Предисловие
Настоящая книга является переработанным и дополненным вто-
рым изданием учебника для студентов вузов по курсу «Электри-
ческие машины автоматических устройств». Она может быть по-
лезна и инженерно-техническим работникам, занимающимся про-
ектированием, исследованием и эксплуатацией электрических
машин малой мощности вообще и электрических машин систем
автоматики в частности. Ее особенностью является то, что в ней
учитывается влияние на работу машин переменного тока активного
сопротивления их обмоток, а также высших, в том числе зубцо-
вых, гармоник поля.
Во втором издании книга пополнилась тремя главами — 8-й,
13-й и 18-й. В 8-й главе приводятся некоторые сведения о посто-
янных магнитах, широко применяемых для возбуждения некоторых
машин малой мощности. В 13-й главе рассматриваются электри-
ческие машины с изготовленными по безотходной и малоотходной
технологиям магнитопроводами, применение которых вызвано тем,
что при производстве магнитопроводов традиционной конструкции
Значительное количество (до 80%) дорогой и дефицитной тонколи-
стовой электротехнической стали идет в отходы. В 18-й главе рас-
сматриваются вопросы влияния высших пространственных гармо-
ник магнитного поля на работу электрических машин и спо-
собы борьбы с ними, что необходимо знать специалистам, занима-
ющимся машинами малой мощности.
Во втором издании ряд глав в некоторой степени переработан
и дополнен.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность
рецензентам книги — коллективу кафедры электромашинных и
электромагнитных устройств автоматики Московского института
радиотехники, электроники и автоматики, ее заведующему канд.
техн, наук доценту Н. В. Петропольскому и доценту кафедры
канд. техн, наук Т. Д. Королевой, а также лауреату Государст-
венной премии СССР д-ру техн, наук, проф. В. В. Хрущеву за ряд
весьма ценных замечаний по рукописи книги. Автор выражает
также благодарность канд. техн, наук Э. Г. Герсамия за помощь
автору при его работе над вторым изданием книги.
Отзывы, замечания и пожелания читателей можно направлять
по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, изда-
тельство «Высшая школа».
Автор
Введение
§ В.1 Роль, значение и области
применения электрических машин
малой мощности
В Программе Коммунистической партии Советского Союза (новая
редакция) сказано: «Необходимо завершить комплексную механи-
зацию во всех отраслях производственной и непроизводственной
сфер, сделать крупный шаг в автоматизации производства с пере-
ходом к цехам и предприятиям-автоматам, системам автоматизи-
рованного управления и проектирования.
<•••>
На основе ускорения научно-технического прогресса ... пред-
стоит добиться значительного повышения производительности тру-
да, без чего, как учил В. И. Ленин, «окончательный переход к
коммунизму невозможен». В качестве важного рубежа на пути к
высшей производительности труда в предстоящем пятнадцатиле-
тии намечается увеличить ее в 2,3—2,5 раза»*.
В целях решения поставленных партией задач в Основных на^
правлениях экономического и социального развития СССР на
1986—1990 годы и на период до 2000 года записано: «Широко
внедрять гибкие переналаживаемые производства и системы авто-
матизированного проектирования, автоматические линии, машины
и оборудование со встроенными средствами микропроцессорной
техники, многооперационные станки с числовым программным уп-
равлением, робототехнические, роторные и роторно-конвейерные
комплексы. <.. .>.
<•••>
Увеличить применение в машиностроении прогрессивных конст-
рукционных материалов — проката из низколегированной стали,
гнутых, фасонных и точных профилей, металлических порошков,
композиционных материалов и пластмасс. Снизить в двенадцатой
пятилетке удельную металлоемкость машин и оборудования на
12—18 процентов и их удельную энергоемкость на 7—12 процен-
тов, сократить расход (на 1 млн. рублей товарной продукции) про-
ката черных металлов в среднем на 27—29 процентов, стальных
* Материалы XXVII съезда Коммунистической партии Советского Союза. М.,
1986. С. 141—142.
4
труб —на 20—22 процента, проката цветных металлов — на 21—
23 процента»*.
Выполнение поставленных партией и правительством гранди-
озных задач немыслимо без интенсивной работы специалистов, за-
нимающихся разработкой, проектированием и производством элек-
трических машин вообще и электрических машин автоматических
устройств в частности.
Повышение производительности труда, определяющее уровень
развития народного хозяйства, немыслимо без широкой его авто-
матизации. В настоящее время автоматизация очень широко внед-
ряется в промышленность, транспорт, сельское хозяйство, быт.
С каждым годом растет производство всевозможных станков-авто-
матов, роботов, автоматических линий; небывалыми темпами раз-
вивается автоматизация самых различных технологических про-
цессов. Громадное количество всевозможных автоматических и
телемеханических систем устанавливается на морских и речных
судах, тепловозах и электровозах, самолетах и ракетах, на обычных
и атомных электростанциях, на предприятиях связи, в различных
научно-исследовательских лабораториях.
