Выбор номинальной скорости вращения

Чтобы аргументировано выбрать номинальную частоту вращения, нужно знать, на что она влияет. Выбор высокой номинальной частоты вращения приводит как к положительным следствиям, так и к отрицательным.

Чем выше номинальная скорость вращения двигателя, тем:

1) Меньше его размеры и масса: D ² l = kP /(B _d An).

2) Лучше условия охлаждения машины (при самовентиляции, когда вентилятор находится на валу электродвигателя).

3) Больше размеры редуктора, пропорциональные передаточному отношению.  

4) Меньше срок службы подшипников;

Одной из единиц измерения срока службы подшипников является число оборотов внутреннего (подвижного кольца) [в миллионах оборотов]. И чем выше частота вращения, тем меньше срок службы в часах.

5) Выше уровень потерь в стали и механических потерь, т.е. ниже КПД.

Потери в стали зависят от частоты перемагничивания в степени 1,3-1,5, а частота перемагничивания пропорциональна частоте вращения.

Механические потери пропорциональны квадрату частоты вращения.

6) Хуже условия коммутации в КДПТ.

7) Больше длительность переходных процессов (ниже быстродействие).

Сравним тихоходный (предельный случай – безредукторный) и быстроходный двигатель.

Чтобы переходный процесс закончился, необходимо сообщить системе (или израсходовать запасенную ранее) кинетическую энергию: J W²/2.

У тихоходного двигателя момент инерции J выше: J = k * M ^x, где х = 1...1,66 [48].

Это вносит вклад, снижающий быстродействие. Однако скорость вращения W многократно ниже – а вот это вносит вклад, повышающий быстродействие. Этот вклад оказывает большее влияние на быстродействие и в итоге суммарный вклад улучшает быстродействие для тихоходных машин.

8) Выше центробежные силы и механические напряжения во вращающихся частях.

Этот фактор ограничивает предельно допустимую частоту вращения ротора.

Поскольку центробежная сила зависит не только от частоты вращения, но и от диаметра ротора, ограничивается окружная скорость V [м/сек]:

V= D W/2

Для авиационных электрических машин предельная окружная скорость допускается выше на 20-40%, чем у машин общего применения и составляет 60 м/сек [21].

Это объясняется тем, что срок службы авиационных машин во много раз меньше срока службы машин общего применения, вследствие чего для них могут быть допущены и большие механические напряжения во вращающихся частях и больший износ подшипников [21].

Выводы

Если основным критерием при выборе ЭД является минимум массы (а на ЛА это именно так), то выбирается быстроходный двигатель.

При одной и той же скорости движения исполнительного механизма совокупная масса электродвигателя с наибольшей допустимой номинальной скоростью вращения и системы передач с наибольшим передаточным отношением будет меньше, чем совокупная масса электродвигателя с меньшей номинальной скоростью вращения и системы передач с меньшим передаточным отношением. 

Если основным критерием является, быстродействие, то целесообразно применять тихоходные двигатели.

Когда быстродействие востребовано? Переходные режимы – это пуск и торможение. В этих режимах наблюдаются повышенные потери. Если режим работы двигателя повторно-кратковременный, то частота включений высока, потери энергии – большие. Здесь быстродействие востребовано.

Обычно скорость вращения авиационных электродвигателей лежит в пределах 4000-12000 об/мин.

Для привода масло-, бензонасосов применяются электродвигатели с номинальной скоростью 2500 об/мин.

Электродвигатели для привода компрессоров могут иметь скорость 12000-15000 об/мин [21].

Отметим, что выбор номинальной скорости двигателя осуществляется параллельно с выбором передаточного отношения системы передач, поскольку эти два параметра взаимосвязаны при фиксированной скорости движения механизма. Выбор этих двух величин электропривода должен производиться на основе технико-экономического сравнения нескольких его вариантов.

В общем случае с учетом номинальных скоростей серийно выпускаемых двигателей для ЛА обычно выбирают двигатели с номинальной частотой вращения от 5000 до 10000 об/мин.

 

Выбор системы передач

Выбор системы передач обычно осуществляется после выбора номинальной частоты вращения двигателя W.

В этом случае общее передаточное отношение механической передачи определяется следующим образом:

i = W/W_м, i =W/ V _м

На ЛА, как правило, механическая передача разбивается на звенья.

При выборе отдельных звеньев и кинематической схемы механической передачи в целом учитываются следующие факторы:

- необходимость обеспечения равенства i = i ₁·i₂·….· i_n;

- необходимость согласования оси двигателя и оси механизма;

- обеспечение требуемого направления вращения (движения) рабочего органа механизма;

- оценка условий размещения механической передачи на объекте и возможности размещения передачи в общем с ЭД корпусе;

- возможность резервирования;

- возможность самоторможения;

- необходимость обеспечения высокого КПД.

Основные потери в механической передаче представляют собой потери на трение.

Как мы показали ранее, от величины потерь зависит величина требуемой мощности двигателя (а следовательно, его размеры и масса).

Основные факторы, от которых зависят потери в механической передаче:

- типы редукторов, примененных в механической передаче, и их конструкция;

- передаточные отношения редукторов.

В общем случае, выбор передаточного отношения системы передач осуществляется параллельно с выбором номинальной скорости двигателя, поскольку эти два параметра взаимосвязаны при фиксированной скорости движения механизма. Выбор этих двух величин электропривода должен производиться на основе технико-экономического сравнения нескольких его вариантов.

В случае напряженного режима работы с частыми пусками и остановами номинальная скорость и передаточное отношение редуктора определяет продолжительность переходных процессов, что влияет на производительность рабочей машины [15].

 

6.9. Учет требований по регулированию частоты вращения

Для некоторых механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме (краны, лифты), большую часть рабочего цикла двигатель работает на естественной характеристике и только относительно небольшое время работает на искусственной характеристике, обычно на пониженной частоте вращения.

В этом случае потери электроэнергии на искусственной характеристике сравнительно невелики, так как малО время работы на ней. Поэтому здесь можно применять простые и дешёвые способы регулирования, даже если они вызывают повышенные потери мощности в обмотках. Поэтому, благодаря простоте реализации метода регулирования скорости путём изменения сопротивления в цепи ротора, такие электроприводы нашли наиболее широкое применение в крановых системах, и сейчас составляют основную часть находящихся в эксплуатации и выпускаемых промышленностью электроприводов.

В то же время растет число электроприводов с плавным регулированием скорости, в первую очередь к ним относятся электроприводы по системам "тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока" (ТП-Д) и "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" (ПЧ-АД).