автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Математическое моделирование тепловых полей в активной зоне электрических машин с косвенным водяным охлаждением

На правах пукописи

Железняк Иван Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С КОСВЕННЫМ ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Специальность 05.09.01 - электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СЮ34Э4242

Санкт-Петербург - 2010

003494242

Работа выполнена в отделе проектирования электрических машин Филиала ОАО «Силовые машины» «Электросила», г. Санкт-Петербург Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филиппов Иосиф Филиппович. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Гуревич Элърих Иосифович; кандидат технических наук Крутяков Евгений Александрович.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ») (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «23» апреля 2010 г. в 10 час 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.229.11 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «.'/У» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одним из вопросов, возникающих при проектировании электрических машин (электродвигателей, генераторов) является проблема их охлаждения. Наиболее чувствительны к воздействию высоких температур изоляционные материалы, изолирующие и механические свойства которых резко ухудшаются при повышении температуры сверх допустимых значений. Для обеспечения стабильности работы машин служит система охлаждения. Система охлаждения электрической машины в большой степени определяет ее технические характеристики.

В настоящее время для нужд кораблестроения возникла необходимость в создании электрических машин переменного тока большой и средней мощности, обладающих специальными характеристиками. Главные требования к техническим параметрам таких машин состоят в следующем:

• Минимально возможные масса и габариты

• Высокая надежность в напряженных условиях эксплуатации

• Низкий уровень шума и вибрации

Проектирование систем охлаждения для машин, удовлетворяющих названным требованиям, в сущности, является нахождением некоего оптимального соотношения противоречивых условий, в особенности надежности, безаварийности эксплуатации, что предъявляет дополнительные требования к методам тепловых расчетов.

При такой постановке вопроса система охлаждения является определяющим фактором в конструировании будущей машины.

Опыт разработки и изготовления ряда электрических машин показывает, что оптимальной с точки зрения предъявляемых к корабельным машинам требований является система косвенного водяного охлаждения:

- она позволяет выполнить машину в достаточно компактных габаритах;

- является малошумной, особенно в сравнении с системами воздушного охлаждения;

- обеспечивает требуемую надежность, как механическую, так и электрическую;

- является непритязательной к химическому составу охлаждающей воды;

- требует минимальных энергозатрат на обеспечение циркуляции за счет низких величин гидравлических сопротивлений элементов системы. Позволяет тем самым снизить мощность, а следовательно и шум насосов корабельной системы охлаждения.

Современный анализ систем охлаждения электрических машин использует физические и математические основы движения охлавдающих сред и тепловых потоков. В литературе существует значительное число частных решений, но в явном виде не содержится метод экспресс-анализа теплового состояния электрических машин с косвенным водяным охлаждением.

Цель исследований

Целью настоящей работы является разработка алгоритма проектирования и рекомендаций по проведению инженерных тепловых расчетов электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения.

Научная новизна

- предложена обобщенная двухслойная математическая модель, позволяющая с приемлемой точностью проводить поисковые тепловые расчеты с целью нахождения оптимальной конфигурации геометрии активного ядра электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения;

- выработан алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов, основанный на предложенной обобщенной двухслойной модели.

Достоверность результатов

Полученные в работе результаты исследований обеспечены применением адекватного математического аппарата, хорошей согласованностью расчетных характеристик, полученных на базе

разработанной модели, с экспериментальными данными и результатами численного моделирования.

Практическая ценность работы

Предложенная расчетная модель и инженерный алгоритм проведения расчетов могут быть рекомендованы для анализа теплового состояния электрических машин переменного тока с системами косвенного водяного охлаждения морского исполнения.

По изложенному в работе алгоритму был проведен ряд расчетов крупных электрических машин морского исполнения. В настоящее время упомянутые электрические машины находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

Апробация работы

Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Научно-практическом семинаре «Проблемы автоматизации проектирования корабельных электроэнергетических систем» (доклад), Санкт-Петербург, Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, 30 ноября 2007.

V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, АЭП 2007 (доклад), Санкт-Петербург, Государственный политехнический университет, 18-21 сентября 2007.

VI международном симпозиуме ЭЛМАШ - 2006 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования» (доклад), Москва, МА «Интерэлектромаш», 2-6 октября 2006.

