автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Двигатели постоянного тока общепромышленного исполнения, оптимизированные по тепловым параметрам

На правах рукописи

БАРХАН ДЖКРИС АДЬ-ШДАИН

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ЩИ1РОШШ1ШЮГО И01ШНЕНИЯ, ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ ПО ТШСШЫ ПАРАМЕТРАМ

,05.09.01 - электрические машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993 г

Работа выполнена на кафедре электрических машин Харьковского политехнического института.

Научный руководитель - кандидат технических Наук, доцен* Осташевский Н.А.

Официальные оппоненты - доктор технических Наук,

профессор Калиниченко С.П.

кандидат технических наук, доцент Черкасов А.К.

Ведущее предприятие - НИИ завода "Электротяжиш" г.Харьков

Защита состоится " ф " ЫМЭНЯ 1993 года в ~ча-сов на заседании специализированного совета К 068.39.04 в Харьковском политехническом институте /310002, г.Харьков, ГСП» уя^Фрунзе, 21/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института.

Автореферат разослан ^ 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета

OiJiJiUl XHPAil'M4lUTllt£A РяЬит AiCryÄtoLHOCTL Tt£Ji. Для обеспечения дальнейшей конкуры

ТОСЦОСОбнйСТИ ПрИЪОДОВ ПОСТОЯННОГО тока МеТаЛЛоОбр.-н.уТШ:,;«/!!,^ '.

сиорудоваыш требуется повышение технического уровня ДпТ в . направлениях: pjCiimpuaw .цишыэоиа рсгулириьзмл, uu..»t ий.ч ходсе и"» обслуживание,, повышения эксплуатационных свойств двигателя. Ь да услоьйях при проектириьании диггагугсй дчя ми{»>-корегулируешх приводов прежде всего возникает необходимость существенного повышения эксплуатационной надежности, по которой им оказывают конкуренцию привода на базе частотнорегули-руемых асинхронных двигателей. Решение данной задачи в нашей стране и за рубежом /Германия, Англия, США, Швейцария/ видится, в первую очередь, ни пути интенсификации охлаждении и повышения степени зациты вновь проектируемых двигателей jwctdwi -Hni'o тока (ДиТ).

HüJib i'AtX/i'lJ - определение путей повышения :,ксшо'згацио.ч~ них параметров jijl'l' общепромышленного исполнения us, основе совершенствования математических моделей теплового состояния этих двигателей, уточнения инженерной методики их теплоьих расчетов, разработки методики и рекомендаций по рациональному выбору параметров систем охлаждения атих дьигагьлей.

НАИБШЕЕ СУИдаСТВЕНИНЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЬОШ, полученные лично автором при достижении поставленной цели:

1. построены о ¡(Бивалентные тепловые схаш /ЬТС/ Д11Т продуваемого /способ i С00/ и закрытого исполнения /способы 1С 0^40, 1С Udbb/ для стационарных режимов работы.

Разработаш алгоритмы и программа теплового расчета ДПТ в установившемся режиме, учитывающая конечную теплопроводность ребра и изменегше.коэффициента теплоотдачи по еысо-.

те и длине межреберного канала внешнего контура системы охлаждения." -'. ''.

3.' Получены регрессионные модели теплового состояния двигателей, отражающие влияние параметров оребрешя внешнего кон-, тура на нагрев активных частей этих двигателей.

4. Разработан алгоритм совместного аэродинамического и теплового анализа ДПТ при переменном расходе охлаждающего воз- .. духа внутреннего контура. На базе вычислительного эксперимента получены зависимости нагрева активных частей ДПТ от расхода.

5. Выполнен рациональный выбор параметров систем. охлаждения проектируемых двигателей /оптимальный расход охлаждающего воздуха внутреннего контура для способов 1С 0645, 1С 0655/, параметры оребрения и расход воздуха внешнего контура - для способа- 1С 0665..

■6. Выполнен анализ эффективности систем охлаждения /способы 1С 0645, 1С 0655/ на базе вычислительного эксперимента. Разработаны.рекомендации по совершенствованию систем охлаждения указанных двигателей и произведена оценка эффективности данных рекомендаций.

7. Разработала типовая диаграмма режима нагрузки и ЭТС ДПТ при нестационарных режимах работы. Формирование"диаграммы нагрузки выполнено на ЭЪМ с помощью метода Аюнте-1Сарло.

