УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ Советский патент 1940 года по МПК G01B7/14 

Весьма часто электрическим двигателям приходится работать в таких условиях, где шум передач или исполнительных органов рабочих машин не дает возможности своевременно услышать задевание ротором статора.

Работа трения ротора о статор преобразуется в тепло. Так как это трение является сухим трением и концентрируется на весьма ограниченной площадке из всей поверхности, то уже после нескольких минут оно создает на этой площадке нагрев, достигающий нескольких сот градусов. Теплопроводность слоенного железа статора или ротора в аксиальном направлении весьма невелика, и это добавочно способствует концентрации нагрева на площадке трения. Высокий нагрев такой площадки приводит к местному разрушению изоляции в пазу около этой площадки, а затем к витковым соединениям и пробоям на корпус, после чего машина уже не может продолжать своей работы.

Случаи выхода из строя по этой причине электрических машин, в том числе весьма мощных, неоднократно освещались в печати, и совершенно очевидны тяжелые последствия, к которым это приводит.

Между тем, если бы уменьшение зазора могло быть своевременно замечено, электрическая машина была бы сохранена сравнительно элементарными средствами и приемами, а именно - остановкой машины на небольшой отрезок времени и выравниванием зазора.

В наиболее опасных по зазору условиях работают асинхронные машины, поскольку природа этих машин характеризуется минимальными возможными зазорами. Поэтому случаи задевания ротором статора здесь встречаются наиболее часто. Отсюда понятно, что контроль зазора у этих машин без их останова и разборки, т.е. на ходу, приобретает особенно большое значение, поскольку это предотвратило бы выход многих машин из строя из-за такого легко поправимого дефекта, как неравномерность зазора.

Актуальность контроля зазора машины в ее работе велика еще и потому, что такой контроль дал бы возможность надежно проектировать крупные асинхронные машины с зазорами меньше принятых в настоящее время. Именно из-за отсутствия приборов для контроля и наблюдения неравномерностей в зазоре на ходу машины приходится теперь заранее задавать этим машинам увеличенные зазоры, чтобы хотя бы этим способом перестраховаться от опасности такого резкого уменьшения равномерности зазора в машине, когда ротор уже начинает тереть статор. Таким образом, из-за опасного и невидимого уменьшения зазора, которое когда-то может случиться в одном месте всей дуги или всей окружности статора, приходится навсегда задавать увеличенный зазор по всей дуги или окружности машины, но это, понятно, снижает коэфициент мощности машины.

Однако, даже если зазор, выверенный щупом, установлен равномерным в покое, то после пуска машины эта равномерность существенно нарушается следующими факторами: а) натяжением ремня или другими радиальными силами, действующими на вал машины от передач; б) весовым эксцентриситетом ротора; в) силой трения в подшипниках машины.

Все эти и другие факторы смещают ось вращения ротора и существенно искажают достигнутую в покое центровку ротора относительно статора. Таким образом, даже после тщательной сборки и выверки щупом машины зазор в ней оказывается все же неравномерным в работе, а следовательно, и опасным.

Из всего этого вытекает очевидная необходимость и целесообразность какого-то прибора, который позволил бы наблюдать зазор не в покое, а в работе машины. Такой прибор окажется особенно рациональным для крупных асинхронных машин. Вместе с тем совершенно, однако, ясно, что этот прибор только при том условии оправдает себя, если он будет прост по своей физической сущности и по своей технической конструкции, и сам не будет источником неполадок электрической машины.

Предметом настоящего авторского свидетельства является устройство для измерения воздушного зазора в электрических машинах переменного тока во время работы, решающее поставленную задачу. Предлагаемое устройство, подобно уже известным, основано на применении измерительных индуктивных контуров, заложенных на статоре и включенных на измерительный прибор, и отличается от известных тем, что в качестве указанных контуров применены катушки из одного или нескольких витков, охватывающих часть или весь поток спинки статора, т.е. расположенных в радиальной плоскости по отношению к статору.

На фиг. 1-5 чертежа показаны схемы предлагаемого устройства, отвечающего изложенным выше требованиям и применимого к различным частным случаям.

Согласно фиг. 1 и 2 через аксиальный вентиляционный канал статорнога пакета S прокладывается один или два или более витков из обычного изолированного проводника подходящего для этой цели сечения. Катушка А, состоящая из одного или двух или более витков, сцепляется с определенным количеством магнитных линий Ф. и в этой катушке будет поэтому индуктироваться э. д. с, определяемая: (в вольтах) равенством:

где - коэфициент формы поля, N - число проводников, уложенных в канале, Ф - магнитный поток, проходящий через часть спинки, охватываемую катушкой А. В зависимости от размеров машины в подобных катушках возможны э. д. с. в пределах от нескольких десятых долей вольта до нескольких единиц и даже до десяти, и более вольт на один проводник указанной катушки.

Пусть зазор в машине под действием каких угодно причин начнет изменяться на том именно участке дуги или окружности статора, где заложена указанная катушка А. За таким местным изменением зазора немедленно последует и местное изменение потока Ф, сцепляющегося с катушкой А, а именно: при уменьшений зазора поток Ф, по общеизвестному закону магнитной цепи, увеличится, а при увеличении зазора поток Ф уменьшится. Вместе с потоком Ф будет меняться по формуле (1) и э. д. с. Это будут местные изменения э. д. с, соответствующие местным же изменениям и магнитного потока, обусловленным в свою очередь местными изменениями зазора, являющегося самым значительным слагаемым общего магнитного сопротивления цепи для потока Ф.

