скачать doc
Глава первая. Общие вопросы проектирования
электрических машин.
Электрические машины применяют во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Их выпускают большими сериями и в индивидуальном исполнении. Во многих случаях электрические машины определяют технический уровень изделий, в которых они используются в качестве генераторов и двигателей. Проектирование электрических машин требует глубоких знаний и высокого профессионального мастерства.
1.1. ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Впервые электрические машины получили применение в промышленности более ста лет назад. Тогда же появились и первые рекомендации по их расчету. В конце XIX в. в Европе и Америке появились крупные электротехнические фирмы «Сименс», «Вестингауз», АЭГ и другие, на которых сложились крупные конструкторские и расчетные отделы. В это время начинают издаваться первые электротехнические журналы. В России журнал «Электричество» начал издаваться в 1880 г.
В России первые электротехнические заводы появились в начале XX в. Это «Электросила» в С.-Петербурге, «Динамо» в Москве и заводы в Харькове и Таллине. В годы первых пятилеток Москва, Ленинград и Харьков превратились в крупные производственные центры электропромышленности. После Великой Отечественной войны электротехническая промышленность развивалась бурными темпами, и в настоящее время крупные центры электромашиностроения есть в десятках городов СНГ. Около пятидесяти кафедр высших учебных заведений выпускают специалистов по электрическим машинам.
Первые фундаментальные работы по расчетам и проектированию электрических машин появились в конце десятых — начале двадцатых годов XX в. Это были книги Э. Арнольд, М. Видмара, А. Ла-Кура, Р. Рихтера, К.И. Шенфера, В.С. Кулебакина и др. [5].
Первыми отечественными трудами по проектированию были книги А.Я. Бергера, П.П. Копняева, В.А. Пантелеева и Ф.И. Холуянова. Большой вклад в проектирование электрических машин внесли работы ученых А.Е. Алексеева, Б.П. Апарова, А.И. Вольдека, В.Т. Касьянова, М.П. Костенко, Б.И. Кузнецова, Р.А. Лютера, Г.Н. Петрова, И.М. Постникова, П.С. Сергеева, Т.Г. Сорокера, В.А. Трапезникова и др. [3].
Проектирование электрической машины — сложная многовариантная задача. При ее решении приходится учитывать большое количество факторов. Единственным стремлением всех, кто проектирует машину, является получение, по возможности наиболее быстрым путем, более близкого к заданию расчетного варианта. Поэтому методики, подход к расчету и проектированию электрических машин на всех этапах развития включали все новейшие достижения ву теории и практике электромашиностроения.
Большинство расчетных методик исходит из так называемой «машинной постоянной», определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок.
Машинная постоянная Арнольда записывается в виде:
, (1.1)где
— диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диаметр статора, м; 
— расчетная длина магнитопровода, м; 
— угловая скорость, рад/с; 
— расчетная мощность, ВА; 
— линейная нагрузка, А/м; 
— индукция в воздушном зазоре, Тл; 
— коэффициент полюсного перекрытия; 
— коэффициент формы кривой индукции, учитывающий изменение напряжения на выводах машины при холостом ходе и нагрузке; 
— обмоточный коэффициент.Определив
для различных типов электрических машин, можно получить базу для их расчетов. Машинная постоянная не является константой и зависит от электромагнитных нагрузок, напряжения, типа изоляции, системы охлаждения, стоимости материалов, надежности работы машины, суммы капитальных и эксплуатационных затрат и других факторов.Ученые в разное время по-своему интерпретировали машинную постоянную. Эссон в конце 20-х годах XX в. предложил при проектировании применять коэффициент использования машины — момент на единицу объема, по существу, величину, обратную постоянной Арнольда.
Машинная постоянная Рихтера есть момент, отнесенный к единице поверхности якоря. В машинной постоянной Шенфера вместо внутреннего диаметра статора используется внешний диаметр.