Весьма распространены в системах автоматики и телемеханики
электрические машины. Как правило, это машины небольшой мощ-
ности— до 500.. .600 Вт. Их принято называть электрическими ми-
кромашинами. В системах автоматики, телемеханики и вычисли-
тельной техники электрические микромашины выполняют самые
различные, порой весьма ответственные функции. Они приводят во
вращение всевозможные механизмы; обеспечивают дистанционное
управление, регулирование и контроль; осуществляют различные
преобразования механических величин в электрические и наоборот,
электрических величин одного вида в электрические величины
другого вида; обеспечивают работу следящих систем: производят
преобразование координат, осуществляют различные тригономе-
трические операции; позволяют производить электрическое инте-
грирование, дифференцирование и т. п.
От качества и надежности небольшой электрической машины
часто зависят качество и надежность сложной и дорогой автома-
тической системы, управляющей весьма ответственными процес-
сами. Отказ электрической микромашины и вызванный этим про-
стой сложнейшего оборудования порой обходятся народному хо-
зяйству очень дорого.
Широко применяются электрические микромашины в кинемати-
ческих устройствах различных радиоэлектронных приборов, в при-
борах точной механики и оптики; во всевозможных медицинских
приборах, предназначенных для диагностики (кардиографы, цент-
рифуги) и лечения (ингаляторы, бормашины и т. п.); в приборах
звукозаписи и звуковоспроизведения; в киноаппаратуре; в аппара-
* Материалы XXVII съезда Коммунистической партии Советского Союза. М.,
1986. С. 285—286.
5
туре связи и т. п. Большое количество электрических машин тре-
буется для промышленности и сельского хозяйства.
Особенно большое количество всевозможных микромашин,
исчисляемое десятками миллионов, производится для службы бы-
та. Микродвигатели обеспечивают работу холодильников, пылесо-
сов, полотеров, стиральных машин, магнитофонов, проигрывателей,
миксеров, кофемолок, соковыжималок, вентиляторов, электро-
бритв, фенов и т. п.
В зависимости от назначения электрические микромашины
можно разделить на две большие группы: 1) электрические микро-
машины общепромышленного (широкого) применения; 2) электри-
ческие микромашины автоматических устройств. Разделение это
несколько условно, так как часто одна и та же машина применяет-
ся и в промышленности, и в быту, и в схемах автоматики. Это
разделение вполне правомерно, если говорить о том, для чего
предназначалась та или иная машина при ее разработке.
Электрические микромашины общепромышленного (широкого)
применения. В эту группу входят в основном микроэлектродвига-
тели. По роду тока их можно разделить на двигатели переменного
тока, постоянного тока и универсальные, способные работать как
от сетей переменного, так и от сетей постоянного тока.
Общей особенностью микродвигателей переменного тока, как и
вообще микромашин переменного тока, является то, что большая
их часть — это машины, питающиеся от однофазных сетей. В каче-
стве микродвигателей переменного тока в настоящее время ис-
пользуются асинхронные, синхронные и коллекторные микрома-
шины.
Асинхронные и синхронные микродвигатели
могут быть трехфазными, однофазными и универсальными. По-
следние способны работать как от трехфазных, так и от однофаз-
ных сетей переменного тока. Подавляющее большинство асинхрон-
ных микродвигателей имеет короткозамкнутый ротор с обмоткой,
изготовленной в виде беличьей клетки. Однофазные двигатели,
которых, как уже говорилось выше, выпускается значительно боль-
ше, чем трехфазных, могут быть либо с пусковыми фазосдвигаю-
щими элементами (с активным сопротивлением или конденсато-
ром), либо с пусковыми и постоянно включенными элементами
(с пусковым и рабочим конденсаторами), либо только с постоянно
включенными элементами (с рабочим конденсатором или экрани-
рованными полюсами).
Синхронные микродвигатели — это реактивные, ги-
стерезисные двигатели или двигатели с постоянными магнитами.
Коллекторные двигатели могут быть постоянного, пе-
ременного тока и универсальные. Последние могут работать от
сетей постоянного и от сетей переменного тока. Коллекторные
двигатели постоянного тока выпускаются либо с параллельным
(независимым) возбуждением, либо с последовательным возбуж-
дением, либо с постоянными магнитами.
6
Большая часть двигателей переменного тока общепромышлен-
ного (широкого) применения выпускается для работы от сетей с
промышленной частотой 50 Гц, стандартным напряжением 127,220,
реже 380 В. Двигатели постоянного тока рассчитываются для ра-
боты либо от сетей с обычными напряжениями НО, 220 В,
либо от источников питания с пониженными напряжениями 3, 6, 12,
24 В.
