автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Магнитоупругие колебания в электрических машинах

Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом

(ВНИИЭ1М) им. А.Г.Иосифьяна

На правах рукописи

Геча Владимир Яковлевич

Магнитоупругие колебания в электрических машинах

05.09.01 - Электромеханика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

. „.--у

Москва 1997 год

Предисловие

Работа посвящена обобщению результатов исследований, выполненных автором во ВНИИЭМ им А.Г.Иосифьяна за более чем двадцатилетний период, в области, связанной с проблемой уменьшения колебаний электрических машин от действия электромагнитных сил и магнитострикции.

Автор выражает искреннюю благодарность руководителю лаборато-

рии «Динамики и прочности» д.т.н.| Позняку Э.Л. , руководителю лабора

тории «Виброакустики» к.т.н. Кагшину А.И., сотрудникам лаборатории «Магнитоупругости» к.т.н. Смирновой Л.П., к.т.н. Урядникову В.В., Козлову П.В., другим ученым и специалистам отдела 18 и института за многолетнее сотрудничество и внимание к работе.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 5

ГЛАВА I Динамическая магнитострикция

электротехнических материалов....................................... 16

1.1 Факторы, определяющие магнитные свойства

электротехнических стал ей................................................................23

1.2 И зотроп h ы е эл ектрот ехн и ч ески е стал и............................................27

1.2.1 Метод измерения магпитострикции изотропных электротехнических сталей................................................................29

1.2.2 Сталь с низкой магиытострикцией......................................................33

1.3 Анизотропные электротехнические стали.......................................38

1.3.1 Метод измерения магпитострикции анизотропной электротехнической стали..................................................................39

1.3.2 Влияние технологических факторов на магнитострикцию анизотропных сталей..........................................................................44

1.3.3 Метод оценки виброактивности электрооборудования

на основе испытаний «образцов-свидетелей»........................................55

1.4 Композиционные магнитомягкие материалы (КММ)...................62

1.4.1 Влияние состава материала и технологических

параметров па магнитные свойства КММ.........................................63

1.4.2 Исследование КММ с минимальной магнитострикцией......................71

1.4.3 Влияние формы питающего напряжения на магнитные

свойства КММ....................................................................................86

Глава П Электромагнитные вибрации вращающихся

электрических машин....................................................... 91

2.1 Колебания статора под действием сил

электромагнитного притяжения........................................................93

2.1.1 Влияние «электромаггшитой несимметрии»........................................93

2.1.2 Влияние массовой несимметрии на колебания статора.....................111

2.1.3 Расчет колебаний явнополюсных машин.............................................119

2.2 Пространственные колебания кругового

шихтованного магнитопровода......................................................128

2.3 Колебания в машинно-вентильной системе..................................140

2.3.1 Факторы, определяющие виброактивность вентильного двигателя. 140

2.3.2 Математическая модель колебаний...................................................143

2.3.3 Заключение..........................................................................................150

2.4 Магнитострикционные колебания..................................................155

2.4.1 Метод расчета...................................................................................155

2.4.2 Сравнение вклада магнитострикции и am магнитного притяэ1сения 161

2.4.3 Трансформатор с вращающимся полем..............................................169

Глава III Колебания в статических преобразователях энергии.......171

3.1 Динамические характеристики планарных магнитопроводов. 175

3.2 Трансформаторы с навитым магнитопроводом............................188

3.2.1 Расчет технологических иапряясений...............................................189

3.2.2 Метод расчета колебаний...............................................................196

3.2.3 Влияние спектра индукции..................................................................205

3.3 Реакторы с сосредоточенным зазором.............................................217

3.3.1 Расчет стержневой системы............................................................217

3.3.2 Влияние зачивочных компаундов.........................................................221

3.3.3 Колебания магпитопровода с соударениями.......................................227

3.4 Реакторы из композиционных материалов....................................242

3.4.1 Метод расчета...........................................;.......................................244

3.4.2 Проектирование и испытания реакторов..........................................249

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 253

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................257

Введение

Электрические машины (ЭМ) вследствие массового применения в быту и технике, являются одним из самых мощных источников шума и вибрации. В связи с этим снижение шума и вибрации ЭМ чрезвычайно актуально, особенно ввиду возрастающей энерговооруженности отечественной и мировой промышленности.

