Тепловой расчет

На первоначальной стадии проектирования достаточно достоверную оценку теплового режима двигателя дает приближенный метод тепло­вого расчета, основанный на упрощенном представлении о характере теп­ловых связей между элементами электрической машины. В нем исполь­зуют средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности и теп­лопроводности изоляции, характерные для определенной конструкции и технологии производства двигателей данного типа.

Для расчета нагрева асинхронных машин, спроектированных на базе серий 4А и АИ, могут быть взяты усредненные ко­эффициенты теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции в пазовой и лобовой частях обмоток.

Расчет нагрева проводят, используя значения потерь, полученных для номинального режима, но потери в изолированных обмотках статора и фазного ротора несколько увеличивают по сравнению с расчетными, предполагая, что обмотки могут быть нагреты до предельно допустимой для принятого класса изоляции температуры: при классе нагревостойкости изоляции В — до 120 °С, при классе нагревостойкости изоляции F — до 140°С и при классе нагревостойкости изоляции Н — до 165 °С. При этом коэффициент увеличения потерь k_p по сравнению с получен­ными для расчетной температуры составит для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости В k_p=r₁₂₀/r₇₅ = 1,15, для обмоток с изоля­цией класса нагревостойкости F k_p = ρ₁₄₀/ρ₁₁₅ = 1,07, для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости Н k_р = r₁₄₀/r₁₁₅ = 1,45.

Электрические потери в обмотке статора делятся на потери в пазовой части Р¢_э.п1 и потери в лобовых частях катушек Р'_Э.Л1, Вт:

(11.1)

. (11.2)

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

, (11.3)

где a₁ – коэффициент теплоотдачи с поверхности, определяемый по рис.11.1 и 11.2 в зависимости от исполнения машины; К — коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду (принимают по табл. 11.1).

Таблица 11.1

Средние значения коэффициента К

Исполнение двигателя по способу защиты	Число полюсов двигателя 2р
IP 44	0,22	0,20	0,19	0,18	0,17	0,16
IP23	0,84	0,80	0,78	0,76	0,74	0,72

в)

Рис. 11.1. Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности α₁ и подогрева воздуха α_В для асинхронных двигателей исполнения IP44:

а – при h < 160 мм; б – при h = 160 ¸250 мм; в – при h³280 мм

(для двигателей с продуваемым ротором)

а)

в)

Рис. 11.2. Средние значения коэффи­циентов теплоотдачи с поверхности α₁ и подогрева воздуха а_В для асин­хронных двигателей исполнения IP23:

а – при h=160¸250мм, U_HOM= 660 В; б – при h³280 мм, U_НОМ£660 В;

в – при U_НОМ = 6000В

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора, °С,

(11.4)

где П_П1 — расчетный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов (см. рис. 4.7, а):

(11.5)

(h_ПК, b₁, b₂ — размеры паза в штампе); для прямоугольных открытых и полуоткрытых пазов (см. рис. 4.6),

(11.6)

b_ИЗ1 – односторонняя толщина изоляции в пазу; для всыпной обмотки b_ИЗ1 берется по соответствующим таблицам (см. главу 4). Для обмоток из прямоугольного провода

, (11.7)

где n_эл и b — число и ширина неизолированных элементарных проводников, расположенных в одном слое по ширине паза; l_экв — средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции; для классов нагревостойкости В, F и Н l_экв=0,16Вт/(м · °С); l'_экв – среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплотности прилегания проводников друг к другу; значение l'_экв берется по рис. 11.3; для обмоток из прямоугольного провода в (11.4) принимают

Рис. 11.3. Средние значения коэффициентов теплопроводности l¢_ЭКВ внутренней

изоляции в катушках обмотки из круг­лого эмалированного провода

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

(11.8)

где П_л1 — периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки; П_л1 » П_п1; b_из.л1 — односторонняя толщина изоля­ции лобовой части катушки. При отсутствии изоля­ции в лобовых частях b_из.л1 = 0; l'_экв для всыпной обмотки определя­ется по рис. 11.3. Для катушек из прямоугольного провода принимают h_п1/(12l¢_ЭКВ)=0.

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.9)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.10)

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды определяется в предположении, что температура корпуса равна температуре воздуха внутри машины. При этом условии

(11.11)

где SР¢_В — сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт; α_В —коэффициент подогрева воздуха, Вт/(м²·°С), учитывающий теплоотдающую способность поверхности корпуса и интенсивность перемешивания воздуха внутри машины (см. рис. 11.1, 11.2); S_кор — эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м².

Для двигателей со степенью защиты IP23

(11.12)

где (11.13)

SР — сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме и расчет­ной температуре.

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м²,

(11.14)

Для двигателей со степенью защиты IP44 при расчете ΣР'_В не учитывают также мощность, потребляемую наружным вентилятором, которая составляет примерно 0,9 суммы пол­ных механических потерь:

(11.15)

где определяется по (11.13).

При расчете S_кор учитывают поверхность ребер станины:

(11.16)

где П_р— условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двига­теля; значение П_р может быть принято приближенно по кривой рис.11.4.

Рис. 11.4. Средние значения периметра поперечного сечения ребер корпуса

асинхронных двигателей

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды, °С,

(11.17)

Из-за приближенного характера расчета D ₁ должно быть, по крайней мере, на 20% меньше, чем допускаемое превышение температуры для принятого класса изоляции.

Превышение температуры обмотки фазного ротора определяется аналогично в следующей последовательности.

Превышение температуры магнитопровода ротора над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.18)

где α₂ — коэффициент теплоотдачи, определяемый по рис. 11.5 и 11.6;

P¢_Э.П2 — электрические потери в пазовой части обмотки ротора,

(11.19)

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки ротора,°С,

(11.20)

где П_П2 – периметр паза ротора.

Рис. 11.5. Средние значения коэффициента теплоотдачи с поверхности α₂

фазных роторов асинхронных двигателей с U_НОМ£660 В:

а — при исполнении IP44 с продуваемым ротором; б — при исполнении IP23

Рис.11.6. Средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности α₂ фазных ро­торов асинхронных двигателей с U_НОМ = 6000 В исполнения IP23

Для прямоугольных пазов

(11.21)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины, °С,

(11.22)

где Р¢_э.л2 — электрические потери в лобовых частях обмотки, В,

(11.23)

Перепад температуры в изоляции лобовых частей обмотки ротора,°С,

(11.25)

где П_л2 – периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки, П_л2 =П_п2; b_из.л2 – односторон­няя толщина изоляции лобовых частей .

Среднее превышение температуры обмотки ротора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,

(11.26)

Среднее превышение температуры обмотки ротора над окружающей средой, °С,

(11.27)