2086

якоря создают одинаковый греющий эффект; потери в активной части сердечников отводятся их цилиндрической поверхностью, а потери в лобовых частях обмоток якоря отводятся цилиндрической поверхностью лобовых частей обмоток.

Коэффициенты теплопроводности основных материалов, употребляемых в электромашиностроении, приводятся в справочной литературе /1, с. 122/. В электрических машинах среда является неоднородной, например, изоляция паза, состоящая из нескольких слоев разных материалов. В таких случаях определяют эквивалентный коэффициент теплопроводности.

Коэффициенты теплоотдачи, определяемые как отношение теплового потока с единицы поверхности к перепаду температуры между поверхностью и охлаждающей средой, зависят от параметров охлаждающей среды (плотность, вязкость, теплопроводность), скорости движения, характера охлаждающих поверхностей.

Согласно учению о теплообмене различают следующие основные виды теплоотдачи:

теплоотдача при естественной конвенции для жидкостей и газов; теплоотдача при лучеиспускании; теплоотдача при принудительном движении жидкостей или газов; теплоотдача при испарении.

Коэффициенты, учитывающие все основные виды теплоотдачи, определяются с помощью безразмерных критериев теории подобия (критерии Рейнольдса - Re, Нуссельта - Nu, Прандтля - Pr). В машинах постоянного тока общего назначения охлаждающей средой является воздух. В этом случае, коэффициенты теплоотдачи определяются по приближенным формулам или по зависимостям в функции скорости охлаждающего воздуха или окружной скорости якоря, приведенным в методиках расчета /1, с. 370/.

Для приближенной оценки теплового состояния машины достаточно определить превышения температуры основных частей машины над температурой окружающей среды при выбранных электромагнитных нагрузках и определенных в ходе электромагнитного расчета геометрических размерах машины. Обычно рассчитывают средние превышения температуры обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационной, а также поверхности коллектора. Эти превышения температуры с учетом приближенного расчета должны быть ниже предельных допустимых значений, установленных ГОСТ 183-74 для каждого класса нагревостойкости изоляции /1, с. 120 - 121/, на (5 - 10) % .

Предельно допустимая температура частей электрических машин, рассчитанная как сумма допустимого превышения их температуры, взятого из стандарта, и температуры охлаждающей среды (40С) должна быть на 10С меньше, чем допустимая температура изоляционных материалов данного класса нагревостойкости /1, с. 32/. Это устанавливается в связи с

тем, что методы расчета, измерения или контроля температуры частей электрической машины позволяют либо зафиксировать температуру их отдельных нескольких точек (метод термометра и температурных индикаторов), либо определить среднюю температуру какой-либо части машины, например среднюю температуру ее обмотки или части обмотки (метод сопротивления).

При расчете средних превышений температуры активных частей машины необходимо сопротивления обмоток привести к предельно допустимым температурам для принятого класса нагревостойкости изоляции. Для этого сопротивления, определенные на рабочую температуру машины, необходимо умножить на коэффициент kт, который зависит от класса нагревостойкости изоляции: при классе В - kт = 1,15; при классе F

-kт = 1,07.

8.3.РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Нагрев машины должен соответствовать номинальному режиму работы, то есть нагрев конкретной электрической машины зависит от соотношения длительности периодов работы и пауз между ними или периодов работы с полной и частичной нагрузкой, от частоты включения машины и характера протекания переходных процессов. В соответствие с этим режимы работы электрических машин подразделяют на продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся.

Продолжительным режимом (S1) называют режим, при котором время работы машины при практически неизменных нагрузке и температуре охлаждающей среды достаточно для нагрева всех ее частей до практически установившейся температуры. Режим характеризуется практически неизменными потерями в течении всего времени работы машины.

