11.2. Задание на проектирование машины постоянного тока

В соответствии с государственными стандартами разработка любого изделия всех отраслей промышленности определяется тех­ническим заданием, в котором устанавливаются основное назначе­ние, технические характеристики, показатели качества и техни­ко-экономические требования, предъявляемые к проектируемому изделию, соответствие его мировому техническому уровню.

В техническом задании на проектируемую машину постоянного тока указываются следующие данные:

номинальная мощность машины, кВт;,

номинальное напряжение сети, В;

номинальная частота вращения, об/мин;

род возбуждения;

исполнение по степени защиты, способу монтажа и способу ох­лаждения;

условия эксплуатации при воздействии климатических и механи­ческих факторов;

номинальный режим работы и допускаемое превышение темпе­ратуры, класс изоляции по нагревостойкости;

диапазон регулирования частоты вращения путем изменения на­пряжения сети, ослабления поля главных полюсов;

массогабаритные характеристики;

требования к коммутации;

дополнительные требования, например, показатели надежности и долговечности, значения КПД при номинальном режиме и опреде­ленном коэффициенте нагрузки и др.

При задании указанных величин вся последовательность расчета и проектирования машины постоянного тока соответствует установ­ленным практикой электромашиностроения принципам проектиро­вания машин общего назначения. На основе электромагнитного, теп­лового и вентиляционного расчетов может быть спроектирована машина, соответствующая специальным требованиям к конструкции и ее характеристикам. Сравнение степени использования объема двигателей постоян­ного тока серии 4П и асинхронных двигателей серии 4А показыва­ет, что мощность двигателя постоянного тока унифицированной конструкции равна приблизительно 2/3 номинальной мощности «синхронного двигателя серии 4А при той же высоте оси вращения. Однако по сравнению с двигателями серии 2П достигнуто значите­льное снижение расхода активных материалов на единицу мощно­сти. Например, в диапазоне мощностей от 15 кВт до 20 кВт расход обмоточной меди в двигателях новой серии на 20...30 % меньше, чем в двигателях серии 2П [5, 16].

Курсовой и дипломный проекты следует рассматривать как творческое индивидуальное задание. При выполнении этих работ студент должен показать умение мыслить творчески, изобретатель­но и неординарно решать инженерные задачи, активно использо­вать полученные им в вузе теоретические знания, правильно разре­шать возникающие противоречия и выбирать лучший вариант, удовлетворяющий всем требованиям технического задания.

11.3. Выбор главных размеров

По формуле «машинной постоянной» (1.1), устанавливающей связь между размерами машины и электромагнитными нагрузками, определяют произведение , где — диаметр якоря и — длина якоря. При расчете предварительно выбирают индукцию в воз­душном зазоре и линейную нагрузку А. Для определения глав­ных размеров и задаются либо отношением, либо одним из размеров. При проектировании машин первых серий и их модификаций не устанавливалась связь между диаметром машины и установочными размерами, поэтому выбор главных размеров ма­шины определялся на основании рекомендаций, устанавливающих экономически целесообразные значения отношения. Полу­ченные при расчете диаметры якоря округлялись до стандартного ближайшего значения, выбранного по шкале диаметров якорей се­рийных машин.

Машины постоянного тока современных серий имеют единую шкалу высот оси вращения. При заданной высоте оси вращения внешний диаметр корпуса машины постоянного тока не может пре­вышать размер 2. Обычно этот диаметр должен быть не болеем.

По данным многих типов и конструкций машин постоянного тока относительная радиальная высота магнитной системы является функцией числа полюсов. Область значений этой функции для различных чисел полюсов приведена на рис. 11.5. Пользуясь рис. 11.1 и рис. 11.5, можно определить предварительное значение диаметра якоря. Значение необходимо уточнить после составления эскиза магнитной системы и межполюсного окна. Да­лее по постоянной Арнольда (1.1) и уточненному значению уста­навливают расчетную длину якоря .