, 8. Построена математическая модель теплового состояния ДПТ в динамических режимах работы. Установлено, что двигатели

закрытого исполнения /способы охлаждения 1С 0645, 1С 0655/ при „ , *

работе по типовой диаграмме имеют запас по нагреву по сравнению с их работой В режиме 1. "

- МЕТОДЫ ИССЬЕЙОЬАНШ. При выполнении работа автор использовал методы математического и физического моделирования, теп-

- ловых процессов, методы цифрового моделирования случайных про—

■ цессов на ЭЬМ; методы регрессионного анализа, методы линейной алгебры, методы численного интегрирования систем дифференци- ■ альных уравнений.

' Натурные теплоше и вентиляционные исследования опытных' образцов двигателей проводились на специальном стенде Харьковского №0 "Электромашина",

НАУЧНАЯ НОЬИЗНА РАБОТЫ:

1. Построена математическая модель теплового состояния ДПТ в установившемся режиме, учитывающая конечную величину ко-еффициента теплопроводности ребра и изменение коэффициента те- . гиоотдачи /ЯГО/ по длине и высоте межреберного канала внешнего контура системы охлаждения. ,

2. Разработан алгоритм совместного аэродинамического и теплового анализа ДПТ при переменном расходе охлаждающего воздуха внутреннего контура системы охлаждения.

3. Получены уравнения регрессии, отражающие влияние параметров оребрешя внешнего контура на нагрев активных частей ДПТ и зависимости, отражающие влияние расхода воздуха внутреннего контура на нагрев этих же двигателей,

,4. Построена математическая модель динамических тепло- , вых режимов ДПТ, учитывающая случайный характер параметров режима работы двигателей, моделируемых'на ЭЬЫ с помощью метода 'Монте-Карло.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭНАЧШОСТЬ РАБОТЫ состоит в создании уточ-' ненной методики теплового расчета ДПТ в стационарном режиме, . учитывающей зависимость коэффициентов теплоотдачи от расхода охлаждающего воздуха во внешнем и внутреннем контурах, а также распределение,НТО по длине и высоте мекреСерного канала-

А

внешнего контура; в разработке методики рационального выбора параметров систем охлаждения проектируемых двигателей на основе, использования полученных /в результате вычислительного эксперимента/ регрессионных моделей и зависимостей, отражающих влияние указанных параметров на нагрев активных частей двигателя; в создании методики анализа теплового состояния ДГ1Т в динамических режимах работы со случайным характером параметров нагружения; в анализе эффективности систем охлаждения ¿ЦП как в стационарном, так и в динамическом режимах ра- . боты; в разработке рекомендаций по совершенствованию систем охлаждения и оценке эффективности этих рекомендаций. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и эксплу-' атации новых серий ДПТ общепромышленного и специализированного исполнения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы переданы Харьковскому НПО "Электромашина".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы догладывались и обсуждались на научно-технической /подотрас-левой/ конференции "Проблемы электромашиностроения" /г.Ленин-' град, 1991 г./ на научно-техшческих конференциях кафедры электрических-машин ХПИ /г.Харьков, 1990-1992 г.г./..

ЛУЕПШЩИИ. Основное содержание исследований, выполненных по теме диссертации, отражено в 2-х печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа

состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литера*

тур« и приложений. Содержит <¡2? страниц, в том числе - Ы страши^ основного машинописного текста, рисунков - Зь страниц, , таблиц - '¿\ страницу, приложений - >9 страниц. Список литературы на V страницах включает 67 наименований.

-•-.--■- - -------СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ------------ ---------- . - - . .______

Ьо ЬЬфЛШ обоснована актуальность работы и сформулирована ее цель. ■

Ь ИЫЪОк Г.кАЬЬ произведен анализ состояния рассматриваемой в работе пр о Слеш, сформулированы задачи и выбраны методы исследования.