Кратковременным режимом работы (S2) называют режим, при котором периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем за время работы температура частей машины не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз (отключения машины) машина охлаждается до практически холодного состояния, то есть практически до температуры охлаждающей среды. Установленная стандартом длительность периодов работы в данном режиме - 10, 30, 60 и 90 минут. Она должна быть указана в условном обозначении режима работы, например S2 - 30 мин, S2 - 60 мин.

Повторно-кратковременный режим отличается от кратковременного регламентированными продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения (пауз), причем время работы машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния.

Продолжительность включения устанавливается в процентах продолжительности одного цикла работы, включающего в себя время работы и время паузы. Продолжительность включения для всех повторнократковременных режимов (S3, S4, и S5) принята равной 15, 25, 40 и 60 % продолжительности одного цикла. В повторно-кратковременном режиме S3 продолжительность цикла установлена равной 10 мин.

В перемежающемся режиме периоды работы при определенных нагрузке и частоте вращения чередуются с периодами работы холостого хода двигателя (S6), или реверсами при электрическом торможении (S7), или с работой при другой частоте вращения (S8).

Нагревание и охлаждение машины при продолжительном режиме работы происходит по экспоненциальным законам с определенной постоянной времени нагревания. Постоянная времени нагревания Т пропорциональна полной теплоемкости тела, обратно пропорциональна полному теплорассеянию его поверхности и не зависит от теплового потока. Постоянная времени нагревания нормальных электрических машин составляет от 0,5 до 4 часов. Практически тело достигает установившегося превышения температуры за отрезок времени, равный четырем постоянным времени нагревания.

Нагрев рассматривается при определенных потерях мощности в отдельных частях машины и геометрических размерах активной части, которые известны из электромагнитного расчета. Из конструктивной схемы машины устанавливаются направления тепловых потоков и количество тепла, отдаваемого с охлаждаемых поверхностей. Определяются скорости воздуха, коэффициент теплопередачи и площади охлаждаемых поверхностей. Далее определяются перепад температуры в изоляции обмотки и превышение температуры охлаждаемой поверхности над охлаждающей средой. При этом необходимо учитывать средний подогрев самой охлаждающей среды при ее движении по каналам машины. Среднее превышение температуры обмотки над температурой поступающей в машину охлаждающей среды выражается суммой полученных величин

S1ср S1из S1пов S1воз .

Чтобы определить превышение температуры различных частей машины при кратковременном режиме ее работы, сначала определяют превышение температуры при условии продолжительной работы машины с заданной нагрузкой, а также устанавливают постоянные времени нагревания Т. Зная продолжительность кратковременного режима tS2, можно определить достигаемые в этом режиме превышения температуры по формуле

Полученные значения должны укладываться в пределы, указанные в стандарте для соответствующих частей электрической машины.

Нагревание машины при повторно-кратковременном режиме работы также оценивается на основании расчета превышения температуры различных частей машины при условии продолжительной работы машины с заданной нагрузкой при постоянной времени нагревания Т. При этом учитывается, что за время работы машина не успевает нагреться до установившегося состояния, а за время паузы - не успевает остыть до холодного состояния, но при каждом цикле работы нагревание идет параллельно соответствующим участкам кривой нагрева для продолжительного режима работы, а охлаждение - параллельно соответствующим участкам кривой охлаждения для продолжительного режима работы.

Спустя некоторое время (приблизительно 4·Т) режим работы практически устанавливается. Зная суммарное время включения tS3 за данный период, можно определить достигаемые в этом режиме средние превышения температуры по формуле

Полученные значения должны укладываться в пределы, указанные в стандарте для соответствующих частей электрической машины.

При проектировании электрических машин стремятся получить геометрические размеры, обеспечивающие возможно полную нагрузку машины в тепловом отношении при любом номинальном режиме работы.

