Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах (Тепловой расчет)

4 Тепловой расчет

Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах сопровождается преобразованием электрической или механической энергии в тепло. Тепло, выделяемое при работе машины, нагревает отдельные части электрической машины, повышая их температуру. Чрезмерное повышение температуры может вызвать в электрических машинах снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток. Поэтому необходимо знать превышение температуры над температурой окружающей среды отдельных частей электрической машины, таких как пазовая часть обмотки, лобовая часть обмотки и сердечник.

Тепловой расчет с помощью тепловых схем замещения.

Тепловая схема статора машины переменного тока при различных температурах воздуха у теплорассеивающих поверхностей представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Тепловая схема замещения

В случае одинаковой температуры охлаждающего воздуха у теплорассеивающих поверхностей схему представленную на рисунке 4.1 можно заменить на схему представленную на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Тепловая схема замещения

Из схемы видно что статор разбит на три условно однородных в тепловом отношении тела, являющиеся источниками тепла:

пазовая часть обмотки статора с потерями кВт;

лобовая часть с потерями кВт;

стальной сердечник статора с потерями Вт.

В схеме на рисунке 4.2 имеется восемь неизвестных: ,  и – средние температуры пазовой части обмотки, лобовых частей и сердечника статора; ,,, и  – тепловые потоки. Для определения этих неизвестных составим систему уравнений 4.1:

Если , то в результате совместного решения этих уравнений найдем средние температуры отдельных частей статора, равные превышениям температур.

Для решения системы уравнений 4.1 необходимо знать все тепловые сопротивления.

4.1 Расчет тепловых сопротивлений

4.1.1 Тепловое сопротивление обмотки между пазовой и лобовой частями.

,

где ,– коэффициент теплопроводности меди.

4.1.2 Тепловое сопротивление между пазовой частью обмотки и сердечником

,

где тепловое сопротивление пазовой изоляции

;

тепловое сопротивление воздушных прослоек

;

4.1.3 Тепловое сопротивление лобовой части обмотки

,

где тепловое сопротивление изоляции лобовой части

тепловое сопротивление теплоотдачи с лобовых частей

;

,– коэффициент теплоотдачи;

м/с, – скорость воздушного потока;

;

4.1.4 Тепловое сопротивление обмотки статора в радиальных каналах

,

где тепловое сопротивление изоляции в радиальном канале

тепловое сопротивление теплоотдачи с поверхности обмотки в радиальном сечении

;

;

м/с.

4.1.5 Тепловое сопротивление сердечника статора

.

4.1.5.1 Тепловое сопротивление пакетов сердечника в осевом направлении

,

где тепловое сопротивление пакета поперек листов электротехнической стали

;

– коэффициент теплопроводности стали поперек листов;

тепловое сопротивление теплоотдачи с боковой поверхности пакетов

;

;

м/с.

4.1.5.2 Тепловое сопротивление в направлении наружной поверхности сердечника статора

,

где тепловое сопротивление ярма вдоль листов стали

;

– коэффициент теплопроводности стали;

тепловое сопротивление теплоотдачи с наружной поверхности сердечника статора

;

;

м/с.

4.1.5.3 Тепловое сопротивление в направлении внутренней поверхности сердечника статора

,

где тепловое сопротивление зубцов вдоль листов

сопротивление теплоотдачи с внутренней поверхности сердечника статора

;

;

м/с.

4.2 Расчет перегревов активных частей

Для определения перегревов необходимо решить систему уравнений 4.1. Представим исходную систему уравнений в более удобном для расчетов виде:

                                                       (4.2)

где ,– проводимость.

Решим систему 4.2:

4.3 Перегревы

4.3.1 Средний перегрев пазовой части обмотки

<.

4.3.2 Средний перегрев лобовых частей обмотки

<.

4.3.3 Средний перегрев сердечника статора

<.

4.3.3 Средний перегрев однорядной обмотки возбуждения

< (см. электромагнитный расчет).

Превышения температуры активных частей СД над температурой окружающего воздуха (+40^оС) соответствуют требованиям ГОСТ 183-74 (для изоляции класса нагревостойкости В).