Развитие машин постоянного тока в СССР
Без существенного изменения конструктивных черт машины постоянного тока к 1930-м гг. стали более мощными, значительно расширился диапазон регулирования их частоты вращения. Как правило, машины постоянного тока создавались по индивидуальным проектам либо небольшими партиями.
В 1930-1931 гг. в СССР была поставлена задача создания единых серий электрических машин. При проектировании был использован опыт, накопленный к тому времени на наших заводах, по расчету, конструированию и технологии производства электрических машин, а также по привлечению к работе лучших специалистов вузов и научно-исследовательских институтов. Значительную научно-теоретическую, исследовательскую и организаторскую работу по производству серий машин постоянного тока и асинхронных двигателей с различными системами охлаждения провел академик М. П. Костенко в качестве шеф-электрика Харьковского электромашиностроительного завода (ХЭМЗ). В основу проектирования серий был положен геометрический ряд машин, подобных в отношении их электрических, тепловых и вентиляционных характеристик. Основополагающие принципы проектирования серий были отражены в монографии В. А. Трапезникова [15, 18].
В 1932 г. советские машиностроители разработали и освоили первые серии машин постоянного тока: ПН мощностью до 200 кВт и МП 550 мощностью свыше 200 кВт. Эти серии отличались меньшей массой, лучшим использованием активных материалов, закономерно изменяющимися показателями и удовлетворяли всем требованиям научной методологии проектирования. Об этом свидетельствует тот факт, что серия ПН, созданная как временная, просуществовала в производстве свыше 30 лет.
В 1954-1956 гг. была разработана первая единая серия П машин постоянного тока 1-11-го габаритов мощностью 0,3-200 кВт и частотой вращения 1500 об/мин, а затем единая серия П машин 12-17-го габаритов мощностью свыше 200 кВт. Впервые в стране для двигателей постоянного тока была применена твердая шкала мощностей с фиксированными значениями частот вращения; на базе основного исполнения разработана широкая номенклатура как электрических, так и конструктивных модификаций с высоким уровнем унификации деталей и сборочных единиц. Двигатели имели улучшенные динамические характеристики: момент инерции якоря по сравнению с двигателями серии ПН ниже в среднем на 34 %.
Возросшие технические требования к машинам постоянного тока были удовлетворены после разработки новой единой серии 2П машин постоянного тока мощностью до 200 кВт, которая была осуществлена под руководством В. А. Кожевникова во ВНИИэлектромаше (Ленинград) в 1968-1972 гг. в сотрудничестве с Прокопьевским (И. А. Волкомирский) и Харьковским (Ю. П. Сердюков) заводами «Электромашина». При разработке серии не только были решены задачи повышения технического уровня машин (повышения мощности в габарите, снижения удельной массы на 10 %, момента инерции якоря на 22 %), но и осуществлена стандартизация установочноприсоединительных размеров в соответствии с рекомендациями МЭК, обеспечена возможность питания электродвигателей от тиристорных преобразователей. Был сделан переход к оценке габаритов по значениям высот осей вращения. Изменилось соотношение основных размеров машины, впервые были созданы электродвигатели с отношением длины якоря к его диаметру выше единицы, что позволило удовлетворить требования заказчиков по встраиваемости электродвигателя в механизмы станков.
В 1976-1978 гг. была разработана, а затем внедрена в производство на электромашиностроительных заводах «Электросила» (В. М. Миничев) и ХЭМЗ (М. Н. Курочкин) серия электродвигателей П2 12-15-го габаритов. С учетом требования современного быстродействующего тиристорного электропривода магнитная система электродвигателей была выполнена шихтованной, а корпус - восьмигранным, применены изоляция на основе поли- имидных и полиамидных материалов класса нагревостойкости Г и электротехническая сталь улучшенных марок. Масса электродвигателей серии П2 снижена в среднем на 21 %, момент инерции якоря - на 45 %. Особое внимание было уделено повышению надежности электродвигателей. На базе двигателей серии П2 разработана специализированная серия экскаваторных генераторов 2ГПЭ мощностью 75-630 кВт, которая была освоена в производстве на Карпинском электромашиностроительном заводе.
