Динамо-машины  Электрические машины, экономичность 

1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

машины со значительными вырезами в пакетах якоря. В целом эта характеристика (М/пц,) выше у крупногабаритной машины.

Так, например, при Уср = 5 10 кг/м и характерных для относительно крупногабаритных машин а, = 0,7; Bf, = 0,7 Тл и Л = 50-10 А/м, т. е. 2,5-10 H/м имеем Лд,= 10 Н-м/кг

массы якоря. Приведенная в [36] в качестве довольно высокой величина к = 0,4 для двигателей французской фирмы АХЕМ получена, по-видимому, из-за существенно более низких у малых машин значений F = цВ. Такое значение может иметь место, например, при = 0,4 Тл и Л = 5 ООО А/м.

Менее однозначно выглядит отношение номинального момента к массе всей машины X = М/т; отношение массы двигателя к массе или объему якоря неоднозначно и зависит в значительной мере от числа пар полюсов.

В [63] приводится предложенная В. И. Бочаровым формула для массы тяговых двигателей:

40 -10

(1.7)

где р - число пар полюсов; Д и la - соответственно диаметр и длина якоря.

Преобразуем эту формулу в целях ее несколько расширенного применения в приведенных выше соотношениях. Из (1.5) имеем

Подставляя (1.8) в (1.7), получаем массу двигателя

Ид. = -Р-Р-

(1.9)

так как

40 -4 -10

10 при принятом Yep = 5-10 кг/м и отно-

шение номинального момента к массе двигателя

(1.10)

.р Уср

Если учесть, что у низкоскоростных машин для безредукторного привода число пар полюсов намного больше, чем у высокоскоростных, можно, несмотря на приближенный характер формулы (1.10), с полным основанием утверждать, что значение А, у низкоскоростной машины в несколько раз больше, чем у высокоскоростной. Так, при р - 16 к будет больше, чем при р = 1, в 4 - 5 раз, если учесть различие в значениях F и Уср.

Ниже при сравнении двигателей мы в основном пользуемся величиной, обратной Хд,:

F Vp

или отношением массы к номинальному моменту в кг/кН:

(1.12)

Практика неизменно подтверждает приведенные выше положения и не только в отношении машин постоянного тока обычного исполнения, но и для специально разработанных так называемых моментных двигателей. Так, в проспекте [107] фирмы Inland (США) на моментные двигатели постоянного тока прямого привода (Direct-Drive DC Torque Motors) у 12-ваттного микродвигателя Т2509 при п = 2100 об/мин (л = 1200 об/мин; О) = 0,105л = 125 с при М = 0,1 И .м) имеем т = 0,127 кг; Пдв ~ 1270 кг/(кН.м), а у двигателя Т36001 при мощности 1830 Вт и п = 17,2 об/мин (л 8 об/мин при М = = 2160 И -м) т, = 616 кг и т; = 285 кг/(кН .м), примерно, в 5 раз лучше, так как машина большая и низкоскоростная. Отметим, что эта машина специально предназначена для работы в пусковых режимах и имеет кратность пускового момента 2, следовательно, удельная масса относительно пускового момента будет 143 кг/(кН.м).

Но электромашиностроители обычно пользуются в качестве массогабаритного показателя отношением массы (или объема) якоря (или иногда всей машины) к мощности, реализуемой на валу.

Основные соотношения, позволяющие определить массогабаритные характеристики электрической машины в этом понимании, выведены давно. Так, для машины постоянного тока это сделано Е. Арнольдом [63] еще в первой четверти века. Так называемая постоянная Арнольда (или машинная постоянная) определяет произведение диаметра ротора (якоря) D на его длину I, приведенное к полезной мощности Р при п (об/мин) в зависимости от основных электромагнитных параметров - индукции в зазоре линейной нагрузки А (А/м) и эквивалентной полюсной дуги а,:

D-1 6,1 .10 6,1 .10

- И = = =

6,1 -10

= С. Для

а,- А F

или, учитывая, что а,- == В,р, имеем ~ п =

определения отношения массы двигателя к его мощности т (в кг/кВт) можно использовать формулу (1.12), учитывая, что

