Какие способы охлаждения применяются в электрических машинах
Перейти к содержимому

Какие способы охлаждения применяются в электрических машинах

  • автор:

Нагрев и охлаждение электрических машин

Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах сопровождается выделением тепла в активных частях машины. Если тепло не будет отводиться от машины, то температура изоляции быстро достигает допустимой для данного класса изоляции и дальнейшая работа электрической машины приведет к ускоренному старению изоляции и сокращению срока службы. Для отвода тепла из машины предусматривается система охлаждения.

Системы охлаждения электрических машин весьма разнообразны (рис. 1.88). Различают машины с естественным и искусственным охлаждением. В зависимости от того, какое вещество применяется в качестве охлаждающего агента, машины делятся на машины с воздушным, водородным, масляным и водяным охлаждением. В зависимости от способа охлаждения различают машины с косвенным охлаждением, когда газ или жидкость непосредственно не соприкасается с проводником, и машины с непосредственным внутренним охлаждением, когда газ или жидкость проходит внутри проводников.

В специальных машинах применяется испарительная система охлаждения, когда жидкость испаряется с тепловыделяющих поверхностей машины.

От правильного выбора системы охлаждения зависят габариты и масса машины. За последние 40 лет удалось практически в тех же габаритах в результате перехода с воздушного на внутреннее водяное охлаждение повысить мощность турбогенераторов в 10 раз. Это одно из выдающихся технических достижений XX в. Снижение массы на единицу мощности имело место и в электрических машинах других типов.

На рис. 1.88, а показана схема вентиляции закрытой обдуваемой машины с самовентиляцией. Вентилятор 1 укреплен на валу машины. На рис. 1.88, б представлена схема продуваемой машины с самовентиляцией. Лопатками вентилятора являются приливы на короткозамыкающих кольцах ротора 1. На рис. 1.88, в дана схема машины с разомкнутой нагнетательной независимой системой вентиляции с забором воздуха и выбросом его но трубопроводу 2. Забор воздуха из окружающего пространства осуществляется вентилятором, который вращается двигателем, специально предназначенным осуществлять движение воздуха внутри машины или снаружи ее. Машина с замкнутой независимой системой вентиляции показана на рис. 1.88, г. Здесь воздух или водород охлаждается в га- зоохладителе 3. Обычно в газоохладитель подается водопроводная вода, циркулирующая по трубкам газоохла- дителя, и таким образом происходит охлаждение воздуха или водорода.

Системы охлаждения электрических машин

Рис. 1.88. Системы охлаждения электрических машин

На рис. 1.88 показаны лишь основные системы охлаждения. В соответствующих главах книги будут рассмотрены подробнее вопросы нагрева и охлаждения трансформаторов, синхронных машин и других машин.

Процесс передачи тепла от различных частей машины в окружающую среду подчиняется законам теплообмена — учения о самопроизвольных необратимых процессах распространения тепла в пространстве.

Под процессом распространения тепла понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами, областями рассматриваемой среды. Перенос тепла осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводностью называется перенос тепла при непосредственном соприкосновении тел или частей тела с различной температурой.

Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях и газах. Перенос тепла при этом осуществляется за счет перемещения макрообъемов среды в пространстве.

Тепловым излучением называется явление переноса тепла в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением энергии — тепловой энергии в энергию излучения и обратно.

В действительности элементарные виды теплообмена в чистом виде встречаются редко. Как правило, один вид теплообмена сопровождается другим. Так, конвекция тепла

всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса тепла конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Часто встречается случай конвективного теплообмена между потоком охлаждающей среды и поверхностью твердого тела. Этот процесс называют конвективной теплоотдачей.

Случай теплообмена между различными средами, разделенными твердой стенкой, принято называть теплопередачей.

В основе описания процесса теплопроводности лежит так называемый закон Фурье, согласно которому количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перепендикулярного направлению распространения тепла:

где q — вектор плотности теплового потока, Вт/м 2 ; grad t — градиент температуры; к — коэффициент теплопроводности.

Знак «-» отражает то обстоятельство, что тепло всегда распространяется в сторону убывания температуры.

