CC BY
10
Том 242
1972
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ДВИГАТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Р. Я. КЛЯИН, Д. И. САННИКОВ
(Представлена объединенным -семинаром кафедр электрических машин
и общей электротехники)
Температурное поле в обмотках электрических машин в установившемся номинальном режиме имеет неравномерный характер, обусловленный двумя причинами:
1) закономерностями явлений теплоотдачи и теплопроводности в различных частях машины при отсутствии случайных отклонений теп-лофизических условий,
2) -случайными отклонениями условий тепловыделения и теплоотдачи в различных машинах одного типа, в различных катушках одной машины и т. д.
Первая причина вызывает определенное распределение температуры по длине машины и по сечению катушек. Хотя имеется значительный опыт исследования в данной области и разработаны методы приближенного расчета температурного поля, однако трудности предварительного определения теплофнзических условий и другие причины приводят к необходимости продолжения экспериментальных исследований.
Вторая причина вызывает разброс нагрева однотипных машин и однотипных частей в пределах машины. Этот разброс в машинах постоянного тока малой мощности практически не был исследован, однако нербходимость исследования очевидна, так как разброс должен учитываться при назначении температурных допусков.
Для получения достаточного объема информации при исследовании температурных полей в качестве объекта испытаний были выбраны модификации двигателей П32 и П52, предназначенные для работы в трех номинальных режимах, указанных в табл. 1.
Таблица 1
Номинальные ГО2 П52
'у режимы Рш кет п, об/мин Р„, кет п, об1мин
1-й режим 5,9 3900 19,5 3750
^ г / 2-й режим 3,7 3000 12,4 3000
\ ^ 3-й режим 2,9 2500 9,3 2450
Для испытаний были изготовлены четыре двигателя П32 и два — Г152-^с заложенными медно-константановымй термопарами в количестве до 250 в каждом двигателе. В якоре П32 имелось 47 термопар, П52 — 71 термопара; в полюсных катушках соответственно 64 и 128; в сердечниках полюсов и корпусе — по; 52. .
Испытания проводились в трех указанных номинальных режимах, измерение термо-эдс производилось при установившемся нагреве с помощью потенциометра Р2/1, кроме того, средняя температура обмоток определялась по методу сопротивления. Режимы повторялись 3—5 раз, после чего данные измерений усреднялись.
Температурное поле якоря
Термопары одной позиции располагались по окружности якоря в 4—8 точках для машины П32 и в 4—12 точках для П52. Концы термопар выводились через канал в валу двигателя к приставному токосъемнику.
На рис. 1 даны позиции термопар в обмотке якоря и показано распределение превышения температуры по длине обмотки в трех двигателях П32 во 2-м режиме, при этом показания термопар одной позиции усреднены. Данные измерений превышения температуры над температурой окружающей среды по обоим типам двигателей в трех номинальных режимах сведены в табл. 2, причем данные по однотипным машинам также усреднены.
Рис. 1. Распределение температуры по длине обмотки якоря в двигателе П32
Таблица 2
П32 П52
№ поз. Режим работы
по рис. 1 2 3 1 2 3
1 поз. 53,3 47 42,8 88,6 76,2 74,6
2 53,6 46,9 41,8 85,9 80,5 72,6
3 54,1 47,3 42,4 88,4 86,4 77,2
4 54,1 47,0 42,3 84,1 83,3 73,0
5 54,1 48,4 43,3 80,3 79,1 66,3
6 55,7 47,7 42,4 82,6 79,8 69,7
7 54,5 46,5 42,6 83,2 <82,1 69,3
8 55,4 47,3 42,5 86,7 80,0 73,9
9 52,0 47,4 42,0 85,2 83,1 73,0
10 53,1 47,9 41,6 74,3 76,6 67,0
11 51,9 46,3 40,6 101,2 86,1 84,6
12 55,2 46,9 42,5 85,2 79,5 74,3
Ср. знач. 53,9 47,3 42,2 85,5 81 73
по термо-
парам
Ср. знач. 72
по сопр. 63.1 47.7 42 85,2 78,5
56
Из кривых рис. 1 и аналогичных кривых, полученных в других режимах, видно, что характер распределения температуры для разных однотипных машин различен, то есть подвержен влиянию случайных факторов, однако неравномерность распределения температуры по длине и по высоте обмотки примерно одинакова для всех машин, при усреднении данных по однотипным двигателям неравномерность уменьшается.
Среднеквадратический разброс нагрева d@HM между однотипными двигателями П32 в отдельных позициях в различных режимах лежит в пределах 1,8-5%, разброс среднего перегрева обмотки во 2-м режиме составляет 2,8% по термопарам и 1,8% по методу сопротивления, в других режимах разброс имеет близкие значения и не превосходит 4%. Для двигателей П52 ввиду наличия только двух опытных образцов данный разброс не определялся.
Среднеквадратическое отклонение температуры d@H0 по окружности якоря в одной позиции составляет не более 2,5% для П32 и до 12,5% для П52.
Результирующее среднеквадратическое отклонение
дЪяо = УдЪ 2ЯМ + ^2Я0 (1)
составляет д^я П32 во 2-м режиме 3,8% в среднем для всех позиций и 6,0% для позиции с максимальным разбросом (позиция 12). Для машины П52 зто отклонение оценивается в 13%.
Распределение температуры по длине обмотки характеризуется превышением температуры максимально нагретой точки над средней А0ЯГ. Для машин П32 А@яг составляет; в 1-м режиме 2,9%, во 2-м — 1,5 и в 3-м режиме 1,7%, для П52 соответственно 19, 10 и 17,5%.
