Учебное пособие 800253

1.1. СТАНДАРТНЫЕ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Процесс проектирования можно разделить на последовательно выполняемые стадии: техническое задание; техническое предложение; эскизный проект; технический проект; рабочий проект.

Техническое задание включает следующие основные разделы: наименование и область применения объекта проектирования; основание для проведения проектных работ; цель и назначение объекта проектирования; его основные характеристики и показатели; основные требования к объекту; технико-экономическое обоснование. Данная информация слишком ограничена для достаточно полных и точных представлений об объекте проектирования. Поэтому содержание технического задания может уточняться и корректироваться при выполнении следующих этапов проектирования.

Техническое предложение разрабатывается на основе технического задания разработчиком в тесном взаимодействии с заказчиком. Техническое предложение углубляет содержание отдельных разделов технического задания, а также включает новые разделы по описанию и анализу принципиально возможных вариантов объекта проектирования, обоснованному выбору рационального варианта, оценке характеристик и технико-экономических показателей. В результате разработки технического предложения накапливается информация о целесообразных принципиальных проектных решениях, которые принимаются к дальнейшему рассмотрению.

Эскизный проект является этапом, на котором начинается детализация объекта проектирования. При разработке эскизного проекта осуществляется окончательный выбор варианта объекта проектирования, производится более точная оценка его характеристик и показателей, производится всестороннее исследование аналогов и прототипов, рассматриваются их конструктивные решения, использование определенных активных и конструкционных материалов. Расчетные работы данного этапа в основном касаются синтеза активной части объекта проектирования.

Технический проект можно подразделить на расчетное, конструкторское и технологическое проектирование. Основу расчетного проектирования составляют семантические модели, имеющие интегральный характер. Расчетное проектирование начинается с выбора вариантов активной части, которые подлежат рассмотрению при расчете. Расчетные модели следует составлять для каждого варианта. Для окончательно выбранного варианта составляется расчетный формуляр, который содержит информацию для конструкторского и технологического проектирования. Эта информация в значительной мере предопределяет конструктивный облик объекта проектирования. При разработке технического проекта много

внимания уделяется не только расчету и конструированию, но и вопросам технологии производства и эксплуатации.

Этап рабочего проектирования является завершающим для окончательного принятия всех проектных решений. На этом этапе окончательно выбираются технологические процессы по изготовлению всех деталей, узлов и компоновки объекта в целом, вносятся уточнения в конструктивное оформление и определяются характеристики и параметры в различных режимах эксплуатации, уточняются технико-экономические показатели. Большое место в рабочем проекте занимает оформление полной проектной документации, необходимой для производства, монтажа и эксплуатации объекта проектирования.

При проведении учебного проектирования, безусловно, невозможно выполнить все стадии процесса проектирования в полном объеме. Тем не менее, каждый этап должен быть отражен в той или иной мере. Основное внимание уделяется составлению технического задания на проектирование и выполнению технического проекта, включающего элементы расчетного и конструкторского проектирования.

1.2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Типовое техническое задание на проектирование электрической машины постоянного тока включает следующие основные разделы:

1. Сроки проектирования

1.1.Начало проектирования ________________________________

1.2.Окончание проектирования ____________________________

2. Наименование объекта проектирования

___________________________________________________________

3. Область применения объекта проектирования

___________________________________________________________

___________________________________________________________

4. Технические данные

4.1.Номинальная мощность, Рн (кВт ___________________________

4.2.Номинальное напряжение, Uн (В) __________________________

4.3.Номинальная частота вращения, n (об/мин) __________________

4.4.Номинальный режим работы ______________________________

4.5.Род возбуждения ________________________________________

4.6.Источник и условия питания ______________________________

5. Технические требования

5.1.Исполнение по степени защиты ____________________________

5.2.Исполнение по способу охлаждения ________________________

5.3.Конструктивное исполнение ______________________________

6.Дополнительные требования

Основные параметры и размеры. (Данные об основных параметрах и размерах объекта проектирования, при необходимости помещается его изображение с габаритными, установочными и присоединительными размерами и их отклонениями).

Характеристики и свойства. (Требования к характеристикам и свойствам объекта проектирования применительно к режимам и условиям его эксплуатации, требования к регулированию частоты вращения, пределы и способы регулирования, перегрузочная способность).

Технико-экономические и эксплуатационные показатели. (Коэффициент полезного действия, удельная масса и удельный расход материалов, коэффициент использования материальных ресурсов).

Надежность. (Долговечность, безотказность, ремонтопригодность). Требования к конструкции. (Безопасность в эксплуатации, условия

использования, условия охлаждения, уровень шума, удобство обслуживания и ремонта, помехозащищенность, маскировочные, защитные и другие виды покрытий, условия монтажа, способ соединения с приводным механизмом).

