Способ измерения характеристики воздушных зазоров в электрических машинах

 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к испытаниям электрических машин косвенными методами. Технический результат, заключающийся в создании универсального способа контроля неравномерности воздушного зазора в электрических машинах, достигается путем того, что при измерении характеристики воздушных зазоров в электрических машинах электромагнитное поле возбуждают относительно неподвижных масс постоянным током от 0,5 до 0,75 номинальной величины для электрической машины. Возбуждаемое электромагнитное поле ориентируют поочередно в соответствии с расположением контролируемого зазора, измеряют одновременно сигналы, пропорциональные электромагнитному полю в воздушном зазоре между подвижными и неподвижными массами и по сопоставлению измеренных сигналов судят о геометрии воздушных зазоров. 6 ил.

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к испытаниям электрических машин косвенными методами.

Известны способы контроля и измерений неравномерности воздушных зазоров, преимущественно асинхронных машин, одни из которых базируются на зависимости механических характеристик асинхронных трехфазных двигателей от неравномерности воздушных зазоров (1), (2). По этим способам о степени неравномерности судят по величине напряжения трогания при холостом ходе, которая определяется начальным пусковым моментом и моментом сопротивления на валу электродвигателя. Эти способы недостаточно точны, так как напряжение трогания зависит и от положения ротора в расточке статора, и от состояния подшипников.

Известные другие способы основаны на явлении электромагнитной индукции (3), (4), (5), (6). Так по способу (3) измерение воздушных зазоров производят с помощью электроизмерительного прибора, подключаемого к индикатору, представляющему из себя электромагнит с разомкнутой магнитной цепью, который возбуждают магнитным потоком машины, путем поочередного прикладывания в разных местах к наружной поверхности активного железа статора. Способ определения неравномерности воздушного зазора в трехфазных электрических машинах (4) заключается в том, что включают прибор между землей и одной из фазных обмоток трехфазной электрической машины, затем поочередно подают импульсы тока на остальные обмотки с записью показаний при вынутом, неподвижном и вращающемся роторе, а по характеру кривых, полученных при трех состояниях ротора, судят о степени неравномерности воздушного зазора. Известен способ контроля неравномерности воздушного зазора трехфазного асинхронного двигателя (5), по которому обмотки машин подключают к трехфазной сети, электродвигатель нагружают противодействующим моментом, равным опрокидывающему моменту при работе в однофазном режиме при максимально допустимой неравномерности воздушного зазора, после чего переводят двигатель с трехфазного питания на однофазное, а о равномерности зазора судят по величине снижения частоты вращения двигателя. По способу контроля неравномерности воздушного зазора многофазных электрических машин (6) на основании цилиндра ротора испытуемой машины создают полюса остаточной намагниченности, ротор приводят во вращение от приводного двигателя, при этом остаточный поток полюсов пересекает обмотку статора и наводит в ней ЭДС. При наличии эксцентриситета магнитное сопротивление воздушного зазора периодически меняется, что вызывает модуляцию ЭДС с частотой вращения ротора. По глубине модуляции контролируют неравномерность воздушного зазора.

Перечисленные способы недостаточно точны и имеют ограниченную область применения, только трехфазные асинхронные двигатели.

За прототип принят способ косвенного контроля неравномерности воздушного зазора электрической машины (7), по которому испытуемую машину стыкуют с приводным синхронным двигателем. Синхронно вращают ротор данной машины, например трехфазной, на одну из фаз которой предварительно подают переменное напряжение. Индуктируемые в остальных двух фазах напряжения измеряют и сравнивают, отключают напряжение от первой фазы и подают на вторую. Повторно измеряют и сравнивают индуктируемые напряжения в первой и третьей фазах. Затем отключают напряжение от второй и подают на третью фазу. Измеряют и сравнивают напряжение первой и второй фазы. По максимальной разнице между напряжениями в фазах судят о неравномерности воздушного зазора.

Данный способ, как и предыдущие, имеет ограниченную область применения, только многофазные электрические машины переменного тока и не позволяет контролировать воздушные зазоры под главными и добавочными полюсами в машинах постоянного тока, а также воздушные зазоры в электрических машинах других типов. По результатам измерений данным способом судят только об общей неравномерности воздушного зазора. Способ не обеспечивает возможности точного определения характера неравномерности зазора, а именно: или это эксцентриситет, вызванный несоосностью оси вращения ротора по отношению к оси расточки статора, или эксцентриситет, эллипсность или просто биение поверхности железа ротора по отношению к оси вращения.

