Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 5 )

В электрических машинах с самовентиляцией направление движения потока охлаждающего газа обеспечивается вентилятором, непосредственно устанавливаемым на валу электрической машины. В качестве вентилятора могут быть использованы конструктивные элементы самой электрической машины, такие как полюса синхронной машины, распорки в радиальных каналах и др.

Эффективность искусственной вентиляции определяется тем, с каких поверхностей отводится тепло, как движется тепловой поток, где установлен вентилятор и рядом других факторов.

В зависимости от того, с каких поверхностей отводится тепло, различают системы наружной и внутренней вентиляции (рис. 3.1).

а) б)

Рис. 3.1. Система внутренней (а) и внешней (б) вентиляции

При внутренней вентиляции (рис. 3.1а) поток охлаждающего газа непосредственно омывает активные части электрической машины, а при внешнем обдуве (рис. 3.1б) тепло отводится только с наружной поверхности корпуса.. Достоинством внутреннего обдува является более эффективный отвод тепла от активных частей, что позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели за счет увеличения электромагнитных нагрузок. При внешнем обдуве внутренний объем электрической машины изолирован от окружающей среды. Это обстоятельство является достоинством при работе электрической машины в условиях, когда окружающая среда содержит вредные примеси (взрывоопасную пыль, химические вещества, имеет повышенное содержание влаги и т. д.), т. к. повышается надежность работы электрической машины.

В зависимости от того, откуда подается охлаждающий газ в электрическую машину и куда он выходит различают разомкнутый и замкнутый циклы вентиляции (рис. 3.2).

а) б)

Рис.3.2. Разомкнутый (а) и замкнутый (б) циклы вентиляции:

1 – воздухоохладитель (газоохладитель);

tх – температура на входе;

tг – температура на выходе

При разомкнутом цикле (рис. 3.2а) охлаждающий газ забирается и выбрасывается в окружающее пространство. При установке электрической машины, особенно большой мощности, в помещении (машинный зал) температура в нем может достигнуть больших значений, недопустимых для нормальной работы. В этом случае требуется установка системы воздухоотводов, обеспечивающих забор и выброс воздуха вне помещения (в окружающую атмосферу).

При замкнутом цикле (рис. 3.2б) охлаждающий воздух (газ) циркулирует в замкнутом воздуховоде, а охлаждение нагретого в электрической машине воздуха (газа) происходит в специальном воздухоохладителе (газоохладителе), представляющем из себя устройство, обеспечивающее передачу тепла вторичному теплоносителю, циркулирующему по трубкам с сильно развитой поверхностью (оребрение, проволочные спирали и т. д.). В качестве вторичного охладителя наиболее часто применяется вода. Как правило, давление внутри электрической машины поддерживается больше атмосферного, а восполнение неизбежных утечек газа производится через фильтр, устанавливаемый в месте, соответствующем «точке атмосферы».

Замкнутый цикл вентиляции обладает рядом существенных достоинств, основными из которых являются:

-  за счет повышенного давления исключается возможность попадания вредных веществ внутрь электрической машины;

-  снижается разрушительное действие пожара в активной зоне электрической машины за счет ограниченного содержания кислорода в замкнутом объеме;

-  практически обеспечивается постоянная температура газа на входе в машину – tx.

Несомненным достоинством замкнутой системы вентиляции является возможность применения в качестве охлаждающей среды любого газа. Наибольшее распространение в электрических машинах нашел водород. Применение водорода вместо воздуха, только за счет его более высоких теплофизических свойств, позволяет реализовать увеличение мощности на 25-30% в тех же габаритах.

В зависимости от места установки вентилятора различают нагнетательную и вытяжную системы вентиляции (рис. 3.3).

а) б)

Рис. 3.3. Нагнетательная (а) и вытяжная (б) стстемы вентиляции

При нагнетательной системе вентиляции (рис. 3.3а) вентилятор устанавливается на входе охлаждающего газа, вследствие чего в активном объеме электрической машины создается повышенное давление (р>pam), препятствующее попаданию посторонних примесей. Однако при прохождении газового потока через вентилятор происходит его подогрев на 3-7°С, что требует увеличения количества охлаждающего газа, прогоняемого через электрическую машину, на 15-20%. Это обстоятельство увеличивает потери на вентиляцию и, соответственно, уменьшает КПД электрической машины.

При вытяжной системе вентиляции (рис. 3.3б) через активный объем электрической машины проходит поток газа без подогрева в вентиляторе, что определяет ее достоинства, но внутри машины давление будет меньше атмосферного и возможно попадание вредных примесей, снижающих надежность работы электрической машины.

