Расчет и проектирование машины постоянного тока: образец выполнения курсовой работы

Что представляет собой курсовая работа по электрическим машинам

Курсовое проектирование по электрическим машинам — это ключевой этап обучения, на котором теоретические знания обретают практическую форму. Ваша задача — не просто решить набор уравнений, а, по сути, спроектировать виртуальную, но физически правдоподобную электрическую машину. Это позволяет глубоко понять взаимосвязь между конструктивными параметрами, электромагнитными процессами и рабочими характеристиками устройства.

Чаще всего в заданиях рассматриваются машины постоянного тока с различными типами возбуждения: независимым, параллельным, последовательным или смешанным. Несмотря на кажущуюся сложность, работа имеет четкую и логичную структуру. В этой статье мы пошагово разберем типовое задание на расчет машины постоянного тока, превратив его из пугающего списка требований в понятный алгоритм действий. Мы пройдем весь путь от анализа исходных данных до финального оформления, чтобы у вас на руках был надежный шаблон для выполнения собственного проекта.

Шаг 1. Как правильно проанализировать исходные данные вашего задания

Любой инженерный расчет начинается с внимательного изучения «Дано». Это не формальность, а основа основ, поскольку каждый параметр имеет физический смысл и напрямую влияет на последующие вычисления. Возьмем для примера типичный набор исходных данных для расчета двигателя постоянного тока:

• Номинальные данные: Напряжение (U_ном) и номинальная угловая скорость (ω_ном) — определяют рабочий режим машины.
• Геометрия якоря: Диаметр (D_я) и длина (l_я) — ключевые размеры, от которых зависит мощность и габариты.
• Магнитная система: Число пар полюсов (p), коэффициент полюсной дуги (α_p), воздушный зазор (δ) — эти параметры задают конфигурацию основного магнитного поля.
• Конструктивные параметры: Высота паза (h_п), высота полюса (h_пл), число пазов якоря (Z) — необходимы для расчета магнитной цепи и обмотки.
• Тип обмотки: Например, простая петлевая обмотка — от этого выбора зависит схема соединения проводников и итоговые характеристики.
• Коэффициенты и материалы: Коэффициент рассеяния (σ), коэффициенты заполнения сталью, марки электротехнических сталей — учитывают неидеальность реальных материалов и магнитных полей.

Перед началом расчетов крайне важно проверить все единицы измерения и привести их к единой системе (обычно СИ). Понимание роли каждого из этих параметров — залог того, что вы не просто подставляете числа в формулы, а сознательно конструируете машину. Когда все исходные данные изучены и систематизированы, можно приступать к первому и самому объемному этапу — проектированию магнитной цепи.

Шаг 2. Выполняем проверочный расчет магнитной цепи при холостом ходе

Магнитная цепь — это силовой «скелет» машины, по которому замыкается основной магнитный поток. Ее грамотный расчет является фундаментом всего проекта. Цель этого этапа — определить, какую намагничивающую силу (НС) необходимо создать обмотке возбуждения, чтобы получить требуемый магнитный поток при холостом ходе. Расчет ведется по отдельным участкам, из которых состоит цепь:

• Станина (или ярмо)
• Главные полюсы
• Два воздушных зазора
• Зубцы якоря
• Сердечник (или спинка) якоря

Процесс расчета можно разбить на несколько логических шагов:

1. Определение геометрических размеров. На основе исходных данных рассчитываются ключевые размеры элементов цепи, такие как ширина зубца, высота спинки якоря, ширина сердечника полюса и толщина станины.
2. Расчет магнитной индукции (B). Для каждого участка магнитной цепи определяется значение магнитной индукции. Это один из самых ответственных моментов, так как необходимо не выйти за пределы допустимых значений для выбранных марок стали, чтобы избежать чрезмерного насыщения.
3. Определение напряженности поля (H). Используя кривые намагничивания для конкретных марок стали (указанных в задании), по найденным значениям индукции B находят соответствующую напряженность магнитного поля H. Для этого часто используют методы аппроксимации кривых.
4. Расчет намагничивающей силы (НС). НС для каждого участка находится умножением напряженности H на длину средней силовой линии этого участка. Общая НС машины равна сумме НС всех последовательных участков цепи. На этом же этапе определяется коэффициент насыщения магнитной цепи, показывающий, насколько она нагружена.

После завершения этих вычислений у нас есть полная картина магнитной системы машины. Теперь можно переходить к «наполнению» ее электрической частью — обмотке якоря.

Шаг 3. Проектируем и рассчитываем параметры обмотки якоря

Если магнитная цепь — это «скелет» машины, то обмотка якоря — ее «нервная и кровеносная система». Именно в ней индуцируется ЭДС и создается вращающий момент. Проектирование обмотки — это строго последовательный процесс, где каждый следующий шаг опирается на предыдущий.

