книги / Проектирование электрических машин

ной

вентиляцией

получаем:

ности

воздуха

(см. табл.

Я с .р =

1________

5-2).

I/Run

По

значениям (5-43) и (5-45)

1/Лцар

____1________

(5-45)

определяется

полное тепловое со­

■^нар +

®вн Son

противление Rс

при

радиальной

вентиляции:

где

осНПр — коэффициент

теплоот­

1

дачи

внешней

(наруж­

Rc =

(5-50)

ной)

поверхности

паке­

1/Яс,+ 1/Яс.р

тов

магннтопровода

В машинах с аксиальной венти­

при радиальной

венти­

ляцией тепловой

поток

передается

ляции

(направление

в общем случае тремя

параллель­

струй воздуха от центра

ными

путями:

через

аксиальные

Из значения критерия Нуссельта

R6 = - 4 — .

(5-54)

(5-47) по (5-19) определяют:

а&s&

а'б = (Nu] - А - ,

(5-49) где

а д берется по

(5-49);

где Я = 0,00026

Вт/(°С • м) — ко­

5б — теплопередающая

по­

верхность

воздушного

эффициент

теплопровод­

зазора, м2«

ханические

потери

в

подшипниках

где акор берется по рис. 5-2 с уче­

машины

(за

исключением потерь

том

уменьшения

скорости

воздуха

на внешний вентилятор). Тепловые

на 40—60%

вследствие отклонения

сопротивления

Rm, Rap, /?л, Яс оп­

воздушных струй,

создаваемых

на­

ределяются

аналогично

предыду­

ружным вентилятором

машины при

щему. Сопротивление

R».Mp харак­

отсутствии

колпака,

закрывающе­

теризует

перепад

температур

ftD—

го ребра. При наличии экранирую­

Фкор

между

нагретым

внутренним

щего колпака скорость воздуха оп­

воздухом

и

корпусом, сопротивле­

ределяется из

вентиляционного

ра­

ние

Якор — перепад

температуры

счета.

Коэффициент теплоотдачи

боко­

вой

поверхности

подшипникового

щита со стороны вентилятора а ' гр

может быть выбран по скорости

обдува. Боковая

поверхность

под­

шипникового щита с противополож­

ной стороны

вентилятора

охлажда­

ется хуже, а'ор может быть взято

равным

коэффициенту

а

для

спо­

койного

воздуха

из табл. 5-4.

Ре­

зультирующее тепловое сопротивле­

ние

Якор

определяется

с

учетом

суммирования

тепловых

потоков с

поверхностей

S'Kop,

S’KOp

и

SK"op ,

Рис. 5-7. Тепловая схема замещения закры­

имеющих коэффициенты теплоотда­

той обдуваемой машины.

чи «™Р’

“кор

И

“ кор-

корпуса

относительно

средней

тем­

акор -^кор

акор *-*кор "Ь акор -^кор

пературы охлаждающего наружного

воздуха.

(5-60)

По

(5-18) значение

Яп.кор =

1/ottSo.Kop*

(5-58)

Тепловая

схема

замещения

на

где а

определяется

по

(5-29) и

рис. 5-7 содержит 11 неизвестных,

определяемых

из

11

уравнений.

табл. 5-4 при

коэффициенте

Л0 =

Окончательные

расчетные формулы

=0,074-0,05;

для

превышений

температур

об­

<5в,кор — внутренняя

поверхность

мотки и магнитопровода получаются

корпуса,

омываемая

воздухом,

громоздкими

и неудобными

для ра­

включает свободную от магнито-

счета.

асинхронных

машинах

малой

провода

статора внутреннюю

ци­

В

линдрическую часть корпуса и две

и средней мощности

(до

250

кВт)

внутренние торцевые части подшип­

температура

пазовой части обмотки

никовых щитов, м2.

RKор

Оп отличается от температуры лобо­

Тепловое

сопротивление

вых частей Эл незначительно. В теп­

определяется

наружной

теплорас­

ловой схеме на рис. 5-7 это означа­

сеивающей

поверхностью

корпуса,

ет отсутствие теплового

сопротив­

большая часть которой относится к

ления Япр. Приняв Япр=0, получим

оребрениой

поверхности, а меньшая

упрощенную

тепловую

схему заме­

включает боковые поверхности под­

щения

закрытой

асинхронной

ма­

шипниковых

щитов.