Требования к исходной продукции. (Требования к материалам и составным частям, используемым при изготовлении объекта проектирования).

Требования к взаимозаменяемости деталей и узлов. (Коэффициенты унификации, требования стандартизации).

Устойчивость к воздействиям факторов внешней среды. (Устойчивость к воздействиям климатических, механических, биологических, специальных факторов, изменениям температуры, радиационная стойкость).

Хранение и транспортабельность. (Условия хранения, устойчивость к воздействиям внешней среды в упакованном состоянии, приемлемые виды транспорта).

7. Этапы проектирования и сроки их выполнения

7.1.Техническое задание _____________________________________

7.2.Технический проект ______________________________________

7.3.Расчетно-пояснительная записка ___________________________

7.4.Сборочный чертеж _______________________________________

1.3. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

Технический проект содержит расчетное проектирование и элементы конструирования.

При проведении расчетного проектирования прежде всего составляется семантическая модель, отражающая его содержание. Основными автономными этапами расчетного проектирования являются:

Генерация вариантов активной части (выбор электромагнитных нагрузок и главных размеров).

Анализ вариантов активной части и выбор наилучшего с учетом требований технического задания.

Электромагнитный расчет: расчет параметров якоря; расчет магнитной системы; расчет системы возбуждения;

оценка коммутационных параметров; определение потерь мощности.

Расчет рабочих характеристик. Тепловой расчет. Вентиляционный расчет. Механический расчет.

Анализ полученного варианта проектного решения на соответствие требований технического задания.

Формирование расчетного формуляра.

При проведении конструкторского проектирования необходимо разработать и описать конструкцию, выполнить сборочный чертеж с необходимыми разрезами и сечениями, поясняющими конструкцию проектируемой электрической машины постоянного тока, и составить спецификацию на сборочный чертеж.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Рассмотреть стандартные стадии процесса проектирования Составить техническое задание на проектирование электрической

машины постоянного тока, используя опыт производственный работы Ознакомиться с основными этапами семантической модели расчетного

проектирования Изучить конструкцию аналогичных электрических машин постоянного

тока

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ

РАЗДЕЛ РАЗМЕРОВ

2.1.ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЫ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.2.ГЕНЕРАЦИЯ ВАРИАНТОВ АКТИВНОЙ ЧАСТИ

2.3.ВЫБОР ВАРИАНТА АКТИВНОЙ ЧАСТИ

Процесс проектирования начинается с генерации вариантов активной части электрической машины, которые отличаются геометрическими соотношениями и обмоточными данными, конфигурацией воздушного зазора и зубцового слоя, материалами магнитопроводов и обмоток. При расчете активной части электрической машины прежде всего необходимо определить главные размеры.

Цель раздела - рассмотреть методы синтеза вариантов активной части, показать связь между данными технического задания, главными размерами и электромагнитными нагрузками, дать рекомендации по выбору главных размеров и их соотношений.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Совокупность каких элементов электрической машины постоянного тока составляет активную часть

Какие методы синтеза применяются для генерации вариантов активной части машин постоянного тока В чем состоит отличие вариантов активной части

Какие размеры в машине постоянного тока называются главными Какие методы используются для определения главных размеров От каких параметров зависят главные размеры машины

Каково влияние электромагнитных нагрузок на размеры машины Алгоритм определения главных размеров

Каковы рекомендации по выбору оптимальных соотношений главных размеров

2.1. ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЫ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Несмотря на разнообразие конструкций и характеристик машин, существуют общие законы и принципы расчета, охватывающие почти все машины постоянного тока (исключение составляют машины малой мощности, а также машины, предназначенные для специальных целей).

В любой электрической машине постоянного тока имеется магнитопровод, или магнитная система, и по крайней мере две обмотки, связанные общим магнитным потоком. Магнитопровод состоит из двух частей, разделенных воздушным зазором. Одна часть магнитопровода входит в состав неподвижной части машины - статора (индуктора), другая - в состав вращающейся части - ротора (якоря). Обе эти части магнитопровода в свою очередь разделяются на две зоны, одна из которых несет на себе обмотку и называется зубцовой, другая служит для проведения магнитного потока и называется ярмом. Следовательно, в электрических машинах имеются две зубцовые зоны и два ярма. Магнитопровод и обмотки составляют активную часть машины.

Объем активной части, то есть пространство, в котором расположены магнитные сердечники и пазовые части обмоток, пропорционален условному объему активной части машины

V D2 l,

где D - наружный диаметр якоря; l- длина воздушного зазора.

