Вентиляционный расчет электрических машин

При вентиляционном расчете машины определяют количество воздуха, которое необходимо ежесекундно прогонять через машину, и давление (напор), обеспечивающее прохождение требуемого количества охлаждающего агента. Одновременно вентиляционный расчет проводится в целях определения рациональной схемы вентиляции, при которой количество охлаждающего воздуха, омывающего рассматриваемую поверхность, не должно быть чрезмерным, а должно соответствовать количеству снимаемого с поверхности тепла и обеспечивать заданный уровень превышения температуры обмоток машины. При расчетах считают, что воздушный поток обычно отводит все тепло машины, за исключением механических потерь в подшипниках и наружном вентиляторе.

Количество воздуха (м³), необходимое для охлаждения машины при рациональной схеме вентиляции (когда превышения температуры воздуха на пути всех струй и каналов внутри машины одинаковы):

, (7.32)

где – потери, отводимые воздухом, Вт; Дж/(° C·м³) – удельная теплоемкость воздуха; – превышение темпе­ратуры воздуха, ° С; – температура горячего воздуха, ° С; – температура холодного воздуха, ° С.

Значение подогрева воздуха , может быть принято равным 20° C для машин с изоляцией классов нагревостойкости A, E, B, до ^о С — для изоляции классов нагревостойкости F и H, 25° С — для турбо- и гидрогенераторов.

При составлении расчетной схемы вентиляционная (гидравлическая) цепь системы охлаждения разбивается на большое число элементарных условно однородных участков, которые соединяются между собой как последовательно, так и параллельно.

Аэродинамическое сопротивление отдельного i-гоучастка системы определяют как отношение между массовым расходом охлаж­дающей среды в заданном канале и потерями давления на рассмат­риваемом участке. Здесь также может быть проведена аналогия между гидравлическими и электрическими цепями.

Для определения необходимого давления вентилятора H требуется рассчитать постоянную Z, которую в дальнейшем будем изнывать аэродинамическим сопротивлением. Для отдельного участка

, (7.33)

или

, (7.34)

где — коэффициент аэродинамического сопротивления; — плотность охлаждающей среды; — сечение канала.

Расчет сопротивления , проводят с использованием опытных значений коэффициентов , (табл. 7.5).

Таблица 7.5. Значение опытных коэффициентов

Форма участка канала	Коэффициент сопротивления
Вход в круглые отверстия каналов с выступающими краями	0,6
Вход в круглые отверстия каналов с прямоугольными краями	0,3
Вход в круглые отверстия каналов с закругленными краями или через проволочную сетку	0,125
Внезапное расширение канала сечением до сечения
Внезапное сужение канала сечением до сечения
Изгиб вентиляционного канала на угол

Вентиляционный расчет на базе этих коэффициентов хотя и является приближенным, но дает возможность оценить требования, предъявляемые к вентиляционной системе, и позволяет правильно выбрать размеры и конфигурацию вентиляционных каналов.

Для круглых каналов значение коэффициента аэродинамического сопротивления от трения воздуха, Па·с²/м², можно рассчитать по формуле

, (7.35)

где — коэффициент трения о стенки канала; и — длина и диаметр канала.

Для расчета трения в аксиальных каналах электрических машин принять . В этом случае расчетная формула для коэффициента принимает следующий вид:

. (7.36)

Если канал имеет прямоугольное сечение, то вместо следует ввести эквивалентный диаметр

, (7.37)

где и — размеры сторон прямоугольного канала.

Для каналов произвольного сечения можно принять в качестве эквивалентного размера диаметр круга, равного по площади рассматриваемому сечению.

Потери давления, Па, от трения воздуха в канале

, (7.38)
где — скорость воздуха в канале, м/с.

Расчет аэродинамического сопротивления лобовых частей обмоток имеет свои особенности, определяемые исполнением обмотки отношением ширины воздушного промежутка между секциями шагу по середине пазов . При этом вводится коэффициент , учитывающий увеличение аэродинамического сопротивления. Это коэффициент для машин различной мощности и исполнений мо изменяться в пределах 4,7—1,7.

