автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Комплексная оценка и обеспечение повышенной электромагнитной совместимости машин постоянного тока с бортовыми радиоэлектронными системами

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № _

СЕЛЯЕВ Александр Николаевич

КОМЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА С БОРТОВЫМИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫМИ СИСТЕМАМИ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и

электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск-2001

Работа выполнена на кафедре электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Муравлев О.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Авилов В.Д., доктор технических наук, профессор Гусельников Э.М., доктор технических наук, профессор Мелихов C.B.

Ведущая организация - ГП Красноярский машиностроительный завод (г, Красноярск)

Защита диссертации состоится 2001 года часов

на заседании диссертационного совета ДР 063.80.53 Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 2001 г.

Ученый секретарь <=—==■

диссертационного совета, к.т.н., доцент А.Е. Алехин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вступление человечества в XXI век ознаменовано переходом в качественно новое состояние, так как во всем мире происходит интенсивнейший процесс компьютеризированного насыщения всех сфер деятельности человека радиоэлектронными приборами, современными телекоммуникационными системами связи, многоуровневой информатизацией и сложнейшими технологическими процессами, базирующимися на самых последних достижениях радиотехники и электроники. Причём любые радиоэлектронные системы (РЭС) являются особо чувствительными к воздействию индустриальных радиопомех (РП). Именно электрические машины постоянного тока (МПТ), обладающие хорошими регулировочными характеристиками, но имеющие в своих цепях скользящий контакт (СК) с его коммутационными процессами, являются наиболее интенсивнейшими источниками индустриальных РП и относятся к их основной группе согласно ГОСТ Р 51320-99. Происходит не только интенсивное "засорение" достаточно ограниченного природного ресурса - эфира, но и "забиваются" силовые энергетические, электрические, телеметрические и информационные сети и системы кондуктивными помехами, которые распространяются практически на весь используемый радиоспектр от 0,15 до 1000 МГц, что приводит к различным нарушениям в работе как наземного, гак и бортового электрооборудования с управляемыми РЭС, которые могут привести к выходу их из строя, сбоям, авариям и к катастрофическим последствиям. Поэтому возникает проблема эффективного подавления РП и обеспечения качественной электромагнитной совместимости (ЭМС) МПТ с РЭС, находящимися в непосредственной близости или имеющими с ними общий источник питания.

Цель работы. Выполнение комплексной оценки и обеспечение повышенной ЭМС МПТ малой мощности, используемых совместно с РЭС различного назначения в бортовых или подвижных объектах, находящихся в непосредственной близости и имеющих с ними общий источник питания.

Для решения этой проблемы в работе поставлены следующие задачи:

- исследовать основные показатели качества ЭМС МПТ и выявить из них наиболее информативные показатели, построить структурную схему зависимостей уровней показателей качества машины и на ее основе разработать математическую модель по комплексной оценке и обеспечению повышенной ЭМС МПТ на стадии проектирования;

- определить основные фазы действительного периода и завершающего этапа коммутации и выявить их влияние на уровни РП и ЭМС МПТ;

- разработать ВЧ схему замещения МПТ и на ее основе выявить характер распределения собственных емкостей машины, вывести и теоретически обосновать требование оптимизации емкостного распределения относительно ламелей коллектора;

- провести моделирование электромагнитных помеховых полей от ком-

мутирующего СК в МПТ и на его основе разработать мероприятия по эффективному снижению их интенсивности;

- создать принципиально новые встраиваемые системы фильтрации по подавлению искрения и уровней РП в местах их возникновения в МПТ малой мощности для повышения их ЭМС с РЭС в бортовых или подвижных объектах;

- разработать конструкции узлов токосъема МПТ, обеспечивающие эффективную экранировку контактной зоны, устраняющие попадание продуктов износа в зону контактирования, исключающие их скопление и образование "наклепа" с набегающей плоскости щетки и ее заклинивание в колодце щеткодержателя, и предотвращающие аварийную ситуацию машины;

- выявить и исследовать параметрические резонансные явления, возникающие в некоммутируемых разновитковых секциях МПТ, и обеспечить условия снижения их амплитудных перенапряжений;

- получить суммарные математические зависимости уровней РП МПТ от токопрохождения за действительный период и завершающий этап коммутации от разрываемого тока коммутируемых секций для различных материалов ламелей как с окисляющей, так и неокисляющей способностью, которые позволяют обоснованно подходить к выбору материалов контактных пар на стадии разработки электрической машины.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования параметров ЭМС МПТ малой мощности проводились с применением основ теории цепей, теории электрических машин, системного анализа, методов математического моделирования, теории электромагнитных полей. При обработке и анализе экспериментальных данных и получении математических зависимостей уровней РП использовались статистические методы планирования экспериментов, методы разложения в ряд Фурье и численные решения уравнений реализуемых программных продуктов и специализированные пакеты программ: MathCAD®7.0; S-PLUS® 2000; Curv Expert® 1.31; Numery® 3.10; Электронные таблицы Excel.

Основные расчетные соотношения получены на основе теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на специальных опытных установках и серийно выпускаемых МПТ, работающих в различных климатических и нагрузочных режимах эксплуатации.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

1. Впервые комплексно исследованы параметры ЭМС МПТ малой мощности и разработана методология и математическая модель по обеспечению повышенной ЭМС с бортовыми РЭС, определяющие влияние конструктивных и эксплуатационных параметров машины на её показатели качества ЭМС и позволяющие прогнозировать допустимые уровни этих показателей качества от параметров электрической машины на стадии проектирования.

2. Определены и исследованы резонансы, возникающие в некоммути-

руемых разновитковых секциях МПТ, которые непрерывно смещаются по частотному диапазону вследствие взаимоиндуктивных связей однопазовых секций, что создаёт своего рода "барьер" в широкой и сплошной полосе частот 1-100 МГц, препятствующий замыканию ВЧ пульсаций от разнополяр-ных щеток по параллельным ветвям машины. Это приводит к повышенному уровню напряжений РП на зажимах МПТ, так как ВЧ пульсации замыкаются через питающую сеть или нагрузку в зависимости от режима её работы.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований доказано, что за действительный период при любом характере коммутации с переходом работы коммутируемой секции из одной параллельной ветви в другую и с изменением направления тока в ней от +/„ до - I. дважды под щетками возникают "ударные" плотности тока, которые заключены в области (0,4-1) ■] О4 А/м2, при которых возникают условия пикообразного возрастания на 3—4 порядка уровней РП.

4. Проведенное моделирование электромагнитных помеховых полей от СК в МПТ малой мощности показало, что СК является своеобразным ВЧ генератором, модулирующим постоянный ток в переменный высокой частоты, а соединительные провода лаиелей с коммутируемой секцией образуют малый излучающий контур, паразитные напряженности электромагнитных полей которого создают кондуктивные помехи в лобовых частях обмотки якоря, щеточных канатиках и соединительных проводах выходных щеточных зажимов машины, чем обусловливаются высокие уровни РП от МПТ.

5. Разработана ВЧ схема замещения для МПТ и на её основе выявлен явно неравномерный характер распределения собственных емкостей машины. Выведено и теоретически обосновано требование по оптимизации емкостного распределения в машине относительно ламелей коллектора.

6. Впервые разработаны принципиально новые встраиваемые системы фильтрации по эффективному снижению искрения и уровней РП в местах их возникновения, обеспечивающие оптимальное и равномерное емкостное распределение по коллектору МПТ, позволяющее существенно повысить их ЭМС с бортовыми РЭС, находящимися в непосредственной близости или имеющими с ними общий источник питания. Данные разработки защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Основные научные результаты и положения диссертации,

представленные на защиту:

- разработана методология и математическая модель по комплексной оценке и обеспечению повышенной ЭМС МПТ малой мощности, используемых в качестве исполнительных электродвигателей, с бортовыми РЭС, которая определяет влияние конструктивных и эксплуатационных параметров машины на ее показатели качества ЭМС и позволяет прогнозировать допустимые уровни этих показателей качества ЭМС в зависимости от параметров машины на стадии проектирования;

- разработана ВЧ схема замещения для МПТ и на ее основе выявлен яв-

но неравномерный характер распределения собственных емкостей машины и выведено требование по оптимизации емкостного распределения в машине относительно ламелей коллектора;

- впервые разработаны принципиально новые встраиваемые системы фильтрации по эффективному снижению искрения и уровней РП в местах их непосредственного возникновения для всего ряда малых мощностей МПТ, позволяющие реализовать оптимизацию емкостного распределения в электрической машине;

- выработана методика моделирования электромагнитных помеховых полей от коммутирующего СК в МПТ и на её основе разработаны мероприятия по эффективному снижению их интенсивности;

- доказано, что за действительный период при любом характере коммутации с переходом работы коммутирующей секции из одной параллельной ветви в другую и с из изменением направления тока в ней от +/„ до - /„ дважды под щетками возникают "ударные" плотности тока, которые заключены в области (0,4-1)10* А/м2, когда возникают условия пикообразного возрастания на 3—4 порядка уровней РП;

- разработан способ устранения обнаруженных резонансных явлений, возникающих в некоммутируемых разновитковых секциях МПТ, вызывающих амплитудные перенапряжения в секциях и обусловливающие повышенные уровни РП машины;

- получены суммарные математические зависимости уровней напряжений РП МПТ от токопрохождения за действительный период и завершающий этап коммутации от тока разрыва секций для различных материалов ламелей как с окисляющей, так и неокисляющей способностью.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны и подтверждены авторскими свидетельствами и патентами конструкции и узлы МПТ малой мощности, позволяющие реализовать оптимальное и равномерное емкостное распределение в ней с одновременным увеличением емкости, шунтирующей коммутирующую секцию машины. Это обеспечивает снижение искровых разрядов СК, чем достигается уменьшение искрения до 1 балла при тех же мощностях и уровней РП в 6-10 раз во всем защищаемом спектре частот от 0,15 до 1000 МГц, что, в свою очередь, позволяет повысить на 50% надежный ресурс работы машины и существенно улучшить качество их ЭМС с бортовыми РЭС различного назначения, находящимися в непосредственной близости или имеющими с ними общий источник питания.

Спроектированы щеточно-коллекторные узлы МПТ, обеспечивающие полную экранировку контактной зоны щеток, а также удаляющие из зоны контактирования продукты износа, что устраняет их скопление в пространстве между плоскостью щетки и стенкой колодца щеткодержателя, чем исключается возможность заклинивания щетки в колодце и предотвращается аварийная ситуация. Доказано, что использование антифрикционных графитов для коллекторов и контактных колец МПТ позволяет снизить уровень

РП и искрение в различных климатических и нагрузочных режимах машины, чем существенно повысить качество, надежность и ресурс работы машин данного класса и этим значительно расширить область их применения.

Реализация результатов работы. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель по комплексной оценке и обеспечению ЭМС МПТ малой мощности, позволяющая на стадии проектирования прогнозировать допустимые уровни РП от конструктивных и эксплуатационных параметров МПТ. Эта методическая разработка внедрена в Сибирском НИИ технологии машиностроения г. Красноярск и НПО "Прикладной механики" г.Железногорск, позволяющая уже на стадии проектирования реализовывать необходимые конструктивно-технологические мероприятия, обеспечивающие качественную ЭМС исполнительных электродвигателей с бортовыми РЭС, находящимися в непосредственной близости и имеющими с ними общий источник питания.

Разработан и внедрен малошумящий токопереход лебедки ТК-5 с контактными кольцами из антифрикционного графита для Института Океанологии им. П.П. Ширшова АН РФ, обеспечивающий передачу по коаксиальному кабель-тросу повышенного качества силовой энергии, а также беспомехо-вый съём и обмен научно-исследовательской информацией между спускаемым глубинным аппаратом или роботом и бортовым электронно-вычислительным комплексом, расположенным на платформе корабля.