Наружный диаметр якоря D и длина воздушного зазора lназывают главными размерами машины, так как от них зависят все остальные размерные соотношения.

Анализ математической модели, позволяющей определить главные размеры машины, показывает, что число расчетных уравнений меньше числа неизвестных параметров, что предполагает ее исходную неопределенность. Попытка найти строгие математические связи между параметрами и однозначно решить задачу, как правило, обречена на неудачу вследствие большого числа таких связей и сложности их характера.

Поэтому выбор главных размеров часто производится на основе опытных данных, полученных в ходе постепенного развития электромашиностроения. При этом используется минимальное число закономерностей, проверенных на практике, все же остальное предоставляется опыту, чутью и искусству проектировщика.

2.2. ГЕНЕРАЦИЯ ВАРИАНТОВ АКТИВНОЙ ЧАСТИ

Процесс проектирования начинается с генерации вариантов активной части электрической машины, которые подлежат рассмотрению при расчете. Варианты активных частей отличаются друг от друга геометрическими соотношениями и обмоточными данными, конфигурацией воздушного зазора и зубцового слоя, материалами магнитопроводов и обмоток.

Рассчитать активную часть электрической машины - значит определить взаимосвязь между ее обмоточными данными и геометрическими размерами. Обмоточные данные связаны с проводниковыми материалами (обычно медными), характеризуются током I и линейной нагрузкой А и определяются в ходе электрического расчета. Геометрические размеры прежде всего связаны со стальными участками магнитной цепи, характеризуются значениями магнитного потока Ф и магнитной индукции в воздушном зазоре В и определяются в ходе магнитного расчета. Электрический и магнитный расчеты взаимосвязаны и в своей совокупности составляют электромагнитный расчет электрической машины.

Традиционный подход к расчетному проектированию позволяет использовать математический аппарат синтеза многопараметрических систем. Для генерации вариантов активной части можно выделить несколько основных методов синтеза.

1.Синтез, основанный на использовании машинной постоянной, определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок.

2.Синтез машины, подобной изготовленному образцу. Применяя данный метод, проектировщик производит целенаправленный пересчет, используя в качестве базовой модели уже спроектированную машину. В этом случае разрабатываемая модель отличается от базовой показателями, находящимися под контролем проектировщика, и при достаточной квалификации последнего искомый вариант будет найден с легкостью, недостижимой при использовании других методов. Кроме того, полученное решение отличается большой достоверностью. Единственное условие, которое при этом должно соблюдаться, - наличие хорошей базовой модели, достаточно близкой по своим характеристикам к проектируемой машине.

3.Синтез в направлении от электромагнитных нагрузок к размерам. Этот метод использует в качестве входных величин электромагнитные

нагрузки A и B . Можно заметить, что указанные величины в хорошо спроектированных машинах лежат в достаточно узких пределах. В какой-то мере эти величины позволяют судить о нормальном состоянии машины. Поэтому использование электромагнитных нагрузок в качестве входных величин исключает нежизнеспособный вариант. Кроме указанных нагрузок,

входной величиной является также наружный диаметр проектируемой машины, который часто ограничивается условиями монтажа машины.

4.Синтез по заданным характеристикам предусматривает учет таких показателей, как перегрузочная способность, жесткость механической характеристики, пусковой момент на ранней стадии проектирования. По этой причине сначала определяются допустимые сочетания сопротивлений обмоток машины, а затем находится вариант реализации этих сопротивлений из условия обеспечения приемлемых значений электромагнитных нагрузок.

5.Синтез, основанный на сочетании оптимизационной процедуры с поверочным расчетом, предусматривает использование в качестве параметров оптимизации размеров проектируемой машины. Понятно, что произвольный набор геометрических размеров, взятый наугад, вряд ли будет соответствовать оптимальному варианту и даже далеко не всегда обеспечит работоспособность машины. Однако в сочетании с оптимизационной процедурой такой поверочный расчет дает возможность в процессе решения задачи переходить от худшего варианта к лучшему и в конечном счете достичь оптимума. Освоение данного подхода сопряжено с некоторыми трудностями: проблемой функционального анализа, включающего в себя тщательное изучение функции цели, ограничений и области поиска; необходимостью выбора начальной точки, расположенной внутри допустимой области или на ее границе; осложнениями, связанными с установлением рационального шага для перехода от одной точки к другой; осложнениями на этапе окончания поиска, характерными для ряда оптимизационных процедур.

