CC BY
28
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА_
Том 212 197Г
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ТИПА АО
В. А. Жадан, Ю. В. Копылов, Д. И. Санников
(Представлена научным семинарам кафедр электрических машин
и общей электротехники)
Исследование нагрева закрытых обдуваемых асинхронных двигателей проводилось на двигателях ныне выпускаемой серии А02 и на опытных образцах двигателей серий В и А04, имеющих высоту центров 132 мм, в номинальном режиме при установившемся нагреве.
Температурное поле испытуемых двигателей определялось с помощью медно-константановых термопар, заложенных в различные части двигателей. В обмотку статора закладывалось 40—60 термопар; в ротор — 10—20 термопар; в двигатель А02-42-4 было заложено 12 термопар, позволяющих измерить перепад температуры в пазовой изоляции; перегрев поверхности спинки статора определялся в средней части его 12 термопарами, расположенными равномерно по окружности. Перегрев станины и подшипниковых щитов измерялся по 64 термопарам. Показания термопар ротора измерялись при вращающемся двигателе через токосъемное устройство. Места закладки термопар и температурные поля соответствующих двигателей приведены на рис. 1—3. Здесь приведены усредненные по окружности перегревы ротора, станины и подшипниковых щитов; перегревы обмотки статора усреднены по окружности статора и по высоте паза.
Объяснение характера кривых и расчет параметров, характеризующих разброс температуры между отдельными термопарами, заложенными в обмотку статора и станину, приведены в [2].
Наиболее нагретой частью двигателя является ротор. Температура по длине и окружности ротора меняется мало. В среднем ротор 4-полюс-ных машин нагрет больше статора на 25—30°С. Перепад в изоляции паза меняется по длине от 5 до 8°С, однако термопары, измеряющие температуру наружной поверхности изоляции, установлены так, что головки их могут вдавливаться в изоляцию. Поэтому перепад в пазовой изоляции в действительности в 1,15—1,25 раза больше.
В [2] отмечалось, что головки лобовых частей представляют собой монолитную конструкцию, которая имеет затрудненные условия охлаж-. дения. Установка дистанционных прокладок между секциями позволяет воздуху свободно проходить в образованных при этом каналах и улуч^-шает теплоотдачу лобовых частей. Так, в двигателе А02-42-4 их средний перегрев уменьшается в результате на 2,8° С, или 4,4%; перегрев пазовой части обмотки статора уменьшается только на 0,8°С, или 1,4%.
Это показывает, что улучшение теплоотдачи от лобовых частей несколько уменьшает температуру обмотки в целом.
Если, наоборот, увеличить тепловое сопротивление от лобовых ча-
Рис. 1. Температурное поле двигателей А02-42-4 и А02-42-2
стей к внутреннему воздуху, например, путем покрытия асбестом, то их средняя температура увеличивается на 4°С, а пазовой части — на 3,6ЭС. При этом перепад температур от лобовых частей к пазовой части увеличивается с 5,2 до 5,6°С. Следовательно, тепловой поток из лобовых частей в пазовую возрастает незначительно. Таким образом, ухудшение отвода тепла от лобовых частей к внутреннему воздуху не играет существенной роли. Повышение температуры обмотки статора в данном опыте объясняется следующей причиной: дополнительная изоляция на лобовых частях затруднила циркуляцию воздуха и ухудшила теплоотдачу от ротора, температура его поднялась на 8°С, и увеличилась доля тепла, передаваемая от ротора к статору через зазор, что вызвало дополнительный нагрев пазовой части обмотки.
Циркуляция воздуха внутри двигателя обеспечивается крыльчаткой, отлитой заодно с короткозамыкающим кольцом ротора. Известно, что интенсивность перемешивания воздуха зависит от размеров и количества крылышек. Поскольку испытания проводились на серийном двигателе А02-42-4, то в данном случае можно было изменять ширину кры-
лышек только в сторону уменьшения от начального значения 46 мм; высота и число крылышек не менялись. При уменьшении ширины крыльчатки в 2 раза средний перегрев обмотки статора увеличился на 3,8%, перегрев ротора увеличился на 5,9%; при полностью сточенной крыльчатке средний перегрев обмотки статора увеличился на 11,6%, перегрев ротора — на 15%. Повышение перегрева ротора при этом происходит вследствие уменьшения поверхности охлаждения крыльчатки, а статора — за счет увеличения теплового потока от ротора через зазор и ухудшения обдува лобовых частей. Хотя при уменьшении ширины крыльчатки уменьшаются внутренние вентиляционные потери, влияние их на тепловое состояние двигателя незначительно по сравнению с другими видами потерь. Обнаружить оптимальную ширину крылышек, как это показано в [1], не удалось; по-видимому она больше, чем в существующей конструкции двигателя.
