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.
#Выпуск 78 Крыльчатка обдува (охлаждения) электродвигателя
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].
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.
Изготовление вентилятора для охлаждения электродвигателя
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.
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.
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.
- Подъемный механизм в крепости Орешек
- Крепость Орешек
- Общественные пространства: как они создаются?
- Кросс-платформенная станция
- Урбанистика. Общественные пространства городов
- Альпер Т. И., Сергиевская Т. Г. Охлаждение гидрогенераторов. Под ред. П. М. Ипатова. М., «Энергия», 1969, 200 с.
- 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.
- Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин, пер. с нем. М., — Л., Госэнергоиздат, 1961.
- Сергеев П. С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, М., «Энергия», 1969.
- Лихачёв В. Л. Справочник обмотчика асинхронных электродвигателей. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 240 с.
- Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М., «Энергия», 1971. 216 с.
- Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972.
- Юдаев. Б. Н. Теплопередача. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1973. 360 с.
Источник: stroikaveka.org
Независимое охлаждение электродвигателя
Практически все электродвигатели общепромышленного назначения выпускаются со встроенной крыльчаткой, которая напрессовывается на свободный конец вала и располагается под защитным кожухом. Если электрическая машина эксплуатируется в обычном режиме, охлаждение электродвигателя обеспечивается в должной степени, необходимой для длительной безаварийной работы. Однако довольно часто возникают ситуации, когда потока воздуха, создаваемого штатным вентилятором, будет недостаточно для эффективного обдува двигателя.
Это может произойти в случае, если эксплуатация двигателя осуществляется:
- в условиях постоянных нагрузок;
- с частыми пусками и остановами;
- под управлением частотных преобразователей с пониженной или увеличенной частотой вращения вала;
- при повышенной температуре окружающей среды.
Кроме того, независимая вентиляция электродвигателя необходима при установке на его вал вместо крыльчатки специальных датчиков скорости и положения.
Эксплуатация электрических машин без дополнительного охлаждения в перечисленных выше условиях неизбежно приведет к возникновению аварийных ситуаций.
Обычно на производстве стараются свести к минимуму риск выхода оборудования из строя и внедряют независимые системы охлаждения электродвигателей. Но здесь потенциального покупателя подстерегает неприятная неожиданность! Двигатели с дополнительной вентиляцией в массовом производстве отсутствуют, поэтому просто позвонить менеджеру завода-изготовителя и заказать необходимый типоразмер не получится, так как его может не оказаться на складе.
Ситуация немного проще в том случае, когда требуется несколько двигателей с полностью идентичными размерами и характеристиками. Предприятие по индивидуальному заказу изготовит небольшую партию. Однако ее производство может растянуться на несколько месяцев, да и стоимость будет несоразмерно велика. Но ведь для решения производственных задач могут понадобиться двигатели разных типоразмеров, причем в единичных экземплярах и разных марок. Вероятность того, что удастся собрать комплект оборудования у разных производителей, практически равна нулю.
Но не стоит паниковать и предаваться унынию. Из кажущейся тупиковой ситуации есть довольно простой выход. Вам нужно только связаться с менеджерами компании Кабель.РФ ® , выбрать необходимые марки электродвигателей и заказать их модернизацию. Наши технические специалисты в течение двух недель установят дополнительные однофазные или трехфазные вентиляторы, подключаемые к обмоткам электрической машины или к независимой сети, а также предоставят все сопроводительные документы к такой электрической машине с независимым охлаждением.
Источник: cable.ru
Охлаждение промышленных электродвигателей
Нагрев любой электрической машины обусловлен преобразованием части электроэнергии в тепловую, трением отдельных конструктивных элементов, величиной нагрузки на валу. Учитывая то, что обмотки большинства промышленных электродвигателей могут работать при температуре, не превышающей 90-95 градусов, становится актуальным вопрос выбора эффективных систем охлаждения. На практике применяют несколько конструктивных решений, способных обеспечить снижение температуры ЭД различных типов до нормируемых значений. Наибольшее распространение в промышленных электродвигателях средней и большой мощности получили следующие варианты.
Принципы самовентиляции электродвигателей
- Наружная самовентиляция — поток охлаждающего воздуха проходит вдоль поверхности корпуса электродвигателя, который для увеличения теплоотдачи имеет специальное оребрение. Увеличение площади соприкосновения позволяет обеспечить более эффективный отвод тепловой энергии.
- Внутренняя самовентиляция — воздушный поток циркулирует между основными конструктивными элементами по специальным каналам. Благодаря такому решению тепловая энергия отбирается непосредственно с нагретых обмоток и деталей двигателя, что позволяет поддерживать требуемую температуру даже при работе с максимально допустимой мощностью.