При проектировании ДИТ общепромышленного исполнения решается задача получения требуемых по техническому задсшиы эксплуатационных параметров двигателя /мощность, к.п.д., диапазон регулирования и т.п./ в указанном габарите. Характерной особенностью ДПТ закрытого исполнения /степень защиты 1Р 44 и выше/ является напряженный тепловой режим, поскольку наличие непроницаемой' оболочки ведет к замене непосредственного охлаждения активных частей косвенным охлаждением / для способов охлаждения 1С 0о4о, 1С ибоЬ/; под параметрами внешнего контура подразумеваются параметры оребрения /толщина, высота ребра, межреберное расстояние/ и расход охлаждающего воздуха. Они в свою очередь определяют более общие /интегральные/ параметры, характеризующие интенсивность охлаждения: коэффициенты теплоотдачи /¿{ТО/ и конвективные составляющие тепловых сопротивлений /тепловых проводимостей/ процесса теплообмена. Под параметрами внутреннего контура подразумевается прежде всего расход охлаждающего воздуха. Геометрические параметры /формы и . размеры теплообменных поверхностей/' считаются заданными и су- . щественному изменению не подлежат. Интегральными параметрами являются КТО и конвективные составляющие тепловых сопротивле-' ний, характёризующие интенсивность теплообмена между активными '

/конструктивными/ частями и охлаждающим воздухом внутреннего и О

внешнего контуров.

• б '

' .' Влияние параметров системы охлаждения на тепловое состо-, яние ДПТ может быть определено путем вычислительного эксперимента, в ходе которого варьируются указанные параметры. Для анализа теплового состояния ДПТ как в стационарных, так и в динамических режимах выбран метод ЭТС. Этот метод в данных условиях является наиболее приемлемым по сложности реализации, точности и степени использования полученной информации.

Для реализации метода ЭТС необходимо построить эквивалентные тепловые схемы замещения ДПТ в стационарных и динамических режимах работы.

Как известно, точность теплового, расчета по методу ЭТС ■ определяется точностью задания источников тепловых потерь, точностью, определения коэффициентов теплопроводности и коэффициентов теплоотдачи, входящих в расчетные формулы тепловых сопротивлений ЭТС. Поэтому для повышения точности теплового расчета необходимо учесть конечную величину коэффициента тепло-• проводности материала ребра и-изменения КТО по длине и высоте межреберного канала .внешнего контура системы охлаждения.

Решение задачи теплопроводности ребра позволит не только повысить точность методики теплового, расчета за счет уточнения теплового сопротивления внешнего''контура, Н£ГИ,"ЧТо более важно, разработать методику рационального выбора параметров оребрения этого контура. Для этого необходимо получить на основе планируемого вычислительного эксперимента уравнения регрессии, отражающие влияние параметров оребрения на нагрев активных частей двигателя. •

Необходимость исследования влияния расхоДа охлаждающего воздуха на тепловое состояние ДПТ обусловлена рядом .обсто-

о

ятельств:

- расход оказывает определяющее "влияние на КТО, а значит-на г : , тепловые сопротивления ЭТО и на нагрев двигателя в целом, и

может изменяться путем регулирования частоты вращения встроенного /пристроенного/ блочного мотор-вентилятора /Ы.Ь/ внутреннего и внешнего контуров системы охлаждения;

- оптимальное значение расхода для исследуемых ДПТ не монет быть определено заранее по известным греющим потерям /как это делается для электромашин продуваемого'исполнения/ ввиду сложной картины процесса теплообмена.

Задача определения расхода охлаждающего воздуха во внутреннем контуре может быть решена методом последовательных приближений совместно с задачей теплового расчета. Для этого должен быть разработан алгоритм совместного аэродинамического и ". теплового анализа. Вычислительный эксперимент, проведенный на основе аэродинамического и теплового анализа /АТА/, позволит ' определить зависимости нагрева активных частей ДПТ от расхода и выбрать требуемый /оптимальный/ расход.

Поскольку режим работы исследуемых ДПТ носит случайный характер, то принятый в техническом задании в качестве номинального режим 51..обеспечивает высокую надежность двигателей в эксплуатации. Однако, при этом снижается экономичность рабо-. .ты оборудования из-за недоиспользования установленных мощностей и завышаются капитальные затраты На изготовлеще оборудования. Кроме того, затрудняется выбор мощности ДПТ при проектировании нового оборудования, если реальный режим работы двигателей отличен от. режима Si.

Для удовлетворения противоречивых требований надежности ' , .и экономичности при проектировании ДПТ необходимо определять • .его мощность /нагрев/ в условиях, близких к реальным условиям : "

¡эксплуатации. При этом, появляется возможность оценить запас, двигателя по мощности /нагреву/. Для этого в первой главе обоснован выбор метода определения мощности ДПТ при нестационарных режимах работы, намечены задачи, решение которых позволит раз- . работать методику анализа теплового состояния ДПТ в динамических режимах работы. К ним относятся: -

- разработка ЭТС двигателя при нестационарной нагрузке;

- построение типовой диаграммы режима нагрузки на ЭВМ с применением метода конте-Карло;

- построение математической модели теплового состояния ДОТ в динамических режимах и выполнение вычислительного. эксперимента .

