книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

Магнитные потери. Основные магнитные потери (от гистерезиса и вихревых токов) в сердечниках ротора и статора Р0і и Рог связаны с периодическим перемагничиванием активной стали от основного потока машины. Различают перемагничивание статическое — при медлен­ ном изменении намагничивающего тока в определенных пределах, циклическое — от переменного тока и враща­ тельное— при вращении стали якоря в магнитном поле.

Потери в единице массы при циклическом перемагничивании выражаются эмпирической формулой Штейнметца

стота леремагничивания; ДмаКс— максимальное значение магнитной индукции и а — показатель степени (сх = 2для электротехнических сталей с присадкой кремния при ин­ дукциях от 0,8 до 1,6 гл).

У двигателей с короткозамкнутым ротором потери в стали Ро2, определяемые частотой скольжения, незна­ чительны, и ими пренебрегают.

Потери при вращательном перемагничивании Рш рас­

тут при увеличении магнитной индукции до 1,6 гл, но при дальнейшем увеличении индукции резко падают. В сердечнике якоря индукция обычно меньше 1,6 гл, и потери на вращательное перемагничивание рассчитыва­ ют по формуле Штейнметца с введением поправочного множителя 1,8 [Л. 1, 2].

Потери от вихревых токов определяются формулой

(1-17)

где 6 — толщина листа; ус и р — плотность и удельное сопротивление стали.

Добавочные потери в статоре Рді и роторе Рд2 в сум­ ме для большинства асинхронных двигателей мощностью до 100 кет составляют 1—5% номинальной мощности [Л. 3, 9, 10, 11] вместо 0,5% забираемой мощности, нор­ мируемых ГОСТ 183-66.

Существует несколько методов определения добавоч­ ных потерь [Л. 10, 11]. Раздельно рассчитать Рд1 и Р д2 можно по методу, описанному в работе [Л. 12].

12

Добавочные потери в машинах постоянного тока воз­ никают в стали сердечника и зубцов якоря, в стали и обмотках главных и добавочных полюсов вследствие пульсации магнитных потоков высшего гармонического состава.

Всинхронных машинах добавочные потери связаны

сполями рассеяния в пазовых и лобовых частях обмотки статора, индуктирующими вихревые токи как в меди об­

мотки статора, так и во всех близлежащих металличе­ ских массах (нажимных плитах, бандажах и т. д.). Второй причиной, вызывающей добавочные потери в син­ хронных машинах, являются гармонические м. д. с. ста­ тора и ротора. Несимметричная нагрузка машины также вызывает добавочные потери.

В синхронных машинах мощностью до 100 кет -вклю­ чительно допускается согласно ГОСТ 183-66 приближен­ ный учет добавочных потерь в размере до 1% номиналь­ ной мощности машины. Расчет отдельных составляющих добавочных -потерь может быть выполнен по методике, изложенной в работе ![Л. 11].

1-2. Виды, способы и системы охлаждения

Виды и способы охлаждения. В зависимости от нали­ чия или отсутствия тепловой изоляции между охлажда­ ющей средой и местами тепловыделения различают кос­ венное и непосредственное охлаждение частей электри­ ческих машин. Отсутствие тепловой изоляции позволяет резко снизить температурный перепад между охлаждае­ мым узлом и охлаждающей средой и отводить сущест­ венно больше тепла единицей расхода охлаждающей среды.

В качестве охлаждающей среды могут использовать­ ся газы или жидкости; соответствующие им способы охлаждения принято называть газовыми или жидкостны­ ми. В последнее время для охлаждения начал использо­ ваться тепловой эффект, сопровождающий испарение жидкостей. Такое охлаждение называется испаритель­ ным. Широкого практического применения в промыш­ ленных электромашинах оно пока не получило.

Подавляющее большинство машин небольшой и средней мощности охлаждается воздухом практически атмосферного давления. В крупных машинах — турбоге­ нераторах и синхронных компенсаторах — для охлаж­

13

ды или масла, позволяющее отводить большое количество тепла при небольших затратах мощности, применяется в мощных турбогенераторах, в машинах специальных конструкций, когда требуется особо низкий расход активных и конструктивных материалов «а еди­ ницу мощности машины, а также в тех случаях, когда машина по условиям своей работы должна быть погру­ жена в жидкость.

