Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преи­мущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повыше­ния интенсивности охлаждения.

Большинство электрических машин общего назначения, за иск­лючением турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:

разомкнутой — воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;

замкнутой — поток охлаждающего воздуха не связан с окружа­ющей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внут­реннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинх­ронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.

В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиаль­ную схемы вентиляции.

Если электрическая машина имеет схему самовентиляции, то напор в вентиляционной системе создастся вентилятором, уста­новленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяет­ся на два класса: нагнетательную и вытяжную. При нагнетатель­ной схеме вентиляции охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагнетателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной схеме вентиляции охлаждающий газ поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором.

Вытяжная вентиляция обладает тем преимуществом, что газ по­ступает в машину без предварительного его подогрева вентилято­ром, что несколько снижает превышение температуры обмоток.

В практике электромашиностроения применяют как нагнетательные, так и вытяжные схемы вентиляции, которые по числу струй бывают однострунными и многоструйными. При многоструйной схеме вентиляции каналы каждой струи имеют независимые выходы подогретого воздуха в сборную зону перед нагнетателем.

Схему принудительной вентиляции с помощью независимого вентилятора применяют в машинах с широким диапазоном регулирования частоты вращения, когда система самовентиляции при малых частотах вращения ротора не является эффективной. По этой
схеме выполняют отдельные модификации асинхронных двигателей; серии 4А и машин постоянного тока серии 2П.

По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам подводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.

---

Все электрические машины общего назначения выполняются системе воздушного косвенного охлаждения.

Особенности конструктивного исполнения отдельных с воздушным косвенным охлаждением определили и их схему вентиляции: крупные машины постоянного тока и синхронные двигатели выполняются преимущественно с радиальной схемой вентиляции. Асинхронные машины большой мощности имеют радиальную, аксиальную и аксиально-радиальную схемы.

С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственно жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находит применение в конструкциях мощных турбо- и гидрогенераторов.

Система непосредственного водяного охлаждения обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины [16, 17].

7.2. ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Теплообмен в электрических машинах происходит путем тепло­проводности, конвективного теплообмена и излучения.

Количество тепла , передаваемое за единицу времени через произвольную изотермическую поверхность , прямо пропорциона­льно температурному градиенту в направлении теплового потока:

, (7.4)

где — плотность теплового потока, Вт/м²; — теплопроводность материала тела; знак минус показывает, что тепловой поток распространяется в направлении уменьшения температуры, т. е. от точки тела с большей температурой к точке, имеющей меньшую температуру.

При одномерном распространении тепла, например, в направле­нии оси имеем

. (7.5)

Теплопроводность характеризует способность вещества проводить тепло, определяется физическим свойством вещества и зависит от его состава, температуры и давления (для газообразных веществ). Наиболее достоверные значения теплопроводности получают экспериментальным путем.

В табл. 7.2 приведены значения теплопроводности различных материалов, применяемых в электромашиностроении.

Таблица 7.2. Значения теплопроводности материалов

Материал	Вт/(м· о C)
Медь	380…395
Алюминий	198…220
Серебро	420
Сталь листовая электротехническая марок:
1211, 1212, 1213	35…37
1311, 1411, 1412, 1413	19…24
1511, 1512, 1513	15…18
Сталь листовая электротехническая, шихтованная поперек пакетов:
лист 0,5 мм, покрытие лаком	3,1
сталь 1521 0,35 мм, пропитка компаундом ЭК-1М	1,9
Дюралюминий	128
Сплавы алюминия (АК3, АК4, АКМ2-1)	147…159
Сталь (марки 08, 10, 20, 35, 45)	48…64
Стеклополотно	0,17…0,18
Стеклолакоткань	0,18…0,21
Слюда (флогонит)	0,51
Миканит ГФС	0,21…0,41
Пленка ПЭТФ:
лумиррор	0,11
мелинекс	0,13
терфан	0,17
лавсан	0,21
Пленка полиимид	0,27
Пленка фторопласт 3/4	0,10/0,22
Пленка экскапон	0,20
Стеклослюдинит (ФС25К-40/ГС25КН)	0,12/0,24
Стеклотекстолит	0,33…0,43
Текстолит	0,17..0,22
Электронит	0,12…0,18
Изоляция пазовая обмоток якоря машин постоянного тока и роторов машин переменного тока:
классы А, Е	0,10
классы В, F, H	0.16
То же статорных обмоток асинхронных машин:
классы А, В, Е	0,10
классы В (компаундированная), F, H	0,16
Изоляция монолит-2 различного состава	0,19…0,32
Воздух при = 101 кПа, = 40 о C	0,0266