Особенностью ЭМ, как объекта снижения шума и вибрации, является разнообразие физической природы и взаимосвязь представленных в них источников колебаний (механические, электромагнитные, аэродинамические). Указанное разнообразие обусловило необходимость проведения целого комплекса научно-исследовательских работ, посвященных исследованию основных конструктивных и технологических факторов, оказывающих влияние на виброакустические характеристики, таких как электромагнитные нагрузки, геометрия магнитной цепи, соотношения чисел и скос пазов, воздушный зазор и т.д. - в части магнитных вибраций и шума; критические частоты роторов, тип подшипника и его параметры, конструкция подшипникового узла - в части подшипниковых вибраций; тип вентиляционной системы и вентилятора, геометрия вентилятора, число лопаток - в части вентиляционного шума.

Исторически эти работы развивались от эмпирического поиска средств снижения шума и вибрации до глубокого изучения природы источников шума и вибрации и создания адекватных методов расчета характеристик

вибраций и шумов с последующим применением результатов при проектировании ЭМ, и широко освещены в литературе [1-И 16].

Применяемым активным материалам (электротехническим сталям) уделялось значительное внимание на всех этапах развития этих работ.

В частности, задача получения высоких энергетических показателей за счет рационального использования активных материалов была поставлена во ВНИИЭМ еще в 1949 году и впоследствии решена при создании новых единых серий асинхронных двигателей А-АО. Впоследствии, при проектировании двигателей серии А2-А02 (1959 г.), был принят критерий минимума затрат на производство и эксплуатацию двигателей.

В дальнейшем при разработках ЭМ с требуемыми виброакустическими характеристиками была реализована возможность прогнозирования и гарантированного обеспечения последних.

Основные технические решения, обеспечивающие требуемые уровни вибрации и шума, определяются, как правило, на ранних стадиях проектирования путем расчета показателей, включая виброакустические характеристики различных конструктивных вариантов ЭМ. Затем разрабатываются конструкции и технологии и изготавливаются макетные или опытные образцы. На основании экспериментальных исследований образцов при необходимости проводятся дополнительные конструктивные или технологические мероприятия по улучшению акустических характеристик ЭМ с использованием поверочных расчетов в итерационном процессе по схеме:

предварительный электромагнитный расчет - эскизная проработка конструкции - расчет виброакустических характеристик - уточнение данных для электромагнитного расчета - уточнение конструкции - повторный расчет виброакустических характеристик и т. д.

Так, для снижения добавочных потерь, вибрации и шума, уменьшения расхода материалов в 1969 г. было принято решение о создании новой серии А4. В этой серии, а также высокочастотной (400 Гц) серии электродвигателей типа АЧМ и других сериях электрических машин и трансформаторов специального назначения особое внимание было уделено улучшению виброакустических характеристик до уровней, принятых в передовых зарубежных фирмах и международных стандартах.

Необходимо отметить, что в разработку новых технических решений, методов расчета и улучшения виброакустических характеристик электродвигателей, трансформаторов в разные годы внесли решающий вклад ученые и специалисты ВНИИЭМ под руководством академиков

A.Г.Иосифьяна и Н.Н.Шереметьевского, в том числе Т.Г.Сорокер, Н.Л.Трифонова, Б.Б.Воронецкий, Э.Р.Кучер, Э.А.Городецкий, Е.М.Коварский, А.М.Рубинраут, Н.И.Муркес, В.В.Александровский, Л.Р.Шальман, Т.Г.Амбарцумов, В.К.Калашников, Г.А.Жемчугов,

B.А.Зенкевич, Э.Л.Позняк, В.В.Лопатин, А.И.Каплин, Л.П.Смирнова, В.В.Урядников, Л.Ш.Казарновский, Н.В.Кондратьев и многие другие.

