последовательных пуска из холодного состояния с остановкой двигателя между пусками. При этом статический момент сопротивления нагрузки пропорционален квадрату частоты вращения и равен номинальному моменту при номинальной частоте вращения (см. рис. 10.5, б), а внешний момент инерции (кГ-м):

(10.25)

Для двигателей типа Н статический момент сопротивления постоянен и равен номинальному моменту, а внешний момент инерции равен половинному значению, подсчитанному согласно (10.25).

Таблица 10.6

У, ==0,04Я5р.

Превышение температуры обмотки статора после одного пуска с нагретого состояния при допускаемых в современных двигателях плотностях тока в обмотке и при крайних условиях пуска по МЭК, как показали проведенные исследования, увеличивается на 6... 10 К, что вполне допустимо. Продолжительность пуска четырехполюсных двигателей мощностью ниже 100 кВт при наименьших допустимых пусковых моментах и моментах инерции, рассчитанных по (10.25), составляет 3...4 с.

Нагрев двигателя при пуске, зависящий от пускового тока и времени разгона, регламентируется расчетной скоростью (vt) нарастания температуры обмотки статора при заторможенном роторе. Для медных обмоток

V,=Д,/200=(/ но )2 (Д о /200),

(10.26)

где Дк - плотность тока в обмотке статора в режиме короткого замыкания; Дном - тоже, при номинальном режиме, А/мм. Рекомендуемые предельные значения Vi для двигателей общего применения составляют: для двухполюсных двигателей - 8°С/с при классе нагревостойкости изоляции В и 10°С/с - при классе F; для двигателей с 2р=4... 8 значение У/ составляет 6°С/с при классе В к 8°С/с - при классе F.

Перегрузочная способность. Кратность максимального момента, характеризующая перегрузочную способность нормальных двигателей (типа N), приведена в табл. 10.5. Кратность максимального момента для двигателей типа Н, согласно рекомендациям МЭК, должна соответствовать нормам для двигателей типа Л, но не менее 1,9.

Асинхронные двигатели мощностью 0,55 кВт и выше должны без повреждений и остаточных деформаций выдерживать 50%-ную перегрузку по току в течение 2 мин, а двигатели мощностью до 0,55 кВт-режим короткого замыкания при номинальном напряжении в течение 5 с.

Для двигателей, используемых при циклическом режиме работы, важным параметром, характеризующим их перегрузочную способность, является допустимое число пусков и реверсов за I ч при холостом ходе.

Таблица 10.7

Виброакустические характеристики. В последнее время требования по уровню шума двигателей ужесточаются. Это связано с возросшими требованиями к защите окружающей среды и стремлению снизить вредное влияние шума на производительность труда. Допустимые уровни звуковой мощности и звукового давления для электрических машин общего применения были в свое время установлены Публикацией МЭК 34-9-72 и стандартом СЭВ PC 1194-73. В разрабатываемой новой Публикации МЭК требования по уровню шума будут более жесткие. Поэтому для двигателей серии АИ основного исполнения (со степенью защиты IP54) разработаны новые Требования по уровню шума при холостом ходе, приведенные в табл. 10.7. В этой таблице Ьал (дБ) обозначает уровень звукового давления по шкале А; Ьрл - уровень звуковой мощности по шкале А, измеренные на расстоянии 1 м от поверхности двигателя. Двигатели со степенью защиты IP23 (IP22) должны иметь в режиме

холостого хода средний уровень звука LdA на 3... 4 дБ ниже значений, указанных в табл. 10.7.

Для снижения уровня шума применяются различные меры конструктивно-технологического характера: обеспечивают более равномерный воздушный зазор, применяют подшипники повышенного класса, усовершенствуют вентиляционный узел, подбирают лучшее сочетание чисел зубцов статора и ротора, повышают качество обработки поверхностей под подшипники и подшипниковые щиты с целью лучшего их прилегания и др. Применение этих мер позволило в двигателях серии АИ снизить уровень шума на 10... 15 дБ по сравнению с двигателями серии 4А.

