Для стержневых обмоток ротора асинхронных машин допускается по согласованию с заказчиком иметь превышения температуры, указанные для однорядных обмоток возбуждения.

Превышения температур не должны превосходить допустимых значений для соприкасающихся обмоток.

какова. Теплопроводность материала определяет перепад температуры в нем.

Перепадом температуры в металлах пренебрегают из-за их высокой теплопроводности, а учитывают перепад температуры лишь в изоляции и между охлаждаемой поверхностью и охлаждающей средой.

Перепад температуры, С, в изоляции обмотки прямо пропорционален толщине изоляции биз и обратно пропорционален площади сечения изоляции 5яз в направлении, перпендикулярно направлению теплового потока

Ае з = Сб зА з5 з, (3.1)

где Q - количество теплоты, проходящей через изоляцию в единицу времени.

Если применена композиционная изоляция, то общий перепад температуры в изоляции обмотки определяется суммой превышений температур отдельных слоев:

.A 3i+...+ S 3 A 3 ), (3.2)

где Я,из1,..., А.ИЗП - коэффициенты теплопроводности изоляционных слоев.

Теплопроводность воздуха намного меньше теплопроводности изоляционных материалов. Поэтому наличие воздушных прослоек в многослойной изоляции приводит к снижению теплопроводности изоляции машины. Устранению этого нежелательного явления способствует пропитка обмоток.

Отвод теплоты с поверхности нагретого тела происходит лучеиспусканием (излучением теплоты в окружающее пространство) и

передачей теплоты конвекцией, обусловленной движением воздуха относительно охлаждаемой поверхности. Превышение температуры нагретой поверхности относительно температуры охлаждающего воздуха с учетом всех видов теплопередачи, °С,

Д0пов = Спов/5пов пов, (3.3)

где QnoB - тепловой поток через поверхность охлаждения; 5пов - площадь охлаждаемой поверхности; Опов - коэффициент теплоотдачи с поверхности.

Значения коэффициентов пов определяют экспериментально на различных видах электрических машин.

Эксперименты по исследованию тепловых процессов в электрических машинах, а также многочисленные тепловые расчеты показывают, что физическая картина тепловых процессов в электрических машинах очень сложна и точное определение распределения температур путем теплового расчета практически невозможно. Поэтому при проектировании электрической машины ограничиваются приближенным тепловым расчетом с применением ряда коэффициентов, значения которых установлены экспериментально, в результате исследования тепловых процессов большого числа различных электрических машин.

Приближенный тепловой расчет машины основан на ряде допущений, основными из которых являются следующие:

1) температура обмоток в рассматриваемом объеме одинакова;

2) температура стали статора и ротора (якоря) во всем объеме одинакова;

3) потери, выделяющиеся в активной части статора и ротора (якоря), отводятся через цилиндрическую поверхность сердечников и поверхность вентиляционных каналов;

4) потери в лобовых частях обмотки статора и ротора (якоря) отводятся через цилиндрическую поверхность этих частей.

Упрощенные тепловые расчеты электрических машин приведены в соответствующих главах, посвященных проектированию конкретных видов электрических машин.

3.3. РАСЧЕТ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА

В электрических машинах общего назначения преимущественное применение прлучили два способа искусственного охлаждения - внутренняя самовентиляция (IC01) машин защищенного исполнения (IP22 н IP23) и наружная самовентиляция (IC0141) машин закрытого исполнения (IP44).

Принудительное движение воздуха при указанных способах охлаждения создается центробежным вентилятором с радиальным расположением лопаток (рис. 3.4). Основными размерами такого вентилятора являются наружный диаметр Dh, внутренний диаметр £>вн, ширина лопаток Ьд и их число Лл. Вентилятор жестко закреплен на валу машины, так что при ее работе он вращается вместе с ротором (якорем). При этом перемещение охлаждающего газа - воздуха - происходит под действием центробежных сил, воздействующих на воздух, попавший на лопатки вентилятора. Эти силы, будучи направленными перпендику-

лярно оси вращения вентилятора, создают разряжение воздуха на стороне внутреннего диаметра вентилятора Dbh и создают избыточное давление (напор) на стороне наружного диаметра Dn-

Расчет центробежного вентилятора состоит в определении его размеров Da, Dbb, Ьл и Мл, которые при заданной частоте вращения ротора (якоря) п обеспечат требуемый расход охлаждающего воздуха Qb, м/с.

