Как быстро спроектировать новый двигатель?
2025-09-18
Прежде всего, необходимо пояснить, что проектирование двигателей — сложная задача, объединяющая множество дисциплин и профессий. Однако в инженерной разработке существуют соответствующие упрощённые методологии, применимые к 90% рабочих ситуаций.
Проектирование двигателя — это систематический междисциплинарный инженерный процесс, обычно делящийся на шесть этапов: анализ требований, предварительное проектирование, детальное проектирование, проверка с помощью моделирования, испытания прототипа и оптимизация производства. Весь процесс включает в себя совместную работу специалистов различных дисциплин, включая электромагнетизм, теплотехнику, механику и системы управления. Для большинства инженеров начального уровня проверка с помощью моделирования представляет собой наибольшую сложность.
Моделирование используется для проверки характеристик двигателя, но для проверки характеристик требуется больше, чем просто моделирование. Моделирование предоставляет данные о выравнивании полюсов и пазов, классе сердечника, витках катушки и классе магнита. Однако при массовом производстве часто учитываются производственные затраты и выход годных . Поэтому окончательная конструкция двигателя будет корректировать ключевые параметры, такие как количество витков обмотки и класс материала, в зависимости от общих требований. Поэтому в процессе проектирования двигателя и создания прототипа часто тестируются несколько схем с различным количеством катушек и классом магнита.
Если исключить проверку с помощью моделирования, которая имеет высокий порог, как мы можем спроектировать новый двигатель посредством устных вычислений или простых письменных расчетов?
При теоретическом проектировании двигателя основное внимание уделяется параметрам и эффективности. В производстве стоимость, тепловыделение и другие факторы могут быть важнее параметров. Для большинства требований к проектированию двигателя на рынке доступны референтные продукты (например, общедоступные пресс-формы). Сравнивая эти референтные продукты, можно провести обратную разработку нового двигателя, отвечающего этим требованиям. Существует три конкретных метода:
- Конструкция изообъемного трансформатора
- Изобарическая конструкция переменной емкости
- Конструкция с переменной емкостью и напряжением
И четыре правила здравого смысла:
- Формула расчета мощности, крутящего момента и скорости двигателя: Мощность = Скорость Крутящий момент / 9,55 ( P = n T / 9,55)
- Число витков катушки обратно пропорционально скорости двигателя.
- Высокоскоростным двигателям требуется меньше полюсов и пазов, тогда как низкоскоростным двигателям требуется больше полюсов и пазов.
- Регулировка высоты двигателя может увеличить прирост мощности, а регулировка диаметра двигателя может увеличить прирост крутящего момента.
Описанный ниже метод включает в себя всего три входных параметра: рабочее напряжение, мощность и скорость, а также три регулируемых параметра: диаметр двигателя, высоту двигателя и количество витков обмотки.
Во-первых, выберите двигатель, аналогичный проектируемому, в качестве эталона. Среди трёх параметров: напряжения, мощности и скорости, отдайте предпочтение двигателю с такой же скоростью (количеством полюсов) в качестве эталона. Во-вторых, убедитесь, что напряжение и мощность максимально близки.
Конструкция изообъемного трансформатора
- Выберите прототип с равной мощностью и равной скоростью (количеством полюсов) и на этой основе измените только его напряжение.
- Отрегулируйте количество витков и диаметр провода; количество витков пропорционально напряжению, а коэффициент трансформации по напряжению равен коэффициенту трансформации. Рассчитайте количество витков нового двигателя. Диаметр провода обратно пропорционален напряжению, а коэффициент трансформации по напряжению обратно пропорционален площади поперечного сечения обмотки. Рассчитайте диаметр провода нового двигателя.
- Определите и намотайте количество витков и диаметр провода для завершения конструкции нового двигателя.
Например, двигатель 3510 с номинальным напряжением 12 В настроен на номинальное напряжение 24 В. Диаметр провода обмотки 12 В составляет 0,5 мм, а число витков на зубец — 12. Поскольку число витков пропорционально напряжению, число витков на зубец увеличивается с 12 до 24. Поскольку диаметр провода обратно пропорционален напряжению, расчётный диаметр провода уменьшается с 0,5 мм до 0,177 мм. При неизменных прочих параметрах диаметр провода для двигателя 3115 с номинальным напряжением 24 В составляет 0,177 мм, а число витков на зубец — 24. На этом проектирование нового двигателя завершается.