Коэффициент

шины (рис. 5-8) с шестью неизвест­

теплоотдачи

оребрениой

поверхно­

ными.

шести

уравне­

сти определяется с учетом коэффи­

Решение системы

циента kpc6

[см. (5-30)];

ний

с

шестью

неизвестными

дает

(5-59)

следующие

расчетные

формулы

« к о р - ^ р е б а кор.

среднего

превышения

температуры

Ниже

приводятся

упрощенные

где окружная

скорость

якоря,

м/с,

формулы теплового расчета для от­

va =

яЯп/60;

(5-68)

дельных видов машин.

при аксиальной вентиляции

а)

Машины

постоянного тока

®р = 22 (1 +

0,1овен),

(5-69)

Якорная

обмотка.

1.

Перепад

где окружная скорость вентилятора,

температуры

в

изоляции

якорной

м/с,

обмотки, °С,

°веи = я£>вен л/60

Л0,„ =

,

(5-66)

фвси — внешний

диаметр вентиля­

где

А — линейная нагрузка

яко­

тора, м).

Подставив

(5-67)

и

(5-68)

в

ря, А/м;

(5-16),

найдем

искомое

превы­

J — плотность тока в обмот­

шение температуры,

°С,

ке якоря, А/м2;

ЛОпо»

=

?«/«..

(5-70)

k} — коэффициент увеличения

потерь в обмотке;

3.

Превышение

температуры

t — зубцовое деление, м;

внешней поверхности

лобовых

час­

&„3— толщина

изоляции, м;

тей обмотки

якоря

над

температу­

Я — периметр паза, м;

рой охлаждающего

воздуха. Значе­

р0

— удельная

проводимость

ние ДОл находят по

(5-16).

Удель­

меди из табл. 4-1.

ный тепловой поток qn внешней по­

2.

Превышение

верхности

лобовых

частей,

Вт/м2,

температуры

только

потерями

в

внешней

поверхности

якоря

над

определяется

них.

Учитывая,

что

аксиальная

температурой охлаждающего

воз­

длина

внешней

охлаждаемой

по­

духа рассчитывают по (5-16). Пред­

верхности

лобовых

частей,

укреп­

варительно

определяют

удельный

ленных

на

обмоткодержателях,

тепловой

поток qa, Вт/м2,

приходя­

уменьшится по сравнению с длиной

щийся на единицу внешней цилинд­

лобовой части 1Л полувитка

в отно­

рической

поверхности

якоря, вклю­

шении

/л/2/„,

где

/в — односторон­

чая при

аксиальной вентиляции по­

няя длина

вылета

лобовых

частей,

верхность аксиальных вентиляцион­

получим:

ных каналов:

«7л =

1,4А//у*.

(5-71)

Яс

Р*AJkf _|_

(■+^)

Коэффициент теплоотдачи

а„ =

30(1 +

0,1и),

(5-67)

где v — окружная

скорость

якоря

при

радиальной

вентиляции

пли

вентилятора

при

аксиальной

венти­

где

D — диаметр якоря, м;

ляции,

м/с.

Превышение

температуры

по­

тк — число

аксиальных

вен­

верхности лобовых частей над тем­

тиляционных

каналов;

пературой

охлаждающего воздуха

d„ — диаметр

аксиального

составит, °С.

вентиляционного

кана­

Д$л =

<7лЧ-

(5-72)

ла, м;

Zj — длина якоря, м.

4.. Среднее превышение темпера­

При радиальной вентиляции при­

туры обмотки якоря (5-65),

°С,

нимается

дф

^

(Абнэ +

АФдопа)Vt ~Ь

nnd„ —0.

°

А + Z.n

(5-73)

Коэффициент

теплоотдачи

а0,

Обмотка

возбуждения.

Превы­

Вт/(м2-°С), в формуле (5-16):

при радиальной вентиляции

шение

температуры

обмоток

воз­

буждения

слагается

из

перепада

а» =

66(1 + 0 ,1 о в),

температур

внутри

катушек

воз-

буждения и между внешней поверх­

б)

Асинхронные машины

ностью

катушек

и

охлаждающим

Статорная обмотка.

1. Перепад

воздухом.