Рнс. 3.4. Центробежный вентилятор

3 4 Б810 го ho во 100 zoo тр /п

Рис. 3.5. Зависимость аэродинамического сопротивления Z, Па-с/м, вентиляционной системы машины от

РвомМном

При внутренней самовентиляции (IC01)

г Qb = 0,45-10-3 2Рв/Авв, (3.4)

где S/b - суммарные потери в машине, отводимые в воздух внутри двигателя, Вт; Двв - превышение температуры воздуха на выходе из машины над температурой воздуха на входе в машину, С.

При наружной самовентнляции (IC0I41)

Qb = 0,9-10-3 /п2Яв Уп 10-3 д. iO-2/двв. (3.5)

Значения коэффициента т принимают в зависимости от высоты оси вращения машины h и числа полюсов 1р:

А, мм......... 56-132 56-132 160-400 160-400

2р............ 2 4-8 2 4-12

т ............ 2,6 1,8 3,3 2,5

Ниже приведен упрощенный расчет центробежного вентилятора для электрических машин общего назначения.

Наружный диаметр вентилятора Dh принимают в зависимости от конструкции машины и системы вентиляции: при аксиальной вентиляции DbO.ODih, где £>1 - наружный диаметр сердечника статора, мм. При радиальной вентиляции £н~2, где Dj -наружный диаметр ротора (якоря), мм. При наружном обдуве машины (IC0141) обычно принимают Dh (1.6- l,8)/i.

Окружная скорость лопаток по наружному диаметру вентилятора, мс,

у = я£> я/60-10з. (3.6)

Поперечное сечение межлопаточного канала на выходе воздуха, мм-,

5в=2-10 Св/0,45Ун. Окружная скорость лопаток по внутреннему диаметру вентилятора, м/с,

I,85Zq2;

(3.7)

(3.8)

здесь 1 - аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети электрической машины, Па-см . Расчет этого сопротивления трудоемок, и его точное определение весьма затруднено. Поэтому при практических расчетах вентиляции иногда пользуются упрощенными методами для определения 1. Так, для двигателей с наружной самовентиляцией (IC0141) аэродинамическое сопротивление

(3.9)

Z= 12,3 ( . 10-3)2 (d.10-2)2/q2

Для электрических машин с внутренней аксиальной самовентиляцией (1С01) аэродинамическое сопротивление Z определяют по рис. 3.5.

Внутренний диаметр вентилятора, мм,

1)вн = 60-103ув /яп. (3.10)

Для центробежных встроенных вентиляторов отношение диаметров должно быть D /Z)bh=1,2-1,5; для вентиляторов наружного обдува Z)h/£bb=2,0-j-2,5. Число лопаток вентилятора

Лл = (6--10)йн/Фн-?вн)- (3-и

В целях уменьшения вентиляционного шума рекомендуется применять число лопаток нечетным. i

Площадь одной лопаФки вентилятора, мм,

5л = 5в(йн-?вн)/2яДн- (3-12)

Ширину лопаток выбирают в зависимости от принятой их формы в соответствии с полученным при конструировании машины значением площади 5л. Конструкция центробежного вентилятора должна быть жесткой, а отверстия в подшипниковых щитах для входа и выхода воздуха должны иметь скругленные края.

Глава четвертая

ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЫ И СООТНОШЕНИЕ

ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

4.1. ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Главными размерами электрической машины называются внутренний диаметр сердечника статора (для асинхронных и синхронных машин) или наружный диаметр якоря (для машин постоянного тока) D и расчетная длина статора или якоря . Определение главных размеров машины является важнейшим этапом ее проектирования, так как правильно выбранные главные размеры во многом определяют рациональное использование активных материалов в машине.

Главные размеры зависят от ряда факторов: номинальных данных машины (мощности, частоты вращения), заданной высоты оси

вращения, выбранного класса нагревостойкости системы изоляции и других параметров, значения которых влияют на выбор электрической и магнитной нагрузок. Следует помнить, что определение главных размеров электрической машины - это задача, имеющая несколько решений. Поэтому для получения некоторых данных, в частности электромагнитных нагрузок, важно умело воспользоваться многолетним опытом проектирования электрических машин.