Так как традиционный способ определения главных размеров машины через отношение длины якоря к его диаметру более удобен, на рис. 11.6 приведены зависимости от диаметра якоря для машин постоянного тока серий 4П, 2П, П и ПН, полученные путем расчета указанного показателя реальных машин. При выборе отношения необходимо иметь в виду, что с увеличением длины машины умень­шается относительная длина лобовых частей, возрастает КПД, снижается момент инерции якоря, но при этом ухудшаются условия охлаждения и коммутации машины.

Рис. 11.5. К определению отношения внешнего диаметра машины к диаметруякоря

Рис. 11.6. Зависимость X от диаметра якоря для машин различных серий

Электромагнитная мощность. В (1.1) в качестве расчетной принята электромагнитная мощность . Однако истинное значение элект­ромагнитной мощности можно определить только после полного расчета электрической машины — на этапе расчета ее характери­стик. Поэтому мощность определяют по номинальной (заданной) мощности и предварительно принятому значению КПД.

Зависимость КПД от номинальной мощности для машин обще­го назначения приведена на рис. 11.7.

Для генераторов расчетная мощность принимается равной:

; (11.1)

для двигателей

. (11.2)

Рис. 11.7. Зависимость КПД машин постоянного тока от мощности машины

Значения коэффициентов и приведены в табл. 11.8, там же даны значения коэффициента определяющего отношения тока возбуждения к току якоря.

Таблииа11.8. Значения коэффициентов ,,

Мощность машины, кВт
Менее 1	1,4-1,15	0,65-0,85	0,2-0,08
1—10	1,2-1,1	0,82-0,95	0,1-0,025
10—100	1,15-1,06	0,85-0,97	0,035-0,02
100—1000	1,06-1,03	0,93-0,98	0,02-005

Для электрических машин общего назначения можно определить электромагнитную мощность по формуле

, (11.2. а)

где — КПД (рис. 11.7).

Выбор коэффициента полюсного перекрытия. Расчетный коэффициент полюсного перекрытия , как следует из (1.1), оказывает влияние на степень использования машины: с увеличением возрастает использование машины. Однако при чрезмерном увеличенииуменьшается ширина межполюсного окна, возрастает поток рассеяния главных полюсов, увеличивается проникновение поля главных полюсов в зону коммутации, уменьшается коммутационная надежность машины.

Для машин общего назначения с добавочными полюсами значение устанавливается в пределах 0,55...0,72, без добавочных полю сов= 0,6...0,85.

На рис. 11.8 приведены зоны предельных значений для машин общего назначения при числе полюсов2р ≥ 4.

Рис. 11.8. Зависимость

Выбор электромагнитных нагрузок. Согласно (1.1) увеличение электромагнитных нагрузок и приводит к улучшению использования объема якоря. Однако с ростом линейной нагрузки уве­личивается нагрев якоря и маши­ны, ухудшается коммутация, с ро­стом насыщаются отдельные участки магнитной цепи.

Таким образом, оптимальные значения электромагнитных на­грузок невозможно выбрать на начальном этапе расчета электри­ческой машины. Этот выбор, как правило, основывается на данных, полученных в результате анализа ранее разработанных серий машин постоянного тока или путем рас­чета и сравнения ряда вариантов.

Рекомендуемые значения и для машин общего назначения приведены на рис. 11.9 и 11.10. При выборе линейных нагрузок не­обходимо учитывать, что для хорошо охлаждаемых машин можно выбрать более высокие значения линейных нагрузок; для тихоход­ных машин, работающих, с перегрузками и частными реверсами, не­обходимо принимать уменьшенные значения линейных нагрузок. Выбранные значения электромагнитных нагрузок обычно коррек­тируются после расчета ряда вариантов выбора главных размеров, геометрии зубцовой зоны и обмоток.

Рис. 11.9. Зависимость линейной нагрузки от диаметра якоря

Рис. 11.10. Зависимость индукции в воздушном зазоре от диаметра якоря