Основная задача этого этапа — определить конструктивные параметры обмотки, которые обеспечат надежную работу машины и ее соответствие заданным характеристикам. Вот ключевые шаги расчета:

1. Выбор числа коллекторных пластин (K). Этот параметр напрямую связан с числом секций обмотки и является одним из важнейших. Его выбирают исходя из условий коммутации, стараясь, чтобы среднее напряжение между соседними пластинами не превышало допустимых значений, во избежание искрения.
2. Определение числа витков в секции (w_с). После выбора K определяется общее число проводников в обмотке, а затем — сколько витков будет содержаться в каждой отдельной секции. Этот параметр напрямую влияет на величину индуцируемой ЭДС.
3. Расчет шагов обмотки. Это финальный и очень важный этап. Рассчитываются три ключевых шага, которые определяют, как именно секции обмотки укладываются в пазы якоря и присоединяются к коллекторным пластинам:
   • Первый частичный шаг (y_1) — расстояние между началом и концом секции, измеренное в пазовых делениях.
   • Шаг по коллектору (y_k) — расстояние между пластинами, к которым припаиваются начало и конец секции.
   • Результирующий шаг (y) — определяет смещение между витками разных секций.

Правильный расчет этих шагов гарантирует, что ЭДС от всех проводников будут складываться, а не вычитаться, обеспечивая корректную работу машины. Когда конструкция обмотки определена, мы можем рассчитать ее главные рабочие показатели.

Шаг 4. Определяем ЭДС, вращающий момент и мощность машины

На этом этапе мы переходим от проектирования статических элементов к расчету динамических характеристик, которые описывают производительность машины в номинальном режиме. Это кульминация предыдущих расчетов, объединяющая параметры магнитной цепи и обмотки в единое целое.

Расчет ведется последовательно для трех ключевых величин.

1. Электродвижущая сила (ЭДС). Это напряжение, которое индуцируется в обмотке якоря при его вращении в магнитном поле. ЭДС — фундаментальная характеристика, от которой зависят все остальные параметры. Она рассчитывается по формуле, включающей в себя конструктивные данные машины (число проводников, число пар полюсов) и рабочие параметры (магнитный поток и скорость вращения).

2. Электромагнитный момент (M_эм). Это вращающий момент, который развивается на валу машины благодаря взаимодействию тока в проводниках якоря с магнитным полем полюсов. Он является движущей силой для двигателя и тормозящей — для генератора. Формула для момента прямо пропорциональна тому же магнитному потоку и току якоря. Именно этот момент преодолевает нагрузку на валу.

3. Мощность. Рассчитываются две основные мощности:

• Потребляемая мощность (P_1): Мощность, которую машина забирает из электрической сети. Для двигателя она равна произведению номинального напряжения на потребляемый ток.
• Полезная мощность (P_2): Мощность, которую машина отдает на валу. Она всегда меньше потребляемой из-за неизбежных потерь энергии внутри машины. Полезная мощность связана с электромагнитным моментом и скоростью вращения.

Расчет этих трех величин — ЭДС, момента и мощности — дает нам первое представление о производительности спроектированной машины. Однако эти расчеты идеализированы. Чтобы приблизиться к реальности, нужно учесть несколько важных физических явлений.

Шаг 5. Учитываем реакцию якоря и условия коммутации

На предыдущем шаге мы рассчитали характеристики машины, предполагая, что магнитное поле создается только обмоткой возбуждения. В реальности это не так. Когда по обмотке якоря протекает ток, она сама создает собственное магнитное поле, которое искажает основное поле полюсов. Это явление носит название реакция якоря.

Почему это так важно? Реакция якоря приводит к двум основным последствиям:

1. Она ослабляет основной магнитный поток, что напрямую снижает ЭДС и вращающий момент машины.
2. Она искажает распределение магнитного поля в воздушном зазоре, сдвигая нейтральную линию. Это крайне негативно сказывается на процессе коммутации.

Коммутация — это процесс переключения секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую в момент прохождения ее под щеткой. В этот короткий миг секция замыкается накоротко. Если в ней индуцируется ЭДС (что и происходит из-за искажения поля реакцией якоря), в секции возникает большой ток, приводящий к сильному искрению под щетками. Искрение разрушает щетки и коллектор, нарушая работу всей машины.

Поэтому в курсовой работе необходимо не просто рассчитать машину, но и проанализировать эти явления. Расчеты должны учитывать влияние реакции якоря (часто через введение размагничивающего действия тока якоря) и проверять условия безыскровой коммутации. Это показывает глубокое понимание физики процессов, а не просто формальное следование формулам.