¡¿роме указанных выше, в работе решаются следующие задачи: экспериментальная проверка точности разработанной методики теплового расчета ДПТ; сравнительный анализ эффективности двух систем охлаждения исследуемых ДПТ /способ охлаждения 1С 0645, 1С 0655/; разработка рекомендаций по совершенствованию данных систем охлаждения. *

Ьо. ВТОРОЙ ГЛАВЕ построена математическая модель, разработаны алгоритм и .nporpai.ii,та расчета теплового состояния ДПТ в стационарном режиме на базе расчета предложенной ЭТС и решение задачи теплопроводности для ребра. При этом .заданием граничных условий учтены конечная теплопроводность рёбра и распределение ¿{ТО в межреберном канале внешнего контура.

Для повышения точности математической модели и снижения

»■

затрат машинного времени применен конечно-разностный метод расчета температурного поля ребра. С целью построения экономичной разностной схемы для уравнения теплопроводности ребра, использован итерационный метод,' который можно трактовать как "ые-

тод .установления" для нестационарного .уравнения:

^ Г и

с Зл* Л —-—чМь)

с гршшч1 шли:

ат

■Л

-Л

ах

41

¿X

X-О

X =0

/I/

л

зг

и начал ьшм

4 ^еит-тои;

= 0

с

и

условиями.

Т(о,х,2)-То(х1г)

Здесь ^ - коэффициент теплопроводности; С - параметр сходго гости итерационного процесса; Т, ТБ - ^шгеумууа. ребра и температура охийждголцего Воздуха вдоль ребра; X, 2 - коэффициент) ыюоты и дшш ребра /рис. 1/; «((У,2) - коя^ициеит теплоотдачи с поверхности ребра; Ц (I ) - тепловой поток у основания р'еор^и, изменяющийся по длине ребра; $ , С , ¡1 - толщина, дайна и высота ребра.

/.дя области определения задачи /1/ стропы сетку 511, X ,1 с шагами Т , ¡1^ , по времени и с координатами Ц . , ¿' соответственно. При решении задачи /1/ используем метод расцепления цо направлениям, который сводит ее-к двум одномерным зада- • чам. Для одномертк задач используем четырехточечные неявные разностные схемы, аппроксимирующие эти задачи в системы линейных ачгебраических уравнений, которые решались методом прогон-га?.

Расчет оребреаия выполняется по следующего» алгоритму /рис. 2/, В качестве исходи« данных используются'геометрические раз-

меры ДПТ, данные электромагнитного расчета; После вентиляционного расчета выполняется расчет матрицы КТО оС(Х,1) по известным 'уравнениям, а затем - расчет тепловых сопротивлений внешнего контура /сопротивлений передачи тепла с поверхности ореб-рения по трем участка*! разбиения', принятого в ЭТС, и соответственно расчет проводимостей &1-£гЗА При этом еще не'учитывается сопротивление теплопроводности /кондуктивное сопротивление/ ребра. Выполняется первичный расчет ЭТС. Ь числе других температур получаем средние температуры участков разбиения , оребрения по длине /Т19-Т21/. Для учета сопротивления теплопроводности ребра надо решить задачу /I/. Чтобы задать граничные условия |1 |к=0 » 110 тРем полученным из расчета ЭТС

', значениям температуры /Т19-Т21/ ребра и охлаждающего воздуха /Т22-Т24/ производим интерполяцию и находим распределение температуры ребра Тр|(к , и воздуха по .длине мекреберного . ' канала. После этого расчитываем распределение теплового потока | у основания ребра /по закону Фурье 6к (Грк_1ьк) и решаем • задачу теплопроводности ребра /I/. Результаты решения используем для уточнения проводимостей оребрения ~ (у$ и шпол-,' ■ няем вторичный расчет ЭТС. Анализ показывает, что только учет '. : кондуктивного сопротивления ребра позволяет на З+Ё^пошсить точность теплового расчета.

