Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике: Учебное пособие, страница 3

Электромеханическое преобразование энергии базируется на физических законах, основными из которых являются законы электродинамики и механики. Обширные исследования в этих областях позволили достаточно полно раскрыть физическую картину явлений и разработать методы электромагнитного и механического расчетов электрических машин при их проектировании.

Электромагнитный расчет электрических машин обладает достаточной общностью и, в основном, не зависит от принципа действия и назначения электрической машины. Методики расчетов электрических машин общепромышленного назначения достаточно полно приводятся в учебной и научной литературе [2, 11, 13, 14, 15, 16, 17]. Рекомендации базирующиеся на статистических данных выпускаемых электрических машин позволяют сократить время выбора оптимального варианта даже при применении материалов с более высокими физическими свойствами и новых конструктивных решений. Методы электромагнитных расчетов электрических машин специального назначения (электрические машины систем автоматики, индукторные, с постоянными магнитами, тяговые и др.) также достаточно отражены в научной литературе.

Достаточная обширность источников по электромагнитному расчету электрических машин позволяет успешно рассчитывать и новые машины оригинальной конструкции с соответствующей корректировкой методики расчета. Применение компьютерных технологий электромагнитного расчета также позволяет повысить точность расчета и существенно сократить время поиска наиболее рационального варианта.

Однако спроектировать нормально работающую электрическую машину с высокими технико-экономическими показателями невозможно без разработки систем охлаждения и тепловых расчетов. Система охлаждения представляет собой совокупность каналов охлаждающего тракта, по которым движется охлаждающая среда (газ или жидкость), под действием напорных элементов – вентиляторов, насосов, конструктивных элементов самой электрической машины или подобных им устройств, обеспечивающих направленное движение охладителя. Основное требование к системе охлаждения состоит в том, что она должна обеспечить допустимый уровень нагрева важнейших систем  или частей электрической машины (обмоток, подшипников и т.д.). Это является необходимым условием долговечности и надежности работы электрической машины.

Теоретической базой для разработки систем охлаждения являются законы гидродинамики, в особенности, такие её разделы, как инженерная гидравлика, аэродинамика и теория вентиляторов. Методы гидравлики применяются для расчета течения жидкостей и газов, если не учитывать их сжимаемость и термодинамические явления при их движении, что справедливо в большинстве практических случаев. Гидравлический (аэродинамический) расчет электрической машины сводится к определению гидравлического (аэродинамического) сопротивления системы охлаждения, потерь давления в каналах охлаждающего тракта от входа охладителя в электрическую машину до выхода из неё, а так же скоростей движения охладителя в каналах.

Аэродинамической (гидравлической ) характеристикой системы охлаждения называется связь между потерями давления ( напора) в каналах охлаждающего тракта и расходом охладителя в нем:

где H – напор (давление), кг/м²;

      Q – расход охладителя, м³/сек

       - аэродинамическое (гидравлическое ) сопротивление охлаждающего тракта, .

Потери давления в каналах охлаждающего тракта складываются из путевых (потери на трение при движении охлаждающей среды) и местных, связанных с изменением градиента давления на сравнительно коротком участке (изменение сечения канала, повороты и т.д.).

Обычно основную долю аэродинамического (гидравлического) сопротивления электрических машин составляют местные сопротивления, и только в крупных машинах и турбогенераторах с непосредственным охлаждением (охлаждающая среда движется по каналам в проводниках обмоток статора и ротора) существенную роль играют путевые сопротивления. Расчет путевых и местных сопротивлений ведется с использованием опытных значений коэффициентов аэродинамических сопротивлений [9].