Полное количество тепла Q, переданного через поверхность F за время т,

Коэффициент теплопроводности к, Вт/(м-°С), является физическим параметром вещества и характеризует его способность проводить тепло. Различные вещества имеют различные коэффициенты теплопроводности. Как правило, металлы хорошо проводят тепло, значения их коэффициентов теплопроводности много больше значений коэффициентов теплопроводности электрических изоляторов. В табл. 1.5 приведены коэффициенты теплопроводности ряда используемых в электромашиностроении материалов.

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой относится к сложным физическим процессам и зависит от большого количества факторов. Для его описания используется эмпирический закон Ньютона — Рнхмана, согласно которому плотность теплового потока на поверхности тела пропорциональна разности температур поверхности и хладагента:

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м X)

Способы охлаждения электрических машин

Естественное охлаждение электрических машин. Эти машины не имеют вентиляторов или каких-либо других устройств, способствующих охлаждению машины. Охлаждение происходит естественным путем за счет теплопроводности и конвекции.

Теплопроводность — это передача теплоты внутри твердого тела. Например, пазовые части обмотки статора, нагреваясь, передают теплоту через слои пазовой изоляции в сердечник. Через места крепления сердечника теплота передается в корпус статора. Передача теплоты теплопроводностью происходит от более нагретых слоев твердого тела к менее нагретым.

Конвекция состоит в том, что частицы газа (воздуха), соприкасающиеся с поверхностью нагретого тела (лобовые части обмоток, сердечники, корпус), нагреваются, становятся легче и поднимаются кверху, уступая свое место менее нагретым частицам, и т.д. Так конвекция называется естественной. Во вращающейся машине имеет место еще и искусственная конвекция, обусловленная вращением ротора, который создает принудительную циркуляцию (воздуха), что усиливает эффект конвекции внутри машины.

Искусственное охлаждение электрических машин. В этих машинах применяют специальное устройство, обычно вентилятор, создающий движение в машине газа, охлаждающего нагретые части машины. Значительную группу машин с искусственным охлаждением составляют машины с самовентиляцией, у которых вентилятор закреплен на валу машины; в процессе работы он, вращаясь, создает аэродинамический напор. Самовентиляция может быть наружной и внутренней.

При наружной самовентиляции воздухом обдувается внешняя поверхность корпуса статора. Машина в этом случае имеет закрытое исполнение с ребристой поверхностью (для увеличения поверхности охлаждения).

При внутренней самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины делают специальные отверстия, через которые из окружающей машину среды проникает внутрь машины, охлаждает ее, а затем выбрасывается наружу.

Принцип внутренней самовентиляции, получивший в электрических машинах преимущественное применение, иллюстрирует рисунке 1. На валу машины закреплен центробежный вентилятор. Вращаясь вместе с валом машины, он затягивает через отверстие в правом подшипниковом щите воздух, создавая внутри машины аэродинамимический напор, под действием которого воздух прогоняется через внутреннюю полость машины. Воздух проходит через вентиляционные каналы, зазор и межполюсное пространство (при явнополюсной конструкции машины). При этом он «омывает» и нагретые части машины и отбирает теплоту от нагретых частей и нагретым выходит через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите, со стороны, противоположной вентилятору.

Принцип внутренней самовентиляции электрической машины

Рисунок 1. Принцип внутренней самовентиляции электрической машины

Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе некоторых электрических машин делают вентиляционные каналы, через которые проходит охлаждающий газ. Вентиляционные каналы называют аксиальными, если они расположены параллельно оси ротора, и радиальными, если они расположены перпендикулярно этой оси (рисунок 2). Вентиляцию, при которой охлаждающий газ перемещается вдоль оси машины, называют аксиальной (рисунок 2, а), если же газ перемещается перпендикулярно оси машины по радиальным каналам, то вентиляцию называют радиальной (рисунок 2, б)

Радиальные вентиляционные каналы получаются делением общей длины сердечника на пакеты по 40 — 60 мм. Между пакета¬ми оставляют промежутки по 10 мм, которые и являются радиальными каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию. В двигателях с регулировкой частоты вращения вниз от номинальной при малой частоте вращения само¬вентиляция становится малоэффективной. Это ведет к чрезмерно¬му перегреву машины. Поэтому в таких двигателях целесообразно применение независимой вентиляции (рисунок 3), когда вентилятор имеет собственный привод (частота вращения последнего не зависит от режима работы машины).