Целью изобретения является создание универсального способа контроля неравномерности воздушного зазора в электрических машинах любых габаритов и типов: постоянного тока, асинхронных, линейных двигателей и т.д., а также получение подробной картины геометрии воздушного зазора магнитопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе произвольно выбирают две базы, относительно которых производят измерения: одну на подвижной массе - роторе испытуемой электрической машины, другую на неподвижной массе - статоре. На выбранных базах устанавливают измерители электромагнитного поля. На одну из фаз машины переменного тока подают регулируемое постоянное напряжение. Устанавливают ток порядка 0,5 от его номинального значения, этим обеспечивают линейную зависимость выходного сигнала от изменения воздушного зазора, то есть создают такую напряженность магнитного поля в магнитопроводе, которая находится на линейном участке кривой намагничивания данной магнитной цепи. Приводят во вращение подвижную массу испытуемой электрической машины и измеряют одновременно сигналы с измерителей электромагнитного поля, расположенных на подвижной и неподвижной массах электрической машины.

По сопоставлению сигналов, снятых с измерителей, расположенных на подвижной и неподвижной массах, судят о величине и характере неравномерности, а именно: эксцентриситете, вызванном несоосностью оси вращения ротора по отношению к оси расточки статора; эксцентриситете, эллипсности и биении поверхности железа ротора по отношению к оси вращения.

На фиг.1 схематично изображена магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока. На фиг.2 условно показана форма ЭДС при возбуждении главных плюсов; на фиг. 3 - добавочных. Фиг.4 иллюстрирует форму ЭДС при эксцентричном смещении осей; фиг.5 и 6 - форму ЭДС от эксцентриситета и эллипсности железа якоря.

Рассмотрим предлагаемый способ измерения характеристики воздушных зазоров применительно к четырехполюсной электрической машине постоянного тока с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой. Симметричное расположение якоря (подвижная масса) 1 по отношению к наконечникам главных полюсов 2 и добавочных 3 (неподвижные массы) изображено сплошными линиями (см. фиг.1). На подвижной массе 1 устанавливают измеритель электромагнитного поля 4, например датчик Холла, на неподвижных массах 2 или 3 - измеритель 5. Возбуждают неподвижные массы 2, вращают подвижную массу 1, измеритель 5 фиксирует ЭДС 6, а измеритель 4 - ЭДС 7 (см. фиг.2); при возбуждении неподвижных масс 3 измеритель 4 - ЭДС 8 (см. фиг.3). Эксцентричное смещение оси вращения 9 подвижной массы 1 по отношению к оси окружности 10, образованной наконечниками неподвижных масс 2 или 3 показано штриховыми линиями (см. фиг.1), а форма ЭДС 6 и 7 с измерителей 5 и 4 при таком смещении - на фиг.4; формы ЭДС 6 и 7 при наличии эксцентричного смещения железа подвижной массы 1 по отношению к оси вращения или эллипсности железа подвижной массы 1 с измерителей 5 и 4 представлены на фиг.5 и 6 соответственно.

Для осуществления данного способа берут машину постоянного тока и устанавливают на стенд. На испытуемой машине произвольно выбирают две базы: одну на якоре 1 - подвижная масса отсчета; другую на главном полюсе 2 или добавочном 3 - неподвижная масса отсчета. За подвижную массу предпочтительнее брать зубец якоря 1, так как увеличивается чувствительность измерителя 4. В качестве неподвижной - главный полюс 2 или добавочный 3 безразлично (см. фиг.1). По центру зубца якоря 1 устанавливается измеритель электромагнитного поля 4, а по центру главного полюса 2 - измеритель 5. На обмотку возбуждения неподвижных масс 2 подают регулируемое постоянное напряжение с таким расчетом, чтобы по обмотке протекал ток порядка 0,5 его номинального значения. Этим самым снижается влияние насыщения отдельных участков магнитопровода неподвижных масс 2, особенно зубцовой зоны подвижной массы 1, на линейность характеристики выходного сигнала с измерителей 4 и 5. Выходной сигнал с измерителей 4 и 5 подают через аналоговый цифровой преобразователь на ЭВМ.