Кроме двигателей с обычными частотами вращения 1000, 1500,
3000 об/мин выпускаются также тихоходные двигатели на 78, 150
об/мин и др., а иногда (например, для пылесосов, вентиляторов) —
высокоскоростные на 12 000.. .25 000 об/мин.
К электрическим микромашинам общепромышленного назначе-
ния обычно предъявляются такие же требования, как и
к электрическим машинам средней и большой мощности (ГОСТ
183—74), причем одним из основных является сребование таких
энергетических показателей, как КПД и costp. Иногда при массо-
вом производстве требование этих энергетических показателей
несколько снижается, так как более жестко ставится требование
технологичности конструкции. К двигателям группы общепромыш-
ленного применения часто не предъявляется повышенных требо-
ваний в отношении габаритов, массы, надежности, так как эти
свойства обычно приобретаются благодаря применению высоко-
качественных материалов, усложнения технологии, увеличения
трудоемкости, а следовательно, и стоимости машин, что не всегда
приемлемо для потребителей.
Электрические микромашины автоматических устройств. Элект-
рические микромашины этой группы значительно разнообразней
машин общепромышленного применения. В схемах автоматики
микромашины выполняют самые различные функции. Они исполь-
зуются либо как силовые двигатели, либо как исполнительные
двигатели следящих систем, либо как различные преобразователь-
ные элементы, реагирующие па те или иные механические и элек-
трические воздействия.
В зависимости от функций, которые выполняют электрические
микромашины автоматических систем в схемах автоматики, теле-
механики и вычислительной техники, т. е. по своему назначению,
все они могут быть разделены на следующие пять групп:
1)	силовые микродвигатели автоматики;
2)	исполнительные или управляемые микродвигатели;
3)	информационные электрические микромашины;
4)	электрические микромашины гироскопических систем;
5)	электромашинные преобразователи и усилители.
В данном учебнике не рассматриваются электромашинные пре-
образователи и усилители, так как большинство их имеет выход-
ную мощность более 600 Вт и не относится к микромашинам.
Требования, предъявляемые к электрическим микромашинам
автоматических систем, весьма разнообразны. Все их, однако,
можно разделить на две группы: общие и специфичные.
7
Общие требования—-это те, которые являются общими для всех
микромашин независимо от функций, выполняемых в схемах ав-
томатики. Перечень этих требований оговорен в ГОСТ 183—74
«Машины электрические. Общие требования» и включает в себя
такие, например, величины, как номинальные значения напряже-
ний, частоты, потребляемого тока и мощности, КПД, номинальной
полезной мощности (для двигателей), созф, допустимого превы-
шения температур, уровня шума, сопротивления изоляции.
Специфичные требования — это требования, которые предъявля-
ются лишь к данному типу машин и определяются теми функци-
ями, которые машины данного типа выполняют в схемах автома-
тики. Эти требования весьма разнообразны. Они приводятся в
технических условиях, нормалях, ГОСТах на различные типы и
группы микромашин.
Классификация каждой из перечисленных выше групп элект-
рических микромашин автоматических устройств, а также специ-
фичные требования, которые к ним предьявляются, представлены
в соответствующих разделах и главах книги.
§ В.2	Особенности теории и расчета
электрических микромашин
Длительное время вопросам теории, расчета и проектирования
электрических микромашин не уделялось должного внимания.
Считалось, что выигрыш в массе, КПД, cos ф у микромашин не
может дать значительной экономии народному хозяйству. Счита-
лось также, что необходимые характеристики создаваемой микро-
машины могут быть получены путем изготовления и доводки не-
скольких опытных образцов, так как затраты времени и средств
на изготовление единичной микромашины по сравнению с маши-
нами средней и большой мощности невелики. Такое отношение к
теории, расчету и энергетическим показателям микромашин было
неправильным, но оно бытовало тогда, когда выпуск микромашин
был небольшим и к ним не предъявлялось высоких требований. По
мере развития микроэлектромашиностроения возрастала необхо-
димость в создании специальной теории и расчета электрических
микромашин различных типов. Практика показала, что без строгой
теории и точных расчетов невозможно создание высококачествен-
ных микромашин, удовлетворяющих возрастающим требованиям к
ним. Практика показала также, что, казалось бы, незначительная
экономия мощности и незначительное уменьшение массы, которые
могут быть получены на единичной микромашине, дают колос-
сальную экономию в целом, так как годовой выпуск микромашин
составляет ныне десятки миллионов штук, а микромашины, нахо-
дящиеся в эксплуатации, исчисляются сотнями миллионов штук.