Аксиальная и радиальная системы вентиляции

Рисунок 2. Аксиальная (а) и радиальная (б) системы вентиляции:
1 — статор; 2 — ротор

Независимую вентиляцию применяют также для охлаждения электрических машин, работающих во взрывоопасной или химически активной среде. В этом случае вентилятор 4 (рисунок 3, а) через трубопровод 3 нагнетает воздух в машину 1 и по трубе 2 выбрасывает его наружу. Такая система независимой вентиляции называется разомкну¬той в отличие от замкнутой системы (рисунок 3, б), когда один и тот же объем газа циркулирует в замкнутой системе, состоящей из двигателя (объект охлаждения) 1, независимого вентилятора 2, трубопровода 1 и 5 и охладителя 4, в котором охлаждается нагретый в машине газ.

Все способы охлаждения электрических машин принято обозначать буквами IC, являющимися начальными буквами английских слов International Cooling, остальные буквы и цифры обозначают способ охлаждения машины. Сначала указывается буква, обозначающая вид хладагента: А — воздух, Н — водород, V — вода и т. д. Если хладагентом является только воздух, то буква опускается.
Затем идет несколько цифр: первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуляции хладагента, например, воздуха, вторая — способ перемещения хладагента. Если машина имеет несколько цепей охлаждения (например, внутренняя вентиляция и наружный обдув), то в обозначении может быть четыре цифры: две — для обозначения наружной цепи охлаждения и две — для внутренней.

Примеры обозначения наиболее распространенных способов охлаждения электрических машин:
IC01 — машина с внутренней самовентиляцией; вентилятор расположен на машины.
IC03 — машина, охлаждаемая пристроенным вентилятором с собственным нагнетателем, расположенным на корпусе охлаждаемой машины.
IC37 — закрытая машина с подводящей и отводящей трубами; машина охлаждается вентилятором с приводным двигателем, установленным вне охлаждаемой машины.
IC0041 — закрытая машина с естественным охлаждением.
IC0141 — закрытая машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на валу машины.

Разомкнутая и замкнутая независимые системы вентиляции

Рисунок 3. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) независимые системы вентиляции

Какие способы охлаждения применяются в электрических машинах

Электрическая машина – устройство, предназначенное для преобразования энергии за счёт явлений электромагнитной индукции и силы Ампера. Из классификации электрических машин выделяется два типа вращающихся электрических машин: электродвигатели и электрогенераторы. Эти классы имеют очень схожие конструкции, но различаются направлением преобразования энергии. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, электрогенераторы – наоборот.Конструкция вращающихся электрических машин предусматривает два важнейших активных элемента – ротор и статор, изображённые на рисунках 1 и 2 соответственно. Ротор – вращающийся элемент, статор – покоящийся. В процессе работы электрической машины в её активных частях возникают тепловые потери, связанные с индукцией и с течением тока по проводникам. Также неизбежно возникновение механических потерь на подшипниковых узлах. Тепловые потери нагревают части электрических машин, что, при недостаточном их охлаждении, вызывает их перегрев и, как следствие, уменьшение срока службы или выход из строя всей установки. Кроме того, чем интенсивней осуществляется охлаждение, тем большую мощность можно получить при заданных габаритах [2]. Охлаждение заключается в отводе теплоты от частей электрической машины за счёт обдува их потоком воздуха или другого газа, или пропускания через них охлаждающей жидкости по предусмотренным каналам охлаждения.

Ротор электродвигателя. Охлаждение электродвигателей и генераторов. Статор электродвигателя. Охлаждение электродвигателей и генераторов.

