книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

Рис. 7-5. Развер­ нутая (а) и при­ веденная (б) экви­ валентные тепло­ вые схемы (на половину маши­

ны).

дечнике статора и ротора. Потери в меди обмоток ста­ тора передаются охлаждающему воздуху лобовыми

передаются по двум параллельным путям: 1 ) теплопро­ водностью через зазор к зубцам статора (/V ) с присое­ динением по пути потерь от пазовой части обмотки и собственных потерь в зубцах и спинке статора Ри.с + Рс, а со спинки и каналов сердечника статора к охлаждаю­ щему воздуху и 2 ) в каналы и затем через боковые поверхности бочки ротора. Тепловой поток по пути от меди к охлаждающему воздуху в районе лобовых частей встречает тепловое сопротивление изоляции лобовой части обмотки Ri, которое состоит из собственного со­ противления слоя изоляции У?и.л и поверхностного кон­ вективного сопротивления при отводе тепла с нагретой поверхности изоляции в охлаждающий воздух Ял.к. Коэффициенты теплоотдачи активных частей определя­ ются на основании опытных критериальных соотноше-

280

ний (гл. 3), величины скоростей при обдуве воздухом активных частей — из вентиляционного расчета (гл. 6).

В теле сердечника статора тепловой поток Рж.с+ Рс + + Р рі встречает на своем пути к внутреннему охлаждаю­ щему воздуху тепловое сопротивление изоляции обмо­ ток, зубцов и спинки стали статора и поверхностное сопротивление отводу тепла от наружных поверхностей спинки статора в поток охлаждающего воздуха і?2.

К основным потерям в стали статора добавляются добавочные потери в сердечнике Рпь а к потерям в меди ротора— добавочные потери Яд2 и потери от гистерезис­ ного скачка 2Рг2. Суммарные потери для расчета подо­ грева среды определятся по (1-15). Опытные исследова­ ния показывают, что температура статора ниже темпе­ ратуры ротора. Поэтому принимается, что поток тепла

ротора мало (вентиляционные каналы размещены до­ вольно близко к зубцовой зоне и в спинке) и через спин­ ку проходит небольшой тепловой поток, можно принять перепад температуры в стали ротора равным нулю.

Отметим, что при составлении ЭТС необходимо при­ держиваться следующего основного правила: начало тепловых ветвей должно находиться у соответствующих источников тепла и заканчиваться в общей точке, имею­ щей температуру входящей охлаждающей среды (в рас­ сматриваемом двигателе-—температура наружного воз­

(рис. 7-4), лобовые части на входе и на выходе воздуха имеют различную температуру изоляции, а тепло отво­ дится внутренними и наружными поверхностями лобо­ вых частей обмотки, которые, строго говоря, обдуваются воздухом, имеющим разные скорости, и, следовательно, охлаждаются с различными значениями а. «Корзинка» лобовых частей обмотки обдувается сверху воздухом, который нагнетается вентилятором в центральный канал между пакетами и оттуда через вентиляционные каналы поступает к лобовым частям. Однако измерение распре­ деления коэффициентов теплоотдачи [Л. 36] в лобовых частях показало, что отличие их на внутренней и наруж­ ной поверхностях несущественно и поэтому при расчете

281

общего теплового поверхностного сопротивления в круп­ ных машинах рекомендуется определять на основании обобщенной зависимости (3-32).

Очень важным обстоятельством для уточнения расче­ та является выбор обдуваемой поверхности лобовых частей. В зависимости от размеров машин коэффициент обдува лобовых частей, представляющий собой отноше­ ние хорошо обдуваемой поверхности ко всей поверхности лобовых частей, является различным. Наши опыты и рас­ четы показали, что этот коэффициент для рассматривае­ мого класса машин &0бд=0,8-4-0,85.