Экономия в ваттах мощности, в граммах меди и стали на одной
машине приводит к экономии мегаватт мощности, тысяч тонн ме-
8
ди и стали в народном хозяйстве в целом. В настоящее время мало
кто сомневается в том, что вопросы оптимального расчета и про-
ектирования электрических микромашии имеют не менее важное
значение, чем вопросы оптимального расчета и проектирования
гидро- и турбогенераторов.
Особенно интенсивно вопросами теории, расчета и проектиро-
вания микромашин занимаются последние 30... 40 лет. Большой
вклад в развитие теории и расчета электрических микромашин
внесли советские ученые. Основателем науки о микромашинах в
СССР по праву можно считать профессора Московского ордена
Ленина и ордена Октябрьской революции энергетического инсти-
тута доктора технических наук Ю. С. Чечета. Он первым система-
тизировал отдельные разрозАнпые знания по микромашинам,
впервые в 1949 г. прочел специальный курс лекций «Электриче-
ские микромашины», написал книгу «Электрические микромашины
автоматических устройств», воспитал целую плеяду инженеров,
ученых, посвятивших себя разработке вопросов теории, расчета
и проектирования электрических микромашин.
Большой вклад в разработку вопросов теории, расчета и про-
ектирования электрических микромашин различных типов внесли
советские ученые: А. Г. Иосифьян, Д. В. Васильев, Н. II. Ермолин,
А. И. Вертинов, Г. И. Штурман, В. В. Хрущев, Е. М. Лопухина,
А. И. Адаменко, П. Ю. Каасик, Е. Д. Несговорова, И. Н. Орлов,
Н. 3. Мастяев, Г. С. Сомихина, А. А. Папернов, Б. А. Ивоботенко,
Д. В. Свечарник, И. А. Вевюрко, А. А. Ахметжанов, И. Е. Овчин-
ников, Н. И. Лебедев, А. М. Ланген, Н. В. Астахов, А. С. Куракин,
В. П. Колесников, В. И. Чесонис, П. И. Костраускас, И. Л. Осин
и др.
Работы советских ученых в области электрических микромашин
позволили перейти от проектирования отдельных типов микрома-
шин к проектированию единых серий микромашин, что наилучшим
образом и с большой экономией способствует удовлетворению
нужд народного хозяйства страны.
Многочисленными теоретическими и экспериментальными иссле-
дованиями в области электрических микромашин установлено, что
теория микромашин в целом ряде случаев значительно отличается
от классической теории электрических машин средней и большой
мощности. Она дополняет и развивает классическую теорию. От-
личие теории электрических микромашии от классической теории
электрических машин объясняется, во-первых, особенностями элек-
трических микромашин, а во-вторых, особенностями требований,
которые к ним предъявляются.
Общие для всех электрических микромашин особенности, отли-
чающие их от машин средней и большой мощности и обусловлива-
ющие особенности их теории и расчета, можно сформулировать
следующим образом:
1.	Электрические микромашины имеют иное соотношение па-
раметров их обмоток (активных и индуктивных сопротивлений).
9
Суть дела в том, что с уменьшением мощности машин возрастают
активные сопротивления их обмоток, а также отношения активных
и индуктивных сопротивлений (рассеяния) обмоток к индуктивно-
му сопротивлению взаимоиндукции. Это не позволяет пренебре-
гать активными сопротивлениями обмоток статора, особенно в
машинах переменного тока, как это часто делается при теорети-
ческих исследованиях и расчетах крупных машин. Вследствие это-
го невозможно, не делая большой погрешности, использовать при
расчетах микромашин широко используемые при анализе крупных
машин классические формулы, векторные и круговые диаграммы
(без учета первичных параметров), которые в применении к мик-
ромашинам не обеспечивают необходимой точности. Они могут
быть использованы лишь для качественного анализа микромашин,
да и то не всегда.
2.	Электрические микромашины имеют по сравнению с круп-
ными машинами значительно большие относительные значения (по
отношению к номинальным) намагничивающих мощностей и на-
магничивающих токов. Это объясняется тем, что с уменьшением
габаритов машины по технологическим соображениям невозможно
пропорционально габаритам уменьшать воздушный зазор-—в мик-
ромашинах он всегда имеет относительно большую величину. При
теоретических исследованиях и расчетах микромашин нельзя пре-
небрегать намагничивающими мощностями и токами, как это ча-
сто делается при анализе и расчетах машин средней и особенно
большой мощности.
3.	Большинство микромашин выполняются малонасыщенными
или совсем ненасыщенными (в магнитном отношении), что объ-
ясняется либо стремлением уменьшать силу намагничивающего
тока, либо желанием получить большую линейность выходных
характеристик.