В 1926 г. В.С. Кулебакин при выборе главных размеров синхронных машин учитывал токи короткого замыкания. В 1934 г. Б.П. Апаров для синхронных машин предложил при выборе главных размеров исходить из необходимой кратности пускового и максимального моментов.
Г.Н. Петров вводит понятия единичной машины и касательной силы, действующей на единицу поверхности ротора. Касательная сила зависит от мощности машины, но даже у самых крупных машин не превышает 0,03…0,04 МПа.
Развитие теории электрических машин и широкое применение вычислительных машин изменяют подход к проектированию электрических машин. Наиболее общим показателем для различных типов электрических машин становится удельная мощность энергии магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре машины [5,6].
Масса на единицу мощности является одним из основных факторов, характеризующих технический уровень электрических машин. По сравнению с 1913 г. масса асинхронных двигателей современных серий снижена более чем в 3 раза (рис. 1.1). Наиболее значительное снижение массы было достигнуто в 1920…1950 гг. Предполагается, что в 2000…2001 гг. сокращение массы может составить не более 4—5%. В дальнейшем будет еще труднее обеспечить снижение массы при практически неизменном уровне энергетических показателей электрической машины. Даже небольшой процент сокращения расхода активных материалов потребует серьезных работ по усовершенствованию конструкции, технических свойств изоляционных и магнитных материалов. Снижение металлоемкости необходимо, так как выпуск машин единых серий постоянно увеличивается.
Рис. 1.1. Снижение массы асинхронных двигателей в XX в.
Удельный расход материалов в турбогенераторах с 1952 г. снизился более чем в 3 раза. Турбогенератор на 150 тыс. кВт с водородным охлаждением имел массу 350 т. Турбогенератор ТВВ-1200-2 имеет массу на единицу мощности, равную 0,457 кг/(кВ·А).
Значительный рост цен на медь приводит к повышению цены на обмоточные провода. Поэтому реальный становится проблема замены медных проводов на ферромагнитные (стальные) провода, имеющие активное сопротивление в десять раз больше, чем медные. Однако хорошие магнитные свойства и увеличение сечения проводов делают реальным замену медных обмоточных проводов на ферромагнитные при сохранении энергетических характеристик двигателей при некотором увеличении их габаритов.
Проектирование новых электрических машин со стальными обмотками потребуется сосредоточить усилия и талант многих коллективов инженеров-электромехаников. Вполне реальна замена меди в общепромышленных сериях электрических машин мощность до 5 кВт, так как в этом диапазоне мощности электротехническая промышленность потребляет свыше 50% меди [6].
Как следует из формулы (1.1), размеры машины зависят от индукции в воздушном
и линейной нагрузки 
.При рассмотрении электрической машины как объекта разработки необходимо учитывать объем и длительность проектных, расчетных и технологических работ. Предпроизводственные работы включают изготовление рабочих чертежей, технологической оснастки и опытных образцов.
Этот этап требует достаточно много времени и больших коллективов конструкторов и технологов. Качество разработки проекта определяет судьбу электрической машины в производстве и эксплуатации.
Электрическая машина как объект производства должна иметь минимальную трудоемкость и капитальные минимальные вложения в производство. Для этого необходимы технологическая конструкция и максимальное использование существующего технологического оборудования и оснастки.
С каждым годом повышается механизация и автоматизация электромашиностроительных заводов. Широко используются станки для механизированной укладки обмотки статоров и якорей электрических машин, применяются высокопроизводительные штампы и прессы. Для сборочных работ используются работы, для изготовления валов и станин применяются автоматизированные линии. В ближайшие годы на заводах будут широко использоваться гибкие автоматизированные комплексы. При проектировании машины необходимо учитывать особенности производства, на котором предполагается изготовление машины.
