Т.В. ЧЕСТЮНИНА
ОСНОВЫ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
И ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ
В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКЕ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2008
УДК 621.313.001.24(075.8)
Б 943
Инновационная образовательная программа НГТУ
«Высокие технологии»
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. <...> О.П. Муравлев,
Томский политехнический университет
Работа подготовлена на кафедре электромеханики
Б 943
Бухгольц Ю.Г.
Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике : учеб. пособие / Ю.Г. Бухгольц, В.А. Тюков, Т.В. Честюнина. <...> Вентиляционный расчет закрытого оребренного асинхронного
электродвигателя с внешним обдувом (исполнение IP-44) ....... 113 <...> Вентиляционный расчет синхронной машины с радиальной
системой вентиляции и разомкнутым циклом ............................ 125 <...> В процессе конструктивной разработки решаются вопросы построения
охлаждающего тракта с целью обеспечения эффективного охлаждения,
что позволяет повысить использование активного ядра электрической
машины и, соответственно, технико-экономические показатели. <...> Система охлаждения представляет собой совокупность каналов охлаждающего тракта, по которым движется охлаждающая среда (газ или
жидкость) под действием напорных элементов – вентиляторов, насосов, конструктивных элементов самой электрической машины или подобных им устройств, обеспечивающих направленное движение охладителя. <...> Гидравлический (аэродинамический) расчет электрической машины
сводится к определению гидравлического (аэродинамического) сопротивления системы охлаждения, потерь давления в каналах охлаждающего тракта от входа охладителя в электрическую машину до выхода
из нее, а также скоростей движения охладителя в каналах. <...> Аэродинамической (гидравлической) характеристикой системы охлаждения называется связь между потерями давления (напора) в каналах охлаждающего тракта и расходом охладителя в нем:
H
Z Q2 . <...> Здесь H – напор (давление), кг/м2; Z – аэродинамическое <...>
Основы_аэродинамических_и_тепловых_расчетов_в_электромеханике.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ю.Г. БУХГОЛЬЦ, В.А. ТЮКОВ,
Т.В. ЧЕСТЮНИНА
ОСНОВЫ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
И ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ
В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКЕ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2008
Стр.1
УДК 621.313.001.24(075.8)
Б 943
Инновационная образовательная программа НГТУ
«Высокие технологии»
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В.Н. Аносов;
д-р техн. наук, проф. О.П. Муравлев,
Томский политехнический университет
Работа подготовлена на кафедре электромеханики
Бухгольц Ю.Г.
Б 943 Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике
: учеб. пособие / Ю.Г. Бухгольц, В.А. Тюков, Т.В. Честюнина.
– Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – 196 с.
ISBN 978-5-7782-1141-4
Приведены основные положения теории аэродинамики и теплопередачи,
принципы составления эквивалентных схем вентиляционной цепи, процессов
теплопередачи, соотношения для расчетов коэффициентов аэродинамических
сопротивлений теплопроводности и теплопередачи и другие справочные данные,
не используемые в расчетах систем охлаждения.
Предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Энергетика
и электротехника», «Мехатроника и автоматизация».
УДК 621.313.001.24(075.8)
ISBN 978-5-7782-1141-4
© Бухгольц Ю.Г., Тюков В.А.,
Честюнина Т.В., 2008
© Новосибирский государственный
технический университет, 2008
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................ 6
Глава 1. ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЭНЕРГИИ .............................................................................................. 7
Глава 2. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН...... 16
2.1. Системы охлаждения электрических машин, их эффективность
и экономичность.................................................................... 17
2.2. Основы проектирования систем охлаждения, связь электромагнитного,
вентиляционного и теплового расчетов ......................... 20
Глава 3. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН .............................................................................................. 22
3.1. Характеристики схем вентиляции ................................................... 22
3.2. Задачи вентиляционного расчета .................................................... 29
3.3. Аэродинамическая (гидравлическая) характеристика
электрической машины ................................................................... 32
3.4. Определение аэродинамических (гидравлических) сопротивлений
тракта охлаждения................................................................ 37
3.4.1. Сопротивление трения в каналах ............................................. 37
3.4.2. Местные аэродинамические и гидравлические сопротивления
........................................................................................... 39
3.4.3. Учет влияния вращения ротора на аэродинамическое
(гидравлическое) сопротивление .............................................. 42
3.5. Вентиляторы электрических машин ............................................... 44
3.5.1. Общие сведения о вентиляторах .............................................. 44
3.5.2. Особенности проектирования вентиляторов электрических
машин .......................................................................................... 48
3.5.3. Проектирование центробежных вентиляторов ....................... 50