Нагрев частей электрической машины может быть определен расчетным путем или экспериментально во время тепловых испытаний готовых машин. Измерение температуры частей электрической машины в процессе ее эксплуатации является способом контроля нормальной работы машины. Для учета влияний условий, в которых работают машины, стандарт устанавливает не абсолютную допустимую температуру ее частей, а превышение их температуры над температурой охлаждающей среды при определенном атмосферном давлении. Температура охлаждающей газообразной среды принимается равной 40°С, а давление регламентируется местом эксплуатации машины на высоте не более 1000 м над уровнем моря. Эти нормы обязательны для машин общего назначения. Для машин специального назначения они могут быть изменены в зависимости от ряда условий.

Когда температура газообразной охлаждающей среды отлична от 40°С, предельно допустимые превышения температур частей электрической

машины пересчитываются. При температуре охлаждающей среды выше 40°С (но не более 60°С) они должны быть уменьшены на разность между фактической температурой охлаждающей среды и 40°С. При температуре охлаждающей среды выше 60°С допустимые превышения температуры устанавливаются по согласованию с предприятием-изготовителем. При температуре охлаждающей среды ниже 40°С предельно допустимые превышения температур могут быть увеличены на разность между 40°С и фактической температурой охлаждающей среды, но не более чем на 10°С.

Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин, предназначенных для установки на высоте над уровнем моря, превышающей 1000 м, уменьшаются по сравнению с указанными в стандарте на 1°С на каждые полные или неполные 100 м сверх 1000 м при условии, что температура охлаждающей среды не превышает 40°С. Если же абсолютное давление в охлаждающей системе машины соответствует высоте над уровнем моря 1000 м и поддерживается постоянным независимо от высоты установки машины, то поправку к допускаемым превышениям температуры, зависящую от высоты установки машины над уровнем моря, не вводят.

8.4. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

Тепловые потери, возникающие в электрической машине, необходимо отводить для того, чтобы температура активных частей не превысила допустимых пределов. Как правило, для усиления отвода теплоты в машинах применяют искусственную вентиляцию, осуществляемую соответствующими устройствами, и только в закрытых двигателях постоянного тока малой мощности, достаточным оказывается естественное охлаждение.

Искусственную вентиляцию подразделяют на самовентиляцию, при которой охлаждение осуществляется вентилятором, размещенным на валу машины (или другими вентилирующими устройствами вращающейся части) и на независимую вентиляцию с подачей охлаждающего воздуха в машину вентилятором с приводом от отдельного двигателя. Система самовентиляции может быть радиальной и аксиальной. При радиальной самовентиляции охлаждающий воздух засасывается через торцевые окна обоих подшипниковых щитов , отбрасывается в радиальном направлении, омывая активные части машины, и выбрасывается через боковые окна станины. При аксиальной вентиляции охлаждающий воздух засасывается в машину через окна со стороны коллектора, движется параллельно оси машины и выбрасывается через окна, расположенные со стороны выходного конца вала. На валу с этой стороны находится вентилятор, засасывающий и

выбрасывающий воздух. Такая аксиальная вентиляция называется вытяжной.

У машин со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 внешняя поверхность машины обдувается вентилятором, расположенным на конце вала машины, противоположном выступающему концу. Вентилятор закрыт кожухом, направляющим охлаждающий воздух вдоль поверхности машины.

В двигателях постоянного тока применяют также независимую вентиляцию. У машин большой мощности независимая вентиляция осуществляется от постороннего источника с подводом воздуха по трубам (способ охлаждения IC17 или IС37). В машинах меньшей мощности распространено охлаждение от независимого вентилятора, расположенного на общей оси в одном блоке с регулируемым двигателем (IC06, IC0641). Главное преимущество независимой вентиляции - возможность регулирования частоты вращения двигателя вниз от номинальной при постоянном значении вращающего момента и улучшении энергетических показателей при регулировании частоты вращения вверх от номинальной.

Для машин с аксиальной вентиляцией применяют в основном центробежные вентиляторы с радиально расположенными лопатками, при которых производительность вентилятора не зависит от направления вращения машины. При вращении центробежного вентилятора воздух, находящийся между лопатками, отбрасывается центробежной силой к периферии вентилятора, а затем выходит наружу. При этом у входных отверстий вентилятора создается разрежение, а на наружном диаметре вентилятора создается давление.