На Томском электротехническом заводе, на государственном предприятии "Спецтехномаш" и Сибирском НИИ технологии машиностроения (г.Красноярск) внедрены принципиально новые встраиваемые системы фильтрации от РП, защищенные авторскими свидетельствами и патентами для исполнительных электродвигателей серии Д-59, Д-52Д, МИ-13ФС, МИ-2, Д-550, ДК-1, обеспечивающие оптимизацию емкостного распределения в машине, которое реализует шунтирование искродуговых процессов СК. Это обусловливает снижение искрения щеток до темной коммутации при тех же мощностях МПТ, уменьшение в 5-6 раз энергии электромагнитного излучения и в 6-10 раз уровня напряжений РП по цепям питания машины, что в совокупности позволяет повысить на 30-50% ресурс работы исполнительных электродвигателей и существенно улучшить качество их ЭМС с бортовыми РЭС различного назначения.

Апробация работы. Содержание работы и её основные положения докладывались и получили одобрение на Всесоюзном совещании Института Океанологии имени П.П. Ширшова АН РФ "Вопросы проектирования подводных аппаратов и роботов, методика их применения при решении научных и народнохозяйственных задач, координация работ в данной области" (г. Геленджик, 1981); на научно-технической конференции "Электрические и машинно-вентильные источники импульсной мощности" (г. Томск, 1981); на II Всесоюзной научно-технической конференции "Коммутация электрических машин. Общие вопросы теории и проектирования машин постоянного тока"

(г. Харьков, 1984); на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности" (г. Тбилиси, 1987); на краевой научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления" (г. Красноярск, 1988); на V Всесоюзной научно-технической конференции "Переходные процессы в синхронных машинах. Динамические режимы работы машин постоянного тока" (г. Каунас, 1988); на XV научно-технической конференции "Электронные и электромеханические системы и устройства" (г. Томск, 1996); на II Международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" (г.Крым, 1996); на II областной научно-практической конференции "Качество во имя лучшей жизни" (г. Томск, 1997); на III Международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" (г. Клязьма, 1998); The Second Russia - Korean International Symposium on Science and Technology (Tomsk, Russia, 1998); на Международной научно-практической конференции "Качество - стратегия XXI века (г. Томск, 1998); 43 International Scientific Conference "Electrical-energetic systems and electrical machines" (Ilmenau, Germany, 1998); на IV Всероссийском научно-техническом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (г. Томск, 1998); на Всероссийском Электротехническом Конгрессе "На рубеже веков: итоги и перспективы" (г. Москва, 1999); The Third Russian - Korean International Symposium on Science and Technology (Novosibirsk, Russia, 1999); на Международной научно-технической конференции "IX Бенардосовские чтения" (г. Иваново, 1999); на V-VI Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные, материалы, технологии, конструкции" (г. Красноярск 1999, 2000); на V-VI Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (г. Томск, 1999, 2000); IV International Conference on Electrotech-nics, Electromechanics and Electrotechnology (Moscow, Russia, 2000); на XVI научно-технической конференции "Электронные и электромеханические системы и устройства" (г. Томск, 2000); на научно-технической конференции "Электромеханика и управляемые электромеханические системы" (г. Екатеринбург, 2000); на научных семинарах кафедры "Электрические машины и аппараты" Томского политехнического университета.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 68 печатных работах, в том числе 20 изобретений, подтвержденных 14 авторс-' кими свидетельствами и 6 патентами.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести основных разделов и заключения, выполнена на 269 страницах машинописного текста, содержит 125 иллюстраций, 24 таблицы, список используемой литературы из 271 наименования и приложения на 6 страницах.

Общий объём диссертации составляет 404 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе (во введении) обоснована актуальность темы, дана общая характеристика научной проблемы, определены основные цели исследования, представлена научная новизна, практическая ценность, апробация и реализация выполненных исследований, а также приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Во втором разделе даны основные термины и определения в области терминологии радиопомех и параметров ЭМС. Дан критический обзор научных работ по возникновению, распространению РП от МПТ и общеизвестных способов и методов их подавления. Проанализированы нормативные требования государственных стандартов по допустимым уровням показателей ЭМС электротехнического оборудования и методики их измерений.

В настоящее время общепринято, что у МПТ имеется одна резко выраженная частота пульсаций, определяемая числом ламелей коллектора:

где я - число оборотов в минуту; р - число пар полюсов; - число ламелей коллектора машины.

Пульсации напряжений ламельной частоты образуют многочисленные гармоники, которые создают непрерывный спектр частот, так как на ВЧ начинают перекрывать друг друга из-за изменения частоты вращения по ряду механических причин, а также колебаниями напряжения по сети питания или в нагрузке. Поэтому напряжение помех представляется в виде ряда:

им=ил,5т(а)л(+у/л1)+ Ут ¿¡п(2(ол /2\

илзг1п(Зсол1+Умз) + -+ илк5т(кал^щк), где <ол = 2}#л . При гиперболическом убывании амплитуд гармоник с частотой напряжение на какой-либо из частот может бьггь найдено из выражения

и = А//п, (3)

где А - постоянная, определяющая характер изменения уровня напряжений РП. Несущая частота пульсаций, определяемая числом ламелей коллектора МПТ, находится в пределах 1-10 кГц, а защищаемый диапазон от РП в пределах 0,15-300 МГц. Таким образом, ламельная частота на два порядка ниже начальной частоты этого диапазона (0,15 МГц), то уровень РП в защищаемом диапазоне определяется высшими гармониками и от других несущих частот. К другим причинам, вызывающим возникновение РП в МПТ, следует отнести факторы, ухудшающие условия коммутации, такие как: плохая притирка щеток, сдвиг щеток с нейтрали, повышенная вибрация корпуса или дебаланс якоря машины, неверно выбранная величина давления на щетку, неудовлетворительные механические характеристики работы коллекторно-щеточного узла, необоснованный выбор материала контактной пары. Данные факторы обусловливают изменения переходного сопротивления в цепи щетка-коллектор, которые вызывают резкие колебания тока и напряжения в

цепи и служат причиной возникновения РП на зажимах МПТ. Это отмечается в работах В.Рихтера, М.Д.Абрам сона, С.А.Лютова, Н.Д.Папалекси, Б.М.Синельникова, Б.К.Тура, Н.С.Сиунова, А.И.Скороспешкина, Б.В.Ковы-лова и других авторов, где рассматривались меры по воздействию на сам источник искрения и его уровень РП. Однако анализ работ показал, что отсутствуют комплексные исследования, описывающий уровень РП МПТ и их ЭМС с бортовыми РЭС, что не давало возможность найти более эффективные пути подавления искрения и РП. Так же следует отметить, что на данный момент не сформирована методология обеспечения качественной ЭМС по допустимым уровням РП МПТ с РЭС различного назначения. В связи с изложенным были сформулированы основные задачи исследований.

В третьем разделе рассмотрены экспериментальные исследования уровней токов и напряжений РП по цепи питания, а также составляющих электрической и магнитной напряженности поля РП от СК щетка - контактное кольцо в различных нагрузочных и климатических режимах, чтобы выявить основной информативный показатель ЭМС МПТ. Для проведения этих исследований использовались электрографитированные щетки марки ЭГ-61, установленные диаметрально на медных и графитовых контактных кольцах, при этом их биение не превышало 0,017 мм. Чтобы исключить влияние механики вращения на уровни РП от СК выбраны низкие скорости вращения (0-12 м/с). Все исследования проводились в экранированном сооружении, чтобы исключить влияние посторонних электромагнитных наводок. Напряженности полей измерялись антенными комплексами FMA-11 с селективными микровольтметрами SMV-11, SMV-8.S с антеннами DPI и DP3.

Из сравнительного анализа уровней магнитной и электрической составляющих напряженности поля РП, а также напряжений и токов РП по цепи питания от СК в относительных единицах (дБ) выявлено, что наибольшими амплитудными значениями и наилучшей воспроизводимостью обладает уровень напряжений РП, который и выбран как наиболее информативный параметр по оценке ЭМС МПТ, имеющих в своих цепях СК.

Одним из главенствующих факторов, оказывающих основное влияние на генерацию РП от нагруженного СК, является плотность тока в нем. На рис.1 приведены уровни напряжений РП в зависимости от плотности тока в СК на медном и графитовом кольцах (графики 1 и 2 соответственно, сплошные линии) для частот 0,15; 0,5; 1,0 и 5 МГц, где можно отметить, что у каждого материала кольца имеется свой однотипный характер. На первоначальном этапе на медном кольце (графики 1) с началом нарастания плотности тока наблюдается резкое пикообразное возрастание на 3-4 порядка уровня РП, которые достигают максимальных значений при плотностях тока (0,4-1 )• 104 А/м2, где выделена в область "ударных" плотностей тока. Это вызвано тем, что при малых плотностях тока в СК точки проводимости или так называемые а-шггна нарушенной окисной пленки успевают восстанавливать свои диэлектрические и полупроводниковые свойства при взаимо-

мкВ 4 2 104 6 4 2 10* 6 4 2 101 6 4 2 101 6 4 2

10 2 4 6 8 19 12 14 К^А/М2 Рис. 1. Зависимость уровня напряжений РП СК от 1 - медь, 2 - графит

0 2 4 6 8 10 12 14 16 А/м1 Рис. 2. Зависимость уровня токов радиопомех СК от

20 40 60 80 % Рис. 3. Зависимость напряжений РП СК от влажности окружающей среды

273 293 313 333 353 град.К Рис. 4. Зависимость напряжений РП СК от температуры окружающей среды

действии с кислородом окружающей среды, поэтому происходит непрерывный пробой окисной пленки, чем и обусловливается резкий подъём РП характеристик. При увеличении плотности тока в СК графит-графит от 0 до 20-104 А/м2 (рис.1, графики 2) уровень напряжений РП повышается более плавно, чем на медном кольце. Это обусловливается тем, что с повышением тока, протекающего через СК графит-графит, увеличивается энергия, выделяемая в СК, пропорционально которой возрастает уровень РП. Если сравним уровни РП в диапазоне щеточных плотностей тока, рекомендуемых для МПТ малой мбщности (4-6)-104 А/м2, то увидим, что уровни от медного кольца на три порядка выше, чем у графитового. При аналогичном сравнении для плотностей тока 20-104 А/м2 различия в уровнях сохраняются более чем на порядок. Только при плотностях тока в СК свыше 50-104 А/м2 уровни напряжений РП на медном и графитовом кольцах становятся соизмеримыми. Поэтому при плотностях тока в СК менее 50104 А/м2 поверхностная окисная пленка (политура) на медных кольцах и коллекторах электрических машин имеет определяющее значение в генерации РП.

Для математического анализа полученных результатов используем методы аппроксимации, предлагаемые программой Excel. Аппроксимируем отмеченные данные графиков 1 (рис.1) на медном кольце выражением

Uи = А exp (-ajuf), (4)

где }щ - плотность тока в СК; а и А- постоянные коэффициенты.

Экспериментальные точки графиков 2 (рис.1) на графитовом кольце аппроксимируем выражением

Ur = A[l - exp f-ajuJJ. (5)

Коэффициенты полученных зависимостей, аппроксимирующие уровни напряжений РП от плотности тока в СК сведены в табл.1.

__Таблица 1

На частотах, в МГц На медном кольце На графитовом кольце

а х 10"4 Ах 103 ах Ю"4 Ах 103

0,15 0,11 44,19 0,046 0,34

0,5 0,12 22,12 0,011 0,27

1,0 0,13 11,04 0,016 0,085

5,0 0,14 2,41 0,0052 0,041

Из сравнительного анализа расчетных кривых 1 (рис. 1, пунктирные линии), описывающие уровни РП на медном кольце, которые отражают только падающий характер от выявленных ранее максимальных уровней РП, причем отклонения от экспериментальных кривых 1 составляют до 15 %. Тогда как на графитовом кольце расчетный уровень РП имеет хорошее совпадение с опытными графиками 2, где отклонения составляют 3-5%.

