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

требуется одновременно создать эффект электромагнитного подвеса, у нижней части трубы создается участок с существенно большим зазором; если требуется прижимание, такой участок создается у верхней части; соответствующие неравномерности зазора могут быть созданы и, например, на поворотных участках пути (для компенсации возникающих поперечных усилий). Выполнение промежуточного ротора в виде постоянных магнитов приведено выше как пример самого простого выполнения; целесообразнее, по-видимому, выполнять дуги промежуточного ро- тора (внутри - гладкие, снаружи - нарезанные) из ферромагнитного материала и неподвижную катушку возбуждения разместить аналогично машине с когтеобразными полюсами (или бесконтактному сельсину). При базовой асинхронной машине промежуточный ротор имеет вид, соответствующий рис. 4.6, г, и характер сцепления нарезки наружной поверхности промежуточного ротора с нарезкой внутренней поверхности трубы или лотка соответствует характеру сцепления нарезок 5 и /2 на рис. 4.19. Элементу соответствует неподвижная труба или укрепленный на пути лоток, а элементы /, 2, 3, а также вращающийся промежуточный ротор 5 со своим креплением 6 размещены на экипаже.

Как уже указывалось, практический интерес представляет применение для создания неограниченного линейного перемещения экипажа вдоль укрепленного на пути лотка или внутри трубы, внутренние поверхности которых снабжены винтовой нарезкой преобразователей движения [69]. Они позволяют использовать обычные двигатели, наиболее отработанные, обладающие высоким КПД и малой металлоемкостью. Описанный выше универсальный преобразователь движения может использовать непосредственно выход двигателя внутреннего сгорания. Однако для вращающихся машин это решение вряд ли является оптимальным, так как при этом требуется предварительно преобразовать вращательное движение в возвратно-поступательное, недостаточно используется и площадь зазора. Более целесообразной, по-видимому, можно считать конструкцию, близкую по идее к так называемому кольцевому трансформатору, подробно рассмотренному в [70, 73]. Применение этой идеи для осуществления линейного неограниченного движения от любого двигателя с вращающимся ротором иллюстрируется рис. 4.22. Двигатель / вращает вал 3 в подшипнике 14; с концом вала спицами 16 соединен промежуточный ротор, левая ферромагнитная часть которого 13 соединена неферромагнитным кольцом с правой ферромагнитной частью ротора 7; на наружных цилиндрических поверхностях частей ротора 7 и /5 выполнена спиральная нарезка, взаимодействующая с аналогичной нарезкой на внутренней поверхности трубы или лотка 15. Магнитный поток, создаваемый неподвижной (относительно экипажа) ка-