Определение

перепада

температур

в толще

катушек

воз­

температур

в

изоляции

статора

буждения,

выполняемых

обычно из

Д-0,и рассчитывается по

(5-66).

ряда

слоев,

представляет

большие

2.

Превышение

температуры

трудности. Для большинства машин

внешней

поверхности

статора

над

нормального

исполнения

можно

температурой

охлаждающего

воз­

принять

на

основании

опыта,

что

духа. В

асинхронных

машинах

за

охлаждаемую

поверхность

статора

при

радиальной

вентиляции

услов­

но принимают поверхность по внут­

реннему диаметру

статора D,

а при

аксиальной

вентиляции

—

наруж­

ную поверхность по внешнему диа­

метру статора Da.

Соответственно

расчетные

формулы для

удельного

Рис. 5-9. Теплорассеивающая поверхность

теплового

потока,

Вт/м2, приходя­

щегося

на

единицу охлаждаемых

катушки

возбуждения

(периметр

поверх­

ности показан пунктиром).

поверхностей

статора,

принимают

следующий

вид:

перепад

температур

внутри

много­

для машин с радиальной венти­

слойных

катушек

составляет

около

ляцией

25%

превышения

температуры

- AJk<-1- pci + 0.5Рдоо

.

77ч

внешней

поверхности

над

темпера­

То

nDi,

’ *

'

турой охлаждающего

воздуха.

для машин с

аксиальной

венти­

Удельный тепловой поток, Вт/м2,

ляцией

приходящийся

на

единицу

тепло­

рассеивающей

поверхности

кату­

^ =

р.»АЛ*,Р +

л с1 + о,5Р ;1со

шек,

определяется

потерями

в

об­

nDa /j

,(5-78)

мотке возбуждения Рэ,в и площадью

где

Рс1 — потери

в стали статора

SB этой

поверхности:

при холостом

ходе,

Вт;

Яъ=

P*,JSb.

(5-74)

Рдоб — добавочные

нагрузоч­

Если принять коэффициент теп­

ные

потери.

Принято,

лоотдачи

поверхности,

Вт/(°С*м2),

что

добавочные

нагру­

а , =

5(1

+ 0 ,7 ] / ^ ) ,

(5-75)

зочные

потери, состав­

ляющие для

асинхрон­

то площадь

SB должна

быть

рас­

ных

машин

0,5%,

рас­

считана

как

среднее

арифметичес­

пределяются

поровну

кое площади

поверхности,

омывае­

между

статором

и ро­

мой воздухом, и поверхности тепло­

тором.

излучения,

показанной

пунктиром

Коэффициент

теплоотдачи,

Вт/

на рис. 5-9.

/(°С -м2), охлаждаемой поверхности

Среднее

превышение

температу­

статора

ры обмотки

возбуждения,

°С.

а„ =

а 0(1 + 0 , 1 о),

(5-79)

ДОп =

qJaD.

(5-76)

где

а 0= 6 6 — для

радиальной

вен­

Формула

(5-76)

пригодна

как

тиляции;

а 0 =

3 3 — для

аксиальной

для обмоток

возбуждения

главных

вентиляции;

полюсов,

так

и для

многослойных

v — окружная

скорость

ротора

обмоток добавочных

полюсов.

при

радиальной

вентиляции

и вен­

Коллектор. Превышение

темпе­

тилятора

при

аксиальной

вентиля­

ратуры

внешней

поверхности

кол-

ции,

м/с.

Превышение температуры

внеш­

дектора над температурой охлаж­

дающего

воздуха

определяется

по­

ней поверхности статора над темпе­

терями на коллекторе и может быть

ратурой охлаждающего воздуха, °С,

рассчитано

по (5-70).

Дв«о..е = <&/«*.

(5-80)

3.

