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

Постоянные интегрирования Ch С2, С3 и С4 определя­ ются выражениями:

360

Среднее значение превышения температуры обмотки Ьтатора находится интегрированием уравнений (8-73)

принятых допущений была проверена измерениями тем­ пературных полей в защищенных асинхронных машинах; АМ-92/8, АМ-112/4 и АМ-112/4М (с подпазовыми кана­ лами), а также в двигателях серий АН и 4А.

Исследовалось влияние на распределение температу­ ры положения входных и выходных окон щитов. С ш> мощью термопар определялась температура в различных точках по окружности машин, по длине обмоток, по вы­ сотам паза, зубцов и спинки сердечника в верхней и ниж­ ней частях машин в роторе и корпусе. Измерения про­ изводились на различных нагрузках при установившемся тепловом режиме. Одновременно контролировался подо­ грев воздуха в машине, его расход по параллельным ветвям тракта, определялись составляющие греющих по­ терь, по которым проводилось сравнение измеренных и расчетных температур. Результаты измерений, представ­ ленные на рис. 8-22—8-29, свидетельствуют о значитель­ ной неравномерности нагрева машин в осевом и ради­ альном направлениях. При 1/D— 0,5-f-1,5 разница между

руктивных исполнений величина Тм . м а к с оказывается раз­ личной, а сечения максимального нагрева могут располагаться как в пазовой, так и лобовой части обмотки.

361

Осевая неравномерность нагрева обмоток статора обусловлена различными условиями теплообмена отдель­ ных ее участков, наличием зон активной теплоотдачи на концах лобовых частей и в местах выхода обмоток из сердечника статора. Это хорошо иллюстрируется прова­ лами в кривой нагрева в этих местах (рис. 8-23). Повы­ шенный нагрев в середине лобовых частей обмоток в ниж­ ней части машины объясняется тем, что витки в районе лобовых частей были очень плотно уложены друг к дру­ гу. Термопары закладывались между двумя соседними витками, которые затем с помощью клина плотно прижи­ мались друг к другу.

Отметим, что, когда верхние и нижние витки уклады­ ваются впритык друг к другу и пересекаются в середине лобовых частей, это значительно ухудшает их охлажде­ ние. Это явление было замечено также на крупных про­ катных машинах. Для улучшения охлаждения лобовых частей обмотки машины между витками необходимо со­ здать зазоры. Такая реконструкция лобовых частей об­ мотки якоря резко уменьшила нагрев лобовых частей обмоток [Л. 45].

Неодинаковый нагрев обмотки статора в верхней и нижней частях машины (верхняя часть машины нагрева­ ется больше, чем нижняя) является следствием асимме­ тричности входа и выхода воздуха в машине. Условие брызгозащиты порождает этот перекос температур. За­ висимость этого перекоса от положения входных и вы­

от исходного положения на 90, 180 и 270°. Как видно, существенное влияние на распределение температуры обмоток оказывает перераспределение потоков воздуха внутри двигателя. Неравномерность нагрева в диаме­ тральном направлении достигает 6—10 °С.

В опытах выявилась высокая эффективность подпазных каналов (рис. 3-13), которые позволяют значительно снизить температуру ротора и статора. Закрытие кана­ лов деревянными клиньями приводит к повышению тем­ пературы обмоток статора на 9—13°С (рис. 8-22) и тем­ пературы ротора на 15—23 °С (рис. 8-24).

Вопреки предположениям опыты показали, что рас­ пределение температур по высоте паза в высоконагруженных машинах, каковыми являются машины AM, при­ мерно равномерное (рис. 8-25). Температура изоляции

363

’C

wo

so

so

so

«SShESffi

на дне паза лишь на 1—3°С выше, чем под клином. В не­ которых машинах серии AM. зубцы нагреты больше, чем пазовая часть обмотки статора.

Нагрев спинки сердечника статора в радиальном на­ правлении также неравномерен. Температура поверхно­ сти спинки на 10—15 °С ниже, чем пазовая часть (рис. 8-27), что обусловлено большим радиальным те­ пловым потоком. Конвективное тепловое сопротивление

Рис. 8-27. Распределение температу­ ры в зубцах статора при различных положениях окон щитов (двигатель

АМ-112/4М).