Шаг 6. Находим потери и вычисляем коэффициент полезного действия (КПД)

Ни одна реальная машина не может преобразовать 100% потребляемой энергии в полезную работу. Часть энергии всегда теряется, превращаясь в основном в тепло. Коэффициент полезного действия (КПД) как раз и показывает, какая доля потребляемой мощности становится полезной. Чтобы его найти, нужно сначала рассчитать все виды потерь.

В машинах постоянного тока принято выделять несколько основных групп потерь:

• Электрические потери (в меди). Это потери на нагрев проводов обмоток якоря и возбуждения из-за их электрического сопротивления. Они зависят от квадрата тока, протекающего по обмоткам.
• Магнитные потери (в стали). Возникают в сердечниках якоря и полюсов из-за перемагничивания материала при вращении. Складываются из потерь на гистерезис и на вихревые токи.
• Механические потери. Это потери на трение в подшипниках, трение щеток о коллектор и потери на вентиляцию, то есть на перемешивание воздуха вращающимися частями машины.
• Добавочные потери. Небольшие по величине потери, которые трудно отнести к какой-либо из основных групп. Их часто принимают равными определенному проценту от потребляемой мощности.

Суммировав все эти виды потерь (P_потерь = P_эл + P_магн + P_мех + P_доб), мы получаем общую величину потерянной мощности. После этого коэффициент полезного действия (КПД) определяется по классической формуле:

КПД = P_2 / P_1 = (P_1 — P_потерь) / P_1

Расчет КПД — это финальная оценка энергетической эффективности спроектированной машины. Чем он выше, тем более совершенной получилась конструкция.

Шаг 7. Строим рабочие и механические характеристики

Цифры и расчеты важны, но для полного понимания поведения машины используют графики — ее рабочие и механические характеристики. Они наглядно показывают, как изменяются ключевые параметры машины при изменении нагрузки на валу. Это позволяет оценить ее производительность не в одной номинальной точке, а во всем диапазоне рабочих режимов.

В курсовой работе обычно строят два основных вида характеристик:

1. Рабочие характеристики. Они показывают зависимость скорости вращения (n), потребляемого тока (I_я) и вращающего момента (M) от полезной мощности на валу (P_2). По сути, эти графики отвечают на вопрос: «Как поведет себя двигатель, если изменять нагрузку от холостого хода до номинальной?». По их форме можно судить о стабильности работы, экономичности и перегрузочной способности.
2. Механическая характеристика. Это одна из самых важных характеристик двигателя, представляющая собой зависимость его скорости вращения (n) от электромагнитного момента на валу (M). Она показывает, насколько сильно «проседает» скорость двигателя при увеличении нагрузки. Жесткость этой характеристики (то есть малое падение скорости) является ключевым показателем для многих применений.

Для построения этих кривых задаются несколькими значениями нагрузки (например, 25%, 50%, 75%, 100%, 125% от номинальной), для каждой точки проводят расчеты и заносят результаты в таблицу. Затем по этим точкам строятся плавные кривые. Анализ этих графиков — неотъемлемая часть заключения по работе.

Шаг 8. Как правильно оформить пояснительную записку и графическую часть

Все расчеты выполнены, графики построены — остался финальный, но не менее важный шаг: грамотно оформить результаты. Пояснительная записка и графическая часть — это «лицо» вашей работы, по которому преподаватель будет судить о вашей инженерной культуре и аккуратности.

Пояснительная записка, как правило, имеет стандартную академическую структуру:

1. Титульный лист (оформляется по требованиям кафедры).
2. Задание на курсовую работу (обычно вклеивается или прилагается).
3. Введение: Здесь кратко описывается цель работы, актуальность темы, дается характеристика проектируемого объекта.
4. Основная (расчетная) часть: Это сердце вашей работы. Все шаги, которые мы рассмотрели выше, излагаются последовательно. Каждый расчет должен сопровождаться исходной формулой, подстановкой числовых значений и итоговым результатом с указанием единиц измерения.
5. Заключение: В нем подводятся итоги. Вы обобщаете результаты расчетов, приводите основные технические характеристики полученной машины, делаете выводы по ее рабочим свойствам на основе построенных графиков.
6. Список использованной литературы.

Графическая часть обычно включает чертеж общего вида машины или эскиз ее магнитной цепи в разрезе (с указанием основных размеров), а также построенные рабочие и механические характеристики. Все графики должны быть подписаны, оси должны иметь наименования и единицы измерения.

Теперь у вас есть полный план действий. Следуя этой структуре, вы сможете не только выполнить все расчеты, но и представить их в виде цельной, логичной и профессионально оформленной курсовой работы.