Экспериментальные зависимости тока РП по цепи питания от плотности тока в СК на медном (графики 1) и на графитовом кольце (график 2) показа-

ны на рис.2, где так же выявлена область "ударных" плотностей тока у медного кольца только с меньшими уровнями РП (-эксперимент, — расчет).

На рис.3 приведены зависимости уровней напряжений РП от влажности (Н,%) окружающей среды для СК на медных и графитовых кольцах. С увеличением влажности окружающей среды от 40 до 98 % контактное сопротивление для СК графит-графит снизилось незначительно, вследствие чего наблюдается и слабое уменьшение уровня РП (графики 2), что характерно для всех плотностей тока. На медном кольце с увеличением влажности с 40 до 98 % (графики 1), особенно для малых плотностей тока (0,2-104 А/м2), наблюдается значительное падение уровня РП на два порядка вследствие того, что резко уменьшилось контактное сопротивление. Для плотностей тока (1-2)-104 А/м2 в СК падение уровней РП менее выражено. Наконец, при высокой плотности тока в СК (20-104 А/м2), когда существенно нарушена окис-ная пленка, поэтому уровень РП с повышением влажности до 80 % снижается незначительно, а с 80 до 98 % даже возрастает, что обусловливается более интенсивным окислением, т.е. восстановлением свойств окисной пленки.

Влияние температуры окружавшей среды на уровень РП СК на медном и графитовом кольцах показано на рис.4. Из графиков 1 видно, что уровень РП на медном кольце с повышением температуры, особенно при небольшой плотности тока (0,2-104 А/м2), резко падает. По своей природе окись меди относится к полупроводниковым веществам, обладающим электронной и ионной проводимостью, которая растет с повышением температуры, поэтому сопротивление окисной пленки снижается. Для плотностей тока в СК (1-2)-104 А/м2 уровни РП также сохраняют явную зависимость от изменения температуры (падение натри порядка). При плотности тока в 20-104 А/м2 с увеличением температуры от 293 до 313°К уровень РП резко уменьшился на порядок, так как понизилось контактное сопротивление сохранившегося полупроводникового слоя. Дальнейшее повышение температуры СК приводит к росту уровня РП, что обусловливается кинетикой образования окисной пленки. Уровни РП СК графит-графит, представленные на рис.4 (графики 2), при повышении температуры от 293 до 373°К остаются постоянными. Это объясняется высокой энергией связи атомов углерода (170 ккал/г-атом), поэтому графит остаётся в твердом состоянии даже при температуре 2000°С.

В четвертом разделе работы на основании реализации плана полного четырехфакторного эксперимента второго порядка получены математические модели, описывающие уровень напряжений РП СК в различных нагрузочных и климатических режимах, для материалов контактных пар, обладающих окисляющей способностью (медь-графит) и не окисляющихся (графит-графит). Анализ выбранных факторов на свойства СК показал, что основными являются следующие: плотность тока в щетке -^(ХО; влажность -Н(Х2) и температура окружающей среды - Т(Хз); давление на щетку - Рщ (Х4). Интервалы и пределы варьирования выбранных факторов, а также ве-

личина "звездного" плеча центрального композиционного планирования эксперимента приведены в табл.2.

Таблица 2

Факторы Единица измерения Хт!я Х/пах Х0 А -а -1 0 +/ +а

X, 1 104 А/м2 1 20 9,5 4,75 1 5,75 10,5 15,25 20

х2 н % 40 98 29 14,5 40 54,5 69 83,5 98

Х3 Т град.К 293 373 80 20 293 313 333 353 373

х4 Рщ 104 Па 2 22 10 5 2 7 12 17 22

Здесь Х0=(Хтах -Х^/2; Л - (Х^- Хт,^/4.

В результате проведенных исследований и статистической обработки экспериментальных данных получены адекватные уравнения регрессии: для СК на медном кольце

ум = 854,75 - 319,69х, - 210,73х2 - 620,9х3 + 204,47х,х2 + +528,53х,х3+278,6X2X3-115,85х,2-63,18х32 + 436,83х,2. для СК на графитовом кольце

Уг= 81,84 + 37,7х1-13,6хг-34,84x4-6,43х,2 + 43,75 х42. (7) Адекватность матмоделей оценивалась по критерию Фишера. Таким образом, применение не окисляющихся материалов для контактных пар обеспечивает низкий причем стабильный уровень РП в широком диапазоне нагрузочных и климатических режимов.

Пятый раздел диссертации посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям по обеспечению повышенной ЭМС МПТ малой мощности с РЭС различного назначения. Любое изменение ЭДС, тока или полного сопротивления цепи представляет собой потенциальный источник индустриальных РП. Помимо пульсаций напряжений ламельной частоты в МПТ источниками РП являются колебания магнитного потока в воздушном зазоре из-за наличия зубцов якоря и имеют свою несущую частоту

л-5'- <«)

где N3 - число зубцов якоря. Изменения контактного падения напряжения, вызванные механическими причинами, определяются целым рядом факторов, основными из которых являются микрорельеф контактирующих поверхностей и динамика вращения коллектора, определяющая его профиль, в частности, эксцентриситет или западание и выступание коллекторных пластин. Поэтому в общем спектре напряжений РП МПТ будет составляющая с несущей частотой, обусловленной указанными механическими факторами:

(9)

где А^ - число точек механического контактирования по всей поверхности коллектора в динамике.

мкВ 4 2 105 4 2 104 4 2 103 4 2 102 4 2 10' 4 2 1

ип ь

к V гг ,1

1 ' Л\

1 4 V *

\

л Г Х| 4=

■ч

£

\

\ V

1 \

5 "V

0,2 0,61 2 4 6 10 20 40 100 МГц

Рис. 5.Уровни напряжений РП МПТ

ном диапазоне частот 0,15-300 МГц. Несущая частота токопрохождения через окисную пленку определяется выражением

Экспериментально снятые уровни напряжений РП МПТ без защитных фильтров от РП с медными ламелями (график 1) и с ламелями из антифрикционного графита (график 2) приведены на рис.5. Уровень РП МПТ с графитовыми ламелями в среднем на порядок ниже, чем у машины с медными ламелями при одинаковых условиях и режимах работы. Различие в уровнях РП между МПТ с медными и графитовыми ламелями можно справедливо отнести вследствие ВЧ пульсаций токопрохождения через окисную пленку (график 3), уровень которой составляет 70-95% от общего уровня напряжений РП МПТ в указан-

•/г 60 '

(10)

где А^г - среднее число точек от пульсирующего токопрохождения через окисную пленку на одной ламели. Спектр напряжений РП от токопрохождения представляется в виде ряда

ит = Ит^т (с&[{ + Ч'тд + и-ггйп (2а# + Ч'-п) + + ит35т (За>1< + Ч'-п) + ... + ип$т (к(0]< + Ч'-п), (11)

где (От = 2л/т.

Общий уровень напряжений РП МПТ в диапазоне частот 0,15-300 МГц определяется суммарным воздействием высших гармоник от всех несущих частот, имеющих различную природу возникновения, однако зависящих от частоты вращения ротора и кратных ей, поэтому общий спектр можно привести к эквивалентному ряду

11э = 11л + и3 + им + иГ= Уз/мп (ай + Тэ,) + иЭ2^п (2аЯ + +

+ иэ35т (Зш 4 Тэз) + ... + иэк.ип (ко* + Гэк), (12)

где со=2п/, / =р п/60 - частота вращения якоря машины.

Следовательно, амплитуду напряжения РП, соответствующую частоте пульсирующего токопрохождения, необходимо определять с учетом окисляющейся способности материалов контактных пар. Предлагается уточненное выражение для определения амплитуд напряжений на я-й частоте:

ия = Ак/и (13)

где А - коэффициент, учитывающий окисляющую способность материалов контактных пар. Для наиболее распространенных материалов значе-

ния данных коэффициентов сведены в табл.3.

_ _ __Таблица 3

Материал Графит АТГ Золото Аи Серебро Хром Сг Медь Си Алюминий А1 Кадмий са

Коэффициент 1 1,2+2,7 2,5-5-5,2 44-8 10-ь16,5 12*20 15-=-25

Из табл.3 следует, что даже у слабо окисляющихся материалов таких, как золото или серебро, из-за наличия оксидных пленок коэффициент к > /, поэтому материалы, применяемые для контактных колец и коллекторов электрических машин, обладающие минимальной способностью образовывать окисные и оксидные пленки в электрически нагруженном СК, создают

На рис.6 приведены основные типы коммутационных кривых МПТ: 1 - классическая прямолинейная коммутация; 2 - ускоренная; 3 - замедленная. Поэтому в МПТ с любыми номинальными плотностями тока в СК, например (6-10)104А/м2, за действительный период коммутации ТК и при любом её характере с переходом работы секции из одной параллельной ветви в другую и с изменением направления тока в ней от +/„ до -/„ дважды под щетками будут возникать найденные "ударные" плотности тока, которые заключены в области (0,4-1 )104 А/м2, когда происходит пикообразное возрастание на 3-4 порядка уровней РП. Рассматривая завершающий этап коммутации, который практически всегда заканчивается разрывом тока между уходящей ламелью и щеткой, его также можно определить как "ударную фазу" для возникновения ВЧ пульсаций и РП. Поэтому дальнейцше исследования проводили, измеряя уровень напряжений РП селективным микровольтметром типа БМV-11, который одновременно фиксировал суммарную квазипиковую составляющую от действительного и завершающего этапов коммутации двигателя Д-550. При этом у обоих типов машин с разными коллекторами с помощью бифилярных витков, расположенных вместе с секциями обмотки якоря, регистрировали осциллограммы изменения тока в секции с фиксацией его разрыва на завершающем этапе коммутации в различных нагрузочных режимах МПТ.

самые низкие уровни ВЧ пульсаций и РП.

+/ Область "ударных" плотностей

тока (0,4-1) ■10' А/м2

Нулевая ось

Рис. 6. Кривые коммутации

Рис. 7. Ор = 0,6А) Рис. 8. (¡р = 0,43А) Рис. 9. (¡р= 0,25А)

Рис. 10. (¡р= 0,25А) Рис. 11. (¡р= 0,15А) Рис. 12. (¡р= 0,05А)

Анализируя коммутационные кривые рис.7, 8 и 9, видим, что у МПТ с медными ламелями для всех приведенных режимов работы наблюдается замедленная коммутация, которая обусловливается большей скорости изменения тока д'1/с(, поэтому значение реактивной ЭДС самоиндукции (е,) существенно превышает коммутирующую ЭДС (ек), а это приводит к сокращению действительного периода коммутации (ТК). Поэтому под влиянием ЭДС самоиндукции коммутация замедляется, при этом под набегающим краем щетки плотность тока _/'/ уменьшается, а под сбегающим краем щетки у2 возрастает. Это обстоятельство еще более усугубляет критические режимы, так как у МПТ с номинальной плотностью тока в контакте около 3-104 А/м2

плотность тока в набегающем крае щетки уменьшается и попадает в диапазон выявленных "ударных" плотностей тока (0,4-1 )-104 А/м2 , что является нежелательным режимом с позиций повышенных требований к допустимым уровням РП МПТ. В машинах с графитовыми ламелями отсутствуют "ударные" плотности тока в набегающем крае щеток и наблюдается ускоренная коммутация, как видно из осциллограмм рис.10, 11 и 12, где существенно меньшие токи разрыва в завершающем этапе коммутации при тех же нагрузочных режимах машины.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 А Рис.13. Зависимость уровня напряжений РП от тока разрыва секций (на частоте 0,15 МГц)

На рис.13 показаны экспериментальные зависимости уровня ВЧ пульсаций напряжений РП от тока разрыва секций на завершающем этапе коммутации двигателя Д-550 с медными (график 1) и графитовыми (график 2) ламелями. Аппроксимируем полученные экспериментальные точки зависимостью вида

-а/

U = А

1 - е

J

(14)

где ¡р - ток разрыва коммутируемых секций; а и А - постоянные.

