Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 2 )

Проектирование электрических машин представляет собой сложную многовариантную задачу. При решении этой задачи необходимо обеспечить требуемый уровень характеристик электрической машины, требования систем электропривода и ГОСТов, оговаривающих режимы работы, исполнение по степени защиты, условия и характеристики окружающей среды, допустимые уровни вибрации и шума, и другие требования. Необходимо стремиться к уменьшению массы и габаритов, обеспечить технологичность конструкции с целью уменьшения затрат на изготовление и, соответственно, реализовать основную цель разработки – обеспечение высокого уровня технико-экономических показателей.

Реализация требований к технико-экономическим показателям электрической машины в сильной степени определяется объемами производства. При массовом и крупносерийном производстве основной упор делается на обеспечении максимального уровня унификации узлов и деталей электрических машин, что снижает затраты на подготовку производства и изготовление и, соответственно, себестоимость электрической машины. Такой подход на позволяет выбрать оптимальные геометрические размеры активного ядра и обеспечить высокий уровень технических характеристик электрической машины.

При разработке единичных электрических машин или малых серий представляется возможность реализовать максимальный уровень технических характеристик машины. Однако и в этом случае с целью использования технологической оснастки и технологии производства на конкретном предприятии, что обеспечивает снижение затрат на изготовление электрической машины, приходится отступать от оптимальной геометрии активного ядра.

Электромеханическое преобразование энергии базируется на физических законах, основными из которых являются законы электродинамики и механики. Обширные исследования в этих областях позволили достаточно полно раскрыть физическую картину явлений и разработать методы электромагнитного и механического расчетов электрических машин при их проектировании.

Электромагнитный расчет электрических машин обладает достаточной общностью и, в основном, не зависит от принципа действия и назначения электрической машины. Методики расчетов электрических машин общепромышленного назначения достаточно полно приводятся в учебной и научной литературе [2, 11, 13, 14, 15, 16, 17]. Рекомендации базирующиеся на статистических данных выпускаемых электрических машин позволяют сократить время выбора оптимального варианта даже при применении материалов с более высокими физическими свойствами и новых конструктивных решений. Методы электромагнитных расчетов электрических машин специального назначения (электрические машины систем автоматики, индукторные, с постоянными магнитами, тяговые и др.) также достаточно отражены в научной литературе.

Достаточная обширность источников по электромагнитному расчету электрических машин позволяет успешно рассчитывать и новые машины оригинальной конструкции с соответствующей корректировкой методики расчета. Применение компьютерных технологий электромагнитного расчета также позволяет повысить точность расчета и существенно сократить время поиска наиболее рационального варианта.

Однако спроектировать нормально работающую электрическую машину с высокими технико-экономическими показателями невозможно без разработки систем охлаждения и тепловых расчетов. Система охлаждения представляет собой совокупность каналов охлаждающего тракта, по которым движется охлаждающая среда (газ или жидкость), под действием напорных элементов – вентиляторов, насосов, конструктивных элементов самой электрической машины или подобных им устройств, обеспечивающих направленное движение охладителя. Основное требование к системе охлаждения состоит в том, что она должна обеспечить допустимый уровень нагрева важнейших систем или частей электрической машины (обмоток, подшипников и т. д.). Это является необходимым условием долговечности и надежности работы электрической машины.

Теоретической базой для разработки систем охлаждения являются законы гидродинамики, в особенности, такие её разделы, как инженерная гидравлика, аэродинамика и теория вентиляторов. Методы гидравлики применяются для расчета течения жидкостей и газов, если не учитывать их сжимаемость и термодинамические явления при их движении, что справедливо в большинстве практических случаев. Гидравлический (аэродинамический) расчет электрической машины сводится к определению гидравлического (аэродинамического) сопротивления системы охлаждения, потерь давления в каналах охлаждающего тракта от входа охладителя в электрическую машину до выхода из неё, а так же скоростей движения охладителя в каналах.

Аэродинамической (гидравлической ) характеристикой системы охлаждения называется связь между потерями давления ( напора) в каналах охлаждающего тракта и расходом охладителя в нем:

где H – напор (давление), кг/м2;

Q – расход охладителя, м3/сек

- аэродинамическое (гидравлическое ) сопротивление охлаждающего тракта, .

