Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 4 )

Основные типы систем охлаждения электрических машин в зависимости от способа отбора тепла от объемов, в которых оно выделяется, можно свести к следующим:

-  косвенное охлаждение, когда между источником тепла и охлаждающей средой находится тепловая изоляция (например, изоляция лобовой части обмотки между медными проводниками, по которым течет ток, и окружающей средой);

-  непосредственное охлаждение, когда охлаждающая среда проходит непосредственно через те части, где выделяются потери, и между ней и источником тепла нет тепловой изоляции (например, полые проводники обмотки статора, по которым протекает охлаждающая жидкость);

-  двухфазные системы охлаждения (например, испарительное охлаждение, обеспечивающее высокую эффективность отбора тепла при переходе охлаждающей среды из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое (газ);

-  криогенные системы охлаждения, в которых используется жидкий гелий или азот при температуре близкой к температуре абсолютного нуля (-273°С).

Последние две системы, несмотря на высокую эффективность, в промышленных электрических машинах пока не нашли практического применения, а используются в электрических машинах специального назначения.

Система охлаждения определяет интенсивность теплообмена на граничных поверхностях и, соответственно, реализуемую в данном объеме электрической машины электромагнитную мощность при обеспечении требуемого уровня температуры. Таким образом, важнейшей характеристикой любой системы охлаждения является ее эффективность. Эффективность системы охлаждения зависит от затрат энергии, обеспечивающих ее функционирование, которые определяют экономичность системы охлаждения и целесообразность реализации такой системы в конкретной электрической машине.

Критериями эффективности системы охлаждения могут служить различные величины или комплексы величин. Так в [6] предлагается оценивать эффективность систем охлаждения тремя группами коэффициентов, которые характеризуют теплообмен на границах тел, дают оценку способа охлаждения, оценивают конструкцию системы охлаждения.

К первой группе относятся коэффициенты интенсивности охлаждения и использования охладителя, которые характеризуют теплоотдачу с поверхности тел и расход охладителя.

Ко второй группе относится коэффициенты, характеризующие качество конструкции системы охлаждения. Они оценивают равномерность нагрева (разность между средней и максимальной температурой), соотношение между тепловыми сопротивлениями за счет теплопроводности и конвекции и соотношение между охлаждаемой поверхностью и поверхностью активных частей (коэффициент использования поверхности).

К третьей группе относятся энергетический коэффициент, характеризующий затраты мощности в системе охлаждения, стоимостной коэффициент, определяющий затраты на систему охлаждения при производстве и эксплуатации, и массовый коэффициент, определяющий долю массы системы охлаждения по отношению к массе активных частей.

Сравнение систем охлаждения с использованием данных коэффициентов является наиболее полным при их разработке и анализе, однако не позволяет группировать системы охлаждения электрических машин по их основному назначению – повышению технико-экономических показателей электрической машины. Как показано в [4], таким критерием может служить машинная постоянная Эссона (коэффициент использования), которая имеет вполне определенный диапазон значений для каждой системы охлаждения.

Таким образом, эффективность системы охлаждения с точки зрения ее основного назначения – повышения технико-экономических показателей электрических машин – определяется коэффициентом использования (), который характеризует количество энергии, получаемое с единицы активного объема.

Экономичность, в общем случае, оценивается капитальными и эксплуатационными затратами, относимыми к определенному сроку окупаемости. При оценке экономичности систем охлаждения электрических машин в подавляющем большинстве случаев капитальные затраты можно не принимать во внимание (исключение – уникальные системы охлаждения, например, криогенные). В то же время эксплуатационные расходы являются важной характеристикой системы охлаждения и определяют экономичность системы охлаждения.

Экономичность системы охлаждения оценивается удельными затратами мощности (), представляющими собой отношение мощности Рохл, затрачиваемой на функционирование системы охлаждения, к сумме потерь SР электрической машины.