По методу наименьших квадратов для определения постоянных коэффициентов а и А необходимо минимизировать следующее выражение:

7-1

Г -ai А

и, - А 1-е J

„

(15)

где к - число экспериментальных точек (для данного случая к = 5 ). Дифференцируя выражение (15) по А и ос и приравнивая к нулю частные производные, получаем следующую систему уравнений:

I U , I" е 1

" А Е

1 - е

X V

i-1

-ai . , Г -ai .

J _ ¿V / I i _ „ J

= 0;

= О,

(16)

откуда

(17)

-Olí 1-е J

Подставляя А в систему уравнений (16), определяем следующее выражение относительно а :

£ £/,/,«-'> £ (1 - е-' )2 - £ (1 -^ )е-'< х£С/у(1-0. (18)

Уравнение (18) решаем численно методом последовательных приближений. Полученные коэффициенты зависимостей приведены в табл. 4.

Таблица 4

Исследуемые машины Д-550 а А

с медными ламелями 2,3 42,24x103

с графитовыми ламелями 2,15 30,29x10*

Выражение, описывающее уровни ВЧ напряжений РП от разрываемого тока коммутируемых секций МПТ с медными ламелями, имеет вид

a i

им = 42,24 х 103(1-<Г2-"'), а машины с ламелями из антифрикционного графита -

иг = 30,29 х 102(1 - е~2'1"' ) ,

(20)

С Сд

(5-ю)% Си г

к

1

1... ламели ... К Рис.14. Распределение емкостей относительно ламелей МПТ

где уровни напряжений РП приведены в мкВ, а ток разрыва секции в А.

На основе разработанной схемы замещения МПТ с медными ламелями коллектора для высоких частот выявлен явно неравномерный характер распределения собственных емкостей машины относительно ламелей, который показан на рис.14 (график 1), где Сшах - суммарная емкость относительно соседних ламелей; Ст,„ - суммарная емкость относительно диаметрально противоположных ламелей. Доказано, что для эффективного подавления ВЧ пульсаций, возникающих под разнополярными щетками МПТ, необходимо обеспечить равномерное распределение емкостей относительно коллекторных пластин (график 2). Это осуществляется разработанными автором встраиваемыми системами фильтрации с введением дополнительных емкостей, удовлетворяющих требованию оптимизации:

Сс + С* + СЮЛ <(5+10)% Сд, (21)

где Сс - собственная емкость секции; Ск - емкость между ламелями коллектора; Скр- емкость секции относительно корпуса машины.

При пульсирующем токопрохождении в нагруженном СК через окис-£ г ную пленку коллектора за действительный

период коммутации, а также при разрыве остаточного тока на завершающем его этапе периодически возникают ВЧ импульсы напряжений в широком спектре частот, которые вызывают резонансные явления в некоммутируемых разновитковых секциях машины. Не коммутируемую секцию МПТ можно представить как симметричный Рис. 15. Схема секции МПТ четырехполюсник (рис.15), где С; - суммарная емкость секции и емкость от меж-ламельной изоляции; С} - емкость секции относительно корпуса электрической машины.

Система уравнений подобного четырехполюсника имеет вид:

с,

■ с,

3,0

2,6 2,4 2,3 2,2

(г +

Аи=1 + -

](йС2 = А22-,

г + ]аЬ - ]

соС,

(г + ](оЬу:

1

Аи --

./©с,

{г+]а)Ь)-]

аСх

[г +

Агх = 2]сиС1 + ОС2)2-

Г - ]0)1 - ]

еоСг

Тогда волновое число четырехполюсника запишем

(22)

(23)

где а — характеристика изменения амплитуды сигнала; /? - значение изменения фазы сигнала при прохождении через четырехполюсник; Лц + л] Лц ¿21 ~ комплексное число. Значения ¿2 и Д рассчитанные на ПЭВМ в диапазоне частот от единиц герц до 300 МГц для серийного двигателя Д-550 (имеющего 10-и, 7-и и 4-х витковые однопазо-вые секции), показали, что коэффициент затухания некоммутируемых секций до частоты в 1 МГц близок к единице, а на собственных резонансных частотах (расчетные 4.5; 23 и 46 МГц соответственно) увеличивается во много раз, как показано на рис.16 (кривые 1,2 и 3). При поочередной подаче возбуждающего сигнала от анализатора Х1-19Б на исследуемую секцию (кроме однопазо-вых секций все секции якоря отпаяны), например, на 10-и витковую секцию (рис.17, а) калибровочные метки задаются через 10 МГц, видно, что собст-

0,1 0,2 ОМ 0,Я 2 34 6 810 20 МНЯ 60 Ш МГц

Рис. 16. Постоянная затухания секций 1 - для 10-и; 2 - для 7-и; 3 - для 4-х витковых секций

венная резонансная частота 4,5 МГц совпала с расчетной (рис. 16, кривая 1), а резонансы 7-и и 4-х витковых секций проявились на 68 и 84 МГц. При подаче сигнала на 7-и витковую секцию (рис.17, б) частота резонанса 10-ти вит-ковой секции практически не изменилась (4,2 МГц), однако амплитуда значительно уменьшилась, а собственная резонансная частота 7-витковой секции появилась на 26 МГц с заметным возрастанием амплитуды (расчетная 23 МГц, рис.16, кривая 2). При этом резонанс 4-х витковой секции по амплитуде также возрос, что свидетельствует о существенной взаимоиндуктивной связи с 7-и витковой секцией.

При подаче сигнала на 4-витковую секцию частота собственного резонанса соответствует 48 МГц (рис.17, в), что близко к расчетной - 46 МГц (рис.17, кривая 3). Причем резонансы 10-и и 7-и витковых секций в данном случае имеют гораздо меньшие амплитуды (4 и 28 МГц соответственно), что отражает ослабленную взаимоиндуктивную связь и возрастающие потери в секциях с повышением частоты.

Рис.17. Собственные резо- Рис. 18. АЧХ обмотки якоря

нансы 10-и, 7-и и 4-х двигателя Д-550

витковых секций

Таким образом, при поочередной коммутации секций МПТ резонансы некоммутируемых секций динамически перемещаются по частоте вследствие взаимоиндуктивных связей между секциями. Это обстоятельство не позволяет ВЧ пульсациям, возникающим под щетками замыкаться по параллельным ветвям машины, поэтому они замыкаются через питающую сеть (режим "двигатель") или нагрузку (режим "генератор"). В реальной МПТ, когда все секции обмотки якоря распаяны к ламелям, резонансы еще более усложняются. На рис.18 (а) приведена АЧХ якоря, снятая с диаметрально противоположных ламелей, где наблюдаем множество резонансов на частотах 1; 10; 46; 62; 90 и 98 МГц. На эту собственную АЧХ обмотки якоря при работе МПТ накладываются непрерывно перемещающиеся по частоте резонансы разновитковых однопазовых секций. Это создаёт своего рода "барьер" в широкой и сплошной полосе частот от 1 до 100 МГц, препятствующий замыканию ВЧ пульсаций от разнополярных щеток по параллельным ветвям машины, что обусловливает высокие уровни напряжений РП МПТ.

При введении дополнительных емкостей коллектора, удовлетворяющих требованию оптимизации (21), резонансы 10-и, 7-и и 4-х витковых секций резко снизились по амплитуде и сместились в область нижних частот диапазона (рис.18, б). Из АЧХ якоря, снятой с диаметрально противоположных ламелей коллектора (рис.18, в), видны также существенные изменения, где остались резонансы на частотах 1; 12 и 18 МГц, причем на 12 и 18 МГц -малосущественные. Таким образом, ВЧ пульсации от разнополярных щеток замыкаются на самом коллекторе МПТ в местах их возникновения встроенными системами фильтрации, чем достигается снижение искрения под щетками, уменьшение уровня РП и энергии электромагнитного излучения.

Проведенное моделирование электромагнитных помеховых полей от СК МПТ показало, что данные излучения хорошо воспринимаются лобовыми частями обмотки якоря, щеточными канатиками и уже фильтрованными соединительными проводами щеточных выходных зажимов машины. Это не позволяло эффективно фильтровать МПТ, а значит, и невозможность обеспечить её качественную ЭМС с РЭС различного назначения.

Для однородной среды с удельным сопротивлением р [Ом-м], магнитной проницаемостью ц = /лоИг~ 1,257/х, [мкГн/м] и диэлектрической проницаемостью £ = Ев ега 8,854£-г [пФ/м], волновое сопротивление, выраженное в омах, можно записать формулой

2=[]2фр1{1+]2фр)Г, (24)

а постоянную распространения - выражением

* = {}2ф\\(25) или в комплексном виде а- «+/Д где а - коэффициент поглощения, а фазовая постоянная среды. Параметры 2 и а позволяют описать распространение в данной среде любого электромагнитного поля, которое пройдя в среде расстояние г [м], ослабляется в ехр (от) раз и приобретает сдвиг по

10-* lO"310'2 IО"1 10° 10' 10* 10J Рис.19. Волновое сопротивление электромагнитных полей

Z» = (ji/ef

фазе рг (радиан). Кроме того, электрические и магнитные поля обмениваются энергиями, так что волновое сопротивление волны Za стремится к Z0= 377 Ом по мере удаления от источника (рис. 19, плоская волна).

В ближней зоне, когда расстояние до экспериментальной точки г < Я/2, напряженность электрического поля максимальна в плоскости осей ху при угле в = ± 90°, а магнитного поля - на оси z при угле 0=0° или в=± 180°.

В плоскости ху имеем волновое сопротивление, описываемое выражением:

-(Я/2яг)ч-/(Я/2яг)2

(Я/2яг)-./(Я/2яг)г -(Л./2Я7*)3

где \Za

[(р/е)112(2т-/Я)

при г » к / 2тс, при г « Я/2п.

(26)

(27)

(28)

Если рассматривать коммутирующий СК как ВЧ источник, модулирующий постоянный ток в переменный ВЧ, а ламели с проводами и коммутируемую секцию как малый контур площадью 5 (с периметром ¿< Я/2, где Я - длина волны, м), причём по взятому малому контуру течет ВЧ синусоидальный ток 1т, который условно принимаем эквивалентно равному ВЧ

(герб) току рада°помех с частотой /г, то ' ' можно рассчитать напряженность электромагнитного поля в точке, удаленной от излучающего контура на расстояние г. На рис.20, показана система координат с осями (х, у ,г) для расчета электромагнитных полей излучения контуром малой площади 5 к расчетной точке с координатами (г, <р, 0). Тогда можно рассчитать напряженность паразитного электрического поля Е, выраженного в В/м, для любой точки со сферическими координатами (г, % О] по выражениям:

Рис. 20. Система координат контура малой площади S

Er = 0;

2nr2(M/s)U2Ir-S £,p =---

Л

Ee = 0.

[А/(2яг)- ;(Я/2яг)2]зт(9;

Для этих же координат напряженность магнитного поля Н, выраженного в А/м, по формулам:

Hr = Апг\{т'S [7(я /2яг)г + (1/ 2ягУ ] cos <9;

Но =

Я3

lnr2Ir.S

#*> = 0.