4.	В электрических микромашинах потери мощности в стали
обычно весьма незначительны, что объясняется малым насыщени-
ем магнитопроводов и малым их объемом, поэтому при исследо-
ваниях и расчетах большого числа микромашин потерями в стали,
не делая большой погрешности, пренебрегают.
5.	В электрических микромашинах допускаются большие плот-
ности токов в обмотках, что объясняется улучшенными по срав-
нению с крупными машинами условиями теплоотвода вследствие
малых габаритов микромашин.
6.	Увеличение активных сопротивлений обмоток и плотностей
токов, а следовательно, и электрических потерь; относительное
увеличение намагничивающих тока и мощности, а также механи-
ческих потерь на трение приводят к тому, что с уменьшением га-
баритов и номинальной мощности электрических машин, как
правило, ухудшаются их энергетические показатели — КПД и
cos ф.
7.	Малое число пазов, что значительно увеличивает влияние
высших пространственных гармоник на работу машин.
10
Суть дела в том, что с уменьшением мощности машин возрастают
активные сопротивления их обмоток, а также отношения активных
и индуктивных сопротивлений (рассеяния) обмоток к индуктивно-
му сопротивлению взаимоиндукции. Это не позволяет пренебре-
гать активными сопротивлениями обмоток статора, особенно в
машинах переменного тока, как это часто делается при теорети-
ческих исследованиях и расчетах крупных машин. Вследствие это-
го невозможно, не делая большой погрешности, использовать при
расчетах микромашин широко используемые при анализе крупных
машин классические формулы, векторные и круговые диаграммы
(без учета первичных параметров), которые в применении к мик-
ромашинам не обеспечивают необходимой точности. Они могут
быть использованы лишь для качественного анализа микромашин,
да и то не всегда.
2.	Электрические микромашины имеют по сравнению с круп-
ными машинами значительно большие относительные значения (по
отношению к номинальным) намагничивающих мощностей и на-
магничивающих токов. Это объясняется тем, что с уменьшением
габаритов машины по технологическим соображениям невозможно
пропорционально габаритам уменьшать воздушный зазор-—в мик-
ромашинах он всегда имеет относительно большую величину. При
теоретических исследованиях и расчетах микромашин нельзя пре-
небрегать намагничивающими мощностями и токами, как это ча-
сто делается при анализе и расчетах машин средней и особенно
большой мощности.
3.	Большинство микромашин выполняются малонасыщенными
или совсем ненасыщенными (в магнитном отношении), что объ-
ясняется либо стремлением уменьшать силу намагничивающего
тока, либо желанием получить большую линейность выходных
характеристик.
4.	В электрических микромашинах потери мощности в стали
обычно весьма незначительны, что объясняется малым насыщени-
ем магнитопроводов и малым их объемом, поэтому при исследо-
ваниях и расчетах большого числа микромашин потерями в стали,
не делая большой погрешности, пренебрегают.
5.	В электрических микромашинах допускаются большие плот-
ности токов в обмотках, что объясняется улучшенными по срав-
нению с крупными машинами условиями теплоотвода вследствие
малых габаритов микромашин.
6.	Увеличение активных сопротивлений обмоток и плотностей
токов, а следовательно, и электрических потерь; относительное
увеличение намагничивающих тока и мощности, а также механи-
ческих потерь на трение приводят к тому, что с уменьшением га-
баритов и номинальной мощности электрических машин, как
правило, ухудшаются их энергетические показатели — КПД и
cos ф.
7.	Малое число пазов, что значительно увеличивает влияние
высших пространственных гармоник на работу машин.
10
Кроме перечисленных выше общих для всех микромашин осо-
бенностей отдельные типы микромашин имеют свои особенности,
которые необходимо учитывать при исследованиях и расчетах.
Основной особенностью микромашин переменного тока, напри-
мер, является то, что в подавляющем большинстве это не обыч-
ные симметричные трехфазные машины с большим числом пазов,
а несимметричные двухфазные или однофазные машины с огра-
ниченным по технологичным соображениям числом пазов.
Теория несимметричных двухфазных и однофазных машин
значительно сложней теории симметричных трехфазных машин.
На практике применяется несколько методов теоретического
исследования несимметричных двухфазных, трехфазных и одно-
фазных машин. Наибольшее распространение в настоящее время
получили три из них. Это метод двух реакций, или метод продоль-
ного и поперечного полей, метод вращающихся полей и метод сим-
метричных составляющих.
