в некоторых случаях целесообразен переход от распространенной круглой формы двигателей к прямоугольной. Она лучше вписывается в интерьер производственных помещений и гармонирует с прямыми линиями колонн, перекрытий станков и т. д. У двигателей защищенного исполнения применение прямоугольных станин позволяет существенно увеличить внешний диаметр сердечника статора без сужения путей для охлаждающего воздуха, проходящего через свободные угловые камеры станины. Нижние угловые камеры служат также для крепления двигателей к фундаменту через дно станины и боковые окна. Прямоугольная станина позволяет осуществлять так называемую блочную конструкцию двигателей, при которой блоки механической и электрической частей изготовляются независимо на отдельных технологических потоках и объединяются только при окончательной сборке машины.

В ряде случаев при оптимальном проектировании в целевую функцию Зт можно включать экономический эффект у потребителя от снижения уровня шума. Высокий уровень шума приводит к увеличению потерь рабочего времени в результате частичной нетрудоспособности, снижения производительности труда рабочих и ухудшения качества продукции. Установлено, что увеличение уровня шума на 1 дБ по шкале А приводит к уменьшению фонда рабочего времени на 0,5%, что соответствует снижению годового прибавочного продукта на 10 руб. в расчете на одного рабочего. В связи с существенным ростом энерговооруженности проблема снижения уровня шума двигателей приобретает большое значение. Экономию (руб.) у потребителя от снижения уровня шума можно приближенно оценить по формуле

5,= 17,4Я*з, ДРз ЛМ4/-°.=б1р-о,и jQljj

где ДРзв - снижение звуковой мощности двигателя, Вт; акст - коэффициент экстенсивности использования двигателя (для машиностроительных предприятий *зкст 0,4); 200 -число рабочих в некотором усредненном цехе, Я= 10 -приращение годового добавочного продукта на человека при снижении уровня шума на 1 дБ, руб.; Уор=150 - средний объем цеха, приходящийся на одного рабочего, м; L-ai - уровень шума в цехе, дБ.

Снижение уровня шума обеспечивается рядом конструктивно-технологических мероприятий, целесообразность их применения можно оценить на основе методики оптимального проектирования.

Ориентировочные расчеты показывают, что снижение уровня шума на 1 дБ по сравнению с основным исполнением серии увеличивает стоимость двигателя на 2-3%. Поэтому в ряде случаев целесообразно иметь специальные модификации малошумных двигателей. В таких двигателях снижены электрические и магнитные нагрузки, увеличен воздушный зазор между статором и ротором, увеличен скос пазов (до 1,5 зубцовых деления), применена в некоторых машинах двухслойная обмотка статора вместо однослойной, уменьшен внешний диаметр вентилятора наружного обдува, для по-

лучения большей равномерности воздушного зазора применена механическая обработка внутренней поверхности статора.

При разработке методики оптимального проектирования при помощи ЭВМ проводилось исследование влияния нормативного срока окупаемости 7н, расчетного коэффициента загрузки кз и средней годовой наработки t на технико-экономические показатели двигателя, выражаемые целевой функцией Зт. Установлено, что изменение значения Та в интервале 4... 8 лет не оказывает существенного влияния на расход материалов и энергетические показатели оптимального двигателя. Коэффициент загрузки кз и средняя годовая наработка t входят только в составляющую целевой функции Са, характеризующую затраты на активные потери электроэнергии. При изменении составляющей Са по любой причине алгоритм оптимального проектирования стремится так изменить геометрию машины, чтобы увеличить КПД двигателя за счет возрастания расхода активных материалов, т. е. производственной стоимости двигателя. Так, например, для четырехполюсного двигателя номинальной мощностью 16 кВт изменение кз от 0,4 до 1,0 приводит к увеличению расхода меди на 22% и стали на 45%. КПД двигателя при номинальной нагрузке при переходе от /Ьз=0,6 к значениям 0,4<йз<1 уменьшается на 1,5... 3%. Коэффициент мощности при увеличении кз уменьшается. Общее изменение целевой функции вследствие ее пологости оказывается сравнительно небольшим. Однако при большом количестве изготовляемых двигателей такими изменениями пренебрегать нельзя.

10.3. Варьируемые переменные и ограничения

В принципе, если ввести в ЭВМ программу оптимизации и исходные данные, представляющие собой цены на материалы и энергию, требования потребителей, требования технологии и вытекающие из нее трудовые затраты на изготовление отдельных частей машины и др., то ЭВМ выдаст оптимальный вариант. В действительности исходные данные сами подлежат оптимизации, так как они определяют взаимосвязь электромашиностроения с другими отраслями народного хозяйства, вследствие чего ужесточение требований к некоторым исходным данным дает экономию в одной отрасли народного хозяйства, но ущерб в другой. Так, например, увеличение пускового момента двигателей, которое улучшает качество электропривода и дает экономию в отраслях, использующих электрифицированные механизмы, приводит к ухудшению энергетических и массогабаритных показателей электродвигателя, увеличению стоимости его изготовления и эксплуатации. Применение высококачественной электротехнической стали позволяет создать сравнительно дешевый электродвигатель с улучшенными энергетическими показателями, но требует увеличенных расходов в черной металлургии. Поэтому большинство исходных данных устанавливают с учетом указанной взаимосвязи. В программу оптимизации обычно

включают не все составляющие целевой функции и не все ограничения. Это относится, в частности, к показателям надежности и виброакустическим характеристикам двигателей. Так как они сравнительно мало зависят от электромагнитных и тепловых расчетов, их обычно определяют вне программы оптимального проектирования, а результаты соответствующих расчетов учитывают при окончательном выборе конструкции двигателя.

