Математическая модель процессов нагревания и охлаждения

Основным фактором, ограничивающим возможности двигателя в отношении преобразования энергии ("пропускную способность") являются теплопотери (тепловыделение) в токоведущих частях.

- нагрев Þ I=I_ном при t≤t_доп

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостыо применяемых изоляционных материалов. Чем больше нагревостойкость, тем при той же мощности меньше размеры двигателя или при тех же размерах можно увеличить его мощность. Лучшему использованию двигателя способствует также более совершенная система его охлаждения.

Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, делятся на следующие основные классы нагревостойкости.

Изоляция класса А. К этому классу относятся хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага, волокнистые материалы из целлюлозы и шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик. Допустимая предельная температура 105 °С. В настоящее время электрические двигатели с изоляцией класса А практически не изготовляют. Такую изоляцию имеют двигатели постоянного тока серии П мощностью до 2,2 кВт и асинхронные двигатели серий А, АО до 6-го габарита включительно, АК.

Изоляция класса Е. Этот класс включает синтетические эмали (для изоляции проводов) на основе полиэфирных эпоксидных и подобных им смол, синтетические органические пленки и т. п., синтетические материалы. Допустимая предельная температура нагрева 120 °С. Эта изоляция имеет небольшое применение в двигателях малой мощности. В основном двигатели изготовляют с изоляцией классов В и F.

Изоляция класса B. К этому классу относятся слюда, асбест, стеклянное волокно и другие неорганические материалы со связывающими материалами орга­нического происхождения. Допустимая предельная температура нагрева 130°С. Эти материалы применяются в двигателях серий 2П с высотой оси вращения до 120 мм включительно; 4А с высотой оси вращения до 132 мм. Применялись в старых сериях П мощностью от 3,2 до 14 кВт и в компенсированных двигателях мощностью 100—400 кВт; АО свыше 6-го габарита; А2 и АК2 мощностью от 400 до 1250 кВт.

Изоляция класса F. Этот класс включает те же материалы, что и для класса В, но сочетающиеся с синтетическими связующими и пропитывающими составами, модифицированными кремнийорганическими соединениями. Допустимая предельная температура нагрева 155 °С. Такую изоляцию имеют двигатели серий: 4А с высотой оси вращения свыше 132 мм, 2П с высотой оси вращения свыше 225 мм; MTF, MTK.F; старых серий П мощностью свыше 14 кВт.

Изоляция класса Н. К этому классу относятся те же материалы, что и для класса В, но в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами. Допустимая предельная температура 180°С. Эта изоляция применяется для двигателей с частыми пусками и реверсами, а также при высокой температуре окружающей среды, например, для двигателей, предназначенных для грузоподъемных машин, в том числе металлургических. Такую изоляцию имеют двигатели серий МТН, МТКН, Д.

Изоляция класса С. Этот класс включает слюду, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые с неорганическими связующими составами или без связующих составов. Допустимая предельная температура более 180 °С. Нагревостойкость этих материалов не используется полностью в современном электромашиностроении, поэтому предельная температура нагрева для этого класса не установлена.

Условия нагрева отдельных частей машины различны. Большему нагреву подвергаются части обмоток, расположенные во внутренних областях машины. Так же неоди­наково и выделение теплоты и различных режимах работы, и поэтому направление тепловых потоков внутри машины непостоянно. При холостом ходе теплота передается от более нагретой стали двигателя к его обмоткам, а в нагруженном состоянии обмотки более нагреты, чем сталь, и направление теплового потока обратное. Эти обстоятельства весьма усложняют тепловые расчеты, и поэтому без соответствующих упрощений сделать выбор мощности невозможно.

Исследование тепловых процессов в двигателях производится со следующими допущениями:

1) двигатель рассматривается как однородное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью, с одинаковой температурой во всех точках выделения теплоты и точках, соприкасающихся с охлаждающей средой;

2) теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

3) температура охлаждающей среды постоянна;

4) теплоемкость двигателя, мощность тепловых потерь и теплоотдача не зависят от температуры двигателя.

Уравнение теплового баланса:

- количество теплоты, выделяемое двигателем в единицу времени;

А – теплоотдача двигателя, количество теплоты, отдаваемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при перегреве на 1°;

С – теплоемкость двигателя;

Обозначим и , тогда

Dt=1% Þ t_проц@4Т_н

Для двигателя вполне достаточно t_проц@(3–4)Т_н

Охлаждение происходит медленнее Т_н^охл>>Т_н