Метод двух реакций широко применяется для анализа самых
различных электрических микромашин. Суть этого метода состо-
ит в том, что МДС поля и*потокосцепления статора и ротора рас-
кладываются па составляющие по двум взаимно перпендикуляр-
ным осям. Обмотки статора приводятся к двум взаимно перпенди-
кулярным обмоткам. Одна обмотка располагается в пространстве
так, что ее ось обычно совпадает с направлением наибольшей маг-
нитной проводимости машины — с осью d. Другая обмотка статора
располагается так, что ее ось обычно совпадает с направлением
наименьшей проводимости машины — с осью q. Обмотки ротора
также приводятся к двум взаимно перпендикулярным обмоткам —
либо неподвижным относительно статора и совпадающим с осями
d и q, либо неподвижным относительно ротора и совпадающим с
осями а и Ь. Расчет потокосцеплений, токов, мощностей ведется
для каждой из обмоток, расположенных по соответствующим
осям.
Метод двух реакций успешно использует для анализа микрома-
шин целый ряд ученых. В настоящее время его очень широко для
анализа всех микромашин использует В. В. Хрущев [7, 63].
Метод вращающихся полей по существу сводится к тому, что
любая /n-фазная электрическая машина рассматривается как сум-
ма однофазных машин, в каждой из которых имеются прямо и
обратно вращающиеся поля. Этот метод для анализа несимметрич-
ных асинхронных микромашин в настоящее время очень широко
использует А. И. Адаменко.
Метод симметричных составляющих, широко использованный
для исследования несимметричных микромашин проф. Ю. С. Че-
четом и его учениками, по существу сводится к тому, что любая
m-фазная несимметричная система токов или МДС раскладыва-
ется на две симметричные системы токов или МДС — прямую или
обратную, каждая из которых создает круговое поле, вращающе-
еся соответственно в прямом или обратном направлении.
И
Все три метода одинаково пригодны для анализа несимметрич-
ных микромашин переменного тока. Каждый из них имеет свои
достоинства и недостатки.
Метод двух реакций особенно хорошо подходит для анализа
явнополюсных машин и машин с неравномерным воздушным за-
зором. С помощью этого метода удобно рассматривать переходные
процессы в электрических машинах, что является большим его
преимуществом перед другими методами. С помощью метода двух
реакций удобно анализировать электрические микромашины на
ЭВМ.
Недостатком этого метода является то, что он не очень нагля-
ден, иногда труден для физического представления процессов,
протекающих в машине. При его использовании усложняется учет
влияния высших гармоник.
Метод вращающихся полей значительно более нагляден, физи-
чек, но зато расчеты по этому методу более громоздки, особенно
если при расчетах учитывать высшие гармоники поля.
Метод симметричных составляющих отличается от двух других
большей простотой, физичностью, наглядностью, особенно если с
его помощью проводится анализ асинхронных машин. При его
использовании получаются менее громоздкие выражения, чем при
использовании метода вращающихся полей, но в целом ряде слу-
чаев более громоздкие, чем при использовании метода двух ре-
акций.
Недостатком этого метода, так же как и метода вращающихся
полей, является трудность применения его для анализа переходных
процессов в несимметричных электрических микромашинах.
Одной из особенностей электрических микромашин, усложняю-
щих их теорию и расчет, является то, что из-за малых габаритов
они имеют ограниченное число пазов на статоре и роторе — обычно
не более 24. Последнее приводит к сильному проявлению высших
гармоник МД С и поля (включая зубцовые), которые оказывают
весьма заметное влияние на работу микромашин, в то время как
в крупных машинах, имеющих большое число пазов и близкие к
синусоидальным кривые МДС и поля, их влияние весьма незна-
чительно.
Вияние высших гармоник МДС и поля на работу однофазных
и двухфазных машин, каковыми в своем большинстве являются
микромашины, несколько иное, чем на работу трехфазных машин.
Так, например, третьи гармоники МДС и поля (и гармоники, крат-
ные трем) практически не оказывают влияния на работу трех-
фазных двигателей, но в то же время они сильно влияют на ра-
бочие и пусковые свойства однофазных и двухфазных двигате-
лей, и такие гармоники обычно стараются устранить.
Многие микромашины в схемах автоматики питаются от раз-
личного рода преобразователей, усилителей, регуляторов, имею-
щих выходные напряжения, значительно отличающиеся от сину-
соидальных. Это приводит к необходимости при анализе и расче-
12
те характеристик ряда микромашии учитывать влияние на их
работу высших временных гармоник кривых напряжения и тока.
Особенно сильно влияют высшие временные и пространственные
гармоники на работу микромашии информационной группы. Теория
и расчет микромашии этой группы немыслимы без учета высших
гармоник. Вопросам влияния высших гармоник на работу машин
информационной группы посвящены научные исследования ряда
ученых — А. А. Ахметжанова, В. В. Хрущева, работы автора и др.
Особенностью микромашин информационной группы является
то, что на их выходные характеристики заметное влияние оказы-
вают всякого рода технологические отклонения, которые вносят
так называемые технологические погрешности. Изготовление высо-
кокачественных информационных машин практически невозможно
без теоретического учета при их проектировании влияния всякого
рода технологических отклонений.
