повышения

меры статора и ротора, выбирают­

надежности в работе и возможно­

ся типы обмоток, обмоточные про­

сти

автоматизации

процессов

изго­

вода, изоляция,

материалы

актив­

товления машин пойти иа увели­

ных

и

конструктивных

частей

чение

размеров

шлица

и

сниже­

машины. Отдельные

части

машины

ние

коэффициента

заполнения

па­

должны

быть

так сконструированы

зов.

и рассчитаны, чтобы при изготов­

В настоящее время редко про­

лении машины трудоемкость и рас­

ектируется

индивидуальная

маши­

ход

материалов

были

наименьши­

на, а проектируются и выпускаются

ми, а при

эксплуатации

машина

серии

электрических

машин.

На

обладала

наилучшими

энергетичес­

базе

серий

выполняются

различные

кими

показателями.

При

этом

модификации

машин,

что

наклады­

электрическая

машина

должна со­

вает

определенные

требования

на

ответствовать

условиям

примене­

выполнение

проекта

новой электри­

ния

ее

в

электроприводе.

ческой

машины.

1-1. ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

П. П.

Копняева, А. Я.

Бергера

и

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

В. А. Пантелеева, Ф. И. Холуянова.

Впервые

электрические

машины

Большой

вклад

в

проектирование

электрических

машин

внесли

рабо­

получили

применение в

промыш­

ты

советских

ученых

А. Е. Алексе­

ленности

более

ста

лет

назад. Тог­

ева,

Б. П. Апарова,

А. И. Вольде-

да

же появились и первые рекомен­

ка,

В. Т. Касьянова,

М. П. Костен­

дации

по

их

расчету. К

концу

про­

ко,

Б. И. Кузнецова,

Р. А. Лютера,

шлого

века

в Западной

Европе

и

Г. Н. Петрова,

И. М.

Постникова,

Америке

возникли

крупные

элект­

П.

С.

Сергеева, Т.

Г.

Сорокера,

ротехнические

фирмы

«Сименс»,

В. А. Трапезникова

и других.

«Вестингауз» и другие,

на

которых

Проектирование

электрической

сложились

крупные

конструктор­

машины

— сложная

многовариант­

ские и расчетные отделы. В

это

же

ная задача. При

ее решении прихо­

время

начали

издаваться

первые

дится

учитывать большое

количе­

электротехнические

журналы.

ство факторов. Естественным стрем­

Первые

электротехнические

за­

лением

всех,

кто

проектирует

воды в России

появились

в начале

машину,

является

получение,

по

века. Это

«Электросила»

в

Ленин­

возможности наиболее быстрым пу­

граде,

«Динамо»

в Москве

и заво­

тем,

более

близкого

к

заданию

ды

в 'Харькове

и

Таллине.

Уже

расчетного

варианта.

Поэтому

ме­

в

годы

первых

пятилеток

Москва,

тодики,

подход

к расчету

и

проек­

Ленинград,

Харьков

превратились

тированию

электрических

машин

в

крупные

научные и производст­

на

всех

этапах

развития

включали

венные

центры

электропромышлен­

в себя

все

новейшие

достижения в

ности.

После Великой

Отечествен­

теории

и

практике электромашино­

ной войны электротехническая

про­

строения.

мышленность развивалась

бурными

Большинство

расчетных

мето­

темпами, и сегодня

крупные центры

дик

исходит

из

«машинной

посто­

электромашиностроения

имеются в

янной»,

определяемой

из

допусти­

десятках

городов

СССР.

Около

мых

электромагнитных

нагрузок.

пятидесяти

кафедр

высших

учеб­

Машинная постоянная Арнольда

ных заведений

страны

выпускают

специалистов по электрическим

ма­

С

_

0Ч* й -

2

П-1)

шинам.

Первые капитальные работы

по

Л

Р'

^ ц к в кобАВ6 ’

расчетам

и

проектированию

элект­

где

D — диаметр якоря

машин

по­

рических

машин

появились

в кон­

це

десятых,

начале

двадцатых

го­

стоянного

тока

или

внутренний

дов. Это были книги Э.