При оптимальном проектировании асинхронных двигателей варьируемые переменные величины целесообразно разбить на несколько блоков. Такая разбивка позволяет в случаях, когда влияние параметров отдельных блоков на другие блоки незначительно, выполнять оптимизацию их независимо от остальных, что существенно снижает трудоемкость проведения оптимизационных расчетов. Основным объектом оптимизации является конструкция активной части, остальными блоками могут быть конструкции системы изоляции обмотки статора и вентиляционной системы.

При разработке конструкции системы изоляции варьируемыми величинами являются толщина витковой и пазовой изоляции обмотки и высота клина, удерживающего ее в пазу. Однако проводить оптимизацию этих параметров нецелесообразно, так как их значения должны назначаться минимальными, с точки зрения обеспечения заданной надежности обмотки и допустимой трудоемкости изготовления машины. Так, например, для изготовления двигателей серии АИ используют эмаль-провод с двухслойной изоляцией марки ПЭТМ-155 и ПЭТД-180 класса нагревостойкости F, его изоляция имеет высокую механическую прочность, необходимую для механизированной укладки, что обеспечивает повышенную надежность машины. Пазовую изоляцию выполняют из пленок на основе фине-лона или арифлекса класса нагревостойкости F.

При разработке конструкции системы вентиляции варьируемыми параметрами могут быть число и высота ребер станины, наружный и внутренний диаметры лопаток вентилятора и ширина лопаток. В качестве целевой функции при оптимальном проектировании системы вентиляции двигателей со степенью защиты IP54 (IP44) можно принять коэффициент теплоотдачи с оболочки, учитываемый при оптимизации активной части двигателя. При необходимости непосредственного расчета эффективности оптимизации системы вентиляции можно осуществлять переход от достигнутого снижения превышения температуры к соответствующему приращению целевой функции Зт посредством коэффициентов, учитывающих влияние на нее различных параметров.

При оптимальном проектировании активной части двигателей обычно варьируются восемь основных параметров: наружный Dai и внутренний Dii диаметры сердечника статора, его длина li, число витков обмотки статора и размеры пазов статора и ротора (их ширина bi и Ьг и высота hi и hi).

Остальные геометрические параметры, характеризующие конструкцию активной части двигателя, задаются заранее: воздушный

зазор между статором и ротором, число зубцов статора и ротора (исходя из условий получения минимальных добавочных потерь), а также ширина и высота щели паза статора (из условий технологии выполнения обмоточно-изолированных работ). Таким образом, эти параметры могут быть исключены из разряда независимых переменных.

Наружный диаметр сердечника статора варьируют только для наиболее массового так называемого базового типоразмера двигателя, соответствующего принятой высоте оси вращения, для других типоразмеров, относящихся к данной высоте вращения, этот параметр остается неизменным.

После выбора размеров сердечника статора для двигателей базового ряда оптимизируются размеры сердечника ротора для принятых модификаций; при этом геометрия сердечника статора считается заданной. Восьмиполюсные двигатели могут быть унифицированы с шестиполюсными по внутреннему диаметру статора или целиком по геометрии активной части.

Как показали проведенные статистические исследования, оптимальная геометрия зубцовых зон статора и ротора мало изменяется при изменении ряда исходных данных, например кратности пускового момента Л1п/Л1ном, качества электротехнической стали (индукции В2500), допустимого превышения температуры 9м обмотки статора и средней годовой наработки двигателя t. Таким образом, в ряде случаев представляется возможным сократить число варьируемых переменных без ущерба для точности расчетов.

Согласно проведенным исследованиям, при оптимизационных расчетах примерно в 60% случаев можно не варьировать геометрию зубцовых зон статора и ротора и в 85% случаев -геометрию одной из зубцовых зон. При этом примерно в 2 раза сокращается требуемое для расчетов время.

При проектировании активной части двигателя на его конструкцию накладывают ряд ограничений. Однако то или иное ограничение можно включить в целевую функцию, если придать ему экономическую оценку. При оптимальном проектировании асинхронных двигателей серий АИ и 4А приняты ограничения, обусловленные требованиями электропривода (максимальный и минимальный моменты, начальные пусковые моменты и ток), надежности (наибольшая допускаемая температура обмотки статора и скорость нарастания температуры при заторможенном роторе), механической прочности и технологии (коэффициент заполнения паза, ширина зубцов статора и ротора в наиболее узком месте, диаметр дна овального паза ротора, высота спинки статора и др.). Определенные ограничения при выборе оптимального варианта оказывают также требования унификации размеров штампов для штамповки листов сердечников статоров и ротора машин с одинаковой высотой вращения, но разных длин, и, кроме того, для машин с двумя соседними числами полюсов (например, шести- и восьмнполюсных), а также унификации длин сердечников машин с разным числом полюсов при данных

4 Pz, Vo

10 -

высоте вращения и длине станины. В этих случаях оптимизация производится для базового типоразмера двигателя. Для остальных двигателей данной высоты вращения выбор оптимальных вариантов производят при заданном значении унифицированного размера, выбранного для базового двигателя.

