Контроль тепловых полей торцовых асинхронных электродвигателей малой мощности (80

В последнее время усилился интерес к торцовым асинхронным электродвигателям (ТАД), которые обладают рядом существенных преимуществ [1,2] перед двигателями традиционной цилиндрической конструк­ ции. Об этом свидетельствуют публикации в научно-технических журналах [3, 4] и патенты на

изобретения [5,6], посвященные как вопросам разработ­ ки конструкции, так и технологии производства машин этого типа.

Обзор литературы, однако, показал, что процессы нагрева в ТАД изучены недостаточно. Без решения этого важного вопроса невозможно широкое освоение и существенное расширение сферы применения ТАД.

Рис. 1. Конструкция опытной модели ТАД с указанием мест (1—28) установки датчиков измерения температуры:

О - датчики на магнитопроводах; < - датчики на обмотках; о - датчики на конструктивных элементах

Поэтому было проведено экспериментальное исследова­ ние нагрева небольшой модели торцового асинхронного электродвигателя мощностью до 1 кВт. На рис. 1 представлена конструкция оригинального ТАД [7] открытого исполнения с горизонтальным расположени­ ем оси. В ней реализуется принцип радиальной самовен­ тиляции. Система непосредственного охлаждения содержит: ротор с вентиляционными лопатками, заключенный в полую крышку с отверстиями; входные окна, образованные с одной стороны крестовиной статора, а с другой - крестовиной ротора. Кроме того, крестовина ротора также является нагнетательным элементом.

Самовентилляционная система охлаждения модели действует следующим образом (рис. 2). Охлаждающие воздушные потоки поступают внутрь корпуса машины с двух сторон: через отверстия, образованные крестови­ ной статора (на рис. 2 - слева), и через отверстия, образованные отверстиями крышки и крестовиной ротора (на рис. 2 - справа).

Воздушные потоки, поступающие в маши­ ну, вовлекаются во вра­ щательное движение лопатками вентилятора. При этом вследствие разряжения, созда­ ваемого лопатками вентилятора и кресто­ вины ротора, воздуш­ ные струи, находящиеся между магнитопроводом ротора и крышкой, а также между магнитопроводами ротора и

статора, продвигаются от оси вала к периферии, на их место поступают новые объемы холодного воздуха, в результате чего возникает непрерывное движение охлаждающих воздушных потоков по поверхностям тепловыделяющих элементов.

Несмотря на то что движение воздуха идет в ради­ альном направлении от оси машины к периферии, по отношению к обмоткам и плоским поверхностям магнитных сердечников статора и ротора ТАД это пример аксиальной вентиляции.

В модели измеряли температуру в различных точках по окружности машины и ее оси, по длине обмотки, на статоре и роторе, а также на конструктивных элементах при температуре окружающей среды 25 °С. С этой целью были установлены датчики (места установки датчиков указаны на рис. 1), в качестве которых использовались термопары хромель-копель (ТХК), подключенные к устройству контроля температуры УКТ-38. Измерения проводили на базе измерительной лаборатории ОАО "Мценский литейный завод" Орлов­ ской области.

По показаниям датчиков контролируют и определя­ ют температуру всех основных узлов электрической машины с достаточной для практики точностью.

Рис. 3. Изменение температуры обмотки статора и магнитопровода статора в радиальном направлении:

а - обмотка (точки 1-6); б - магнитопровод (точки 7-12)

На рис. 3, а представлено распределение температу­ ры в обмотке статора в радиальном направлении в шести точках обмотки статора:

точка 1 - верхняя внешняя лобовая часть обмотки статора;

точка 2 - верхняя пазовая часть обмотки статора; точка 3 - верхняя внутренняя часть обмотки статора; точка 4 - нижняя внутренняя часть обмотки статора; точка 5 - нижняя пазовая часть обмотки статора; точка 6 - нижняя внешняя лобовая часть обмотки

статора.

В ходе эксперимента наблюдался неодинаковый нагрев обмотки статора в верхней и нижней частях машины, причем верхняя половина нагревалась больше, чем нижняя.