Системы уравнений (29) и (30) получены при допущении, что полное сопротивление излучаемого контура устремили к нулю, хотя в реальных МПТ сопротивление СК, медных ламелей, соединительных проводов и коммутируемой секции имеют конечные численные значения, однако эти величины сопротивлений ничтожно малы. Это позволило упростить расчетные выражения электромагнитных полей без существенных погрешностей в информативности. На рис.21 приведена расчетная напряженность электрического поля Ер на расстоянии г = 5-10~2 м, по которому протекает ВЧ ток в 1 мА с фиксированной частотой (1 МГц), а угол в = 45° выбран для того, чтобы напряженности электрического и магнитного полей были бы соизмеримы. Из рис.21 видно, что на любой провод, находщийся внутри МПТ на расстоянии (5-20)10"2м, будет воздействовать электрическое поле и ВЧ помеха будет наведена в этом проводнике, например, на расстоянии в 0,1 м наводки могут достигать 65 мВ/м. При допустимых напряженности в 60 дБ, которые с переводом в физическую величину с размерностью 1 мВ/м, видно, что наводки в 65 раз могут превышать допустимые нормы.

0.05 0.1 0.15 0.2 м Рис.21. Напряжённость поляЕ

1

0

t Н

L нг

\ / /

<</

f

0.05 0.1 0.15 0.2 м Рис. 22. Напряжённость магнитного поля

На рис. 22 показаны напряженности магнитного поля Нг и Нд по двум координатам г и в для этого же контура на частоте 0,15 МГц. Величина тока в контуре выбрана в 1 мА (60 дБ) и угол в = 45°. Из графиков видно, что полученные напряженности полей меньше по величине чем электрические поля. Однако данные паразитные напряженности магнитных полей реализуют чувствительность бортовых РЭС. Из рис. 22 следует, что при расстоянии в 0,1 м от излучаемого контура напряженность поля Нг - 10 мА (80 дБ), а для Нв = 5 мА/м (74 дБ). Эти поля являются существенными помеховыми величинами, особенно для РЭС бортовых или подвижных объектов. Поэтому при повышенных требованиях по ЭМС к исполнительным двигателям необходимо снижать интенсивность паразитных электромагнитных полей путем эффективного подавления искро- и дугообразований в самом СК машины.

б

а)

Рис. 23. Коллектор для электрической машины с низким уровнем РП Для решения этой проблемы разработана базовая модель МПТ, представленная на рис.23 (а), где показан поперечный разрез коллектора, а на рис.23 (5) - продольный разрез. В предлагаемой конструкции между ламе-лями 1 установлены металлические пластины 2, отделенные от ламелей 1 изоляцией 3 с высокой диэлектрической проницаемостью, а сами металлические пластины 2 неизолированной частью (ребром) примыкают к валу 5. Отверстия 6 и пазы 7 в металлической пластине 2 заполнены пластмассой 4.

1г

¡12 10} Ш* \ * Рис. 24. Схема замещения МПТ с низким уровнем РП

Схема замещения МПТ с повышенной ЭМС представлена на рис.24, где 1 - ламели; 8 и 9 - щетки разной полярности; 10 - эквивалентная схема замещения металлической пластины 2 с диэлектрическими слоями 3; 11 - секции машины; 12 - точки соприкосновения; 13 - емкости, равномерно распределенные; 14 - емкости одновременно коммутируемых ламелей; здесь 1г ~ ВЧ ток, замыкающийся через емкости 14 от соседних ламелей; 13 - ВЧ выравнивающий ток, протекающий по наикратчайшему пути, через емкости 14 и заземленный вал 5 от ламелей разнополярных щеток 8 и 9; стрелкой, обозначенной буквой V, показано направление вращения якоря машины.

Таким образом, созданы равномерно распределенные емкости (по две параллельных) между каждой боковой поверхностью ламели 1 и валом 5 (рис.14, график 2), удовлетворяющих требованию оптимизации (21). Это позволяет замыкать ВЧ пульсации от токопрохождения через окисную пленку в набегающем крае щетки, в котором возникают "ударные" плотности тока (0,4-1)104 А/м2. Также шунтировать и на завершающем этапе коммутации ВЧ ток, разрываемый между щеткой и уходящей ламелью, облегчая работу уже сбегающего края щетки, стремясь поддержать напряжение коммутируемой секции постоянным, что приводит к уменьшению амплитуд перенапряжений в них. Поэтому в совокупности существенно падает искрообразование под щетками (до темной коммутации при тех же мощностях МПТ), снижается уровень напряжений РП и

из-

мкВ

11Г

103

102

1&

ип

Л

л

Л "1 к;

/м

Л А / ч ..... N /

(ЦЦ2 0,4 1 2 4 6 10 20 40 100 МГЦ

Рис.25. Уровни напряжений РП двигателя Д-550:1-без фильтра; 2-е пром. фильтром; 3-е доп. емкостями

энергия электромагнитного лучения. На рис.25 приведены уровни напряжений РП МПТ без фильтра (график 1), с промышленным фильтром (график 2) и со встраиваемыми емкостями коллектора (график 3). Из рис.25 видно, что при обеспечении оптимизации емкостного распределения (график 3) уровни РП МПТ в 12-15 раз ниже, чем у машины только с промышленным фильтром (график 2).

Экспериментально снятые уровни напряженности поля РП (электрические составляющие, проведенные как огибающие по максимальным точкам) при г = 5-10"2 м от СК внутри МПТ приведены на рис.26, где график 1 - без фильтров; 2-е пром.

мкВ/м 10s

фильтром; 3-е дополнительными емкостями; 4 — с полной экранировкой контактной зоны. Из рис.26 видно, что пром.- фильтр (график 2) снижает уровень поля РП Mill, но неэффективно, например, для частоты в 0,15 МГц до 22-103 мкВ/м от уровня нефильтрованной машины 50-103 мкВ/м (график 1), т.к. приставные индуктивно-емкостные фильтры не воздействуют на сам источник РП. Тогда, как при введении дополнительных емкостей, 0,1 0,6 1 2 4 6 10 20 40 100 МГц обеспечивается шунтирова-Рис. 26. Уровни напряженности электри- ние искродуговых разрядов ческого поля РП внутри МПТ СК, что позволяет снизить

напряженность электромагнитного поля РП более чем на порядок (график 3). Однако данная конструкция эффективно экранирует только нижнюю полусферу СК МПТ. Дальнейшее повышение эффективности ЭМС МПТ возможно обеспечить полной экранировкой контактной зоны. Для экранировки верхней по-

б)

1 I 1

Рис. 27. Коллекторно-щеточный узел электрической машины лусферы СК разработана конструкция коллекторно-щеточного узла (КЩУ) МПТ, которая показана на рис.27 (я) и (б), где 1 - коллектор; 2 - щетка; 3 -экран на выступающей щетке 2; 4 - щеткодержатель; 5 - полый прилив, выполненный со стороны набегающего и сбегающего края щетки 2; б и 7 -точки набегания и сбегания щетки 2; 8 - касательная линия; 9 - петушки коллектора 1; 10 - полый прилив над петушками 9; 11 - полость прилива 10;

12 - ось. Внутренняя поверхность крылообразного экрана 5 представляет собой часть поверхности параболоида с кривизной параболического вида у3=2рх по всей ширине щетки 2, где ось параболы совмещена с условной касательной линией 8. Внутренняя поверхность прилива 10 выполнена с той же кривизной, только ось 12 параболы расположена выше нижней грани прилива 10 на удвоенную величину воздушного зазора.

Характерной особенностью ВЧ помеховых полей от CK является их прямолинейное распространение путем отражения от препятствий, причем при каждом отражении от внутренней поверхности ферромагнитного экрана происходит и одновременно частичное поглощение их электромагнитной энергии (до 15 %). Таким образом, при многократном отражении электромагнитные поля от CK теряют до 80-90 % своей энергии, поэтому паразитным рассеянным полем, проникающим через минимальный воздушный зазор между коллектором и щеткодержателем, в первом приближении можно пренебречь.

На рис.26 (график 4) показан уровень напряженности электрического поля РП с полной экранировкой контактной зоны, где достигается наименьшая напряженность электромагнитных полей от машин данного класса.

Однако у серийных МПТ, а также в разработанной конструкции крылообразной экранировке контактной зоны продукты износа попадают в CK, что приводит его к нестабильной работе. Более того, данные продукты износа скапливаются между стенкой щеткодержателя и щеткой, а при непрерывных реверсах происходит их утрамбовывание и образование наклепа, что приводит к заклиниванию щетки в колодце и возникновению аварийной ситуации.

Для устранения данного явления и повышения стабильности контактирования CK МПТ разработана конструкция КЩУ, которая показана на рис.28 (а) и {&), где 1 - коллектор; 2 - крылообразный прилив, выполненный

Рис.28. Коллекторно-щегочный узел со щелью в полости прилива

со стороны набегающего края щетки 4; 5 - полость прилива 2; 3 - козырек; 6 - полый крылообразный прилив; 7 - связующий канал между полыми приливами; 8 - щелевидное отверстие, выполненное в верхней части полых

Вид по стрелке А

Вид А

приливов 2 и 6. Поток воздуха с захваченными продуктами износа отсекается приливом 2 и напирает на отогнутую часть козырька 3, откидывает его и удерживает в вертикальном положении со стороны набегающего края щетки 4. Вследствие аэродинамического эффекта из-за возникающей разности давлений в струе потока над приливом 2 и в крылообразной полости 5 прилива происходит вытягивание продуктов износа из полости 5 через щель 8 и подхваченные общим вентиляционным потоком они удаляются из машины. Однако рекомендуемая щель 8 в верхней части приливов 2 и 6 может снижать эффективность экранирования электромагнитных полей от СК машины.

Если а - ширина, Ь - длина щели и г - толщина прилива (экрана), размерность выражена в метрах, то при Ь»а эффективность экранирования (в дБ) помеховых полей СК с длиной волны X > 2(а+Ь) можно рассчитать по формуле

При длине помеховых волн X » 2Ь, а это условие выполняется во всем защищаемом диапазоне частот от 0,15 до 300 МГц (при длинах волн X = 0,3-1000 м) выражение (31) примет вид

Первый член выражений (31) и (32) описывает влияние щели, а второй -запредельный волноводный эффект. В общем случае ширина щели а не должна превышать 0,05Х. При ширине щели 2-3 мм данное условие а < 0,05X выполнимо для всего защищаемого от РП диапазона частот.

Экранирующий эффект нескольких щелей зависит от расстояния между ними (s) и удаленности источника РП от щели, т.е. от высоты прилива (А).

Если размеры прямоугольных щелей (а х А), где b > а, расстояние между ними s, экраны изготовлены из металла с удельным сопротивлением р [Ом м] и магнитной проницаемостью ц = Цо ц, ~ 1,257^ [мкГн/м], то при токопрохождении в СК, осуществляемом с частотой /г, которое генерирует паразитные электромагнитные волны 1 = с//г = 2,998x1тогда эффективность экранирования выражается формулой

(31)

(32)

Э= А, + Я. + В. + К\+ К2 + КЗ, А, = 27,3(г//>); (34) Я„=2С

(33)

К2 = -20 ^

1 +

35

узу

(38)

КЗ = 20 1ё-

ехр 6,29- +1

ехр(б,29^-1

(39)

а)

где к = 6/яй дня магнитных полей, к= }2Ъ(Х для плоских волн,

к =- 4ггЬЩЯ2 для электрических полей, <5 = (р/в метрах.

Если СК находится далеко от экрана с его щелевидным отверстием, где А » Ь + 5, то следует учитывать член К1: выражение (37) в уравнении (33). В нашем случае (МПТ малой мощности) при высоте к полости прилива экрана, соизмеримой с длиной щели Ь, для большей надежности необходимо принять коэффициент К1 = 0.