Публикации

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах, из них одна в рецензируемом издании.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 59 наименований и 5 приложений. Общий объем

работы составляет 129 страниц машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 6 таблиц.

На защиту выносятся следующие положения

1. Предложенная обобщенная двухслойная математическая модель, позволяющая проводить тепловые экспресс-расчеты электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения на этапе предварительного проектирования.

2. Усовершенствованный алгоритм расчета и выбора оптимального варианта конструкции машины на начальном этапе проектирования с использованием предложенной обобщенной двухслойной модели.

3. Результаты исследования теплового состояния рассматриваемых машин с применением предложенной расчетной модели.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы работы, посвященной разработке методики оптимизации тепловых расчетов, необходимых для создания высокоиспользованных электрических машин морского исполнения. Определена цель работы; представлены научная новизна, практическая значимость.

Первая глава посвящена обоснованию выбора системы косвенного водяного охлаждения в качестве базовой для высокоиспользованных электрических машин переменного тока морского исполнения. Здесь показана взаимосвязь типа системы охлаждения с такими характеристиками электрической машины, как масса и габариты, показатели надежности, энергетическая эффективность машины, виброакустические показатели.

Очевидно, что система охлаждения должна удовлетворять всем перечисленным требованиям, однако на практике это осуществить достаточно сложно. Несомненно, водяное охлаждение имеет ряд

преимуществ перед воздушным это достаточно малые габариты, низкий уровень шума. Но остается открытым вопрос надежности, особенно актуальный в процессе эксплуатации в условиях ограниченного пространства или невозможности проводить какие-либо ремонтные работы. Системы косвенного водяного охлаждения лишены недостатков, свойственных системам с непосредственным охлаждением, т.е. нет необходимости принимать дополнительные меры по увеличению сопротивления корпусной изоляции, в значительной степени снижена вероятность появления кавитационных повреждений, меньшие энергозатраты на обеспечение циркуляции охлаждающей среды. Однако платой за это является более низкая эффективность самой системы охлаждения, что требует тщательного подхода к выбору конфигурации активного ядра машины и, как показано в первой главе, достаточно серьезно влияет на термическое состояние электрической машины.

Вторая глава содержит анализ существующих методов тепловых расчетов, в частности метода тепловых схем замещения и метода на основе точных аналитических решений по упрощенным математическим моделям (рисунок 1).

1 г 123

а)

б)

в)

Рисунок 1. Упрощенные расчетные модели, а - однослойная пластина, б - двухслойная, в - трехслойная

На базе этих методов предложена новая обобщенная двухслойная расчетная модель (рисунок 2), которая может быть использована для оценки теплового состояния машины на предварительном этапе проектирования. Основной идеей предложенной модели является преобразование активной

части машины в двухслойную расчетную модель. В этой модели, в отличие от уже имеющихся в литературе учитываются все теплофизические параметры для обоих слоев. Слой 1 представляет собой эквивалент зубцовой зоны электрической машины, для которого на основе метода тепловых схем замещения (рисунок 3) рассчитывается средняя теплопроводность. Слой 2 моделирует спинку сердечника, для которой в простейшем случае применимы реальные характеристики пакета стали.

Кг %

Рисунок 2. Обобщенная двухслойная расчетная модель.

Спинка сердечника

Rizk

tero

К21 - тепловое сопротивление зубца статора по 1/3 высоты

- тепловое сопротивление изоляции между медью и дном паза /?,„ - тепловое сопротивление меди по '/г высоты стержня Ят' - поперечное сопротивление 'Л стержня обмотки статора

' - поперечное сопротивление зубца по '/г высоты паза Я/гт - сопротивление изоляции между стержнями

Як - сопротивление клина

Расточка

Рисунок 3. Тепловая схема замещения зубцовой зоны

В стационарной постановке система уравнений для обобщенной двухслойной модели имеет вид:

0 = 0<

дх

п , д2е,(х)

0 = 4—^— + ^, х[ <х<х2 дх

граничные условия:

Эх л,

дх ' дх вг(хг) = Тй.