Включают приводной двигатель и вращают подвижную массу испытуемой электрической машины. При этом записывают одновременно на ЭВМ уровень и форму ЭДС двух сигналов. При симметричном расположении наконечников неподвижных масс 2 и 3 по отношению к поверхности железа подвижной массы 1 испытуемой электрической машины от измерителя 5, расположенного на неподвижной массе, на ЭВМ за один оборот подвижной массы 1 запишется ЭДС 6 определенного уровня (фиг.2). ЭДС 6 кроме постоянной составляющей определенного уровня содержит переменную составляющую, обусловленную зубчатостью подвижной массы. Частота пульсаций переменной составляющей зависит от скорости вращения приводного двигателя и числа зубцов подвижной массы 1. Максимальному значению переменной составляющей ЭДС 6 соответствует прохождение под измерителем зубца подвижной массы, минимальному значению - паза. Одновременно с измерителя 4, закрепленного на зубце подвижной массы, поступает ЭДС 7, повторяющая профиль образующей башмаков неподвижных масс 2. Форма ЭДС 7 при наличии на неподвижных массах пазов компенсационной обмотки показана на фиг.2. Так как за время поворота подвижной массы измеритель поля 4 поочередно проходит под неподвижными массами 2, имеющими различную полярность магнитного потока, то и ЭДС 7 имеет различную полярность. Расположение максимальных значений ЭДС 6 и 7 на одном и том же уровне за время одного оборота подвижной массы 1 указывает на то, что биение железа подвижной массы 1 испытуемой электрической машины относительно оси вращения отсутствует и зазоры под неподвижными массами 2 равномерные.

Для определения равномерности воздушных зазоров под неподвижными массами 3 (фиг.1) снимают напряжение с обмоток возбуждения неподвижных масс 2 и подают на обмотки неподвижных масс 3. Раздельное возбуждение этих обмоток исключает влияние одного поля на другое и повышает точность контроля. Число витков неподвижных масс 3 всегда меньше числа витков неподвижных масс 2, зазоры под неподвижными массами 3 намного больше, чем под неподвижными массами 2, поэтому для повышения чувствительности измерителя 4 обмотку неподвижных масс 3 запитывают током порядка 0,75 его номинального значения. Дальнейшие операции проводят аналогично с операциями при контроле воздушных зазоров под неподвижными массами 2, то есть приводят во вращение подвижную массу 1 и записывают на ЭВМ форму и уровень ЭДС 8 с измерителя 4 (см. фиг. 3). Равенство положительных и отрицательных амплитуд ЭДС 8 указывает на равномерные зазоры под всеми неподвижными массами 3.

В случае эксцентричного смещения оси вращения 9 подвижной массы 1 по отношению к оси окружности 10, образованной неподвижными массами 2, вверх по вертикали, как показано штриховыми линиями (см. фиг.1), амплитуда ЭДС 7 (фиг. 4) от измерителя 4 при прохождении его под каждой неподвижной массой будет отличаться друг от друга. Так амплитуда ЭДС 7 под верхней неподвижной массой 2 будет иметь максимальное значение, что соответствует минимальному воздушному зазору между зубцом подвижной массы 1, на которой установлен измеритель 4, и башмаком неподвижной массы 2, а под нижней - минимальное, что соответствует максимальному зазору между зубцом подвижной массы 1 и неподвижной массой 2. По разности между максимальной и минимальной амплитудами судят о смещении осей 9 и 10. Если отсутствует биение поверхности железа подвижной массы 1 по отношению к оси вращения 9, то от измерителя 5 на ЭВМ запишется ЭДС 6, величина которой будет находиться на одном уровне.

Кроме эксцентричного смещения оси вращения 9 и оси окружности 10, образованной наконечниками неподвижных масс 2 или 3, может существовать эксцентриситет или эллипсность железа подвижной массы 1, причем ось вращения 9 подвижной массы 1 может совпадать с осью окружности 10 (на фиг.1 это не показано). При таком виде неравномерности воздушных зазоров очередность операций по подготовке испытуемой электрической машины к осуществлению контроля воздушных зазоров и снятию осциллограммы остаются прежними, а о характере неравномерности судят по величине изменения ЭДС 6 и 7, Так, если наконечники неподвижных масс 2 будут расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения подвижной массы 1, то измерителем 4 будет зафиксировано электромагнитное поле, ЭДС 7 которого показана на фиг.5. Амплитудные значения ЭДС 7 под всеми неподвижными массами будут равны между собой. В это же время измерителем 5 запишется ЭДС 6, обратно пропорциональная профилю железа подвижной массы 1, то есть за полный оборот подвижной массы 1 в форме ЭДС 6 будет наблюдаться максимум и минимум. Максимальному значению ЭДС 6 соответствует прохождение под измерителем 5 той части поверхности подвижной массы, которая дальше отстоит от центра вращения или минимальный воздушный зазор между неподвижными массами 2 и подвижными 1, а минимальному значению ЭДС 6 - минимальное расстояние до центра или максимальный зазор.