Типы схем охлаждения электрических машин

Электродвигатели и генераторы по своим габаритам, соотношению длины к ширине, скорости вращения ротора, степени защиты бывают совершенно разными, поэтому невозможно создание универсального единого способа их охлаждения. Наиболее распространено воздушное охлаждение, ввиду наибольшей конструктивной простоты этого способа, но бывают и более эффективные теплоносители. Например масло, водород или вода. В этой работе рассмотрим воздушное охлаждение, как наиболее распространённое.
В зависимости от путей течения воздуха в современных электрических машинах наиболее часто применяются аксиальная (рисунок 3) и радиальная (рисунок 4) схемы вентиляции [4].

Аксиальная схема вентиляции. Охлаждение электродвигателей и генераторов.

В аксиальной системе вентиляции холодный воздух заходит сбоку и поступает одновременно в осевые каналы статора и ротора и в зазор. С противоположного от входа края из аксиальных каналов и зазора подогретый воздух выходит и выдувается центробежным вентилятором. Недостатки такой схемы заключаются в том, что воздух, проходя по каналам, нагревается, что уменьшает эффективность охлаждения. Как следствие, температура частей двигателя со стороны выхода воздуха выше, чем со стороны входа. Равномерного распределения температуры на длинных электрических машинах добиться при такой схеме сложно, поэтому её часто применяют на коротких двигателях и генераторах. Достоинство такой схемы в том, что и в ротор и в статор поступает холодный воздух, в отличии от радиальной схемы.

Радиальная схема вентиляции. Охлаждение электродвигателей и генераторов.

На рисунке 4 изображена половина электродвигателя с радиальной схемой вентиляции над осью вращения в разрезе. При использовании радиальной схемы вентиляции активное железо делится на пакеты, а между пакетами расположены воздушные каналы охлаждения. Роль напорного элемента в такой схеме выполняет ротор, работающий по принципу центробежного вентилятора. С двух сторон воздух входит в аксиальные каналы ротора и поворачивает в радиальные каналы. Центробежная сила создаёт напор воздуха, который выдувается в расположенные напротив радиальные каналы статора. Главным недостатком схемы является то, что в статор заходит воздух, подогретый в роторе. Однако, зачастую это компенсируется высокой интенсивностью охлаждения в радиальных каналах за счёт характера течения воздуха в них и большой площадью охлаждения. Радиальная система вентиляции является наиболее распространённой, а самым горячим местом в таких устройствах зачастую является обмотка статора и железо сердечника вблизи неё. Чтобы не допустить перегрева готового образца, на стадии проектирования важно предвидеть нагрев основных частей электрической машины. Для этого прибегают к тепловым расчётам электродвигателей и генераторов.

Основные уравнения теплообмена в электрических машинах

Как правило, расчёт электродвигателей и генераторов производится для стационарного номинального режима работы. В стационарной задаче подогрев воздуха, прошедшего через канал охлаждения, через статор или ротор, или через электродвигатель в целом, зависит от теплоты, которую он отнял у охлаждаемых элементов P, Вт, от объемного расхода воздуха Q, м 3 /с, и от физических свойств воздуха при средней температуре в электродвигателе: плотности ρ, кг / м 3 и удельной теплоёмкости при постоянном давлении cp, Вт/(кг∙К) [7].

Теплота, которую воздух снимает с поверхности, зависит от площади поверхности S, м 2 , разницы температур между средой и охлаждаемой поверхностью ΔT, и от коэффициента теплоотдачи α, Вт / (м 2 К). Физический смысл коэффициента теплоотдачи – количество теплоты, которым обмениваются текучая среда и твёрдое тело на площади поверхности 1 м 2 при разнице температур между ними в 1 градус [3]. Коэффициент теплоотдачи зависит от характера течения текучей среды, от её физических свойств. Коэффициент теплоотдачи – исключительно опытная величина. На сегодняшний день существует обширная экспериментальная база, позволяющая определить эти коэффициенты в каналах различной формы, с различных форм поверхности теплообмена.

Распространение теплоты внутри твёрдого тела описывается законом Фурье Q = λSΔT / l, где Q – тепловой поток между двумя точками в материале, Вт; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт / (м ∙ К); S – площадь прохода тепла, м 2 ; а ΔT – разница температур между рассматриваемыми точками, ̊ С [8].

