Исследование пульсаций и виброакустических характеристик серийных ЭМУ поперечного поля и ЭМУ с гладким якорем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ЛЕНИНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Там 190

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРИЙНЫХ ЭМУ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ И ЭМУ С ГЛАДКИМ ЯКОРЕМ

А. И. СКОРОСПЕШКИН, Г. Г. КОНСТАНТИНОВ, Ю. <В. ГОРСТ

'(Рекомендована семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Развитие современных средств автоматики, высокочувствительной измерительной аппаратуры предъявляет все более высокие требования к величине пульсаций и в'иброакуетически'м характеристикам электрических машин. В настоящее время эти характеристики являются одним из основных показателей, характеризующих техническое совершенство электрических машин.

Напряжение генераторов постоянного тока состоит из постоянной и переменной 'составляющих. Величина переменной составляющей у большинства генераторов находится в пределах 1—2 проц., а у отдельных до 3 агроц. и выше. Вибрации и шу:м также достигают значительных величин.

В настоящей работе исследуются источники и причины пульсаций, повышенных уровней вибраций и шума в электромашинных усилителях поперечного поля. Предлагаются способы снижения основных видоз пульсаций и улучшения ниброакустичеаких характеристик за счет конструктивных изменений ЭМУ.

Исследования были проведены 1на ряде серийных усилителей типа ЭМУ-12 и ЭМУ-5 как с прямым пазом, так и со скосом паза на одно зубцовое деление, а также на разработанных намш [1, 2] электромашинных усилителях с гладким якорем.

Основными видами пульсаций, из «которых складывается переменная составляющая напряжения ¡генератора постоянного тока, являются: фазовая, зубцо(вая, -пульсация от анизотропии магнитных свойств стали, пульсации, вызванные производственно-эксплуатационными допусками, пульсация от ¡коммутации и другие [3].

Известными источниками вибраций и шума электрических машин являются: механические, аэродинамические и ¡магшитные.

В результате сопоставления расчетных частот основных возмущающих сил и экспериментально полученных 'частотных шектроя пульсаций, вибраций и шума было установлено, что доминирующими в частотном спектре пульсаций ЭМУ являются зубцовые и фазовые, а в 'частотном спектре вибраций и шума — магнитные составляющие кибрации и шума.

В связи с этим основное внимание в работе было уделено на изыскание наиболее рационального пути снижения уровня зубцовых и фазовых пульсаций, а также магнитных составляющих вибраций п шума электромашинных усилителей.

Зубцовые и фазовые пульсации в ЭМУ поперечного поля *

Зубцов а я (пульсация вызывается поперечными и продольными колебаниями магнитного потока, возникающими при вращении зубчатого якоря вследствие периодического изменения магнитной проводимости зубцовой зоны.

Магнитная -проводимость зубцовой зоны зависит от взаимного расположения, формы, соотношение, геометрических размеров и .конструктивных элементов магнитной цепи, создающих профиль воздушного зазора, как-то: зубцовото деления, ширины полюсного наконечника, коэффициента скоса паза, ширины прорези паза и величины воздушного зазора.

Частота зубцовой пульсации подсчитывается по формуле

13 ^ г - п 1гц[, (1

где

2 — 'число реальных пазов якоря, п — скорость вращения якоря (об/мин).

Для ослабления «поперечных пульсаций магнитного потока рекомендуется (проводить скос паза якоря на одно зубдовое деление по оси дслюсного наконечника. Для ослабления продольных пульсаций магнитного потока целесообразно брать число пазов на пару полюсов нечетным, так как при этом изменение магнитного сопротивления под одним полюсом заметно компенсируется изменением этого сопротивления под другим.

Все эти (конструктивные1 изменения позволяют лишь несколько уменьшить зубцовые пульсации. Применение же гладкого якоря позволяет полностью избавиться как ют поперечных, так и продольных пульсаций м атнит ного поля.

Фазовая пульсация возникает вследствие конечного числа секций ■обмотки якоря и расположения их относительно оси полюсов.