Задача вентиляционного расчета сводится к определению двух величин: количества воздуха, необходимого для того, чтобы удалить из машины потери энергии, не дав подняться выше допустимых пределов температуре отдельных частей машины над температурой воздуха, входящего в машину для ее вентиляции, и необходимого давления воздуха, входящего в машину, для того чтобы обеспечить требуемый расход воздуха для вентиляции машины /1, с. 149 -150, 172 - 173/.

Зная указанные величины, можно сконструировать вентилятор для машины и определить мощность, необходимую на его вращение. При устройстве встроенного вентилятора эта мощность должна быть учтена в потерях машины при определении коэффициента полезного действия.

Необходимый расход воздуха у машин с аксиальной вентиляцией связан с величиной потерь, которые должны отводиться охлаждающим внутренние объемы машины воздухом. При этом учитывают, что через наружную поверхность отводится часть потерь обмоток главных и добавочных полюсов, которая определяется при исполнении IP22, IC01;

IP22, IC07; IP44, IC37 по формуле

Рнар = 0,1·(Рэв + Рэп + Рэд + Рэк) ;

при исполнении IP44, IC0040

Рнар = 0,3·(Рэв + Рэп + Рэд + Рэк) ;

при исполнении IP44, IC0141

Рнар = 0,4·(Рэв + Рэп + Рэд + Рэк) .

Тогда, потери, отводимые охлаждающим воздухом из внутреннего объема машины, составляют

Р Р Рнар .

Давление вентилятора связано с определением аэродинамических сопротивлений вентиляционного тракта машины. Эквивалентное сопротивление определяются либо по схемам аэродинамического замещения машины, что более точно, либо по зависимости эквивалентного аэродинамического сопротивления /1, с. 149/.

Действительный расход воздуха, который обеспечивает вентилятор, должен быть не менее необходимого расхода. Это служит критерием правильности расчета вентиляционной системы.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Ознакомиться с тепловыми процессами, протекающими в электрических машинах постоянного тока

Привести сопротивления обмоток машины к предельной температуре, соответствующей заданному классу нагревостойкости изоляции

Используя упрощенную методику расчета, определить превышения температуры отдельных частей машины

Сравнить полученные превышения температур обмотки якоря, обмоток возбуждения и добавочных полюсов и наружной поверхности коллектора с предельно допустимыми для данных частей машины

Произвести оценку теплового состояния основных частей машины при кратковременном или повторно-кратковременном режиме работы, если этого требует техническое задание Выполнить приближенный вентиляционный расчет

Уточнить значение коэффициента полезного действия электрической машины с учетом реальных потерь мощности на вентиляцию

При проведении расчетного проектирования в соответствие с данными технического задания определяются основные размеры машины и обмоточные данные. Полученные результаты проверяются методами теплового и вентиляционного расчета и составляют содержание расчетной записки, которая является основанием для конструирования машины. По расчетным данным, в которых указываются размеры активных частей и параметры всех обмоток, необходимо разработать конструкцию, отвечающую требованиям технического задания, надежную в эксплуатации и экономичную в изготовлении.

Цель раздела - изложить основные принципы конструирования электрических машин постоянного тока, дать рекомендации по разработке конструкции общего вида, узлов и деталей, показать конструктивные особенности основных элементов.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Почему при разработке конструкции машины необходимо учитывать требования технического задания Какие элементы конструкции входят в состав якоря

Какие элементы конструкции входят в состав индуктора Какие требования предъявляются к основным узлам и деталям со стороны технического задания

Как определяется ориентировочный вес проектируемой машины

Как влияют на конструкцию машины условия окружающей среды и эксплуатации

9.1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОБЩЕГО ВИД

Приступая к конструированию машины, необходимо выяснить из технического задания следующее:

исполнение машины в отношении числа и типа подшипниковых опор, положения вала, выполнения выходного конца вала и способа крепления машины к фундаменту;

данные о помещении, где машина должна работать, и способ защиты машины от воздействия окружающей среды, возможность доступа к ней для обслуживания, расположение выводов;

охлаждение машины - замкнутый или разомкнутый цикл вентиляции, применение воздухоохладителей.