Уровень вибрации двигателей характеризует точность изготовления его деталей и качество сборки. От него зависит надежность работы машины и главным образом его подшипниковых узлов. Для оценки вибрации машины, согласно рекомендациям 1SO-2374, принято наибольшее из среднеквадратичных значений вибрационной скорости Уэфтах, измеренных в определенных местах двигателя для диапазона от рабочей частоты вращения до 2000 Гц:

эфтэх

(10.27)

где V [t) - мгновенное значение вибрационной скорости; Т - период вибраций. Стандарты устанавливают три категории интенсивности вибрации: нормальную N, с повышенными требованиями R и специальную 5. Для нормальной категории N (двигатели серии АИ) максимально допустимые значения Кэфтах составляют: при Я= = 45 ... 50 мм- 1,1 мм/с; при Я=56... 132 мм- 1,8 мм/с; при Я= = 132 ...225 мм -2,8 мм/с и при Я=250...355 мм -4,5 мм/с.

Надежность и долговечность. Надежность двигателя характеризуется вероятностью безотказной работы.

Долговечность двигателей обычно задается гамма-процентным ресурсом, т. е. установленной наработкой в часах с вероятностью 80... 85%. Заданные показатели надежности и долговечности обеспечиваются при условии эксплуатации двигателей в режимах, близких к номинальным, в части температуры окружающей среды, времени и числа пусков, отклонении напряжения и частоты от номинальных значений, несинусоидальности и несимметрии напряжения, механических воздействий и др., а также соблюдений правил эксплуатации, технического обслуживания и наличия соответствующей защиты от перегрузок и аварийных режимов.

Для установления влияния срока службы двигателя на его технико-экономические показатели проводилось расчетное исследование на ЭВМ на четырехполюсных двигателях с изоляцией классов нагревостойкости Е к F. При этом установлено, что при изменении срока службы в интервале 4... 8 лет расход активных материалов

и стоимость двигателя увеличиваются незначительно, КПД и коэффициент мощности также изменяются мало.

Материалоемкость и трудоемкость. При проектировании серии двигателей следует стремиться к максимальному снижению мате-риало- и трудоемкости изготовления машин. Так, например, в двигателях серии АИ широко применяют высокопрочные алюминиевые сплавы и пластмассу. Укладка обмотки статора вразвалку позволяет сократить длину лобовых частей и расход обмоточной меди.

В целом серия АИ по сравнению с серией 4А при проведении всех конструкторских и технологических мероприятий обеспечивает снижение массы двигателей на 10...20%, экономию чугуна -на 30%, обмоточной меди - на 5%, валовой стали - на 30%, конструкционной стали -на 10%.

Применение новой высокомеханизированной технологии позволило уменьшить трудоемкость изготовления двигателей на 25%. В частности, конструкция двигателей предусматривает литье корпусов из алюминиевых сплавов на автоматизированных литейных машинах, механическую обработку на автоматических линиях и агрегатных станках, механизированную укладку и пропитку обмотки на автоматических линиях и др. При внедрении новой технологии производительность труда повышается вдвое по сравнению с электродвигателями серии 4А. Общий экономический эффект от внедрения серии АИ составляет 23 млн. руб. на один миллион изготовленных двигателей.

10.5. Установление наружного диаметра и длины сердечника статора

Основные положения. Наружный диаметр сердечника статора Dal и его длина /i -наиболее важные параметры двигателя, от которых зависят пусковые момент и ток, КПД, аэродинамические показатели системы вентиляции, уровень шума и др. При проектировании единичной электрической машины наивыгоднейшие значения наружного диаметра Dai и длины /] сердечника статора полностью определяются по указанной выше методике оптимального проектирования, в соответствии с минимумом суммарных производственных и эксплуатационных затрат, максимальным КПД, минимальной массой или другими функциональными характеристиками. От значений Dai и li зависят расход электротехнической стали, обмоточного провода, основные размеры конструктивных элементов машины и условия ее охлаждения.

При проектировании серии асинхронных двигателей выбирают ряд внешних диаметров Dai и соответствующих длин li, исходя из условий унификации основных узлов двигателей (сердечников, станин, подшипниковых щитов и пр.), имеющих одинаковую высоту оси вращения Я, но разные мощность, частоту вращения и степень защиты; требований технологии; технических требований потребителей и экономических соображений. Указанный ряд должен быть

определенным образом увязан с заданными шкалами мощностей и высот вращения.