После распада СССР более 43% производственных мощностей по выпуску электрических машин остались за границей, в странах СНГ. Россия лишилась целого ряда габаритов асинхронных двигателей с высотами оси вращения 63, 71, 80, 90, 200, 222 и 250 мм. В то же время заводы столкнулись с резким спадом спроса на выпускаемую продукцию. Все это потребовало структурной перестройки российских электромашиностроительных предприятий.
Если раньше завод производил асинхронные двигатели одной- двух высот вращения, то теперь потребовалось, например Ярославскому электромашиностроительному заводу ОАО ЯЭМЗ, выпускать двигатели всех модификаций от 0,30 до 100 кВт, Владимирскому электромоторному заводу ВЭМЗ — от 0,1 до 1250 кВт.
Сложившиеся условия потребовали от инженеров-электромехаников новых подходов к проектированию и организации производства электрических машин. Значительно сократились сроки проектирования и подготовки производства небольших, но многообразных модификаций серий электрических машин. Если раньше электромашиностроители диктовали условия для потребителей, то теперь заказчик определяет номенклатуру изделий. Многообразие типов и модификаций машин снизило возможности автоматизации производства и поставило на первый план технологические возможности быстрого перехода к выпуску мелких партий электрических машин.
Важнейшим требованием при производстве является минимальная материалоемкость электрических машин. Экономия электротехнической стали, меди, алюминия, изоляции и конструкционных материалов является важнейшим требованием при создании новой электрической машины.
Экономия материалов связана с безотходной и малоотходной технологией. При штамповке листов стали статора и ротора в среднем 40% стали идет в отходы, а в некоторых случаях 60…70%. В машинах малой мощности за счет изменения конструкции и технологии изготовления магнитной системы можно значительно уменьшить отходы электротехнической стали [2].
Электрические машины с безотходной технологией изготовления имеют преимущества перед обычными машинами, если сохраняются и требования к машине как к объекту эксплуатации.
Как объект эксплуатации электрическая машина должна иметь высокие энергетические показатели (КПД и
). Электрические машины с минимальными потерями позволяют уменьшить вложения материалов в энергосистему. Высокие энергетические показатели электрической машины гарантируют снижение уровня текущих затрат на эксплуатацию и капитальные вложения потребителя.Улучшение энергетических показателей электрических машин стало особенно актуальным в связи с ростом цен на энергоносители. Вновь разрабатываемые электрические машины должны соответствовать высшей категории качества. Они должны быть надежными и, как правило, иметь срок службы 8…10 лет.
Показатели экономической эффективности электрической машины могут быть установлены на основании анализа приведенных затрат, которые включают затраты на изготовление и эксплуатацию машины.
1.2. ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования. Оптимальное проектирование электрических машин можно представить как поиск оптимальных параметров путем решения этой системы уравнений.
Выбор оптимальных параметров затрудняется сложностью алгоритма расчета электрической машины по формулам проектирования. При проектировании необходимо учитывать стоимость машины, надежность и технологичность конструкции. Эти показатели косвенно входят в формулы проектирования, что затрудняет оптимизацию. Оптимальные варианты электрической машины выбираются на основании широкого применения вычислительных машин, опыта и интуиции проектировщика [1].
Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным двигателям единой серии до 10 кВт показал, что примерно 70% затрат составляют текущие расходы на их эксплуатацию. На долю капиталовложений приходится лишь 15…20% всех затрат. Следовательно, повышение эффективности новых электрических машин связано, прежде всего со снижением эксплуатационных расходов. Первоочередное значение здесь имеют повышение надежности работы машин и улучшение их энергетических показателей, при этом повышение КПД экономически более выгодно, чем повышение
.Повышение надежности и улучшение КПД должны достигаться без заметного увеличения затрат на изготовление электрической машины. Сокращение расходов на электротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное уменьшение себестоимости электрической машины.