Этот алгоритм использовался при выполнении рьгаислитель-ного планируемого эксперимента.-Б качестве названных факторов ' выбраны толщина ребра § /XI/, высота ребра /Х2/ и расстоя-'. ние.мегкду ребрами $ /ХЗ/.' Диапазон изменения факторов, с уЧе-'. '•;том технологичности изготовления оребрения, в натуральном ". масштабе имеет вид: § « /4,708 ... 11,292/ Ю~3М{ (I » /23,539..., . -56,461/ Юг\- $ * /23,539 /.. 56,461/ Ю_3М. :'"'"'■

Система координат для расчета температуры в прямоугольном

ребре

У

X

Рис Л

Блок-схема алгоритма теплового расчета ДПТ

. /. Ьвод ■ / Расчет распределения

/ псхсдпг:: дап;:нх / теплового потока у

I ♦

расчет т епл о лр ; под:: о с ти

4 1

Расчет аТО 1 (1,1 ) по ур-иям 1,2.3 и 2.4) Уточнение просоданос-теП опсореьия ' С'1 = С'3

* ......" 1

Расчет'проводимостей Ьторич:А'Г: расчет

С1 - сз. ЭТС

■ * . ' ' 1

Первичшй расчет с ТС печать

(Т19, Т20, Т£1) резу.'/ьт.-.тоБ

*

Интерполяция ^ ЛСиЩ ^^

'Г

йгс.2

Ьвиду очевидной нелинейной зависимости целевой функции /нагрева активных частей/ от перечисленных факторов, использо- ■ Еан ортогональный центрально-композиционный план второго порядка. Получены уравнения регрессии, отражающие влияние параметров оребрения на нагрев активных частей ДПТ /табл.1/. Для учета влияния расхода охлаждающего воздуха на нагрев двигателя, планируемый эксперимент был выполнен для четырех значений частоты вращения вентилятора внешнего контура / Пб = 1120, 16Ь0, ¿240 об/мин/. Соответственно, получены по четыре уравнения регрессии для каждой из активных частей ДПТ. Анализ полученных зависимостей позволив ^ыбрать оптимальный расход охлаждающего воздуха » 0,0Ь5м3/с/ и рациональный выбор параметров оребрения: {) * 5. 1<|г3Ы, (\ = 53 10"3Ы, $ = 40 10~3Ы, при которых достигаются'близкие к минимальным перегревы активных частей двигателя. Ввиду пологости целевой функции /см. табл. I/, изменение параметра $ в два раза приводит к отклонению

Перегревов активных частей от минимальных в пределах 5% ( = -3

' = 20x10 у). При этом почти вдвое /1,Ь раза/ снижается материалоемкость оребрения.

Получены температурное поле ребра и охлаждающего воздуха в межреберном канале, а также поле коэффициентов теплоотдачи на поверхности ребра. Введены показатели эффективности ребра в отдельности .и оребрения в целом для случая изменения КТО по длине и высоте ребра. Установлены зависимости между эффективностью ребра /оребрения/ и параметрами оребрения /рис.3/. Ус- '

#

тановлено, что среднеинтегральное по поверхности ребра значение КТО не зависит /рис. 4/ от шага оребрения /в пределах диапазона варьирования фактора ХЗ/. Показано, что с изменением расхода охлаждающего воздуха в' пределах области определения

критерия Рейнольдса /для данного критериального уравнения теплообмена/ коэффициент "эффективности" ре<'ра /оребрения/ практически, не изменяется/рис. Ь/.

Полученные результаты могут Сьть использованы для рационального проектирования внешнего оребрения как ДПТ, так и ' других олегтрических кашин.

ТРЕТЬЯ ГМЬА посвящена Исследованию внутреннего контура системы охяидеиия ДНТ, так как влияние параметров этого контура на тепловое состояние исследуемых двигателей является определяющим. Из рассматриваемых дгух конструктивных исполнений ДПТ /способы 1С 0645, 1С 0055/, первый является традиционным для оребрения АД свнешним обдувом. Отличие только в том, что во внутреннем и внешнем контурах установлены независимые BuiB. Практический интерес Представляет определение предельных возможностей такой системы охлаждения /в рамках технического задания на разработку ДПТ/, к:Сор оптимального /рационального/ значения расхода, к'ясигкия еоэмоуности разраСотки ДПТ со способом охясздешя 1С О«' Jb. Этот интерес обусловлен большей технологичностью и меньшей трудоемкостью изготовления ДПТ со способом охлаждения 1С С64Ь. Для обеспечения возможности выполнения сравнительного анализа эффективности исследуемых систем выбраны критерии оценки афт! ективности охлаждения, разработан .алгоритм аэродинамического и т.еплового анализа /АТА/ двигателей. Кроме известных, предложен новый критерий -'Коэффициент запаса по нагреву KoU » показывающий, какой запас по снижению нагрева электрической машины имеет система при возможности изменения расхода охлаждающего воздуха; Сущность ATA заключает-' ся в том, что расход охлаждающего воздуха определяется методом последовательных приближений при совместном выполнении

