10. Тепловой расчет

При работе двигателя в нем возникают потери, которые выделяются в виде тепла и отводятся охлаждающим воздухом. Тепло, выделяющееся в машине, вызывает повышение температуры отдельных ее частей. Наиболее чувствительной к нагреву является изоляция обмоток машины. Повышение температуры обмотки на 10-12 выше допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое. Поэтому очень важно правильно выбрать тепловой расчет машины.

На нагревание электрической машины влияет режим работы машины и температура охлаждающей среды. Поэтому вводится понятие перегрева и или превышение температуры различных частей машины ф над температурой окружающей среды фохл , т.е.

Допустимый нагрев обмоток зависит от класса изоляции машины (при температуре охлаждающего воздуха + 400 С).

На стадии проектирования электрической машины расчётным путём определяют превышение температуры отдельных наиболее важных частей машины, и тем самым контролируют правильность выбранных электромагнитных нагрузок.

Тепловой расчёт машины может быть установившимся и неустановившимся. Для электрических машин общепромышленного применения, предназначенных для длительного режима работы, обычно производят расчет установившегося теплового режима. При расчёте нагрева для упрощения машину считают как однородное тело. В этом случае передача тепла в окружающую среду происходит путём теплопроводности и теплорассеяния с охлаждаемых поверхностей, а температура изменяется по экспоненциальному закону:

- при нагреве;

- при охлаждении машины;

- установившийся нагрев;

T - постоянная времени нагревания, т.е. время, в течение которого машина нагреется до установившейся температуры, если не будет передачи тепла в окружающую среду.

При передаче тепла от источника тепла к окружающей среде происходит перепад температуры в активных частях машины, в толщине изоляции и между охлаждающими поверхностями и окружающей средой. Так как теплопроводность стали сердечника велика, то перепадом температуры в толще металла, обмотки и сердечника пренебрегают. Обычно ограничиваются определением среднего перегрева обмоток, т.е. считают, что температура обмоток в стали сердечника во всём объёме постоянна. В этом случае тепловой расчёт сводится к определению перепада температуры в пазовой изоляции и превышений температуры внешней поверхности статора и лобовых частей над температурой охлаждающего воздуха.

Температурный перепад по толщине изоляции

Проводники обмоток асинхронных двигателей имеют эмалевую изоляцию, а секции изолируются друг от друга и от паза, поэтому слой изоляции оказывается достаточно толстым. Теплопроводность изоляции весьма низка и не является одинаковой по толщине изоляции. Особенно отрицательную роль в тепловом режиме машины играют воздушные прослойки в пазовой изоляции, т.к. теплопроводность воздуха еще хуже, чем изоляции. Поэтому обмотки электрических машин, как правило, пропитывают компаундами в специальных вакуум-аппаратах, чтобы вытеснить воздух из изоляции и улучшить её теплопроводность. Для практических тепловых расчетов применяют на основании опытных данных значение эквивалентной удельной теплопроводности , равное 16•10-3 Вт/град·мм для изоляции класса F (компаундированной).

Температурный перепад в пазовой изоляции определяется по формуле

где: -коэффициент для приведения потерь в меди при расчетной температуре к максимально допустимой температуре. При изоляции класса F .

П1 - периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения паза

статора, мм; для трапецеидальных полузакрытых пазов

;

односторонняя толщина изоляции в пазу статора, мм, принимаемая по (1, табл. 14).

эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки из круглого провода, определяемый по (1, рис. 24). Вт/(мм·0С).

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:

,

где: б1 - коэффициент теплопроводности с поверхности сердечника статора, Вт/мм2 0С, выбирается по (1, рис.25); б1 = 11,5·10-5 Вт/мм2· 0С.

коэффициент, учитывающий долю потерь в сердечнике статора, передаваемых воздуху двигателя, определяемый по (1, табл.24). k = 0,2

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:

.

Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора:

.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой внутри двигателя

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды:

где:- сумма всех потерь двигателя при предельной допускаемой температуре за исключением: доли потерь в статоре, передаваемых через наружную поверхность сердечника, а для двигателей со степенью защиты IP44 исключают еще мощность, потребляемую наружным вентилятором, которую принимают примерно равной

условная поверхность охлаждения двигателя, мм2; для двигателей со степенью защиты IP44:

где: - число и высота ребер по (1, рис.26).

- коэффициент подогрева воздуха, Вт/мм2 0С по (1, рис.27).

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды

Полученный перегрев меньше допустимого для изоляции класса F.