Коэффициенты теплоотдачи якоря машин постоянного тока малой мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 202 1973

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕПЛООТДАЧИ ЯКОРЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Р. я. КЛЯИН, Д. И. САННИКОВ

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей

электротехники)

Опытное определение коэффициентов теплоотдачи якоря произво дилось на экспериментальной установке [1], в состав которой в качестве испытуемого объекта входил макет двигателя.

Макет выполнен на базе машины постоянного тока серии П. Особенность конструкции его состоит в том, что вместо обмотки якоря, как источника тепла, в активную и лобовые части встроены нагреватели в виде спиралей из нихромовой проволоки. Нагреватель активной части встроен в стальной цилиндр, имитирующий сердечник якоря. Нагреватели лобовых частей располагаются на обмоткодержателях. Коллектор представлен полным медным цилиндром с нагревателем на внутренней поверхности.

Указанные элементы якоря изолированы друг от друга теплоизоляционными прокладками для устранения теплообмена .между ними.

Бифилярная намотка полюсных катушек позволила избежать дополнительных источников тепла в массивных деталях конструкции.

Питание нагревателей осуществлялось постоянным током через контактные кольца.

Такая конструкция якоря макета обеспечивает возможность регулирования и измерения мощности источников тепла в каждом элементе независимо друг от друга. Причем мощность на нагревателях и полюсных катушках устанавливалась так , чтобы перегрев элементов якоря был одинаков, или, по крайней мере, разнился незначительно [2]. Такое условие опыта позволило свести до минимума влияние теплообмена между полюсами и якорем и между элементами якоря в установившемся режиме.

Расход охлаждающего воздуха изменяется с помощью вспомогательного вентилятора, перегрев определялся по термопарам, встроенным на поверхности элементов якоря.

Известно, что на процесс теплоотдачи электрической машины влияет множество факторов, не равнозначных по своей роли. В нашу задачу входило изучение влияния важнейших из них, таких как окружная .скорость якоря, аксиальная скорость воздушного потока, различие теплоотдачи в машинах, различающихся -по типоразмерам при прочих равных условиях, а также влияние площади сечения междуполюсных каналов.

С этой целью испытаниям были подвергнуты три макета машин 1, 3, 5 габаритов с высотой оси вращения соответственно 112, 150 и

180 мм. В двух последних площадь междуполюсного канала изменялась за счет различной полноты полюсных катушек.

Исследование трех типоразмеров машин позволяет распространить результаты опытов с достаточным основанием на весь отрезок серии П 1-6 габаритов.

Коэффициенты теплоотдачи определялись по [1]. Характер влияния окружной скорости v а якоря на коэффициент

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи активной и лобовой частей от окружной скорости якоря

теплоотдачи L показан на рис. 1 на примере макета 5-го габарита в виде зависимостей

аа —f(va) — коэффициента теплоотдачи активной части якоря [вт;см2° С],

ял =f(va) — коэффициента теплоотдачи лобовой части якоря при различном значении расхода охлаждающего воздуха. Результаты исследования влияния аксиальной скорости воздуха v р на коэффициент теплоотдачи элементов якоря представлены на рисунках 2—4 для макета одного типоразмера Н — 180. Для других макетов характер зависимостей a = f(vp) аналогичен. Выборочные данные по остальным макетам приведены в табл. № 1. Здесь vp — скорость воздуха в междуполюсном канале определяется из соотношения

= (и

где SK — площадь поперечного сечения междуполюсного канала, м2, vvl — скорость воздуха в камере над лобовыми частями, м/сек•

*р.1 = 1/ • (2)

V ¿к-Х-л

5L

рк

площадь сечения камеры над лобовыми частями; скорость воздуха в камере над коллектором

Орк =

1/

5КЛ

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи активной части якоря от скорости воздуха в междуполюсных каналах

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи лобовой части от скорости воздуха в камере над лобо -выми частями

Величина между полюсного канала учитывается коэффициентом окна к0

4-5к

(г

£0

г^т, #

/ Фкш<>

/

1

о1)

(4)

Г. (£>стл

внутренний диаметр

здесь Дст.8 станины,

диаметр якоря. Для аппроксимации опытных зависимостей а =/(аа) и а =/(ур) выбрана формула следующего вида

А-ъХ + В^У, (5)

№

Р,

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи коллектора от скорости воздуха в камере над коллектором

где а0 — коэффициент теплоотдачи при т>а — О и г/р = 0.

Второй член суммы учитывает влияние окружной скорости якорл при Vр— 0. Коэффициент Л зависит от окружной скорости и от диаметра якоря.

Третий член суммы учитывает влияние аксиальной скорости воздуха. Коэффициент В является функцией от площади междуполюсиого канала диаметра и окружной скорости.

Коэффициенты в формуле (5) были определены по условию минимального среднеквадратического расхождения с данными опыта.

