СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлен обзор наиболее распространенных способов охлаждения электрических машин.

Ключевые слова: электрическая машина, система охлаждения, самовентиляция.

Охлаждающая среда и вид теплосъема определяют способ охлаждения электромашины. Если тепло отводится конвекцией жидкости или газа, то способ охлаждения называется конвективным (жидкостным или газовым). При испарительном способе теплота снимается посредством кипения хладагента на теплоотдающей поверхности. Введение замкнутых теплопередающих контуров испарительного или жидкостного типа в машинах с воздушным охлаждением означает переход к комбинированному способу охлаждения [1].

В качестве охлаждающих сред в электрических машинах применяются нетвердые тела, т.е. жидкости и газы. Их важнейшим отличием от твердых тел является свойство легкой подвижности или текучести.

Всё известное разнообразие нетвердых тел подразделяется в механике на три группы:

1) жидкие тела с большой вязкостью,

2) жидкие тела с малой вязкостью,

3) газообразные тела [9].

В машинах общего применения наиболее распространены две системы – радиальная и аксиальная

Рисунок 1. Асинхронный двигатель исполнения IP23 с радиальной системой охлаждения

Схема движения охлаждающей среды и способ создания его определяют тип системы охлаждения. В машинах общего применения наиболее распространены две системы – радиальная и аксиальная. Радиальные системы подразделяются на согласные и встречные, симметричные и ассиметричные. По способу создания охлаждающего потока различают системы с самовентиляцией (охладитель приводится в движение элементами конструкции или нагнетателем самой машины) и системы с независимой вентиляцией (движение охладителя обеспечивается внешним источником). Число охлаждающих сред определяет контурность системы охлаждения. Защищенные машины малой и средней мощности имеют одноконтурное охлаждение [1].

Подавляющее большинство электрических машин охлаждается газом. В одних случаях газ, например, воздух или водород, является единственной охлаждающей средой, в других он применяется в комбинации с иными охлаждающими средами, например, водой или маслом.

Были рассмотрены и проанализированы следующие способы охлаждения электродвигателей:

– принудительная вентиляция, когда в качестве нагнетательных элементов применены посторонние, отдельно стоящие источники давления;

– самовентиляция, при которой необходимый избыток давления для циркуляции газа создается нагнетателями, установленными на валу ротора электрической машины [2];

– самовентиляция путём конвекции;

Независимое охлаждение электродвигателя достигается путём использования внешних центробежных или осевых вентиляторов.

Рисунок 2. Центробежный вентилятор

Рабочие колеса центробежных вентиляторов (центробежные колеса) обычно состоят из лопаток 6, заднего диска, 5, переднего кольца 7 и ступицы 4.

Центробежные вентиляторы общепромышленного назначения имеют диаметр рабочего колеса от 200 до 2000 мм. Их мощность колеблется от единиц киловатт до 250 – 300 кВт и более.

В электрических машинах применяются вентиляторы общепромышленного назначения (общепромышленные вентиляторы) и так называемые встроенные вентиляторы.

Общепромышленные вентиляторы применяются в качестве сторонних источников вентиляции [3].

Данный способ имеет ряд достоинств:

1. вентилятор с собственным приводом не зависит от скорости вращения ротора охлаждаемого двигателя;
2. незаменим при эксплуатации электродвигателя, с питанием от частотного регулятора на пониженных частотах, или при частых пусках и остановах электродвигателя;
3. осуществляется эффективный отвод тепла.

При этом данный способ охлаждения имеет и недостатки:

1. из-за использования дополнительного оборудования усложняется конструкция установки;
2. вся установка (двигатель, система охлаждения, рабочее тело и т.д.) становится дороже;
3. габариты установки увеличиваются, что накладывает свои ограничения по месту эксплуатации.

Рисунок 3. Осевой вентилятор

Охлаждать электрические машины можно путём конвекции. При таком способе охлаждения не выполняется и не устанавливается никаких дополнительных устройств или агрегатов. Охлаждение осуществляется только отводом тепла в окружающую среду непосредственно с корпуса машины, путём конвекции. У этого способа имеются следующие преимущества:

1. не требуется установка вентиляторов на валу двигателя или установка сторонних охладителей;
2. данный способ является экономичным, не требует дополнительных затрат;
3. установка более компактна.

При этом система имеет весьма существенный недостаток– она не эффективна в машинах средней (от 10 кВт до 100 кВт) и большой мощности (свыше 100 кВт). Применять её возможно исключительно для микромашин, до десятков и сотен ватт.

Ниже, на рисунке 4 представлена схема самовентиляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Как видно из схемы, воздух нагнетается вентилятором, установленным на валу двигателя. Вентилятор нагнетает воздух вдоль рёбер охлаждения, где хладагент забирает тепло с корпуса машины и отводит его в окружающую среду.

Асихронные двигатели малой и средней мощности из-за требования реверсивности обычно обдуваются центробежными вентиляторами с радиальными лопатками, хотя характеристики их хуже, чем у вентиляторов с изогнутыми лопатками [1].

Этот способ охлаждения имеет свои недостатки. Одна из его проблем состоит в том, что расчёт вентилятора в данной системе охлаждения в основном, привязан к главным размерам машины. Особенности применения таких центробежных вентиляторов на двигателях (ограничения на габаритные размеры, заданная частота вращения, осевой выход потока и др.) затрудняют применение методов расчета общепромышленных вентиляторов.

При этом конструкция вентилятора оказывает большое влияние на эффективность всей системы охлаждения.

Рисунок 4. Схема направления воздушных потоков асинхронного электродвигателя исполнения IP44

Самой главной проблемой данного способа охлаждения является прямая зависимость скорости вращения вентилятора от скорости вращения ротора. Следовательно, количество потребляемого вентилятором воздуха напрямую зависит от скорости вращения ротора. А поскольку именно воздух является хладагентом, то количество потребляемого вентилятором воздуха напрямую влияет на эффективность охлаждения электродвигателя.

Список литературы:

1. Охлаждение промышленных электрических машин / А.И. Борисенко, О.Н. Костиков, А.И. Яковлев – Москва, «Энергоатомиздат», 1983.
2. Основы теплообмена в электрических машинах машинах / И.Ф. Филиппов – Ленинградское отделение издательства «Энергия», 1974.
3. Вентиляторы электрических машин / В.И. Виноградов – Ленинградское отделение, «Энергоиздат», Ленинград 1981.