Общее тепловое сопротивление лобовых частей со­ стоит из параллельно соединенных кондукционного и конвективного сопротивлений

где R'i и R"1 —тепловые сопротивления лобовых частей на входе и выходе воздуха в машину. Величина R'i рас­ считывается по формуле

(7-34)

Формула для сопротивления R'\ аналогична.

При определении кондукционного теплового сопро­ тивления [первое слагаемое в (7-34)] размеры стержня (h и а) берутся без учета толщины корпусной изоляции би.л* При определении конвективного теплового сопро­ тивления (второе слагаемое) ft и о( определяются с уче­ том толщины корпусной изоляции. При нахождении R"і теплофизические данные для воздуха определяют при

стенки толщиной би.п с неизбежным воздушным зазором между стержнем и зубцом 6В, через которую проходит тепловой поток от потерь в проводниках:

282

Если изоляция состоит из т слоев различных мате­ риалов, то тепловые сопротивления слоев суммируют­ ся, т. е.

Для различных композиций корпусной изоляции дан­ ные по коэффициентам теплопроводности следует выби­ рать из таблиц в гл. 2 .

Т е п л о в о е с о п р о т и в л е н и е с т е р ж н е й о б ­ м о т к и с т а т о р а в о с е в о м н а п р а в л е н и и RM„ для перехода тепла из пазовой части в лобовую необхо­ димо рассчитывать для двух участков — участка k + k и участка k + h на рис. 7-4 — на основании формулы (7-23). При параллельном соединении тепловых сопро-

раллельно-последовательных включенных сопротивлений

и в зубцах, сопротивление подпазных каналов и сопро­ тивление торцов сердечника. Эти сопротивления склады­ ваются из сопротивления в твердых стенках и конвектив­ ного сопротивления и рассчитываются по формулам:

283

диаметры каналов; Dc2, Dc3— диаметры расположения рядов каналов в сердечнике; пс2, псз— число теплоот­

каналах; £ст=0,92-нО,95 — коэффициент заполнения па­ кета статора; ЛСт и Аст.п — коэффициенты теплопровод­ ности пакета сердечника статора вдоль листов и поперек листов.

тивление в плоской стенке толщиной h2 и h3 с равномер­ но распределенными источниками (потери в спинке ста­ тора), причем

Коэффициенты теплоотдачи от поверхности спинки сердечника статора к охлаждающему воздуху, текущему в зазоре между спинкой и корпусом, определяется из критериальных соотношений (3-20) и (3-21), а в осевых каналах и на боковых поверхностях сердечника — по со­

где ß=l,2H-l,25.

284

Т е п л о в о е с о п р о т и в л е н и е п о в е р х н о с т е н к а н а л о в и т о р ц о в р о т о р а R3 состоит из четырех параллельно-последовательно соединенных сопротивле­

использована окружная скорость ротора.

Т е п л о в ы е с о п р о т и в л е н и я в о з д у х о о х л а ­

Я'охл=- ^охл^охл

Здесь SKOpib S4 i, S ^ S oxn— теплоотдающие поверх­ ности корпуса, щитов и труб теплообменника. Коэффи­ циенты теплоотдачи для наружных поверхностей необдуваемого корпуса и одного щита можно принять равными 16—20 вті(м2-°С). Для щита, обдуваемого наружным вентилятором, коэффициент теплоотдачи рас­ считывается по формуле (3-23). Коэффициент теплопе­ редачи Аохл определяется из расчета воздухо-воздушно­ го теплообменника (см. гл. 5).

285

Решение схемы ЭТС. Превышения температуры актив­ ных частей и отдельных теплоперепадов определяются из тепловой схемы (рис. 7-5). Превышение температуры пазовой части обмотки статора над температурой воз­ духа, входящего в машину, очевидно, можно определить как сумму отдельных перепадов температуры на сопро­ тивлениях Rи.п и R2 или как сумму перепадов темпера­ туры на сопротивлениях RMa и Rh увеличенную на сред­ ний подогрев воздуха в машине. Аналогично определяет­ ся превышение температуры ротора.