Размеры электрических машин и потери. Выбор вида охлаждения электрической машины определяется коли­ чеством тепла, которое должно быть отведено, и рас­ ходом охлаждающей среды, который может быть обес­ печен. С ростом мощности электрической машины растут как общее количество потерь, так и удельные тепловые нагрузки. Принято считать, что для подобных машин удельные электрические (плотность тока /) и магнитные (индукция В) нагрузки материалов сохраняются при­ близительно одинаковыми. Поэтому мощность машины N, пропорциональная току якоря (/= /S M) и магнитному потоку (<D = ß S 0T), пропорциональна линейным разме­ рам / в 4-й степени (рис. 1-3):

где SM и Sct — поперечные сечения меди и стали, про­ порциональные каждое /2.

14

Потери в машине складываются в основном из по­

в машинах малой мощности, и к. л. д. с ростом мощности увеличивается. Однако при неизменной .конструкции охлаждаемые поверхности и расходы охлаждающей среды возрастают только пропорционально квадрату линейного размера, следовательно, удельные тепловые нагрузки поверхностей и подогрев охлаждающей среды растут линейно с ростом мощности (размеров). Темпе­ ратура обмоток крупной машины будет выше, чем у .этого типа машины меньшего размера, если не принять специ­ альных мер.

Поэтому машины большой мощности приходится про­ ектировать с относительно большими размерами актив­ ных частей (сниженная плотность тока) или обеспечи­ вать их улучшенной системой отвода тепла (усиление вентиляции, увеличение коэффициентов теплоотдачи, увеличение охлаждаемой поверхности, переход к форси­ рованным способам охлаждения).

Системы охлаждения. Наибольшее распространение получили две системы охлаждения: радиальная и акси­ альная. Определяющим признаком является направле­ ние движения охлаждающей среды относительно оси вращения ротора машины. Радиальные системы подраз­ деляются на радиально-согласные и радиально-встреч­ ные. При этом они могут быть асимметричными и сим­ метричными относительно середины машины в зависи­ мости от организации вентиляционных контуров.

На рис. 1-4 и 1-5 приведены конструктивные схемы крупных электрических машин, имеющих радиальную и аксиальную системы охлаждения. Довольно часто в крупных электрических машинах используется сочета­ ние радиальной и аксиальной систем охлаждения.

По способу создания охлаждающего потока разли­ чают системы охлаждения с самовентиляцией и незави­ симой вентиляцией. В системах с самовентиляцией охлаждающий поток приводится в движение конструк-

15

Рис. 1-4. Радиальная система охлаждения турбогенератора мощ­ ностью 200 Мет.

тивными элементами самой машины или специальным устройством (вентилятор, компрессор), закрепленным на валу машины (рис. 1-5). В системах с независимой вен­ тиляцией движение охлаждающей среды обеспечивается посторонним компрессором с независимым приводом.

По связи с окружающей средой различают открытые и закрытые машины. Открытые машины охлаждаются

среде недопустим. В этом случае создаются закрытые машины, внутренняя полость которых полностью изоли­ рована от окружающей среды (рис. 1-6).

Рис. 1-5. Аксиальная система охлаждения турбогенератора мощ­ ностью 300 Мет.

16

В крупных машинах, как правило, охлаждающий газ, нагретый в машине, отдает свое тепло воде в специаль­ ном газоохладителе и затем снова возвращается в ма­ шину (рис. 1-4), поэтому такие машины являются за­ крытыми. Закрытые машины средней мощности снабжа­ ют радиаторами, передающими тепло от внутреннего воз­ духа наружному, который не попадает в машину. Такие машины иногда называют радиаторными.

Оценка систем охлаждения. Для оценки эффективно­ сти систем охлаждения электрических машин целесооб­ разно ввести следующие коэффициенты.

Коэффициенты, характеризующие тепловую нагрузку машины:

а) коэффициент тепловой напряженности

ных частей; б) коэффициент температурной напряженности

где Риз.макс — максимальная температура изоляции в ма­

где a — коэффициент теплоотдачи на поверхности кон­ такта твердого тела с охладителем;

б) коэффициент температурного состояния поверхно­

сти

где АТ — температурный напор на поверхности теплоот­ дачи; Фж —подогрев охладителя на длине охлаждаемой поверхности;

в) коэффициент удельного расхода охладителя

где QMaKc — больший из расходов охладителя, которые вычислены из условий обеспечения необходимого коэф-

18

фициента теплоотдачи и возможного увеличения тепло­ содержания охладителя, меньший расход обозначается

QМИН)

г) коэффициент использования охладителя

ходу тепла от поверхности охлаждения к охладителю; в) коэффициент использования поверхности

где 5охл — охлаждаемая поверхность и Sa — поверхность активных частей.

Коэффициенты, характеризующие экономичность охлаждения:

а) энергетический коэффициент экономичности

где Gа— масса активных частей и G0— дополнительная масса, связанная с наличием и работой системы охлаж­ дения;