Хотя основная заработная плата и составляет 5…8% себестоимости, снижение трудоемкости механических и обмоточно-изолировочных работ имеет важное значение. В свое время в связи с увеличением выпуска электрических машин и недостатком рабочей силы снижение трудоемкости было настолько важно, что в серии 4А пошли на некоторое снижение энергетических показателей, увеличив размеры шлиц пазов для возможности машинной намотки обмотки. Проектирование электрических машин неотделимо от конструирования и технологии изготовления, связанных с условиями, переживаемыми государством.
При оптимизации электрических машин важное значение имеет выбор критерия оптимизации. Выбор критерия оптимизации зависит от назначения электрической машины и предъявляемых к ней требований. Для специальных машин целесообразно выбирать минимум массы или минимальные габариты. Для электрической машины общего назначения в качестве критерия оптимизации принимают минимум приведенных затрат. Этот критерий широко применяется во многих странах. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе производства и эксплуатации являются обобщающим экономическим показателем, включающим основные экономические эквиваленты основных технических характеристик. Нельзя найти универсальный критерий оптимальности. Действительно, минимальная масса машины обуславливает снижение энергетических показателей и ухудшение надежности. Наиболее очевидны противоречия между статическими и динамическими характеристиками. Для уменьшения времени разбега асинхронного двигателя надо увеличивать активное сопротивление обмотки ротора, что вызывает ухудшение энергетических показателей в установившемся режиме.
Выбор критерия оптимизации электрической машины, работающей в автономной энергетической системе, обычно отличается от выбора критерия оптимизации машин общего назначения. Машины автономных энергетических систем в большинстве случаев оптимизируют по минимуму массы, а в передвижных энергетических системах — по минимуму общей массы электрооборудования системы. Если электрическая машина работает при неизменном напряжении, приложенном к ее выводам и не зависящем от нагрузки (сеть бесконечной мощности), задачу оптимизации машины следует проводить по минимуму суммарных затрат.
Задача оптимального проектирования электрической машины или серии машин может быть представлена как общая задача нелинейного математического программирования, которая сводится к нахождению минимума или максимума критерия оптимальности при наличии определенного числа независимых переменных проектирования и функций лимитеров, представляющих собой технические или технологические требования-ограничения к проекту [1,10].
Применение ЭВМ при проектировании для расчетов электрических машин началось в начале 50-Х годов XX в. Во ВНИИЭМ ЭВМ использовались для расчетов серий асинхронных машин. В настоящее время ни один расчет электрических машин не обходится без применения ЭВМ. В большинстве случаев ЭВМ используются для расчетов отдельных частей или всей электрической машины по существующим методикам, что обеспечивает ускорение вычислений, перебор многих вариантов, дает возможность в короткие сроки создать оптимальную электрическую машину.
Внедрение ЭВМ в проектирование привело к существенному повышению технико-экономических показателей электрических машин, снижению сроков проектирования, обеспечило качественный сдвиг в решении задач оптимального проектирования.
При проектировании электрических машин применяются в основном цифровые ЭВМ. Аналоговые ЭВМ удобно применять при решении задач динамики. Недостатками их являются ограниченный объем решаемой задачи и малая универсальность. Цифровые ЭВМ лишены этих недостатков, однако они требуют трудоемкого программирования. Чтобы избежать излишних потерь времени, целесообразно создавать универсальные программы и хранить их в банках данных.
В настоящее время решается задача комплексной автоматизации проектирования электрических машин. Этой цели служит система автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ). Однако на заводах и НИИ используются свои программы, отличающиеся друг от друга и появившиеся в различное время.
Широкая автоматизация проектных работ изменит в ближайшие годы процесс проектирования электрических машин, произойдут значительные изменения и в учебном проектировании. В гл. 12 описание САПР ЭМ. Данный учебный рассчитан на применение частных программ и мини-ЭВМ, так как пока еще не накоплен достаточный опыт промышленного автоматического проектирования электрических машин, а без использования классических формул проектирования невозможно заниматься и использовать САПР ЭМ.
