Тепловой и вентиляционный расчеты

Тепловой расчет машины постоянного тока. Расчет проводим по упрощенной методике, изложенной в § 5-3. Начинают с определения потерь при сопротивлениях, приведенных к максимально допускаемой температуре, площадей поверхностей охлаждения и удельных тепловых потоков, приходящихся на единицу этих площадей. Затем с учетом установленных практикой электромашиностроения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности определяют превышения температуры обмоток и коллектора.

При расчете приняты следующие положения и допущения.

1. Потери в обмотках, за исключением параллельной или независимой обмоток главных полюсов, вычисляют при сопротивлении, приведенном к максимально допускаемой температуре, для чего сопротивление, определенное при 20°С, умножают на коэффициент m '_т (см. § 5-1). Потери ; следовательно, наиболее неблагоприятные условия для этой обмотки не соответствуют сопротивлению, приведенному к максимально допускаемой температуре, и их принимают равными вычисленным ранее для определения КПД.

2. При определении Dt_в в (10-339) принимают, что воздух внутри машины нагревается суммой всех потерь за вычетом части потерь в обмотках возбуждения главных и добавочных полюсов, а также в компенсационной обмотке, передаваемых непосредственно через сердечники полюсов и станину наружному охлаждающему воздуху; у машин со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141, кроме того, исключают потери на трение о воздух наружного вентилятора, составляющие ~0,9(). Доля потерь указанных выше обмоток, которые нагревают воздух внутри машины, равна коэффициенту k:

3. Для обмоток, выполняемых с изоляцией «Монолит», у машин со степенью защиты IP22 и способом охлаждения IC01, а также у машин со степенью защиты IP22, IP44 и способами охлаждения IC17, IC37 значения Dt'₂, полученные из (10-335), снижают на 20%, а значения D t'_п из (10-374) и Dt '_д из (10-368) – на 30%.

4. Формулы (10-332) и (10-334) соответствуют машинам с полузакрытыми пазами якоря. Первый член в скобках учитывает перепад температуры в изоляции пазов или лобовых частей обмотки якоря, а второй – в изоляции круглых проводов катушек обмотки. Для машин с открытыми пазами якоря и обмоткой из прямоугольных проводов применяют эти же формулы, причем второй член в виду его малой величины принимают равным нулю. Для обмоток якорей, не имеющих наружной изоляции катушек в лобовых частях, первый член, указанный в скобках формулы (10-334), принимают равным нулю.

5. При отсутствии аксиальных вентиляционных каналов в якоре второй член в скобках формулы (10-320) принимают равным нулю.

6. Формулы (10-373) и (10-367) для обмоток главных и добавочных полюсов соответствуют выполнению обмоток из круглого провода; первый член в скобках учитывает перепад температуры в наружной изоляции катушек, а второй — в изоляции круглых проводов катушек. При прямоугольных изолированных проводах применяют эти же формулы, причем второй член, в виду его малой величины у прямоугольных проводов, принимают равным нулю. Для обмоток, не имеющих наружной изоляции катушек, первый член в скобках указанных формул принимают равным нулю.

7. Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения катушек обмоток возбуждения главных П_п и добавочных П_д полюсов может быть рассчитан по эскизу размещения обмоток в междуполюсном окне. При этом поверхности катушек, прилегающие к сердечникам полюсов, не учитываются. Приближенные значения П_п и П_д в зависимости от количества полюсов представлены ниже:

8. Последовательную стабилизирующую обмотку главных полюсов, выполняемую из таких же проводов как обмотку добавочных полюсов, тепловому расчету не подвергают.

9. Машины со степенью защиты IP44 и способами охлаждения IС0141 и IC0041, изготовляемые с относительно небольшой мощностью (до ~50 кВт), компенсационной обмотки не имеют, поэтому в (10-337) и (10-338) не указаны потери в компенсационной обмотке.

Тепловой расчет обмоток и коллектора машины, работающей в номинальном режиме, производят в такой последовательности.