Частота и величина этой пульсации определяется параметрами многоугольника э.д.с. Пульсации происходят в больших пределах, если многоугольник э.д.с. состоит из четного числа сторон [4]:

,00^*-^- [70\; (2) Р 4

^ср

и в меньших пределах при нечетном числе сторон

АЕ ¡И) 3)

Еср ° л

где а — фазовый угол и определяется ?по формуле

гп г

131

здесь 1 — общий наибольший делитель для г и р, р — число пар полюсов.

Частота фазовой пульсации определяется поформулам, согласно [3]: при четном числе фаз

^ф.ч = р • Ш • п [гц] и , (4)

при нечетном числе фаз

1ф.н ^ 2Р ' ш ' п . ¡гц1 (5)

Величина и частота фазовой пульсации в ЭМУ поперечного поля стладким якорем определяется по формулам (2, 4) и (3, 5), учитывая при этом, что число фаз в этом случае равно числу секций обмотии якоря

Во всех усилителях с гладким якорем применена простая петлевая обмотка с диаметральным шагом. В табл. 1 приведены некоторые конструктивные данные серийного усилителя и усилителя с гладким якорем, необходимые для расчета 'частот и величин зубцоБой и фазовой пульсаций.

-В табл. 2 приведены в относительных единицах результаты экспериментального исследования пульсаций этих усилителей.

На рис. 1 и 2 показаны амплитудные значения частотных составляющих спектра пульсаций .выходного напряжения серийного усилителя и усилителя .с ¡гладюим якорем при ¡номинальной нагрузке и на холостом ходу.

Таблица 1

№ п.п.

Типы ЭМУ п/п

Рн, КВТ

ин, в

п, об/мин

2Р

К

ЭМУ-12А без скоса

паза 1,0

ЭМУ-12А со скосом

паза на одно зубцо-

вое деление 1,0

ЭМУ с гладким

якорем 0,7

№ п.п.

Тип ЭМУ п/и

60

60 50

Зубцовая пульсация в % от II,

2900

29

2900 29 2 2900 — 2 Таблица 2

Фазовая пульсация в % от и,

Общий уровень пульсаций в % от ин

87

87 81

1 ЭМУ-12А без скоса паза

2 ЭМУ-12А со скосом паза на одно зубцо-вое деление

2 ЭМУ с гладким якорем

2,5 0,715 3,3

0,55 0,45 1,15

О 0,02 0,6

Осциллограмма (рис. 3) иллюстрирует характер и величины этих пульсаций -при номинальной нагрузке. Ооциллографирован'ие проводилось на двухлучевом осциллографе С1 ='18 одновременно на обоих каналах при одинаковых положениях ручек управления усилителей У-1 и У-П.

Кш видно из табл. 2, рис. 1, 2 и 3, в усилителях с гладким якорем нет зуб'цовых -пульсаций (Г3 = 1400 гц), резко уменьшается величина л возрастает частота фазовых пульсаций (Гф = 7830 гц). Общий уровень пульсаций выходного напряжения 1По сравнению <с серийными усилителями со скошенным лазом уменьшается -почти в 2 раза, а с прямым -пазом 'более чем ¡в 5 раз.

Магнитные вибрации и шум в ЭМУ поперечного поля

Физическая природа вибраций и шума магнитного происхождения в ЭМУ поперечного поля та же, что и в асинхронных электродвигателях и машинах (постоянного тока. Причина магнитных вибраций и шума—переменность магнитных сил вследствие изменения .магнитной проводимости воздушного зазора »при вращении зубчатого якор'я. Кроме того, причинами вибраций и шума могут быть односторонние магнитные усилия, вызываемые неравномерностью воздушного зазора, ¡несиммет-

*6 2 34 2 34 5 6 ?ёдю*

200

100

о

.500

100

1

48 97

сериииши ЭМУ нн

1_х

ь

196 290 390 590 ??0 990 МО 2800 4250 5750 Ыоо

ЭМУ с г падким якорем

ИИ.

48 9? ?96 290 390 590 ??0 990

/

IV.