Конструкция внутреннего вентилятора, образованного крыльчаткой, такова, что доля воздушных потоков, циркулирующих по путям утечки и не участвующих в охлаждении лобовых частей обмотки статора, значительна. Кроме того, между статором и станиной имеются места, где практически отсутствует перемешивание воздуха. Поэтому для упорядочения движения воздуха внутри машины было предложено установить диск на пути утечек, то есть сделать вентилятор двухдисковым и тем самым направить воздух в решетку, создаваемую лобовыми частями при выходе из паза. В результате перегрев лобовых частей обмотки статора понизился на 1,5° С, а средний перегрев обмотки статора — на 0,6° С, или на 1%.
Весьма важным тепловым параметром для закрытых двигателей является проводимость между спинкой пакета статора и станиной, которая в сильной степени зависит от состояния контактируемых поверхностей, контактного давления и т. п. Исследования на различных машинах показывают, что перепад температур в зазоре между пакетом и станиной может колебаться от 3 до 7°С.
В серии А02 пакет статора по наружному диаметру не обрабатывается, и средний перепад между пакетом и станиной составляет 5,7°С. Чтобы определить, как влияет класс обработки на перепад температуры, были изготовлены и испытаны 6 двигателей, у которых пакет статора обрабатывался по классу V 6. Перепад температуры составил 5,4°С, то есть остался практически неизменным. По-видимому, более жесткие требования к обработке посадочных поверхностей пакета статора и станины не обеспечат существенного уменьшения перепада температур между ними.
Характер температурного поля ;(рис. 2) опытного образца двигателя В — 132 М-4 такой же, как у двигателя серии А02. В целом температура обмотки статора и станины выше, чем в двигателях серии А02.
Температурное поле первых опытных образцов двигателей серии А04 приведено на рис. 3.
Наиболее нагретые точки статорной обмотки находятся в лобовых частях со стороны, противоположной вентилятору. Повышение температуры нагретой точки над средней температурой обмотки складывается из двух составляющих:
Д9М = дЬМ1 + (Э0М2, (И
где <30м1—превышение полусуммы температур концов лобовых частей над средней температурой обмотки, вызванное притоком тепла от лобовых частей к пазовой части.
<30м2 — перекос температурного поля обмотки вследствие несимметрии охлаждения корпуса, то есть полуразность температур лобовых частей.
Рис. 2. Температурное поле двигателя Б — 132М-4
Первая составляющая может быть рассчитана при условии симметричного охлаждения статора на основании допущения о параболическом характере распределения температуры по длине лобовой части. Опуская математические выкладки, в конечном виде имеем
Здесь РМ1 — потери в меди обмотки статора,
кл — составляет 0,75 для двухполюсных машин и 0,95 для остальных,
Бм — суммарное сечение меди; Хси—теплопроводность меди;
/л и I — длины лобовой и активной части обмотки статора.
Вторая составляющая определяется через перекос температурного поля станины с учетом теплового сопротивления между обмоткой и станиной и выравнивающего действия аксиальной теплопроводности обмотки.
Коэффициент перекоса теплоотдачи корпуса [3] рекомендуется вычислять по формуле, учитывающей длину станины
/л2(*л + 3/) (/л + I)2
80
60
ио
20
! в % Л
.........
вР
I
ест
а,
п д о А О □ -404- 132 М-Ь а - Д04- /32 ГИ 6
Рис. 3. Температурное поле двигателей А04-132М-4 и
А04-132М-6
где Ьст и Бет — длина и наружный диаметр станины.
Перекос температурного поля станины, равный полуразности температур по ее краям, вычисляется по упрощенной формуле [3]
0,4 к
А-и
1 +
10
(4)
Ист Ос
где Нет — аксиальное тепловое сопротивление станины, йа — тепловая проводимость от оболочки к воздуху. Составляющая перегрева горячей точки
<30
м 2
Дх
14
2> I ^ст
! +
12 И, Им
(5)
Здесь
— расчетное аксиальное тепловое сопротивление обмотки статора.
Кмс — тепловое сопротивление между обмоткой и станиной, состоящее из сопротивлений изоляции, зубца на-^—высоты, спинки статора и
о
зазора между пакетом статора и станиной.
Превышение температуры наиболее горячей точки над средней температурой обмотки для двигателя А02-42-4 по опыту (рис. 1) составляет 4,5°С, по расчету — 4,6°С; для А02-42-2 по опыту — 5,7°С, по расчету — 6, ГС.
Таким образом, превышение температуры наиболее горячей точки над средней температурой обмотки статора, которым характеризуется неравномерность нагрева обмотки статора по длине, имеет значительную величину (до 10%).
Предложенная методика расчета превышения температуры наиболее нагретой точки над средней температурой обмотки имеет достаточную точность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф. Л. Заутнер, И. И. Фейгельман, М. М. Анджейко, В. И. Борисович. Оптимальная длина вентиляционных лопаток короткозамк-нутого ротора взрывонепроницаемых асинхронных двигателей. «Электротехника», 1965, № 7.
2. В. А. Жадан, Д. И. Санников, Р. Я. Кляйн. Исследование температурных полей закрытых обдуваемых электродвигателей. Известия ТПИ, т. 172, 1967.
3. В. А. Жадан, Д. И. Санников. Несимметрия нагрева корпуса электрических машин с внешним обдувом. Известия ТПИ, т. 172, 1967.