Требования к виброакустическим характеристикам электрических машин существенно зависят от назначения и типа машины. В связи с этим методики модифицированы применительно к машинам различных типов, что позволяет во многих случаях снизить объемы расчетов.

Необходимость выполнения требований к виброакустическим характеристикам машины почти всегда приводит к решениям, в той или иной степени ухудшающим другие показатели. Поэтому проект ЭМ, удовлетворяющей определенным требованиям по виброакустике, представляет собой, как правило, компромиссное решение, являющееся результатом расчетов по упомянутой схеме. Развитие вычислительной техники позволило перейти от данной схемы к системе автоматизированного проектирования ЭМ, в которую составной частью интегрированы методики расчета вибрации и шума и соответствующие требования (критерии). Во ВНИИЭМ эта система была реализована применительно к асинхронным двигателям. В частности, она позволяет в диалоговом режиме искать оптимальные (по критериям минимальной массы, максимального к. п. д., приведенной стоимости и т. д.) варианты асинхронных двигателей с заданными виброакустическими характеристиками.

Известно, что на уровни вибраций и шумов ЭМ существенно влияет технология изготовления. Это влияние весьма сложно учесть в методиках расчета, особенно без учета особенностей использования активных материалов, поэтому применение даже самых современных методик расчета не

дает гарантии выполнения требований по виброакустике. В этих случаях необходима доводка ЭМ по виброакустическим характеристикам с применением достаточно сложных методик разделения источников вибраций и шума, исследования собственных частот и форм колебания ЭМ и ее деталей, оценки технологических факторов и т. д., на базе которых затем осуществляется выбор средств снижения вибраций и шума.

За истекшие 30 лет требования по вибрации и шуму, например, судовых электрических машин ужесточились в несколько раз; к настоящему моменту в современных сериях достигнуты уровни вибрации в 10-30 раз более низкие, чем в ЭМ общего назначения. Существенно ниже и воздушный шум этих машин. Создание таких машин потребовало применения всего арсенала технических средств снижения вибраций и шума, включая такие, как виброизоляция, виброгашение и шумопоглощение.

Многолетняя практика исследования и снижения вибраций и шумов электрических машин убедительно доказала целесообразность комплексного подхода к обеспечению требуемых виброакустических характеристик с учетом конструкции и свойств механизмов и систем, в которых применяются ЭМ. Этот подход оказался весьма продуктивным при создании некоторых видов судового оборудования, бытовой техники (посудомойки, овощерезки и т. д.), медицинского оборудования (отсосы, массажеры и др.), электровентиляторов различного назначения (в том числе космической станции «Мир») и другого оборудования.

Таким образом, к концу 70-х - началу 80-х годов были завершены основные этапы создания малошумных электрических машин, включая методы расчета, проектирования и технологии изготовления, резервы улучшения качества казались исчерпанными при существовавших уровнях свойств активных материалов.

Выпускаемая в эти годы в стране горячекатаная изотропная электротехническая (динамная) сталь не могла обеспечить возросших требований электротехнической промышленности по качеству, сортаменту и объемам производства.

Аналогичное положение складывалось и с анизотропной (трансформаторной) сталью и созданием трансформаторного оборудования.

Поэтому в 80-90-е годы в области сортамента, объема и качества электротехнических сталей произошли кардинальные изменения [71].

Было освоено производство холоднокатаных изотропных сталей различных групп легирования с магнитными свойствами, соответствующими мировому уровню, и прекращено производство устаревших горячекатаных сталей, а также импорт соответствующих сталей.

Выросло производство анизотропных сталей высших марок. На Новолипецком комбинате создан новый класс анизотропных сталей - высокопроницаемая сталь с особо низкими потерями, в том числе сталь с низкой магнитострикцией.