тушкой 10, замыкается по пути: внутренний магнитопровод 8 (как видно на разрезе по А - А, он может выполняться продольно-шихтованным, например, при применении переменного тока для питания катушки 10), далее через тороид (например, правый тороид 9), зазор между наружной поверхностью тороида и внутренней поверхностью правой части ротора 7 (обе поверхности - гладкие), зазор между спиральными нарезками правой части ротора и трубы или лотка 15, вдоль трубы или лотка к зазору между спиральными нарезками на внутренней поверхности трубы или лотка 15 и наружной поверхности левой части ротора 13, затем через зазор между этой частью ротора и то-роидом 12 и листы тороида во внутренний магнитопровод 8. Такое прохождение потока имеет место в каждой радиальной плоскости и мало меняется при вращении промежуточного ротора, что облегчает условия применения для этой цели в катушке 10 laquo;замороженного raquo; тока. При питании катушки 10 постоянным током отпадает необходимость в шихтовке частей магнитопровода, и кольцевая консоль 4 (на наружной поверхности которой предусмотрен подшипник для опоры спиц в правой части ротора 7) может быть выполнена в этом случае вместе со сплошными участками магнитопровода 8, 9 и 12. Как уже указывалось, вполне достижима плотность усилия f= 2,5-10 Н/м. Потребуется, например, для обеспечения движения 60-тонного вагона на подъем а = 24% (почти фантастический по сегодняшним представлениям) f = mgaA:= 60-10-9,8-0,24-1,1 = 155 кН (здесь К учитывает остальные составляющие сопротивления движению) и площадь взаимодействия нарезок S = F/F = 6,2 м1 При внутреннем диаметре трубы d = 2 и необходима длина активных участков промежуточного ротора 1= S/ndx 1 м, что достаточно, чтобы обеспечить вертикальный подъем клети массой ш = 14,4 т; для подъема 50-тонной клети хватило бы 0,35 м длины активной части промежуточных роторов. При выполнении неподвижной части ( laquo;путевой структуры raquo;) в виде лотка исходим из допустимой стрелы прогиба (при размещении лотка, например, между рельсами) /г р = 0,15 м, тогда для радиуса г = 0,75 м имеем центральный угол дуги лотка = 75 deg;, длину дуги лотка 1 = 0,975 м и каждый метр длины промежуточного ротора создавал бы тяговое усилие f = 2,5-Ю *-0,975-1 = 24,4 кН. При суммарной длине промежуточных роторов Z = 2 м можно обеспечить вполне приемлемый для 60-тонного вагона подъем а = 9%. Если использовать рассмотренную в гл. 3 систему комбинированной тяги, можно обеспечить движение на таком подъеме и при длине промежуточного ротора менее 1 м или при Z = 1,5 2 м достичь подъема в 15-20%.

Продолжим рассмотрение приложений МДД для привода относительно большой мощности, но с малой угловой скоростью, например для барабанного вакуум-фильтра типа БОК-5, где в

настоящее время применяется электродвигатель мощностью в 1,1 кВт массой в 19 кг (т, = 17,3 кг/кВт). Общая масса при- вода включает редуктор массой 1000 кг и т р= 990 кг/кВт. Номинальная частота вращения выходного вала л = 1,0 об/мин (Whom raquo; 0,105 1/с), врзщающий момонт М = 10 Н-м. Воспользуемся модулями, соответствующими внешним размерам, рассчитанными в предыдущем примере, т. е. d = 0,05 м; 1 = 0,06 м, но возьмем средний диаметр тороидального статора D = 2,25 м. Тогда = 96; а = 3,75 deg; и = 3, и стрелка вылета п р = = 0,34 мм. Исходя из выполнения конструкции с самоцентрирующимися опорными элементами берем 6, = 0,5 мм; тогда

= 61, + (/г р/2) = 0,67 мм як 0,7 мм и при /г/б = 16 имеем Л =11 мм. При п= 0,017 об/с имеем v = = 0,12 м/с. Частота вращения ротора = v/h = 1,1 об/с = 600 об/мин; при значительном скольжении (примерно 0,36) это соответствует синхронной частоте вращений = 1000 об/мин, т. е. 2р = 6. При тех же тепловых нагрузках мощность модуля снизится примерно до 30 Вт. Этой мощности более чем достаточно, можно даже снизить и плотность тока, и количество меди. Масса двигателя увеличится менее чем втрое, поскольку существенно меньше станет спинка статора, а ее масса составляет 2/3 массы стали статора; меньше станет и меди еще и потому, что зазор вдвое меньше. Остается проверить достаточность площади сцепления.

Из (4.15) имеем М = 2,83FD4 = I Н-м (при F= = 1,4-10 Н/м, что для малых зазоров вполне достижимо). Модули, выбранные для предыдущей задачи, не являются оптимальными для этой задачи, так как при несколько большем диаметре модулей и меньшей длине можно было бы получить существенно меньший диаметр тороидального статора, но при этом общая масса двигателя заметно не изменилась бы.

Применение для решения этой задачи серийных дугостаторных двигателей не позволяет обеспечить частоту вращения 1 об/мин, так как синхронная скорость для относительно маломощного двигателя (Рг = 6 кВт) СД16-254-115-90 п = 300 об/мин, а наименьшее значение частоты вращения п = 150 об/мин имеется лишь у довольно мощного двигателя (Ра = 150 кВт) СД400-755-94-400. Получить у такой машины снижение частоты вращения в 300 раз возможно только с применением преобразователей частоты на очень малые частоты.