Разность значений температуры между диаметрально противоположными точками, расположенными на верхних лобовых частях статорной обмотки, составляла примерно 11 °С, а между диаметрально противополож­ ными точками нижних лобовых частей - 9 °С, что примерно согласуется со значениями этих величин в двигателях традиционного исполнения.

Результаты измерений, представленные на рис. 3 а, также показывают, что имеет место неравномерность нагрева обмотки статора по длине витка по радиусу машины. Для верхней половины статора температура наружных лобовых частей (ближе к периферии машины) составляет 7^ = 68 °С, для внутренних (ближе к оси машины) Г3 = 99 °С, разность между значениями данных температур равна 31 °С. Температура средней части обмотки составляет Т2 = 92 °С.

Место максимального нагрева обмотки смещено к оси машины и расположено во внутренних лобовых частях машины. В этом существенное отличие ТАД от машин традиционного исполнения с аксиальной системой вентиляции с хорошо вентилируемыми лобовыми частями, у которых максимум нагрева приходится на пазовую часть обмотки.

Такая же зависимость наблюдается для нижней половины машины: Т6 = 78 °С, Т4 = 89 °С и Т5 = 87 °С. Разность между Т4и Т6равна 21 °С,т.е. ниже разницы Г з - ^ н а К Г С .

Разность значений температуры между диаметрально противоположными точками на верхних лобовых частях

П Р И Б О Р Ы , Т Е Х Н О Л О Г И И

статорной обмотки составляет примерно 11 °С, а между нижними частями — 9 °С.

Неравномерность нагрева обмотки статора вдоль радиуса обусловлена различными условиями теплооб­ мена. Благодаря лопаткам ротора в пространстве между наружными торцами магнитопроводов статора и ротора и крышкой наблюдается активное движение воздуха, вследствие чего происходит интенсивный отвод тепла от внешних лобовых частей обмотки статора.

Сердечник статора с одной стороны имеет относи­ тельно небольшую ширину кольца и, следовательно, небольшую длину пазовой части обмотки, но с другой стороны у сердечника статора большая площадь поверхности, открытая для охлаждающей среды, что обеспечивает активный отвод тепла от пазовых частей обмотки статора.

В области внутренних лобовых частей обмотки статора наблюдается больший нагрев, чем в области наружных лобовых частей. Пик максимальной темпера­ туры наблюдается лишь в точке 3. Это особенность конструкции ТАД, и она обусловлена ухудшением условий охлаждения из-за малого расстояния между медью проводников соседних катушек (на внутреннем диаметре магнитопровода статора), а также из-за недостаточного объема воздушных масс во внутренней части обмотки машины и невысоких скоростей их перемещения вблизи тепловыделяющих элементов.

На рис. 3, б представлена зависимость распределения температуры наружной поверхности магнитопровода статора вдоль диаметра в шести точках:

точка 7 - верхняя точка торца магнитопровода по диаметру Dt ;

точка 8 - середина магнитопровода (в верхней части); точка 9 - верхняя точка торца магнитопровода по

диаметру £>2; точка 10 — нижняя точка торца магнитопровода по

диаметру Dy,

точка 11 - середина магнитопровода (в нижней части);

точка 12 — нижняя точка торца магнитопровода по диаметру D2.

Из рис. 3, б видно, что распределение температуры на поверхности магнитопровода статора в радиальном направлении неравномерно. Температура магнитопро­ вода статора на периферии ниже, чем температура магнитопровода во внутренней области. Так, температу­ ра в верхней точке 7 магнитопровода составляет 52 °С, а температура в точке 9 - 6 7 °С. Температура по среднему диаметру равна 62 °С.

Максимум нагрева магнитопровода, так же как и максимум нагрева обмотки статора, сдвинут к оси машины. В этом заключается отличие распределения нагрева магнитопровода статора ТАД от характера распределения нагрева магнитопровода двигателя традиционного исполнения.

Из эксперимента следует, что разность температур между диаметрально противоположными точками статора 7 и 72, 8 и 11, 9 и 10 практически отсутствует.