Как показал анализ расчетов щелевидное отверстие в верхней части крылообразных экранов для диапазона частот 0,15-300 МГц не снижают экранирующего эффекта. Однако для СВЧ, например космической связи (с частотами 37,5 - 47,5 ГГц), необходимо обеспечение повышенной электромагнитной совместимости и на этих частотах. Для решения этой задачи разработана конструкция КЩУ с заменой щелевид-ного отверстия (рис.29, а) в верхней части крылообразных экранов на отдельно выполненные отверстия, сгруппированные в ряды матричного типа, как показано на рис.29 (б) и (в), причем отверстия могут быть любой формы или конфигурации. При этом должно выполняться требование (40), что сум-

в)

Рис.29. Отверстия в крылообразных

экранах а) - щелевидное; б) - круглые, сгруппированные в ряды матричного типа; в) - треугольные отверстия марная площадь отдельных отверстий должна быть не меньше площади щели:

(40)

Тогда составляющие выражения (33) эффективности экранирования паразитных электромагнитных полей от СК вычисляются следующими выражениями:

! к + \ \г'

Аа = ЪУИгЫ)\ (41) А» = 20-^'

В, = 20-^

(43)

где

(А + 1)2х10"2,7:1г/'' к = <//3,682Л для магнитных полей,

к = _/2яа^З,628Д для плоских волн,

к = -4тгг<Л/3,682<Яг

£1 = 10^

3,464(</ + я)2

(45)

для электрических полей;

35

^2 = -20-^

■0=20-^-

1 + -

(44)

(46)

(47)

Тогда эффективность экранирования вычисляется по выражениям (41) -(47), которая будет существенно выше предыдущего случая, так как отношение толщины экрана к диаметру отдельных отверстий будет значительно больше чем отношение толщины экрана к длине щели (гМ » г/Ъ).

Таким образом, в МПТ при работе коммутируемого СК возникающие ВЧ паразитные электромагнитные поля РП локализуются во внутренних полостях экранов, а замена щелевидного отверстия в верхней части экранов на отдельно выполненные отверстия, сгруппированные в ряды матричного типа, как показали расчеты, не снижают экранирующего эффекта для диапазона СВЧ. Поэтому в лобовых частях обмоток, соединительных проводах и щеточных канатиках не наводятся высокочастотные ЭДС, чем в совокупности достигается повышенная ЭМС МПТ с РЭС различного назначения.

В шестом разделе приведены конструктивно-технологические разработки по снижению искрения в СК и повышению ЭМС всего ряда малых мощностей МПТ путем обеспечения оптимального и равномерного емкостного распределения относительно коллекторных пластин с одновременным увеличением собственной емкости, шунтирующей секции электрической машины в процессе коммутации.

б)

Рис.30. Конструкция коллектора с отгибами у межламельной изолированной металлической пластины Для увеличения площади обкладок встраиваемых конденсаторов разра-

1

ботаны конструкции коллекторов, одна из которых выполнена с отгибами у межламельной изолированной металлической пластины, показанная на рис.30 (в) и (б), где 1 - ламели; 2 - межламельные металлические пластины; 3 - диэлектрический материал; 4 - отгибы металлических пластин 2, выполненные с обоих торцов ламелей 1; 5 - пластмасса коллектора. Другая (не показанная) конструкция заключается в том, что межламельные изолированные металлические пластины и боковые поверхности ламелей отштампованы с зигзагообразным профилем также для увеличения площади обкладок встраиваемых конденсаторов коллектора.

Для высокооборотистых МПГ разработана конструкция с повышенной прочностью коллектора, приведенная на рис.31 (а), с продольным сечением

А~А Б-Б

б)

Рис. 31. Коллектор с металлическими дисками по торцам А-А, а на рис.31 (б) - вид с торца коллектора и часть поперечного разреза Б~Б. Между ламелями I установлены металлические пластины 2, выполненные с выступающими участками 4, изолированные прокладками 3. Повышенная прочность коллектора обеспечивается путем установки по обоим торцам пластмассового корпуса 6 металлических дисков 5 с прорезями 8, в которые входят выступающие участки 4 пластин 2 и свариваются, чем достигается надежное механическое и электрическое соединение. Данная конструкция не только обеспечивает повышенную прочность коллектора, но и хорошую экранировку контактной зоны его нижней полусферы.

Для более широкого диапазона варьирования значениями создаваемых емкостей коллектора машины разработаны конструкции МПТ с плоским межламельным пакетом сложенным вскладку типа "гофр", показанные на рис.32 (из 2-х металлических полос) и рис.33 (из 3-х полос). На рис.32 плоский межламельный пакет 5 получен из 2-х параллельно сложенных полос 2 и 3 металлической фольги, разделенных изоляцией 4, где видно, что металлическая полоса 2 контактирует с боковой поверхностью ламели 1, а другая полоса 3-е металлической пластиной 6, которая нижней частью (ребром) контактирует с валом 8. Из рис.33 (для 3-х полос) видно, что одна крайняя полоса 2 неизолированной частью состыкована с боковой поверхностью ламели 1, а другая крайняя полоса 4 неизолированной частью контактирует с

боковой поверхностью другой соседней ламелью 1. Средняя полоса металлической фольги 3 в центре плоского пакета 5 неизолированной частью кон-

Рис.32 (2 полосы) Рис.33 (3 полосы) Рис.34 (спиралие-

вый рулон)

тактирует с верхней частью П-образной металлической пластиной 6, а её концевые части 7 контактируют с валом 9.

Подобная конструкция иллюстрируется на рис.34, где показан увеличенный разрез плоского межламельного спиралиевого рулона, который выполнен также из трех параллельно сложенных полос металлической фольги 2, 3 и 4, разделенных между собой изоляцией 5 и многократно свернутых в спиралиевый рулон.

Выбор величины емкостей, получаемых плоскими межламельными пакетами этих конструкций между каждой ламелью и валом выбирают так же, как для базовой модели МПТ (рис.14, график 2) и имеют аналогичную схему замещения (рис.24). Данные конструктивные решения позволяют обеспе-

А-А

Рис. 35. Продольный разрез коллектора МПТ

Рис. 36. Поперечный разрез коллектора МПТ

чивать оптимизацию (требование 21) емкостного распределения в МПТ с многовитковыми секциями якоря, а значит, и со значительными собственными емкостями машины. Однако зажатые размеры межламельного промежутка коллекторов МПТ малой мощности накладывают ограничения в повышении дополнительных емкостей встраиваемого фильтра от радиопомех.

Для устранения отмеченного недостатка разработана и запатентована конструкция МПТ со спиралиевым рулоном, намотанным вокруг вала машины, которая показана на рис.35,36. На рис.35 показан продольный разрез коллектора МПТ, а на рис.Зб - вид с торца коллектора в поперечном сечении А-А. Металлические пластины 2 изготавливают в виде параллельно сложенных полос из тонкой металлической фольги, изолированные межполосной изоляцией 3, сдвинутые друг относительно друга на величину половины коллекторного деления и свернутые в спиралиевый рулон 5 вокруг вала 6. По наружному диаметру спиралиевого рулона 5 металлические пластины 2 (через одну) соединены пайкой своими концами с металлическими штырями 7, которые имеют радиально отогнутые части 8, сваренные с торцами ламелей 1. По внутреннему диаметру спиралиевого рулона 5 промежуточные изолированные металлические пластины 2 соединены пайкой зачищенными концами с металлическими штырями 9, которые имеют отогнутые части 10, сваренные с металлической втулкой 11. Многоточием позиции 4 условно обозначены непоказанные пластины 2,12 - пластмассовый корпус коллектора, в котором установлены ламели 1. Предложенная конструкция МПТ обеспечивает оптимизацию емкостного распределения для всего ряда малых мощностей машин, что позволяет снизить искрение под щетками до темной коммутации при тех же мощностях машины и, как следствие, существенно уменьшить энергию электромагнитных излучений и эрозийный износ скользящего контакта и тем самым в 1,5 раза увеличить гарантированный ресурс работы МПТ с заметным повышением качества ЭМС данного класса машин с РЭС различного назначения в бортовых или подвижных объектах.

В этом же разделе освещены технологические вопросы по выполнению встроенных систем фильтрации, которые изготовлялись тремя способами. Первый - это получение диэлектрических колец алмазной резкой из керамических трубных заготовок с последующей шлифовкой и металлизацией. Однако хрупкость тонких керамических колец или пластин осложняет их установку на коллекторах МПТ. Второй способ - это формирование диэлектрической изоляции у меэкламельных металлических пластин на основе эпоксидных компаундов с мелкодисперсным калиброванным порошком керамического наполнителя. Третий рассматриваемый способ плазмохимического напыления в газоразрядной камере ВЧ плазмотрона в среде потока аргона при температуре 900°С тонких керамических пленок на металлическую заготовку или основание, которое служит обкладкой для получаемых дополнительных конденсаторов, является самым технологичным и может использоваться для серийного изготовления разработанных встраиваемых систем фильтрации в

МПТ малой мощности с целью обеспечения их повышенной ЭМС с РЭС.

В седьмом разделе диссертации на основе системного моделирования и анализа основных причин возникновения РП в МПТ малой мощности построена иерархическая модель системы по обеспечению допустимых параметров ЭМС. Обеспечение этих параметров в ходе разработки и проектирования МПТ, а также при конструирования встраиваемых систем фильтрации позволяет получить параметры ЭМС машин в требуемых пределах, которые определяются напряжением и током РП по цепям питания или нагрузки МПТ электрической и магнитной составляющей напряженности полей РП.

На основе структурной иерархической модели, где используется метод определения коэффициентов влияния наиболее важных конструктивных и эксплуатационных параметров МПТ разработана математическая модель прогнозирования и обеспечения уровней качественной ЭМС данного класса машин с РЭС, находящимися в непосредственной близости или имеющими с ними общий источник питания в бортовых или подвижных объектах. В данной математической модели по обеспечению повышенной ЭМС МПТ с РЭС в качестве выходных параметров использованы единичные показатели качества ЭМС, которые устанавливаются государственными и отраслевыми стандартами, техническими условиями на изделия.

Исходными данными математической модели выбраны: основной нагрузочный параметр МПТ - плотность тока в СК (¡и, А/м2); эксплуатационные параметры - температура (Т, град. К) и влажность (Н, %) окружающей среды, скорость вращения в СК (V, м/с) и перепады высот ламелей (ДЬ, мкм). При разработке математической модели по обеспечению повышенной ЭМС МПТ с РЭС различного назначения приняты следующие допущения:

1. Заданные показатели качества ЭМС Г7 являются непрерывными

функциями от значений факторов X = (хь х2, ..., х„.....хп)

Ут = Цх1, х2,..., х„ ..., х„), (48)

где Уу -у'-й единичный показатель качества ЭМС МПТ; у = 1,...,ш - количество этих показателей качества; д:,- - /-й фактор, определяющий единичный показатель качества; I = 1,. ..,п - количество рассматриваемых факторов.

2. Значения показателей качества ЭМС МПТ и воздействующих факторов являются случайными величинами.

3. Изменение показателей качества допускается только в определенных односторонних пределах:

(?Т(Х) 2 Уу!, (49)

(.ХеД 7=1,...,т,

где К* - значение величины показателя качества ЭМС, соответствующее верхней границе поля допуска; /) - множество возможных значений факторов. Отклонения значений показателей качества ЭМС МПТ в пределах [0,Уу5] в пространстве выбранных факторов определяют связную область допустимых значений факторов О < О так, чтобы для всех точек области О показатели качества были приемлемыми:

ЕИХеИЧУдаУ,.}. (50)

Гиперплоскость, определяемая заданными показателями качества ЭМС,

= Хг,..., Х!...... Хк) = УТ5, (51)

при пересечении с Ут = Гт(хь %2, х„ ...., х„) образует область допустимых изменений значений воздействующих факторов X.