Таблица 1

Тип ^Р (л, к) м ¡сек л = 0 п = 1500 об\мин п = = 3000 об/мин

яа «к аа a -j «к аа ал | «к

П12 0 2,3 4,7 4,8 3,2 7,6 5,4 4,6 11,3 6,4

к0 = 0,274 2 6,4 7,2 9,0 7,6 12,9 7,9

De = 4 3,45 9 10,5 3,8 11,7 10,7 5,0 15,4 11,0

6 12,1 15,0 18,0

= 0,083 м 8 5,4 5,7 6,25

12 7,7 7,95 8,2

П32 0 2,3 4,7 4,8 4,3 7,8 6,0 6,7 10,4 7,2

а:0 =0,18 2 5,7 7,7 8,1 8,1 10,8 8,5

4 3,2 7,7 12,7 4,9 9,5 13,0 7,4 И ,6 13,3

6 10,1 12,0 13,1

=0,12 м 10 5,9 7,6 9,3

14 8,6 10,2 11,6

П32 0 2,3 4,7 4,8 4,3 7,8 6,0 6,7 10,4 7,2

2 6,3 7,7 8,6 8,1 11,5 8,5

=0,278 4 3,5 9,1 12,7 5,3 10,6 13,0 8,0 13,5 13,3

6 12 ,0 13,1 15,6

10 6,9 9,0 10,8

14 , 9,8 11,8 13,2

Для активной части «. = ( 5,29+

\ 1+0,00314Уа

для лобовой части

о о 2 гл —1,08

3,3va Da

<хл = 13,24

I oQ 0,98 2,02 г\—1,37

+ 6,28/Со Vr; Da

0,75 1,65

Vt

1 + 0,0273i>,

0,5

10-3 (6)

0,6

D

0,2

0,00353у1

tIASkoV

рл

1 +0,0318x»e

для коллектора

a„

11,2 +

0,169 viî

1 + 0,009 и к

^3^5^035^+3 y.

65

10-

10~3 (7)

(8)

Погрешность аппроксимации характеризуется среднеквадратиче-ским разбросом а = 3,6%.

Полученные формулы проверены по методике теплового расчета [3] на двигателях серии П2 с высотой оси вращения //=112 мм и //= 160 мм.

Номинальные данные рассчитываемых двигателей:

Обозначения П2 - 160 П2 — 112

я —1500 об\мин. п -3000 п= 1500 п =3000

U[b] 220 440 220 440

Па\ 60 65 13,7 16,5

Результаты расчета сведены в табл. 2. Принятые обозначения:

УИа; M-с, Мк — удельные внутренние тепловые сопротивления изоляции, йриведенные к поверхности охлаждения активной, лобовой части и коллектора,

'л* ^к — долевые значения длин участков якоря, Заэ, <*лэ, зскэ — эквивалентные коэффициенты теплоотдачи участков, АГр — коэффициент приведения потерь, аэя — эквивалентный коэффициент теплоотдачи якоря,

Таблица 2

П2- 160 П2- 112

№

Наименование

п.п. п ---1500 п ^3000 п =1500 п =3000

o6¡MUH об ¡мин об ¡мин О 61 мин

1 2 3 4 О • 6

\ V жЦсек 1 0,0407 0,082 0,018 0,036

2 Da см 16,2 10,6

3. А D к „„ 12,5 8,0

va м¡сек 12,7 25,4 8,3 16,6

t. 5. 6 VK »» 9,81 19,62 6,28 12,56

vp „„ 6,3 12,7 2,86 5,72

i. 8. 9. 10 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. ^рл - 2,64 5,33 1,69 3,38

fPK » n 1,1 2,23 1,0 2,0

аа-10? вт1см2-аС 6,092 10,86 4,686 7,739

«л-lOi яв 10,68 17,52 9,36 15,8

«К-103 „„ 8,266 10,86 7,214 9,552

= «а/1 + Afa^a 5,43 8,76 4,20 6,48

«лэ = ял/1 + Млал 8,8 12,98 7,89 12,0

«кэ = «k/I + MKiK 7,467 9,516 6,618 8,531

-а 0,45 0,5

С/1 0,35 0,375

-к 0,2 0,125

КР аэя 1,042 1,11 1,027 1,07

7,308 11,528 6,045 9,422

Ря в m 947,5 1470 352,3 663

Р<л!$я'аЭЯ 67,6 66,5 57,8 69,8

Vf 18,5 12,9 18,8 14,3

к 86,2 79,4 76,6 84,1

0Я (опыт) „„ 81,5 80,3 77 7Э,5

Sj, — поверхность охлаждения якоря, Рй —суммарные греющие потери в якоре, — средний подогрев воздуха в машине, 6Я — превышение температуры якоря над окружающим воздухом.

Выводы

1. Получены опытные зависимости, учитывающие влияние на коэффициенты теплоотдачи следующих факторов: аксиальной скорости воздуха, окружной скорости якоря, 'площади междуполюсных каналов, диаметров якоря и коллектора.

2. Аппроксимация опытных зависимостей

а =-- f(va, Z>p)

формулами вида (5) является приемлемой.

3. Полученные формулы могут применяться для теплового расчета машин постоянного тока серии II и новой серии П2 с диаметром якоря до 200 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д. И. Санников, Р. Я. К л я й н, М. А. С а н н и к о в а. Установки для исследования параметров теплопередачи в электрических машинах малой мощности.— Известия ТПИ, т. 212, Томск, 1971.

2. Р. Я. Кляйн, Д. И. Санников. Исследование коэффициентов теплоотдачи t a макетах машин постоянного тока малой мощности. — Известия ТПИ, т. 211, изд-во ТГУ, Томск, 1970.

3. Д. И. Санников, Р. Я. Кляйн. Тепловой расчет машин постоянного тока защищенного исполнения серии П2. — Известия ТПИ, т. 242, Томск, 1972.