1.3. РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНОЙ МАШИНЫ И СЕРИИ МАШИН
Электрические машины концентрируют энергию магнитного поля в воздушном зазоре. Объем активной части — пространство, в котором размещены сердечники и пазовые части обмоток, определяется произведением
(1.1). Размеры и называются главными размерами машины.Расчетная мощность машины
, (1.2)где
и 
— соответственно номинальный ток и ЭДС обмотки статора для асинхронных и синхронных машин, а для машин постоянного тока — номинальный ток и ЭДС якоря; 
— число фаз для машин переменного тока (для машин постоянного тока =1).Отношение
(1.3)определяет удельную мощность машины, т. е. мощность на единицу активной части. Удельная мощность характеризует степень использования материалов активной части и является важным показателем для сравнения машин различной мощности и конструктивного исполнения.
Более общим критерием оптимизации является отношение момента, развиваемого машиной, к объему ее активной части, которое называют коэффициентом использования
. (1.4)Здесь
— угловая скорость ротора, а 
— момент на валу машины, нм; — диаметр (внутренний или внешний), см; — расчетная длина машины, см.Эффективность использования объема активной части машины определяется электромагнитными нагрузками, линейной нагрузкой
и индукцией в воздушном зазоре . Линейная нагрузка определяется отношением тока всех витков обмотки к длине окружности. Ее значение показывает, какой ток приходится в среднем на единицу длины окружности зазора машины. Индукция в воздушном зазоре при данных диаметре по зазору и числе полюсов определяет поток машины и, следовательно, уровень индукции в участках магнитопровода.Чем больше
и , тем больше коэффициент использования объема активной части 
~
. Однако с ростом мощности машины увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением объема активной части площадь, с которой отводится тепло, увеличивается быстрее, чем объем машины. Если объем машины пропорционален линейному размеру в третьей степени, то поверхность этого объема пропорциональна линейному размеру в четвертой степени.Лучшие условия охлаждения в машинах большой мощности позволяют выбирать большие
и , что обеспечивает лучшее использование материалов. Поэтому машинная постоянная 
остается «постоянной» лишь в определенном диапазоне мощностей. С повышением мощности растет и .Наибольшие допустимые уровни электромагнитных нагрузок для конкретных машин определяются допустимым нагревом активных частей, так как с ростом
и увеличиваются потери в единице активного объема машины. На основании опыта проектирования и эксплуатации электрических машин выработаны определенные диапазоны возможных значений и для различных типоразмеров машин, при которых нагрев их активных частей не превышает допустимого для принятого класса изоляции обмоток. Значения электромагнитных нагрузок задаются в виде рекомендаций в соответствующих расчетов методиках и служат основной для правильного выбора объема активной части. С развитием теории и практики электромашиностроения коэффициент использования объема активной части машин повышается.Переход на более нагревостойкую изоляцию позволяет рассчитать машины на большие превышения температуры обмоток, что дает возможность при той же мощности уменьшить габариты машины.
То же самое происходит, если в машине применена более совершенная система охлаждения — водородная, жидкостная, форсированные системы или внутреннее охлаждение. В этих случаях при том же превышении температуры способность рассеивать тепло также возрастает, и объем активной части машины может быть уменьшен. Однако при слишком больших нагрузках значительно снижаются КПД и
. [5].Использование новых сортов электротехнических сталей с лучшими магнитными свойствами и меньшими удельными потерями и новых электроизоляционных материалов, позволяющих уменьшить толщину изоляции и за счет этого снизить плотность тока в обмотках, приводит к уменьшению потерь и необходимого объема активной части.
Поиски новых конструктивных решений, применение вычислительных машин, новых методов оптимизации, обобщение опыта проектирующих организаций позволяют создавать электрические машины с лучшими энергетическими характеристиками и меньшей массой.
За счет применения новых электроизоляционных и магнитных материалов, совершенствования конструкции и систем охлаждения, развития теории и применения ЭВМ удалось снизить массу электротехнических машин общего назначения в 2-3 раза (см. рис. 1.1).
