Учебное пособие 1713
.pdfРис. 2.3.
Рис. 2.4.
Как видно из рис. 2.2, в роторе сверлится лишь крепежное отверстие 1 па-
раллельно оси ротора, в которое вворачивается болт 2. Между фторопласто-
выми втулками 3 и 4 закреплен диск 5 вентилятора с лопатками. Однако, в
общем случае требуется применение статора 6 большего осевого габарита,
чтобы в его расточке поместился и основной ротор и диск 5. Этот недоста-
ток устраняется путем применения конического диска - см. рис. 2.3 так же,
как и в предыдущем случае, в роторе сверлится крепежное отверстие 1, но под углом к оси ротора, в отверстие вворачивается болт 2, на который наса-
живается фторопластовая прокладка 3 и диск 4 с лопаткой 5. Токозамыкаю-
щие кольца имеют в верхней части скос, обеспечивающий размещение ко-
нического диска под расточкой статора.
Особенностью такой, несомненно, одной из наиболее простых, конст-
рукций, является низкое значение вращающегося момента, поскольку из-за ограниченной толщины диска, осевая длина ротора незначительна, следова-
тельно, силовое взаимодействие с основным полем происходит на коротком участке.
Роторный вентилятор, обладающий повышенным моментом, и уста-
новка которого связана с минимальным внедрением в конструкцию ротора показан на рис. 2.4. В теле ротора сверлится глухое отверстие 1 под под-
шипник вентилятора, а также два отверстия с резьбой под болты 2. Болты крепят ферромагнитную вставку 3, являющуюся проводником магнитного потока для ротора 4 вентилятора. Второй подшипник ротора вентилятора за-
креплен в планке 5 одновременно со вставкой 3 болтами 2. На свободном конце вала ротора 4 установлено колесо 6 вентилятора с лопастями 7. Токо-
замыкающее кольцо 8 основного ротора имеет также лопатки. Для установ-
ки вставок 3 на внешнем участке кольца 8 удаляется алюминий в канале.
Форма вставки 3 и канала может быть и иной, например, круглой с сег-
ментным участком воздушного зазора. В этом случае формирование канала в замыкающем кольце осуществляется путем рассверливания глухого отвер-
стия с последующей нарезкой резьбы меньшего диаметра для крепежных болтов 2.
Основным требованием к разработке методов расчета автономных ро-
торных вентиляторов является получение зависимостей, позволяющих осу-
ществить синтез роторных вентиляторов по заданным условиям и парамет-
рам, или, способствующих выбору типоразмера и числа вентиляторов для установки их на конкретную машину с указанием ожидаемого снижения температуры лобовых частей обмотки.
Известно, что получить точные решения уравнений движения охлаж-
дающей среды не удается из-за сложного характера течения, связанного с такими явлениями, как турбулентность, вихреобразование, сжимаемость газа.
В случае роторных вентиляторов эта сложность еще более усугубля-
ется тем, что на основной охлаждающий поток от штатного вентилятора и вентиляторных роторных лопаток накладываются потоки от дополнительных роторов.
Поэтому наряду с теоретическим изучением поведения данного охла-
ждающего потока, должное внимание необходимо уделить и эксперимен-
тальному исследованию, в значительной мере основанному на теории подо-
бия, что позволяет получить результаты в такой форме, чтобы их можно бы-
ло легко применить в расчетной практике.
Поскольку активная длина дуги вставки - статора вентилятора всегда меньше длины окружности ротора, для расчета удобно применять некоторые соотношения, применяемые в теории дугостаторного электропривода, отли-
чающиеся однако, существенными особенностями. Их сущность состоит в учете следующих факторов :
1.Вставка-статор является практически лишь проводником основного потока, ослабленного как воздушным зазором, так и краевыми эффектами, и
имеющего ту же полюсность .
2.Работа ротора вентилятора происходит при широком диапазоне
скольжения и в условиях возмущающего воздействия вентиляторного мо-
мента при номинальной скорости вращения основного ротора.
Активная поверхность S ротора вентилятора определяется соотноше-
нием:
S drl 2 *rl 2 p l
где
- центральный угол, r - радиус ротора,
* - отношение длины активной дуги статора к 2 r (относительный активный угол),
l - активная длина сердечника,
р - число пар полюсов,
r * |
mqt |
|
p |
||
|
где
m - число фаз,
q - число пазов на полюс и фазу, t - пазовый шаг.
Ток в торце к.з. ротора Iл определяется как
I |
|
A2 |
л |
c* |
|
|
|
где
А2 - линейная нагрузка ротора,
c* 1 - отношение хорды к дуге электрического угла между токами двух смежных стержней.
Общая величина краевых потерь (в долях от номинальной электро-
магнитной мощности) получается как сумма краевых потерь на входе в магнитное поле статора и на выходе:
|
|
|
|
|
|
|
|
A2 |
|
|
М |
*П |
(1 |
tg |
A |
)H |
S )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АИ |
|
|
|
|
|
a |
||||
AB |
|
A |
|
|
B |
|
А2 |
|
|
|
|
|
2 p |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
к 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
B2 |
|
S |
BC |
|
tg |
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
BC |
|
|
|
|
|
(1 |
S ) |
|
|
|
|
|||||
P |
|
B2 |
|
S |
4 |
p |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где
ААИ - удельный ток на входе в поле статора,
Ак2 - удельный ток ротора, соответствующий скольжению S=1,
М*П - кратность пускового момента по отношению к номинальному,
tg |
|
X SK 2 |
A |
RSK 2 |
|
|
|
XSK2 и RSK2 соответственно единичные реакции и активные сопротивле-
ния ротора на входе при пуске,
A - средняя длина тормозного участка проводников ротора, входящих в магнитное поле статора,
PB’ - потери мощности в роторе при входе,
Pl - электромагнитная мощность по треугольнику мощностей
B - среднеквадратичная индукция в зазоре,
BBC - среднеквадратичная индукция на выходе,
SBC - эквивалентный зазор на конце статора равный
SBC SKS K M
где
S - действительный зазор,
KS - коэффициент Картера,
KM - отношение полной намагничивающей силы (н.c.) к н.с. для зазора
М - угол соответствующий намагничивающему току.
При расчете ожидаемого снижения температуры обмотки статора в ре-
зультате действия, роторных вентиляторов принимается гипотеза о суперпо-
зиции температур, как термодинамических обусловленных отдельно посто-
янными и переменными потерями. С целью выявления их конкретного со-
отношения в машине и, соответственно, принятия решения об установке ро-
торных вентиляторов, целесообразно проведение измерения некоторых теп-
ловых параметров непосредственно на машине, а именно, проведения опы-
тов холостого хода и короткого замыкания [2] и [3].
Дальнейшая обработка результатов этих опытов, а именно, снятых экс-
периментально кривых нагрева лобовых частей в опыте холостого хода и аналогичной кривой при пониженном напряжении и неподвижном роторе в опыте короткого замыкания производится (в зависимости от необходимо-
сти) на основании представления теплового состояния электродвигателя по первой тепловой модели (двигатель, представляет собой однородное теп-
ловом отношении тело), по второй тепловой модели (учет меди и стали дви-
гателя), по третьей тепловой модели первой модификации (учет меди, стали и изоляции), по третьей тепловой модели второй модификации (учет нагре-
той зоны, корпуса и охлаждающей среды) и наконец, для наибольшей точно-
сти - распределения тепловой модели.
Рассмотрим первую тепловую модель. Для опыта холостого хода , учи-
тывающего наибольшую теплоотдачу, связанную с наивысшей скоростью, а
также постоянные потери, имеем следующие выражения для линейного не-
однородного уравнения и передаточной функции температуры по постоян-
ным потерям:
T |
|
d |
|
|
|
|
||
х. х. |
|
|
|
|
y. x. x. |
|
|
|
dt |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
W |
|
|
( p) |
( p) |
|
1/ Aх. х. |
||
пост |
Pпос |
( p) |
1 Т х. х. р |
|||||
|
|
|
|
|
где
с
Т х. х. Ах. х. ,
с – теплоемкость.
Определение производится известными методами по кривой нагрева,
по ней же производятся и определение установившегося превышения темпе-
ратуры, вызванного воздействием постоянных потерь:
ух. х. упост
Поскольку общее значение установившегося превышения температуры двигателя известно (оно определяется классом изоляции и допустимым пре-
вышением температуры +40 по ГОСТ 183-74), на основании принципа су-
перпозиций, превышение температуры вызванное номинальными перемен-
ными потерями находят как:
упер у упост
При этом сразу можно оценить коэффициент потерь r:
|
Pпост |
|
упост |
r |
Рпер |
|
|
|
|
упер |
Для режима короткого замыкания аналогично имеем:
T |
|
d |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к. з |
dt |
|
упер |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
W |
|
( p) |
( p) |
|
1/ Aк. з |
||||
пер |
Pпер |
( p) |
1 Т к. з p |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||
T |
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
к. з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ак. з |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
По определении Т х. х. и Т к. з можно определить коэффициент ухудше-
ния охлаждения при нагрузке:
|
Т х. х |
|
Ак. з |
он |
Т к.з |
|
Ах. х |
|
|
Превышение температуры при нагрузке определяется как:
( p) W пост ( p) Pпост ( p) W пост ( p) Pпер ( p)
Для оценки действия роторных вентиляторов определение производит-
ся путем повторения выше описанных опытов с установленными на роторе вентиляторами.
Наиболее простым способом определения изменения коэффициента теплоотдачи статорной обмотки (лобовых частей) является метод регулярно-
го режима [9], связанный с обработкой опытных температурно-временных зависимостей, определенных для режима короткого замыкания. Так, напри-
мер, на рис. 2.5 приведены такие зависимости, определяемые АЕР мощно-
стью 180 Вт с пусковой обмоткой (опыт проводился при пониженном напря-
жении). Температура посередине вылета лобовых частей обмотки статора измерялась термопарой ТХК с потенциометром ПП-63. Верхняя кривая отно-
сится к режиму без роторных вентиляторов, нижняя - с роторными вентиля-
торами. В качестве роторного вентилятора используется консольно закреп-
ленный ротор от микродвигателя РД-09 с радиальной крыльчаткой внешним диаметром 35 мм, внутренним - 20 мм, ширина лопасти 5 мм, число лопа-
ток - 8. На рис. 2.6 приведена зависимость снижения стационарной темпера-
туры в результате действия роторных вентиляторов, от напряжения опытов короткого замыкания, и, следовательно, частоты вращения вентиляторов.
Поскольку коэффициента телоотдачи от скорости воздуха известна [9, с.225],
то приведенных температурно-временных зависимостей оказывается доста-
точным для построения имитационной модели, которая позволяет оценить уменьшение нагрева машины при пуске при использовании определенного числа роторных вентиляторов с конкретными параметрами, и, соответствен-
но, расширение этих результатов на другие режимы работы.
Рис.2.5
Рис.2.6
3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОРБИТАЛЬНЫХ РОТОРНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ НА ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Одним из частных случаев многоэлементных электромеханических систем являются многороторные машины с роторами, разнесенными по ок-
ружности - орбитальные машины. Известно их применение в качестве при-
водов манипуляторов промышленных роботов с внешними магнитными сис-
темами цилиндрического типа, в качестве базы двухскоростного асинхрон-
ного привода, а также и в других случаях.
В данной статье рассматривается их новое применение в качестве ор-
битальных роторных вентиляторов.
Как известно, несмотря на массу достоинств, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет и недостаток, который заключается в не-
возможности включения в цепь ротора во время пуска реостата.
Для двигателей, работающих с частыми пусками в повторно-
кратковременном режиме S4, при котором, в отличие от обычного повторно-
кратковременного номинального режима S3, пусковые потери оказывают существенное влияние на превышение температуры частей машины, обыч-
ных мер по ограничению тока (например, глубокопазное исполнение) оказы-
вается недостаточно. Поэтому такие двигатели имеют специальное исполне-
ние, с увеличенными массогабаритными показателями. Одним из факторов,
способствующим такому решению, является резкое ухудшение самовентиля-
ции двигателя в режиме пуска при пониженных угловых скоростях. Приме-
нение независимых вентиляторов-наездников приводит к существенному увеличению стоимости и не может быть рекомендовано в массовом электро-
приводе.
Таким образом, существует проблема улучшения вентиляции двигателей массовых серий, используемых в режимах с частыми пусками при ограниче-
нии стоимости продукции.