Итак, превышения температуры пазовой и лобовой частей обмотки статора и превышение температуры ротора определяются соотношениями:

А Т м.п = ІД 7'м а + АТм.я +АТ0ХЛ = Рм o,Rmo -j-

286

Рассчитав тепловые сопротивления и тепловые пото­ ки, находим превышения температуры отдельных эле­ ментов по отношению к температуре охлаждающего воз­ духа на входе в машину.

Расчет проверяется сопоставлением температур, по­ лученных по двум тепловым ветвям. Они должны быть равными.

Расчеты и опыты показывают, что основная погреш­ ность может быть вызвана неточным заданием количе­ ства и местоположения греющих потерь. Расчетные зна­ чения потерь иногда отличаются от экспериментальных, полученных с разделением по ГОСТ 183-66.

Суммарные потери в асинхронных двигателях скла­

ся согласно ГОСТ в размере 0,5% забираемой мощно­ сти). Температуры, рассчитанные по этим составляющим потерям, получаются заниженными. Исследования пока­ зали (см. гл. 1 ), что в сердечнике статора имеются существенные добавочные потери Рдь а в короткозамк­ нутом роторе —РД2, которые в сумме могут составлять 1,5—6 % забираемой мощности, т. е. превышают в 3— 12 раз регламент ГОСТ. Если тепловой расчет прово­ дить по потерям, полученным из опыта, то расхождение между температурами — измеренной по сопротивлению и рассчитанной по формуле (7-54)— лежит в пределах точности эксперимента.

Для определенности распределения греющих потерь в машинах к ротору относят потери в проводниках рото­ ра (в меди) плюс все поверхностные и пульсационные потери Яд2, а также потери на гистерезисный скачок 2Ртг) к статору — потери в меди его обмоток Рмі и поте­ ри в стали сердечника статора (основные Роі и добавоч­ ные Р д і ) .

Механические потери состоят из потерь в подшипни­ ках, потерь от трения в зазоре и мощности на привод вентиляторов. Из этой группы механических потерь толь­ ко потери на трение бочки ротора и мощность на привод внутренних вентиляторов являются греющими потерями и поэтому включены в эквивалентную тепловую схему составляющей Рмех.вн- Остальные механические потери (подшипники и наружный вентилятор) учитываются только при подогреве воздуха в наружном тракте (теп­ лообменник).

287

Сравнение расчетных и опытных температур. Приведем пример

(66,73) °С. Экспериментальное значение средней температуры обмот­ ки, измеренной по сопротивлению, равно 56 °С (рис. 7-4), а значение максимальной температуры обмотки 61,5 °С. Методика расчета рас­ пределения температур излагается в § 7-6.

Д л я п р о в е р к и и о п ы т н о г о о б о с н о в а н и я п р и н и м а е м ы х

в р а с ч е т д о п у щ е н и й н а м и б ы л и п р о в е д е н ы э к с п е р и м е н ­ т а л ь н ы е и с с л е д о в а н и я т е м п е р а т у р н ы х п о л е й и г р е ю щ и х п о т е р ь в ч е т ы р е х о п ы т н ы х м а ш и н а х с е р и и « У к р а и н а » м о щ н о с т ь ю 5 0 0 , 6 3 0 , 1 0 0 0 и 1 2 5 0 кет, р а з р а б о т а н н ы х

Х Э М З с о в м е с т н о с О Л А Т Э М А [ Л . 1 1 8 , 1 1 9 , 3 1 3 , 3 2 2 ].

