На первых этапах развития электромашиностроения—во второй половине прошлого столетия — электрические машины сооружались в небольшом количестве и часто без достаточной теоретической проработки: так, экспериментальным путем были найдены основные конструктивные формы. Но уже в 90-х годах, после возникновения системы электропередачи трехфазного тока электромашиностроение становится массовой областью техники, разрабатываются методы расчета, теория обмоток, а в начале нашего столетия появляются первые руководства по расчету и конструированию электрических машин. Уже в начале века основные электротехнические фирмы разрабатывали серии электрических машин общепромышленного применения и выпускали каталоги-справочники, с помощью которых инженеры могли быстро подобрать нужную заказчику машину, имевшую стандартизованные основные элементы. Естественно, что большой объем выпуска и еще больший объем проектных работ позволили сделать ряд обобщений и выводов, касающихся рационального проектирования электрических машин, правильного выбора размеров, нагрузок и т. п.
В руководствах, составленных инженерами электротехнических фирм, стали применяться для этой цели таблицы и кривые, впоследствии опубликованные. Наиболее четко экономические основы проектирования были рассмотрены в работах М. Видмара [1-1], особенно применительно к трансформаторам. Им был сделан ряд теоретически интересных выводов (некоторые из них были интуитивно получены конструкторами при разработке серий) о влиянии размеров и нагрузок на технико-экономические показатели.
В дальнейшем работы такого характера регулярно предпринимались инженерами-проектировщиками, экономистами и исследователями, когда усовершенствования конструкции и технологии изменяли соотношения между технико-экономическими факторами или снимали какие-либо ограничения (прогресс в области систем охлаждения, изготовления обмоток, применения сварных конструкций, улучшения качества сталей и т. п.).
На современном этапе проектирование электрических- машин, которые становится все более мощными, требует все более строгого научного подхода, поэтому для последних лет характерно значительное число работ, касающихся применения ЭЦВМ для проектирования электрических машин.
На практике проектирование электрической машины (как и любой другой) проходит несколько стадий.
На первой проектировщик вчерне определяет размеры, параметры и характеристики будущей машины для нескольких вариантов, отличающихся нагрузками и размерами, а следовательно, параметрами, характеристиками и технико-экономическими показателями (масса, стоимость, к. п. д.), но удовлетворяющих всем требованиям стандартов и нормалей на аналогичные машины (все варианты, неудовлетворяющие ГОСТ, нормалям или заданию, отбрасываются). На первой стадии производится приближенная проработка конструкции.
Па второй стадии обычно выбирается наилучший вариант. Этот выбор иногда требует более глубоких расчетов и конструктивных проработок, а в ряде случаев — проведения экспериментов, изготовления макетов или моделей узлов.
На всех дальнейших стадиях производится подробная разработка конструкции и технологии производства, вносятся поправки, но выбранный вариант, как правило, радикально не меняется (исключая случаи изменения задания или грубой ошибки в расчетах).
В практике заводов СССР первым этапом работы над новой машиной является так называемый эскизный проект, в результате завершения которого заказчик машины получает размеры, необходимые для проектирования механизма, для которого предназначена данная машина, или здания (например, машинного вала электростанции), и тому подобные данные для определения характеристик оборудования или системы, где будет работать проектируемая машина, включая и технико-экономические показатели.
Естественно, что существенное изменение этих данных на дальнейших этапах может привести к переделке проектов и уже начатых сооружений, т. е. к большим убыткам. Поэтому окончательный выбор варианта должен, как правило, делаться уже в эскизном проекте, который, следовательно, включает в себя первые две указанные выше стадии проектирования.
Вторым этапом обычно является технический проект, после выполнения которого согласовываются технические условия на поставку машины. Иногда окончательный выбор варианта — вторая стадия — производится в техническом проекте, особенно если для проверки конструктивных решений требуется экспериментальная работа. В техническом проекте окончательно уточняется конструкция узлов, параметры и характеристики.
Подробная разработка конструкции всех узлов деталей с учетом технологии их изготовления производится при выпуске рабочих чертежей (последний этап проекта).