Требования, предъявляемые к микромашинам, весьма разнооб-
разны. От одних машин требуются очень высокие угловые скоро-
сти вращения, от других — очень низкие. Получение низких угло-
вых скоростей вращения обычным для крупных машин способом —
увеличением числа пар полюсов — в мнкромапшнах вследствие их
малых габаритов и ограниченного по технологическим соображе-
ниям числа пазов весьма затруднительно, а при больших частотах
питания просто невозможно.
Низкие скорости вращения роторов в микромашинах иногда
получаются за счет работы не на основной, а на высших—-зубцо-
вых гармониках поля. В таких машинах, называемых машинами
с электромагнитной редукцией частоты вращения (или индуктор-
ными), приходится не ослаблять, как в обычных машинах, а уси-
ливать высшие гармоники поля. Это приводит к необходимости
иного теоретического подхода к расчету и проектированию таких
машин, что отражено в работах Н. Н. Левина, А. С. Куракина,
П. 10. Каасика, В. В. Жуловяна и др.
Большинство электрических микромашин должно иметь вполне
определенные специальные выходные характеристики. Это требо-
вание часто преобладает над обычным для крупных машин тре-
бованием получения высоких энергетических показателей — КПД
и cos ср. Вследствие этого для большинства микромашии автома-
тики непригоден обычной энергетический метод подхода к выбору
основных размеров (по машинной постоянной Арнольда). В пос-
леднее время рядом ученых (Е. М. Лопухина, Г. А. Семенчуков,
Г. С. Сомихипа, П. Ю. Каасик, Е. Д. Несговорова и др.) разрабо-
таны параметрические методы расчета различных микромашин.
В основу этих методов закладываются не энергетические показа-
тели, а требования к специальным выходным характеристикам, ко-
торые являются определяющими при выборе основных размеров,
геометрии машины и ее параметров. При параметрических методах
расчета микромашин обычно оперируют не абсолютными, а отно-
13
сительными параметрами обмоток и машины в целом. Применение
относительных параметров делает расчет машины более общим,
позволяет, не производя полных электромагнитных расчетов, оце-
нить качество основных характеристик машины, определить усло-
вия, при которых они могут быть получены. Относительные пара-
метры значительно упрощают расчеты машин на ЭВМ.
Особенностью коллекторных микромашин постоянного и пере-
менного тока является то, что, во-первых, они выполняются без
дополнительных полюсов, а во-вторых, имеют небольшое число
коллекторных пластин (до трех). Эти особенности вызывают не-
обходимость специальных теоретических исследований вопросов
коммутации микромашин, а также вопросов пульсации выходного
напряжения, стабильности частоты вращения и т. п. Машины с
малым числом коллекторных пластин по существу являются маши-
нами не постоянного, а пульсирующего тока (см. работы И. А. Ве-
вюрко, Р. Н. Кондратенко и др.).
Особенностью ряда микромашин постоянного тока, а также
синхронных микромашин является то, что они возбуждаются по-
стоянными магнитами, т. е. являются магнитоэлектрическими.
Применение постоянных магнитов придает машинам вполне опре-
деленные положительные свойства и в то же время вызывает не-
обходимость разработки теории и методов их расчета (см. работы
Т. Г. Сорокера, А. И. Бертинова, В. А. Балагурова, Ф. Ф. Галте-
ева, В. П. Колесникова, И. Л. Осина и работы автора).
Особенностью бесконтактных микромашин постоянного тока, а
также некоторых других типов электрических микромашин, напри-
мер шаговых, является то, что электрическая микромашина в этих
случаях по существу неразрывно связана с электронным блоком
управления (коммутатором), без которого она не может функци-
онировать. Это накладывает свой отпечаток на вопросы теории,
расчета и проектирования таких машин (см. работы И. А. Вевюр-
ко, И. Е. Овчинникова, Н. И. Лебедева, Н. А. Дубенского,
Г. А. Пархоменко, В. М. Шалагина и др.).
§ В.З Состояние
и перспективы развития
микроэлектромашиностроения
Потребность в электрических микромашинах различных типов
в народном хозяйстве нашей страны и в быту растет из года в
год. Промышленное производство электрических микромашин в
настоящее время представляет собой отдельную отрасль электро-
машиностроения. Так, например, на производство электрических
микромашин в США затрачивается более 70% от общей суммы
средств, расходуемых в электромашиностроении, что превосходит
сумму средств, затрачиваемых на производство всех турбо- и гид-
рогенераторов. В настоящее время в СССР электрические микро-
машины производятся на большом количестве заводов. Многие из
14
них полностью специализированы на производстве микромашин.
Число специализированных заводов непрерывно увеличивается.
Большое число научно-исследовательских и проектно-конструктор-
ских организаций занимается исследованием и проектированием
электрических микромашин.