Таблица I

Полиномы аппроксимирующие функцию нагрева активных-частей • двигателя /1\ь = И20 об/мин/

п/п | ' " Название элемента- -г-................. ■ ...........— - — ----------- •----------- | - Аппроксимирующий полином I ! Шнимум целевой 1 функции, °С •

. I Коллектор • ТЫ, 152553-Ю,006349 XI -0,071161 Х2+0,049344 ХЗ+ Л,0004 XI Х2+0,00225 XI ХЗ-0,017б Х2 ХЗ--0,003271 /XI2 -0,73/+0,03277ь /Х22 -0,73/--0.002593/Х32 - 0,73/ 104,4

.2 Обмотка якоря . . у2= 1,241370А00632 XI -0,070534 Х2 +0,045194 ХЗ+ + 0,0004 XI Х2" + 0,002275 XI ХЗ-0,0175 Х2 ХЗ- - 0,003215 /XI2 -0,73/0,03263 /Х22 -0,73/- . - 0,0025 /ХЗ - 0,73/ 113,35 ^

3 Обмотка добавочного полюса. У3=0,94772+0,0067Ь9 XI'-0,07516 Х2 +0,053652. ХЗ+ +0,00045 XI Х2 +0,00245 XI ХЗ --0,01ЬЬ5 Х2 ХЗ -0,003699 /XI2 -0,?3/+0,034664 /Х22 -0,73/ -0,003063 /ХЗ2 - 0,73/ . ■ ЬЗ,II

4- Обмотка главного У4=0,740479+0,006709 Х1-0,074207 Х2+0,052/91 ХЗ+

'полюса чО,000425 XI Х2+0,002425 XI ХЗ-0,016575 Х2 ХЗ- 03,15

-0,003704 /XI ^ -0,73/+0,03407 /Х22 -0,73/--0,00312а /ХЗ2 -0,73/.

-- Зависимости -

1Ф 6с,'6

-

\ £

-

Р::с.З

Распределение ;и0 по даше ребра

аВт

*ю

*

2 О

\

К

3

г

I /у Л х/О* /О , &'00

1р - дл:г :> \ г-о\г-, -- :: , - иаг разбиения, = 70 мм

1- Г-:, п =:::■:■: об/тп, о = 20 мм

2- I = НЦ|/Ы |\ - ~ — со/пин, • £ = 40 мм.

3- А, *1-Ци/ф £ ~ оо/мил, 0\ = 60 мм

реОра (оребрешя) от

Зави сикс сти 1 гг. спи;-;::

у

а

р..с_ 4

. е;:тиЕНоети

Ю

а

ч- X * /

1л /

/1 /

_, Ли.

1 1

Щ °>6

* Рис.5 ■ ' .

вентиляционного и теплового расчета. При этом учитывается зависимость конвективных составляющих тепловых сопротивлений ЗТС от расхода, учитывается изменение потерь на вентиляцию с изменением расхода, а также зависимость мощности источников ЭТО от их температуры. Предлагаемый алгоритм базируется на допущении, что частота вращения вентилятора /и, соответственно, расход/ могут изменяться. По предложенному алгоритму был проведен вычислительной эксперимент, в результате которого получены зависимости нагрева активных частей и. потерь /рис.6, 7/ от расхода. ' Установлено, что система охлаждения /способ 1С 0045/ работает . в режиме, близком к оптимальному, и не имеет, практически, запаса по нагреву. Но всем выбранным критериям, кроме коэффици-' ента удельного расхода, способ 1С 0555 имеет более высокие показатели: коэффициент испсшьзования поверхности в к,3 раза; энергетический коэффициент, экономичности в раза; коэффициент запаса по нагреву в 1,13 раэ.а. »{роме того, в третьей главе приведены результаты экспериментальной проверки точнос-

I

ти разработанной методики тепловых расчетов ДПТ. Установлено, что расчетные значения температуры активных частей превышают экспериментальные значения не более чем на 11$>.

. ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА .посвящена анализу теплового состояния ДПТ в динамических режимах работы. Анализ условий эксплуатации показал, что исследуемые ДПТ общепромышленного исполнения, в том числе двигатели привода главного, движения металлорежу- . щих станков, работают в случайном' режиме с детерминированным характером .чередования ;состоя1р!й двигателя; Реализуемый на ЭЬЫ по 'разработанной программе с применением метода 1.юнте-1£ар- ■ ло режим нагружения ДПТ можно представить в. виде, временных диаграмм /графиков/ функций тока якоря и частоты вра-

.. . оаьмскность. ьрвшнвгля.т'^иа^тд н.киллежго]»« .01 расхода

Ч". .. А',.; ■■ : , ОР0 ]Л, УХ!)

хЮ'С

а // /о

Тк 9

\

\

N. 5

1 1 ч <

1

1

-ГГ~~Г~Т 1-1 1

4

1-й способ 1С 0045; 2-й спосои 1С.01)55; 3 - Т* дол.

•Ь II' '[Г,'!. Г

К

г,1

I

Р&гРо5ыЛ1

о ч

У- у -3 У

•

х2 V / ■

У / ✓ / ✓ '—/ /

■4

а 16 го но^м'/сзг

1-потери на вентиляцию Р0; 2-потери в меди Р ; З-оОщие потери Ро0ш.»'-----ДЛЯ способа 1С 0645;----для способа 1С 0655

Рис.?

щения П. ~ Ч>(*)/рис.Ь, У/.

Для составления математических-моделей, нестационарного нагрева ДПТ предложены "нестационарные" ЭТО двигателей со спо-'. собаш охлаждения: 1С 06, 1С 0645, 1С 0655.

Описания нестационарного'нагрева исследуемых ДПТ, составленные на основе "нестационарных" ЭТС, представляются в виде систем уравнений теплового баланса, имеющих- в векторно-матрич-ной форме следующий вид:

Сf + WB-■ PW ; /2/

. где. £ , - диагональная матрица теплоемкостей элементов, на ' которые условно разбивается двигатель при составлении ЭТС; jj({)- квадратная матрица тепловых проводимостей; Q - вектор превышений температур}' P(t)~ вектор тепловых потерь.

Диаграмма нагрузки состоит из .отдельных временных интервалов состояний двигателя, .каждый из которых характеризуется . ередними значениями тока и частоты вращения якоря. Б этом слу- . чае решение задачи нестационарного нагрева /2/ ДПТ можно свести к множеству, в котором каждому интервалу состояния соответ-, ' ствует своя система уравнений с постоянными коэ(|ймцкнтаки и правой частью. При этом, на границах интервалов решения должны "стыковаться", т.е, соответствовать условиям непрерывности. Для ; каждого интервала система линейных дифференциальных уравнений ■ интегрировалась численно методом рунге-Кутта-Мерсона четвертого порядка. График изменения температуры нагретой части двигателя приведен на рис.Ю. Здесь же представлен график той же . • функции при стационарном режиме. ,

I §

$

о -S

S'

■J f)

a a

<\l

Hj

_!

_1

!

»

——i

TL

Г7

Г

4 .

s;

Сравнительный анализ теплового состояния ДПТ трех кон-структившх исполнений в стационарном.и динамическом режимах работы показал следующее.

Двигатели продуваемого исполнения /способ'охлаждения 1С Об/ за время отдельных элементарных циклов нагружения "работа -холостой ход /отключение/ успевают достичь превышений температур установившегося нагрева. Поэтому для тагах двигателей рассматривать нагрев при реальных графиках нагружения практи- . чески нецелесообразно. Достаточно ограничиться режимом Sí .Для двух других исполнений двигателей /1С 0645 и 1С 0655/ процессы нагревания после выделения из случайных процессов участка нестационарности можно считать стационарными зргодически-. ми процессами, так как средняя длительность элементарного цикла нагружения "работа - холостой ход /отключение/" меньше постоянных времени нагревания двигателей /рис.Ю/." Поэтому достаточно одной рассмотренной реализации случайного нагружения двигателя для определения статистических характеристик нагревания его элементов /математического ожидания и среднеквадратичного отклонения/. Используя правило!'трех сигм", были найдены максимальные значения превышений температур активных частей двигателей двух исполнений /1С 0645, 1С 06Ь5/ /табл.2/.