При разработке серии асинхронных двигателей 4А значения диаметров Dal были приняты максимальными для данной высоты оси вращения Я. Такой выбор Dai определялся стремлением увеличить мощность двигателя для принятой Я и уменьшить длину li сердечника статора с целью снижения трудоемкости и стоимости штамповочных и обмоточно-изолировочных работ.

Внешний диаметр сердечника статора Dai и высота оси вращения Я связаны зависимостью

£),1=2(Я-А р). (10.28)

где Лпр - расстояние от нижней кромки сердечника до опорной поверхности лап. При этом в зависимости от характера оребрения станины

1,5Я<£),<1.8Я и 0,1<V<0.25, (10.29)

т. е. возможное из конструктивных соображений изменение диаметра Dal составляет 20%. Влияние таких отклонений на суммарные затраты исследовалось на двигателях мощностью 1,5... 30 кВт. При этом установлено, что увеличение суммы затрат относительно оптимального значения A3r=2(ADai), где ADai - отклонение диаметра сердечника от оптимального значения.

К началу проектирования серии двигателей АИ в электромашиностроении возникли другие тенденции. Мощность двигателей в связи с затруднениями в энергетике начали ограничивать; из-за повышенных требований к уровню шума стали отдавать предпочтение машинам, расходующим меньшее количество воздуха для охлаждения, т. е. с меньшим диаметром вентилятора, который зависит определенным образом от Dal. Появление новых статорообмоточных станков с раздельной укладкой обмотки позволило снять ограничения, накладываемые на длину сердечника ly требованиями технологии.

При поиске оптимального наружного диаметра Dai для нескольких двигателей, имеющих одинаковую высоту Я, возможны два подхода. При проектировании двигателей серии 4А на каждой высоте Я выполняется от 4 до 16 двигателей и найти для всех них один общий оптимальный диаметр Dai (что желательно с точки зрения унификации основных конструктивных узлов) затруднительно. Поэтому ранее (например, при разработке двигателей серии 4А) общий диаметр Dai Для машин, имеющих одну и ту же высоту Я, устанавливался при оптимизационном проектировании двигателя наиболее массового типоразмера - четырехполюсного двигателя со степенью защиты IP44. Это не позволяло обеспечить оптимизацию целевой функции для всей совокупности двигателей, выполняемых на данной высоте Я, т. е. минимума дополнительных затрат, вызванных отклонениями от оптимального диаметра для каждого типоразмера.

При проектировании двигателей серии АИ был принят другой подход. Для каждой высоты Я была проведена оптимизация и оп-)еделены приведенные затраты при трех фиксированных диаметрах Jai (см. столбец 2 табл. 10.8), перекрывающих весь диапазон наружных диаметров двигателей, изготовленных в странах - участницах Интерэлектро (наибольшие диаметры соответствовали двигателям серии 4А). Это позволило аппроксимировать параболой изменение целевой функции в пределах указанных диаметров. В даль-Таблиц а 10.8

нейшем определялось минимальное значение Domin (см. столбец 3 табл. 10.8) из условий обеспечения равномерной теплоотдачи по всей окружности корпуса (для чего необходимо выдержать достаточное расстояние hup от нижней кромки сердечника до опорной поверхности лап) и максимальное значение Damai (см. столбец 4 табл. 10.8) из условий возможности выполнения достаточно экономичного двигателя со степенью защиты IP23. В этих пределах выбирался оптимальный диаметр Dai (см. столбец 6 табл. 10.8) для всех двигателей, выполняемых на данной высоте Я путем минимизации приведенных затрат для диаметров, аппроксимированных согласно указанной выше параболы.

Из сопоставления столбцов 5 и 6 табл. 10.8 следует, что оптимальные диаметры сердечников статора двигателей серии АИ в целом меньше, чем у двигателей серии 4А, что определяет только за счет этого параметра их большую эффективность.

Связь между диаметром Dai и длиной /, сердечника статора. Длину сердечника можно найти из (10.18). Для двигателя со степенью защиты IP44 (IP54), т. е. при а=0,3, выбор диаметра сердечника в пределах, указанных в (10.29), приводит к изменению длины сердечника примерно до 60%. Для вновь проектируемой серии значения fen и а можно найти по данным экспериментального исследования опытных машин или на основе анализа существу-