Потери в обмотках и контактах щеток
Потери в обмотке якоря (Вт)		(10-316)
Потери в компенсационной обмотке (Вт)		(10-317)
Потери в обмотке добавочных полюсов (Вт)		(10-318)
Потери в стабилизирующей последо- вательной обмотке (Вт)		(10-319)
Потери в параллельной или незави- симой обмотке главных полюсов (Вт)	– по (10-286)
Потери в контактах щеток (Вт)	– по (10-287)
Здесь при стержневой компенсационной обмотке , где потери в стержнях , а потери в дугах .
Обмотка якоря
Условная поверхность охлаждения активной части якоря (мы2)		(10-320)
Условный периметр поперечного сече- ния овального полузакрытого паза (мм)		(10-321)
То же, прямоугольного открытого паза		(10-322)
Условная поверхность охлаждения пазов (мм²)		(10-323)
То же, лобовых частей обмотки при отсутствии аксиальных вентиляцион- ных каналов в якоре		(10-324)
То же, лобовых частей обмотки при наличии аксиальных вентиляционных каналов в якоре Sл2=3pDн2 l в2 (10-325)		(10-325)
То же, машины		(10-326)
Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от по- терь в стали, отнесенных к поверхно- сти охлаждения активной части яко- ря (Вт/мм2)		(10-327)
То же, от потерь в активной части обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения пазов		(10-328)
То же, от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки		(10-329)
Окружная скорость якоря при номи- нальной частоте вращения (м/с)		(10-330)
Превышение температуры поверхно- сти активной части якоря над темпе- ратурой воздуха внутри машины (0С)		(10-331)
Перепад температуры в изоляции паза и проводов (°С)		(10-332)
Превышение температуры поверхно- сти лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины (0С)		(10-333)
Перепад температуры в изоляции ка- тушек в проводов лобовых частей обмотки (°С)		(10-334)
Среднее превышение температуры об- мотки над температурой воздуха вну- три машины (°С)		(10-335)
Сумма потерь в машине со степенью защиты IP22 и способом охлаждения IC01, со степенью защиты IP22, IP44 и способами охлаждения IC17, IC37, передаваемая воздуху внутри машины (Вт)		(10-336)
То же, в машине со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141		(10-337)
То же, в машине со степенью защиты IP44 я способом охлаждения IC0041		(10-338)
Среднее превышение температуры воздуха внутри машины над темпера- турой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-339)
Среднее превышение температуры об- мотки якоря над температурой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-340)
Здесь: k приведен в § 10-16; α2 — коэффициент теплоотдачи поверхности якоря—из рис. 10-34; αв —коэффициент подогрева воздуха—из рис. 10-35; b и2—односторонняя толщина изоляции в пазу якоря; b и2 при полузакрытых пазах—по данным § 10-4, при открытых пазах b и2=(b п2– N ш )/2; b и.л2—односторонняя толщина изоляции катушек в лобовых частях — по данным приложений 24—26; l экв — эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции в пазу (включающей воздушные прослойки), равный 16×10-5 Вт/(мм×град); l' экв — эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушек, зависящий от отношения d/d' —из рис. 9-26.   Рис. 10-34. Средние значения α 2= f(v2) машин постоянного тока: 1 — исполнение по защите IР22, способ охлаждения IC01, полузакрытые пазы якоря; 2 — то же, что 1, но открытые пазы; 3 –IP44, IC0141 или IC0041, полузакрытые пазы; 4 – IР22 и IP44, IC17 или IC37 открытые пазы.   Рис. 10-35. Средние значения α в= f(v2) машин постоянного тока: 1 — исполнение по защите IР22, способ охлаждения IC01; 2 — исполнение по защите IP22 или IP44, способ охлаждения IC17 или IC37; 3 – исполнение по защите IP44, способ охлаждения IC0141; 4 –то же, что 3, но способ охлаждения IC0041.