Таблица 2

Сравнительные*данные о нагреве двигателей различных Т ' способов охлаждения

Способ Тип величины Запас по на-гсеву. %

охлаждения

1С 0655 69' . 101 62 66 72. •66 100 16 6,6

1С 0645 107 • 114 . 104 107 65 66 100 >- 2.Ь

Ь ЗА1ШЧЕШШ приведены основные научные и практические результаты работы:

1. Разработана уточненная методика теплового расчета ДПТ . закрытого исполнения в. установившемся режиме, учитывающая конечную теплопроводность ребра и -изменение коэффициента теплоотдачи по высоте и длине межреберного канала внешнего контура системы охлаждения. •

2. Разработаны методика рационального выбора параметров ^ системы охлаждения проектируемых двигателей и методика анализа их теплового состояния в динамических режимах работы.

'3. Построены эквивалентные тепловые схемы замещения /ЭТС/ ; ДПТ продуваемого /способ 1С 06/ и закрытого исполнений /спосо- ; бы 1С 0645,.1С 0655/ для стационарных и динамических режимов работы, ' '

■ 4. На основе предложенных ЭТС и решения задачи теплопро- . водности оребрешя построена математическая модель теплового состояния ДПТ в установившемся режиме, учитывающая конечную ' теплопроводность ребра и изменение лТО по поверхности ребра. ■

5. Разработано программное обеспечение теплового расчета ДПТ в установившемся режиме. Учет конечной'.теплопроводности ребра позволил на 3+5 % повысить точность расчета нагрева ' активных частей двигателя.

6. По результатам вычислительного планируемого экспери- •.

«

мента получены уравнения регрессии, отражающие влияние параметров оребрения на нагрев активных частей двигателя. Установлено, что наибольшей весомостью обладает фактор Х2 /шсота ребра/, наименьшей -. XI /толщина ребра/. Экстремум функций отклика расположен у нижней границу фактора ХЗ /расстояние между ребрами/. Еыбраны параметры оребрения, обеспечивающие близкий

к минимальному нагрев /отклонение в пределах при минимальной материалоемкости оребрения.

V. Разработгн алгоритм совместного -ери,динамического и теплового анализа J.J1T при переменном расходе охлаждающего воз- • духа внутреннего контура. На основе вычислительного эксперимента получены зависимости нагрева активных частей двигателя от расхода, определено оптимальное значение расхода.

U. Выполнен сравнительный анализ -эффективности способов -охлаждения 1С 0645 и 1С 0С55. Установлено, что способ 1С 06Ь5 имеет более высокие показатели: коэффициент использования поверхности в ¿,3 раза; энергетический коэффициент экономичности в 2,2 раза;• коэффициент запаса по нагреву, в 1,13 раза..

9, Разработаны типовая модель режима нагрузки и математическая модель теплоього состояния ДПТ в динашческих режимах работы, йордаровпше дкаграмкн нагрузки выполнено на СЬ« с применением негода ¡.;онте-Яарло. Установлено, что двигатели продуваемого исполнения /способ 1С 06/ достаточно -исследовать в режиме Si из-за малой тепловой инерционности. Показано, что двигатели закрытого исполнения /способы 1С 0d4o, 1С 0655/ имеют некоторый запас по нагреву по сравнению .с их работой в соответствующем режиме . Поотому данные двигатели могут работать в более тяжелых условиях чем те, которые указаны в технических условиях их эксплуатации.

10. Разработаш рекомендации по совершенствованию систем охлаждения дПТ закрытого исполнения /способы 1С 0G45, 1С ОбЬЬ/.

По' теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Осташевский И.А., Нукин И.С., ^адаин Бархам. Пути повышения мощности двигателей постоянного тока унифицированной блочно-модульной конструкции//Тез.докл.и-т./подотраслёвой/

конференции/ Проблемы электромашиностроения /15-17 октября Ii)9I г./ Ленинград, li-'Л. -с. iu.-1.jv.

2. Остаыеьский И.Д., аузьыенко Ji.b.,- L^iaia U.C., кадаин Ьархгш. Эквивалентная тепловая схема двигателя постоянного тока с. двухконту^ной системой воздушного, отчуждения //Ьестн. Харьк. политехи, >ш~?ь/ Электромашиностроение и автоматизация npo^i. предприятий. -Харьков, Ьища школа, ivSi: г. -¿т. 17.' № 5, -с.