При наличии эллипсности в форме ЭДС 6 за один оборот подвижной массы будет наблюдаться два максимума и два минимума (см. фиг.6). Форма ЭДС 7 останется без изменений при условии соосности оси вращения 9 подвижной массы 1 и оси окружности 10, образованной наконечниками неподвижных масс 2. Разность между максимальными и минимальными значениями ЭДС 6 укажет на величину эксцентриситета или эллипсности поверхности железа подвижной массы 1.

Для контроля воздушных зазоров и определения характера неравномерности за счет эксцентричного смещения оси вращения подвижной массы-ротора по отношению к оси расточки неподвижной массы-статора, эксцентричного смещения железа подвижной массы-ротора по отношению к его оси вращения, эллипсности железа подвижной массы или просто биения поверхности железа подвижной массы в машинах переменного тока, синхронных или асинхронных, аналогично с машинами постоянного тока выбирают две базы относительно которых проводят измерения. Одну базу берут на неподвижной массе, другую - на подвижной массе. Возбуждают одну из фазных обмоток неподвижной массы постоянным напряжением, при котором ток составлял бы порядка 0,5 его номинального значения для фазы. Приводят во вращение подвижную массу испытуемой машины и записывают одновременно форму ЭДС с обоих измерителей. Затем снимают напряжение с первой фазы, подают на следующую и снова записывают форму сигналов. Раздельное питание фазных обмоток в машинах переменного тока устраняет влияние электромагнитного поля одной обмотки на другую в случае их совместного питания. При этом повышается точность измерений и поочередно контролируется весь профиль железа неподвижной массы. По сопоставлению формы записанной ЭДС судят о профиле железа подвижной и неподвижной масс, о равномерности воздушных зазоров или характере неравномерности их.

Аналогичные операции проводят при измерении или контроле неравномерности воздушных зазоров в линейных двигателях или других электрических машинах, имеющих воздушный зазор.

Как видно из приведенных примеров предложенный способ, по сравнению с существующими, можно применять для контроля воздушных зазоров в электрических машинах любых типов: постоянного тока, асинхронных, синхронных и других, имеющих воздушный зазор. В существующих способах во время контроля воздушных зазоров судят только о наличии неравномерности и не дается анализ характера неравномерности. В предлагаемом способе снимается полная картина профиля железа подвижных и неподвижных масс машины и выясняется характер неравномерности. Данный способ может найти применение для 100 процентного контроля электрических машин во время их изготовления на заводах, при монтаже крупных электрических машин, послеремонтного и профилактического контроля.

Так в электрических машинах постоянного тока больших габаритов, имеющих отдельные подшипниковые опоры, зазоры под главными и добавочными полюсами контролируются в строго определенном положении якоря, которое фиксируется в паспорте-формуляре на такую машину при изготовлении, а затем после монтажа перед пуском в эксплуатацию. Контроль зазоров осуществляется с помощью набора щупов контактным способом. Во время таких измерений появляются значительные ошибки, так как на наконечники добавочных и главных полюсов, а также на железо якоря обычно наносится изоляционный слой. Поэтому при контактном контроле воздушного зазора не учитывается толщина покрытий. В предлагаемом способе измеряется не фактический воздушный зазор, а полный немагнитный зазор, находящийся между ферромагнитными массами машины.

Источники информации 1. Авторское свидетельство 60060, кл. 01 в 7/14, 1940.

2. Авторское свидетельство 82873, кл. 01 в 7/14,1949.

3. Авторское свидетельство 73697, кл. 01 в 7/14,1948.

4. Авторское свидетельство 76657, кл. 01 в 7/14; 01 33/12, 1948.

5. Авторское свидетельство 221152, кл. Н 02 К 15/00; 01 в 7/30,1968.

6. Авторское свидетельство 585578, кл. Н 02 К 15/00; 1977.

7. Авторское свидетельство 541246, кл. Н 02 К 15/16; 1977.

Формула изобретения

Способ измерения характеристики воздушных зазоров в электрических машинах, основанный на измерении электромагнитных полей, пропорциональных изменению зазоров, с возбуждением электромагнитных полей различной ориентации, отличающийся тем, что электромагнитное поле возбуждают относительно неподвижных масс постоянным током от 0,5 до 0,75 номинальной величины для электрической машины, возбуждаемое электромагнитное поле ориентируют поочередно в соответствии с расположением контролируемого зазора, измеряют одновременно сигналы, пропорциональные электромагнитному полю в воздушном зазоре между подвижными и неподвижными массами, и по сопоставлению измеренных сигналов судят о геометрии воздушных зазоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6