Решение для системы (1) имеет вид:

I л,

в г (X) = - \ ~~ + СУХ + С,, X, < X < х2. А л->

Где Сь С2, С3, Са постоянные интегрирования.

С, =-—;

(2)

(3)

1 -с/^х^Л, + дг2х?Л, + + 2<?,,1д:1 х2Лг + 2^2х1Л2 -2дг2х1 х2Л1 + 2Т„Ь_Х1

АК

с =-й,1х1Я2+д<,2х1Л]-д1х1Л] _ Л. Л,

(4)

с, =

1 д^х^Л, + 2д:1х,х2Л2 + 2д2х2Л2 -2д,,2х1х1Л1 +2Т„Л2Л2

2 XI, '

Подставляя известные данные в решение (3), получаем кривые распределения температуры по ширине расчетной модели для асинхронного двигателя (см. рисунок 4), а также для основного варианта трансформатора с вращающимся полем (см. рисунок 5).

Рисунок 4. Распределение температуры по ширине расчетной модели для асинхронного двигателя

Рисунок 5. Распределение температуры по ширине расчетной модели для трансформатора с вращающимся полем

В третьей главе приведен численный анализ теплового состояния двух электрических машин с использованием пакета конечноэлементных расчетов АШУБ.

Первая машина это асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором закрытого исполнения мощностью 315 кВт (рисунок 7).

Рисунок 7. Модель асинхронного двигателя.

Охлаждение двигателя косвенное водяное. Нагревостойкость изоляционных материалов соответствует классу Н. Система охлаждения состоит из водяной рубашки статора и каналов с водой в подшипниковых щитах. Во внутреннем объеме машины организована циркуляция воздуха, в качестве нагнетательных элементов используются два центробежных вентилятора, смонтированных на ребрах звезды. Звезда имеет шесть ребер. По половине каналов в звезде ротора воздух проходит в одном направлении, по другой в обратном. Двигатель был изготовлен на заводе «Электросила», имеются данные эксперимента.

Вторая машина это трансформатор с вращающимся полем мощностью 1 МВт (рисунок 8).

О и предназначен для питания статического преобразователя частоты в продолжительном режиме работы. Трансформатор выполнен на базе асинхронного электродвигателя с неподвижным ротором. Охлаждение косвенное водяное. Нагревостойкость

изоляционных материалов также соответствует классу Н. Основными частями системы охлаждения являются водяная рубашка статора и ротора. Каналы в рубашках имеют форму кольца, разделенного ребрами жесткости на четыре равные части. Подача воды осуществляется по трубам в нижней части машины; слив свободный в верхней части рубашек по трубам. С целью улучшения теплообмена между статором и ротором воздушный зазор заполнен компаундом.

Рисунок 8. Трансформатор с вращающимся полем

Ввиду сложности исходной геометрии, для проведения численного расчета трехмерные модели целесообразно упростить. Для этого выделяем образующий сегмент симметрии активной части машины, с разделением по магнитной оси сердечника. Элементарные проводники обмоток представлены в виде одного эквивалентного проводника. Лобовые части представлены спрямленными, верхний и нижний стержень витка размещены в одном пазу. Такая схема не влияет на результат теплового расчета т.к. сохраняются геометрические особенности конструкции.

Результаты решения в стационарной постановке задачи представлены на рисунке 9 для асинхронного двигателя и на рисунке 1О - для трансформатора с вращающимся полем.

Рисунок 9. Распределение превышения температуры по объему расчетной модели асинхронного двигателя

Рисунок 10. Распределение превышения температуры по объему расчетной модели трансформатора с вращающимся полем

Перед исследованием нестационарных тепловых режимов могут быть поставлены следующие практические задачи:

- определение времени нагрева до установившейся температуры в номинальном режиме;

- определение времени, за которое машина нагреется до максимально допустимой температуры при выходе из строя системы водяного охлаждения.

Результаты численного расчета тепловых полей в нестационарных режимах работы для точек, показанных на рисунках 11, 12, представлены на рисунках 13 и 14 для асинхронного двигателя и на рисунках 14, 15 - для трансформатора с вращающимся полем.

