Введение
Проектирование электрической машины состоит из расчета и конструирования. Расчет машины в общем представляет собой математическую неопределенную задачу со многими решениями, так как число определяемых неизвестных больше числа уравнений, связывающих их. Вследствие этого в процессе расчета электрической машины приходится задаваться определенными значениями некоторых исходных электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на опыте построенных машин, которые по ходу расчета проверяются и корректируются.
Результаты расчета электрической машины достаточно хорошо согласуются с опытом лишь при проектировании машин средней и большой мощности. В этом случае расчетные данные могут расходиться с соответствующими опытными значениями построенной машины в среднем на ±10 %. Расхождение между расчетными и опытными данными машины вызывается в основном непостоянством свойств применяемых в ней магнитных материалов и неизбежными погрешностями технологического процесса ее изготовления.
Еще менее точным оказывается расчет электрических машин малой мощности в диапазоне от долей ватта и до нескольких сотен ватт, так как в этих машинах относительно возрастают побочные явления (падения напряжения, отдельные потери и т.д.), не все поддающиеся точному расчету.
Электрические машины малой мощности применяются на практике преимущественно в качестве электродвигателей.
В настоящем учебном пособии дается систематизированный расчет асинхронных электродвигателей и электродвигателей постоянного тока последовательного и параллельного возбуждения в диапазоне мощностей от нескольких единиц до сотен ватт. Для облегчения расчета этих машин отдельные этапы расчета расположены в логической последовательности друг за другом с использованием основной системы единиц СИ.
Для расчета электрической машины малой мощности приводятся исходные данные в виде определенного задания на расчет.
Расчет машины заканчивается выполнением в масштабе поперечного сечения рассчитанного электродвигателя.
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Основные размеры электродвигателя
Определение основных размеров – диаметра и длины пакета якоря – является одним из важнейших этапов расчета, так как правильно выбранные размеры якоря обеспечивают наиболее рациональное использование применяемых в машине материалов и более совершенную конструкцию ее в целом.
Якорь электродвигателя постоянного тока малой мощности представляет собой пакет, собранный из дисков, выштампованных из листовой электротехнической стали толщиной 0,5; 0,35 или 0,2 мм. Для определения основных размеров машины постоянного тока используется известная формула машинной постоянной.
Расчетная или внутренняя электромагнитная мощность Р a электродвигателей постоянного тока, равная произведению э.д.с. при нагрузке на ток якоря, может быть определена следующим образом [1]:
Вт, (1.1)
где 
- к.п.д. электродвигателя предварительно выбирается по кривым (рис. 1.1) в зависимости от полезной мощности P2.
Рис.1 Кривые к.п.д. электродвигателя постоянного тока в зависимости от полезной мощности на валу
при параллельном возбуждении
А, (1.2)
где 
– ток возбуждения.
Э.д.с. якоря электродвигателя. При нагрузке для продолжительного режима работы при параллельном возбуждении
(1.3)
В,
где 
.
Машинная постоянная определяет диаметр якоря 
машины и его расчетную длину 
в зависимости от расчетной мощности 
, частоты вращения 
, индукции в воздушном зазоре 
и линейной нагрузки якоря 
. Связь между этими величинами выражается следующим образом:
, (1.4)
где 
-индукция в воздушном зазоре под полюсом при нагрузке, Тл,
-линейная нагрузка якоря, А/м,
-коэффициент полюсного перекрытия.
Индукция и линейная нагрузка 
выбираются в зависимости от отношений полезной мощности к частоте вращения (рис. 2)
В электродвигателях постоянного тока малой мощности отношение длины пакета якоря к его диаметру или диаметру расточки полюсов 
обычно находится в пределах:
(1.5)
Диаметр расточки полюсов и расчетная длина пакета якоря будут равны:
м, (1.6)
м, (1.7)
Окончательный диаметр якоря:
, (1.8)
где 
м
Рис.1.2 Кривые индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки якоря в зависимости от отношения полезной мощности к частоте вращения
Окружная скорость якоря
м/сек (1.9)
Полюсный шаг и расчетная полюсная дуга
м, (1.10)
м, (1.11)
где 
-число полюсов машины; в электродвигателях малой мощности обычно принимается:
-при мощностях до 
Вт;
-при мощностях свыше 200 Вт.
В электродвигателях постоянного тока малой мощности продолжительного режима работы длину воздушного зазора приближенно можно определить по формуле
м. (1.12)
это значение не должно отличиться от ранее выбранного более чем на 5 %
Следует отметить, что длина расчетной полюсной дуги маломощных машин, вследствие насыщения их тонких полюсных наконечников, обычно на 
меньше длины действительной полюсной дуги 
, поэтому
м, (1.13)
Частота перемагничивания якоря
Гц (1.14)
Обмотки якоря
В электродвигателях постоянного тока малой мощности при двухполюсном исполнении применяется простая петлевая обмотка, а при четырехполюсном - простая волновая обмотка якоря.
Вылет лобовой части обмотки по оси вала составляет
м (2.1)
Полезный поток полюса при нагрузке машины
Вб, (2.2)
Число проводников обмотки якоря
, (2.3)
где 
- число пар параллельных ветвей якорной обмотки.
При выборе числа пазов якоря в электродвигателях малой мощности необходимо учитывать следующие обстоятельства. Для ослабления явления «прилипания» якоря к полюсным наконечникам число пазов якоря у малых машин целесообразно выбирать нечетным.
Выбор числа пазов якоря, по опыту построенных электродвигателей малой мощности, можно производить по приближенному соотношению
(2.4)
с округлением до ближайшего целого нечетного числа.
В машинах малой мощности число коллекторных пластин
(2.5)
При этом обычно
при 
или 
при 
так как в последнем случае применяется простая волновая обмотка якоря, которая выполняется симметричной только при нечетном числе коллекторных пластин.
Число витков в секции обмотки якоря
(2.6)
Число проводников в пазу якоря
(2.7)
Для простой петлевой обмотки якоря первый, второй, результирующий частичные шаги по якорю в элементарных пазах, а также результирующий шаг по коллектору в коллекторных делениях соответственно равны
(2.8)
где 
- ноль или правильная дробь, делающая y1 целым числом.
После этого вычерчивается схема обмотки. Примеры выполненных схем обмоток показаны на рис. 2.1 и 2.2[2], где п.д. - пазовое деление, к.д. - коллекторное.
Рис. 2.1 Схема простой петлевой якорной обмотки
Линейная нагрузка якоря
А/м (2.11)
Полученная здесь величина 
не должна отличаться от ранее предварительно принятой более чем на ±5%.