В 1980-х гг. во ВНИИэлектромаше (В. А. Кожевников, В. Н. Антипов, Л. В. Гамаюнов) была решена задача создания серии 4П машин постоянного тока, которая заменяла все ранее выпускавшиеся на заводах отрасли серии машин постоянного тока, с одновременным снижением трудоемкости их изготовления путем внедрения современного технологического оборудования. К разработке серии было привлечено свыше 20 организаций, в том числе специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института технологии электромашиностроения (ВНИИТэлектромаш, г. Харьков) во главе с В. Г. Костроминым для разработки специализированного технологического оборудования.
Серия 4П включает в себя общепромышленные двигатели с нормальными регулировочными свойствами (габариты - 80-280 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПБ закрытого исполнения (габариты - 80-180 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПФ специализированного назначения с независимой вентиляцией (габариты - 112-250 мм) и крупные двигатели для тяжелых условий эксплуатации (габариты - 280-450 мм).
В электродвигателях габаритов 80-112 мм завода «Псковэлектромаш» реализована нетрадиционная, унифицированная с асинхронными двигателями конструкция с распределенной обмоткой статора, что позволило освоить механизированную технологию производства обмоток и использовать технологическое оборудование, разработанное для массового выпуска асинхронных двигателей. При этом трудоемкость изготовления снижена в 2-3 раза, достигнута существенная экономия обмоточной меди.
Для приводов главного движения станков и автоматизированного оборудования ВНИИэлектромаш (Ленинград) разработал специальные бескор- пусные электродвигатели постоянного тока 4ПФ, оснащенные датчиками скорости, положения, системами температурной защиты и принудительной вентиляции. Электродвигатели выполнены в габаритах 112-250 мм с «-гран- ной шихтованной станиной, обладают диапазоном регулирования частоты вращения при постоянной мощности не менее чем 1 : 4, высокими значениями удельной мощности и хорошими эргономическими показателями.
Крупные электродвигатели серии 4П (габариты - 280-450 мм) по сравнению с аналогичными машинами серии П2 имеют увеличенный в 1,6 раза вращающий момент, большую в 1,5-2 раза единичную мощность и выше на 30-50 % максимальную частоту вращения. Для серии проведена максимальная унификация конструкции и уменьшено количество типоисполнений, что привело к повышению уровня механизации производства и к снижению себестоимости изготовления. На базе крупных двигателей серии 4П развивается экскаваторное электромашиностроение, а также выпускаются электрические машины для нефтебуровых установок.
Пионером советского тягового электромашиностроения был завод «Электрик» (Санкт-Петербург), который в начале 1924 г. изготовил десять двигателей мощностью 110 кВт при частоте вращения 660 об/мин для тепловоза с электрической передачей системы профессора Я. М. Гаккеля. В том же году на заводе «Электросила» была выпущена разработанная под руководством А. Е. Алексеева серия ПТ трамвайных двигателей пяти модификаций на мощности от 33 до 54,5 кВт, напряжением 550 В и частотой вращения 560-600 об/мин. Серия имела высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели. В 1928 г. производство тягового оборудования было сосредоточено на специально приспособленном для этого московском заводе «Динамо». Применительно к разнообразным нуждам тягового хозяйства страны завод разработал ряд серий и типов тяговых электродвигателей: мощностью от 320 до 450 кВт с напряжением на коллекторе 750 и 1500 В - для магистральных электровозов; мощностью от 23,5 до 250 кВт с напряжением на коллекторе 230, 600, 750 В - для промышленных электровозов; смешанного возбуждения - для рудничных электровозов и трамваев; двигатели различных типов для пригородных железных дорог, метрополитена, троллейбуса, тепловозов.
В успешном освоении этих серий несомненная заслуга принадлежит А. Б. Иоффе.
