11. Тепловой расчет

На первоначальной стадии проектирования достаточно достоверную оценку теплового режима двигателя дает приближенный метод тепло­вого расчета, основанный на упрощенном представлении о характере теп­ловых связей между элементами электрической машины. В нем исполь­зуют средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности и теп­лопроводности изоляции, характерные для определенной конструкции и технологии производства двигателей данного типа.

Для расчета нагрева асинхронных машин, спроектированных на базе серий 4А и АИ, могут быть взяты усредненные ко­эффициенты теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции в пазовой и лобовой частях обмоток.

Расчет нагрева проводят, используя значения потерь, полученных для номинального режима, но потери в изолированных обмотках статора и фазного ротора несколько увеличивают по сравнению с расчетными, предполагая, что обмотки могут быть нагреты до предельно допустимой для принятого класса изоляции температуры: при классе нагревостойкости изоляции В — до 120 °С, при классе нагревостойкости изоляции F — до 140°С и при классе нагревостойкости изоляции Н — до 165 °С. При этом коэффициент увеличения потерь k_p по сравнению с получен­ными для расчетной температуры составит для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости В k_p=₁₂₀/₇₅ = 1,15, для обмоток с изоля­цией класса нагревостойкости F k_p = ρ₁₄₀/ρ₁₁₅ = 1,07, для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости Н k_р = ₁₄₀/₁₁₅ = 1,45.

Электрические потери в обмотке статора делятся на потери в пазовой части Р_э.п1 и потери в лобовых частях катушек Р'_Э.Л1, Вт:

(11.1)

. (11.2)

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

, (11.3)

где ₁ – коэффициент теплоотдачи с поверхности, определяемый по рис.11.1 и 11.2 в зависимости от исполнения машины; К — коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду (принимают по табл. 11.1).

Таблица 11.1

Средние значения коэффициента К

Исполнение двигателя по способу защиты	Число полюсов двигателя 2р
	2	4	6	8	10	12
IP 44	0,22	0,20	0,19	0,18	0,17	0,16
IP23	0,84	0,80	0,78	0,76	0,74	0,72

в)

Рис. 11.1. Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности α₁ и подогрева воздуха α_В для асинхронных двигателей исполнения IP44:

а – при h < 160 мм; б – при h = 160 250 мм; в – при h280 мм

(для двигателей с продуваемым ротором)

а)

в)

Рис. 11.2. Средние значения коэффи­циентов теплоотдачи с поверхности α₁ и подогрева воздуха а_В для асин­хронных двигателей исполнения IP23:

а – при h=160250мм, U_HOM= 660 В; б – при h280 мм, U_НОМ660 В;

в – при U_НОМ = 6000В

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора, °С,

(11.4)

где П_П1 — расчетный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов (см. рис. 4.7, а):

(11.5)

(h_ПК, b₁, b₂ — размеры паза в штампе); для прямоугольных открытых и полуоткрытых пазов (см. рис. 4.6),

(11.6)

b_ИЗ1 – односторонняя толщина изоляции в пазу; для всыпной обмотки b_ИЗ1 берется по соответствующим таблицам (см. главу 4). Для обмоток из прямоугольного провода

, (11.7)

где n_эл и b — число и ширина неизолированных элементарных проводников, расположенных в одном слое по ширине паза; _экв — средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции; для классов нагревостойкости В, F и Н _экв=0,16Вт/(м · °С); '_экв – среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплотности прилегания проводников друг к другу; значение '_экв берется по рис. 11.3; для обмоток из прямоугольного провода в (11.4) принимают

Рис. 11.3. Средние значения коэффициентов теплопроводности _ЭКВ внутренней

изоляции в катушках обмотки из круг­лого эмалированного провода

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

(11.8)

где П_л1 — периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки; П_л1  П_п1; b_из.л1 — односторонняя толщина изоля­ции лобовой части катушки. При отсутствии изоля­ции в лобовых частях b_из.л1 = 0; '_экв для всыпной обмотки определя­ется по рис. 11.3. Для катушек из прямоугольного провода принимают h_п1/(12_ЭКВ)=0.

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.9)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.10)

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды определяется в предположении, что температура корпуса равна температуре воздуха внутри машины. При этом условии

(11.11)

где Р_В — сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт; α_В —коэффициент подогрева воздуха, Вт/(м²·°С), учитывающий теплоотдающую способность поверхности корпуса и интенсивность перемешивания воздуха внутри машины (см. рис. 11.1, 11.2); S_кор — эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м².

Для двигателей со степенью защиты IP23

(11.12)

где (11.13)

Р — сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме и расчет­ной температуре.

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м²,

(11.14)

Для двигателей со степенью защиты IP44 при расчете ΣР'_В не учитывают также мощность, потребляемую наружным вентилятором, которая составляет примерно 0,9 суммы пол­ных механических потерь:

(11.15)

где определяется по (11.13).

При расчете S_кор учитывают поверхность ребер станины:

(11.16)

где П_р— условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двига­теля; значение П_р может быть принято приближенно по кривой рис.11.4.

Р ис. 11.4. Средние значения периметра поперечного сечения ребер корпуса

асинхронных двигателей

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды, °С,

(11.17)

Из-за приближенного характера расчета  ₁ должно быть, по крайней мере, на 20% меньше, чем допускаемое превышение температуры для принятого класса изоляции.

Превышение температуры обмотки фазного ротора определяется аналогично в следующей последовательности.

Превышение температуры магнитопровода ротора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.18)

где α₂ — коэффициент теплоотдачи, определяемый по рис. 11.5 и 11.6;

P_Э.П2 — электрические потери в пазовой части обмотки ротора,

(11.19)

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки ротора,°С,

(11.20)

где П_П2 – периметр паза ротора.

Рис. 11.5. Средние значения коэффициента теплоотдачи с поверхности α₂

фазных роторов асинхронных двигателей с U_НОМ660 В:

а — при исполнении IP44 с продуваемым ротором; б — при исполнении IP23

Рис.11.6. Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности α₂ фазных ро­торов асинхронных двигателей с U_НОМ = 6000 В исполнения IP23

Для прямоугольных пазов

(11.21)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.22)

где Р_э.л2 — электрические потери в лобовых частях обмотки, В,

(11.23)

Перепад температуры в изоляции лобовых частей обмотки ротора,°С,

(11.25)

где П_л2 – периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки, П_л2 =П_п2; b_из.л2 – односторон­няя толщина изоляции лобовых частей .

Среднее превышение температуры обмотки ротора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,

(11.26)

Среднее превышение температуры обмотки ротора над окружающей средой, °С,

(11.27)