2800 3950 7830

Рис. 1. Спектры пульсаций выходного напряжения ЭМУ при номинальной нагрузке

мб 300 200 100 О

300 200 100

5 6 ? 8 910* 2 3 4 5 6 7 8 910* _2 3 4 5 6 ? 8 910'

серицныи ЭМУ х.х.

и

?90

48

9?

196 290 390 590 770 990 1400 ¿/50 ¿¿00 4250 5750 МО

ЭМУ с гладким якорем х.х.

±

48

9?

196 290 390 590 990

ш

2800 39504700 7830

Щ

Рис. 2. Спектры пульсаций выходного напряжения ЭМУ на холостом

ходу

ричность в размещении полюсов, щеток, -обмоток, (неправильно выбранные соотношения чисел ггазов, а также различные технологические факторы.

Не все известные рекомендации [6—9] по снижению или ликвидации магнитных вибраций и шума электрических машин дают положительные результаты применительно к ЭМУ, а некоторые из них в связи

Рис. 3. Осциллограмма пульсаций выходного напряжения ЭМУ. 1 _ серийный ЭМУ, 2 — ЭМУ с гладким якорем

с особенностями конструкции ЭМУ поперечного поля совершенно неприемлемы.

Например, рекомендованные для асинхронных электродвигателей оптимальные соотношения чисел пазов статора и ротора в ЭМУ неприемлемы. То же самое ,можно сказать о рекомендациях -по увеличению воздушного зазора и о ряде других. Для уменьшения магнитного шума 1И пульсационных потерь в [10] рекомендуется выполнить условие, -при (Котором бы зубцовые деления ¡компенсационных пазов и пазов якорной обмотай отличались друг от друга на ±5 прот. Но соблюдением только одного условия невозможно добиться значительного снижения магнитных -вибраций и шума. В связи с малым воздушным забором ЭМУ поперечного поля даже относительно небольшие отклонения отдельных деталей ¡и узлов от их номинальных размеров и геометрической формы ¡могут существенно ухудшить его виброакустические характеристики и, в частности, привести к резкому повышению уровнен вибрации и шума магнитного происхождения. Но чрезмерное ужесточение допусков на изготовление деталей и узлов связано с общеизвестными трудностями производственного характера. Поэтому наиболее целесообразно добиваться снижения магнитных составляющих вибрации и шума ЭМУ за счет конструктивных изменений, .к которым :мож:ю спнести: увеличение воздушного зазора, укорочение шага обмоток, закрытие и выбор правильной формы -паза, скос паза и др. Влияние скоса паза якоря в ЭМУ поперечного поля на уровень магнитных вибраций и шума рассмотрено в работе [11]. Но ликвидировать полностью эти составляющие вибрации и шума введением скоса паза на одно пазовое деление не предстазляется возможным, так как радиальные магнитные силы не уничтожаются, а происходит их перераспределение по длине якоря. Находясь в противофазе по длине якоря, радиальные магнитные силы возбуждают скручивающие вибрации корпуса, частота которых также равна или кратна зубцовой.

Следовательно, непременным условием ликвидации -магнитных составляющих вибрации и шума электрической 'машины является устранение их источника, т. е. зубчатого строения якоря. Одним из решении

90 во

70 60 50 40 30

1 д5 / / [ \

> // / \ \ V

■ / ч N ^ ч, у /> > \ * V \\ \\

\\ \\ \\ \ \ I/ / / N // 'У \\

\\

/ги,

I

£

V »

с\1

С5

I

¿5

®о I

«О I

«о ч

<о о>

I

§ <о

I

I

сь 45

§

С5>

«О «О

I

О

£ см

<о гч I

о

3

§ I

о»

ОО

я

Рис. 4. Спектрограммы вибраций ЭМУ: ,1 — серийный ЭМУ, 2 — ЭМУ с гладким якорем

80

70

во

50

40

1 35 \ / / / 1 _X— л

^ — Ж \ NN. {__ \

Л // 'А/

V у

Лч

<о

о <м

•Чч.

«о «о

р

14.

