Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 16 )

Эквивалентный коэффициент теплопроводности в сильной степени зависит от коэффициента заполнения пучка проводников медью и изоляцией. Предельные значения коэффициента заполнения достигаются при плотной укладке и отсутствии изоляционных прокладок между слоями проводников, вследствие чего он должен определяться с учетом конструкции катушки.

Рис. 4.3. Укладка проводников круглого сечения

а – рядовая; б) шахматная плотная; в) рядовая с прокладками между слоями

Величина коэффициента заполнения определяется соотношением:

-  рядовая укладка без изоляционных прокладок - ;

-  рядовая укладка с изоляционными прокладками - ;

-  шахматная укладка без изоляционных прокладок - ;

-  шахматная укладка с изоляционными прокладками - .

В этих соотношениях:

d – диаметр голого проводника, м;

dиз – диаметр изолированного проводника, м;

dпр – толщина изоляционной прокладки, м.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности равен:

-  в обмотках с рядовой укладкой проводников

, (4,7)

-  в обмотках с шахматной укладкой проводников

. (4,8)

Эквивалентный коэффициент теплопроводности промежутков между проводниками рассчитывается по (4,5), а расчетное значение воздушных промежутков определяется по соотношениям:

-  при рядовой укладке - ,

-  при шахматной укладке - .

Для всыпных обмоток из круглых проводников, укладываемых в полузакрытый паз аналитический расчет эквивалентного коэффициента теплопроводности невозможен, так как неопределенными являются промежутки между проводниками вследствие многократного перекрещивания проводников. В [5, 6] на основании значительного экспериментального материала аппроксимирована зависимость для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности таких обмоток.

, (4,9)

где:

- коэффициент теплопроводности пропиточного состава, ;

- коэффициент теплопроводности изоляции провода, ;

- коэффициент заполнения паза медью;

- коэффициент пропитки;

- допустимая температура для выбранного класса изоляции, .

Формула (4,9) выведена для обмоток из проводников с эмалевой изоляцией. Однако, она пригодна для расчета эквивалентного коэффициента теплопроводности обмоток из проводников с волокнистой изоляцией (ПСД, ПСДК и т. д.). В этом случае по рекомендациям [3] вместо коэффициента 0,165 берется 0,2.

4.3.2. Определение коэффициентов теплоотдачи

Нагрев отдельных частей электрической машины в значительной степени определяется условиями теплообмена между поверхностью активных частей и охлаждающей средой.

По данным [6] в электрических машинах с воздушным охлаждением конвективные тепловые сопротивления обуславливают от 50 до 80% нагрева обмоток. Решение задачи о конвективном теплообмене базируется на математическом описании процесса конвекции и его условий. Однако, опыт показывает, что расчет коэффициентов теплоотдачи на основе классических зависимостей а большинстве случаев не даёт достаточно достоверных результатов ввиду сложности учета большого количества факторов, определяющих условия теплоотдачи на границе раздела сред.

В связи с этим важное значение в решении задач конвективного теплообмена играют экспериментальные методы, позволяющие определить коэффициенты теплоотдачи по результатам обработки данных исследований как на моделях, так и на натурных образцах. Научная основа эксперимента базируется на теории теплового подобия [3, 4, 5, 6].

На основе теории теплового подобия протекающие процессы теплообмена описываются по результатам эксперимента в виде критериального уравнения с использованием безразмерных критериев, что позволяет распространить результаты ограниченного числа экспериментов на максимально возможное число реальных устройств. Чаще всего при исследовании тепловых процессов в электрических машинах применяются критерии подобия, краткая характеристика которых приводится ниже.

Критерий Рейнольдса характеризует характер движения среды (ламинарный или турбулентный) и представляет собой отношение инерционных сил движущейся среды к силам внутреннего трения.

Критерий Нуссельта представляет собой безразмерную форму коэффициента теплоотдачи и связывает между собой коэффициент теплоотдачи с поверхности с теплопроводностью охлаждающей среды.

Критерий Прандтля является сложной физической константой охлаждающей среды и определяет её свойства.

Критерий Фурье определяет соотношение между темпом изменения окружающих условий и темпом перестройки температурного поля внутри тела.

Критерий Био характеризует меру отношения температурного перепада в теле к температурному перепаду между телом и охлаждающей средой.

Критерий Грасгофа характеризует свободное движение жидкой или газообразной среды под действием разности температур (определяет действие подъемной силы в нагретой среде в поле сил тяготения, вызывающей естественную конвекцию). В этом выражении b - коэффициент теплового расширения).

Критериальное уравнение представляет в общем виде зависимость:

,

и получается на основе положений теории теплового подобия и обработки результатов экспериментальных исследований.

Так, критериальное уравнение конвективного теплообмена при вынужденном движении охлаждающей среды в длинных каналах имеет вид:

Это уравнение является исходным для определения коэффициента теплоотдачи. После подстановки всех значений получаем:

Значения параметров охлаждающей среды выбираются в зависимости от принятой расчетной температуры охлаждающей среды.

В литературе по проектированию электрических машин [1, 2, 11, 13] приводятся критериальные уравнения для некоторых форм поверхностей, обдуваемых потоком. Использование этих уравнений позволяет определить коэффициент теплоотдачи и выполнить тепловой расчет электрической машины с определенной степенью точности, позволяющей оценить тепловое состояние. Однако, если требуется обеспечить наибольшее совпадение расчета с реальным нагревом электрической машины коэффициенты теплоотдачи следует определять с использованием специальной литературы, посвященной исследованию тепловых процессов конкретных электрических машин. Так наиболее рационально использовать рекомендации по определению коэффициентов теплоотдачи всех видов электрических машин, мощностью до 1000 кВт, приведенные в [5, 6, 10]. При расчете крупных (Pн>500 кВт) электрических машин высокую сходимость результатов расчета с реальным нагревом обеспечивают рекомендации объединения «Электросила», приводимые в [4, 12, 13, 14], причем коэффициенты теплоотдачи определяются по соотношениям аппроксимированным на базе обобщения значительного экспериментального материала в функции скорости движения охлаждающей среды без необходимости решения критериального уравнения.

В приложении данного пособия приводятся рекомендации по определению коэффициентов теплоотдачи для ряда электрических машин:

1 – содержит критериальные уравнения, определяющие размеры и значения коэффициентов теплоотдачи, используемые при тепловом расчете асинхронных электродвигателей серии А-4, АИ [5, 6, 10]. Эти рекомендации также могут быть использованы при расчете любых асинхронных электродвигателей, имеющих аналогичную конструкцию и систему охлаждения.

2 – в ней приведены рекомендации по определению коэффициентов теплоотдачи крупных электрических машин (Pн>500 кВт) в соответствии с данными [4, 12, 13, 14].

3 – содержит критериальные уравнения, определяющие размеры и коэффициенты теплоотдачи, используемые по рекомендациям [5, 6] в тепловом расчете машин постоянного тока с аксиальной системой охлаждения.