В засисимости от направления движения потока охлаждающего газа внутри электрической машины различают аксиальную, радиальную и аксиально-радиальную системы вентиляции (рис. 3.4).

При аксиальной системе вентиляции охлаждающий поток движется параллельно оси машины (рис.3.4а) . Для обеспечения такого движения потока должны быть сформированы специальные каналы. Чаще всего каналы выполняют в ярме сердечника, а в высокоиспользуемых машинах - и в зубцах. Форма каналов в ярме может быть круглой, овальной, прямоугольной, ромбовидной, в зубцах - преимущественно прямоугольной (рис. 3.5). С точки зрения технологии изготовления предпочтительной является круглая форма канала, с точки зрения загрузки магнитной цепи – овальная, т. к. она в меньшей мере уменьшает высоту ярма (в меньшей мере приводит к увеличению индукции в ярме и, следовательно, меньше влияет на габариты сердечника) и обеспечивает большую площадь снятия потерь. При невозможности выполнения каналов в сердечнике (это особенно проявляется в машинах малой мощности, имеющих небольшие диаметры), они могут быть сформированы конструкцией активных и конструктивных частей электрической машины. На рис. 3.6а показан канал, образованный внешней поверхностью сердечника статора и внутренней поверхностью станины, а на рис. 3.6б показан надпазовый канал.

Рис. 3.4. Аксиальная (а), радиальная (б) и аксиально-радиальная (в) системы вентиляции

Аксиальная система вентиляции конструктивно проще радиальной, позволяет реализовать высокую эффективность теплосъема с поверхности за счет обеспечения высокой скорости потока в каналах, а следовательно, и коэффициента теплоотдачи путем выбора соответствующего сечения последних. Существенным недостатком аксиальной системы вентиляции является резко выраженная неравномерность температуры по направлению движения охлаждающего потока, причем эта неравномерность увеличивается с ростом осевой длины магнитопровода.

Рис. 3.5 Форма аксиальных каналов в ярме и зубцах сердечника

При радиальной системе вентиляции (рис. 3.4б) охлаждающие потоки движутся радиально по отношению к оси вращения по специальным сформированным радиальным каналам. В сердечниках статоров и роторов эти каналы образуются путем разделения полной длины активной стали на отдельные пакеты по 40 – 80 мм с установкой между ними специальных вентиляционных распорок в форме двутавра с высотой полки, обычно равной 10 мм. В обмотках возбуждения (например, синхронных машин) образование радиальных каналов достигается секционированием обмотки путем установки распорок из изоляционного материала между слоями.

а) б)

Рис. 3.6. Формирование аксиальных каналов конструкцией электрической машины

Достоинствами радиальной системы вентиляции являются:

-  применимость этого принципа охлаждения ко всем электрическим машинам;

-  возможность осуществления забора воздуха с обоих торцов электрической машины, что обеспечивает большую равномерность распределения температуры;

-  возможность использования конструктивных элементов (вентиляционных распорок, полюсов и т. д.) в качестве напорных устройств.

Основным недостатком радиальной системы вентиляции является её низкая эффективность при малых окружных скоростях. При движении потока от центра к периферии системы имеем согласно-радиальную систему вентиляции, при обратном движении - встречно-радиальную. В последнем случае должны устанавливаться компенсаторы напора, создаваемого конструктивными элементами. Встречно-радиальная вентиляция обеспечивает более равномерное распределение охлаждающего потока по радиальным каналам и, следовательно, меньшую неравномерность распределения температуры по длине машины.

Радиально-аксиальная система вентиляции (рис.3.4в) позволяет более полно реализовать достоинства обеих систем и, как правило, находит применение в крупных электрических машинах с высоким использованием активного объема.

3.2. Задачи вентиляционного расчета

Вентиляция электрической машины позволяет за счет воздушного (или газового) потока отводить все тепло, обусловленное потерями в активном объеме, за исключением тепла, выделяемого в подшипниковых узлах. Количество охлаждающего воздуха (газа), прогоняемого через электрическую машину, должно быть достаточным для обеспечения допустимых значений перегревов активных частей, устанавливаемых ГОСТами. Недостаточный расход охлаждающей среды приведет к нагреву больше допустимого, а чрезмерный расход – к увеличению затрат энергии на вентиляцию и, следовательно, к уменьшению коэффициента полезного действия электрической машины. Исходной величиной для вентиляционного расчета является требуемый расход охлаждающего газа Qн, определяемый суммой греющих потерь,

, (3.1)