Электрические машины

Сущность закона электромагнитной индукции применительно к электрической машине состоит в том, что при движении проводника в магнитном поле со скоростью v в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции В. в нем индуцируется ЭДС

где l — активная длина проводника, т. е. часть его общей длины, находящаяся в магнитном поле.

Если же проводник замкнуть, то в этом проводнике появится электрический ток I. В результате взаимодействия этого тока с внешним магнитным полем на проводник начнет действовать электромагнитная сила, которая определяется по закону Ампера

F_эм =

Классификация электрических машин
• Электромашинные усилители — это электрические машины, применяемые для усиления мощности электрических сигналов.
• Синхронные компенсаторы — это электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии.
• Индукционные регуляторы — это электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока.
• Тахогенераторы — это электрические машины, служащие для преобразования частоты вращения в электрический сигнал.
• Сельсины — это электрические машины, служащие для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота, вала.
• Бесколлекторные машины — это машины переменного тока — асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяют преимущественно в качестве двигателей, а синхронные — как в качестве двигателей, так и генераторов.
• Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей.
• Классификация электрических машин

Преобразование энергий в электрических машинах
• Механическая мощность электрической машины — произведение момента М на валу машины на угловую скорость вращения этого вала w. P_мех =M·w
• Электрическая мощность — произведение напряжения на клеммах машины U на силу тока I. подводимого к машине или отбираемого от нее: P_эл =U·I·cosφ

Характеристики электрических машин
• Основные характеристики электрических генераторов

  Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки U = f(I) при неизменных токе возбуждения и частоте вращения (I_в = const и n = const );

  Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора оттока возбуждения U = f(I_в ) в режиме холостого хода и неизменной частоте вращения (I = 0 и n = const );

  Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения от тока нагрузки I_в =f(I) при неизменных частоте вращения и напряжении на выходе генератора (U = const и n = const ).

• Основными характеристиками электрических двигателей являются:

  Механическая характеристика — зависимость частоты вращения от момента нагрузки на валу двигателя (статического момента сопротивления рабочего механизма) n = f(М) при неизменных значениях напряжения питания двигателя, тока возбуждения, сопротивления в цепи рабочей обмотки (обмотки статора и ротора или обмотки якоря), или для асинхронных двигателей зависимость момента на валу от скольжения M = f(s). при неизменных значениях напряжения питания U и сопротивлений в цепях обмоток статора и ротора;

  Электромеханическая характеристика — зависимость частоты вращения от тока нагрузки n = f(I) при неизменных значениях напряжения U и сопротивлений в цепях обмоток статора и ротора;

  Регулировочная характеристика — зависимость частоты вращения от регулирующего параметра: тока возбуждения или напряжения питания;

  Рабочие характеристики — зависимость КПД η. коэффициента мощности cosφ. рабочего тока I. частоты вращения n от нагрузки двигателя (полезной мощности) P₂ .

Основные параметры

Номинальные данные электрических машин
• Номинальный режим работы электрической машины — это режим работы, при котором значения каждого из параметров равно номинальному.
• Номинальные условия применения — условия, установленные в стандарте или технических условиях на данный конкретный тип машины, при которых эта машина должна иметь номинальную частоту вращения.
• Номинальные данные электрической машины — это совокупность числовых значений электрических и механических параметров, обусловленных изготовителем, которым удовлетворяет электрическая машина в заданных условиях эксплуатации.

Такими данными являются: номинальная мощность (кВт или кВ·А), номинальное напряжение (В), номинальный ток (А), номинальная частота вращения (об/мин), номинальные КПД (%), коэффициент мощности, частота переменного тока (Гц), число фаз, режим работы машины [длительный, кратковременный, повторно-кратковременный либо другой].

Номинальная мощность электрической машины — это мощность, на которую рассчитана данная машина по условиям ее допустимого перегрева.

