Методология проектирования и расчета электродвигателя постоянного тока в курсовой работе

Введение, или как правильно начать работу над проектом

Электродвигатели постоянного тока (ЭДПТ) исторически стали основой промышленной революции, и по сей день они остаются незаменимыми во множестве отраслей — от транспорта и металлургии до робототехники и точных медицинских приборов. Их уникальные регулировочные свойства делают их изучение и проектирование ключевой компетенцией для любого инженера-электромеханика. Курсовая работа по этой теме — это не просто учебное задание, а полноценный инженерный проект в миниатюре.

Цель данной работы — не просто выполнить набор расчетов, а пройти весь путь проектирования: от анализа абстрактных цифр в техническом задании до создания виртуальной, но полностью работоспособной электрической машины с конкретными параметрами и характеристиками.

Чтобы сразу видеть весь маршрут, давайте рассмотрим типовую структуру проекта, которой мы будем придерживаться:

• Анализ исходных данных и выбор прототипа двигателя.
• Расчет главных размеров и электромагнитных нагрузок.
• Детальное проектирование всех узлов: обмотки якоря, коллектора, магнитной системы, обмоток возбуждения.
• Анализ эффективности: расчет потерь и КПД.
• Построение рабочих характеристик для оценки поведения двигателя под нагрузкой.
• Проверочные расчеты, в частности тепловой.
• Формулирование выводов и графическое оформление проекта.

Важно понимать: в инженерном деле правильный ответ — это не только верная цифра, но и обоснование, почему выбрано именно такое решение. Этот подход лежит в основе всего последующего руководства. Когда общий план ясен, первым логичным шагом становится детальный разбор исходных данных, предоставленных в задании.

Глава 1. Анализ технического задания и выбор прототипа

Любой проект начинается с технического задания (ТЗ). Это ваш главный документ, который необходимо научиться «читать» между строк. Ключевыми параметрами, определяющими будущую конструкцию, как правило, являются номинальная мощность (P), напряжение (U), частота вращения (n) и режим работы.

Первое стратегическое решение, которое вы принимаете на основе этих данных, — это выбор типа двигателя по способу возбуждения магнитного поля. От этого выбора зависит поведение машины под нагрузкой, ее сложность и сфера применения. Существует четыре основных типа:

1. Двигатели с независимым возбуждением: Обмотка возбуждения питается от отдельного источника. Это обеспечивает стабильный магнитный поток и позволяет регулировать скорость в широких пределах, но требует дополнительного источника питания.
2. Двигатели параллельного возбуждения: Обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря. Такие двигатели обладают относительно «жесткой» механической характеристикой — их скорость мало меняется при изменении нагрузки.
3. Двигатели последовательного возбуждения: Обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем. Они развивают огромный пусковой момент, но их скорость резко возрастает при снижении нагрузки (идет «вразнос» на холостом ходу). Идеальны для электротранспорта.
4. Двигатели смешанного возбуждения: Сочетают в себе свойства параллельного и последовательного возбуждения, имея две обмотки. Это позволяет комбинировать их преимущества.

Алгоритм выбора прост: проанализируйте требования ТЗ. Если требуется стабильность скорости при разной нагрузке (например, для станка), ваш выбор — двигатель с параллельным возбуждением. Если нужен высокий пусковой момент (например, для лебедки), смотрите в сторону последовательного. Определив тип двигателя, мы закладываем фундамент. Теперь можно перейти к самому интересному — воплощению его в реальных размерах и пропорциях.

Глава 2. Расчет главных размеров, или как рождается геометрия машины

После выбора типа двигателя мы переходим от абстрактной концепции к физическому объекту. На этом этапе нам предстоит определить два главных размера, которые формируют всю геометрию машины: диаметр якоря (D) и его расчетную длину (l). Эти параметры напрямую связаны с мощностью двигателя через так называемые электромагнитные нагрузки.

Что такое электромагнитные нагрузки? Это два ключевых показателя:

• Средняя магнитная индукция в воздушном зазоре (B): Характеризует, насколько «насыщена» магнитным полем активная зона машины. Слишком низкое значение — машина неоправданно большая, слишком высокое — сталь входит в насыщение, и растут потери.
• Линейная токовая нагрузка (A): Показывает, какой суммарный ток всех проводников обмотки якоря приходится на единицу длины окружности якоря. Отражает, насколько «насыщен» якорь медью. Ограничивается в основном условиями охлаждения.

Основное расчетное уравнение связывает мощность с этими величинами. Процесс расчета сводится к следующей последовательности:

1. На основе мощности и типа машины по справочным данным выбираются предварительные значения электромагнитных нагрузок A и B.
2. С помощью основного уравнения определяется произведение D²l.
3. Задается соотношение между длиной и диаметром (обычно l ≈ (0.6 — 1.0)D), что позволяет по отдельности найти диаметр и длину якоря.
4. Производится проверка корректности выбора. Например, окружная скорость якоря не должна превышать допустимых пределов по механической прочности.