При оптимизации системы вентиляции в качестве ограничений можно принять допустимый уровень вентиляционного шума, мощность, забираемую вентилятором, и др.

10.4. Исходные данные для проектирования серии

При оптимальном проектировании серии асинхронных двигателей используется свыше 100 исходных данных. Часть из них задается требованиями стандартов, эксплуатации, используемыми материалами, опытом проектирования предшествующих серий. Другая часть - устанавливается по данным предварительных исследований: выбор класса нагревостойкости изоляции, степень унификации различных исполнений и пр. Рассмотрим исходные данные для проектирования двигателей серии АИ.

Номинальная мощность. Современная серия асинхронных двигателей представляет собой стандартизированный ряд машин. Стандартизация этого ряда проводится по значениям номинальных мощностей, установочным размерам и частотам вращения. Ряду номинальных мощностей Рг в серии должен соответствовать ряд высот оси вращения. Стандартизация рядов установочных размеров и мощностей, а также увязка между ними имеет важнейшее значение для международной торговли. Она должна обеспечивать взаимозаменяемость двигателей, изготовляемых в разных странах. Особенно это важно для асинхронных двигателей, являющихся основой электропривода большинства механизмов.

Шкала номинальных мощностей серии характеризуется коэффициентом нарастания полезной мощности kuP2, под которым понимают отношение последующей мощности Рг(п+1) к предыдущей Ргп, где л=1, 2... (Zp-1), Zp -число ступеней в ряде. Коэффициент нарастания мощности определяет стоимость изготовления двигателей, увеличивая или уменьшая количество выпускаемых двигателей, соответствующих каждой ступени шкалы. От значения kuP2 зависит также коэффициент использования двигателя по мощности, так как при подборе двигателя для конкретного привода, для которого требуется некоторая мощность Ргп<Р2<Р2(п-1-1), выбирается двигатель

/ ьг 1,4 1,6 1.8 Z кр

Рис. 10.2. Зависимость коэффициента использования от коэффициента нарастания мощности в серии асинхронных двигателей

МОЩНОСТЬЮ Рг(п-н)=/нР2Р2п. Поэтому чем меньше ступеней имеет шкала мощностей серии, тем больше избыточная мощность подбираемых двигателей.

Отношение избыточной мощности к требуемой называют коэффициентом использования мощности

ДЯ2 = (* Р2-1)/(нР2+1)- (10-12)

Зависимость АРг от коэффициента нарастания мощности ки Р2 приведена на рис. 10.2.

Для рационально построенной серии с закономерно изменяющейся высотой Н оси вращения (которой соответствует определенный ряд диаметров и длин сердечников статора) коэффициент кнР2 должен изменяться по определенному закону. Для современного уровня машиностроения нР2 в идеальной шкале мощностей можно выразить эмпирической формулой

k p2=k P2P7°°\ (10.13)

где /ЬнР2=1,35... 1,40 -коэффициент, зависящий от числа ступеней шкалы.

В этом случае каждая последующая ступень мощности

Я2( + 1)=*нР2Р2Г. (10.14)

При проектировании современных серий асинхронных двигателей шкалу мощностей выбирают на основе стандартов, исходя из стандартизированного ряда высот вращения. Хотя при этом не удается обеспечить определенную закономерность нарастания коэффициента мощности, но все же наблюдается тенденция уменьшения kaP2 по мере увеличения мощности. Так, для основного исполнения двигателей серии АИ коэффициент нР2 при 2p=const изменяется от 2,25 для машин малой мощности до 1,20 для больших мощностей. Уменьшение коэффициента нР2 целесообразно как с точки зрения организации производства электродвигателей, так и с точки зрения выбора мощности электропривода.

Электродвигатели малой мощности являются самыми распространенными, меньшее число ступеней в серии для таких двигателей дает большие выгоды при их массовом производстве. Выбор мощности этих двигателей осуществляется с меньшей точностью, так как они работают в основном во вспомогательных электроприводах и в менее определенных нагрузочных режимах, чем двигатели большой мощности. Увеличение коэффициента нарастания полезной мощности /ЬнР2 по мере перехода к меньшим мощностям целесообразно с точки зрения обеспечения рациональной структуры серии, так как даже при неизменном *нР2 коэффициент нарастания подводимой мощности /feHPi = Pi(n-i-i)/Pin увеличивается с уменьшением Рг из-за снижения энергетических показателей и увеличения из-за этого расхождения между мощностями Рг и Pi. Особенно значительно это расхождение в двигателях с низкими частотами вращения и в двигателях с Р2< 11 кВт.