Превышение

температурысти ротора, включая при аксиаль­

внешней поверхности

лобовых час­

ной вентиляции . охлаждаемую по­

тей

обмотки статора

над темпера­

верхность вентиляционных аксиаль­

турой

охлаждающего

воздуха. Так

ных каналов, определяют по форму­

как лобовые части обмотки статора

ле,

аналогичной

(5-67):

обычно образуют своеобразную

ре­

шетку,

продуваемую

воздухом,

то

Р С2 + Q ■оРдоС

они

охлаждаются

почти

по

всему

периметру

поперечного

сечения

каждой якорной

секции. Соответст­

(5-84)

венно

этому

плотность

теплового

потока, Вт/м2, на единицу охлажда­

где

Рс2 — потери в стали

рото­

емой

поверхности лобовых

частей

ра

при

холостом

хо­

равна:

qn =

АЛ1/П1,

де,

Вт;

(5-81

Люо — добавочные

нагру­

зочные

потери,

Вт;

где

/j — зубцовое

деление

стато­

/2 — полная

длина

рото­

ра,

м;

ра, м;

нагрузка

Пг — периметр поперечного се­

Ар — линейная

чения

паза

статора, м;

ротора,

А/м;

А — линейная

нагрузка, А/м;

J — плотность

тока

об­

J — плотность тока в статоре,

мотки

ротора,

А/м2;

А/м2;

D — внешний диаметр ро­

pi? — удельное

сопротивление

тора,

равный

при­

при

температуре

Ф.

близительно

внут­

Превышение

температуры внеш­

реннему

м;

диаметру

ней

поверхности

лобовых

частей

статора,

статора, °С,

т« и dK— число

и

диаметр

_____ 7л_____

(5-82)

вентиляционных

ак­

АО»

сиальных

каналов;

13,3(1 + 0 , 07t>)

при

радиальной

вен­

где

v — окружная

скорость ротора

тиляции

принимают

при

радиальной

вентиляции

или

mK= d K= 0 .

вентилятора

при

аксиальной

венти­

Значение

коэффициента

тепло­

ляции,

м/с.

отдачи

4.

Превышение температуры

об­

=

сс0 =

(1 +

0,1и),

(5-85)

мотки

статора.

Среднее

значение

где

превышения

температуры

обмотки

статора, °С, по

(5-65)

а0 = 40-нЗЗ

Вт/(м2-°С)

(Д#нЭ +

ДФцои.с) h +

(и — окружная скорость ротора или

Д^об,с =

+

(ДФ„3 +

АФЛ) 1а

вентилятора,

м/с).

Превышение

температуры

по­

(5-83)

верхности ротора,

°С,

где

li

— полная

длина статора,

м;

Д^поо.р =

<7,,/<v

(5-86)

1П— длина

лобовой

части

об­

мотки

статора, м.

3.

Превышение температуры

внеш­

Обмотка фазного ротора. 1. Пе­

репад температур

в

изоляции об­

ней

поверхности

лобовых

частей

мотки

ротора

рассчитывается

по

ротора

над температурой

охлажда­

(5-66).

Превышение

ющего

воздуха. Значение

ДФЛ

рас­

2.

температуры считывается по (5-73).

темпе­

внешней поверхности

ротора

над

4.

Среднее

превышение

температурой

охлаждающего

воз­

ратуры обмотки ротора над темпе­

духа.

Удельный

тепловой

поток,

ратурой

охлаждающего

воздуха.

Вт/м2,

приходящийся

на

единицу

Исходное

значение

превышения

внешней цилиндрической

новерхио-

температуры

обмотки

ротора

опрс-

=

9«AJ (l + 4, J a . )

+

-A jL i. (5-88)

Вентиляция

электрических

ма­

гДе

P a — потери

в стали

при

шин может быть естественной, без

применения особых

охлаждающих

kf —

холостом

ходе,

Вт;

устройств

(вентиляторов

и

т. п.),

и

коэффициент

доба­

искусственной, с применением таких

вочных

потерь

при

устройств.

нагрузке;

нагрузка

Естественное охлаждение

при­

А — линейная

меняется, как правило, только в ма­

статора,

А/м;

шинах мощностью до

1 кВт и в от­

J — плотность тока

в

об­

крытых

машинах

с

относительно

мотке

статора,

А/м2;

невысоким

использованием

актив­

D и / — внутренний диаметр и

ных материалов.

длина

статора,

м;

Это объясняется тем, что с рос­

1ср— средняя

длина

полу-

том мощности и размеров машины

витка

обмотки

стато­

значительно

быстрее

возрастает

ра, м.