Номинальная мощность двигателя — это полезная механическая мощность на валу, вращающемся с номинальной угловой скоростью (w_2ном при номинальном нагрузочном моменте M_2ном. P_ном =M_2ном ·w_2ном или P_ном =0,105·M_2ном ·n_2ном ,

где n_2ном — номинальная частота вращения вала.

где m₁ — число фаз, для трехфазной системы m₁ = 3 ;

U_1ном — номинальное (фазное) напряжение на выводах обмотки статора;

I_1ном — номинальный (фазный) ток статора;

cosφ_1ном — номинальное значение коэффициента мощности.

Номинальное напряжение — напряжение, на которое машина рассчитана заводом-изготовителем для работы в номинальном режиме с номинальной мощностью.

Номинальное напряжение трехфазных машин — это линейное напряжение, то есть напряжение между фазами подключенной к машине сети.

Номинальное напряжение ротора асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой — это напряжение на выводах разомкнутой обмотки ротора (напряжение на контактных кольцах) при неподвижном роторе и включенной на номинальное напряжение обмотке статора.

Номинальное напряжением двухфазной обмотки ротора — это наибольшее из напряжений между контактными кольцами.

Номинальное напряжением возбудительной системы машины с независимым возбуждением — это номинальное напряжение того независимого источника, от которого получается возбуждение.

Номинальное напряжение возбуждения — напряжение на выводах (или контактных кольцах) обмотки возбуждения с учетом падения напряжения под щетками при питании ее номинальным током возбуждения, когда активное сопротивление приведено к расчетной рабочей температуре, при работе машины в номинальном режиме с номинальными мощностью, напряжением и частотой вращения.

Номинальный ток — ток, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальный ток возбуждения — ток возбуждения, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальная частота вращения — частота вращения, соответствующая работе машины при номинальных напряжении, мощности и частоте тока и номинальных условиях применения.

Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной (отдаваемой) мощности к затрачиваемой (подводимой);

для генераторов — отношение активной электрической мощности, отдаваемой в сеть, к затрачиваемой механической мощности;

для двигателей — отношение полезной механической мощности на валу к активной подводимой электрической мощности.

Номинальный КПД — это указанное отношение мощностей при работе машины с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Коэффициент мощности машин переменного тока :

для генераторов — это отношение отдаваемой активной электрической мощности, Вт, к полной отдаваемой электрической мощности, В·А;

для двигателей — это отношение активной потребляемой электрической мощности, Вт, к полной потребляемой электрической мощности, В·А.

Номинальный коэффициент мощности электрической машины — это указанное отношение мощностей при работе машины в номинальном режиме, с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Основные определения, относящиеся к условиям работы машины и ее характеристикам
• Нагрузка — мощность, которую развивает электрическая машина в данный момент времени.

  Нагрузка может быть выражена в единицах активной или полной мощности (Вт, или В·А) либо в долях номинальной мощности. Она также выражается током, потребляемым или отдаваемым электрической машиной, А, либо в процентах или долях номинального тока.

  Номинальная нагрузка — это нагрузка, равная номинальной мощности машины.