Появление новых материалов требовало углубленного изучения влияния их свойств на характеристики электрических машин, в том числе влияния магнитострикции на их виброакустические характеристики, которые в последние годы прочно заняли важнейшее место в ряду показателей качества электрических машин.

Однако для соответствующего снижения вибраций, например, трансформаторного оборудования, одного наличия таких сталей оказалось недостаточно. Потребовалось исследовать влияние технологических операций по производству электрооборудования на магнитострикцию в готовом изделии, разработать специальные методы контроля и рекомендации по технологии изготовления, с целью получения качества трансформаторного оборудования, соответствующего новым сталям высших марок, в том числе - снижения вибрации и шума электрооборудования. Оказалось, что в ряде случаев, кроме упругих деформаций магнитопровода от сил магнитного притяжения, необходимо учитывать физическую связь механических и магнитных явлений в материале магнитопроводов. Колебания магнитопрово-дов с учетом указанных явлений в работе называются магнитоупругими, или магнитострикционными.

Как известно, продольная магнитострикция, т. е. изменение линейных размеров тела в направлении напряженности магнитного поля была обнаружена Дж. П. Джоулем в 1842 году (эффект Джоуля). С прямым эффектом магнитострикции связан термодинамически обратный ему эффект: измене-

ние намагниченности тел при их деформации, открытый в 1865 году Э. Виллари, называемый также магнитоупругим.

Общий случай магнитоупругих взаимодействий можно описать следующими соотношениями [8]:

а = а(В,е), Я= Н(В,е) где о"и е - упругое напряжение и деформация в ферромагнетике, В и Н - индукция и напряженность возбуждающего магнитного поля. Если записать полные дифференциалы а и Я

да д о

й(т =•—аВ+—— ае, дВ д е

т дНт дН /

аН = ——аВ+-ае

д В д е

и обозначить

дН 1 д а дН „ д а ^ Г, -г--Т—-Е,

дВ дВ де д е то величины у и 8 будут определять прямой и обратный магнитострикци-онный эффект. (Здесь ¡л - магнитная проницаемость, Е - модуль упругости). Исходя из термодинамических соотношений

с1<7 \ йН

с!Н ~ 4?7 (¡£

или

8 - 4т] у ,

поэтому

da - y dB+ Eds,

dH = ~dB+4xy de. (*>

M

Из первого соотношения (*) при s - 0 получим выражения для зажатого стержня

а - у В

а при d<j = 0 для свободного стержня

* =-~В=-Д В

Второе выражение (*) дает соотношение для преобразователя механической энергии в магнитную (при dH-О ):

В - -47v у pi 8

или (при dB-О)

H-<\к fi О

где

P=Ve

Для магнитострикционных материалов с хорошо изученными свойствами (никель, пермендюр и др.) преобразование из одного вида энергии в другой происходит с коэффициентом (т.н. коэффициент магнитоме-ханической связи /с) близким к 1 ( к - 0,25-Ю,5), при этом магнитострикция насыщения Я s имеет порядок 50x1 О*6.

Для электротехнических материалов (сталей) Л s меняется от 5х 10 6 («большая магнитострикция») до 0,5x10-6 («малая магнитострикция») в за-

висимости от состава, термообработки и пр. В первом случае вклад магни-тострикционных колебаний может быть большим, во втором - малым.

Магнитострикция электротехнических материалов, в том числе современных, изучена значительно менее подробно.

Механические напряжения в магнитопроводах электрических машин можно условно разделить на динамические, связанные с колебаниями, и статические, обусловленные конструктивными и технологическими факторами (например, прессовая посадка в корпус, штамповка пакета статора и

др.).

Динамические напряжения, при существующих уровнях вибраций, весьма малы, а статические - могут достигать предела текучести, и, как известно, заметно влиять на свойства электротехнической стали.

Поэтому в работе при анализе колебаний рассматривается прямой магнитострикционный эффект, а влияние статических напряжений (на маг-нитострикцию, проницаемость, потери и т.д.) учитывается как параметр, связанный с особенностями конструкции или технологии.

Это естественное разде