Рисунок 11. Асинхронный двигатель Рисунок 12. Трансформатор с вращающимся

полем

— -1 -2

— -3

/

.....>

.....у. """у У' **

-О /

— /

—- /

""у

100 200 300 500 700 1000 2000 3000 5000 10000

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Рисунок 13. Номинальный режим Рисунок 14. Режим прекращения подачи воды

Рисунок 15. Номинальный режим Рисунок 16. Режим прекращения подачи воды

Четвертая глава содержит описание особенностей приведения активной части исследуемых электрических машин к обобщенной двухслойной модели, а также сравнение с экспериментальными данными и результатами расчетов другими методами.

Как можно видеть из рисунков 17, 18, расчеты тремя методами для обеих машин дают достаточно близкие результаты. Сравнивая их, можно заключить, что расчет по обобщенной двухслойной модели дает значения температур в пазовой части машины с приемлемой точностью и не противоречит данным эксперимента.

Рисунок 17. Асинхронный двигатель Рисунок 18. Трансформатор с вращающимся

полем

На рисунках 17 и 18 кривые 1 соответствуют результатам расчета по обобщенной двухслойной модели, кривые 2 показывают результаты численного моделирования, кривые 3 являются результатами расчета по методу тепловых схем замещения. Символами V и О (рисунок 17) обозначены показания термопреобразователей сопротивления, расположенных между стержнями и на дне паза соответственно.

Для оценки адекватности предложенной модели был проведен ряд расчетов трансформатора. В таблице 1 представлены рассмотренные варианты исполнения трансформатора с вращающимся полем. Таблица 1

Результаты расчета по обобщенной двухслойной модели представлены на рисунке 19.

Расчет по обобщенной двухслойной модели позволяет выбрать оптимальный вариант из числа рассматриваемых в процессе проектирования. При этом он позволяет проводить анализ влияния основных исходных параметров на тепловое состояние машины, что дает

I м

19. Результаты расчета по обобщенной двухслойной модели.

Вариант 0|, мм С]], мм мм 1(, мм г\ г2 Рг, кВт

1 850 550 549 600 84 48 29.7

2 850 550 549 600 84 96 33.2

3 850 540 538.8 600 60 48 27.7

4 850 560 559 650 84 96 28.2

5 850 570 569 700 84 96 26.8

6 (рабочий) 850 590 589.8 700 96 96 28.8

40

30 20

Рису!

возможность обобщения результатов в зависимости от значений основных размеров и величины потерь.

Как можно видеть из рисунка 19, расчеты по предложенной модели в явном виде отражают тенденции изменения теплового состояния активной зоны машины при изменении входных данных.

Для подтверждения сказанного на рисунках 20 и 21 представлены кривые иллюстрирующие средние значения превышения температуры зубцовой зоны для рассматриваемых вариантов трансформатора по длине сердечника.

Рисунок 20. Зубцовая зона ротора Рисунок 21. Зубцовая зона статора

Исходя из вышесказанного, в качестве рекомендаций по проектированию и проведению тепловых расчетов электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения предложен следующий алгоритм.

1. Проведение ряда предварительных электромагнитных и тепловых расчетов проектируемой машины, используя предложенную в работе двухслойную расчетную модель.

2. Анализ влияния геометрии активного ядра на результаты электромагнитных и тепловых расчетов, с последующим выбором одного

или нескольких оптимальных результатов для проведения дальнейшего анализа.

3. Первичная проработка конструкции машины для выбранных вариантов ядра, создание трехмерных расчетных моделей и проведение по ним тепловых расчетов в установившихся и нестационарных режимах.

4. На основании проведенных численных расчетов принимается окончательный вариант машины, осуществляется подробная проработка конструкции с последующим запуском машины в производство.

Изложенная концепция проектирования электрических машин морского исполнения с системами косвенного водяного охлаждения позволяет в значительной степени снизить затраты времени на начальных этапах создания машины. Применение предложенной расчетной модели позволяет интегрировать тепловой анализ в программы поверочных электромагнитных расчетов, при этом отпадает необходимость проведения теплового расчета с использованием метода тепловых схем замещения, что значительно снижает время выработки рационального решения для активного ядра машины.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы существующие методы тепловых расчетов электрических машин. Показано, что методы дают удовлетворительную картину теплового состояния машин с системами косвенного водяного охлаждения, но в то же время их применение приводит к громоздким расчетам, что затрудняет возможность их использования на начальном этапе разработки конструкции.