Авторы полагают, что применение внутреннего вентилятора (7) позволит существенно снизить макси­ мальные нагревы обмотки и магнитопровода статора

Рис. 4. Распределение температуры:

а - на короткозамыкающих кольцах; 6-на поверхности магнитопровода ротора; точки 14,17- внешнее короткозамкнутое кольцо; точки 15,16 - внутреннее короткозамкнутое кольцо; точки 18,23- внешний торец магнитопровода; точки 20, 21 - внутренний торец магнитопровода

и уменьшить неравномерность распределения темпера­ туры по диаметру машины.

На рис. 4 показано распределение температуры короткозамкнутых колец ротора, а также распределения температуры на поверхности магнитопровода ротора.

Из рис. 4, а следует, что температура на внешнем кольце в точке 14 составляет 57 °С, а на внутреннем - в точке 15 - 52 °С, т.е. разность температур равна 5 °С. Нагрев колец сопровождается и нагревом стержней обмотки статора. Характер распределения температуры стержней вдоль радиальной координаты не совпадает с характером распределения температуры вдоль обмотки статора.

Рис. 4, б демонстрирует изменение температуры на поверхности магнитопровода ротора, причем темпера­ тура на внешнем торце в точке 18 составляет 55 °С, а на внутреннем - в точке 20 - 45 "С. Максимум нагрева магнитопровода ротора сдвинут в отличие от максиму­ ма нагрева магнитопровода статора не к оси машины, а к ее периферии и достигает небольшого значения в районе внешнего короткозамыкающего кольца. Это также является отличительным признаком по сравнению с распределением температуры по длине короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя традицион­ ного исполнения.

Такое неравномерное распределение температуры на поверхности ротора в радиальном направлении объясняется поступлением холодных потоков воздуха в машину ближе к ее оси, в результате чего они непо­ средственно омывают внутреннюю поверхность ротора, а также вращением ротора.

Представляет интерес распределение температуры на конструкционных деталях: крестовинах статора и ротора, валу (рис. 5):

точки 13 и 24 - наружная поверхность опорного стакана и наружная поверхность втулки ротора;

Условная координата

Рис. 5. Распределение температуры по конструктивным элементам ТАД вдоль горизонтальной оси

точки 25 и 28- концы вала; точки 26 и 27 - внешние поверхности крестовин

статора и ротора.

Из рис. 5 видно, что наблюдается неодинаковый нагрев левой и правой (по отношению к воздушному зазору) сторон машины. При этом больше нагревается левая сторона.

Указанная неравномерность распределения темпера­ туры вызвана неодинаковыми потерями в статоре и роторе и неодинаковыми условиями охлаждения.

Выводы

Приведенные экспериментальные зависимости темпера­ тур обмотки статора, магнитопроводов статора и ротора, а также конструктивных деталей позволяют выявить места наибольших перегревов в торцовой асинхронной машине небольшой мощности и могут служить основой при решении задач проектирования машин с улучшенными эксплуатацион­ ными характеристиками. Для контроля тепловых нагрузок двигателя достаточно следить за превышением температуры в узле, подверженном наибольшему нагреву, - верхней внутренней части обмотки статора (точка 3).

ЛИТЕРАТУРА

ЬБутА.Д. Бесконтактные электрические машины. М.: Высш. шк., 1985.252 с.

2.Паластин Л.М. Электрические машины автономных источников питания. М.: Энергия, 1972. 464 с.

3.Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т., Сидоров Е.Т. Совмещение электродвигателя с механизмом как один из элементов конструирова­ ния // Вестник машиностроения. 2000. № 7. С. 8-10.

4.Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т. К анализу напряженности магнитного поля некругового витка с током в однородной изотроп­ ной среде // Электричество. 2002. № 3. С. 58-63.

5.Пат. 20580555 RU, C6 Н02 К 5/16,17/00: Торцовая электрическая асинхронная машина / В.И. Загрядцкий, Е.Т. Кобяков // Бюл. 1966. №11.

6.Пат. 2140700 RU, 6H02 К/173, 5/16, 17/16: Торцовая электриче­ ская асинхронная машина / В.И. Загрядцкий, Е.Т. Кобяков, Е.Т. Си­ доров//Бюл. 1999. №30.

7.Загрядцкий В.И., Качесова Е.Я. Торцовый асинхронный электродвигатель. Заявка РФ на изобретение № 2002107256 от 21.03.02.