Для большинства электродвигателей, работающих с постоянной частотой вращения ротора, этот вариант считается наиболее простым. Но, при в системах для которых требуется регулировка скорости, такой вариант уже неэффективен, и требуется применение принудительного охлаждения.
Принудительное охлаждение
Принцип системы заключается в том, что частота вращения крыльчатки вентилятора не зависит от режима работы самого двигателя. Вентилятор обеспечен отдельным двигателем. Поэтому, при работе в режимах с небольшим количеством оборотов ротора производительность системы охлаждения не снижается.
Особенно актуален такой тип охлаждения для электродвигателей с частотными преобразователями и другими регуляторами частоты вращения ротора. Практически все ЭД постоянного тока комплектуются охлаждающими устройствами такого же типа. При этом наиболее эффективным считают замкнутые системы охлаждения, в том числе и с жидкостными воздухоохладителями. Воздух при этом циркулирует по замкнутой системе между электродвигателем и воздухоохладителями, благодаря чему отпадает необходимость в его постоянной очистке.
Особенности систем охлаждения синхронных электродвигателей
В синхронных электродвигателях различной мощности чаще всего реализована проточного (продуваемого) типа. Воздух, необходимый для отвода тепла, забирается из машинного зала, проходит через ЭД, нагревается и удаляется за пределы рабочей зоны. В отдельных случаях применяют схемы, при которых охлаждающий воздух забирается непосредственно у места установки электродвигателя и отводится из рабочей зоны по вентиляционной сети. В отдельных случаях тепловую энергию воздуха используют в системах рекуперации, позволяющих организовать обогрев других производственных и бытовых помещений.
Системы охлаждения асинхронных двигателей
При небольшой мощности двигателей (обычно до 15 кВт) используется схема с наружным охлаждением, причем могут применяться системы как с самовентиляцией, так и с принудительным охлаждением. Для более мощных электродвигателей характерна схема с внутренним охлаждением.
Для асинхронных двигателей большой мощности чаще всего реализованы системы охлаждения с замкнутым циклом. При этом воздухоохладители могут монтироваться как в опорном фундаменте электрической машины, так и на ее корпусе.
Альтернативные способы охлаждения электродвигателей
Повысить эффективность работы систем можно за счет применения хладагентов с большей теплопроводностью. Так, в электрических машинах большой мощности реализованы системы замкнутого цикла с применением водорода, теплоемкость которого по сравнению с воздухом больше в 7,1 раз. Благодаря такому решению эффективность отвода тепла поднимается практически на порядок. Но, к сожалению, для промышленных электродвигателей средней и малой мощности такой поход нецелесообразен из-за больших эксплуатационных расходов. Большего внимания может заслуживать схема с принудительным охлаждением отведенного воздуха в теплообменниках типа «воздух – вода».
Источник: www.ttaars.ru
Вентиляция электродвигателей — полное описание охлаждения электромашин
Приветствую вас, читатели, на страницах сайта Электронщик. В данный момент, хочу подробно поговорить о таком значимом факторе работе электрических машин — вентиляция.
Чтобы предотвратить чрезмерный нагрев эл.машин надобно обеспечить подобающие условия отвода выделяющихся в моторах тепла.
С увеличением мощности электромашин условия удаление тепла утяжеляется, и поэтому в больших машинах необходимо использовать усиленные способы охлаждения. Способы охлаждения зависят от конструкции исполнения электромоторов, из которых я хочу указать самые распространенные.
Итак, в мире электромашин есть три вида, это открытые, закрытые и брызгозащищенные, отличающихся по конструкции.
Начнем с открытых.
Эти машины не располагают спец. приспособами для предотвращения от случайного прикосновения к токовым и крутящимся частям. Такие машины вы можете увидеть только в лабораториях.
Ну а закрытые, логически подумав, имеют все приспособления, которые предотвратят прикосновение ко всем опасным участкам электромашины.
И на последок, это брызгозащищенные. Такие же по конструкции, как и закрытые, только дополнительно на них устанавливают жалюзи и крышки с прорезями прикрытые козырьками на все отверстия электромашины. Эти детали не дадут попасть каплям влаги под углом 45 0 .
Можно так же упомянуть взрывонепроницаемые и герметические . Сами названия говорят за конструкцию машин, так что не будем заострять на них внимание, а плавно перейдем к способам охлаждения электрических машин.
Способы охлаждения электрических машин.
Давайте сразу рассмотрим различные способы охлаждения:
Первое, конечно, машины с естественным охлаждением. В этих агрегатах нет никаких спец. приспособлений для охлаждения.