Рассмотрим в заключение привод существенно большей мощности и несколько большей частоты вращения - привод эскалатора метро. За основу для сравнения возьмем распространенный эскалатор ЭМ-4 [45] со скоростью движения v = 0,94 м/с. К сожалению, наиболее простое решение - установка под ступеньками эскалатора разрезных полюсов ДПТ затруднено из-за того, что ступеньки не являются несущими (в направлении тяги) элементами конструкции. Поэтому основным вариантом размеще-

ния безредукторного привода является вал так называемой звездочки - силового элемента, в существующей конструкции связанный с выходным валом тихоходного (второго) редуктора с частотой вращения 9,5 об/мин (ш я: 1 с ). При мощности примерно 100 кВт, подаваемой на звездочку (мощность устанавливаемого в настоящее время двигателя 125 кВт, но общий КПД двух редукторов т] л; 0,8), момент М 10 Н-м. Использование обычных двигателей переменного тока привело бы к 630-полюсной синхронной машине, или к 500-полюсной асинхронной при значительном скольжении. Это малореальные конструкции.

Вполне возможно спроектировать для этой цели специальную машину постоянного тока, близкую по типу МП4000-32У4 (см. табл. 2.1), но с частотой вращения, в 3,5 раза меньшей, и в 20 раз меньшей мощностью. Если бы удалось сохранить в ней ту же удельную массу т laquo; 150 кг/(кН-м), то при потребном моменте М = 100 кН-м имели бы массу двигателя порядка 15 т, что все же меньше, чем суммарная масса применяемых редукторов 18 т. Задача проектирования таких двигателей и анализ осуществимости приведенных показателей не являются предметом данной книги. Здесь рассмотрим вариант на переменном токе - асинхронные МДД и вариант на постоянном токе - ЛДПТ в дуго-статорном выполнении.

Определим основные параметры МДД для этой цели. Для обеспечения на оси звездочки М =10 Н-м требуется при удельном усилии Р== 1,6-10 Н/м по (4.15) Dd = 2,2 м; при D = 2,5 м имеем d = 0,35. При а = 60 deg; имеем Л = 360/а = 60; ар , laquo; 4,8 deg;; /г р = 1,15 мм, при 6 ; = 0,9 мм и / = = 150 мм имеем 6, = 6 , + hj2 - 1,5 мм.

Линейная скорость на окружности диаметром D будет v = = 1,25 м/с. При частоте вращения ротора Пр = 48 об/с имеем h = v/Пр = 0,026 м = 26 мм, т. е. /г/б = 17,3, что близко к оптимальному соотношению.

Наружный диаметр пакета статора машины Da = 0,52 м; если считать весь объем тороидального статора V заполненным материалом с удельной плотностью у = 5 кг/дм и принять массу остальных элементов конструкции примерно равной 0,1 массы активных материалов двигателя, имеем общую массу т = = 9,2 т, вдвое меньшую, чем масса редукторов существующей конструкции. Можно ожидать, что у специально сконструированной машины можно, оптимизируя соотношения размеров, еще снизить эти значения, но и соотношения т = 92 кг/кВт и ,п = 92 кг/(кН-м) достаточно высокие для тихоходной асинхронной машины.

Оценим массу дугостаторной машины на базе ЛДПТ, согнутого в окружность большого диаметра (сохраним D = 2,5 м). Поскольку при этом V = 1,25 м/с и имеется ось, синхронизированная с осью ротора, можно обойтись коллекторным ком-

мутатором, использовав, например, коллекторный узел от машины постоянного тока соответствующей мощности, к зажимам которого должны быть подсоединены секции якоря (статора) ЛДПТ, а система вращающихся щеток цепи якоря и цепи возбуждения при использовании двухфункциональной обмотки кольцами должна быть укреплена на оси ротора. При F = 2 -10 Н/м требуется величина рабочей площади зазора 5=4 м, ширина машины b = 0,51 м, что примерно соответствует размерам МДД.