Для линейной преобразующей системы на основе принципа суперпозиции запишем систему уравнений:

Д Y = С10 + С, +... + CybXj +... + С1пАХ„-ДК = С20 + C2l&Xl+...+CZj&Xj +...+С2пДАг„; Д Y = Су о + СгХ А*, +... +■ C^AXj +... + Су„ЬХп\ Д Y = Ст0 + ...+CmjAXj +... + СтпАХп

(52)

Система уравнений (52) описывает формирование чувствительности единичных показателей качества ЭМС МПТ. Коэффициенты Св- определяют передаточные коэффициенты преобразующей системы и отражают влияние любого фактора на суммарную величину единичных показателей качества ЭМС. Значения C,j называются коэффициентами влияния факторов на показатели качества Определение коэффициентов влияния позволяет провести качественный анализ влияния входных факторов на выходные показатели и выделить основные, к которым выходные показатели являются наиболее чувствительны. Коэффициенты влияния определяются по следующему выражению:

Y -YiH х

С _ Y_J" ^ ш

crj - _ -ТГ-, (53)

i Л 1н ун

где Yr - значение /-го показателя качества для /-го значения фактора; х, - значение ¿-го фактора с учетом его действительного отклонения; YT„ и Хм - номинальные значения показателей качества и основных факторов.

В качестве входных параметров принимаются основные конструктивные и эксплуатационные параметры МПТ малой мощности, влияющие на выходные показатели качества ЭМС ( всего согласно структурной модели 17 элементов). Поэтому математическая модель по обеспечению повышенной ЭМС МПТ в общем виде представлена в виде матрицы, образующей совокупность (17х 5 = 85) коэффициентов влияния. Расчет коэффициентов влияния с применением разработанной математической модели проводился при использовании экспериментально снятых данных, по которым построены основные зависимости, с дальнейшей их аппроксимацией численными методами на вычислительной технике с применением существующих на данный момент программных продуктов, например пакетов математической обработки экспериментальных данных Numery® 3.10, Curve Expert® 1.35, математической среды MathCad® 7.0. Кроме того, могут быть использованы методы планирования эксперимента с дальнейшей обработкой полученных результатов с применением аппарата математической статистики.

Предложенная методика позволяет прогнозировать уже на стадии про-

ектирования влияние основных конструктивных и эксплуатационных параметров МПТ по обеспечению их повышенной ЭМС с РЭС, находящимися в непосредственной близости или имеющих с ними общий источник питания.

В качестве примера расчета математической модели, предлагаемой в данной работе, были использованы экспериментальные данные, полученные при исследовании ЭМС исполнительного электродвигателя Д-550. Из этих данных были построены аппроксимирующие зависимости и уравнения кривых, позволяющие определить коэффициенты влияния некоторых информативных параметров на показатели качества ЭМС МПТ. В качестве входных параметров были использованы пять наиболее информативных параметров, а именно: плотность тока в СК - /, скорость вращения в СК - V, температура окружающей среды Т, влажность окружающей среды Н, высота перепадов коллекторных пластин АИ,а в качестве выходного показателя выбран наиболее информативный параметр уровень напряжения РП по цепи питания МПТ. Тогда уравнение отклонения выходного показателя на основании (53) преобразуется следующим образом:

Лип = С,-А] + С н-Д + Ст-ДТ + Сдь'ДЬот + Су-ДУ, (54)

где А7, АН, А Г, АИот, А V— отклонение входных параметров, задаваемое в 5%-ном диапазоне от их номинальных значений.

1. Зависимость уровня напряжений РП МПТ от плотности тока в скользящем контакте и её аппроксимирующая кривая имеет следующий вид:

ипР) = а+Ъ-1+с-;2, (55)

где а = 98,37; Ь = -1,78; с = 0,251 - коэффициенты формы кривой (дБ). Вид полученной экспериментальной и аппроксимирующей кривых свидетельствуют о значительном влиянии ВЧ составляющих, имеющихся как в действительном периоде, так и на завершающем этапе коммутации, особенно когда происходит разрыв остаточного тока в коммутируемой секции, величина которого увеличивается с ростом плотности тока в контакте.

2. Зависимость уровня напряжений РП от влажности Н окружающей среды и её общий вид аппроксимирующей кривой описывается выражением:

ип(Н) = а+Ь-Н+с-Н2 +(1-Н3, (56)

где а = 84,38;Ь = -0,95;с= - 0,02; (1 = 1,2-10"4-коэффициенты формы кривой (дБ).

Кривая зависимости уровней напряжений РП от влажности имеет выраженный минимум при уровне влажности окружающей среды 80%. С началом увеличения влажности проводимость окисной плёнки возрастает и уровень РП падает. При дальнейшем увеличении влажности (свыше 80%) уровень напряжения РП начинает увеличиваться из-за более интенсивного окисления и роста сопротивления окисной пленки.

3. Зависимость уровня напряжений РП от температуры Т окружающей среды и её общий вид аппроксимирующей кривой имеет следующий вид:

и^Т^а+Ь-Т+с-ТЧа-Т3, (57)

где а = 115,66; Ь = - 1,38; с = — 0,021; <1 = - 8,64-10"5-коэффициенты формы

кривой, выраженные в относительных единицах, дБ.

Кривая зависимости уровней напряжений РП имеет выраженный минимум при температуре 313 град. К, обусловленный изменением свойств окис-ной пленки, ее электронной и ионной проводимостью, растущей с начальным повышением температуры с 293 до 313 градусов К, поэтому уровень РП имеет падающий характер. Общий уровень напряжения РП характеризуется величиной коммутационной составляющей, присутствующей при разрыве остаточного тока в секции на завершающем этапе коммутации. Дальнейшее повышение температуры с 313 до 363 градусов К вызывает увеличение сопротивления СК и приводит к росту уровня РП, что объясняется наиболее интенсивной кинетикой образования окисной пленки при увеличении температуры.

4. Зависимость уровня напряжений РП от высоты перепада коллекторных пластин Ah и её общий вид аппроксимирующей кривой запишется в виде:

ип(ДЬ) = a+b-Ah-l-c-Ah2 +d-Ah3, (58)

где а = 87,185; b = 0,377; с=- 0,009; d = 6,7-Ю-5 - коэффициенты формы кривой (дБ).

5. Зависимость уровня напряжений РП МПТ от скорости вращения в СК представлена в виде:

Un(V)= (59)

l+c-V+d-V

где а = 90,327; b = - 3,527; с = - 0,046; d = 9,4-10~5 - коэффициенты формы кривой, выраженные в относительных единицах, дБ.

Равномерное увеличение уровня напряжения РП с повышением скорости вращения связано с ростом ламельной составляющей ВЧ пульсаций, напрямую зависящей от частоты вращения якоря, количества ламелей и диаметра коллектора, поэтому уровень РП имеет плавно нарастающий характер. Задаваясь отклонением входных параметров в пределах 5% от номинальных значений, определяем коэффициенты влияния основных конструктивных и эксплуатационных параметров на уровни напряжения РП МПТ.

Тогда выражение (54) можно записать в следующем виде:

Дип= 0,022-AJ-0,09-ДН - 0,05-ЛТ + 0,093-Alv + 0,064-AV. (60)

На основании полученных коэффициентов влияния можно сказать, что плотность тока в СК, перепады высот коллекторных пластин и скорость вращения имеют явную зависимость к повышению уровней напряжений РП.

Таким образом, ЭМС МПТ является одним из критериев, обеспечивающих комплексную оценку качества изготовления электрической машины в целом, а также её эксплуатационных возможностей. В данной работе удалось выявить основные взаимосвязи между наиболее важными показателями качества ЭМС данного класса машин от их конструктивных и эксплугаци-онных параметров. На основе выработанной методологии разработана комплексная оценка и математическая модель по обеспечению повышенной ЭМС МПТ малой мощности с бортовыми РЭС различного назначения, которая по-

зволяет уже на стадии проектирования прогнозировать допустимые уровни РП через их закладываемые конструктивно-эксплуатационные параметры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатами исследования, приведенными в диссертационной работе, доказано и научно обоснованно решение важнейшей проблемы по обеспечению повышенной электромагнитной совместимости электрических машин постоянного тока малой мощности, используемых в качестве исполнительных электродвигателей в бортовых или подвижных объектах, а также в качестве генераторов - источников питания радио- и информационных средств связи, которые обладают повышенными требованиями по допустимым уровням радиопомех.

Реализация изложенных в работе рекомендаций и конструктивных разработок позволяет на стадии проектирования комплексно обеспечивать заданную повышенную электромагнитную совместимость данного класса машин с радиоэлектронными системами, находящимися в непосредственной близости или имеющими с ними общий источник питания.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований можно свести к следующим положениям:

1. Разработанная методология и математическая модель по комплексной оценке и обеспечению повышенной электромагнитной совместимости МПТ малой мощности с бортовыми радиоэлектронными системами позволяет уже на стадии проектирования прогнозировать допустимые уровни радиопомех в зависимости от конструктивных и эксплуатационных параметров МПТ.

2. Теоретические и экспериментальные исследования действительного периода коммутации МПТ показали, что при любом характере коммутации и при любой токовой нагрузке машины с переходом работы коммутируемой секции из одной параллельной ветви в другую и с изменением направления тока в ней от +/„ до дважды под щетками возникают "ударные" плотности тока, которые заключены в области (0,4-1 )-104 А/м2, когда возникают условия пикообразного возрастания на три - четыре порядка уровней радиопомех.

3. На основании разработанной высокочастотной схемы замещения МПТ выявлен явно неравномерный характер распределения собственных емкостей машины и выведено требование по оптимизации емкостного распределения относительно ламелей коллектора.

4. Впервые разработаны принципиально новые встраиваемые системы фильтрации по снижению искрения и уровней радиопомех для всего ряда малых мощностей МПТ, реализующие оптимизацию емкостного распределения в электрической машине.

5. Разработана методика моделирования электромагнитных помеховых полей от скользящего коммутирующего контакта МПТ и на её основе выра-

ботаны меры по эффективному снижению их интенсивности.

6. Найдены резонансные явления, возникающие в некоммутируемых разновитковых секциях, вызывающие амплитудные перенапряжения в них и обусловливающие повышенные уровни радиопомех МПТ.

7. Разработанная методология и математическая модель по комплексной оценке и обеспечению повышенной электромагнитной совместимости МПТ с бортовыми радиоэлектронными системами внедрены в Сибирском НИИ машиностроения г.Красноярск и НПО "Прикладной механики" г.Железногорск, которые позволяют не только прогнозировать уровни радиопомех уже на стадии проектирования машины от её закладываемых конструктивных и эксплуатационных параметров, но и реализовать предлагаемые мероприятия по достижению допустимых уровней радиопомех, задающих бортовым комплексом.

Разработан и внедрен малошумящий токопереход лебедки ТК-5 с контактными кольцами из антифрикционного графита для Института Океанологии им. П.П.Ширшова АН РФ, обеспечивающий передачу по коаксиальному кабель-тросу повышенного качества силовой энергии, а также беспомеховый съём и обмен научно-исследовательской информацией между спускаемым глубинным аппаратом или роботом и бортовым электронно-вычислительным комплексом, расположенным на платформе корабля.

Внедрены на Томском электротехническом заводе, на предприятии "Спецтехномаш" и Сибирском НИИ технологии машиностроения принципиально новые встраиваемые системы фильтрации от радиопомех, обеспечивающие оптимизацию емкостного распределения для всего ряда малых мощностей МПТ. Данные разработки позволяют снижать искрение и подавлять уровень радиопомех во всем защищаемом диапазоне частот от 0,15 до 1000 МГц, что существенно повышает качество электромагнитной совместимости исполнительных электродвигателей с радиоэлектронной аппаратурой в бортовых или подвижных объектах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бекишев Р.Ф., Селяев А.Н. Исследование уровня радиопомех при работе коллекторных электрических машин постоянного тока // Электротехника. 1980. № 4. С. 44-46.

2. А. с. 746790 СССР. Устройство подавления радиопомех и снижения искрения коллекторных электрических машин / А.Н.Селяев, Р.Ф.Бекишев, Б.П.Романов, Ю.И.Алексеев //Открытия. Изобретения. 1980. № 25.