2.2. Основы проектирования систем охлаждения, связь электромагнитного, вентиляционного и теплового расчетов

В процессе проектирования системы охлаждения электрической машины должны быть определены схемы циркуляции охлаждающих сред, выбраны типы нагнетательных элементов, рассчитано поле температуры во всем объеме и проведена проверка полученных результатов на соответствие техническим требованиям для выбранного класса изоляционных материалов и режимов работы. Исходными данными для проведения вентиляционных и тепловых расчетов являются результаты электромагнитного расчета, т. е. распределение потерь в активном объеме и конструкторская разработка машины (свойства материалов, формирование охлаждающего тракта и т. д.). На рис. 2.1 приведена блок-схема проектирования и расчета электрической машины и системы охлаждения.

	Электромагнитный расчет
	1
	Разработка конструкции
2	2 1	3
	Вентиляционный расчет
	2 1
	Тепловой расчет
Рис. 2.1. Блок-схема расчета электрической машины

Критерием расчета системы охлаждения является допустимый нагрев (перегрев) отдельных частей электрической машины. Если нагрев не укладывается в допустимые значения (расчет по пути 1), то необходимо внести коррективы в формирование трактов системы охлаждения и повторить расчет (путь 2). Если требуемые результаты не достигнуты, расчет электрической машины следует провести заново (путь 3). Таким образом, прослеживается неразрывная связь всех этапов проектирования и расчета электрической машины и взаимное влияние результатов этих этапов.

Методы вентиляционного и теплового расчетов, используемые в настоящее время, разнообразны и выбираются в каждом конкретном случае с учетом назначения электрической машины.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности возможно, если известны условия теплообмена на граничных поверхностях тел. Это определяет необходимость расчета скоростей движения и расходов охлаждающих сред относительно охлаждаемых поверхностей. Охлаждающий тракт представляет сложную систему неподвижных и подвижных каналов весьма разнообразной формы, что не позволяет достаточно точно определить необходимые величины. Для обобщения физической картины теплообмена разработана теория подобия и используются результаты эксперимента при проектировании системы охлаждения электрических машин.

Так, при аэродинамических (вентиляционных, гидравлических) расчетах используются результаты экспериментальных исследований моделей, полученных на базе теории гидромеханического подобия течений, а при тепловых расчетах – теории теплового подобия, базирующаяся на безразмерных критериях подобия.

Критериями точности результатов вентиляционного и теплового расчетов являются данные экспериментальных исследований опытных образцов разрабатываемых электрических машин. По итогам анализа данных исследования опытных образцов должны вноситься необходимые коррективы в методики расчетов. Чем больше экспериментальных данных получено, тем более обоснованные уточнения методик вентиляционного и теплового расчетов можно реализовать и, тем самым, повысить достоверность результатов расчетов аналогичных электрических машин.

3. Вентиляционный расчет электрических машин

Охлаждение подавляющего большинства электрических машин осуществляется газом (воздухом или водородом). От интенсивности отвода тепла зависят важнейшие свойства электрической машины: габаритные размеры, масса, энергетические показатели и характеристики, надежность и т. д.

Отвод тепла потоком газа называется вентиляцией электрической машины.

3.1. Характеристика схем вентиляции

Вентиляция электрических машин может выполняться без особых устройств (вентиляторов, нагнетателей и др.), обеспечивающих направленное движение потока газа, или с применением таких устройств. В первом случае имеем электрические машины с естественным охлаждением, во втором – с искусственной вентиляцией.

Естественное охлаждение применяется только в машинах с относительно невысоким использованием активных материалов и, как правило, небольшой мощности (P<1 КВт) или в случае невозможности реализации искусственного охлаждения (например, краново-металлургические электродвигатели).

Электрические машины с искусственной вентиляцией подразделяются на:

-  электрические машины с независимой вентиляцией;

-  электрические машины с самовентиляцией

Независимая вентиляция осуществляется вентилятором, имеющим собственный привод, устанавливаемый отдельно от рабочей машины или на ее корпусе (вентилятор-наездник). Такая система обеспечивает одинаковость условий охлаждения независимо от режима работы электрической машины, что особенно важно при большом диапазоне регулирования частоты вращения (например, тяговые электрические машины для транспортных устройств).