В СССР было разработано и внедрено в производство большое
число самых различных серий электрических микромашин. Вот
некоторые из них:
Серии
АОЛ, АОЛБ, АПН, АВ, АВЕ,
ДАТ, МА, У АД
АДП, ДИД, ЭМ
АСМ, ДА, ДКМ
МИ, СЛ, ПБС
ДПМ, ДПР
ПЛ
УЛ, МУН, УМТ
МБ
ДПА, ДВС, ДАМ
Г, ГТ
ШДА, ШДР, ДШ, ШД, РШД
РУН, ПО, УТ
ВТ, МВТ, втм
СС, ДИ, НС, НД, БС, БД, ЭД,
НЭД, ДИД
АТ
АДТ, ДГ
Конструкция электрических
микромашин
Асинхронные трехфазные, однофазные и
универсальные мпкроэлскгродвигатели
Асинхронные исполнительные двигатели с
полым немагнитным ротором
Асинхронные исполнительные двигатели с
обычным короткозамкнутым ротором
Исполнительные двигатели постоянного то-
ка с электромагнитным возбуждением
Исполнительные двигатели постоянного то-
ка с постоянными магнитами, соответствен-
но с обычным и полым якорем
Силовые двигатели постоянного тока с па-
раллельным возбуждением
Универсальные коллекторные двигатели
Бесщеточные двигатели постоянного тока
Асинхронные двигатели для магнитофонов
Гистерезисные двигатели
Шаговые двигатели
Одноякориые преобразователи
Вращающиеся трансформаторы
Контактные и бесконтактные сельсины
Асинхронные тахогенераторы
Асинхронные двигатели-тахогенераторы
Большой вклад в организацию проектирования и массового
производства электрических микромашин, в освоение новых техно-
логических процессов внесли коллективы научно-исследователь-
ских, проектно-конструкторских организаций и заводов, руководи-
мые А. Г. Иосифьяном, Н. Ф. Шереметьевским, А. А. Розановым,
Э. И. Эллером, Э. А. Лодочниковым, В. С. Рыбаковым, Р. Н. Ко-
валевым, Г. Ф. Катковым, С. Д, Терентьевым и др.
Непрерывное развитие автоматизации всех отраслей народного
хозяйства, а также электрификация быта ставят перед микроэлек-
тромашиностроением все новые и новые задачи. Вот некоторые из
них:
В области проектирования:
I.	Разработать научно обоснованную систему унифицирован-
ных серий электрических микромашин взамен большого числа су-
ществующих, мало связанных между собой, часто дублирующих
друг друга серий.
15
2.	Заменить давно разработанные и уже устаревшие серии но-
выми, отвечающими современным требованиям.
3.	Разработать и внедрить новые научно обоснованные техни-
ко-экономические методики проектирования электрических микро-
машин с обязательным широким применением вычислительной
техники.
4.	Создать серии новых электрических микромашин различных
назначений.
5.	Координировать работы различных организаций, занимаю-
щихся проектированием микромашин, с целью исключения дубли-
рования.
В области организации производства:
1.	В ближайшие годы значительно увеличить выпуск электри-
ческих микромашии.
2.	Сосредоточить производство микромашин на крупных специ-
ализированных заводах, которые сейчас выпускают лишь около
60% микромашин.
3.	Специализировать заводы на производстве однотипных мик-
ромашин, что приведет к заметному повышению их качества, сни-
жению себестоимости, лучшему использованию заводского обору-
дования.
4.	Максимально использовать стандартизацию и унификацию,
что позволит значительно сократить номенклатуру микромашин и
лучше организовать их производство.
В области технологии производства и испыта-
ний микромашин:
1.	Максимально механизировать и автоматизировать производ-
ственные процессы с целью уменьшения ручного труда. Для этого
в первую очередь автоматизировать штамповочные работы, меха-
низировать и автоматизировать процессы шихтовки пакетов стали,
сборки якорей и роторов, укладки обмоток в пазы, изоляции пазов,
пропитки, механической обработки и т. и.
2.	Внедрить в производство магнитопроводов новую безотход-
ную технологию, значительно уменьшив тем самым отходы дефи-
цитной электротехнической стали, которые в настоящее время,
например, в производстве асинхронных двигателей самой массо-
вой серии 4А составляют 43%, а в некоторых машинах (с клюво-
образными полюсами, с постоянными магнитами) достигают 80%.
3.	Максимально использовать новые материалы.
4.	Создать научно обоснованные серии унифицированного
стандартного измерительного оборудования для испытания элект-
рических микромашин с обязательным внедрением метрологии.
Это в первую очередь относится к тормозам-моментомерам, к при-
борам для измерения частоты вращения и ее стабильности.