---

Используя законы Фурье и сохранения энергии, можно привести уравнение теплового состояния (7.1) к дифференциальному уравнению теплопроводности, которое связывает временные и пространственные изменения температуры рассматриваемого элемента машины:

, (7.6)

где — плотность окружающей среды, кг/м³; с — удельная теплоемкость элемента электрической машины, Дж/(кг· ° С); — мощность внутренних источников тепла, представляющая собой количество теплоты, выделяемое в единице объема элемента машины за единицу времени.

Уравнение (7.6) можно использовать для анализа нагревания; тела в стационарных и нестационарных режимах.

Теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой, конвективный теплообмен описывается экспери­ментальным законом Ньютона—Рихмана, связывающим плотность теплового потока на поверхности с температурами поверхности и среды :

. (7.7)

Соответственно перепад температуры между поверхностью охлаждающей средой составит

, (7.8)

где — коэффициент теплоотдачи поверхности, Вт/(м²· ° С), характеризующий интенсивность теплообмена [16, 17].

Теплообмен путем излучения для электрических машин, работающих в обычных условиях, не учитывается из-за небольшой его доли в общем процессе теплообмена. Отвод тепла путем излучения становится основным при работе машин в вакууме.

Испарительное охлаждение в машинах общепромышленного применения практически не используется.

7.3. НЕУСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРЕВАНИЯ

ОДНОРОДНОГО ТЕЛА

Испытания электрических машин на нагрев показывают, что в области номинальных нагрузок машины общего назначения, имею­щие сравнительно низкие удельные тепловые нагрузки, подчиняются закону нагревания идеального однородного тела. В данном случае с достаточной точностью можно считать, что тепло, рассеиваемое с поверхности машины S, пропорционально превыше­нии температуры поверхности (7.4). При неизменных потерях , выделяемых в объеме машины, дифференциальное уравнение нагревания, выражающее баланс энергии за время , будет иметь вид

, (7.9)

где — эквивалентная удельная теплоемкость машины, Дж/(кг· ° С); — масса машины, кг.

В установившемся режиме, когда достигнуто конечное превыше­ние температуры машины, все выделяемое тепло рассеивается в окружающую среду:

. (7.10)

или

.

Общим решением уравнения (7.5) при одномерном выделении теплоты будет

, (7.11)

где — начальное превышение температуры машины; — постоянная времени нагревания машины, равная .

---

При уравнение (7.11) соответствует процессу нагрева­ния при — процессу охлаждения. Кривые нагревания и охлаждения машины представлены на рис. 7.1 и 7.2. Если в процессе нагревания , то уравнение (7.11) принимает вид

. (7.12)

Рис. 7.1. Кривая нагревания машины

Рис. 7.2. Кривая охлаждения машины

Если при охлаждении конечная температура машины сравняется с температурой окружающей среды, то и уравнение охлаж­дения по (7.11) имеет вид

. (7.13)

При экспоненциальном законе нарастания температуру можно считать установившейся (в пределах точности до 5 %) через время . Согласно (7.10) ее значение составит

. (7.14)

Уравнение (7.6) позволяет рассчитать нагрев машины для большинства неустановившихся тепловых режимов [16, 17].

7.4. СТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Основными источниками выделения теплоты в электрической ма­шине являются обмотка, элементы магнитопровода и конструктивные элементы, в которых возникают потери от перемагничивания. Тепло выделяется и в скользящем контакте. Механические потери, в том числе и вентиляционные, также увеличивают нагрев машины.

