В электрической машине при ее работе часть электрической и механической энергии превращается в теплоту. В первую очередь нагреваются обмотки проходящим по ним током. Сердечники, по которым проходит переменный магнитный поток, нагреваются вихревыми токами, а коллектор, контактные кольца и подшипники — потерями трения. Кроме того, происходит нагревание вращающихся частей за счет трения их о воздух.
Чрезмерное повышение температуры может привести к быстрому износу и разрушению материалов, из которых изготовлены детали машины. Наиболее чувствительна к повышению температуры изоляция обмоток, поэтому обмотки в первую очередь нуждаются в охлаждении.
Способ охлаждения машины определяется ее мощностью и защитой от окружающей среды. В микромашинах теплоотдающая поверхность сравнительно велика по отношению к ее объему, поэтому они обычно не нуждаются в специальных вентиляционных устройствах. Для их охлаждения достаточно, как правило, естественной теплоотдачи в окружающую среду. Машины мощностью в сотни ватт и более обычно охлаждаются вентилятором 1 (рис. 1, а — в), установленным на валу; вместо вентилятора иногда к торцам ротора крепят вентиляционные лопатки 6 (рис. 1, г). Охлаждающий воздух проходит по вентиляционным каналам в статоре, роторе, коллекторе, охлаждая обмотки, сердечники и другие нагретые части машины. Воздушные струи в первую очередь стараются направить на обмотки, так как они являются наиболее нагретой частью машины.
В зависимости от места расположения вентилятора различают вытяжную и нагнетательную системы вентиляции. В первом случае вентилятор устанавливают в месте выхода воздушного потока (рис. 1, а) из машины, во втором — в месте входа (рис. 1.6). При вытяжной вентиляции холодный воздух сначала охлаждает нагретые части, а при нагнетательной — сначала проходит через вентилятор, где подогревается на 3—7 °С за счет трения о лопатки.
Воздушные потоки могут быть направлены параллельно оси машины или расходиться радиально от оси. В зависимости от этого различают осевую (рис. 1, а, б) и радиальную (рис. 1, г) системы вентиляции. В крупных электрических машинах при радиальной системе сердечники статоров и роторов изготовляют из пакетов 5, разделенных радиальными вентиляционными каналами 4. Воздух по каналам прогоняется распорками, выполненными в виде пластинок, которые устанавливают между пакетами так же, как лопатки вентилятора. В малых машинах радиальные вентиляционные каналы могут отсутствовать. Роль вентилятора в них играют лобовые части роторных обмоток, увлекающие за собой при вращении частицы воздуха или вентиляционные лопатки, которые устанавливают на торцах ротора.
Наружная поверхность машины закрытого исполнения обдувается вентилятором 1 (рис. 1, в), установленным на консольном конце вала за подшипниковым щитом. Поток воздуха направляется кожухом 3 на наружную часть корпуса с ребрами 2, увеличивающими поверхности теплоотдачи. Для передачи теплоты от внутренних частей к корпусу в закрытых машинах организуется внутренняя циркуляция воздуха с помощью лопаток на роторе и пи дополнительного вентилятора, установленного внутри машины.
В открытых машинах охлаждающий воздух непосредственно омывает теплоотдающие поверхности нагретых частей, в закрытых теплопередача происходит через промежуточные элементы; например, теплота от лобовых частей обмотки статора передается через воздух, находящийся внутри машины, затем через корпус.
Рис. 1. Самовентилируемые машины с вытяжной (а), нагнетательной (б), обдувом наружной поверхности (в) и радиальной (г)
вентиляцией
Теплосъем происходит лишь с наружной поверхности корпуса. Из-за ухудшения охлаждения тепловыделяющих частей закрытые машины имеют меньшую мощность по сравнению с открытыми при одинаковых размерах и массе. Их применяют в тех случаях, когда внутренняя полость машины должна быть защищена от попадания в нее пыли, влаги, грязи.
Закрытые машины большой мощности часто имеют независимую вентиляцию, при которой охлаждающий воздух прогоняется через машину вентилятором, установленным вне машины и приводимым во вращение отдельным электродвигателем. Частота вращения вентилятора в этом случае не зависит от частоты вращения охлаждаемой машины, поэтому независимую вентиляцию применяют в первую очередь для тихоходных машин, в которых скорость движения воздуха при самовентиляции оказывается недостаточной. Независимая вентиляция может быть протяжной или замкнутой.
При протяжной вентиляции воздух поступает из окружающей среды и выбрасывается наружу. На входном отверстии устанавливают фильтр для очистки воздуха от пыли. В замкнутой системе воздух или другой охлаждающий машину газ не выбрасывается наружу, а циркулирует по замкнутому контуру, проходя через охладитель и опять поступая по трубам в машину.
В качестве охлаждающего газа в машинах мощностью более 20 000 кВт с замкнутой системой вентиляции применяют водород. Водородное охлаждение более интенсивно, чем воздушное, благодаря большей теплоемкости водорода. Снижаются также потери на вентиляцию, так как водород в 14 раз легче воздуха. Для охлаждения электрических машин используют также воду, масло и другие жидкости.
В крупных электрических машинах применяют непосредственное (внутреннее) охлаждение обмоток. Водород или вода проходят внутри полых проводников. Такой метод является наиболее эффективным. Водяное охлаждение обмоток статора применено, например, для гидрогенераторов Красноярской ГЭС, полное водяное охлаждение (вода охлаждает обмотки статора и ротора) использовано в гидрогенераторах Саяно-Шушенской ГЭС.