Для вентиляционного расчета необходимо иметь чертежи машины и знать все размеры каналов вентиляционной системы, характеристики воздухопроводов, коэффициенты аэродинамического противления.

Любая сложная система вентиляции может рассматриваться как цепь последовательно и параллельно включенных вентиляционных каналов. При последовательном соединении участков вентиляционной схемы расход воздуха на всех участках постоянный, потеря давления равна , поэтому аэродинамическое сопротивление от входа до выхода равно

. (7.39)

При параллельном соединении участков потери давления на всех участках определяются разностью давлений в начале и в конце участка , а общий расход для всей цепи, состоящий из параллельно соединенных каналов, равен:

. (7.40)

Аэродинамическое сопротивление участка

. (7.41)

Вентиляционные схемы сложных систем охлаждения рассчитываются на ЭВМ с использованием известных методов расчета электрических цепей.

В основу метода расчета вентиляционных и гидравлических цепей на ЭВМ положена система уравнений, составленная для всех узлов и контуров вентиляционной схемы по аналогии с первым и вто­рым законами Кирхгофа: , т. е. во всех узлах алгебраическая сумма расходов равна нулю, и , т. е. сумма напоров вентиляторов и потерь давления всех ветвей для любого замкнутого контура равна нулю.

Конечным результатом вентиляционного или гидравлического расчета систем охлаждения является определение номинального напора вентилятора или нагнетательного устройства, обеспечивающего номинальный расход охлаждающей среды при расчетном суммарном сопротивлении всей схемы охлаждения :

. (7.42)

В [16] приводятся эмпирические зависимости, позволяющие при­ближенно рассчитать параметры нагнетательных элементов и расход , м³/с:

, (7.43)

где при , , а при — — число и длина радиальных вентиляционных каналов (при их отсутствии ); — внешний диаметр машины. Полученное по (7.43) значение должно быть не менее рассчитанного по (7.32). Давление, Па,

. (7.44)

Для двигателей со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 с наружным обдувом центробежным вентилятором необходимое количество воздуха определяют по формуле

, (7.45)

где — превышение температуры воздуха; — коэффициент, учитывающий изменение условий теплоотдачи по длине корпуса. Значение т определяется по следующей таблице:

, мм
56…132		2,6
56…132	4; 6; 8	1,8
160…400		3,3
160…400	4; 6; 8; 10; 12	2,5

Превышение температуры , определяется по формуле

, (7.46)

где — сумма всех потерь, выделяемых во внутреннем объеме ма­шины при предельной допускаемой температуре; — внутренняя теплопередающая поверхность двигателя; — коэффициент тепло­отдачи внутренней поверхности двигателя.

Расход охлаждающего воздуха (м³/с) двигателей со степенью за­щиты IР44 и способом охлаждения IС0141 можно определить по формуле

. (7.47)

Напор вентилятора, Па,

. (7.48)

Для оценки вентиляции и других двигателей с аксиальной вентиляцией используют зависимости, постро­енные на основе обобщения данных вентиляционных систем выпускаемых электрических машин.

С достаточной точностью сопротивление Z вентиляционной систе­мы машины можно принять по рис. 7.5, а площади сечения входа и выхода каналов вентиляционного тракта машины — по рис. 7.6.

РАСЧЕТ ВЕНТИЛЯТОРОВ

Встроенный вентилятор, укрепленный на валу электрической машины, должен создавать напор, достаточный для того, чтобы обеспечить необходимый расход охлаждающей среды в каналах вен­тиляционной системы машины. Вентиляторы проектируются с уче­том особенностей конструктивного исполнения конкретного типа машины [16].

