3. ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СОПОСТАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ОХЛАЖДЕНИЯ
а) Электродвигатели с наружным обдувом станины.
С применением обдува станины резко увеличилась мощность электродвигателей (приблизительно в 2 раза и более), но обдуваемая часть станины еще была не оребрена. Оребрение станины существенно повышает интенсивность охлаждения электродвигателей. Так, оребрение станины электродвигателя КО 12-8 (наружный диаметр листов стали статора Da = 0,28 м) дало возможность повысить его полезную мощность Р на 20%/ Оребрение поверхности статора снижает тепловое сопротивление уходу тепла с нее. Поэтому электродвигатели новой серии ВАО мощностью до 100 кВт были запроектированы с оребренными станинами.
В электродвигателях типа МА36 пошли по пути уменьшения внутренних тепловых сопротивлений, т. е. тепловое сопротивление между трубой станины и пакетом листов стали статора ликвидировано тем, что спинка пакета статора обдувается непосредственно наружным воздухом (рис. 1-1,б). Сравним непосредственно по результатам испытаний интенсивность охлаждения электродвигателей при двух последних вариантах наружного обдува станины. Интенсивность охлаждения электродвигателей можно оценивать величиной мощности при одинаковых превышениях температуры обмотки статора или превышением температуры обмотки статора при одинаковой мощности электродвигателя.
Примечания: 1. Dа=0,59 м, lа = 0,38 м, п — 25 об/сек.
2. Рзаб — забираемая двигателем мощность.
3. Рm, Рс, Рmax, Рд— мощности, соответствующие потерям энергии в обмотке статора, обмотке ротора, в магнитопроводе (в стали), механические и на вентиляцию, добавочные при нагрузке.
4. tог—температура охлаждающего воздуха (газа).
Сопоставление произведено при одинаковых активных частях электродвигателей с разными конструктивными вариантами охлаждения станины.
В результате сравнения охлаждения электродвигателей с наружным диаметром листов стали статора Da = 0,393 м и n= 25 об/сек было получено, что при среднем превышении температуры обмотки статора ϴМ = 85°С мощность двигателя с обдуваемым оребренным статором (ΙΑ-1) в 1,15 раза выше, чем при непосредственном обдуве спинки пакета листов стали статора (ΙΑ-2). В электродвигателях с Dа = 0,59 м, как следует из табл. 1-2, интенсивность охлаждения в обоих случаях охлаждения практически одинакова.
Так как система охлаждения ΙΑ-1 направлена на уменьшение теплового сопротивления с поверхности электродвигателя, а система ΙΑ-2 — на уменьшение внутренних тепловых сопротивлений, то полученный выше результат сопоставления говорит о том, что с ростом наружного диаметра пакета статора удельный вес внутренних тепловых сопротивлений в эквивалентном тепловом сопротивлении растет, а удельный вес наружного теплового сопротивления уменьшается. Это хорошо видно из табл. 1-3 по изменению внутренних перепадов температур—Δtλ и перепада температур с поверхности статора — ∆tп при неизменном превышении температуры обмотки статора. Исходя из указанной таблицы, если переходить от r-абарита к габариту, подойдем к такому, у которого внутренние перепады температур становятся существенно выше перепада температур с наружной поверхности статора. В таком электродвигателе необходимо принимать меры по уменьшению внутренних перепадов температур. Самой эффективной мерой является устройство параллельных путей тепловым потокам от активных частей электродвигателя. Так появляется необходимость применения внутренней циркуляции воздуха, т. е. системы охлаждения III.
При определенных диаметрах становится выгодным все тепло передавать воздухом внутренней циркуляции, сильно развивая поверхность теплообмена. Так возникает система охлаждения II с ее различными схемами внутренней циркуляции.
б) Электродвигатели с наружным обдувом станины и аксиально-последовательной внутренней циркуляцией воздуха.
Как было сказано выше, интенсивность охлаждения электродвигателей с аксиально-последовательной внутренней циркуляцией воздуха при обдуваемом оребренном статоре получается выше, начиная с некоторого определенного диаметра листов статора. Это подтверждается испытанием макетов электродвигателей ВАО 92-4 и ЭКО-400 без внутренней циркуляции и при ее наличии (табл. 1-3 и 1-4).
Рис. 1-5. Графики изменения превышения температуры воздуха внутренней циркуляции в охлаждающих трубах электродвигателя ЭКО-400 вдоль их длины при Рэм = const.
1 — движение наружного воздуха в каналах статора и внутреннего в трубах встречное; 2 — то же согласное.
Анализ материалов, приведенных в указанных таблицах, показывает, что интенсивность охлаждения электродвигателей с аксиально-последовательной внутренней циркуляцией воздуха сильно повышается, если последний охлаждается в трубах, не прилегающих к станине (рис. 1-4). В этом случае тепловая связь между трубами и станиной весьма слабая (только через обдувающий наружный воздух), что исключает подогрев станины в средней (пакетной) части горячим внутренним воздухом. Благодаря этому станина и воздух внутренней циркуляции охлаждаются до более низкой температуры, чем при охлаждении внутреннего воздуха в коробчатых каналах («карманах»), прилегающих к станине. При охлаждении внутреннего воздуха в «карманах» часть станины, закрытая ими, исключается из обдува наружным воздухом. Поэтому даже прокладка в «карманах» труб, продуваемых наружным воздухом, не дает той же интенсивности охлаждения электродвигателя, которая достигается при охлаждении воздуха внутренней циркуляции в неприлегающих к станине трубах. Все проведенные выше сопоставления интенсивности охлаждения электродвигателей осуществлены при условии, что наружный и внутренний вентиляторы при наличии внутренней циркуляции воздуха, находятся с одной стороны электродвигателя.
Рис. 1-6. Графики распределения превышения температур вдоль длины обмотки статора макетных электродвигателей ВАО 92-4 с оребренным статором.
а —охлаждение воздуха внутренней циркуляции в трубках; б — то же в коробчатых каналах, в которых проложены по две трубки, охлаждаемые наружным воздухом; 1 — внутренний вентилятор снят, каналы внутренней циркуляции закрыты; 2—внутренний вентилятор расположен со стороны наружного; 3— то же на противоположной стороне; для всех режимов U=380 в, I—212,5 а.
Это весьма существенно, так как при одностороннем расположении вентиляторов горячий внутренний воздух в каналах (трубах) на статоре и наружный вдоль станины направлены согласно, а это, как известно [Л. 42], дает худшее охлаждение горячего воздуха. Последнее подтверждается и опытами непосредственно на макете электродвигателя ЭКО-400 (рис. 1-5). Однако для электрической машины критерием оценки охлаждения ее при одинаковой мощности является нагрев обмоток.
При одностороннем расположении вентиляторов воздух внутренней циркуляции в каналах ротора и наружный вдоль станины направлены встречно и подогревы ложатся на противоположные стороны обмотки статора, а при разностороннем расположении внутреннего и наружного вентиляторов воздух внутренней циркуляции в каналах ротора и наружный вдоль станины направлены согласно и подогревы их ложатся на одну сторону обмотки статора. В результате при одностороннем расположении вентиляторов распределение превышений температур вдоль длины обмотки статора значительно благоприятнее, как это видно из рис. 1-6, чем при разностороннем расположении вентиляторов. Кроме того, и интенсивность охлаждения выше при одностороннем расположении вентиляторов, как это показано в табл. 1-5.
Таблица 1-5