Арнольда,

диаметр статора, м;

М. Видмара, А. Ла-Кура, Р. Рихте­

1ь — расчетная

длина

воздуш­

ра, К. И. Шенфера, В. С. Кулеба-

ного зазора, м;

кина и

других.

й — частота

вращения,

об/мин;

Первыми

советскими

трудами

Р' — расчетная

мощность,

Вт;

по

проектированию

были

книги

А — линейная нагрузка,

А/м;

Во — индукция

в воздушном за­

снижение

массы было

достигнуто в

зоре, Тл;

(см.

1920— 1950

гг. Предполагается,

что

осе, ka, kQо—коэффициенты

в

1980— 1990

гг. сокращение

массы

ниже).

может

составить не

более 4—5%.

Определив CA=f(P ') для раз­

В

дальнейшем

будет

еще

труднее

личных

типов

электрических

ма­

обеспечить

снижение

массы

при

шин, далее

можно

получить

базу

практически

неизменном

уровне

для

их

расчетов.

Машинная

по­

стоянная не является постоянной и

зависит

от

электромагнитных

на­

грузок,

напряжения,

типа

изоля­

ции,

системы

охлаждения,

стоимо­

сти

материалов,

надежности рабо­

ты машины, суммы капитальных и

эксплуатационных

затрат

и других

факторов.

Эссон в двадцатых годах пред­

ложил

при

проектировании

приме­

нять

коэффициент

использования

машины — момент

па единицу объ­

Рис. 1-1. Масса

асинхронных

двигателей

ема,

по

существу

величину, обрат­

ную

постоянной

Арнольда.

различных серий.

Машинная

постоянная

Рихтера

энергетических

показателей

элект­

есть момент, отнесенный к единице

поверхности

якоря.

В

машинной

рической

машины.

Даже

неболь­

постоянной К. И. Шейфера вместо

шой

процент

сокращения

расхода

внутреннего

диаметра

статора

ис­

активных

материалов

потребует

пользуется

внешний

диаметр.

серьезных

работ

по

усовершенство­

В 1926 г. В. С. Кулебакин при

ванию

технических

свойств

изоля­

выборе

главных

размеров

синхрон­

ционных

и

магнитных

материалов.

ных машин учитывал токи коротко­

Эти

условия

необходимы,

так

как

го замыкания. В 1934 г. Б. П. Апа-

выпуск асинхронных

машин

единой

ров для синхронных машин пред­

серин в СССР увеличился с 1940 г.

ложил при выборе главных разме­

в

10 раз.

расход

материалов в

ров исходить из необходимой крат­

Удельный

ности

пускового

и

максимального

турбогенераторах с 1952 г. снизил­

моментов.

ся более чем в 3 раза. Турбогенера­

Г. Н. Петров в [25] вводит по­

тор 150 тыс. кВт с водородным ох­

нятие

единичной

машины

и каса­

лаждением весил 350 г. Турбогене­

тельной силы, действующей на еди­

ратор

ТВВ-1200-2

имеет

массу

ницу

поверхности

ротора.

Каса­

на

единицу

мощности,

равную

тельная сила зависит от мощности

0,457 кг/(кВ-А).

машины, но даже у самых крупных

Как следует из (1-1), размеры

машин

не

превосходит

0,03—

машины зависят от индукции в воз­

0,04 МПа.

душном зазоре Вь и линейной на­

Авторы книг по проектированию

грузки А.

электричес­

электрических

машин,

критикуя

При

рассмотрении

машинные

постоянные,

уточняли

кой машины как объекта разработ­

их,

вводили

новые,

но

и

сегодня

ки необходимо учитывать объем и

нет

единого

подхода

к выбору

ос­

длительность

проектных,

расчетных

новных

размеров

машины.

и технологических работ. Предпро-

Масса является одним из основ­

нзводственные

работы

включают

ных

факторов,

характеризующих

изготовление

рабочих

чертежей,

технический

уровень

электрических

технологической

оснастки

н

изго­

машин.

По

сравнению

с

1913 г.