Удельная масса такого ЛДПТ, как указывалось в sect; 3.2, примерно 100 кг/кН, что дает массу машины т л 10 т (с учетом узла коллектор - вращающиеся щетки ап = 11 т). С учетом необходимого увеличения массы меди для повышения КПД (при V = 1,25 м/с и 7 = 4 5 А/мм КПД не превышал ц = 0,25, только при снижении плотности тока до 1,5 А/мм можно довести КПД до t] % 0,5 -;- 0,55, т. е. требуется примерно утроение количества меди) общая масса достигнет m 13 т. Это меньше, чем при редукторном приводе, но больше, чем в приводе с МДД.

Для больших мощностей привода возможно применение модульных колес нескольких тороидальных статоров, выполняемых с самоцентрирующимися роторами, надеваемых, например, на барабан цилиндрической мельницы, причем в качестве действительно неподвижной части используются расположенные, например, под мельницей выступы, проходящие через прорези статоров в пазы опорных элементов роторных систем.

Оценим параметры МДД для столь крупного устройства, как привод мощностью 6300 кВт цилиндрической мельницы, данные которого приведены в гл. 2. Возьмем ) = 12 м (у двигателя СДТН диаметр 9,2 м при длине в 2,58 м и требуется еще весьма громоздкий преобразователь частоты) и выполним МДД на уже указанных выше модулях. Тогда обеспечивается необходимая величина момента М = 2,83FD-d 4200 кН м.

Приведенных данных вполне достаточно для оценки целесообразности детальной проработки систем с электромеханическим преобразователем, а также МДД в качестве тихоходного безредукторного электропривода как для поступательного, так и для вращательного движения, особенно для мощных приводов.

В целом рассмотрение материалов книги позволяет утверждать, что:

выбор высокоскоростного двигателя с механическим редуктором для тихоходного привода далеко не всегда является наилучшим решением;

массогабаритные и динамические показатели безредукторного привода не уступают соответствующим показателям привода с редуктором;

для частот вращения порядка десятков оборотов в минуту или меньше машины переменного тока могут применяться только с преобразователями частоты при не слишком благоприятных

массогабаритных показателях, и применение для решения этой задачи машин двойного движения с быстрым вращением роторов и медленным вращением статора либо электромеханических преобразователей движения может существенно упростить и удешевить привод и улучшить его массогабаритные показатели;

для тихоходного привода поступательного движения весомые преимущества на стороне машины двойного движения с быстрым вращением ротора и медленным поступательным перемещением статора (для относительно короткоходовых приводов) и на стороне линейных двигателей, в частности постоянного тока, и в особенности с безобмоточной возбужденной вторичной частью (для длинноходовых приводов);

машины постоянного тока вращательного типа могут применяться и для частот вращения порядка десятков оборотов в минуту и несколько ниже, а линейного типа - для скоростей перемещения порядка нескольких метров в секунду и ниже с использованием обычного коллектора, причем для повышения заметно снижающихся при этом энергетических показателей может быть рекомендовано уменьшение плотности тока в обмотках;

на базе машин двойного движения поступательного перемещения (особенно с промежуточным ротором) может быть создан быстродействующий электропривод роботов, а также возвратно-поступательный привод со значительной частотой качаний; на этой же основе может быть обеспечено неограниченное перемещение экипажа вдоль лотка или внутри трубы со спиральной нарезкой с показателями, существенно превышающими данные обычного линейного электропривода, применяемого для этих целей;

существенное для привода и машиностроения в целом преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и обратно, редуцирование линейной и угловой скоростей, а также преобразование возвратно-поступательного в неограниченное линейное перемещение вдоль плоского или дугообразного пути может быть обеспечено нетрадиционными способами при использовании системы контактного или бесконтактного (электромагнитного) сцепления разнонаправленных винтовых поверхностей.

Возможности развития электропривода и электромашины далеко не исчерпаны и ждут Ваших дальнейших трудов, читатель.