Этот этап критически важен. Ошибка здесь приведет к тому, что на последующих шагах либо обмотка «не влезет» в пазы, либо двигатель будет перегреваться. Теперь, когда у нашей будущей машины есть «скелет» — ее основные размеры, — пора наполнить его «мускулами», то есть рассчитать обмотку якоря.

Глава 3. Проектирование обмотки якоря, сердце электродвигателя

Обмотка якоря — это, без преувеличения, сердце машины. Именно в ее проводниках наводится ЭДС и создается вращающий момент. Ее расчет — один из самых трудоемких и ответственных этапов, требующий внимания к деталям.

Первым делом выбирается тип обмотки. В машинах постоянного тока их два:

• Петлевая простая: Характеризуется большим числом параллельных ветвей. Применяется в машинах большой мощности при относительно низком напряжении.
• Волновая простая: Всегда имеет только две параллельные ветви. Идеальна для машин высокого напряжения и меньших токов.

После выбора типа обмотки начинается детальный расчет по следующему алгоритму:

1. Определение числа пазов якоря (Z): Выбирается из рекомендуемых диапазонов так, чтобы обеспечить хорошую коммутацию и оптимальное использование активных материалов.
2. Расчет числа витков в секции и проводников в пазу: Определяется исходя из требуемой ЭДС и ранее выбранных главных размеров.
3. Выбор шагов обмотки: Рассчитываются частичные и результирующие шаги, которые определяют, как именно секции обмотки укладываются в пазы и присоединяются к коллектору.
4. Проектирование геометрии зубцово-пазовой зоны: Определяются размеры и форма паза и зубца. Это компромиссная задача: в паз нужно уместить необходимое количество меди с изоляцией, а зубец должен обладать достаточной механической прочностью и не быть перенасыщенным магнитным потоком.
5. Проверка заполнения паза: Рассчитывается коэффициент заполнения паза медью. Он показывает, насколько эффективно используется объем паза, и не должен выходить за пределы допустимых значений (обычно 0.35-0.55).

На этом этапе часто приходится возвращаться на несколько шагов назад и корректировать исходные данные, если, например, провод не помещается в паз. Обмотка якоря спроектирована. Следующий критически важный узел, который обеспечивает ее работу, — это коллекторно-щеточный аппарат.

Глава 4. Расчет коллекторно-щеточного узла и проверка коммутации

Коллекторно-щеточный узел — это механический выпрямитель и одновременно самый уязвимый и требовательный к качеству изготовления элемент ЭДПТ. Он отвечает за переключение направления тока в секциях обмотки якоря при их переходе из одной полярности магнитного поля в другую. Этот процесс называется коммутацией.

Расчет узла начинается с определения его геометрии. Диаметр коллектора выбирается пропорционально диаметру якоря. Число коллекторных пластин равно числу секций в обмотке якоря. Далее рассчитываются размеры самих пластин и межламельной изоляции.

Идеальная коммутация — безыскровая. Однако в реальности в коммутируемой секции наводятся ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивной ЭДС. Именно она мешает току мгновенно изменить свое направление и является главной причиной искрения под щетками.

Борьба с искрением — ключевая задача при проектировании. Для компенсации реактивной ЭДС применяют добавочные полюсы, которые устанавливаются между главными полюсами. Их обмотка включается последовательно с якорем и создает в зоне коммутации дополнительное магнитное поле, которое наводит «коммутирующую ЭДС», направленную навстречу реактивной. Расчет добавочных полюсов — обязательная часть проекта.

В мощных машинах с большим диаметром якоря (свыше 0,3 метра) или работающих с большими перегрузками, одних добавочных полюсов бывает недостаточно. Для компенсации искажающего действия поля якоря в таких случаях применяют компенсационную обмотку, которую укладывают в пазы главных полюсов. Мы рассчитали якорь в сборе. Теперь необходимо создать для него внешнее магнитное поле, то есть спроектировать магнитную систему статора.

Глава 5. Проектирование магнитной системы машины

Магнитная система, или магнитная цепь, — это путь, по которому замыкается основной магнитный поток (Φ), создаваемый обмоткой возбуждения. Задача этого этапа — рассчитать, какую магнитодвижущую силу (МДС), измеряемую в ампер-витках, необходимо приложить, чтобы создать в машине требуемый поток.

