1.2. Общая характеристика физических процессов

тепловыделения и теплопередачи

Источники тепла электрической машины находятся главным образом в активных частях, т.е. в материале обмотки и пакетах стали. Но в образовании тепла могут также участвовать и неактивные, конструктивные материалы. Так переменные потоки рассеяния вызывают в стальных частях добавочные потери; благодаря диэлектрическим потерям, в изолирующих материалах также может выделяться заметная доля тепловой энергии.

Интересующее нас, прежде всего, распределение и уровень температур электрических машинах зависят в первую очередь от мощности источников тепла и их распределения. Благодаря теплопроводности и теплопередаче происходит также повышение температуры частей машины, не содержащих источников тепла.

При соприкосновении тел, условием возникновения теплообмена является разность температур рассматриваемых тел. В результате соприкосновения происходит обмен энергией движения структурных частиц, в результате которого интенсивность движения атомов и молекул более холодного тела возрастает, а более горячего убывает. Кроме этого теплообмен может происходить в результате перемещения объёмов среды, состоящих из большого числа молекул, а также за счёт электромагнитного излучения.

Таким образом, существуют три способа передачи теплоты: теплопроводность (кондукция), перемещение объёмов среды (конвекция), излучение (радиация).

При этом конвекция может быть естественной и вынужденной. При естественной конвекции жидкость или газ движется за счёт разности плотностей холодной и горячеё сред например в гравитационном поле; при вынужденной за счёт давления (напора) нагнетателя – насоса или вентилятора.

Таким образом, источниками тепловыделения в электрических машинах являются: активные части (обмотки, сердечники, подшипники, щёточно-коллекторный узел). Кроме этого тепловыделение происходит при трении вращающихся частей машины о среду внутри машины, сюда же входят и вентиляционные потери. Для правильного формирования теплового поля машины источники тепловыделения должны быть дополнены рациональной системой стоков теплоты.

Чтобы рационально разместить теплостоки, достаточно знать усреднённые во времени потери в конкретных частях машины. В ответственных случаях учитывают зависимость плотности потерь (тепловыделений) от координат.

Потери в электрических машинах делят на четыре группы:

электрические (в обмотках и щёточно-колекторном узле);

магнитные (на гистерезис и вихревые токи);

добавочные (в стали и обмотках);

механические (на трение и перемещение охлаждающей среды).

Основная часть потерь определяется в ходе электромагнитного расчёта и при анализе электрической машины как тепловой системы предполагается заданной.

Для достижения стационарного режима электрической машины система тепло источников дополняется системой стоков теплоты суммарные мощности, которых равны.

Сток теплоты обеспечивается в основном за счёт процессов теплопроводности и конвекции и осуществляется путём контакта границ тепловыделяющих элементов с охлаждающей (внешней) средой.

Очевидно, что при проектировании электрических машин оказываются связанными четыре вида расчетов: электромагнитный, тепловой и аэродинамический. В наиболее простом случае можно подойти к этим расчетам с единой позиции, проведя аналогию между электрическими, магнитными, тепловыми и гидравлическими цепями (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Аналогия между электрическими, магнитными, тепловыми

и гидравлическими цепями

Виды расчетных цепей
Электрические			Магнитные			Тепловые			Гидравлические
Наимен.	Обозн.	Ед.	Наимен.	Обозн.	Ед.	Наимен.	Обозн.	Ед.	Наимен.	Обозн.	Ед.
ЭДС	Е	В	МДС	F	А	—	—	—	—	—	—
Напряжение	U	В	Магн. напряж.	UМ	А	Разност. темпер.		С	Разност. давлен.	P	Па
Ток	I	А	Магн. поток	Ф	Вб	Теплов. поток	Р	Вб	Расход. жидкости	Q	м3/с
Электр. сопротивление		Ом	Магн. сопр.		А/Вб	Теплов. сопр.		С/Вт	Гидравл. сопрот.
Электр. сопротивление		Ом	Магн. сопр.		А/Вб	Теплов. сопр.		С/Вт	Гидравл. сопрот
Примечание:  – удельная электрическая проводимость материала, см/м;  – магнитная проницаемость, Гн/м;  – теплопроводность материала, Вт/(мС); L – длина стержня, м; F – сечение стержня, м2;  – коэффициент гидравлического сопротивления;  – плотность среды, кг/м3; S – живое сечение канала, м2.

Из этих выражений видно, чем больше расстояние между источником и стоком теплоты, чем больше термическое сопротивление, тем выше разность температур, а следовательно выше температура источника при фиксированной температуре стока. В случае конвективного сопротивления, чем больше поверхность, соответствующая границе системы тем меньше перепад температуры. Отсюда следуют принципы размещения теплостоков:

1. Теплосток разделяется на несколько стоков в соответствии с числом источников тепла;

2. Теплостоки размещаются в непосредственной близости от источников, избегая наличия между ними пассивных тел.

Другими словами, надо стремится к непосредственному контакту внешней среды с активными частями машины и другими тепловыделяющими элементами при максимальном развитии поверхности контакта.

Степень выполнения основного принципа размещения стоков теплоты определяет вид охлаждения электрической машины.

Вид охлаждения связан со степенью защиты машины. Например, степень защиты IP23 (IP22) допускает непосредственный контакт наружного воздуха с активными частями машины, а при степени защиты IP44 наружный воздух может омывать только оболочку машины. В первом случае имеем вид охлаждения непосредственный, во втором случае косвенный.

Охлаждающая среда и вид теплосъёма определяют способ охлаждения электрической машины. Если теплота отводится за счёт циркуляции жидкости или газа, то способ охлаждения называется конвективным.

Возможен комбинированный способ охлаждения машины.

Схема движения охлаждающей среды и способ его создания определяют тип системы охлаждения.

В машинах общего применения наиболее распространены две системы – радиальная и аксиальная (определяющий признак – направление движения охладителя относительно машины). По способу создания охлаждающего потока различают системы с самовентиляцией и системы с независимой вентиляцией.