3. Бекишев Р.Ф., Селяев А.Н. Влияние климатических факторов на уровень радиопомех скользящего контакта щетка — контактное кольцо// Межвуз. темат. сб. науч. трудов: Коммутация тяговых электродвигателей и других коллекторных машин. Омск, 1980. С. 85-90.

4. А. с. 7882241 СССР. Устройство для снижения уровня радиопомех и искрения коллекторных электрических машин/ А.Н. Селяев, Р.Ф. Бекишев, Э.Ф. Оберган, Б.П. Романов, В.В. Марусин // Открытия. Изобретения.

1980. №46.

5. А. с. 796967 СССР. Щеточный узел коллекторный электрической машины / А.Н. Селяев, Ю.П. Клушин// Открытия. Изобретения. 1981. № 2.

6. А. с. 851577 СССР. Щеточный узел коллекторной электрической машины/ А.Н. Селяев // Открытия. Изобретения. 1981. № 28.

7. А. с. 893961 СССР. Масса для изготовления керамического материала/ В.И.Верещагин, Б.П.Романов, А.Н.Селяев// Открытия. Изобретения. 1981. №48.

8. Селяев А.Н. Способ подавления радиопомех в машинах постоянного тока// Коммутация электрических машин. Харьков, 1984. Ч. 3. Общие вопросы теории и проектирования машин постоянного тока. С. 82-83.

9. Селяев А.Н. Зависимость уровня высокочастотных пульсаций от завершающего этапа коммутации в машинах постоянного тока/ Том. политехи. ин-т. Томск, 1986. 15 с. Деп. в Информэлектро 20.02.86, № 262-эт.

10. Селяев А.Н. Математическая модель оценки уровня высокочастотных пульсаций напряжения и радиопомех скользящего контакта в различных климатических и нагрузочных режимах/ Том. политехи, ин-т. Томск, 1986.34 с. Деп. в Информэлектро 12.03.86, № 292-эт.

11. Селяев А.Н. Влияние некоммутируемых секций на уровни высокочастотных пульсаций и радиопомех в машинах постоянного тока/ Том. политехи. ин-т. Томск, 1986. 17 с. Деп. в Информэлектро 12.03.86, № 293-эт.

12. Селяев А.Н. Влияние срока службы на уровень высокочастотных пульсаций напряжения и радиопомех в машинах постоянного тока с медными и углеграфитовыми коллекторами/Том. политехи, ин-т. Томск, 1986. 9 с. Деп. в Информэлектро 04.04.86, № 334-эт.

13. Патент № 1332433 РФ, МКИ 6 Н 01 II 39/04. Электрическая машина/ А.Н.Селяев, Ю.А.Степанов// Открытия. Изобретения. 1987. № 31.

14. Селяев А.Н. Коллектор электрической машины с низким уровнем высокочастотных пульсаций напряжения// Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности: Тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. конф. Тбилиси, 1987. С. 89-90.

15. Селяев А.Н. Способ устранения продуктов износа из зоны скользящего контакта в электрических машинах// Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности: Тез. докл. науч.-техн. конф. Томск, 1987. С. 67-68.

16. А. с. 1422276 СССР. Электрическая машина/ А.Н.Селяев, Ю.А. Степанов// Открытия. Изобретения. 1988. № 33.

17. А. с. 1422277 СССР. Электрическая машина / А.Н. Селяев, Ю.А. Степанов, Р.Ф.Бекишев, Р.Х. Сайфутдинов // Открытия. Изобретения. 1988. №33.

18. А. с. 1424086 СССР. Электрическая машина/ Ю.А.Степанов, А.Н. Селяев // Открытия. Изобретения. 1988. № 34.

19. А. с. 1424087 СССР. Коллекторная электрическая машина/ А.Н. Селяев, Ю.А. Степанов// Открытия. Изобретения. 1988. № 34.

20. Селяев А.Н. Способ повышения стабильности работы скользящего контакта высокоиспользуемых в реверсивном режиме электрических машин// Переходные процессы в синхронных машинах: Тез. докл. V Все-союз. науч.-техн. конф. Каунас, 1988. 4.2. Динамические режимы работы машин постоянного тока. С. 184.

21. А.с. 1536466 СССР. Способ изготовления коллектора электрической машины / А.Н. Селяев, Ю.А. Степанов, Ю.И. Алексеев// Открытия. Изобретения. 1990. N° 2.

22. А. с. 1654902 СССР. Коллекторная электрическая машина/ А.Н. Селяев, Р.Ф. Бекишев, Р.Х. Сайфутдинов// Открытия. Изобретения. 1991. № 21.

23. Селяев А.Н. Резонансы в некоммутируемых секциях и их влияние на уровень радиопомех коллекторных электрических машин// Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XV науч.-техн. конф. Томск: ГНПП "Полюс", 1996. С. 96-98.

24. Селяев А.Н. Оптимизация распределенной емкости в коллекторной электрической машине и её влияние на уровень радиопомех// Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XV науч.-техн. конф., Томск: ГНПП "Полюс", 1996. С. 98-100.

25. Селяев А.Н. Способ изготовления коллектора для электрической машины с повышенными требованиями к электромагнитной совместимости// Электромеханика и электротехнологии: Тез. докл. II Междунар. конф. Крым, 1996. Ч. 1.С. 196-197.

26. Селяев А.Н. Некоммутируемые секции и их влияние на электромагнитную совместимость по цепям питания машин постоянного тока// Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. НПЦ "Полюс". Томск, 1997. С. 163-170.

27. Селяев А. Н. Обеспечение качественной электромагнитной совместимости коллекторных электрических машин// Электромеханика и электротехнологии: Тез. докл. III Междунар. конф. Клязьма, 1998. С. 305-306.

28. Selyaev A.N., Muravlyov О.Р. Stability increase of brush-collector unit running of highly effective DC machines under reversible conditions// The Second Russian-Korean International Symposium on Science and Technology.

» At Tomsk Polytechnic University. Tomsk, Russia. August, 30 - September, 5.

1998. P. 81.

29. Muravlyov O.P., Selyaev A.N. Influence of commutation final stage on the level of electromagnetic compatibility of direct current machines// Electrical-energetic system and electrical machines. Vol. 4. 43 International scientific conference. Ilmenau, Germany. 21-24 September. 1998. P. 468-471.

30. Патент № 2118023 РФ, МПК 6 H 01 R 39/04. Коллекторная электрическая машина с низким уровнем радиопомех/ А.Н. Селяев, О.П.Муравлев, Р.В. Григорьев // Открытия. Изобретения. 1998. № 23.

. Свидетельство на полезную модель № 8531 РФ, МПК 6 Н 01 R 39/04. Щеточный узел коллекторной электрической машины/ А.Н. Селяев, О.П. Муравлев // Бюл. ПМ № 11. Опубл. 16.11.98.

!. Свидетельство на полезную модель № 8532 РФ, МПК 6 Н 01 R 39/04. Электрическая машина/ А.Н. Селяев, О.П. Муравлев// Бюл. ПМ № 11. Опубл. 16.11.98.

I. Патент № 1225758 РФ, МПК 6 Н 01 R 39/04, Н 02 К 13/10. Коллекторная электрическая машина/ А.Н. Селяев, О.П. Муравлев, Р.В. Григорьев // Открытия. Изобретения. 1999. № 3.

I. Селяев А.Н., Муравлев О.П. Повышение электромагнитной совместимости коллекторных электрических машин экранировкой контактной зоны// Тез. докл. Всерос. Электротехнического Конгресса "На рубеже веков: итоги и перспективы". Москва: МГТУ, 1999. Том IV. С. 130-131.

¡. Патент № 2126573 РФ, МПК 6 Н 01 R 39/46, Н 02 К 13/10. Коллекторная электрическая машина с повышенной электромагнитной совместимостью/А.Н.Селяев, О.П.Муравлев/Юткрытия. Изобретения. 1999. № 5.

i. Selyaev A.N., Muravlyov О.Р. The way of qualitative magnetic compatibility of low voltage DC machines// The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology. At Novosibirsk State Technical University. Novosibirsk, Russia. June 22-25. 1999. Vol. 2. P. 798.

К Bogdanov E.P., Selyaev A.N. Synchronous generator of frontal type with increased electromagnetic compatibility// The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology. At Novosibirsk State Technical University. Novosibirsk, Russia. June 22-25. 1999. Vol. 2. P.799.

!. Селяев А.Н. Роль экранировки контактной зоны в повышении электромагнитной совместимости коллекторных электрических машин // Сб. науч. тр.: "Перспективные материалы, технологии, конструкции". Красноярск: ГАЦМиЗ, 1999. Вып. 5. С. 389-392.

>. Патент № 2134471 РФ, МПК 6 Н 01 R 39/04, Н 02 К 13/10. Коллекторная электрическая машина с низким уровнем радиопомех / А.Н. Селяев // Открытия. Изобретения. 1999. JV° 22.

>. Муравлев О.П., Селяев А.Н. Зависимость электромагнитной совместимости оттоков разрыва секций при коммутации в машинах постоянного тока // Межвуз. темат. сб. науч. тр.: Электромагнитные процессы в электрических машинах. Омск: ОГУПС, 1999. С. 37- 42.

.. Свидетельство на полезную модель № 10495 РФ, МПК 6 Н 02 К 19/26. Синхронный генератор торцевого типа / А.Н. Селяев, О.П. Муравлев, Е.П. Богданов // Бюл. ПМ № 7. Опубл. 16.07.99.

!. Селяев А.Н. Моделирование электромагнитных помеховых полей от коммутирующего скользящего контакта в электрических машинах постоянного тока// Межвуз. сб. науч. тр.: "Оптимизация режимов работы систем электроприводов". Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. С. 78-89.

!. Селяев А.Н. Влияние действительного периода и завершающего этапа

коммутации на электромагнитную совместимость коллекторных электрических машин // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: Тез. докл. ГУ Междунар. конф. Клязьма, 2000. С. 315-316.

44. Гаврилов A.M., Селяев А.Н., Думачева О.Р. Оценка уровня электромагнитных помех от аппаратуры регулирования и контроля системы электроснабжения космических аппаратов // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XVI науч.-техн. конф. Томск: НПЦ "Полюс", 2000. С. 46-48.

45. Селяев А.Н. Определение ударных фаз коммутации и их влияние на уровень радиопомех и электромагнитную совместимость электрических машин И Сб. науч. тр.: "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика". Красноярск: ГАЦМиЗ, 2000. Вып. 6. С. 527-529.

46. Селяев А.Н. Повышение электромагнитной совместимости машин постоянного тока крылообразной экранировкой контактной зоны // Изв. вузов. Электромеханика. 2000. № 2. С. 54-57.

47. Патент №2145143 РФ, МПК 7 Н 01 R 39/04. Коллекторная электрическая машинаУ А.Н. Селяев// Открытия. Изобретения. 2000. № 3.

48. Селяев А.Н., Богданов Е.П. Роль козырьковой экранировки полей рассеивания воздушного зазора в повышении электромагнитной совместимости синхронного генератора // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2000. №3-4. С. 107-111.

49. Селяев А.Н. Моделирование электромагнитных полей от коммутирующего контакта в электрических машинах и способ снижения их интенсивности // Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УПУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. С. 341-347.

50. Селяев А.Н. Влияние ударных фаз коммутации на уровень радиопомех и электромагнитную совместимость коллекторных электрических машин// Электротехника. 2000. № 10. С. 50-54.

51. Селяев А.Н. Повышение электромагнитной совместимости машин постоянного тока и бортовой радиоаппаратуры путем устранения резонанса в

1Г2 Подписано к печати 30.03.2001. Формат 60x84/8. Бумага офсетная №1. т, Печать RISO. Усл.печ.л. 2,56. Уч.-изд. 2,32. Тираж 100 экз. Заказ N»115. '^Ш^ШУ ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ. 634034, Томск, пр.Ленина, 30.