товление

опытных образцов.

масса

асинхронных

двигателей

со­

Предпроизводственный

этап тре­

временных серий ,снижена в 3 раза

бует достаточно много времени н в

(рис. 1-1). Наиболее

значительное

нем

участвуют

большие

коллекти­

вы

конструкторов

и

технологов.

начале 50-х годов в США и СССР.

Качество

разработки

проекта

оп­

Во

ВНИИЭМ

Т.

Г.

Сорокером и

ределяет

судьбу

электрической

ма­

Б. М. Каганом ЭВМ были приме­

шины в производстве и эксплуата­

нены для расчетов серий электри­

ции.

ческих машин. За

последние

годы

Электрическая машина как объ­

вычислительные машины

получили

ект

производства

должна

иметь

настолько широкое

применение, что

минимальную

трудоемкость

и

ми­

сегодня

ни

один

расчет,

ни

одно

нимальные

капитальные

вложения

научное

исследование

в

электро­

в производство. Для этого она дол­

механике не обходятся без приме­

жна

иметь

технологичную

конст­

нения

вычислительных машин.

тен­

рукцию,

максимально

использовать

Существуют

две

основные

существующее технологическое обо­

денции в применении ЭВМ при

рудование

и оснастку.

проектировании

электрических

ма­

Важнейшим

требованием

явля­

шин. В большинстве работ вычис­

ется

минимальная

материалоем­

лительная техника

применяется для

кость.

Экономия

электротехничес­

расчетов

отдельных

частей

или

кой стали, меди, алюминия, изоля­

всей электрической машины по су­

ции

и конструкционных материалов

ществующим

методикам.

Вторая

является

важнейшим

требованием

связана с созданием нового подхо­

при

создании

новой

электрической

да к расчету, когда в основе расче­

машины. С

экономией

материалов

та

лежат дифференциальные урав­

связано

создание

машин,

имеющих

нения, описывающие процессы элек­

минимальные

отходы

материалов

тромеханического

преобразования

при

изготовлении.

Электрические

энергии.

машины

с безотходной технологией

Первый путь дает ускорение вы­

изготовления

имеют

преимущества

числений,

обеспечивает

перебор

перед обычными

машинами,

если

многих вариантов. Однако полуэм-

сохраняются

требования

к

машине

пирические

формулы,

положенные

как

к объекту

эксплуатации.

в основу

расчета,

снижают

эффек­

Как объект эксплуатации

элект­

тивность

применения

вычислитель­

рическая

машина

должна

иметь

ных машин. Второй путь позволя­

высокие показатели

(КП Д

и cos<p).

ет более строго подойти к оптими­

Электрические

машины

с

мини­

зации, решать более сложные зада­

мальными

потерями

позволяют

чи, но он еще недостаточно разра­

уменьшить

вложение

материалов

в

ботан.

Необходимо

развивать

оба

энергосистему.

Высокие

энергети­

направления,

стремиться

к оптими­

ческие

показатели

электрической

зации

электрической

машины,

ра­

машины

гарантируют

снижение

ботающей

в

электромеханической

уровня текущих затрат на эксплуа­

системе

при

изменении

напряже­

тацию

и

капитальные

вложения

ний,

частоты,

окружающих

усло­

потребителя.

вий, с

учетом

работы

элементов

Показатели

экономической

эф ­

системы

и

динамических

процессов

фективности

электрической

маши­

[20].

ны могут быть установлены на ос­

В

настоящее время при

проек­

новании

анализа

приведенных

за­

тировании

электрических

машин

трат, которые включают затраты на

применяются

как

цифровые

ЭВМ,

изготовление

и

эксплуатацию

ма­

так

и

аналоговые

вычислительные

шины.

машины

АВМ

[18,

19].

При

решении

задач

динамики

1-2. ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО

предпочтительно

применять

АВМ,

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

они просты в обслуживании и име­

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

ют удобные

выводные

устройства.

Недостатками

АВМ

являются

ог­

Цифровые

электронные

вычис­

раниченный объем решаемой зада­

лительные

машины

(ЭВМ)

впер­

чи и малая универсальность.