• Практически неизменная нагрузка — это нагрузка, при которой отклонение тока и напряжения якоря и мощности машины от значений, соответствующих заданному режиму, составляет не более 3%, тока возбуждения и частоты — не более 1 %.
• Практически симметричная трехфазная система напряжений — это трехфазная система напряжений, в которой напряжение обратной последовательности не превышает 1 % напряжения прямой последовательности при разложении данной трехфазной системы на системы прямой и обратной последовательностей.
• Практически симметричная система токов — это трехфазная система, для которой ток обратной последовательности не превышает 5% тока прямой последовательности.
• Начальный пусковой ток электродвигателя — это установившийся ток в обмотке электродвигателя при неподвижном роторе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте, при соединении обмоток машины, соответствующем номинальным условиям работы двигателя.
• Начальный пусковой момент электродвигателя — это вращающий момент электродвигателя, развиваемый при неподвижном роторе, установившемся токе, номинальном подведенном напряжении, номинальной частоте и соединении обмоток, соответствующем номинальным условиям работы двигателя.
• Максимальный вращающий момент электродвигателя переменного тока — это наибольший момент вращения, развиваемый двигателем в установившемся режиме при номинальных напряжении и частоте, при соединении обмоток, соответствующем номинальным условиям работы, и (для синхронных двигателей) при номинальном токе возбуждения.
• Минимальный вращающий момент асинхронного двигателя — это наименьший вращающий момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором в процессе разгона от неподвижного состояния до частоты вращения, соответствующей максимальному моменту при номинальных напряжении и частоте, при соединении обмоток, соответствующем номинальным условиям работы двигателя или пусковому режиму (для однофазных двигателей с пусковой обмоткой).
• Критическое скольжение асинхронной машины — это скольжение, при котором асинхронная машина развивает максимальный вращающий момент.
• Номинальное изменение напряжения электрических генераторов — это изменение напряжения на выводах генератора, работающего на автономную сеть с неизменной и равной номинальной частотой вращения при изменении его нагрузки от номинальной до холостого хода. Для генераторов с независимым возбуждением, кроме того, — при сохранении номинального тока возбуждения, а для генераторов с самовозбуждением — при неизменном сопротивлении всей цепи обмотки возбуждения. Номинальное изменение напряжения выражают в процентах или в долях номинального напряжения генератора.
• Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя — это изменение частоты вращения двигателя, работающего при номинальном напряжении на его выводах и номинальной частоте тока, при изменении нагрузки от номинальной до нулевой, а для двигателей, не допускающих нулевой нагрузки, — от номинальной до ¼ номинальной. Номинальное изменение частоты вращения выражают в процентах или в долях номинальной частоты вращения.

Надежность электрических машин

Основные понятия, имеющие важное значение для электрических машин
• Надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.[ГОСТ 27.002-83].
• Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.
• Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
• Ремонтопригодность — это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
• Сохраняемость — это свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.
• Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, то есть в переходе в неработоспособное состояние.

Показатели надежности электрических машин
• Вероятность безотказной работы P(t) — это вероятность того, что случайная величина Т — наработка до отказа — будет не меньше заданной: P(t) = P .
• Вероятность безотказной работы объекта за время t — это вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникнет отказа объекта, то есть вероятность Р(t₁. t₂ ) безотказной работы в интервале наработки t₁. t₂. Она равна отношению вероятностей безотказной работы в начале и конце интервала.
• Вероятность безотказной работы — это, статистически, отношение числа объектов, безотказно проработавших до момента t. к числу объектов, работоспособных в начальный момент времени:

  где N — число объектов в момент начала наблюдений или испытаний;

  n(t) — число объектов, отказавших за время t .

• Вероятность отказа объекта :
• Плотность распределения наработки до отказа :
• Интенсивность отказов λ(t) — это условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник: При λ(t) = λ = const, P(t)=e -λt .
• Статистически интенсивность отказов определяют следующим образом:

  где — среднее число объектов, исправно работающих в интервале ;

  — число работоспособных объектов в начале и конце интервала ;

  — число отказавших объектов в интервале .

• Средняя наработка на отказ — это математическое ожидание наработки объекта до отказа (является одним из показателей безотказности). На практике используется следующая оценка средней наработки до отказа:

  где — наработка до отказа i — го объекта;

  — число объектов.

• Средний ресурс — это математическое ожидание ресурса.
• Ресурс — это наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.
• Средний срок службы — это математическое ожидание срока службы.
• Срок службы — это календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.
• Коэффициент готовности (один из комплексных показателей надежности):

  где T₀ — средняя наработка на отказ;

  T_в — среднее время восстановления.