При проектировании новых машин и, в частности, при выполнении учебных проектов необходимо ориентироваться на современное конструктивное исполнение электрических машин, предусматривать применение новых электротехнических материалов.
Ориентируясь на рекомендованные в методиках значения электромагнитных нагрузок и используя выражение для машинной постоянной, можно достаточно точно найти объем активной части проектируемой машины
, при котором ее превышение температуры будет соответствовать допустимому. Однако этот объем может быть получен при различных сочетаниях значений и . Аналитических зависимостей, однозначно определяющих эти величины для конкретных машин, не существует. В практике проектирования предварительно определяют диаметр . Для этой цели обычно используют кривые, характеризующие среднюю зависимость 
для большого числа построенных и эксплуатируемых машин данного типа (где 
— мощность машины). После этого с учетом выбранных электромагнитных нагрузок определяют , исходя из машинной постоянной.Проверкой правильности выбора
является значение отношения 
или более часто принятое в практике отношение 
, где полюсное деление 
. Число полюсов обычно известно или определяется из технического задания.Значение
характеризует основные размерные соотношения в машине. Большие имеют машины относительно малого диаметра и большой длины, и, наоборот, малые значения — короткие машины с большим диаметром. В первом случае машины имеют меньшую массу и меньшую высоту оси вращения. В них лучше используется медь, так как длина лобовых частей катушек по сравнению с длиной их пазовых частей становится меньше. Момент инерции машин меньше при больших , чем при малых , что особенно важно при проектировании двигателей, предназначенных для работы с частыми пусками.Однако относительное увеличение длины машины при больших
затрудняет условия их охлаждения, а в машинах постоянного тока приводит к ухудшению коммутации. В машинах небольших габаритов с увеличением возникают трудности с выполнением необходимого для нормальной работы числа пазов.Анализ этих зависимостей и опыт эксплуатации позволили определить для различных типов машин диапазон значений
, при которых обеспечиваются их экономичность и хорошие эксплуатационные данные. Эти рекомендации служат критерием проверки правильности предварительного выбора для проектируемой машины. Конкретные диапазоны возможных для различных типов машин приведены в соответствующих главах книги.При проектировании индивидуальной машины необходимо по возможности использовать имеющиеся на заводе штампы, модели, шаблоны и т. п. и так выбирать размеры, чтобы, максимально использовать существующие узлы и детали.
В индивидуальном исполнении проектируют только машины для специальных применений. Обычно электрические машины выпускают сериями. Серия — ряд машин возрастающей мощности, имеющих одну конструкцию и единую технологию производства на больших участках серии и предназначенных для массового производства. При проектировании серий машин важнейшее значение имеют вопросы унификации деталей, конструктивных узлов и нормализации ряда размеров. Все это связано с рациональной организацией производства как внутри завода, так и в объединении, выпускающем единую серию машин. При этом необходимо заботится об экономической эффективности целой серии машин, а не одной машины.
При проектировании серий асинхронных машин выбирают внешние диаметры статора таким образом, чтобы при одном и том же диаметре при изменении длины машины получить несколько машин на различные мощности и частоты вращения. Для машин постоянного тока выбирают одинаковым диаметр якоря и, изменяя длину машины, проектируют на нем несколько машин различной мощности и на разные частоты вращения.
Такое построение серий приводит к сокращению количества штампов, уменьшению количества моделей для отливки станин и подшипниковых щитов, сохранению одних и тех же диаметров валов, унификации подшипниковых щитов, сокращению количества оснастки и измерительного инструмента. Широкая унификация облегчает применение гибких автоматизированных производств, облегчает кооперацию между заводами.