В послевоенные годы центром электровозостроения стал Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), который осуществил серийный выпуск электровозов, оснащенных тяговыми двигателями своего изготовления.
В 1957 г. вступил в строй электровозостроительный завод в г. Тбилиси (ТЭВЗ). Тяговые двигатели для электропоездов стал выпускать также Рижский электромеханический завод (РЭЗ).
Если для магистральных железных дорог применяются электровозы, то для дорог меньшей протяженности и неэлектрифицированных используются тепловозы. Выпуск электрооборудования для тепловозов был освоен на харьковском заводе «Электротяжмаш». В состав оборудования входили генераторы и тяговые электродвигатели серий ГП и ЭД соответственно. Главными конструкторами здесь были В. Е. Верхогляд и О. Р. Мандрыка.
Принципиально новые тяговые двигатели для городского транспорта были спроектированы на заводе «Динамо» и начали внедряться в производство в 1946-1948 гг. Их конструкция была в значительной степени унифицирована, серия из двух типоразмеров включала двигатели для трамвая, троллейбуса, метрополитена, а также генератор и двигатель для автобуса с электрической трансмиссией. Для новых двигателей трамвая и метрополитена вместо осевой была применена независимая подвеска, при которой полностью подрессоренный тяговый двигатель не испытывает значительных усилий, вызываемых неровностями пути. Независимая подвеска позволила почти в 2 раза увеличить передаточное число редуктора, повысить частоту вращения двигателей и снизить их массу.
Следующим этапом развития тягового электромашиностроения городского транспорта в СССР следует считать модернизацию серии, проведенную в 1974-1977 гг. Для троллейбуса и метрополитена были созданы новые двигатели с восьмигранной формой корпуса в поперечном сечении и петлевой обмоткой на якоре, что позволило резко повысить их мощность и обеспечить эффективное торможение подвижного состава при максимальной скорости движения. Мощность трамвайных двигателей также была повышена, появилась возможность использовать их на подвижном составе с тиристорно-импульсной системой управления, что привело к увеличению частоты вращения на 10-15 % и экономии электроэнергии на 3-5 %. Достигнутые результаты получены благодаря применению новых изоляционных материалов для обмотки якоря, введению вакуумно-нагнетательной пропитки в кремний- органическом компаунде, а также использованию холоднокатаной изотропной электротехнической стали с изоляционным покрытием, нового материала коллектора и новой марки щеток.
В 1970-е гг. на базе новых технологий и материалов была создана серия совершенно новых тяговых двигателей, предназначенных для встраивания в пневматические колеса большегрузных автосамосвалов грузоподъемностью 75-180 т. Производство этих двигателей и трамвайного двигателя с завода «Динамо» было передано на новый завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны. Освоение двигателей было проведено под руководством А. Д. Григоровича.
На заводе «Динамо» еще с 1930-х гг. выпускались серии крановометаллургических и экскаваторных электродвигателей постоянного тока. В 1975 г. была разработана и внедрена в производство новая серия крановометаллургических двигателей, которая по техническим данным и габаритноустановочным размерам соответствует нормам МЭК.
Еще до войны производство крупных машин постоянного тока было сосредоточено на заводах «Электросила» и ХЭМЗ и развивалось ускоренными темпами. На заводе «Электросила» в предвоенные годы было изготовлено свыше 200 единиц крупных электрических машин постоянного тока общей мощностью около 350 тыс. кВт. Из числа наиболее крупных поставок следует отметить электродвигатели для привода блюмингов (5150 кВт, 750 В, 50/120 об/мин) и слябингов (3700 кВт, 750 В, 50/100 об/мин; 1850 кВт, 750 В, 100/270 об/мин) и генераторы единичной мощностью 3500 кВт. ХЭМЗ совместно с заводом «Электросила» также освоил новую серию крупных машин постоянного тока мощностью до 7500 кВт с одним якорем.