Стержневая компенсационная обмотка
Условная поверхность охлаждения полюсных наконечников и вылетов стержней (мм2)		(10-341)
Условный периметр поперечного сечения паза (мм)		(10-342)
Условная поверхность охлаждения пазов (мм2)		(10-343)
То же, дуг обмотки		(10-344)
Удельный тепловой поток от потерь в стержнях, отнесенных к поверхно- сти охлаждения полюсных наконеч- ников и вылетов стержней (Вт/мм2)		(10-345)
То же, отнесенных к поверхности охлаждения пазов		(10-346)
Удельный тепловой поток от потерь в дугах, отнесенных к поверхности охлаждения дуг (Вт/мм2)		(10-347)
Превышение температуры поверхно- сти полюсных наконечников и выле- тов стержней над температурой воз- духа внутри машины (°С)		(10-348)
Перепад температуры в изоляция па- зов (оС)		(10-349)
Превышение температуры поверхно- сти охлаждения дуг над температу- рой воздуха внутри машины (°С)		(10-350)
Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины (°С)		(10-351)
Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-352)

Здесь α' ₁ — коэффициент теплоотдачи поверхности охлаждения полюсных наконечников и стержней; у машин со способами охлаждения IC17 и IC37 α '»(6,8+3×10^-3 D _н2)×10^-5 Вт/(мм²×град); при самовентиляции (IC01) значения α '₁ принимают равными 1,25 α ₁ из. рис. 10-36; для дуг указанные выше значения α '₁ уменьшают в два раза; b _и1 – односторонняя толщина изоляции в пазу, мм; b _и1=(b _п1– N _{ш ст})/2.

Рис. 10-36. Средние значения α ₁= f(v₂) машин постоянного тока:

1 — исполнение по защите IР22, способ охлаждения IC01;

2 — исполнение по защите IP44, способ охлаждения IC0141 или IC0041;

3 – исполнение по защите IP22 или IP44, способ охлаждения IC17 или IС37.

Секционная компенсационная обмотка
Условная поверхность охлаждения полюсных наконечников (мм²) S 1 – по (10-341) с подстановкой п вместо ст
Условный периметр поперечного сечения паза (мм) П1 – по (10-342)
Условная поверхность охлаждения пазов (мм2) S 2 – по (10-343)
То же, лобовых частей обмотки		(10-353)
Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки, отнесенный к поверхности охлаждения полюсных наконечников (Вт/мм2)		(10-354)
То же, отнесенный к поверхности охлаждения пазов		(10-355)
Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения секций в лобовых частях обмотки (Вт/мм2)		(10-356)
Превышение температуры поверхно- сти полюсных наконечников над тем- пературой воздуха внутри машины		(10-357)
Перепад температуры в изоляция па- зов (оС)		(10-358)
Превышение температуры поверхно- сти лобовых частей обмотки над тем- пературой воздуха внутри машины (оС)		(10-359)
Перепад температуры в изоляция ло- бовых частей обмотки (оС)		(10-360)
Среднее превышение температуры об- мотки над температурой воздуха вну- три машины (°С)		(10-361)
Среднее превышение температуры об- мотки над температурой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-362)

Здесь α '₁ принимается таким же, как для стержней стержневой компенсационной обмотки; b _и1=(b _п1– N _ш b)/2; b _и.л1—односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки — из приложения 35.

Обмотка добавочных полюсов
Условная поверхность охлаждения многослойных катушек из изолированных проводов (мм2)		(10-363)
То же, однослойных катушек обмотки из неизолированных проводов, намотанных на ребро		(10-364)
Удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесенных к поверхности охлаждения обмотки (Вт/мм2)		(10-365)
Превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки (°С)		(10-366)
Перепад температуры в наружной и внутренней изоляции многослойных катушек обмотки из изолированных проводов (°С)		(10-367)
Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины (°С)		(10-368)
Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-369)

Здесь П _д — периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения катушки — из эскиза размещения обмоток в междуполюсном окне или из § 10-16; α ₁—коэффициент теплоотдачи наружной поверхности охлаждения обмотки возбуждения, выполненной из изолированных проводов, приведен на рис. 10-36; для обмотки, выполненной из неизолированных проводов, намотанных на ребро, α ₁ из рис. 10-36 увеличивают в 1,7 раза; b _и.д—односторонняя толщина наружной изоляции катушки, в среднем равная 0,2 мм; b _к.д—из эскиза размещения обмоток в междуполюсном окне или пo (10-132), (10-133).