Чем точнее будут оговорены эти требования, тем полнее они могут быть удовлетворены при разработке конструкции машины. Разумеется, что при конструировании необходимо хорошо знать условия эксплуатации машины для обеспечения максимальной надежности, удобства монтажа и обслуживания.

Таким образом, по расчетным данным, в которых указываются размеры активных частей и параметры всех обмоток, и вышеуказанным требованиям технического задания необходимо разработать конструкцию, надежную в эксплуатации и экономичную в изготовлении. Надежность в работе обеспечивается: прочностью всех деталей машины; электрической прочностью изоляции, исключающей ее пробой и образование токопроводящих мостиков, ведущих к снижению сопротивления изоляции; правильной конструкцией подшипниковых узлов.

Конструирование общего вида начинается с вращающихся частей машины: вала, сердечника якоря, коллектора и вентилятора. Имея конструкцию якоря, можно без особых затруднений определить габаритные размеры машины, так как размеры магнитной цепи определены в ходе расчетного проектирования.

При конструировании необходимо заботиться о том, чтобы конструктивные элементы машины занимали как можно меньше места и стремиться к максимальной унификации узлов. Но это стремление не должно ограничивать поиски нового и оригинального в конструкции проектируемой машины.

Ориентировочный вес проектируемой машины можно определить по приближенной формуле

где kg - весовой коэффициент, зависящий от конструкции машины (для машин общепромышленного применения kg = 6 8).

9.2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЯКОРЯ

Вал

Вал несет на себе все детали якоря. Он подвергается действию кручения от передаваемого или воспринимаемого вращающего момента, действию изгиба от веса посаженных деталей, магнитного натяжения, центробежных сил небаланса, натяжения ремня. В некоторых валах возникают также осевые усилия от реакции привода или приводного механизма. При конструировании и расчете вала все эти нагрузки должны быть учтены.

Конструирование вала начинается с определения диаметра выходного конца, необходимого для передачи максимального вращающего момента. Диаметры шеек вала под подшипники должны отличаться от диаметра вала на величину упорного выступа. Остальные осевые размеры подшипников и лабиринтных уплотнений определяются при выборе подшипников. Здесь надо иметь в виду, что диаметр вала со стороны, противоположной приводу, может быть меньших размеров и определяться не моментом, а допустимой нагрузкой на подшипник. Диаметры и длина ступеней вала между осями подшипников определяется из условий:

размещения между ними сердечника якоря с обмоткой, коллектора, вентилятора (для машин с самовентиляцией) и щитов с лабиринтными уплотнениями;

обеспечения достаточной жесткости вала, при которой рабочая частота вращения была бы удалена от критической частоты вращения.

При этом ступени вала по диаметрам следует выбирать по возможности таким образом, чтобы вал приближался по форме к балке, обладающей равным сопротивлением изгибу.

Правильно сконструированный вал должен удовлетворять следующим требованиям.

1.Вал должен быть достаточно прочным во всех своих сечениях, чтобы надежно выдержать все усилия не только при номинальном режиме работы, но и при перегрузках.

2.Критические частоты поперечных и крутильных колебаний вала должны быть достаточно удалены от рабочих частот вращения.

3.Жесткость вала должна быть такой, чтобы его прогибы не вызывали магнитной несимметрии.

Вал машины, находясь под воздействием переменного во времени изгибающего момента и постоянного или переменного крутящего момента, работает в условиях сложного напряженного состояния. Поэтому при

выборе марки стали необходимо знать следующие механические