вые

начали

использоваться

для

Цифровые

ЭВМ

универсальны,

расчетов

электрических

машин

в

объем

решаемой задачи может быть

расчетным

методом.

Вследствие

увеличивая

размеры

шлица

пазов

технической

сложности

и

универ­

для

возможности

машинной намот­

сальности ЭВМ

сосредоточиваются

ки

обмотки.

электрической

на вычислительных центрах. Чтобы

Проектирование

избежать трудоемкого

с

программи­

машины

сводится

к многократному

рования

и

связанной

этим

дли­

расчету зависимостей между

основ­

тельной

отладки

программы,

необ­

ными

показателями,

заданных

в

ходимо стремиться к созданию уни­

виде

системы

формул, эмпиричес­

версальных

программ.

Цифровые

ких

коэффициентов,

графических

ЭВМ широко применяются при рас­

зависимостей,

которые

можно

рас­

чете

магнитной

системы,

характе­

сматривать

как уравнения

проекти­

ристик

машин,

механических, теп­

рования.

Оптимальное проектиро­

ловых и

вентиляционных

расчетов.

вание

электрических

машин

может

Внедрение

ЭВМ для автомати­

представляться

как

поиск

опти­

зации инженерных

расчетов приве­

мальных

параметров путем

реше­

ло

к

существенному

повышению

ния этой системы уравнений. Слож­

технико-экономических

показателей

ность

алгоритма

расчета затрудня­

электрических

машин,

обеспечило

ет

задачу

оптимизации.

Несмотря

качественный сдвиг в решении за­

на

широкое

применение

вычисли­

дач

оптимального

проектирования.

тельных

машин, оптимальные вари­

Анализ

приведенных

затрат

анты

машины

иногда

выбираются

применительно

к асинхронным дви­

на

основании

опыта

и

интуиции

гателям

единой

серии

до 10 кВт

проектировщика.

показал, что примерно 70% затрат

Выбор

критерия

оптимальности

составляют текущие расходы на их

зависит

от

назначения

электричес­

эксплуатацию.

На

долю капитало­

кой машины и предъявляемых к ней

вложений

приходится

лишь

15—

требований.

Для

специальных

ма­

20%

всех

затрат.

Следовательно,

шин

целесообразно выбирать

мини­

повышение

эффективности

новых

мум массы или минимальные габа­

электрических

машин

прежде

всего

риты. Для

электрической

машины

связано

со

снижением

эксплуата­

общего назначения в качестве кри­

ционных расходов. Первоочередное

терия

оптимизации

принимают

ми­

значение

здесь

имеют

повышение

нимум

приведенных

затрат.

Этот

надежности в работе машин и

критерий

широко

применяется

в

улучшение

их энергетических

пока­

СССР и за рубежом. Приведенные

зателей. При этом повышение КПД

затраты

на

электрическую машину

экономически

более

выгодно, чем

в процессе производства и эксплуа­

повышение

cos <р.

тации

являются

обобщающим

эко­

Повышение

надежности и улуч­

номическим

показателем, включа­

шение

КПД

должны

достигаться

ющим

основные

экономические

эк­

без заметного

увеличения

затратна

виваленты

основных

технических

изготовление

электрической

маши­

характеристик.

универсальный

ны. Сокращение расходов на элект­

Нельзя

найти

ротехническую

сталь

и обмоточные

критерий

оптимальности.

Действи­

провода

может

дать

существенное

тельно,

минимальная

масса

маши­

уменьшение

себестоимости

элект­

ны обусловливает снижение энерге­

рической машины.

заработная пла­

тических

показателен

и ухудшение

Хотя

основная

надежности.

Наиболее

очевидны

та и составляет 5—8% себестоимо­

противоречия

между

статическими

сти,

снижение

трудоемкости

меха­

и динамическими

характеристика­

нических и обмоточно-изолировоч­

ми. Для уменьшения времени раз­

ных

работ

имеет важное

значение.

бега

асинхронного

двигателя

надо

телей.