М=Р . 10V laquo;; = mJM = m ,o)/P 10 = mco 10-

(1.13)

или, подставляя w = 2л - ,

1,5 -Ю

пР MP

Так, при Y= Ю кг/м\ р = 1, to= 300 с и F== 2,5Х Х10 Н/м имеем vi = 3,3 кг/кВт, что близко к реальным данным для частоты вращения п = 2865 об/мин (соответствующей w = = 300 с). Если рм - const, то со снижением частоты вращения двигателя в к раз показатель mj увеличивается примерно в

лк раз, а показатель т уменьшается во столько же раз. Но строгое постоянство произведения имеет место только у синхронных машин, у машин постоянного тока вполне возможны существенно различные частоты вращения ротора и при неизменном числе пар полюсов р. В этом случае при практически неизменном Шдд (если сохраняется отношение jF) показатель т увеличивается пропорционально уменьшению м. Электромашиностроители предпочитают пользоваться именно последним показателем.

Естественно, что электромашиностроитель, проводя оптимизацию, стремится к созданию высокоскоростных электродвигателей.

Но для электропривода оптимизация по указанной выше целевой функции, применяемая к электродвигателю, является только субоптимизацией, экономически оправданной лишь в тех случаях, когда она по крайней мере не противоречит общей оптимизации. Представляется рациональным при той же целевой функции (минимуме приведенных затрат) приводить выбор оптимальных решений, учитывая их эффективность для электропривода в целом. Конечно, полным был бы анализ эффективности выбранных решений для народного хозяйства в целом (например, анализ оптимальности выбора также и данного рабочего органа и его режимов работы, данной технологии в совокупности и т. д.). Но эта задача здесь не рассматривается. Во всяком случае сравнительное изучение различных решений исходя из эффективности электропривода в целом представляется шагом в правильном направлении - именно такой анализ может объективно опреде-i лить области преимущественного применения редукторного мй, безредукторного электропривода.

Низкоскоростные механизмы весьма распространены. Анализ данных, приведенных в табл. 1.2-1.4, позволяет отметить ряд важных отличий различных типов электропривода в целом. Основной вывод: в рассмотренных промышленных приводах редуктор по своей массе и стоимости намного превосходит электродвигатель. Это положение подтверждается и при рассмотрении весьма крупногабаритных приводов. Так, в электроприводе мельницы типа laquo;Каскад raquo; применен электродвигатель СДМ-15-49-6 массой в 10,25 т и стоимостью около 10 тыс. руб. с понижающим редук-

Таблица 1.2. Вакуум-фильтры барабанные

БОК1-1,0 БОУ5-1,75 БОК5-1,75 БОУ10-2,6 БОК 10-2,6 БО У 20-2,6

Враща тощий мо-мент органа, кН -м

58 100 100 200 200 300

Мощность электродвигателя, кВт

0,6 1,1 1,1 2,2 2,2 3,1

зон реХрва7 Г0ЛЗ-ТГ/миГ Р- deg;б/ laquo; . диапа-

Таблица 1.3. Вакуум-фильтры ленточные

Таблица 1.4. Вакуум-фильтры дисковые

тором (/= 13) типа Ц2Ш1250 массой 36 т и стоимостью 48 тыс. руб., еще имеется выходная шестеренная пара массой 18,5 т и стоимостью около 48 тыс. руб. (стоимость несерийной части передачи выше у всех приводов). В приводе барабанных вакуум-фильтров БОУ-10-26 и БОК-10-26, указанных в табл. 1.3, используется электродвигатель мощностью 2,2 кВт массой 43 кг с редуктором массой 565 кг и шестеренная пара массой 500 кг и стоимостью 800 руб. Чем выше частота вращения двигателя и

меньше масса, габаритные размеры и стоимость двигателя, тем больше (при той же заданной частоте вращения выходного вала j . привода) редуктор - его масса, габаритные размеры и стоимость в основном определяют соответствующие показатели привода. Возникает конфликтная ситуация: электромашиностроитель, минимизируя собственные затраты (кг/кВт) и повышая КПД двигателя, увеличивает его частоту вращения, а потребитель платит за это увеличением массы и стоимости редуктора, и во всех случаях, аналогичных приведенным выше, народное хозяйство в целом теряет от такой субоптимизации.