Разработка серий прокатных реверсивных электродвигателей в диапазоне мощностей от 1850 до 6000 кВт и серии регулируемых электродвигателей в диапазоне от 110 до 4500 кВт с регулированием частоты вращения в пределах 1:3 была продолжена после войны. Завод «Электросила» произвел пересмотр расчетов и конструкций крупных машин постоянного тока с компенсационными обмотками и добился существенного повышения удельной мощности и экономии черных и цветных металлов. Коллектив работников завода в составе В. Т. Касьянова, А. А. Кашина, Р. А. Лютера, И. Н. Рабиновича и Д. В. Шапиро в 1948 г. получил высокую государственную оценку за создание крупных машин постоянного тока.
Значительный прогресс был достигнут в создании двухъякорных двигателей мощностью 11000-14000 кВт для электропривода нереверсивных прокатных станов. Характерными для этих машин, имеющих сравнительно высокую частоту вращения, являются показатель предельности, равный произведению мощности на частоту вращения, и коэффициент регулирования магнитного потока. Самый мощный из выпущенных нереверсивных прокатных электродвигателей мощностью 14 200 кВт с частотой вращения 200 об/мин имеет показатель предельности 5,8-106 кВт-об/мин на один якорь. Необходимо отметить, что за рубежом двигатели для аналогичных прокатных станов изготовлялись трехъякорными даже при меньшей мощности. Дальнейшее повышение показателя предельности было возможно при переходе на трехходовые обмотки якоря. В 1973-1974 гг. были проведены исследования двух опытных машин с трехходовыми петлевыми обмотками, а в 19751976 гг. - опытной двухъякорной машины мощностью 25 МВт с частотой вращения 750 об/мин, которые создали основу для изготовления уникального агрегата, состоящего из четырех двухъякорных электродвигателей постоянного тока такого типа с трехходовыми обмотками, соединенными на валу последовательно, что позволило получить мощность 100 МВт при частоте вращения 750 об/мин (рис. 2.30).
Гребные винты атомных ледоколов «Сибирь», «Арктика» и «Россия» оснащены электродвигателями мощностью 2*8800 кВт, напряжением 1000 В и частотой вращения 130/185 об/мин.
Выпускавшийся в 1970-х - начале 1990-х гг. объединением «Электросила» генератор постоянного тока для питания прокатных двигателей мощностью 9500 кВт, напряжением 930 В и частотой вращения 375 об/мин по мощности превосходил все существовавшие типы генераторов постоянного тока как у нас в стране, так и за рубежом. Использование в конструкции генератора новых технических решений обеспечивает равномерное распределение крутящего момента между дисками якоря и гарантированное усилие на главный полюс, способствуя повышению надежности генератора в эксплуатации.
Успехи в производстве крупных машин постоянного тока достигнуты не только объединением «Электросила», но и заводами ХЭМЗ и «Электротяжмаш» (Харьков). На ХЭМЗ под руководством М. Н. Курочкина были разработаны реверсивные двигатели постоянного тока 21-25-го габаритов серии П2 номинальной мощностью до 12500 кВт, а также двигатели постоянного тока 21-25-го габаритов для электроприводов шахтоподъемных машин мощностью 1600-5000 кВт. Помимо обычной конструкции двигателей шахтного подъема с двумя стояковыми подшипниками разработаны и до настоящего времени находятся в эксплуатации двигатели консольного исполнения. При такой конструкции якорь двигателя насаживается на вал барабана шахтного подъемника, что позволяет снизить массу машины в 1,2—1,4 раза.
Крупные машины постоянного тока находят широкое применение для приводов шагающих экскаваторов и роторных комплексов. Они устанавливаются в закрытом неотапливаемом кузове экскаватора и могут работать в заданном режиме при наличии вибрации, крена, воздействия инерционных сил и одиночных ударов. Наиболее интересен электродвигатель мощностью 500 кВт, напряжением 440 В и частотой вращения 32 об/мин, предназначенный для безредукторного привода механизма поворота платформы шагающего экскаватора.