Расчет магнитной цепи — это аналог закона Ома для электрической цепи. Всю цепь условно разбивают на отдельные участки с разными свойствами:

• Воздушный зазор между полюсом и якорем
• Зубцы якоря
• Сердечник (спинка) якоря
• Главный полюс (сердечник и наконечник)
• Станина (ярмо)

Для каждого участка цепи расчет ведется пошагово. Сначала определяется магнитная индукция в этом сечении, а затем по кривой намагничивания материала (электротехнической стали) находится соответствующая напряженность магнитного поля. Умножив напряженность на длину участка, получают требуемую МДС для него. Суммарная МДС машины равна сумме МДС всех участков цепи.

Самым сложным и «требовательным» с точки зрения МДС является воздушный зазор, так как его магнитное сопротивление на порядки выше, чем у стали. Именно на его преодоление тратится львиная доля всей МДС обмотки возбуждения. Зная требуемую суммарную МДС, мы можем точно рассчитать обмотку, которая ее создаст, — обмотку возбуждения.

Глава 6. Расчет обмоток возбуждения

Теперь, когда мы знаем, какую магнитодвижущую силу должна создать система возбуждения, наша задача — спроектировать катушку (или катушки), которая ее обеспечит. Расчет обмотки возбуждения напрямую зависит от типа машины, который мы выбрали в самом начале.

Подходы к расчету для разных типов возбуждения:

• Параллельная обмотка: Подключается на полное напряжение сети. Она должна иметь большое сопротивление, чтобы потреблять небольшой ток. Поэтому ее выполняют из большого числа витков тонкого провода.
• Последовательная обмотка: Через нее протекает весь ток якоря, который может быть очень большим. Следовательно, она должна обладать малым сопротивлением. Ее выполняют из малого числа витков провода большого сечения.
• Смешанная обмотка: На полюсе размещаются обе катушки — и параллельная, и последовательная.

Независимо от типа, алгоритм расчета включает в себя определение двух главных параметров: числа витков и площади сечения провода. После этого выбирается стандартный диаметр провода с учетом изоляции и рассчитываются габаритные размеры катушки. Финальным шагом является проверка — помещается ли рассчитанная катушка в отведенное для нее пространство на главном полюсе. Все обмотки и конструктивные элементы рассчитаны. Машина спроектирована. Настало время оценить ее эффективность — рассчитать потери и КПД.

Глава 7. Определение потерь и коэффициента полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) — главный показатель экономического совершенства любой машины. Он показывает, какая часть подводимой к двигателю электрической энергии преобразуется в полезную механическую работу на валу, а какая — теряется в виде тепла. Чтобы найти КПД, нужно сначала рассчитать все виды потерь.

В электродвигателе постоянного тока их принято классифицировать следующим образом:

• Электрические потери: Это потери на нагрев всех обмоток, по которым протекает ток (обмотка якоря, возбуждения, добавочных полюсов). Они рассчитываются по закону Джоуля-Ленца (P = I²R).
• Магнитные потери: Это потери в стали сердечников якоря и полюсов, вызванные перемагничиванием и вихревыми токами.
• Механические потери: Складываются из потерь на трение в подшипниках, трение щеток о коллектор и вентиляционных потерь.
• Добавочные потери: Трудноучитываемые потери, возникающие из-за различных неидеальностей конструкции. Обычно их принимают в размере 0.5-1% от полезной мощности.

Суммировав все эти составляющие, мы получаем суммарные потери в машине. Тогда КПД определяется как отношение полезной мощности к потребляемой (полезная мощность плюс все потери). Полученное значение обязательно нужно сравнить с типовыми показателями для машин данного класса. Например, для двигателей мощностью от 1 до 100 кВт КПД обычно составляет 0,75-0,90, а для машин свыше 100 кВт он может достигать 0,90-0,97. Расчет КПД показывает, насколько эффективно машина преобразует энергию, но не говорит о том, как она будет себя вести под разной нагрузкой. Для этого нужно построить рабочие характеристики.

Глава 8. Построение рабочих характеристик

Рабочие характеристики — это графики, которые наглядно демонстрируют зависимость ключевых параметров двигателя от его нагрузки. Они позволяют оценить, как машина будет вести себя в реальных условиях эксплуатации. Стандартно строят зависимости частоты вращения (n), вращающего момента (M), потребляемого тока (I) и КПД (η) от полезной мощности на валу (P₂).

Расчет точек для построения этих кривых ведется в диапазоне от холостого хода до некоторой перегрузки (например, 125% от номинальной мощности). Алгоритм расчета для каждой точки следующий:

1. Задаемся значением тока якоря I.
2. Используя формулу момента M = k*Φ*I, определяем момент на валу.
3. По известной ЭДС и магнитному потоку, используя формулу E = k*Φ*ω, находим угловую скорость ω, а затем и частоту вращения n.
4. Рассчитываем все виды потерь для данного тока и определяем КПД.
5. Вычисляем полезную мощность на валу.