3.5.4. Проектирование осевых вентиляторов .................................... 56
3.6. Графоаналитический расчет вентиляционных схем ..................... 62
3.6.1. Параллельное включение ветвей с напорными
элементами ................................................................................. 66
3.6.2. Последовательное включение основного вентилятора
с параллельной цепочкой, содержащей в одной ветви
напорный элемент ...................................................................... 67
3
Стр.3
Глава 4. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ............ 70
4.1. Поле температуры. Процессы передачи тепла ............................... 70
4.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Понятие
тепловых сопротивлений ................................................................ 74
4.3. Определение коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи
при тепловых расчетах электрических машин ................. 76
4.3.1. Коэффициент теплопроводности композиционных
структур ...................................................................................... 76
4.3.1.1. Эквивалентный коэффициент теплопроводности
слоистой композиции ......................................................... 78
4.3.1.2. Коэффициент теплопроводности шихтованных
пакетов магнитопровода поперек листов ......................... 80
4.3.1.3. Эквивалентные коэффициенты теплопроводности
обмоток ................................................................................ 81
4.3.2. Определение коэффициентов теплоотдачи ............................. 87
4.4. Задачи теплового расчета................................................................. 90
4.5. Тепловой расчет электрических машин ......................................... 92
4.5.1. Принципы составления эквивалентных тепловых схем
замещения. Расчет установившегося теплового режима ....... 93
4.5.1.1. Асинхронный электродвигатель закрытого
исполнения с внешним обдувом (электродвигатели
типа А4, АИ, исполнение IP-44) ........................................ 94
4.5.1.2. Статор машины переменного тока с радиальной
системой вентиляции .......................................................... 99
4.5.2. Тепловой расчет неустановившихся тепловых режимов ..... 102
4.5.2.1. Тепловой режим повторно-кратковременного
режима................................................................................ 108
4.5.2.2. Тепловой режим кратковременных режимов ................. 110
Глава 5. ПРИМЕРЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ И ТЕПЛОВЫХ
РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ............................... 112
5.1. Вентиляционный расчет закрытого оребренного асинхронного
электродвигателя с внешним обдувом (исполнение IP-44) ....... 113
5.2. Вентиляционный расчет защищенного асинхронного электродвигателя
(исполнение IP-23) ....................................................... 116
5.3. Вентиляционный расчет закрытого асинхронного электродвигателя
с форсированным охлаждением ротора (исполнение
IP-44) .................................................................................... 120
5.4. Вентиляционный расчет синхронной машины с радиальной
системой вентиляции и разомкнутым циклом ............................ 125
5.5. Вентиляционный расчет синхронной машины с радиальной
системой и замкнутым циклом вентиляции ................................ 129
4
Стр.4
5.6. Вентиляционный расчет машины постоянного тока
с аксиальной системой вентиляции ............................................. 133
5.7. Тепловой расчет закрытого обдуваемого асинхронного
электродвигателя серий 4А, АИ ................................................... 139
5.8. Тепловой расчет защищенного асинхронного электродвигателя
серий 4А, АИ (hв ≤ 250 мм) ......................................... 147
5.9. Тепловой расчет синхронной машины с радиальной
системой вентиляции ................................................................... 148
5.9.1. Тепловой расчет статора ........................................................ 148
5.9.2. Тепловой расчет обмотки возбуждения................................ 151
5.9.2.1. Многорядная обмотка возбуждения ................................ 152
5.9.2.2. Однорядная обмотка возбуждения .................................. 153
5.10. Тепловой расчет машины постоянного тока с аксиальной
системой вентиляции ................................................................... 154
5.10.1. Тепловой расчет якоря ........................................................... 155
5.10.2. Тепловой расчет главных и добавочных полюсов ............... 160
5.11. Тепловой расчет повторно-кратковременных и кратковременных
режимов работы электрических машин ................. 166
5.11.1. Тепловой расчет закрытого электродвигателя постоянного
тока с естественным охлаждением в повторнократковременных
режимах .................................................... 167
5.11.2. Тепловой расчет закрытого электродвигателя постоянного
тока с естественным охлаждением в кратковременном
режиме .............................................................................. 170
5.11.3. Тепловой расчет закрытого асинхронного электродвигателя
с естественным охлаждением в повторно-кратковременных
режимах ............................................................... 173
Литература ........................................................................................................... 174
Приложение ......................................................................................................... 175
5
Стр.5