Проблема создания единых отечественных серий электрических машин возникла в конце 20-х г., когда машины выпускались по иностранным чертежам. Начало работ по созданию единой серии асинхронных двигателей заводом «Электросила» и Харьковским электромашиностроительным заводом (ХЭМЗ) относится к 1928—1929 гг. «Электросила» разработала серии АД мощностью 1…10 кВт и АМ — свыше 100 кВт. ХЭМЗ разработал серию МА-200 мощностью до 100 кВт.
В 1943 г. Баранчинский электромашиностроительный завод выпустил серию «Урал» мощностью 1…13 кВт, заменившую серию АД.
Первая единая всесоюзная серия асинхронных двигателей А (с короткозамкнутым роторам) и АК (с фазным ротором) появилась в 1952—1956 гг. Серия имела твердую шкалу мощностей и высокую степень унификации.
В 1964—1968 гг. ЦПКТБ крупных электрических машин (г. Ленинград), московский завод им. Владимира Ильича (ЗВИ) и Баранчинский электромеханический завод разработали серию А2 мощностью свыше 100 кВт, в которой уровень использования активных материалов был повышен на 20…25% по сравнению с ранее выпускавшимися сериями.
В начале 90-х гг. в странах СЭВ (ГДР, ЧССР, НРБ) и СССР была создана серия 4А, включавшая двигатели до 400 кВт. В серии 4А за счет применения новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность двигателей при тех же высотах оси вращения была повышена на 2—3 ступени.
В 80-х гг. организацией социалистических стран Интерэлектро была разработана серия АИ. Асинхронные двигатели серии АИ при диапазонах мощности 0,25…315 кВт на 18 высотах оси вращения 45…355 мм обладали высокими энергетическими показателями, повышенной надежностью и низким уровнем шума.
На базе единых серий изготовляются двигатели различных исполнений, предназначенные для работы в специальных условиях. Так, на базе серии 5А и РА выпускаются следующие электрические модификации: с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, 10-полюсные и 12-полюсные, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные, с фазным ротором и другие, специализированные по таким конструкциям: встраиваемые, с встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, с встроенной температурой защиты, с повышенной точностью по установочным размерам, высокоточные; специализированные по следующим условиям окружающей среды: влагоморозостойкие, химостойкие, тропические; узкоспециализированного исполнения: для сельского хозяйства, для судов морского флота, для холодного климата, лифтовые, фреономаслостойкие, полиграфические, швейные и др.
Непрерывно возрастающие требования к современным системам электропривода могут быть удовлетворены только при применении регулируемых электродвигателей переменного тока, работающих с преобразователями частоты, и, прежде всего, двигателей постоянного тока.
Первой общесоюзной серией машин постоянного тока с нормализованной шкалой номинальных мощностей и частот вращения была серия П, созданная в 1956 г.
В 1974 г. в серии 2П впервые были применены установочно-присоединительные размеры двигателей, увязанные с номинальной мощностью, в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК). По сравнению с серией П в двигателях серии 2П при одной и той же высоте оси вращения увеличена в 3—5 раз, а диапазон регулирования — в 1,6 раза.
Стремление удовлетворить потребность в широко регулируемых двигателях для гибких автоматизированных систем и робототехники привело к созданию в 1984 г. двигателей серии 4П. В двигателях этой серии применены компенсационная обмотка, шихтованный магнитопровод, квадратная станина, изоляция класса нагревостойкости F и форсированное охлаждение [3].
За счет улучшения конструкции, форсированного охлаждения и применения изоляционных материалов, допускающих более высокие превышения температуры, удалось в течение 50 лет снизить расход материалов в 3 раза (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Снижение массы двигателей постоянного тока:
1 —станина круглая; 2 — станина квадратная, улучшенная вентиляция;
3 — форсированное охлаждение
В серии 4П проведена унификация по деталям, сборочным единицам и в целом конструкции машин постоянного тока с асинхронными двигателями серий 4А и АИ. Это позволяет обеспечить дальнейшую кооперацию производства двигателей и снизить их себестоимость.
