Электрическая машина – устройство, предназначенное для преобразования энергии за счёт явлений электромагнитной индукции и силы Ампера. Из классификации электрических машин выделяется два типа вращающихся электрических машин: электродвигатели и электрогенераторы. Эти классы имеют очень схожие конструкции, но различаются направлением преобразования энергии. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, электрогенераторы – наоборот.Конструкция вращающихся электрических машин предусматривает два важнейших активных элемента – ротор и статор, изображённые на рисунках 1 и 2 соответственно. Ротор – вращающийся элемент, статор – покоящийся. В процессе работы электрической машины в её активных частях возникают тепловые потери, связанные с индукцией и с течением тока по проводникам. Также неизбежно возникновение механических потерь на подшипниковых узлах. Тепловые потери нагревают части электрических машин, что, при недостаточном их охлаждении, вызывает их перегрев и, как следствие, уменьшение срока службы или выход из строя всей установки. Кроме того, чем интенсивней осуществляется охлаждение, тем большую мощность можно получить при заданных габаритах [2]. Охлаждение заключается в отводе теплоты от частей электрической машины за счёт обдува их потоком воздуха или другого газа, или пропускания через них охлаждающей жидкости по предусмотренным каналам охлаждения.

Ротор электродвигателя. Охлаждение электродвигателей и генераторов.
Рисунок 1. Ротор электродвигателя [5]. 1 — сердечник; 2 — обмотка ротора; 3 — вал ротора; 4 — подшипниковый щит
Статор электродвигателя. Охлаждение электродвигателей и генераторов.
Рисунок 2. Статор электрической машины [5]. 1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — корпус

Типы схем охлаждения электрических машин

Электродвигатели и генераторы по своим габаритам, соотношению длины к ширине, скорости вращения ротора, степени защиты бывают совершенно разными, поэтому невозможно создание универсального единого способа их охлаждения. Наиболее распространено воздушное охлаждение, ввиду наибольшей конструктивной простоты этого способа, но бывают и более эффективные теплоносители. Например масло, водород или вода. В этой работе рассмотрим воздушное охлаждение, как наиболее распространённое.
В зависимости от путей течения воздуха в современных электрических машинах наиболее часто применяются аксиальная (рисунок 3) и радиальная (рисунок 4) схемы вентиляции [4].

Аксиальная схема вентиляции. Охлаждение электродвигателей и генераторов.
Рисунок 3. Аксиальная схема вентиляции в разрезе над осью вращения. Вертикальной штриховкой изображено активное железо статора и ротора, тонкими стрелками – направление течения воздуха.

В аксиальной системе вентиляции холодный воздух заходит сбоку и поступает одновременно в осевые каналы статора и ротора и в зазор. С противоположного от входа края из аксиальных каналов и зазора подогретый воздух выходит и выдувается центробежным вентилятором. Недостатки такой схемы заключаются в том, что воздух, проходя по каналам, нагревается, что уменьшает эффективность охлаждения. Как следствие, температура частей двигателя со стороны выхода воздуха выше, чем со стороны входа. Равномерного распределения температуры на длинных электрических машинах добиться при такой схеме сложно, поэтому её часто применяют на коротких двигателях и генераторах. Достоинство такой схемы в том, что и в ротор и в статор поступает холодный воздух, в отличии от радиальной схемы.

Радиальная схема вентиляции. Охлаждение электродвигателей и генераторов.
Рисунок 4. Радиальная схема вентиляции

На рисунке 4 изображена половина электродвигателя с радиальной схемой вентиляции над осью вращения в разрезе. При использовании радиальной схемы вентиляции активное железо делится на пакеты, а между пакетами расположены воздушные каналы охлаждения. Роль напорного элемента в такой схеме выполняет ротор, работающий по принципу центробежного вентилятора. С двух сторон воздух входит в аксиальные каналы ротора и поворачивает в радиальные каналы. Центробежная сила создаёт напор воздуха, который выдувается в расположенные напротив радиальные каналы статора. Главным недостатком схемы является то, что в статор заходит воздух, подогретый в роторе. Однако, зачастую это компенсируется высокой интенсивностью охлаждения в радиальных каналах за счёт характера течения воздуха в них и большой площадью охлаждения. Радиальная система вентиляции является наиболее распространённой, а самым горячим местом в таких устройствах зачастую является обмотка статора и железо сердечника вблизи неё. Чтобы не допустить перегрева готового образца, на стадии проектирования важно предвидеть нагрев основных частей электрической машины. Для этого прибегают к тепловым расчётам электродвигателей и генераторов.

Основные уравнения теплообмена в электрических машинах

Как правило, расчёт электродвигателей и генераторов производится для стационарного номинального режима работы. В стационарной задаче подогрев воздуха, прошедшего через канал охлаждения, через статор или ротор, или через электродвигатель в целом, зависит от теплоты, которую он отнял у охлаждаемых элементов P, Вт, от объемного расхода воздуха Q, м3/с, и от физических свойств воздуха при средней температуре в электродвигателе: плотности ρ, кг / м3 и удельной теплоёмкости при постоянном давлении cp, Вт/(кг∙К) [7].