Параллельная и независимая обмотка главных полюсов
Условная поверхность охлаждения всех катушек (мм2)		(10-370)
Удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесенных к поверхности охлаждения обмотки (Вт/мм2)		(10-371)
Превышениетемпературынаружной поверхности охлаждения обмотки над температурой воздуха внутри маши- ны (°С)		(10-372)
Перепад температуры в наружной и внутренней изоляции обмотки (°С)		(10-373)
Среднее превышение температуры об- мотки над температурой воздуха вну- три машины (°С)		(10-374)
Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха (°С)		(10-375)

Здесь П_п— периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения катушки — из эскиза размещения обмоток в междуполюсном окне или из § 10-16; b _и.п—односторонняя толщина наружной изоляция катушки, в среднем равная 0,2 мм; b _к.п — из эскиза размещения обмоток в междуполюсном окне или по (10-222), (10-223).

Коллектор
Условная поверхность охлаждения коллектора (мм2)		(10-376)
Удельный поток от потерь на коллекторе, отнесенных к поверхности охлаждения коллектора (Вт/мм2)		(10-377)
Превышение температуры коллектора над температурой воздуха внутри машины ('С)		(10-378)
Превышение температуры коллектора над температурой наружного охлаж- дающего воздуха у машин со степенями защиты и способами охлаждения IP22; IC01; IP22; IC17; IP44; IC37, со входом воздуха со стороны коллектора (°С)		(10-379)
То же, с входом воздуха со стороны, противоположной коллектору		(10-380)
Превышение температуры коллектора над температурой наружного охлаждающего воздуха у машин со степенью защиты IP44 и способами охлаждения IC0141, IC0041 (°С)		(10-381)

Здесь α _к—коэффициент теплоотдачи поверхности коллектора, Вт/мм²—из рис. 10-37.

Рис. 10-37. Средние значения α _К= f (v_к):

1 –коллекторы без аксиальных каналов;

2 –коллекторы с аксиальными каналами.

Вентиляционный расчет при способе охлаждения IC01 и аксиальной системе самовентиляции. Расчет производится в соответствии с § 5-6. Напор Н, а следовательно, и расход охлаждающего воздуха V_в, проходящего через машину с самовентиляцией, ограничены размерами встраиваемого вентилятора, главным образом его наружным диаметром, зависящим от внутреннего диаметра станины D ₁. У машин с независимой вентиляцией такого ограничения нет, поэтому расход воздуха при этом виде вентиляции выбирают на 15—20% больше расчетного; соответственно увеличивается Н.

Определение величины Z (см. § 5-6) для воздухопровода со сложной конфигурацией затруднительно, поэтому при расчете целесообразно пользоваться зонами средних значений, приведенными на рис. 5-5.

Действительный расход воздуха V_в из (5-38) должен быть не менее вычисленного по (5-28). Если полученный расход воздуха недостаточен, следует увеличить наружный D _вен2 и уменьшить внутренний диаметр вентилятора D _вен1, либо увеличить _л.

Размеры D _вен2, D _вен1 и _л, вычисляемые при расчете, округляют до ближайшего целого числа; количество лопаток N _л округляют до ближайшего простого числа. Расчет вентиляции ведется при определенной заданной частоте вращения п. При других значениях частоты вращения V _в и V _{в max} пропорциональны п, а Н º n ².

Расчет вентиляции проводят в такой последовательности.

Наружный диаметр вентилятора (мм)	D вен2=(0,8¸0,9) D 1	(10-382)
Внутренний диаметр колеса вентилятора (мм)	D вен1=(0,62¸0.67) D 1	(10-383)
Длина лопатки вентилятора (мм)	л=(0,12¸0,14) D 1	(10-384)
Количество лопаток вентилятора	N л» D вен2/20	(10-385)
Линейная скорость вентилятора по наружному диаметру (м/с)	v вен – по (5-34)
То же, по внутреннему диаметру	v вен1 – по (5-35)
Напор вентилятора при холостом ходе (Па)	Н 0 – по (5-33)
Площадь поперечного сечения вход- ных отверстий вентилятора (м2)	S вен – по (5-37)
Максимальное количество воздуха у вентилятора (м³/c)	V в max – по (5-36)
Действительный расход воздуха (м³/с)	V в – по (5-38)
Действительный напор вентилятора (Па)	Н – по (5-39)

Расчет вентиляции при способе охлаждения IC0141 производят также согласно материалам § 5-6 [уравнения (5-42)—(5-45)].