Тепловой расчёт статора электродвигателя с радиальной системой охлаждения

Для демонстрации возможностей современных мультифизичных вычислительных пакетов программ в отношении расчётов теплового состояния твёрдого тела, выполним численный расчёт нагревов активных частей статора электродвигателя с радиальной системой вентиляции.
В расчёте будем рассматривать лишь сектор статора. Это допущение справедливо, поскольку температуры во всех остальных таких же секторах статора будут аналогичны из-за одинаковых тепловых потерь и условий охлаждения. Теплового взаимодействия между аналогичными секторами, в виду отсутствия разницы температуры, не будет. В существующих электрических машинах пакеты сердечника состоят из большого количества тонких металлических пластин, покрытых смолой для изоляции друг от друга. Это неизбежно вызывает увеличение теплового сопротивления при распространении тепла в направлении поперёк листов [6]. В расчётной модели не учитывается такая структура сердечника, а увеличенное тепловое сопротивление заменено уменьшенным коэффициентом теплопроводности λ в этом направлении.

Температура воздуха, обдувающего поверхности активных частей статора, рассчитана с применением формулы ΔT = P / (cрρQ), а коэффициенты теплоотдачи с поверхностей вычислены по эмпирическим соотношениям, представленным в источнике[1].

В результате была получена картина распределения температуры в рассчитанном секторе статора. Видно, что при заданных граничных условиях, распределение температуры неравномерное: в выступающих частях обмотки статора она достаточно низкая, а в середине сердечника высокая. Исходя из полученных температурных полей, можно выбрать класс изоляции по термостойкости, принять технические решения, которые приведут к выравниванию температурного поля по длине статора и, как следствие, меньшей максимальной температуре.

Тепловой расчет. Тепловое поле.

Заключение

В работе рассмотрены основные типы схем воздушного охлаждения электродвигателей и генераторов, кратко представлена математическая модель, определяющая стационарное тепловое состояние системы «твёрдое тело-охлаждающая среда»; дано общее представление о тепловых расчётах электрических машин, представлены результаты расчёта.
Правильно спроектированный с тепловой точки зрения электродвигатель или электрогенератор способен непрерывно выполнять свои функции на протяжении срока службы без перегревов, при этом имея компактные габариты корпуса.

Статья из третьего выпуска интернет-журнала «Стройка Века» «Энергетика в эпоху декарбонизации». Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую версию можно по ссылке.
Читайте также следующую статью выпуска:

Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:

Над статьей работали:

Авторы: Беляева А.С., Тищенко К.О.
Редактор: Нестеров И.А., Рогов Л.В.
Эксперт: Федотов А.А.
Верстка: Беляева А.С.

  • Развитие строительных технологий в Civilization VI
  • «Вечные пробки» — расплата за градостроительные ошибки
  • Биотехнологии в StarCraft: как зерги пожирали биоразнообразие
  • Физические основы электромагнитной индукции
  • Энергия клетки: АТФ как необходимое условие жизни
  1. Альпер Т. И., Сергиевская Т. Г. Охлаждение гидрогенераторов. Под ред. П. М. Ипатова. М., «Энергия», 1969, 200 с.
  2. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчёты в электрических машинах: Учеб. Для вузов по спец. «Электромеханика». М.:Высш. шк., 1989. – 239 с.
  3. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин, пер. с нем. М., — Л., Госэнергоиздат, 1961.
  4. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, М., «Энергия», 1969.
  5. Лихачёв В. Л. Справочник обмотчика асинхронных электродвигателей. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 240 с.
  6. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М., «Энергия», 1971. 216 с.
  7. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972.
  8. Юдаев. Б. Н. Теплопередача. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1973. 360 с.

Охлаждение электрических машин

Конструктивные формы исполнения электрических машин

Для предотвращения чрезмерного нагрева электрических машин необходимо обеспечить надлежащие условия отвода выделяющегося в машинах тепла. С ростом мощности электрических машин условия отвода тепла ухудшаются (смотрите статью «Влияние геометрических размеров на технико-экономические показатели машины»), и поэтому в крупных машинах необходимо применять более интенсивные способы охлаждения.