• Период приработки — это период, когда при испытаниях или на начальной стадии эксплуатации происходит выявление и отбраковка конструктивных и производственных недостатков. Для ответственных электрических машин период приработки проходит непосредственно на заводе-изготовителе.
• Вероятность отказов за время t (в период приработки) описывается законом Вейбулла: где — параметры.
• Распределение наработки до отказа (в период эксплуатации, когда интенсивность отказов падает и остается примерно постоянной) описывается показательным законом. При этом функция плотности распределения:

  Вероятность безотказной работы описывает формула:

  При постоянной интенсивности отказов средняя наработка на отказ равна:

• С некоторого момента времени элементы и узлы электрической машины начинают отказывать чаще, это связано с их старением и износом (отмечается существенное нарушение свойств изоляции, уменьшение ее электрической прочности, износ тел качения подшипников, изменение структуры смазки, износ коллектора и изменение структуры материала коллекторных пластин, повышение вибраций).

  Распределение наработки на отказ по причине изнашивания и старения описывают с помощью нормального закона.

  Плотность усеченного нормального распределения определяется из выражения:

  где — нормирующий множитель;

  — функция нормального определения:

  где — математическое ожидание;

  — среднеквадратичное отклонение.

  Величина определяется с помощью нормированной функции Лапласса :

  где — интервалы ограничения средней наработки до отказа.

  О прогнозировании остаточного ресурса оборудования, читайте здесь .

Причины отказов электрических машин

Основные причины выхода из строя асинхронных двигателей
• Неудовлетворительная эксплуатация.
• Несовершенная защита или отсутствие ее (при защите двигателей плавкими предохранителями электродвигатели отказывают из-за работы на двух фазах).
• Несоответствие конструктивного исполнения двигателей условиям эксплуатации.
• Неправильный выбор двигателя по мощности.
• Некачественное изготовление, отказы по вине заводов-изготовителей.

Порядок выявления скрытых дефектов оборудования описан здесь .

Неравномерность воздушного зазора, что приводит к задеванию ротора о статор машины. Это может быть обусловлено тем, что технологический процесс и состояние оборудования не обеспечивают требуемую обработку станин, подшипниковых узлов и пакетов ротора. Неравномерность воздушного зазора может быть вызвана также прогибом вала при его недостаточной жесткости.

Низкое качество изоляции обмоточных проводов и пропитывающих лаков. Преждевременные отказы обмоток вызываются часто несовершенными технологическими процессами, некачественными пропиткой, намоткой и укладкой в пазы витков обмотки статора.

Отказы электродвигателей из-за повреждения обмоток — 85-95%. Пример — обрыв в обмотках электродвигателя .

Отказы электродвигателей из-за повреждений подшипников — 2-5%. О неисправностях подшипников электрических машин читайте здесь .

Основные отказы обмоток обусловлены междувитковыми замыканиями — 93%.

Основные причины выхода из строя синхронных машин
• Одна из основных причин отказов синхронных машин — это заводские дефекты.

  Для оценки эксплуатационной надежности синхронных генераторов широко применяют показатель удельная повреждаемость. Это удельное число аварийных отключений, которое измеряется средним числом повреждений на одну машину в год и выражается в процентах.

  Большинство повреждений относится к обмотке статора, основным местом повреждений изоляции обмоток статора является пазовая часть обмотки, пробой которой составляет примерно 50% всех пробоев обмоток статора. На процесс изменения и разрушения изоляции оказывают влияние повышенные механические усилия при переходных процессах, вибрация, перенапряжения, перегрузки по току. В процессе изготовления могут появиться участки с пониженной электрической прочностью. Это связано с изготовлением стержней обмоток с размерами, выходящими за пределы допуска, что приводит к повреждению изоляции при укладке обмотки в пазы. В процессе изготовления возможно попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц, вибрация которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции.

