Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 18 )

2.  сердечник статора с потерями ;

3.  короткозамкнутый ротор с потерями ;

4.  лобовая часть обмотки статора со стороны вентилятора с потерями ( - полные потери в лобовых частях обмотки статора);

5.  лобовая часть обмотки статора со стороны привода с потерями ;

6.  внутреннее пространство со стороны вентилятора с потерями ( - внутренние механические потери);

7.  внутреннее пространство со стороны привода с потерями .

Схема теплопередачи представлена на рисунке 4.4.

Вследствие различных условий охлаждения внешним вентилятором температура и объемов «а» и «б» различна. Неодинакова и температура потока окружающей среды в зоне щитов и корпуса, причем неравномерность распределения температуры вдоль корпуса тем больше, чем больше его длина. Для выполнения теплового расчета эти температуры должны быть известны, что значительно усложняет задачу.

Результаты исследований, приводимые в [2, 3, 4, 5], позволяют упростить тепловую схему без ущерба для точности расчетов, если принять следующие допущения:

-  температура внутри электродвигателя (объем «а» и «б») одинакова - ;

-  вследствие практически линейного закона подогрева охлаждающей среды при движении потока относительно поверхностей теплосъема, температуру во всех точках можно принять равной температуре окружающего пространства плюс средний подогрев воздуха в системе охлаждения.

,

где: - подогрев воздуха, определяемый в вентиляционном расчете.

Эти допущения позволяют объединить в один узел точки 1 и 2 внутреннего объема точки 3, 4, и 5 внешней поверхности. Эквивалентная тепловая схема принимает вид, представленный на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Эквивалентная тепловая схема замещения

Источниками тепла являются потери электрической машины

Р1 – электрические потери в пазовой части обмотки статора;

Р2 - электрические потери в лобовой части обмотки статора;

Р3 - потери в стали сердечника статора, состоящие из основных потерь в зубцах и ярме, поверхностных и пульсационных потерь в статоре, половины добавочных потерь при нагрузке;

Р4 – потери в короткозамкнутом роторе, включающие в себя электрические потери в обмотке ротора, поверхностные и пульсационные потери в роторе и половину добавочных потерь при нагрузке;

Р5 – механические потери, выделяющиеся во внутреннем объеме (трение ротора о воздух, потери вентиляционных лопаток ротора).

Тепло в электродвигателе передается в направлениях, указанных на рис. 4.5. Потери пазовой части обмотки статора в осевом направлении передаются к лобовым частям через тепловое сопротивление R12 и в сердечник статора через тепловое сопротивление R13. С поверхности лобовых частей через сопротивление R25 тепло отдается во внутренний воздух, где соединяется с тепловым потоком от механических потерь и тепловым потоком от торцевых частей ротора. В электрических машинах с малой величиной воздушного зазора при отсутствии внутреннего продува проявляется передача тепла от ротора к статору и наоборот в зависимости от степени нагрева статора и ротора (на рис 4.5. – тепло через воздушный зазор передается от статора к ротору – тепловой поток Р34). Потери в роторе с учетом теплового потока Р34 (добавляется или вычитается из Р4) также отдаются с торцевых частей во внутренний воздух через сопротивление R 45. Суммарный тепловой поток внутреннего воздуха Р56 через внутренние поверхности щитов и свисающих частей станины (тепловое сопротивление R45) передается к наружной поверхности, где складывается с тепловым потоком Р36 передаваемым через тепловое сопротивление R36 от сердечника статора и через тепловое сопротивление R67 отдается в охлаждающую среду. Тепловые сопротивления, указанные на рис. 4.5., как правило включают в себя несколько составляющих, определяющих суммарное тепловое сопротивление на пути передачи тепла от одной части электрической машины к другой и в сильной степени зависят от конструкции и системы вентиляции. Расчет наиболее часто встречающихся типов тепловых сопротивлений в электрических машинах приведен в примерах тепловых расчетов, рассмотренных в следующем разделе.

Расчет перегревов по схеме рис. 4.5. производится на основе системы уравнений, которые составляются с использованием законов для электрических цепей. С целью уменьшения числа уравнений, перегревы частей электродвигателя определяются относительно узла 6, а полный перегрев определяется с учетом перегрева корпуса () и подогрева охлаждающей среды.

Исходная система уравнений:

(4.10)

В системе (4.10) -

Система уравнений для расчета перегревов относительно узла 6 получается из (4.10) путем исключения тепловых потоков.

(4.11)

В большинстве практических расчетов не требуется определять перегрев охлаждающего воздуха внутри электрической машины. Если исключить из системы уравнений (4.11) перегрев , то получается система:

(4.12)

В системах уравнений (4.11) и (4.12) обозначено:

- теплопроводность на пути теплового потока.

Превышение температуры i – го участка определяется соотношением:

.

где - перепад температуры между корпусом электродвигателя и охлаждающей средой.

Среднее превышение температуры обмотки статора равно:

,

где: - длина сердечника статора,

- длина лобовой части обмотки статора,

- перегрев пазовой части обмотки статора,

- перегрев лобовой части обмотки статора.

4.5.1.2 Эквивалентная тепловая схема замещения статора машины переменного тока с радиальной системой вентиляции.

Эквивалентная тепловая схема значительно упрощается в электрических машинах всех типов с радиальной системой вентиляции, а также при больших величинах воздушного зазора, что особенно присуще синхронным машинам и машинам постоянного тока. В этом случае представляется возможность пренебречь взаимным подогревом статора и ротора и исключить из схемы тепловое сопротивление передачи тепла из ротора в статор (или наоборот). Полная тепловая схема разделяется на две независимые части: тепловую схему статора (якоря) и тепловую схему ротора (магнитной системы).

На рис 4.6 представлена схема теплопередачи одного пакета сердечника статора электрической машины переменного тока, базирующаяся на допущениях рассмотренных выше с учетом отсутствия передачи тепла от ротора к статору (или наоборот) через воздушный зазор.

Рис. 4.6 Схема теплопередачи статора машины переменного тока с радиальной системой вентиляции

Эквивалентная тепловая схема (рис.4.7) для рассматриваемого случая получается также при аналогичных допущениях, сформулированных ранее. Тепловые сопротивления схемы определяются методами электрических цепей с учетом реального числа пакетов сердечника статора.

Рис. 4.7 Эквивалентная тепловая схема статора

Греющие потери P1, P2 и P3 определяются аналогично рассмотренному ранее.

Тепло, выделяемое в статоре с радиальной системой вентиляции передается в направлениях, показанных на рис.4.7.

Электрические потери P1 в пазовой части обмотки передаются по трем направлениям: в радиальных каналах через тепловое сопротивление R14 непосредственно в охлаждающую среду, через тепловое сопротивление R13 в сердечник магнитопровода и через тепловое сопротивление R12 вдоль проводников к лобовым частям. Тепловой поток P12 от пазовой части обмотки к лобовой складывается с потерями P2 в лобовой части и через тепловое сопротивление R24 передается охлаждающей среде, а тепловой поток P13 вместе с потерями в стали P3 и передается через тепловое сопротивление R34 . Тепловое сопротивление R34 состоит из трех параллельно включенных сопротивлений, определяемых условиями передачи тепла и теплообмена в пакете в направлении к внутренней, внешней и боковой поверхностям.