Изобарическая конструкция переменной емкости
1.Выберите прототип с тем же напряжением и скоростью (количеством полюсов) и измените только его емкость (мощность).
2.При одинаковой скорости объем и мощность пропорциональны, поэтому объем необходимо изменить; оставить неизменными диаметры трех окружностей (внешняя окружность статора, внутренняя и внешняя окружности ротора), изменить длину сердечника, а соотношение мощностей = соотношение длин сердечника.
3.Определите площадь поперечного сечения обмотки. Мощность = напряжение и ток. Чтобы изменить ток, измените площадь поперечного сечения обмотки. Коэффициент мощности = отношение площадей поперечного сечения обмотки. Выберите количество жил и диаметр провода соответственно.
4.Определите количество последовательных витков обмотки. Изменение длины сердечника приводит к изменению напряжения, а изменение площади поперечного сечения обмотки – к изменению степени заполнения пазов, поэтому необходимо скорректировать количество последовательных витков обмотки; соотношение ёмкостей = отношение длины сердечника = отношение площади поперечного сечения обмотки = отношение площади последовательного сечения витков, и таким образом рассчитывается общее количество последовательных витков обмотки. Изменяется только длина ротора, а остальные детали остаются неизменными, чтобы получить новый двигатель.
Например, для двигателя 3510 с увеличением номинальной нагрузки на 30–40% требуется повышенная мощность. С учётом КПД и допусков на обработку мощность двигателя увеличивается на 50%. Используя описанный выше метод, увеличение высоты двигателя на 50% удовлетворит требованиям, фактически преобразуя двигатель 3510 в двигатель 3515. Общая площадь поперечного сечения обмотки S = πr², S1 = 0,196 мм², а скорректированная общая площадь поперечного сечения S2 = 0,294 мм². Количество последовательных витков обратно пропорционально, поэтому скорректированное количество витков составляет 12/1,5 = 8. Скорректированный диаметр провода составляет 0,62 мм. Новый двигатель 3515 разработан с питанием 12 В, диаметром провода 0,62 мм и 8 витками на зуб. Это завершает разработку новой конструкции двигателя.
Расчет напряжения и емкости
10Напряжение и мощность не равны, поэтому необходимо выбрать прототип с такой же скоростью (количеством полюсов);
2.Скорость та же, но объём меняется; диаметры трёх окружностей (внешней окружности статора, внутренней и внешней окружностей ротора) остаются неизменными, но длина сердечника меняется. Коэффициент мощности = коэффициенту длин сердечника.
3.Определите количество витков. Коэффициент трансформации равен отношению длины сердечника к количеству витков. Рассчитайте количество витков.*
4.Определите площадь поперечного сечения; отношение числа витков к площади поперечного сечения равно величине, обратной площади поперечного сечения. Рассчитайте площадь поперечного сечения, выберите и намотайте необходимое количество жил и диаметр провода, а затем определите параметры нового двигателя.
Например, рассмотрим двигатель 3510 с напряжением питания 12 В. Теперь необходимо увеличить напряжение до 24 В, одновременно увеличив мощность на 50% без изменения выходной скорости. Сначала увеличьте напряжение до двигателя 3515. Коэффициент напряжения равен отношению длины сердечника к числу витков, а λ = 1,5 . Количество витков равно 1,33, что даёт 16 витков. Используя обратное отношение площади поперечного сечения, диаметр провода рассчитывается как 0,432 мм. Новый двигатель имеет обозначение 3515, напряжение питания 24 В, диаметр провода 0,432 мм и 16 витков. Проектирование нового двигателя завершено.
Выше представлен упрощённый метод проектирования двигателя. После многократной практики и приобретения опыта вы сможете рассчитать новый двигатель, опираясь на прототип. На практике проектирование и выбор двигателя несложны, особенно для инженеров-механиков. Имея небольшой опыт, они могут самостоятельно выполнять стандартные операции по выбору двигателя и настройке его характеристик.