удельная тепловая нагрузка на ох­

Искомое превышение температу­

лаждающую поверхность. В резуль­

ры охлаждаемой поверхности стато­

тате увеличивается

нагрев

машины,

ра

находят с

учетом

(5-96):

что приводит

к необходимости

по­

вышения

интенсивности

охлажде­

ДФпм,<

____ 2а____

(5-8 9)

ния с применением

искусственных

а(1 +0,1о)

средств.

где значения а «зависимости от от­

Машины с

искусственной венти­

ношения длины статора 1\ к полюс­

ляцией

разделяются

на

машины

с

ному делению т могут быть приня­

с а м о в е н г и л я ц и е й и машины с

ты

равными:

н е з а в и с и м о й

в е н т и л я ц и е й .

а = 8 0 Вт/(°С -м2)

при /I/T < 2 ;

Самовентилируемые

машины

имеют

с и с т е м у

в е н т и л я ц и и ,

охлаждающих

потоков воздуха

или

ори которой активные части непо­

газа

внутри

машины

различают

средственно охлаждаются

потоком

вентиляцию р а д и а л ь н у ю

и

ак­

воздуха

или

газа,

нагнетаемого

сиа л ь н у ю .

вентилятором,

помещенным

на ро­

При радиальной

вентиляции ох­

торе машины.

н е з а в и с и м о й

лаждающие потоки движутся ради­

В

машинах с

ально относительно оси вала маши­

вентиляцией

охлаждающая

среда

ны по радиальным вентиляционным

(газообразная

или жидкая)

подает­

каналам,

образованным

в

шихто­

ся в машину специальным устрой­

ванных сердечниках статора и рото­

ством

(вентилятором

или насосом),

ра путем разделения обшей длины

активной стали на отдельные паке­

ты шириной 40—80 мм. Между па­

кетами

оставляют промежутки,

ко­

торые и выполняют роль

радиаль­

ных

вентиляционных

каналов.

В нормальных машинах ширина ра­

диального канала принимается

рав­

ной 10 мм.

радиальные

ка­

Конструктивно

налы

образуются

размещением

между

пакетами

особых

дистанци­

онных

распорок,

которые

приклеи­

ваются или привариваются к край­

ним

утолщенным листам

пакетов

статора

и

ротора.

При

вращении

ротора

его

распорки — ветреницы

выполняют также

функцию

венти­

ляторных

лопаток,

прогоняющих

воздух или газ в радиальных кана­

лах.

В

машинах

с

малым

воздуш­

ным зазором, например в асинхрон­

ных двигателях,

следует тщательно

а — нагнетательная; б — вытяжная.

производить сборку и насадку па­

кетов ротора и статора, чтобы ро­

имеющим отдельный двигатель. Ча­

торные и статорные

радиальные ка­

налы точно пришлись друг против

ще всего этот двигатель монтиру­

друга.

системе

вентиля­

ется

на

корпусе охлаждаемой

ма­

В

радиальной

шины.

ции синхронных машин при так на­

В зависимости от характера ра­

зываемой

согласно-радиальной

си­

боты встроенного вентилятора

раз­

стеме

охлаждающий

поток движет­

личают

вентиляцию

и

нагнетатель­

ся от центра к периферии статора.

ную

(рис.

5-10, а)

вытяжную

При встречно-радиальной системе

(рис. 5-10,6).

Вытяжная

вентиля­

вентиляции

поток

движется

в об­

ция

обладает

тем

преимуществом,

ратном

направлении. Для

встречно­

что

в машину

попадает

холодный

го движения охлаждающего

потока

воздух

без

предварительного

его

применяется

принудительный

под­

подогрева при

прохождении

через

вод воздуха в машину от независи­

вентилятор за счет потерь в послед­

мого

вентилятора.

Встречно-ради­

нем. Следует иметь в виду, что да­

альная система

вентиляции

благо­

же

незначительный

подогрев

воз­

даря

принудительному

нагнетанию

духа

из-за потерь

в

вентиляторе

воздуха

от постороннего вентилято­

(3—7° С) вынуждает

прогонять

че­

ра обеспечивает более

равномерное

рез машину большее (на 15—20%)

распределение

воздушного

потока

количество

воздуха,

что

снижает

по радиальным каналам, а следова­

эффективность вентиляции.

тельно,

и

более

равномерное

ох­

В

зависимости

от

направления

лаждение

машины.