В ряде мест специалисты в области привода и технологии вполне это осознали и принимают реальные меры к снижению частоты вращения двигателя. Выше приводились данные по мельнице типа laquo;Каскад raquo; (п = 13 об/мин), применяемой на горно-обогатительных комбинатах.

За последние годы наметилась в ряде случаев тенденция к исключению основного редуктора. Результаты проведенной в этом направлении работы на одном из предприятий приведены в табл. 1.5. Частота вращения двигателя снизилась в 8 раз, масса его возросла в 2,7 раза, стоимость в 2,5 раза, но общая масса двигателя и редуктора снизилась с 58,25 до 27,7 т-в 2,1 раза, стоимость снизилась в 2-2,3 раза. Повысилась и надежность не только путем устранения отказов, связанных с самим редуктором (1-2 раза в год-разрыв бандажей, излом вала быстроходной и промежуточной шестерен, поломки зубьев и муфты), но и путем улучшения условий работы самого двигателя при устранении вибраций, вызванных редуктором. Реально частота отказов уменьшилась примерно в 6 раз. В [36] указывается, что каждый элемент редуктора имеет шесть основных элементов износа - четыре подшипника и две зубчатые шестерни - и приводятся данные о высокой надежности системы управления с безредукторным приводом - долговечность 15-20 лет при техническом ресурсе (5-6) -Ю ч и вероятность безотказной работы 0,99.

Таблица 1.5. Привод мельниц

Примечание, Мощность двигателя 1600 кВт, частота вращения мельницы 13 об/мин.

В [941 приводятся соображения о компактности двигателя и ее влиянии на экономические показатели промышленной установки в целом. Из рассматриваемого примера следует, что нужно стремиться к компактности всего привода, хотя бы при этом сам двигатель стал менее компактным. Действительно, в приведенном выше примере объем низкоскоростного двигателя 25 м, а высокоскоростного - только 8,5 мно к этому нужно добавить еще объем редуктора 30 м, и, следовательно, получаем в 1,5 раза больший суммарный объем привода с высокоскоростным двигателем, чем с низкоскоростным.

В [94] убедительно показано также значение снижения шума и вибраций двигателя при оптимизации его параметров. Но и по этим параметрам, если двигатель не работает без редуктора, надо, по-видимому, приводить анализ для всего электропривода, так как известно, что в таком комплекте основную составляющую шума и вибрации дает именно редуктор. Рассмотрим некоторые количественные соотношения по удельной массе т, кг/кВт, для различных электроприводов.

Если пометить индексами laquo;В raquo; и laquo;И raquo; параметры электропривода соответственно с высокоскоростным и низкоскоростным двигателями, то удельная масса редукторного электропривода тпв gt; например, для электрических исполнительных механизмов (см. табл. 1.1) с высокоскоростным электродвигателем тв = 700-!--1100 кг/кВт; для приводов химического оборудования (табл. см. 1.2-1.4) = 400-900 кг/кВт. Это в основном маломощные приводы. Что же касается мощных приводов мельниц (табл. 1,5), то при расчете необходимо принимать во внимание и оконечную часть редуктора с массой около 18,5 т, остающейся у обеих модификаций привода. Тогда, принимая полезную мощность Рг 1500 кВт (момент на рабочей оси М laquo; 10 кН -м), имеем

Чз = deg; +!;Т + deg; deg; 51 кг/кВт

1500

27 700 4- 18 500 1500

31 кгУкВт,

т. е. для низкоскоростного электропривода в 1,66 раз меньше. Естественно, что разработчики электропривода сейчас работают над приводом, использующим сверхнизкоскоростной электродвигатель С частотой вращения, равной частоте вращения мельницы п laquo; 12,5 об/мин, не требующий оконечной части редуктора, которая оставалась у предыдущей модификации.

Спроектирован такой электропривод для еще более мощной мельницы (Р = 6300 кВт), но разработанный для этой цели синхронный двигатель имеет не 480 полюсов, как это было бы необходимо при питании током промышленной частоты, а только 60 и предусмотрено питание от специального источника пониженной