Способы охлаждения в свою очередь зависят от конструктивных форм исполнения электрических машин, из которых здесь укажем лишь наиболее типичные.

Открытые электрические машины не имеют специальных приспособлений для предохранения от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Такие машины находят применение только в машинных залах и лабораториях. Защищенные электрические машины имеют указанные приспособления и применяются в закрытых помещениях. Брызгозащищенные машины дополнительно защищены от попадания внутрь машины капель влаги, падающих под углом 45° к вертикали. В этих машинах на все отверстия, расположенные в их верхних частях, устанавливаются глухие крышки и жалюзи, которые могут иметь прорези, прикрытые козырьками. Машины с таким исполнением весьма распространены и могут быть использованы также на открытом воздухе.

В закрытых электрических машинах внутреннее пространство совершенно отдельно от внешней среды. Они применяются в пыльных помещениях, а также на открытом воздухе. Дальнейшим развитием закрытых машин являются взрывозащищенные (взрывобезопасные) и герметичные машины. Первые используются для работ во взрывобезопасных шахтах и на химических предприятиях, когда требуется, чтобы искрение или взрыв внутри машины не приводили к взрыву или воспламенению газов во внешней среде. Герметичные машины выполняются с особо плотным соединением поверхностей разъема, так что они могут работать даже под водой.

Способы охлаждения электрических машин

По способу охлаждения различаются:

  1. машины с естественным охлаждением, в которых нет никаких специальных приспособлений для охлаждения;
  2. машины с внутренней самовентиляцией, охлаждение которых происходит с помощью вентиляторов или других вентиляционных устройств, укрепленных на вращающихся частях самой вентилируемой машины и осуществляющих вентиляцию внутренних ее полостей (открытые и защищенные машины);
  3. машины с наружной вентиляцией, в которых путем самовентиляции охлаждается внешняя поверхность машины, а внутренние ее части закрыты для доступа внешнего воздуха (закрытые машины);
  4. машины с независимым охлаждением, в которые охлаждающая газообразная или жидкая среда подается с помощью отдельного вентилятора, компрессора или насоса, имеющего собственный привод.

Особенности разных способов охлаждения иллюстрируются ниже на примере машин постоянного тока, но и охлаждение машин переменного тока осуществляется подобным же образом.

Машины с естественным охлаждением в настоящее время строятся лишь на мощности порядка нескольких десятков ватт. В некоторых случаях естественное охлаждение применяется также для закрытых машин мощностью до нескольких сотен ватт, но в этом случае для усиления отдачи тепла поверхность охлаждения увеличивают путем изготовления корпуса машины с ребрами.

Машины с внутренней самовентиляцией имеют наибольшее распространение. При этом различают аксиальную (рисунок 1) и радиальную (рисунок 2) систему вентиляции. В первом случае передача тепла воздуху происходит при движении последнего вдоль охлаждаемых поверхностей в аксиальном направлении, а во втором – в радиальном направлении.

Аксиальная система вентиляции машины постоянного тока

Рисунок 1. Аксиальная система вентиляции машины постоянного тока

Радиальная система вентиляции машины постоянного тока
Рисунок 2. Радиальная система вентиляции машины постоянного тока

В машинах постоянного тока при аксиальной вентиляции поток воздуха движется между полюсами и вдоль внешней поверхности якоря, а при Da > 200 мм также по выполняемым в этом случае аксиальным каналам между якорем и валом или по аксиальным вентиляционным каналам в сердечнике якоря. Потоки воздуха омывают также коллектор. Воздух поступает в машину с одного ее конца и выбрасывается с другого.

Воздух при движении вдоль охлаждаемых частей машины подогревается, и, следовательно, нагрев машины при аксиальной вентиляции будет в аксиальном направлении неравномерным. Поэтому аксиальная вентиляция применяется обычно при активной длине машины до 200 – 250 мм.