При разработке весьма мощных, ответственных и дорогостоящих машин окончательный выбор конструкции может быть сделан только после проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, стоимость которых достаточно высока. Тем более важно на первых стадиях проектирования сузить круг поисков, ограничив его минимумом вариантов и, следовательно, минимумом моделей или прототипов. Это возможно при глубоко обоснованном выборе размеров и нагрузок на базе уже имеющихся данных и методов расчета. Из изложенного ясно, что первая стадия проектирования — наиболее важная.
Проектирование электрической машины облегчается тем обстоятельством, что многие данные могут быть достаточно точно определены с помощью электромагнитных расчетов еще до разработки конструкции. Электромагнитные, тепловые и механические расчеты производятся на всех стадиях проектирования.
В настоящей книге речь пойдет в основном о первых двух стадиях проектирования: определении возможных вариантов, выборе наилучшего варианта и укрупненной разработке конструкции машины (включая важнейшие узлы) — стадиях, совпадающих с разработкой эскизного и технического проектов. Кроме того, будут изложены некоторые методы расчетов и конструирования, нс охватывающие, естественно, всего многообразия задач, по которым существует богатая литература.
Если сформулировать строго задачу проектирования, то в математическом смысле ее следует отнести к исследованию операций. Это задача вариационная в самом широком смысле слова. Действительно, при проектировании мы стремимся получить конструкцию машины, оптимально удовлетворяющую технико-экономическим или специальным требованиям. Эти требования удается свести к какому-либо критерию к — функционалу как заданных параметров так и параметров, выбираемых при проектировании, xi (размеров, нагрузок и т. п.):
Этот функционал может иметь в качестве аргументов технологические факторы, показатели надежности и т. п. Проектируя машину, мы стремимся получить максимум или минимум k при ограничениях, накладываемых на переменные условиями транспортировки, наличием существующей оснастки, целочисленностью некоторых переменных, и другими факторами, причем некоторые из них даже нс могут быть точно представлены в явном виде.
Математическое решение таких задач представляет большие трудности, поэтому их никогда не решают в полном объеме, а пользуются несколько упрощенной математической моделью, в которой учитываются не все переменные и не все ограничения.
Как уже отмечалось, в большинстве случаев проектируемая машина является звеном существующей или предполагаемой серии, между тем как в настоящей книге вопросы проектирования серии не рассматриваются, а речь идет о проекте одиночной машины, правда, с учетом построения конструктивных рядов. Объясняется это следующим.
При унификации и стандартизации необходимо уменьшить разнообразие конструкций и размеров, чтобы облегчить производство и замену деталей при ремонтах. Это достигается двумя способами:
путем введения ограниченного типажа деталей, из которых потом собираются аппараты, как делается в химическом машиностроении; при этом шкала конечных размеров готовых изделий определяется размерами деталей, установленными заранее независимо;
путем установления размерных рядов конечных изделий и выбора размеров узлов и деталей для них исходя из размеров конечных изделий — от общего к частному.
Увеличение количества типоразмеров удорожает производство за счет инструмента, оснастки, расширения сортамента материалов, а также эксплуатации—за счет увеличения парка запасных частей. В то же время снижение количества типоразмеров увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с избыточной установленной мощностью, тем больше, чем меньше типоразмеров в серии. Ясно, что чем больше массовость выпуска каких-либо машин, тем большее число типоразмеров экономически оправдано, а при малом объеме и мощности выпуска ограничение типоразмеров должно быть более жестким.
Выигрыш в производстве от сокращения числа типоразмеров можно определить по увеличению серийности, а проигрыш — по среднему отклонению машин серии от идеального конструктивного ряда, каждая машина которого имеет минимум целевой функции, например приведенной стоимости. Но последнее возможно только когда известен этот самый идеальный ряд, т. е. цепочка единичных машин оптимальных размеров. Поэтому основой проектирования серий электрических машин является метод оптимального проектирования единичной машины и не случайно значительную часть содержания книги В. А. Трапезникова [1-3], не утратившей значения до настоящего времени, составляют вопросы оптимального проектирования единичной машины.
В настоящей книге изложены основы проектирования единичной машины, без которого мы не можем проводить проектирования серий и оценивать его результаты; кроме того, здесь изложены некоторые вопросы, рассматриваемые и при проектировании серий, например общие закономерности конструирования, построение конструктивных рядов и т. п.