Когда

электрическая

маши­

ЭВМ,

так

как

пока

не

накоплен

на работает при неизменном напря­

опыт

автоматического

проектирова­

жении, приложенном к ее выводам

ния электрических

машин.

и не зависящем от нагрузки

(сеть

бесконечной

мощности),

задачу оп­

1-3. ПОДХОД К РАСЧЕТУ

тимизации

машины

следует

прово­

ОТДЕЛЬНОЙ МАШИНЫ И СЕРИИ МАШИН

дить

по

минимуму

суммарных за­

Преобразование

энергии в элек­

трат.

оптимального

проекти­

Задача

трических

машинах

происходит в

рования

электрической машины или

воздушном

зазоре,

где

концентри­

серии машин может быть представ­

руется

основная

часть

энергии маг­

лена как общая задача нелинейно­

нитного

поля.

го математического

программиро­

Объем

активной

части,

т. е. про­

вания, которая сводится к нахож­

странство,

в

котором

размещены

дению

минимума

или

максимума

магнитные

сердечники

и

пазовые

критерия оптимальности

при

нали­

части

обмоток, определяется

произ­

чии определенного

числа независи­

ведением D \ l t

где

Da — наружный

мых

переменных проектирования и

диаметр статора в машинах пере­

функций

лимитеров,

представляю­

менного тока или диаметр станины

щих собой технические или техно­

в машинах постоянного тока, а /—

логические

требования-ограничения

длина сердечника.

Наружный диа­

к проекту.

метр Da зависит от конструктивно­

В настоящее время назрела не­

го и

технологического

выполнения

обходимость

решения

задачи

комп­

машины и не является определяю­

лексной

автоматизации

проектиро­

щим

в

электромагнитном

расчете.

вания

электрических

машин.

Этой

При

анализе

размерных соотноше­

цели

служит

система

автомати­

ний

рассматривают

внутренний

зированного

проектирования

элек­

диаметр статора

D в

асинхронных

трических

машин

(САПРЭМ)

и синхронных машинах или диа­

[19, 20].

сложный

комп­

метр

якоря

в

машинах

постоянного

САПРЭМ — это

тока

и расчетную длину воздушно­

лекс,

позволяющий

производить

го зазора

k.

как расчетные, так и проектно-кон­

В обычных электрических маши­

структорские

работы.

САПРЭМ

нах

Da~ D ,

а 16 мало

отличается

разбивается

на

ряд

подсистем,

от I и

произведение

D 4t

пропор­

каждая из которых решает опреде­

ционально

объему

активной

части

ленные

задачи

синтеза

на

основе

машины.

сложившихся

принципов

проекти­

Размеры

D и 1ь называют глав­

рования

с

взаимодействием

«чело­

ными

размерами

машины.

в е к -Э В М » .

САПРЭМ

включает

Расчетная

мощность машины

систему алгоритмов и создание на

их основе пакетов прикладных про­

Р' =

т1Е.

(1-2)

грамм. В первую очередь создается

В (1-2) для синхронных и асин­

САПР

асинхронных

машин,

кото­

рая должна

обеспечить автоматиза­

хронных машин

I

н Е — соответст­

цию

расчетных

и

графических ра­

венно номинальный ток и ЭДС об­

бот. При этом машина представля-

мотки статора, а для машин посто­

ляется

состоящей

из

стандартных

янного

тока — номинальный

ток и

узлов и деталей, которые конструи­

ЭДС

обмотки

якоря;

от,— число

руются в режиме «человек — ЭВМ».

фаз машины (для машин постоян­

Широкая

автоматизация проект­

ного тока т — 1).

P'/DHб

ных

работ

изменит

в

ближайшие

Отношение

определяет

годы

процесс

проектирования элек­

удельную

мощность

машины, т. е.

трических машин, произойдут зна­

мощность

на

единицу

объема ее

чительные

изменения

и

в

учебном

активной части. Этавеличина ха­

проектировании.

Однако

данное

рактеризует

степень использования

учебное пособие рассчитано на при­

объема активной, части машины и

менение

частных программ

и мини-

является

важной - характеристикой