Потери давления в каналах охлаждающего тракта складываются из путевых (потери на трение при движении охлаждающей среды) и местных, связанных с изменением градиента давления на сравнительно коротком участке (изменение сечения канала, повороты и т. д.).

Обычно основную долю аэродинамического (гидравлического) сопротивления электрических машин составляют местные сопротивления, и только в крупных машинах и турбогенераторах с непосредственным охлаждением (охлаждающая среда движется по каналам в проводниках обмоток статора и ротора) существенную роль играют путевые сопротивления. Расчет путевых и местных сопротивлений ведется с использованием опытных значений коэффициентов аэродинамических сопротивлений [9].

Практическая неразрешимость уравнений движения охлаждающей среды обусловила необходимость проведения обширных экспериментальных исследований по определению аэродинамических (гидравлических) сопротивлений. Было установлено что геометрическое подобие еще не определяет подобия механического, т. к. при этом не обеспечивается подобие поля скоростей и давлений в соответствующих точках пространства. На основе анализа сил действующих на жидкость (газ), была разработана теория гидромеханического подобия течений вокруг геометрически подобных тел. Закон гидромеханического подобия течений сформулирован Рейнольдсом и гласит, что гидродинамическое подобие течений вокруг геометрически подобных тел будет соблюдено в тех случаях, когда отношение инерционных сил к силам трения в соответствующих точках пространства будет одинаковым в любой момент времени. Критерий гидродинамического подобии, названный критерием Рейнольдса, имеет вид:

,

где : - скорость движения среды, м/с;

d – гидравлический диаметр (определяющий размер), м;

- кинематическая вязкость среды, м2/с.

Закон гидромеханического подобия оказал огромное влияние на развитие гидродинамики (аэродинамики) и позволил решать задачи проектирования систем охлаждения с достаточной степенью точности, используя результаты экспериментальных исследований на моделях.

Важнейшим этапом при проектировании систем охлаждения является выбор и расчет нагнетательных элементов. В электрических машинах в подавляющем большинстве в качестве охлаждающей среды используются газы (воздух, водород) и нагнетательным элементом является вентилятор – центробежный или осевой, теория и методика расчетов которых наиболее полно приведена в [7, 8]. При проектировании вентилятора электрической машины следует учитывать, что:

-  к. п.д. вентилятора влияет на к. п.д. электрической машины в целом;

-  частота вращения вентилятора определяется частотой вращения электрической машины;

-  внешний диаметр вентилятора ограничен размерами электрической машины и местом установки его.

Все эти факторы определяют необходимость обоснованного выбора типа вентилятора и рационального размещения его в электрической машине при проектировании системы охлаждения.

Результаты расчета системы охлаждения являются исходными данными при выполнении тепловых расчетов. Условия передачи тепла и теплообмена с окружающей средой и формирования на этой основе температурных полей являются предметом изучения теплопередачи, лежащей в основе тепловых расчетов различных электрических машин. В различных частях электрической машины в процессе их работы выделяются потери (электрические, магнитные, механические), которые формируют тепловые поля, зависящие от условий отвода потерь из электрической машины. Процесс переноса тепла в системе физических тел называется теплообменом, который обусловлен неравномерностью распределения температуры в данной системе, т. е. температурным полем.

Непосредственной задачей теплового расчета является расчет температуры активных частей электрической машины с целью проверки выполнения требований по допустимому уровню нагрева в соответствии с требованиями ГОСТов или технического задания. В результате расчета определяются максимальные значения температуры в наиболее нагретых зонах активных частей электрической машины. Практически чаще бывает достаточно ограничится расчетом среднего значения температуры, что значительно упрощает тепловой растет.

Тепловой расчет электрических машин базируется на основе решения неоднородного дифференциального уравнения теплопроводности. Сложность решения такого уравнения обуславливается неравномерным распределением потерь, неоднородностью физический свойств материалов частей электрической машины, явновыраженной анизотропией свойств по радиусу и длине, сложностью форм поверхностей теплоотдачи и т. д.

Решение дифференциального уравнения невозможно без определения условий теплопередачи на границах твердых тел и охлаждающей среды. Для определения условий теплообмена на граничных поверхностях необходимо знать закон движения охлаждающих сред в системе охлаждения электрической машины.