При радиальной системе вентиляции сердечник якоря имеет радиальные каналы (смотрите статью «Устройство машины постоянного тока», рисунок 4) с ветреницами. При вращении якоря ветреницы действуют подобно лопастям вентилятора, и поэтому установка на валу особых вентиляторов иногда оказывается излишней. Воздух при этой системе вентиляции поступает внутрь машины с торцов и выбрасывается по бокам станины или через отверстия в ней.

Машины с наружной самовентиляцией – это машины закрытой конструкции, у которых на валу установлен наружный вентилятор, обдувающий наружную поверхность станины (рисунок 3). При этом для увеличения поверхности охлаждения наружная поверхность станины часто снабжается продольными ребрами. Часто машина имеет также внутренний вентилятор или вентиляционные крылышки для создания более интенсивного движения воздуха внутри машины и усиления теплообмена между внутренними частями машины и станиной (рисунок 3).

Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией

Рисунок 3. Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией
1 – внутренний вентилятор (мешалка); 2 – наружный вентилятор; 3 – кожух вентилятора

Машина постоянного тока с независимой вентиляцией
Рисунок 4. Машина постоянного тока с независимой вентиляцией

Машины с независимой вентиляцией. Обычно такие машины тоже охлаждаются воздухом, который подается в машину с помощью отдельного вентилятора (рисунок 4). Такую вентиляцию называют также принудительной. Иногда вентилятор со своим приводным двигателем устанавливается на корпусе вентилируемой машины.

В рассматриваемом случае система вентиляции может быть как аксиальной, так и радиальной. Применяется этот способ вентиляции обычно тогда, когда скорость вращения машины регулируется в широких пределах, так как в этом случае при самовентиляции (с вентилятором на валу машины) нельзя обеспечить необходимый расход воздуха при низкой скорости вращения.

Всасывающая и нагнетательная вентиляция

В схемах рисунка 1 и 4 вентилятор находится в конце вентиляционного тракта машины и через него проходит воздух, подогретый внутри машины. Такая вентиляция называется всасывающей. Если вентилятор установлен вначале вентиляционного тракта машины, то через него проходит холодный воздух, при этом воздух нагнетается в машину, и вентиляция называется нагнетательной.

Коэффициент полезного действия вентилятора равен единице, и в вентиляторе происходит дополнительный нагрев воздуха, который в ряде случаев может составлять 3 – 8 °С. Поэтому при нагнетательной вентиляции в машину подается уже несколько подогретый воздух. Условия охлаждения при этом ухудшаются, и для достижения такого же эффекта, как и при всасывающей вентиляции, расход воздуха необходимо увеличить на 15 – 20 %, что вызывает увеличение вентиляционных потерь на 50 – 70 %. По этим причинам следует предпочитать всасывающую вентиляцию, если она не вызывает усложнения конструкции машины. Однако всасывающей вентиляции также присущи некоторые недостатки. Например, в схеме на рисунке 1 внутрь машины засасывается пыль с коллектора.

Протяжная и замкнутая вентиляция

Как самовентиляция, так и независимая вентиляция могут быть двух родов: протяжная и замкнутая.

При протяжной вентиляции охлаждающий воздух поступает в машину из окружающего внешнего пространства и после прохождения через машину возвращается в атмосферу (рисунки 1 и 4). Недостаток такой вентиляции заключается в том, что на внутренних поверхностях машины накапливается пыль и грязь, которые всегда содержатся в воздухе. Это вызывает ухудшение условий охлаждения машины и может быть причиной аварии. Применение фильтров на входе воздуха в машину нерационально, так как их нужно часто очищать и они увеличивают сопротивление движению воздуха. При несвоевременной очистке фильтра условия охлаждения резко ухудшаются. Необходимо иметь в виду, что через самые крупные машины каждый час проходит несколько сотен тонн воздуха, и поэтому даже при незначительном содержании пыли ее абсолютное количество довольно-таки велико.

Для машин малой мощности возникающие затруднения разрешаются проще. При сильно загрязненной атмосфере можно использовать закрытые машины, охлаждаемые с наружной поверхности. При умеренном содержании пыли в воздухе можно применять машины защищенной конструкции, продувать их регулярно сжатым воздухом и для периодических чисток разбирать машину один-два раза в год.

