Теплопередача в электрических машинах

Потери энергии вызывают выделение тепла и нагревание частей электрической машины. Передача тепла от более нагретых частей машины к менее нагретым и в окружающую среду происходит путем теплопроводности, лучеиспускания и конвекции,

Теплопередача путем теплопроводности в электрических машинах происходит главным образом внутри твердых тел (медь, сталь, изоляция), в то время как в газах (воздух, водород) и жидкостях (масло, вода) главное значение имеет передача тепла конвекцией.

Если площадь каждой из двух параллельных поверхностей (например, медь обмотки и стенка паза машины) равна 5 и температуры #! и Ь₂ на каждой поверхности постоянны, то через среду между этими поверхностями (в данном случае через изоляцию) в единицу времени передается количество тепла

Здесь б — расстояние между поверхностями, а Х_пр — коэффициент теплопроводности промежуточной среды, численно равный количеству тепла, передаваемого в единицу времени через единицу площади при разности температур в 1° С и расстоянии между поверхностями, равном единице длины.

Теплопроводность металлов достаточно велика; например, для меди к_пр = 385 вт/(град -м), а для электротехнической стали А-_пр = = 20 -f- 45 вт/(град-м). Теплопроводность электроизоляционных материалов, наоборот, мала; например, для изоляции класса А к_пр = 0,10 -f- 0,13 вт!(град -м), а для изоляции класса В А,_пр = = 0,15 ч- 0,20 вт/(град -м). Вследствие этого перепады температуры в изоляции обмоток электрических машин получаются значительными, что затрудняет охлаждение обмоток и ограничивает величину линейной нагрузки и плотности тока.

Для машин с изоляцией класса А характерны следующие величины: толщина пазовой изоляции б = 0,5 мм = 5-10~⁴ м, тепловой поток на 1 м² поверхности изоляции Q — 2500 вт. Если принять Х_ир — 0,125 вт/(град -м), то при этих условиях, согласно выражению (8-1), перепад температуры в изоляции

В высоковольтных машинах переменного тока толщина изоляции составляет несколько миллиметров, а в_из = 20 ч- 25^й С.

Теплопередача лучеиспусканием. Для абсолютно черного тела действителен закон Стефана—Больцмана:

q_m=-a_m(*}_a-^Ai_a), (8-2)

где q_a4 — количество тепла, излучаемое с единицы поверхности тела в единицу времени; а_лЧ — коэффициент лучеиспускания;

®ы и Ь_га — абсолютные температуры излучающей поверхности и окружающей среды.

Согласно опытным данным, для абсолютно черного тела а_лч = = 5,65 •\0~⁸вт/(град¹-м²). Для неабсолютно черных тел, например для чугунных и стальных поверхностей, лакированной изоляции, а_дч уменьшается на 3—10%.

Выражение (8-2) для практических целей можно преобразовать. Имеем

Ща ~ в£ = («i«- *2а) (Ща + О.'Аа + ®Ы®£ + 0*2). (8-3)

Для электрических машин #_la = 273 + ®_г и $_2а = 273 + % изменяются в небольших пределах, и поэтому второй множитель в правой части (8-3) изменяется относительно мало. Первый же множитель Ф_1о — ®_2а = в представляет собой превышение температуры тела над температурой окружающей среды. Поэтому формулу (8-2) можно записать в следующем виде:

где К_ДЧ — преобразованный коэффициент лучеиспускания, равный количеству тепла, излучаемого в единицу времени с единицы поверхности при превышении температуры на 1° С. Для электрических машин в среднем Я,_лч = 6 вт/(град -м²).

Полное количество тепла, излучаемое с поверхности S в единицу времени:

Теплопередача при естественной конвекции. Частицы жидкости или газа, соприкасающиеся с нагретым телом, нагреваются, становятся легче и вследствие этого поднимаются кверху, уступая свое место другим, еще не нагретым частицам, которые в свою очередь, нагреваясь, поднимаются кверху и т. д. Это явление будем называть естественной конвекцией в отличие от искусственной конвекции, которая создается искусственно, например путем обдува охлаждаемой поверхности воз-Духом при помощи вентилятора.

Рассмотрим сначала естественную конвекцию.

Количество тепла, отводимого конвекцией в единицу времени ^с единицы поверхности, определяется по формуле, аналогичной (8-4), ^и равно

<7кв = *квв, (8-6)

а с поверхности площадью 5

Q_KB = ^_KBS6. (8-7)

Здесь Х_кв — коэффициент теплоотдачи конвекцией, равный количеству тепла, отводимого в единицу времени с единицы поверхности при превышении температуры на 1°С, и в — превышение температуры охлаждаемой поверхности над температурой охлаждающей среды.

Величина Я,_кв зависит от размеров и формы охлаждаемой поверхности, ее положения и т. д. Для электрических машин в случае воздушной кбнвекции можно в среднем принять Х_кв = 8 em (град -м²). Теплопередача конвекцией в трансформаторном масле (обмотки трансформатора) осуществляется в 15—20 раз интенсивнее, чем в воздухе.

Согласно формулам (8-5) и (8-7), количество тепла, отдаваемого с поверхности путем излучения и конвекции,

причем для воздуха в среднем Я_лк = 14 вт1(град'М^г).

Соотношения (8-5), (8-7) и (8-8) используются для расчета превышения температуры в условиях, когда искусственная конвекция отсутствует, например при необдуваемой поверхности бака трансформатора.

В электрических машинах условия рассеяния тепла лучеиспусканием и конвекцией для различных поверхностей различны. В современных вентилируемых машинах отвод тепла путем искусственной конвекции настолько преобладает над отводом тепла лучеиспусканием, что последний обычно не учитывают.

Теплопередача при искусственной конвекции. Для более интенсивного отвода тепла обычно применяют обдув внутренних, а иногда и внешних поверхностей электрических машин воздухом.

Усиление теплоотдачи при искусственной конвекции происходит в разной степени в зависимости от равномерности обдува, формы обдуваемых поверхностей и т. д. Исследование данного вопроса усложняется конструктивным многообразием электрических машин и их частей, а также сложностью аэродинамических явлений во внутренних полостях и каналах машины.

Опыты показывают, что для коэффициента теплоотдачи в рассматриваемом случае можно использовать следующую приближенную эмпирическую формулу:

где ^_кв — коэффициент теплоотдачи с обдуваемой поверхности; к'_кв — то же при естественной конвекции; v — скорость движения воздуха относительно охлаждаемой поверхности, м/сек; С_в — эмпирический коэффициент, зависящий от степени равномерности обдува поверхности.

Если, например, v = 25 м/сек и С_в = 1,3, то теплоотдача, согласно формуле (8-10), увеличивается в 7,5 раза и для воздуха равна к_кя = 8-7,5 = 60 em/(град-м²).

Дата добавления: 2015-07-18