• Лобовые части обмоток крупных электрических машин наибольшей опасности подвергаются при переходных процессах. Большие ударные токи могут вызвать разрывы бандажей, деформацию частей обмотки, появление трещин и вмятин в изоляции. В процессе эксплуатации синхронных генераторов отмечаются также пробои изоляции вследствие попадания в нее масла и влаги.
• Среди повреждений активной стали наиболее частыми являются ослабление запрессовки, расшатывание сердечника стали под действием вибрационных и магнитных сил, повреждение изоляционной пленки на поверхности листов.
• На подвижных частях машины частые повреждения наблюдаются на бандажных узлах; эти повреждения вызываются действием центробежных сил, деформациями вала и усилиями горячих посадок на вал.
• Под действием температуры происходит перемещение обмотки ротора, деформация проводников обмотки. Возможно также перекрытие каналов охлаждения и снижение сопротивления изоляции при попадании влаги, масла и пыли на обмотку.
• Характерными повреждениями и нарушениями в работе подшипниковых узлов крупных синхронных машин являются выплавление баббита, повреждение вкладышей и цапф подшипниковыми токами. Выплавление баббита обычно происходит при нарушении работы системы маслоснабжения. Наиболее распространенной неисправностью подшипников является вытекание масла. Подшипниковые токи возникают из-за несимметрии в магнитной системе, обусловленной неравномерным зазором, наличием осевых каналов, несимметричным размещением сегментов активной стали. Замыкание обмотки ротора на корпус также приводит к появлению подшипниковых токов.
• В гидрогенераторах наиболее характерными отказами механических узлов являются отказы подшипников, вызываемые неравномерными нагрузками. Как показывает статистика наблюдений, износ подпятников наступает через 4—5 лет.
• Для обеспечения надежности крупных синхронных машин большое внимание уделяется контактно-щеточной системе и возбудителям. Число отказов возбудителей иногда превышает число отказов обмоток ротора и статора.

Основные причины выхода из строя машин постоянного тока
• Данные о причинах выхода из строя в период эксплуатации электрических машин постоянного тока показывают, что большинство аварий происходит по вине обслуживающего персонала, который не всегда обеспечивает необходимый уход и качественное выполнение текущего ремонта.
• Конструкционные недостатки. Так, у двигателей прокатных станов основные отказы обусловлены повреждениями коллектора, что вызвано неблагоприятной коммутацией при peгулярных кратковременных перегрузках.
• Наиболее частыми повреждениями возбудителей синхронных генераторов являются повреждения бандажей обмотки якоря, нарушения пайки петушков и износ коллектора. При этом надежность коллекторно-щеточного узла во многом зависит от мощности возбудителя.
• В тяговых двигателях одной из частых причин отказов в работе является возникновение кругового огня на коллекторе. Это вызвано условиями эксплуатации (буксование колесных пар), невысоким качеством выпрямленного питающего напряжения, повышенными ударными и вибрационными нагрузками. О причинах и способах устранения искрения щеток, читайте здесь .
• Повреждения обмоток якорей машин постоянного тока проявляются в пробое корпусной изоляции между пакетом стали якоря и обмоткой и пробое изоляции между витками. В крупных машинах постоянного тока проявляются в пробое корпусной изоляции между пакетом стали якоря и обмоткой и пробое изоляции между витками.
• В крупных машинах постоянного тока повреждения проявляются в распайке соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой и в разрушении проволочных бандажей.
• Отказы механических узлов машин постоянного тока определяются в основном состоянием шеек вала и подшипников качения и скольжения. Повреждения подшипников скольжения и шеек вала выражаются в виде износа вкладышей в гнездах подшипников, вытекания смазки из подшипников при. их неисправностях, нарушения работы смазочных колец в подшипниках.

Вибрация и шумы электрических машин

Источники вибрации и шума электрических машин
• Магнитные источники вибрации связаны с высшими пространственными гармоническими, которые обусловлены наличием зубцов на статоре и роторе, несимметрией и несинусоидальностью напряжения питания, эксцентриситетом воздушного зазора, несинусоидальным распределением МДС обмотки и целым рядом других причин.
• Механические источники вибрации — это небаланс ротора, несоосность и перекос посадочных мест подшипника, отклонения в форме их колен и разброс размеров сепаратора, тепловая деформация ротора, прогиб вала, погрешности коллекторного узла и др.
• Аэродинамические источники связаны с вентилятором и другими расположенными на роторе деталями.

Силы магнитною происхождения в свою очередь делятся в зависимости от направления действия на аксиальные, тангенциальные и радиальные. Эти силы наиболее выражены в диапазоне частот 100—4000 Гц, в котором человеческое ухо обладает повышенной чувствительностью к шуму.