Отсюда может быть найдено максимально возможное превышение температуры горячей точки над средней температурой обмотки якоря с 96%-ной вероятностью
Абятах = 2<?6Я + Д9ЯГ. , (2)
В первом режиме, то есть при наибольшей нагрузке, АОятах составляет для двигателей П32 15% или 8°С, а для двигателей П52—45% или 38,5° С.
Распределение температуры по высоте обмотки в пазу, определившееся в двигателе П52, показано на рис. 2а и характеризуется относительной равномерностью.
Температурное поле обмоток главных и дополнительных полюсов
Термопары закладывались в каждой катушке в 4-х сечениях, расположенных посредине ее сторон: 1—со стороны коллектора, III — с противоположной стороны, II и IV в боковых сторонах катушки. Расположение термопар в сечении обозначено на рис. 2 6 позициями А, В. С, D, Е. При рассмотрении распределения температуры по длине полу-витка усреднялись показания термопар в каждом сечении на основании предположения о распределении температуры в сечении по закону эллиптического параболоида
ой
2450 %Гн 3000
5750
\
/
30 60 70 80 °С
О 20 40 60 С
Рис. 2. Распределение температуры по высоте обмотки в пазу и в полюсных катушках
л _ 4ВЛ+ 6в + Ос + 6р + вр ср--8 •
Кроме того, усреднялась температура II и IV сечений. Значения усредненных превышений температуры представлены в табл. 3. Неравномерность распределения по длине для обоих двигателей незначительна, отклонение от среднего не превышает 2° С, а в относительном выражении—3,5% для шунтовых катушек и 5% для катушек дополнительных полюсов.
Таблица 3
П32
Шунтовые катушки Катушки доп. пол.
Сечения I II—IV | III I И—IV III
1-й режим 50,9 52,2 50,8 22,1 23,8 23,0
2-й режим 25,0 25,7 24,8 21Д 21,4 21,6
3-й ре;жим - 25,8 26,6 25,5 20,8 21,4 20,8
П52
1-й режим 74,5 74,8 73,8 42,4 41,4 40,6
2-й режим 61,3 58,4 59,6 41,9 41,4 39,1
3-й режим 57,3 54,5 54,8 37,8 37,7 36,9
Значительно большая неравномерность распределения температуры наблюдается в поперечном сечении катушек, как видно из графиков на рис. 3, где показано распределение температуры для двигателя 1132 во 2-м режиме. Показания термопар усреднены по позициям во всех катушках. Сводные данные для обоих двигателей и всех трех режимов приведены в табл. 4. Неравномерность распределения температуры, по сечению характеризуется коэффициентом максимального^ превышения температуры
км - ^ ■ ■ о)
Таблица 4
Поз. П32 П52
Шунтовые катушки Кат^ки доп' 1 Шунтовые ка- Катушки доп. тушки пол.
Режимы работы Режимы работы
1 2 3 1 | 2 3 { 1 2 3|Х 2|3
А 61,0 28,6 29,6 27,2 23,9 24,2 96,4 75,4 69,8 48,2 46,2 46,1 В 49,9 26,2 27Д 20,4 19,4 18,1 47,2 38,9 36,9 31,0 33,9 34,4 С 38,6 20,5 21,3 1 9,0 19,5 18,2 40,6 38,0 34,9 36,5 37,0 36,0 D 49,8 25,2 26,2 24,3 22,6 21,5 62,7 53,1 48,8 37 37,3 34,6 Е 29.7 16,8 16,3 13,7 14,3 14,0 58,9 45,9 43,9 34,2 34,5 32,1
вср 51,5 25,4 26,1 23,3 21,4 21,1 74,4 59,7 51,6 41,4 41,4 40,2 км 1,18 1,13 1,15 1,17 .1,12 4,15 1,3 1,26 1,35 1,16 1,13 1,15
Характер температурного поля в катушках определяется низкой теплопроводностью пучка круглых изолированных проводов в поперечном направлении и высокой — в продольном и свидетельствует о сравнительно равномерном распределении плотности теплового потока по поверхности катушек.
Разброс нагрева катушек по отдельным машинам и по позициям в каждой машине по имеющимся опытным данным не превосходит разброса, характерного для обмотки якоря.
Основные выводы
В машине третьего габарита температурное поле якоря характеризуется слабо выраженной неравномерностью и небольшим разбросом как по окружности якоря, так и между однотипными машинами. Указанные отклонения не превышают 3—6%- Однако результирующее максимальное отклонение может достигать значительной величины (А©ятах=15%).
С возрастанием размеров машины все перечисленные отклонения существенно увеличиваются, в машине пятого габарита Дбятах достигает 45%. Наиболее нагретая точка обмотки якоря находится в нижнем слое лобовых частей со стороны, противоположной коллектору, или вблизи середины якоря.
В полюсных катушках наиболее нагретая точка находится вблизи центра поперечного сечения, и превышение температуры для нее над средним перегревом катушек составляет 12—35%, причем большие значения относятся кшунтовым катушкам и к машинам большего габарита. Распределение температуры по длине витка является равномерным. Максимально возможное превышение температуры горячей точки над средней температурой с учетом случайных отклонений может оцениваться величиной 25% для П32 и 50% для П52 в режиме с наибольшей нагрузкой.
Снижение неравномерности нагрева и разброса является, таким образом, одним из резервов повышения использования машин.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. К. Митр ополье кий. Техника статических вычислений. Физ-матгиз, 1961.
2. М. Н. У л я н и ц к и й. Анализ температурных полей машин постоянного тока серии П. «Изв ТПИ», т. 132, 1965.
I и