6.Синтез, основанный на сочетании оптимизационной процедуры с синтезом в направлении от электромагнитных нагрузок к размерам. В отличие от оптимизационных процедур, работающих в сочетании с элементарным поверочным расчетом, в данном случае продвижение к оптимуму состоит не в перемещении от одной точки к другой, а в переходе от одной зоны к другой зоне, отличающейся от предыдущей более узким диапазоном варьирования переменных. Благодаря использованию в пробных расчетах рациональных электромагнитных нагрузок процедура оптимизации оказывается свободной от безнадежно плохих вариантов.

7.Синтез, предусматривающий оптимизацию при решении частных задач, должен опираться на такой математический аппарат, в рамки которого решаемая задача вписывается наилучшим образом. Так, например, задача оптимизации пазовой геометрии может быть решена с помощью метода выпуклого программирования.

Выбор того или иного из перечисленных методов проектирования для решения конкретной задачи определяется спецификой последней, а также теми возможностями, которыми проектировщик располагает ( в том числе доступностью вычислительной техники и наличием достаточного времени

на разработку проекта). Не существует универсального метода, который мог бы быть признан самым лучшим и единственно правильным.

С уверенностью можно утверждать следующее: если расчетные зависимости не внушают доверия проектировщику, то ими пользоваться не следует; если затраты на поиск оптимального решения превосходят предполагаемый выигрыш от его реализации, то лучше не искать оптимум, а ограничиться выбором хорошего варианта; нельзя вести проектирование машины, предназначенной к серийному выпуску, исходя из реализации предельных допустимых выходных показателей, так как необходимо предусматривать разумный запас, учитывающий неизбежный технологический разброс параметров.

Такой подход является вполне правильным и надежным. Однако он не исключает необходимости и важности установления таких закономерностей, которые, будучи достаточно простыми, позволили бы с меньшей затратой труда и времени получить желаемый результат и, в особенности, быстро оценить относительный эффект тех или иных изменений размерных соотношений.

При выполнении учебного проекта целесообразно использовать для определения главных размеров машины и их соотношений синтез активной части, основанный на машинной постоянной, определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок. Для этого необходимо рассмотреть зависимость главных размеров от мощности, частоты вращения и основных электромагнитных нагрузок: индукции в воздушном зазоре Ви линейной нагрузки А

где СА - машинная постоянная Арнольда; D и l - главные размеры машины;

nн - номинальная частота вращения; Р - расчетная мощность; А и В- электромагнитные нагрузки;

- коэффициент полюсного перекрытия.

Эффективность использования объема активной части машины определяется электромагнитными нагрузками. Чем выше значения электромагнитных нагрузок, тем выше коэффициент использования. Наибольшие допустимые уровни электромагнитных нагрузок для конкретных электрических машин определяются допустимым нагревом активных частей, так как с ростом А и Вувеличиваются потери в единице активного объема машины. На основании опыта проектирования и

эксплуатации электрических машин выработаны определенные диапазоны возможных значений электромагнитных нагрузок для различных типоразмеров машин, при которых нагрев ее активных частей не превышает допустимого для принятого класса нагревостойкости изоляции обмоток.

Значения электромагнитных нагрузок задаются в виде рекомендаций в соответствующих расчетных методиках и служат основой для правильного выбора объема активной части проектируемой машины, при котором превышение температуры будет соответствовать допустимому. Однако этот объем может быть получен при различных сочетаниях D и l . Аналитических зависимостей, однозначно определяющих эти величины для конкретных машин, не существует. Поэтому сначала предварительно определяют диаметр якоря, после этого с учетом выбранных электромагнитных нагрузок определяют длину воздушного зазора, используя формулу машинной постоянной.

Алгоритм генерации вариантов активной части включает выполнение следующих шагов:

1 шаг: диаметр якоря определяется по высоте оси вращения, которая зависит от соотношения номинальной мощности и номинальной частоты вращения и, обычно, ориентировочно задается техническим заданием. Диаметр якоря нормируется с учетом допуска на штамп. Для четырехполюсных машин

D (h 4) мм;

2 шаг: в зависимости от высоты оси вращения выбираются значения линейной нагрузки А, индукции в воздушном зазоре В и коэффициента полюсного перекрытия. Рекомендуемые значения А и В для машин общего назначения приведены ниже.

Верхние границы значений А и Вопределяют предельные значения нагрузок для хорошо охлаждаемых машин при сравнительно легких условиях коммутации, нижние значения - для тихоходных машин, работающих с частыми реверсами и перегрузками, а также для машин с уменьшенными значениями величины воздушного зазора. С увеличением коэффициента полюсного перекрытия возрастает использование машины. Однако это приводит к уменьшению межполюсного расстояния (- bр), а