Повторив этот расчет для 5-7 точек, мы получаем данные для построения графиков. Анализ этих кривых дает глубокое понимание свойств двигателя. Например, у двигателя параллельного возбуждения будет практически плоская скоростная характеристика, а у последовательного — круто падающая. Форма кривой КПД покажет, в каком диапазоне нагрузок двигатель работает наиболее экономично. Двигатель полностью рассчитан с электромагнитной точки зрения. Но будет ли он перегреваться в процессе работы? Ответ на этот вопрос даст тепловой расчет.

Глава 9. Тепловой и вентиляционный расчеты

Любые потери энергии в машине в конечном итоге превращаются в тепло. Это тепло нагревает обмотки, сердечники и другие части конструкции. Задача теплового расчета — убедиться, что температура самой горячей точки двигателя (как правило, это обмотка якоря) при длительной работе под номинальной нагрузкой не превысит допустимого значения. Это значение определяется классом нагревостойкости изоляции, который был выбран на начальных этапах проектирования.

Процесс расчета заключается в составлении уравнения теплового баланса: вся выделяющаяся в двигателе мощность потерь должна рассеиваться в окружающую среду с его поверхности. Расчет включает следующие шаги:

1. Рассчитываются суммарные потери мощности, которые являются источником тепла.
2. Определяется площадь наружной поверхности охлаждения двигателя.
3. С помощью коэффициента теплоотдачи, который зависит от системы вентиляции и окружной скорости якоря, вычисляется итоговое превышение температуры поверхности машины над температурой окружающей среды.

Полученное значение сравнивается с допустимым. Если расчетная температура оказывается выше, необходимо либо улучшить систему вентиляции (например, применив принудительный обдув), либо вернуться на предыдущие этапы и снизить уровень потерь или увеличить габариты машины. Проверка на нагрев — это финальный инженерный штрих. Теперь, когда все расчеты завершены и проверены, можно подвести итоги проделанной работы.

Заключение, где мы подводим итоги и формулируем выводы

Проектирование электродвигателя постоянного тока — это комплексная задача, в ходе которой мы последовательно прошли все этапы создания виртуальной машины: от анализа технического задания до проверки ее теплового состояния. Были определены главные размеры, спроектированы обмотки якоря и возбуждения, рассчитаны коллекторно-щеточный узел и магнитная система. Анализ потерь и КПД показал энергетическую эффективность конструкции, а рабочие характеристики — ее поведение под нагрузкой.

Основные результаты проектирования целесообразно свести в итоговую таблицу для наглядности.

Итоговые параметры спроектированного ЭДПТ

Параметр	Значение
Номинальная мощность, кВт	[Значение из расчета]
Номинальное напряжение, В	[Значение из ТЗ]
Номинальная частота вращения, об/мин	[Значение из расчета]
Коэффициент полезного действия (КПД), %	[Значение из расчета]
Диаметр якоря D, м	[Значение из расчета]
Длина якоря l, м	[Значение из расчета]

В результате проделанной работы можно сделать главный вывод: спроектированная электрическая машина постоянного тока полностью соответствует требованиям технического задания, ее параметры находятся в пределах допустимых норм, а характеристики обеспечивают ее работоспособность в заданном режиме. Работа завершена, выводы сделаны. Осталось правильно оформить ее и подготовить графическую часть.

Оформление работы, или как подать результат своего труда

Финальный этап любой инженерной работы — это ее грамотное оформление. Даже гениальные расчеты не будут оценены по достоинству, если они представлены в неструктурированном и небрежном виде. Пояснительная записка и графическая часть — это «лицо» вашего проекта.

При оформлении текстовой части (пояснительной записки) следует руководствоваться требованиями ГОСТ к текстовым конструкторским документам. Это касается рамок, шрифтов, нумерации разделов, формул и рисунков.

Список литературы должен содержать все источники, которыми вы пользовались, и быть оформлен по стандарту. Пример оформления:

Фамилия И.О. Название книги. — Город: Издательство, Год. — Количество страниц.

Графическая часть проекта обычно включает в себя несколько ключевых чертежей, выполненных в системе автоматизированного проектирования (САПР):

• Чертеж общего вида двигателя в разрезе: Это главный чертеж, который показывает конструкцию машины, расположение ее основных узлов и габаритные размеры.
• Развертка обмотки якоря: Схематичное изображение уложенной в пазы и присоединенной к коллектору обмотки.
• Схема электрических соединений: Показывает, как именно соединены между собой все обмотки машины.

При подготовке к защите курсовой работы сделайте короткую презентацию с акцентом на ключевых этапах и результатах. Будьте готовы ответить на вопросы не только по вашим расчетам, но и по теории, лежащей в их основе. Успешная защита — это логичное завершение большой и интересной работы.