Применительно к крупным машинам эти меры непригодны. Такие машины невозможно охлаждать с наружной поверхности, так как эта поверхность возрастает пропорционально квадрату линейных размеров, а потери в машине – пропорционально кубу линейных размеров. Разборка и сборка крупной машины, ее чистка являются весьма трудоемкими и дорогими операциями. Поэтому в крупных машинах переменного тока, а ряде случаев также в крупных машинах постоянного тока применяется замкнутая система вентиляции (рисунок 5). При такой вентиляции воздух циркулирует по замкнутому циклу: проходит через машину М, воздухоохладители О, вентилятор В и снова попадает в машину. Возможно использование как нагнетательной (рисунок 5, а), так и всасывающей (рисунок 5, б) вентиляции.

Замкнутая система вентиляции

Рисунок 5. Замкнутая система вентиляции

Водородное охлаждение

Водород является более эффективным охлаждающим агентом, чем воздух. По сравнению с воздухом у водорода при атмосферном давлении теплопроводность больше в 7,1 раза и средний коэффициент теплоотдачи при одной и той же скорости больше в 1,7 раза, а при одинаковом массовом расходе – в 11,8 раза. Благодаря этому для достижения такой же эффективности охлаждения, как воздухом, требуется меньшие массовые расходы водорода, а вентиляционные потери, которые в крупных быстроходных машинах составляют большую часть суммарных потерь, снижаются почти в десять раз. При водородном охлаждении срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окислительные процессы и образование вредных азотистых соединений при коронных разрядах. Поэтому водород находит широкое распространение для охлаждения быстроходных машин переменного тока мощностью 25 МВт и выше.

При водородном охлаждении применяется замкнутая система вентиляции и во избежание образования взрывчатой смеси давление в системе поддерживается несколько выше атмосферного (1,05 атм). В ряде случаев для усиления интенсивности охлаждения давление водорода в системе охлаждения увеличивается до 3 – 5 атм. При этом необходимо иметь надежные уплотнения, чтобы не допустить значительной утечки водорода из машины.

Непосредственное, или внутреннее, охлаждение обмоток

Для электрических машин мощностью 300 – 500 МВт и более замкнутая система вентиляции с водородным охлаждением также оказывается недостаточной. Поэтому в таких машинах обмотка изготовляется из полых проводников и применяется внутреннее охлаждение этих проводников водородом при давлении до нескольких атмосфер или водой. Можно также использовать вместо водорода или воды трансформаторное масло. Однако теплопроводность и коэффициент теплопередачи воды значительно больше, чем у трансформаторного масла. Поэтому масло используется реже.

Так как подвод воды в обмотку вращающегося ротора связан с определенным усложнением конструкции, то применяется также смешанное внутреннее охлаждение: обмотки ротора охлаждаются водородом, а обмотка статора – водой. Водород подается в обмотки при помощи компрессоров или особых газозаборников, установленных на вращающемся роторе. Для подачи воды применяются насосы.

Рассмотренные системы непосредственного охлаждения во всех случаях выполняются замкнутыми, с циркуляцией одной и той же массы охлаждающего агента и с охлаждением его в предназначенных для этой цели охладителях.

При непосредственном охлаждении обмоток перепады температуры в изоляции исключаются и можно резко увеличить плотность тока.

При водяном охлаждении мощность машины ограничивается в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими и экономическими показателями.

Расход охлаждающей среды

Расход охлаждающей среды, необходимый для отвода тепла из машин, равен

где p – отводимые потери, Вт; c – удельная объемная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/(°С × м³); Θв = ϑг – ϑх – превышение температуры выходящей из машины нагретой охлаждающей среды ϑг над температурой поступающей в машину охлаждающей среды ϑх, °С.

Для воздуха c = 1100 Дж/(°С × м³). Значение Θв в зависимости от системы вентиляции, конструкции машины и ее мощности изменяется в пределах 12 – 30 °С. Таким образом, на 1 кВт потерь необходимое количество воздуха

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *