Контроль тепловых полей торцовых асинхронных электродвигателей малой мощности (80
..pdfКн |
Т Е О Р И Я , М Е Т О Д Ы , П Р И Б О Р Ы , Т Е Х Н О Л О Г И И |
|
• • • |
• • • |
|
В.И. Загрядцкий, Е.Я. Качесова |
|
{Орловский государственный технический университет) |
Контроль тепловых полей торцовых асинхронных электродвигателей малой мощности
Исследованы возможности применения тепловых полей для диагностики торцовых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
The possibilities of application of thermalfields for diagnostics of theface electric motor with short-circuited rotor was researched.
В последнее время усилился интерес к торцовым асинхронным электродвигателям (ТАД), которые обладают рядом существенных преимуществ [1,2] перед двигателями традиционной цилиндрической конструк ции. Об этом свидетельствуют публикации в научно-технических журналах [3, 4] и патенты на
изобретения [5,6], посвященные как вопросам разработ ки конструкции, так и технологии производства машин этого типа.
Обзор литературы, однако, показал, что процессы нагрева в ТАД изучены недостаточно. Без решения этого важного вопроса невозможно широкое освоение и существенное расширение сферы применения ТАД.
6 4 Контроль. Диагностика № 11. 2003
Т Е О Р И Я , М Е Т О Д Ы , П Р И Б О Р Ы , Т Е Х Н О Л О Г И И |
Ки |
|
|
||
Рис. 2. Направление |
воздуш |
|
ных потоков в опытной мо |
|
|
дели |
" * |
|
Рис. 1. Конструкция опытной модели ТАД с указанием мест (1—28) установки датчиков измерения температуры:
О - датчики на магнитопроводах; < - датчики на обмотках; о - датчики на конструктивных элементах
Поэтому было проведено экспериментальное исследова ние нагрева небольшой модели торцового асинхронного электродвигателя мощностью до 1 кВт. На рис. 1 представлена конструкция оригинального ТАД [7] открытого исполнения с горизонтальным расположени ем оси. В ней реализуется принцип радиальной самовен тиляции. Система непосредственного охлаждения содержит: ротор с вентиляционными лопатками, заключенный в полую крышку с отверстиями; входные окна, образованные с одной стороны крестовиной статора, а с другой - крестовиной ротора. Кроме того, крестовина ротора также является нагнетательным элементом.
Самовентилляционная система охлаждения модели действует следующим образом (рис. 2). Охлаждающие воздушные потоки поступают внутрь корпуса машины с двух сторон: через отверстия, образованные крестови ной статора (на рис. 2 - слева), и через отверстия, образованные отверстиями крышки и крестовиной ротора (на рис. 2 - справа).
Воздушные потоки, поступающие в маши ну, вовлекаются во вра щательное движение лопатками вентилятора. При этом вследствие разряжения, созда ваемого лопатками вентилятора и кресто вины ротора, воздуш ные струи, находящиеся между магнитопроводом ротора и крышкой, а также между магнитопроводами ротора и
статора, продвигаются от оси вала к периферии, на их место поступают новые объемы холодного воздуха, в результате чего возникает непрерывное движение охлаждающих воздушных потоков по поверхностям тепловыделяющих элементов.
Несмотря на то что движение воздуха идет в ради альном направлении от оси машины к периферии, по отношению к обмоткам и плоским поверхностям магнитных сердечников статора и ротора ТАД это пример аксиальной вентиляции.
Технические характеристики ТАД |
|
Размеры сердечника статора: |
|
внешний диаметр D2, м |
0,22 |
внутренний диаметр Dx, м |
0,14 |
высота сердечника полная /с, м |
0,026 |
число пазов Zj |
36 |
Размеры сердечника ротора: |
|
внешний диаметр D2, м |
0,22 |
внутренний диаметр Dl, м |
0,14 |
высота сердечника полная / м |
0,02 |
Другие данные: |
|
напряжение фазное статора U, В |
137 |
число фаз т |
3 |
ток фазы обмотки статора /, А |
2 |
число витков фазы обмотки статора W\ |
534 |
плотность тока фазы обмотки статора Дс, А/мм |
9 |
В модели измеряли температуру в различных точках по окружности машины и ее оси, по длине обмотки, на статоре и роторе, а также на конструктивных элементах при температуре окружающей среды 25 °С. С этой целью были установлены датчики (места установки датчиков указаны на рис. 1), в качестве которых использовались термопары хромель-копель (ТХК), подключенные к устройству контроля температуры УКТ-38. Измерения проводили на базе измерительной лаборатории ОАО "Мценский литейный завод" Орлов ской области.
По показаниям датчиков контролируют и определя ют температуру всех основных узлов электрической машины с достаточной для практики точностью.
Контроль. Диагностика № 11. 2003 |
65 |
Кн |
|
|
|
|
|
|
Т Е О Р И Я , М Е Т О Д Ы , |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
300L, мм |
х |
|
,17 |
|
ч,N |
|
|
||||
250 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
^ |
8 |
|
\ |
2 |
|||
200 |
|
|
|
V |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Ч. |
|
!| |
з |
||||
150 |
|
|
|
|
|
||||||
0 |
|
х |
|
|
|
|
6 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
УГ- |
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
&12 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
60 |
70 |
80 |
90 |
7;°с |
Рис. 3. Изменение температуры обмотки статора и магнитопровода статора в радиальном направлении:
а - обмотка (точки 1-6); б - магнитопровод (точки 7-12)
На рис. 3, а представлено распределение температу ры в обмотке статора в радиальном направлении в шести точках обмотки статора:
точка 1 - верхняя внешняя лобовая часть обмотки статора;
точка 2 - верхняя пазовая часть обмотки статора; точка 3 - верхняя внутренняя часть обмотки статора; точка 4 - нижняя внутренняя часть обмотки статора; точка 5 - нижняя пазовая часть обмотки статора; точка 6 - нижняя внешняя лобовая часть обмотки
статора.
В ходе эксперимента наблюдался неодинаковый нагрев обмотки статора в верхней и нижней частях машины, причем верхняя половина нагревалась больше, чем нижняя.
Разность значений температуры между диаметрально противоположными точками, расположенными на верхних лобовых частях статорной обмотки, составляла примерно 11 °С, а между диаметрально противополож ными точками нижних лобовых частей - 9 °С, что примерно согласуется со значениями этих величин в двигателях традиционного исполнения.
Результаты измерений, представленные на рис. 3 а, также показывают, что имеет место неравномерность нагрева обмотки статора по длине витка по радиусу машины. Для верхней половины статора температура наружных лобовых частей (ближе к периферии машины) составляет 7^ = 68 °С, для внутренних (ближе к оси машины) Г3 = 99 °С, разность между значениями данных температур равна 31 °С. Температура средней части обмотки составляет Т2 = 92 °С.
Место максимального нагрева обмотки смещено к оси машины и расположено во внутренних лобовых частях машины. В этом существенное отличие ТАД от машин традиционного исполнения с аксиальной системой вентиляции с хорошо вентилируемыми лобовыми частями, у которых максимум нагрева приходится на пазовую часть обмотки.
Такая же зависимость наблюдается для нижней половины машины: Т6 = 78 °С, Т4 = 89 °С и Т5 = 87 °С. Разность между Т4и Т6равна 21 °С,т.е. ниже разницы Г з - ^ н а К Г С .
Разность значений температуры между диаметрально противоположными точками на верхних лобовых частях
П Р И Б О Р Ы , Т Е Х Н О Л О Г И И
статорной обмотки составляет примерно 11 °С, а между нижними частями — 9 °С.
Неравномерность нагрева обмотки статора вдоль радиуса обусловлена различными условиями теплооб мена. Благодаря лопаткам ротора в пространстве между наружными торцами магнитопроводов статора и ротора и крышкой наблюдается активное движение воздуха, вследствие чего происходит интенсивный отвод тепла от внешних лобовых частей обмотки статора.
Сердечник статора с одной стороны имеет относи тельно небольшую ширину кольца и, следовательно, небольшую длину пазовой части обмотки, но с другой стороны у сердечника статора большая площадь поверхности, открытая для охлаждающей среды, что обеспечивает активный отвод тепла от пазовых частей обмотки статора.
В области внутренних лобовых частей обмотки статора наблюдается больший нагрев, чем в области наружных лобовых частей. Пик максимальной темпера туры наблюдается лишь в точке 3. Это особенность конструкции ТАД, и она обусловлена ухудшением условий охлаждения из-за малого расстояния между медью проводников соседних катушек (на внутреннем диаметре магнитопровода статора), а также из-за недостаточного объема воздушных масс во внутренней части обмотки машины и невысоких скоростей их перемещения вблизи тепловыделяющих элементов.
На рис. 3, б представлена зависимость распределения температуры наружной поверхности магнитопровода статора вдоль диаметра в шести точках:
точка 7 - верхняя точка торца магнитопровода по диаметру Dt ;
точка 8 - середина магнитопровода (в верхней части); точка 9 - верхняя точка торца магнитопровода по
диаметру £>2; точка 10 — нижняя точка торца магнитопровода по
диаметру Dy,
точка 11 - середина магнитопровода (в нижней части);
точка 12 — нижняя точка торца магнитопровода по диаметру D2.
Из рис. 3, б видно, что распределение температуры на поверхности магнитопровода статора в радиальном направлении неравномерно. Температура магнитопро вода статора на периферии ниже, чем температура магнитопровода во внутренней области. Так, температу ра в верхней точке 7 магнитопровода составляет 52 °С, а температура в точке 9 - 6 7 °С. Температура по среднему диаметру равна 62 °С.
Максимум нагрева магнитопровода, так же как и максимум нагрева обмотки статора, сдвинут к оси машины. В этом заключается отличие распределения нагрева магнитопровода статора ТАД от характера распределения нагрева магнитопровода двигателя традиционного исполнения.
Из эксперимента следует, что разность температур между диаметрально противоположными точками статора 7 и 72, 8 и 11, 9 и 10 практически отсутствует.
Авторы полагают, что применение внутреннего вентилятора (7) позволит существенно снизить макси мальные нагревы обмотки и магнитопровода статора
6 6 Контроль. Диагностика № 11. 2003
Т Е О Р И Я , М Е Т О Д Ы , П Р И Б О Р Ы , Т Е Х Н О Л О Г И И |
ш |
|
L, мм
О |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
Т,"С |
Рис. 4. Распределение температуры:
а - на короткозамыкающих кольцах; 6-на поверхности магнитопровода ротора; точки 14,17- внешнее короткозамкнутое кольцо; точки 15,16 - внутреннее короткозамкнутое кольцо; точки 18,23- внешний торец магнитопровода; точки 20, 21 - внутренний торец магнитопровода
и уменьшить неравномерность распределения темпера туры по диаметру машины.
На рис. 4 показано распределение температуры короткозамкнутых колец ротора, а также распределения температуры на поверхности магнитопровода ротора.
Из рис. 4, а следует, что температура на внешнем кольце в точке 14 составляет 57 °С, а на внутреннем - в точке 15 - 52 °С, т.е. разность температур равна 5 °С. Нагрев колец сопровождается и нагревом стержней обмотки статора. Характер распределения температуры стержней вдоль радиальной координаты не совпадает с характером распределения температуры вдоль обмотки статора.
Рис. 4, б демонстрирует изменение температуры на поверхности магнитопровода ротора, причем темпера тура на внешнем торце в точке 18 составляет 55 °С, а на внутреннем - в точке 20 - 45 "С. Максимум нагрева магнитопровода ротора сдвинут в отличие от максиму ма нагрева магнитопровода статора не к оси машины, а к ее периферии и достигает небольшого значения в районе внешнего короткозамыкающего кольца. Это также является отличительным признаком по сравнению с распределением температуры по длине короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя традицион ного исполнения.
Такое неравномерное распределение температуры на поверхности ротора в радиальном направлении объясняется поступлением холодных потоков воздуха в машину ближе к ее оси, в результате чего они непо средственно омывают внутреннюю поверхность ротора, а также вращением ротора.
Представляет интерес распределение температуры на конструкционных деталях: крестовинах статора и ротора, валу (рис. 5):
точки 13 и 24 - наружная поверхность опорного стакана и наружная поверхность втулки ротора;
70 |
|
1 |
|
а |
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
60 |
|
1 26 |
\ |
7 |
|
' |
У |
|
|
||
50 |
|
13 |
J |
|
|
|
|
|
|||
55 |
'ZJ? |
|
|
|
|
|
|
^\. £А |
|
||
40 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
! |
->> |
|
|
30 |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
I |
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
| — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10 |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
I |
|
|
|
|
— |
i |
— |
i |
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
Условная координата
Рис. 5. Распределение температуры по конструктивным элементам ТАД вдоль горизонтальной оси
точки 25 и 28- концы вала; точки 26 и 27 - внешние поверхности крестовин
статора и ротора.
Из рис. 5 видно, что наблюдается неодинаковый нагрев левой и правой (по отношению к воздушному зазору) сторон машины. При этом больше нагревается левая сторона.
Указанная неравномерность распределения темпера туры вызвана неодинаковыми потерями в статоре и роторе и неодинаковыми условиями охлаждения.
Выводы
Приведенные экспериментальные зависимости темпера тур обмотки статора, магнитопроводов статора и ротора, а также конструктивных деталей позволяют выявить места наибольших перегревов в торцовой асинхронной машине небольшой мощности и могут служить основой при решении задач проектирования машин с улучшенными эксплуатацион ными характеристиками. Для контроля тепловых нагрузок двигателя достаточно следить за превышением температуры в узле, подверженном наибольшему нагреву, - верхней внутренней части обмотки статора (точка 3).
ЛИТЕРАТУРА
ЬБутА.Д. Бесконтактные электрические машины. М.: Высш. шк., 1985.252 с.
2.Паластин Л.М. Электрические машины автономных источников питания. М.: Энергия, 1972. 464 с.
3.Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т., Сидоров Е.Т. Совмещение электродвигателя с механизмом как один из элементов конструирова ния // Вестник машиностроения. 2000. № 7. С. 8-10.
4.Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т. К анализу напряженности магнитного поля некругового витка с током в однородной изотроп ной среде // Электричество. 2002. № 3. С. 58-63.
5.Пат. 20580555 RU, C6 Н02 К 5/16,17/00: Торцовая электрическая асинхронная машина / В.И. Загрядцкий, Е.Т. Кобяков // Бюл. 1966. №11.
6.Пат. 2140700 RU, 6H02 К/173, 5/16, 17/16: Торцовая электриче ская асинхронная машина / В.И. Загрядцкий, Е.Т. Кобяков, Е.Т. Си доров//Бюл. 1999. №30.
7.Загрядцкий В.И., Качесова Е.Я. Торцовый асинхронный электродвигатель. Заявка РФ на изобретение № 2002107256 от 21.03.02.
Контроль. Диагностика № 11. 2003 |
6 7 |