Отсюда совершенно ясно, что если включить в цепь катушки А надлежащий вольтметр, то изменения в показаниях вольтметра во время работы машины будут в некотором масштабе отображать собой изменения в зазоре, происходящие на этом участке дуги или окружности статора.

Разместив, как показано на фиг. 3, по дуге или окружности статора несколько катушек А с надлежащей расстановкой их друг от друга, в зависимости от габарита и длины машины, и через переключатель поочередно присоединяя эти катушки, подобно термопарам, к надлежащему вольтметру, получается возможность измерения, наблюдения или регистрации изменений зазора на разных участках всей дуги или окружности статора. Для такого контроля зазора в электрической машине совершенно нет даже надобности проградуировать шкалу вольтметра на доли миллиметра зазора. Равенство э. д. с. всех одинаковых катушек А одного и того же статора, т.е. равенство показаний вольтметра, поочередно приключаемого через переключатель к этим катушкам А, будет свидетельствовать о равномерном зазоре на участках, охватываемых этими катушками. Наоборот, неравенство указанных э. д. с, фиксируемое вольтметром, будет свидетельствовать о неравномерности зазора. В этом случае знак и абсолютное значение изменений в показаниях вольтметра будут отображать соответствующий знак и соответствующее изменение зазора по окружности или дуге статора. Так, например, если, согласно фиг. 3, катушки расположены по окружности статора в заранее известных местах через 90°, и если показания вольтметра, поочередно переключаемого на катушки А₁, А₂, А₃ и A₄ соответственно, равны 2-1,8-1-1,2 вольт, то можно утверждать, что ротор R осел книзу и влево, и для выравнивания зазора необходимо подшипники ротора поднять кверху и, кроме того, подвинуть их несколько в сторону катушки А₄. В общем же случае центр вращения ротора должен быть всегда подвинут в сторону катушек, дающих минимум вольт. Достижение равенства показаний вольтметра на всех катушках в работе двигателя является признаком точной динамической центровки, т.е. правильной установки ротора относительно статора. Такое равенство показаний вольтметра дает вместе с тем возможность быстро и верно отделить доброкачественную начальную сборку двигателя от недоброкачественной еще в цеху электромашиностроительного завода.

Для большей точности показаний прибора следует провода, ведущие от катушек к вольтметру, делать одинаковой длины подобно проводникам термопар. Однако, в том случае, когда сопротивление всей остальной цепи, состоящей из катушки А и катушки вольтметра, значительно (скажем, в 20 раз) превышает сопротивление самого длинного по месту проводника, соединяющего. катушку А с переключателем вольтметра, длины отдельных проводников могут несколько отличаться друг от друга.

На фиг. 4 и 5 дана форма выполнения предлагаемого прибора для машин, которые не имеют в пакете статора S аксиальных вентиляционных каналов. В этом случае проводник А может быть уложен на дно паза.

В случае очень мощной и длинной машины с радиальными каналами проводник А может быть уложен на дно паза вдоль лишь одного или двух пакетов статора S, как показано на фиг. 5.

Предлагаемый электрический прибор для измерения зазора в электрической машине на ходу и на произвольном расстоянии от машины применим к еле-дующим типам электрических машин: крупных габаритов:

1. Асинхронные двигатели и асинхронные генераторы.

2. Синхронные двигатели и синхронные генераторы.

3. Гидрогенераторы.

4. Турбогенераторы.

5. Дуговые электрические приводы по авторскому свидетельству №42629 того же изобретателя.

В том случае, когда обмотка статора перечисленных электрических машин имеет несколько параллельных ветвей, каждая из которых охватывает не всю дугу (окружность) статора, не-обходимо считаться с возможностью разных показаний прибора даже при равномерном зазоре, но только для тех катушек А, которые охватывают участки под разными параллельными ветвями, а не под одной ветвью.

Рассматриваемым прибором могут быть легко обнаружены любые по форме неконцентричности в активных поверхностях статора и ротора, в том числе эллипсоидальность, мятины и другие отступления от правильного круга.

Можно автоматизировать отключение машины в случае чрезмерного местного уменьшения зазора, связав через электрическую цепь электромагнитную систему прибора с автоматическим выключателем машины.

Вместо такой автоматизации можно на основе предлагаемого прибора выполнить такую схему, чтобы при опасном для машины уменьшении зазора в каком-либо участке дуги или окружности, автоматически вспыхивала красная электрическая лампочка на щите или в любом другом подходящем месте.

Электромагнитный расчет катушек А, их размещение и подбор необходимого вольтметра и переключателя возможно выполнить наилучшим образом для каждой данной конкретной электрической машины.

Рассматриваемый прибор будет иметь значение не только в эксплоатации для предохранения от аварий указанных типов крупных электрических машин, но и для разнообразных исследований, конечным результатом которых должны явиться более правильные исходные условия для проектирования более совершенных по механической прочности элементов конструкции рассматриваемых типов машин, как например, станины, валы, подшипники и другие детали, влияющие своей работой на равномерность зазора электрической машины в ее действительных условиях работы.

1. Устройство для измерения воздушного зазора в электрических машинах переменного тока во время работы с применением измерительных индуктивных контуров, заложенных на статоре и включенных на измерительный прибор, отличающееся тем, что в качестве указанных контуров применены катушки из одного или нескольких витков, охватывающих часть или весь поток спинки статора машины.

2. В устройстве по п. 1 применение для обнаружения неравномерностей зазора вдоль дуги окружности машины нескольких электрических контуров, присоединенных через переключатель к вольтметру.