364

приятия (развитые поверхности, увеличение скорости обдува, повышение степени турбулентности потока ит. п.), направленные на его снижение, существенно уменьшают нагрев обмоток.

Как и у закрытых машин с аксиальной вентиляцией (§ 7-6), положение максимально нагретого сечения об­ мотки в рассматриваемых машинах находится на рас­ стоянии, равном Ѵз—2/б длины пазовой части от края сердечника статора на выходе воздуха (рис. 8-26). Ха­ рактер распределения температуры по длине сердечника

изубцов примерно такой же, как и в обмотке (рис. 8-27

и8-28).

На тепловой режим ротора поворот щитов практиче­ ски не оказывает влияния, закрытие подпазовых каналов статора приводит к росту температуры в роторе на 15— 18°С (рис. 8-29). Нагрев ротора отличается большей сим­ метрией относительно середины машины, чем нагрев

365

равномерность, однако в пазовой части ротора радиаль­ ный градиент температуры оказывается небольшим. Зона вентиляционных каналов делит сердечник на две части, сильно отличающиеся по уровню нагрева (рис. 8-29).

8-6. Двухмерное распределение температуры

всердечнике статора асинхронных машин

собдуваемой и оребренной спинкой

При анализе нагрева асинхронного двигателя темпе­ ратура в сердечнике статора рассматривалась зависящей только от продольной координаты. Такое положение на­ блюдается в машинах с аксиальными каналами в зубцах и спинке (§ 7-6). В сердечниках, у которых отсутствуют аксиальные каналы, имеется существенный перепад тем­

дачу можно свести к решению уравнения Пуассона для пластины [Л. 198, 199]

где %х и Ху — коэффициенты теплопроводности поперек и вдоль пакета.

Расчетная схема представлена на рис. 8-30. Интенсив­ ность тепловыделения в спинке и зубцах различная и за­ дана в виде функции, претерпевающей скачок на линии

На торцевых поверхностях сердечника заданы гранич­ ные условия конвективного теплообмена

Хх~дТ■=аЛ г — &ів) при * = 0 ;

(8-79)

*АТ

—Яя-дзГ= а ,(7 ’ — &зв) при х = 1.

366

Для машин с обдуваемой спинкой граничным условием является условие конвективного теплообмена

а для оребренных машин — условие равенства темпера­ туры поверхности спинки, прилегающей к корпусу, тем­ пературе основания ребра Т0.р, увеличенной на перепад температуры в контактном слое между корпусом и спин­ кой,

Т%= Т0ф(х) + АТК.

Коэффициенты теплоотдачи си, си и аз и температура окружающего воздуха в соответствующих зонах сердеч­ ника рассчитываются предварительно из условий тепло­ обмена. В рассматриваемой задаче они принимаются из­ вестными.

Решение уравнения (8-77) при граничных условиях (8-79) — (8-81) можно записать в виде

Для машин с обдуваемой спинкой имеем;

367

-Т^ІГ*ъ- Т Г ( Ь - у)_

nnh2

X Ch- ДT“

где A2 = Xyl%x■Параметр | n в случае обдуваемой спинки является корнем ^уравнения

Для машин с оребренной спинкой Т0о, fn(y) и опре­

В приведенных выше уравнениях коэффициенты gn и ^2п являются коэффициентами разложения в ряд Фурье по cos (ппх/1) функций g(x) и Т2(х) соответственно, a Un

368

Рис. 8-31. Распределение температуры по длине и высоте в сердеч­ нике статора двигателя 4А-160М с обдуваемой спинкой.

и t3n — коэффициентами аналогичного разложения по

Численный анализ показал, что теплопоток от ротора к статору можно принимать равномерно распределенным по длине сердечника, закон возрастания температуры воздуха или корпуса по длине считать линейным и огра­

по высоте сердечника для двигателя 4А-160М с обдувае­ мой спинкой приведены на рис. 8-31, аналогичные кривые

проанализировать влияние различных факторов на на­ грев сердечника.