I

СЬ I

§ <о

I

«о

сэ <о

I

%

«о

о

о

о &

I

£ см

I

ОО

Рис. 5. Спектрограммы шума ЭМУ: 1 — серийный ЭМУ, 2 — ЭМУ с гладким якорем

«о

N

I

«О

I

О со

«о гч

этого вопроса .может быть изготовление электрической машины с гладким якорем.

Результаты исследования частотного оостава вибрации и шума ЭМУ поперечного поля, выполненного с гладким якорем, представлены на рис. 4 и 5. Измерения вибрации производились виброметром типа ИВПШ, а шума — шумомером типа Ш-63. Частотный анализ шума и вибраций проводился полуоктав,ны.м фильтром тина ПФ-1 и анализатором спектра типа С4-7. Из 'сравнения спектрограмм вибрации (рис. 4). и шума (рис. 5) ЭМУ с гладким якорем и 'Серийного ЭМУ видно, что уровень ^магнитных вибраций и шума у ЭМУ с .гладким якорем ниже на 11 и 12дб соответственно. Необходимо отметить, что исследования

проводились на ЭМУ однакорпусного исполнения. Это накладывает свой отпечаток 1на частотный состав (вибраций и шума, так »как сказывается влияние встроенного двигателя. Измерения вибрации и шума, проведенные при отключенном 'генераторе ЭМУ, показали, что .их спектральный состав практически не отличается от спектрограмм ЭМУ с гладким якорем (кривые 2, рис, 4 и 5). Из сказанного выше следует, что б ЭМУ с гладким якорем возможно добиться полной ликвидации магнитных вибраций и шума на зубцовой частоте.

Выводы

1. В частотных спектрах вибраций, шума и пульсаций доминирующими являются ,магнитные вибрации и шум, а также зубцовые и фазовые пульсации.

2. В ЭМУ с гладким якорем общий уровень пульсаций выходного напряжения по сравнению с серийным ЭМУ со окошенным пазом уменьшается почти в 2 раза, а с прямым пазом — более чем в 5 раз.

3. (В частотном опектре пульсаций ЭМУ с гладким якорем исчезает зубцовая составляющая, резко уменьшается амплитуда и возрастает частота фазовой составляющей.

4. В ЭМУ с .гладмим якорем полностью устраняются вибрации и шум магнитного происхождения.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. С к о р о с п е ш к и н, Ю. А. Степанов. ЭМУ поперечного поля с гладким якорем. «Электромеханика», № 10, 1964.

2. А. И. С к о р о с п е ш к и н, Г. Г. Константинов. Некоторые результаты исследования характеристик и коммутации ЭМУ поперечного поля с глгдким якорем. Известия ТПИ, том 160, 1967.

3. И. М. Водяхо. Фазовая пульсация. «(Электричество», № 10, 1966.

4. М. П. Кос те »к о, Л. М. Пиотровский. Электрические машины, ч. 1, «Энергия», 1964.

5. А. Я. Бергер. О числе фаз короткозамкнутого ротора АД (и якоря МПТ), Изв. В ЭТА, т. XXII, 1940.

6. Н. П. Ермолин. Магнитный шум машины постоянного тока. Известия ЛЭТИ, вып. 28, 1955.

7. Э. Р. Кучер, А. Г. К ой ре, Н. И. Муркес. Экспериментальное исследование магнитного шума и вибраций электродвигателей. Труды ВНИИЭМ, т. 20, «Энергия», 1965.

8. В. Г. Шпрингман. Магнитный шум электрических машин. Сб. «Шумы электрических машин», изд. АН СССР, 193.9.

9. Ю. П. Р ы л о в. Исследование вибраций асинхронных двигателей, вы-зваиных магнитными силами. «[Вестник электропромышленности», № 5, 1959.

ТО. Ф. А. Горяинов. Электромашинные усилители. Госэнергоиздат, 1962.

11. Ю. В. Горст, П. Т. Мальцев, А. Г. Молод ы х. Снижение составляющих вибрации и шума магнитного происхождения ЭМУ поперечного поля. Сб. «Электромеханические устройства и системы. Электронные приборы>, «Энергия», 1967.