ΔT = P / (cpρQ)

Теплота, которую воздух снимает с поверхности, зависит от площади поверхности S, м2, разницы температур между средой и охлаждаемой поверхностью ΔT, и от коэффициента теплоотдачи α, Вт / (м2 К). Физический смысл коэффициента теплоотдачи – количество теплоты, которым обмениваются текучая среда и твёрдое тело на площади поверхности 1 м2 при разнице температур между ними в 1 градус [3]. Коэффициент теплоотдачи зависит от характера течения текучей среды, от её физических свойств. Коэффициент теплоотдачи – исключительно опытная величина. На сегодняшний день существует обширная экспериментальная база, позволяющая определить эти коэффициенты в каналах различной формы, с различных форм поверхности теплообмена.

Q = αΔTS

Распространение теплоты внутри твёрдого тела описывается законом Фурье Q = λSΔT / l, где Q – тепловой поток между двумя точками в материале, Вт; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт / (м ∙ К); S – площадь прохода тепла, м2; а ΔT – разница температур между рассматриваемыми точками, ̊ С [8].

Тепловой расчёт статора электродвигателя с радиальной системой охлаждения

Для демонстрации возможностей современных мультифизичных вычислительных пакетов программ в отношении расчётов теплового состояния твёрдого тела, выполним численный расчёт нагревов активных частей статора электродвигателя с радиальной системой вентиляции.
В расчёте будем рассматривать лишь сектор статора. Это допущение справедливо, поскольку температуры во всех остальных таких же секторах статора будут аналогичны из-за одинаковых тепловых потерь и условий охлаждения. Теплового взаимодействия между аналогичными секторами, в виду отсутствия разницы температуры, не будет. В существующих электрических машинах пакеты сердечника состоят из большого количества тонких металлических пластин, покрытых смолой для изоляции друг от друга. Это неизбежно вызывает увеличение теплового сопротивления при распространении тепла в направлении поперёк листов [6]. В расчётной модели не учитывается такая структура сердечника, а увеличенное тепловое сопротивление заменено уменьшенным коэффициентом теплопроводности λ в этом направлении.

Температура воздуха, обдувающего поверхности активных частей статора, рассчитана с применением формулы ΔT = P / (cрρQ), а коэффициенты теплоотдачи с поверхностей вычислены по эмпирическим соотношениям, представленным в источнике[1].

В результате была получена картина распределения температуры в рассчитанном секторе статора. Видно, что при заданных граничных условиях, распределение температуры неравномерное: в выступающих частях обмотки статора она достаточно низкая, а в середине сердечника высокая. Исходя из полученных температурных полей, можно выбрать класс изоляции по термостойкости, принять технические решения, которые приведут к выравниванию температурного поля по длине статора и, как следствие, меньшей максимальной температуре.

Тепловой расчет.
Рисунок 5. Результаты расчета сектора статора. Вид со стороны «разреза» железа.
Тепловое поле.
Рисунок 6. Результаты теплового расчета статора. Температура обмотки.

Заключение

В работе рассмотрены основные типы схем воздушного охлаждения электродвигателей и генераторов, кратко представлена математическая модель, определяющая стационарное тепловое состояние системы «твёрдое тело-охлаждающая среда»; дано общее представление о тепловых расчётах электрических машин, представлены результаты расчёта.
Правильно спроектированный с тепловой точки зрения электродвигатель или электрогенератор способен непрерывно выполнять свои функции на протяжении срока службы без перегревов, при этом имея компактные габариты корпуса.

Статья из третьего выпуска интернет-журнала «Стройка Века» «Энергетика в эпоху декарбонизации». Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую версию можно по ссылке.
Читайте также следующую статью выпуска:

Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:

Подписаться на рассылку

Над статьей работали:

Авторы: Беляева А.С., Тищенко К.О.
Редактор: Нестеров И.А., Рогов Л.В.
Эксперт: Федотов А.А.
Верстка: Беляева А.С.

Источники
  1. Альпер Т. И., Сергиевская Т. Г. Охлаждение гидрогенераторов. Под ред. П. М. Ипатова. М., «Энергия», 1969, 200 с.
  2. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчёты в электрических машинах: Учеб. Для вузов по спец. «Электромеханика». М.:Высш. шк., 1989. – 239 с.
  3. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин, пер. с нем. М., — Л., Госэнергоиздат, 1961.
  4. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, М., «Энергия», 1969.
  5. Лихачёв В. Л. Справочник обмотчика асинхронных электродвигателей. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 240 с.
  6. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М., «Энергия», 1971. 216 с.
  7. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972.
  8. Юдаев. Б. Н. Теплопередача. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1973. 360 с.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *