Теплообмен в электрических машинах
Глава седьмая. Тепловой и вентиляционный расчет
Электрических машин
В активных и конструктивных элементах электрических машин выделяется значительное количество тепла. Мощность тепловых потоков, выделяемых во внутренних объемах машины, такова, что для их отвода в окружающую среду необходимо создавать специальные принудительные системы охлаждения.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛООТДАЧИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
От того, как рассчитана и реализована система охлаждения электрической машины, во многом определяются ее технико-экономические показатели. К сожалению, в планах подготовки инженеров-электромехаников мало часов отводится вопросам теплофизики, которые по своему научно-техническому содержанию мало уступают электродинамике. Поэтому в курсе проектирования электрических машин используются упрощенные тепловые и вентиляционные расчеты, а на электромеханических заводах и НИИ есть группы инженеров-теплофизиков, занимающихся тепловыми и вентиляционными расчетами.
Тепловую напряженность машины можно оценить по мощности потерь, приходящейся на единицу наружной поверхности. Однако полная тепловая схема машины представляет собой сложную многомерную тепловую систему. Температурные поля в общем случае, изменяются по каждой из трех пространственных координат и не остаются постоянными с течением времени.
Для описания трехмерного температурного поля машины обычно используют уравнение теплового состояния в общем виде
(7.1)
где 
— температура точки тела в заданный момент; 
— пространственные координаты; 
— время.
Тепловая энергия, выделяемая на элементах машин при ее работе, может вызывать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных элементов машины, снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток, уменьшение времени безотказной работы машины. Поэтому определение тепловых потоков, расчет изменения температуры в пространстве внутреннего объема и на поверхностях охлаждения машины являются важными разделами проектирования электрической машины. На основе этого расчета оценивается тепловое состояние машины, выбираются такие тепловые и вентиляционные схемы и способы ее охлаждения, при которых превышение температуры частей электрической машины не превосходит пределов допускаемых значений, установленных ГОСТ 183—74 (табл. 7.1).
Температура частей электрической машины зависит от температуры охлаждающей среды. В связи с неизбежными колебаниями температуры охлаждающей среды принято тепловую напряженностьчастей электрической машины характеризовать превышением их температуры над температурой охлаждающей среды
, (7.2)
где — температура рассматриваемой части электрической машины; 
— температура охлаждающей среды.
Номинальные данные электрической машины (мощность, напряжение, ток, частота вращения, коэффициент мощности, КПД и др.) обычно относятся к работе машины на высоте до 1000 м над уровнем моря при температуре окружающей среды до +40° C и охлаждающей воды до +30° C, но не выше +33° C, если в стандартах или технических условиях на проектируемую машину не указаны другие требования [17].
При длительной работе электрической машины влияние на тепловой режим и нагрев ее отдельных частей оказывают изменения напряжения сети, частоты, нагрузки и другие факторы.
Согласно ГОСТ 183—74 на общие технические требования к электрическим машинам установлены восемь номинальных режимов работы, из которых наиболее часто встречаются следующие: 1) продолжительный (условное обозначение S1); 2) кратковременным (S2) с длительностью рабочего периода 10, 30, 60 и 90 мин; 3) повторно-кратковременный (S3) с относительной продолжительностью включения ПВ-15, 25, 40 и 60 % длительности одного цикла работы, равного 10 мин; 4) перемежающийся с чередованием неизменной номинальной нагрузки и холостого хода (S6) без выключения машины с продолжительностью нагрузки ПН-15, 25, 40 и 60 % длительности одного цикла работы, равного 10 мин.
Предельная допускаемая температура для какой-либо части электрической машины определяется как сумма допускаемого превышения температуры, взятой из табл. 7.1, и предельной допускаемой температуры охлаждающей среды +40° C, принятой для электрических машин общего назначения.
Предельная допускаемая температура подшипников не должна превышать следующих значений: для подшипников скольжения 80о C (температура масла не должна быть при этом выше 65° С), для подшипников качения 100° С.
Таблица 7.1. предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин при температуре газообразной охлаждающей среды +40о C и высоте над уровнем моря не более 1000 м (по ГОСТ 183—74)
| № п/п | Часть электрических машин | Изоляционный материал (по ГОСТ 8865—87) | ||||||||||||||
| А | Е | В | С | H | ||||||||||||
| методом термометра | методом сопротивления | методом температурных индикаторов, уложенных в паз | методом термометра | методом сопротивления | методом температурных индикаторов, уложенных в паз | методом термометра | методом сопротивления | методом температурных индикаторов, уложенных в паз | методом термометра | методом сопротивления | методом температурных индикаторов, уложенных в паз | методом термометра | методом сопротивления | методом температурных индикаторов, уложенных в паз | ||
| Обмотки переменного тока машин мощностью 5000 кВ·А и выше или с длиной сердечника 1 м и более | — | — | — | — | — | |||||||||||
| Обмотки: | — | — | — | — | — | |||||||||||
| а) обмотки переменного тока машин мощностью 5000 кВ·А с длиной сердечника менее 1 м | ||||||||||||||||
| б) обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока с возбуждением постоянным током, кроме указанных в пп. 3,4 и 5 настоящей таблицы | ||||||||||||||||
| в) якорные обмотки, соединенные с коллектором | ||||||||||||||||
| Обмотки возбуждения неявнополюсных машин с возбуждением постоянным током | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| Однорядные обмотки возбуждения с оголенными поверхностями | — | — | — | — | — | |||||||||||
| Обмотки возбуждения малого сопротивления, имеющие несколько слоев и компенсационные обмотки | — | — | — | — | — | |||||||||||
| Изолированные обмотки, непрерывно замкнутые на себя | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||||
| Неизолированные обмотки, непрерывно замкнутые на себя | Превышение температуры этих частей не должно достигать значений, которые создавали бы опасность повреждения изоляционных или других смежных материалов самих элементов и соседних частей | |||||||||||||||
| Сердечники и другие стальные части, не соприкасающиеся с изолированными обмотками | ||||||||||||||||
| Сердечники и другие стальные части, соприкасающиеся с изолированными обмотками | — | — | — | — | — | |||||||||||
| Коллекторы и контактные кольца незащищенные и защищенные | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
Измерение температуры отдельных частей электрической машины при тепловых испытаниях осуществляют методами термометра, сопротивления (только для обмоток) и температурных индикаторов.
При измерениях методом термометра согласно ГОСТ 11828—86 температура фиксируется термометром, прикладываемым к доступным местам.
Для определения средней температуры обмоток изготовленных из меди, используют следующую формулу:
, (7.3)
где 
— сопротивление обмотки в нагретом состоянии, Ом; 
— сопротивление обмотки в холодном состоянии, Ом; 
— температура обмотки в холодном состоянии, оС.
Для обмоток, изготовленных из алюминия, вместо числа 235 следует подставить число 245.
Согласно ГОСТ 20459—87 обозначения способов охлаждения электрических машин, принятые в технической документации всех видов, состоит из латинских букв IC — первых букв английских слов International Cooling и следующих за ними буквы, характеризующей вид хладагента (А — воздух, Н — водород, N —азот, С — диоксид углерода, Fr — фреон, W — вода, U — масло, Кг — керосин) и двух цифр: первая условно обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая — способ перемещения хладагента. Условное обозначение устройства цепи циркуляции содержит 10 цифр (от 0 до 9): 0 — свободная циркуляция наружного воздуха; 1—3 — охлаждение при помощи проводящей (1), отводящей (2) или обеих труб (3); 4 — охлаждение наружной поверхности с использованием окружающей среды; 5,6 — охлаждение окружающей средой при помощи встроенного (5) или пристроенного (6) теплообменника; 7, 8 — охлаждение при помощи встроенного (7) или пристроенного (8) охладителя; 9 — охлаждение при помощи охладителя, установленного отдельно от машины. Способы перемещения хладагента обозначаются второй цифрой: 0 — свободная конвекция; 1 — самовентиляция; 2 и 3 — перемещение хладагента встроенным или пристроенным устройством, установленным непосредственно на валу машины (3) или связанным с валом через зубчатую или ременную передачу (2); 5 и 6 — то же, при независимом устройстве; 7 — перемещение хладагента осуществляется отдельным устройством.
Если в машинах применяют двухконтурные системы охлаждения, то способы охлаждения обозначают, начиная с цепи более низкой температуры. Например,
закрытая машина с водородным охлаждением и встроенным водяным охладителем, циркуляция воды, в охладителе которой осуществляется отдельным и независимым от охлаждаемой машины насосом или от водопроводной сети, имеет обозначение IC37H71. Закрытая машина, которая имеет обмотку статора с непосредственным водяным охлаждением и обмотку ротора, охлаждаемую водородом, и циркуляция воды в обмотке статора и которой осуществляется отдельным насосом, обозначается так: ICW87 — обмотка статора, H71 — обмотка ротора.
Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преимущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повышения интенсивности охлаждения.
Большинство электрических машин общего назначения, за исключением турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:
разомкнутой — воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;
замкнутой — поток охлаждающего воздуха не связан с окружающей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внутреннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинхронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.
В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиальную схемы вентиляции.
Если электрическая машина имеет схему самовентиляции, то напор в вентиляционной системе создастся вентилятором, установленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяется на два класса: нагнетательную и вытяжную. При нагнетательной схеме вентиляции охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагнетателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной схеме вентиляции охлаждающий газ поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором.
Вытяжная вентиляция обладает тем преимуществом, что газ поступает в машину без предварительного его подогрева вентилятором, что несколько снижает превышение температуры обмоток.
В практике электромашиностроения применяют как нагнетательные, так и вытяжные схемы вентиляции, которые по числу струй бывают однострунными и многоструйными. При многоструйной схеме вентиляции каналы каждой струи имеют независимые выходы подогретого воздуха в сборную зону перед нагнетателем.
Схему принудительной вентиляции с помощью независимого вентилятора применяют в машинах с широким диапазоном регулирования частоты вращения, когда система самовентиляции при малых частотах вращения ротора не является эффективной. По этой схеме выполняют отдельные модификации асинхронных двигателей; серии 4А и машин постоянного тока серии 2П.
По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам подводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.
Все электрические машины общего назначения выполняются системе воздушного косвенного охлаждения.
Особенности конструктивного исполнения отдельных с воздушным косвенным охлаждением определили и их схему вентиляции: крупные машины постоянного тока и синхронные двигатели выполняются преимущественно с радиальной схемой вентиляции. Асинхронные машины большой мощности имеют радиальную, аксиальную и аксиально-радиальную схемы.
С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственно жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находит применение в конструкциях мощных турбо- и гидрогенераторов.
Система непосредственного водяного охлаждения обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины [16, 17].
ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Теплообмен в электрических машинах происходит путем теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения.
Количество тепла 
,передаваемое за единицу времени через произвольную изотермическую поверхность 
, прямо пропорционально температурному градиенту 
в направлении теплового потока:
, (7.4)
где 
— плотность теплового потока, Вт/м2; 
— теплопроводность материала тела; знак минус показывает, что тепловой поток распространяется в направлении уменьшения температуры, т. е. от точки тела с большей температурой к точке, имеющей меньшую температуру.
При одномерном распространении тепла, например, в направлении оси 
имеем
. (7.5)
Теплопроводность характеризует способность вещества проводить тепло, определяется физическим свойством вещества и зависит от его состава, температуры и давления (для газообразных веществ). Наиболее достоверные значения теплопроводности получают экспериментальным путем.
В табл. 7.2 приведены значения теплопроводности различных материалов, применяемых в электромашиностроении.
Таблица 7.2. Значения теплопроводности материалов
| Материал | Вт/(м· о C) |
| Медь | 380…395 |
| Алюминий | 198…220 |
| Серебро | |
| Сталь листовая электротехническая марок: | |
| 1211, 1212, 1213 | 35…37 |
| 1311, 1411, 1412, 1413 | 19…24 |
| 1511, 1512, 1513 | 15…18 |
| Сталь листовая электротехническая, шихтованная поперек пакетов: | |
| лист 0,5 мм, покрытие лаком | 3,1 |
| сталь 1521 0,35 мм, пропитка компаундом ЭК-1М | 1,9 |
| Дюралюминий | |
| Сплавы алюминия (АК3, АК4, АКМ2-1) | 147…159 |
| Сталь (марки 08, 10, 20, 35, 45) | 48…64 |
| Стеклополотно | 0,17…0,18 |
| Стеклолакоткань | 0,18…0,21 |
| Слюда (флогонит) | 0,51 |
| Миканит ГФС | 0,21…0,41 |
| Пленка ПЭТФ: | |
| лумиррор | 0,11 |
| мелинекс | 0,13 |
| терфан | 0,17 |
| лавсан | 0,21 |
| Пленка полиимид | 0,27 |
| Пленка фторопласт 3/4 | 0,10/0,22 |
| Пленка экскапон | 0,20 |
| Стеклослюдинит (ФС25К-40/ГС25КН) | 0,12/0,24 |
| Стеклотекстолит | 0,33…0,43 |
| Текстолит | 0,17..0,22 |
| Электронит | 0,12…0,18 |
| Изоляция пазовая обмоток якоря машин постоянного тока и роторов машин переменного тока: | |
| классы А, Е | 0,10 |
| классы В, F, H | 0.16 |
| То же статорных обмоток асинхронных машин: | |
| классы А, В, Е | 0,10 |
| классы В (компаундированная), F, H | 0,16 |
| Изоляция монолит-2 различного состава | 0,19…0,32 |
Воздух при  = 101 кПа, = 40 о C | 0,0266 |
Используя законы Фурье и сохранения энергии, можно привести уравнение теплового состояния (7.1) к дифференциальному уравнению теплопроводности, которое связывает временные и пространственные изменения температуры рассматриваемого элемента машины:
, (7.6)
где — плотность окружающей среды, кг/м3; с — удельная теплоемкость элемента электрической машины, Дж/(кг· ° С); 
— мощность внутренних источников тепла, представляющая собой количество теплоты, выделяемое в единице объема элемента машины за единицу времени.
Уравнение (7.6) можно использовать для анализа нагревания; тела в стационарных и нестационарных режимах.
Теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой, конвективный теплообмен описывается экспериментальным законом Ньютона—Рихмана, связывающим плотность теплового потока на поверхности 
с температурами поверхности 
и среды 
:
. (7.7)
Соответственно перепад температуры между поверхностью охлаждающей средой составит
, (7.8)
где 
— коэффициент теплоотдачи поверхности, Вт/(м2·°С), характеризующий интенсивность теплообмена [16, 17].
Теплообмен путем излучения для электрических машин, работающих в обычных условиях, не учитывается из-за небольшой его доли в общем процессе теплообмена. Отвод тепла путем излучения становится основным при работе машин в вакууме.
Испарительное охлаждение в машинах общепромышленного применения практически не используется.