На пути движения тепловых потоков от источников тепла происходит перепад температуры в активных частях машины, в изоляции и между охлаждающими поверхностями и охлаждающей средой. В теп­ловом расчете определяются все внутренние перепады и превышения температуры внешней поверхности охлаждаемых частей электриче­ской машины над температурой охлаждающего воздуха.

В практических расчетах часто ограничиваются определение среднего превышения температуры обмоток, т. е. допускают, что температура обмоток в стали пакетов статора (ротора) постоянна.

Для определения полного превышения температуры обмоток необходимо учесть подогрев охлаждающей среды, которая, поступая машину, воспринимает тепло от нагретых частей.

Повышение технического уровня новых серий электрических машин ставит задачу поиска оптимальных вариантов, основанных на весьма точных методах электромагнитного и теплового расчетов разрабатываемой машины. Поэтому с развитием электромашиност­роения совершенствуются и развиваются методы анализа и расчета тепловых процессов в машинах, более точно рассчитываются превышения температуры всех элементов машины.

Теплопроводность однородной стенки при отсутствии внутренних источников потерь. Количество тепла , проходящего через однородную стенку (изоляцию, воздушный зазор, проводник, лист стали и т.д.), пропорционально перепаду температуры стенки , площади стенки в плоскости, перпендикулярной движению теплового потока, и теплопроводности материала стенки и обратно пропор­ционально толщине стенки :

---

. (7-15)

Соответственно перепад установившейся температуры составит

. (7.16)

Введем понятие теплового сопротивления стенки , определяющего перепад температуры, аналогично электрическому сопротивлению вызывающему соответствующее падение напряжения в цепи:

. (7.17)

В многослойной изоляционной стенке суммарный перепад температуры равен сумме перепадов в отдельных слоях. Соответственно суммарное тепловое сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных слоев изоляции:

,

где — тепловое сопротивление n-го слоя стенки паза толщиной . Так как , то

(7.18)

Эквивалентная теплопроводность многослойной изоляционной стенки с общей толщиной равна

. (7.19)

Наличие воздушных прослоек в слоистой изоляции резко снижает результирующую теплопроводность изоляции. Для улучшения теплопроводности многослойной изоляции обмоток электрических машин и повышения ее электрической прочности предусматривают компаундирование обмоток специальными лаками и компаундами. Поэтому при выполнении тепловых расчетов электрических машин обычно используют эквивалентные значения теплопроводности, полученные экспериментальным путем для соответствующего класса изоляции (табл. 7.2).

Теплоотдача с поверхности. Отвод тепла охлаждающей средой с поверхности элементов машины определяется по формуле

, (7.20)

где — коэффициент теплоотдачи, зависящий от характера течения, скорости, физических свойств охлаждающей среды и от шероховатости поверхности охлаждения; — перепад температуры на поверхности охлаждения, °С; — площадь поверхности охлаждения м²

Выражение (7.20) по аналогии с электрической цепью можно представить в следующем виде:

, (7.21)

где — тепловое сопротивление поверхности нагретого тела.

Коэффициент теплоотдачи определяют экспериментально на натурных образцах или моделях. Результаты экспериментов обрабатывают и представляют в таком виде, чтобы формы уравнений для модели и реальной машины были одинаковыми. Эти уравнения совпадают, если вводятся критерии подобия. В тепловых расчетах электрических машин используются наиболее часто следующие крите­рии подобия.

1. Число Нуссельта

, (7.22)

где — коэффициент теплоотдачи; — характерный линейный размер; — теплопроводность охлаждающей среды, движущейся относительно рассматриваемой стенки.

Характерный линейный размер для каналов определяется как отношение площади сечения канала к его периметру . Этот параметр называется гидравлическим диаметром канала:

---

Смотрите также файлы

• Глава 8 Элементы конструкции и механические расчеты.doc

• ГЛАВА 9 Проектирование асинхронных машин.doc

• Глава 11 Проектирование машин постоянного тока.doc

• Глава 12 Системы автоматизированного проектирования электрических машин.doc

• Обложка.doc