Ниже приводится упрощенный метод поверочного расчета встроенного вентилятора, основанный на данных серийных машин общего назначения. В таких машинах используют преимущественно центробежные вентиляторы с

Рис. 7.5. Зависимость среднего значения аэродинамического сопротивления машины от диаметра якоря: 1 — якоря без аксиальных вентиляционных каналов; 2 — то же, с аксиальными каналами

Рис. 7.6. Зависимость и от диаметра якоря

радиальными лопатками, рабочее колесо которых изменяет свое направление потока на радиальное.

Внешний диаметр вентиляторного колеса выбирают в соответствии с типом вентиляционной системы и конструкции машины. При аксиаль­ной вентиляции внешний диаметр рабочего колеса (рис. 7.7) выбирают максимально возможным.

По выбранному внешнему диаметру вентилятора определяют окружную скорость, м/с: . (7.49) Максимальное значение КПД вентилятора приблизительно соответствует режиму, когда но­минальное давление вентилятора ,

Рис. 7.7. Колесо вентилятора

где — давление, развиваемое вентилятором в режиме холостого хода, т. е. при закрытых отверстиях по внешнему диаметру, когда рас­ход воздуха равен нулю. Номинальное значение расхода приблизитель­но равно:

,

где — расход вентилятора, м³/с, работающего в режиме коротко­го замыкания (по аналогии с электрической цепью), т. е. в открытом пространстве.

Из условия максимального КПД принимается

. (7.50)

Сечение на выходной кромке вентилятора, м²,

, (7.51)

где 0,42 — номинальный КПД радиального вентилятора.

Ширина колеса вентилятора

, (7.52)

где 0,92 — коэффициент, учитывающий наличие вентиляционных ло­паток на поверхности вентиляционной решетки (поверхности ).

Внутренний диаметр колеса определяют из условия, что вентилятор работает при максимальном значении КПД, т. е. при и . Используя уравнения статического давле­ния, развиваемого вентилятором, Па, найдем давление, развиваемое вентилятором при холостом ходе:

, (7.53)

где =0,6 для радиальных лопаток; кг/м³ — плотность воздуха.

Зная расход воздуха V, сопротивление вентиляционной системы и определив окружную скорость на внутренней кромке вентилятора [16]:

, (7.54)

найдем внутренний диаметр колеса вентилятора, м:

. (7.55)

Во встроенных вентиляторах отношение лежит в пределах 1,2…1,5.

Число лопаток вентилятора принимают [16]:

. (7.56)

Для уменьшения вентиляционного шума рекомендуется выбирать число лопаток вентилятора таким, чтобы оно равнялось нечетному числу. При вытяжной вентиляции могут быть рекомендованы и числа зависимости от диаметра вентилятора: при мм , при мм , при мм , при мм .

Для вентиляторов асинхронных двигателей серии 4А рекомендуется выбирать число лопаток согласно табл. 7.6.

Таблица 7.6. Число лопаток вентилятора

Высота оси вращения, мм	Число лопаток при
50…63
71…100
112…132
160…250
280…355

Число лопаток вентиляторов машин постоянного тока выбирают ориентировочно:

. (7.57)

Значение округляют до ближайшего простого числа.

После расчета вентилятора необходимо уточнить результаты вентиляционного расчета.

Для определения действительного расхода воздуха и давления и строят совмещенные характеристики вентилятора и вентиляционного тракта машины. Характеристика вентилятора может быть выражена с достаточной точностью уравнением

. (7.58)   Характеристика вентиляционного тракта согласно (7.50) . (7.59) На рис. 7.8 представлены графи­ки, построенные по уравнениям (7.58) (кривая 1) и (7.59) (кривая 2). Координата точки пересечения этих характеристик определяется путем решения уравнений

Рис. 7.8. Характеристики вентилятора

(7.60)

Мощность, потребляемая вентилятором, Вт,

, (7.61)

где — энергетический КПД вентилятора, который может быть принят равным примерно

(7.62)

Вентиляционный расчет электрической машины при курсовом проектировании проводится по упрощенной методике. Более подробные расчеты отдельных видов исполнения машин приводятся в гл. 9—11.