Аксиальные силы вызывают смещение ротора по отношению к сердечнику статора, что приводит к их взаимному аксиальному сдвигу и повышению уровня вибрации.

Тангенциальные силы создают вращающий момент. Эти силы также вызывают вибрации обмоток, особенно в зоне лобовых частей. Тангенциальные силы могут быть, особенно при несинусоидальном напряжении питания, источником изгибных колебаний корпуса электрической машины и соответствующих вибраций. Однако основные изгибные деформации корпуса электрической машины в широком спектре частот вызываются радиальными силами.

Магнитные удельные радиальные силы пропорциональны квадрату магнитной индукции в воздушном зазоре:

где — радиальная вибровозмущающая сила;

— индукция;

— пространственная координата;

— время.

В воздушном зазоре электрической машины индукция магнитного поля может быть представлена суммой основной гармоники В₁ и высших гармоник порядка i. обусловленных различными причинами j

Насыщение магнитопровода является причиной возникновения ряда дополнительных гармоник магнитной индукции, которые в свою очередь могут принять участие в образовании дополнительных вибровозмущающих сил. С достаточной для практических целей точностью насыщение при вибрационных расчетах учитывается третьей гармоникой индукции.

Аналогично в виде дополнительных гармоник магнитной индукции учитывается влияние эксцентричного расположения ротора.

В электрических машинах, особенно в асинхронных двигателях, возникают вибрации и при чисто синусоидальном магнитном поле в воздушном зазоре, когда спектр поля содержит только основную гармонику. В этом случае вибрации возникают под действием радиальной силы, которая деформирует осевую линию статора в 2р — угольник с частотой, равной удвоенной частоте питания. В общем случае любые причины несинусоидальности магнитного поля следует рассматривать как причины увеличения виброактивности асинхронного двигателя прежде всего на двойной частоте питания. Причины возникновения повышенного уровня шума в двигателях описаны здесь .

Деформации отдельных деталей, узлов и машины в целом являются причиной возникновения звуковых волн — шума, причем интенсивность этого процесса зависит от возмущающих сил, упругих свойств материалов, используемых в электрической машине, конструкции и ее акустических свойств.

Среди вибровозмущающих сил механического происхождения следует отметить силы, обусловленные подшипниками качения. Интенсивность этого источника вибрации и шума зависит от целою ряда факторов, связанных с технологическими погрешностями изготовления подшипников качения и подшипникового узла. Большое значение имеют виброакустические свойства подшипниковых щитов, которые при определенной конструкции могут быть интенсивными излучателями звука. Основными недостатками подшипников в машинах с горизонтальным расположением вала, влияющими на уровень вибрации и шума, являются: недостаточная жесткость корпуса подшипника в продольном и поперечном направлениях, совпадение частоты собственных колебаний корпуса подшипника с частотой вращения ротора при различных режимах работы электрической машины, эксцентричная нагрузка на корпус подшипника, приводящая к изгибающему моменту, действующему в вертикальной плоскости.

Одним из основных источников вибрации и шума механического происхождения является остаточная неуравновешенность вращающихся частей электрической машины. Неуравновешенность ротора возбуждает значительные вибрации и шум, особенно в быстроходных машинах.

При трении щеток о коллектор или контактные кольца в электрической машине возбуждаются вибрации и шум, имеющие высокочастотные составляющие. Вибрации и шум, обусловленные коллекторно-щеточным узлом, характерны для крупных машин постоянного тока.

Силы аэродинамического происхождения вызывают вибрации и шум, уровень которых зависит от правильности выбора количества и формы лопаток, типа вентилятора, его аэродинамических свойств, числа и профиля вентиляционных каналов, правильности расположения вентиляторов относительно деталей и узлов электрической машины.

Технология производства оказывает большое влияние на стабильность виброакустических характеристик. Практика показывает, что их разброс даже у однотипных электрических машин может достигать 20 дБ.