Р а с п р е д е л е н и е т е м п е р а т у р ы п о о к р у ж н о с т и м а ш и н ы , п о

д л и н е о б м о т о к и в ы с о т е п а з а и н а к о р п у с е о п р е д е л я л о с ь с п о м о щ ь ю т е р м о п а р п р и р а з л и ч н ы х н а г р у з к а х н а у с т а ­

н о в и в ш и х с я т е п л о в ы х р е ж и м а х . О д н о в р е м е н н о к о н т р о ­ л и р о в а л с я п о д о г р е в в о з д у х а в м а ш и н е , е г о р а с х о д п о

п а р а л л е л ь н ы м в е т в я м т р а к т а и и з м е р я л и с ь г р е ю щ и е п о т е р и , п о к о т о р ы м в м е т о д и к е т е п л о в о г о р а с ч е т а п р о ­

в о д и л о с ь с р а в н е н и е и з м е р е н н ы х и р а с ч е т н ы х т е м п е р а т у р .

Д а н н ы е , п о л у ч е н н ы е д л я н а и б о л е е х а р а к т е р н ы х т е п л о ­

в ы х р е ж и м о в р а б о т ы м а ш и н , н е о б х о д и м ы е д л я к о р р е к ­

т и р о в к и м е т о д о в т е п л о в о г о р а с ч е т а , п р е д с т а в л е н ы н а

р и с . 7 - 4 и 7 - 6 . О с е в а я н е р а в н о м е р н о с т ь н а г р е в а о б м о т о к

с т а т о р а о б у с л о в л е н а р а з л и ч н ы м и у с л о в и я м и т е п л о о б м е ­

н а , н а л и ч и е м з о н а к т и в н о й т е п л о о т д а ч и н а к о н ц а х л о б о ­

в ы х ч а с т е й и в м е с т а х в ы х о д а о б м о т о к и з с е р д е ч н и к а

с т а т о р а , ч т о х о р о ш о и л л ю с т р и р у е т с я п р о в а л а м и н а к р и ­

в о й н а г р е в а в э т и х м е с т а х . Р а с п р е д е л е н и е т е м п е р а т у р ы п о в ы с о т е п а з а т а к ж е н е р а в н о м е р н о е . И з о л я ц и я н а д н е п а з а п р и н о м и н а л ь н о й н а г р у з к е м а ш и н ы и м е е т т е м п е ­ р а т у р у н а 8 — 1 0 ° С н и ж е , ч е м п о д к л и н о м и м е ж д у с е к ­ ц и я м и . Э т о о б ъ я с н я е т с я о х л а ж д а ю щ и м д е й с т в и е м с е р ­ д е ч н и к а , и м е ю щ е г о х о р о ш о в е н т и л и р у е м ы е о с е в ы е к а н а ­ л ы . В т е п л о в о м р а с ч е т е н а д о у ч и т ы в а т ь э т о т п е р е п а д

288

т .

Рис. 7-6. Распределение температуры по высоте паза статора элек­ тродвигателей «Украина» 12-го (слева) и 13-го (справа) габаритов.

о т н о ш е н и е м а к с и м а л ь н о й т е м п е р а т у р ы о б м о т к и Л Г м ан с к с р е д н е й А Г м .Ср. А н а л и з о п ы т н ы х к р и в ы х п о к а з ы в а е т ,

ч т о п р и а к с и а л ь н о й с и с т е м е в е н т и л я ц и и м а к с и м а л ь н о

н а г р е т о е с е ч е н и е о б м о т к и с т а т о р а н а х о д и т с я н а р а с с т о я ­ н и и Уз— 2/ 5 д л и н ы п а з о в о й ч а с т и о т к р а я с е р д е ч н и к а с т а ­ т о р а н а в ы х о д е а к с и а л ь н о г о п о т о к а и з к а н а л о в ( р и с . 7 - 4 ) .

Н и ж е б у д е т р а с с м о т р е н о а н а л и т и ч е с к о е в ы р а ж е н и е д л я о п р е д е л е н и я м е с т о п о л о ж е н и я т о ч к и м а к с и м а л ь н о н а г р е ­ т о г о с е ч е н и я о б м о т к и .

н е е к о н с т р у к ц и я и л у ч ш е и с п о л ь з у ю т с я к о н с т р у к ц и о н н ы е

и э л е к т р о т е х н и ч е с к и е м а т е р и а л ы .