Расчетная (электромагнитная) мощность Р,-, кВ-А, для асинхронных и синхронных машин определяется по формуле

Pim,E,I,-lO-\ (4.1)

где nil - число фаз обмотки статора; Ei и h - ЭДС, В, и ток, А, обмотки фазы статора.

Для машин постоянного тока расчетная мощность, кВт, равна

= 10-3, (4.2)

где £2 и /г - ЭДС, В, и ток, А, обмотки якоря. Электродвижущая сила обмотки статора. В,

Е = 4квПК,1и),Ф. (4.3)

где ks - коэффициент формы кривой поля в зазоре, при синусоидальном поле в=1,11; fi - частота тока в обмотке, Гц:

fi = рп/бО; (4.4)

ko6i - обмоточный коэффициент для основной гармоники ЭДС; Wi - число последовательно соединенных витков фазы обмотки J[для машины постоянного тока - число витков в параллельной ветви обмотки якоря); Ф - основной магнитный поток, Вб:

Ф = щ1,хВб, (4.5)

здесь т - полюсное деление:

т = лО/2р; (4.6)

а( - расчетный коэффициент полюсного перекрытия, равный отношению расчетной полюсной дуги &в к полюсному делению т, или отношению среднего значения магнитной индукции в зазоре Ввср к ее максимальному значению В(,:

щ = Ьь!х = Вбср/Вб . (4.7)

Обозначим число последовательно соединенных проводников, расположенных во всех пазах статора (якоря), Ni=2miWi. Тогда полный т,ок пазового слоя равен

IiNi = /1 2miWi.

Полный ток пазового слоя, приходящийся на единицу длины окружности статора (якоря), называется линейной нагрузкой, А/м,

Ai = 2miWiIi/nD (4.8)

Из (4.8) ток можно представить как

/i = nDAi/2mi Wi.

(4.9)

Подставляя в (4.1) выражения (4.3) и (4.9), а также учитывая (4.4) и (4.5), получаем

р. = {\0~m,\)kBko5inail,DB6Ai, (4.10)

k п/Р, = 6,1 10VB 061 Вб Аг, (4.11)

здесь D и h - в мм; л - в об/мин; Р; - в кВ А или в кВт; Be - в Тл; Л1 - в А/м.

Выражение (4.11) называется основным расчетным уравнением электрической машины. Введем понятие о машинной постоянной Арнольда

Сл= ВЧЛРМ (4.12)

Произведение DHt пропорционально активному объему машины {DHiV), а величина Р,/п пропорциональна электромагнитному моменту машины (Pi/nM). Следовательно, машинная постоянная С А дает представление о расходе активных материалов, приходящихся на единицу электромагнитного момента машины.

Преобразовав (4.11), получим

D4,1-ZrMdL-. (4.13)

Из (4.13) видно, что при заданных значениях мощности Pi и электромагнитных нагрузок Вб и Ai расход активных материалов в машине тем меньше, чем больше частота вращения п. Другими словами, быстроходные машины меньше по габаритным размерам и легче тихоходных.

Анализ (4.11) и (4.12) показывает, что хотя величину Сд и называют постоянной, она зависит от ряда величин и в первую очередь от магнитной Беи электрической Л] нагрузок машины. Обычно при проектировании машины ее мощность и частота вращения задаются. Поэтому активный объем машины (VDli) зависит от величины электромагнитных нагрузок Бе и Аи Например, если задаться пониженными значениями Бе и А\, то получим машину с большими габаритными размерами, но с высоким КПД, низкой рабочей температурой и, следовательно, с весьма продолжительным сроком службы. Другими словами, мы получим машину с большой затратой материалов при малых эксплуатационных расходах. Можно поступить и наоборот - задаться повышенными значениями Бе и Л] и получить машину с малыми габаритными размерами, но с низким КПД, высокой рабочей температурой, а следовательно, с малым сроком службы. Такая машина при малой затрате материалов будет иметь высокие эксплуатационные расходы. Вполне очевидно, что оба решения неприемлемы.

Практикой проектирования электрических машин установлейы рекомендуемые значения электромагнитных нагрузок Be и Ль которыми и следует пользоваться при расчете электрической машины. Однако следует помнить, что эти значения Be и Л1 с течением