Все неуравновешенные силы, возникающие в электрических машинах, вызывают изменяющиеся во времени дополнительные нагрузки на подшипники, в результате чего происходят виброперемещения последних. В совокупности с конструктивными недостатками подшипниковых узлов эти силы вызывают вибрацию электрической машины в целом. Следует особо отметить значение в шумообразовании подшипников волнистости и гранности рабочих поверхностей.

С увеличением номинального внутреннего диаметра подшипников их шум и вибрации возрастают на 1-2 дБ на единицу номера типоразмера подшипника.

В значительной мере виброактивность подшипников качения зависит от размеров радиального зазора. Возникающая при этом прецессия вала приводит к ударным взаимодействиям вала с телами качения, вследствие чего генерируется широкий спектр вибраций и шума.

Роликоподшипники имеют уровень вибрации и шума на 1-3 дБ больше, чем шарикоподшипники тех же размеров. Подробнее в статье: причины вибрации электродвигателя .

Способы снижения уровня шума электрических машин
• Снижение уровня шума и вибрации может быть достигнуто применением подшипников скольжения, которые обеспечивают достаточную бесшумность работы и повышенную вибростойкость.
• Демпфирующее действие на вибрацию и шум электрической машины, вызванные колебаниями подшипникового узла, оказывает смазка подшипников. Выбор смазки производится с учетом частоты вращения, рабочей температуры узлов, нагрузки и характера окружающей среды. Правильный выбор смазки обеспечивает снижение критической частоты, рассчитанной для ротора на жестких подшипниках, и демпфирование виброперемещения ротора.
• Устойчивость движения шейки вала на масляной пленке смазки можно повысить увеличением на нее нагрузки. Для этого целесообразно применять вкладыши специальной конструкции, которые позволяют повысить устойчивость движения шейки вала и достигнуть более точного центрирования оси последней.
• В машинах с малонагружепными быстроходными роторами, имеющих широкий диапазон рабочей частоты вращения, целесообразно применять подшипники скольжения с самоустанавливающимися сегментами, которые под действием гидродинамического давления в масляном канале занимают оптимальное положение.
• Улучшение виброакустических характеристик электрических машин может быть достигнуто применением осевого натяга с помощью пружинных шайб.
• Снижению уровня вибрации способствует и установка подшипников качения во вкладыши из прессованного медного волокна определенной пористости. С помощью таких опор удается отстроиться от резонанса системы «ротор — корпус — основание» и понизить уровень вибраций на средних и высоких частотах до 12 дБ.

Нагревание электрических машин

• Если нагрев происходит равномерно по всему объему машины, а рассеивание теплоты происходит равномерно со всей ее поверхности, то уравнение теплового баланса имеет вид.

где — количество теплоты, выделяемой в машине в единицу времени.

— суммарные потери мощности в двигателе, Вт; — количество теплоты, расходуемой на нагревание машины;

— масса нагреваемого двигателя;

— удельная теплоемкость материала машины, т. е. количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1°C;

— превышение температуры нагрева машины над температурой окружающей среды;

— количество теплоты, рассеиваемой с поверхности машины в окружающее пространство в единицу времени;

— коэффициент теплового рассеяния, т. е. количество теплоты, рассеиваемой с единицы поверхности двигателя в 1 секунду при превышении температуры на 1°C.

Режим теплового равновесия:

где

где

— температура нагрева в начальный период работы машины (не отличается от температуры окружающей среды), °C;

— установившаяся температура нагрева машины, °C.

Установившаяся температура перегрева, °C:

Установившаяся температура перегрева определяется только количеством теплоты. выделяемым в единицу времени, которое эквивалентно мощности потерь ;

Установившаяся температура перегрева обратно пропорциональна площади охлаждаемой поверхности и коэффициенту теплового рассеяния. т. е. зависит от интенсивности охлаждения машины.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкости.

Предельно допустимая температура.

Еще по теме

Высокоскоростные электрические машины Электрические машины Белашова Электрические машины в промышленности Тяговые электрические машины и условия их работы