Многочисленные конструкции асинхронных и синхронных машин представлены в гл. 8 и 9.
1.4. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Почти все электрические машины имеют вращательное движение, причем вращается одна часть машины – ротор.
Независимо от рода питания (постоянного или переменного тока) электрические машины можно разделить на явно- и неявнополюсные.
К неявнополюсным машинам относятся асинхронные машины и быстроходные синхронные машины (турбогенераторы и турбодвигатели).
Явно выраженные полюсы располагают либо на роторе (синхронные машины), либо на статоре (машины постоянного тока). В специальных случаях машины постоянного тока могут быть с вращающимися обмотками возбуждения, а синхронные машины – с неподвижными. Такие машины принято называть обращенными.
За 100 лет промышленного применения электрических машин их конструкция претерпела значительные изменения. На рис. 1.3,
дана одна из первых конструкций машины постоянного тока, сконструированной З. Граммом и изготовленной фирмой «Альянс» в середине семидесятых годов ХIХ века. В этой машине на станине 1 укреплены электромагниты 2 с полюсными наконечниками 3, между которыми вращается якорь 4. Щетки скользят по коллектору 5. 
Рис. 1.3. Машина постоянного тока:
а — фирма «Альянс»
На рис. 1.3,
представлен общий вид машины постоянного тока серии ПН, которая выпускалась в СССР после Отечественной войны. На рис. 1.3, 
дана конструкция машины серии 2П, которая выпускалась в начале 70-х годов ХХ в.
Рис. 1.3. Машины постоянного тока:
б — серии ПН; в — серии 2П
Конструкция машины новой серии 4П показана на рис. 1.3,
. Эта унифицированная конструкция, имеющая ряд деталей, заимствованных от серии асинхронных машин 4А, выпускается с середины 80-х годов ХХ в. 
Рис. 1.3. Машина постоянного тока:
г — серии 4П
Условия, в которых работают электрические машины, классифицируют по ряду признаков (направление оси вала, чистота окружающего воздуха, его температура, влажность и т.п.), в зависимости от которых выпускают машины различных конструктивных исполнений.
При эксплуатации электрических машин возникает необходимость устанавливать их не только в горизонтальном, но и в вертикальном положениях. В зависимости от способа крепления, направления оси вала и конструкции подшипниковых узлов конструктивные исполнения машин по способу монтажа делят на девять конструктивных групп (ГОСТ 2479), каждая из которых подразделяется, в свою очередь, на несколько форм исполнения. Условное обозначение содержит буквы латинского алфавита IМ и четыре цифры. Первая цифра определяет группу конструктивного исполнения ( от 1 до 9), вторая и третья – способ монтажа и направление конца вала, четвертая – исполнение конца вала (от 0 до 8).
Структура условного обозначения конструктивного исполнения электрических машин по способу монтажа:
IM 
Группы конструктивных исполнений:
1 – на лапах с подшипниковыми щитами (с пристроенным редуктором);
2 – на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите (или щитах);
3 – без лап, с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном подшипниковом щите (или щитах), с цокольным фланцем;
4 – без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на станине;
5 - без подшипниковых щитов;
6 – на лапах с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками;
7 – на лапах со стояковыми подшипниками (без щитов);
8 – с вертикальным валом, кроме групп от IМ1 до IМ4;
9 – специального исполнения по способу монтажа.
Исполнения концов вала (концом вала называется его часть, выступающая за подшипник):
0 – без конца вала;
1 – с одним цилиндрическим;
2 – с двумя цилиндрическими;
3 – с одним коническим;
4 – с двумя коническими;
5 – с одним фланцевым;
6 – с двумя фланцевыми;
7 – с фланцевым со стороны привода и цилиндрическим на противоположной стороне;
8 – все прочие исполнения концов вала.
Примеры условного обозначения форм конструктивного исполнения электрических машин приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Примеры условного обозначения форм