Второе, электромашины с внутренней самовентиляцией. В этих агрегатах охлаждение происходит с помощью вентиляторов (крыльчатка), которая закрепляется на вращающем элементе машины и обдувает внутренние полости электродвигателя.
Третье, электромашины с наружной самовентиляцией. Ну здесь и так понятно, агрегат охлаждается с внешней стороны ,а внутренняя площадь закрыта от поступления воздуха.
И последнее, четвертое- электромашины с независимым охлаждением. В эти агрегаты охлаждение подается независимым вентилятором или компрессором.
Примеры электромашин по способу охлаждения
Начнем с машин естественного охлаждения. Это обычно маленькие электродвигатели порядка несколько десятка ватт. Конечно, могут повстречаться электродвигатели и до нескольких сотен ватт, но тогда в конструкции внешней площади машины будут присутствовать ребра для усиления отдачи тепла.
Самые распространенные являются электродвигатели с внутренней вентиляцией. На практике вы наверно довольно часто встречали постоянные двигателя (электродвигатель работающий от постоянного тока) с крыльчаткой закрепленной на роторе расположенной внутри корпуса , так вот, это они и есть.
Но не забывайте, что они так же различаются по способу системы вентиляции: радиальная и аксиальная. В аксиальном способе тепло передается воздуху при его движении вдоль охлаждаемой поверхности в аксиальном направлении, другой способ, в радиальном направлении. Честно сказать, я сам недавно узнал об этом из книжки и полноту этого момента полностью не смогу раскрыть.
Продолжим. Электродвигатели с наружной вентиляцией . Это когда крыльчатка обдувает наружную часть машины. В таких электродвигателях обязательно в конструкции должны присутствовать ребра увеличения поверхности охлаждения.
И последние, электромашины с независимым обдувом . Такие электромашины часто распространены на производстве. Обычно на корпусе электромашины крепиться независимый привод вентилируемого агрегата.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Источник: elektronchic.ru
Охлаждение электродвигателей
Все электродвигатели выделяют тепло в результате электрических и механических потерь, это свойство конечно же учитывается при проектировании, и при стандартных нагрузках, машина успешно справляется с естественным повышением температуры рабочих органов и корпуса. Но, например, при использовании частотных преобразователей, когда требуется изменение частоты вращения ротора электродвигателя более, чем на 30% от номинального значения, электромотор перегревается. Сильное нагревание агрегата также наблюдается и при увеличении допустимой нагрузки на двигатель. Учитывая то, что обмотки большей части промышленных двигателей рассчитаны на эксплуатацию при температурах не выше 90-95 градусов, остро встает вопрос подбора высокоэффективной системы охлаждения, так как перегрев электродвигателя, а особенно его обмоток, значительно сокращает срок службы агрегата. В худшем случае, перегрев электродвигателя спровоцирует межвитковое замыкание, за которым последует потеря мощности и полная остановка двигателя.
Для охлаждения промышленных асинхронных электродвигателей, как правило, используется «вентилятор» — крыльчатка, установленная на валу электродвигателя, которая нагнетая воздух, отводит тепло за пределы агрегата. Чтобы двигатель мог работать в обоих направлениях, крыльчатки бывают двунаправленными, изготавливают их из прочного пластика, алюминия или стали. Корпус двигателя обычно снабжен ребрами, расположенными по пути движения воздуха, что значительно улучшает охлаждение мотора. Маломощным электродвигателям и вовсе хватает естественного охлаждения, за счет передачи накопленного тепла в окружающую среду через корпус электродвигателя.
Данная система эффективна при работе двигателя в номинальном режиме и при благоприятных температурных условиях. Ведь если падает скорость вращения двигателя (при использовании ЧП, например), падает и скорость вращения крыльчатки, а соответственно и качество охлаждения. Высокая температура в производственном помещении тоже затрудняет охлаждение агрегата.
В таких случаях спасает принудительные внешние системы охлаждения. Самые популярные и конструктивно простые – это блоки независимого охлаждения с отдельным от электродвигателя источником питания. Такой аппарат не зависит от скорости вращения вала и соответственно может эффективно охлаждать мотор в сложных для двигателя условиях работы. Выпускаются даже взрывозащищенные варианты независимых блоков охлаждения.
Более эффективными, но и более дорогими являются водные системы охлаждения. Использование контура водяного охлаждения позволяет снизить габаритные размеры электродвигателя, понизить уровень шума и вибраций, а также понижает влияние электродвигателя на температурный режим в помещении. В качестве хладагента может использоваться как вода, так и другие вещества, например, фреон, водород, углекислый газ и т.д.
Источник: kontmotor.ru