2. Рассмотрены особенности конструкции высокоиспользованных электрических машин морского исполнения с учетом характерных для данного класса машин требований. Показана целесообразность и эффективность применения системы косвенного водяного охлаждения для машин морского исполнения.

3. Разработана обобщенная двухслойная расчетная модель, позволяющая производить тепловой расчет машин исследуемого класса с приемлемой точностью при минимальных затратах времени и трудоемкости. Полученные результаты аналитического решения могут быть интегрированы в программы поверочных электромагнитных расчетов машин исследуемого класса, что также позволит сократить время предварительной разработки машины.

4. Выполнено численное моделирование методом конечных элементов теплового состояния двух электрических машин исследуемого класса в пакете ANSYS, применительно к стационарным и нестационарным режимам работы. Расчеты с использованием разработанной в диссертации обобщенной двухслойной модели в сопоставлении с результатами экспериментов, численного моделирования и расчетов по методу тепловых схем замещения для асинхронного двигателя и трансформатора с вращающимся полем демонстрируют эффективность применения обобщенной двухслойной модели.

5. Выработан алгоритм проведения поисковых тепловых- расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением, основанный на предложенной обобщенной двухслойной модели.

6. По предложенному алгоритму был проведен ряд расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением для нужд флота, которые в настоящее время находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах, входящих в перечень ВАК: 1. Железняк И. Н. К обобщению некоторых решений задач

теплопроводности в крупных электрических машинах. / И.Н. Железняк

// Вопросы электромеханики. - 2008. - Т. 106. - С. 4-8.

Прочие публикации:

2. Дриманович JI. И. Современные конструкции синхронных

генераторов мощностью до 60 МВт для электроснабжения автономных объектов. / Л.И. Дриманович, И.Н. Железняк, П.Н. Калачиков // Труды симпозиума «ЭЛМАШ-2006» МА «Интерэлектромаш», октябрь 2006 -140 в 2х т.т. - 2006. - Т 1. - С. 53-57.

3. Железняк И. Н. Расчет нестационарных режимов работы системы охлаждения согласующего трансформатора вращающегося поля для статического преобразователя частоты. / И.Н. Железняк, П.Н. Калачиков // Труды V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007». -2007. - С. 496-498.

4. Пронин М. В. Моделирование систем с транзисторными преобразователями и многофазными асинхронными машинами с учетом тепловых процессов. / М.В. Пронин, О.Б. Шонин, Ю.П. Коськин, А.Г. Воронцов, И.Н. Железняк. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2008. - № 7. - С. 41-53.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 11.03.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 5697Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

1 Анализ влияния систем охлаждения на технические и эксплуатационные характеристики электрических машин морского назначения

1.1 Требования к надежности эксплуатации и эффективности систем охлаждения

1.1.1 Температура и превышение температуры

1.1.2 Сопротивление изоляции обмоток

1.1.3 Кавитация в системах водяного охлаждения

1.1.4 Аэродинамический шум

1.2 Влияние выбора системы охлаждения на электромеханические характеристики машины

Одной из проблем, возникающих при проектировании электрических машин (электродвигателей, генераторов) является проблема их охлаждения. Наиболее чувствительны к воздействию высоких температур изоляционные материалы, изолирующие и механические свойства которых резко ухудшаются при повышении температуры сверх допустимых значений. Для обеспечения стабильности работы машин служит система охлаждения. Система охлаждения электрической машины в большой степени определяет ее технические характеристики.

Электрическая машина приобрела основные свои конструктивные черты во второй половине XIX века. Характерными особенностями того периода было создание больших термических запасов, при которых обеспечивалась долговременная надежность эксплуатации электрических машин. Это позволяло направлять основные усилия на усовершенствование методов электромагнитных расчетов и развитие конструкции, тогда как тепловым расчетам уделялось меньше внимания. ч

С развитием промышленности в первой половине XX резко возросли требования к проектированию и изготовлению электрических машин. Сложившаяся ситуация требовала внедрения все больших мощностей и удельных нагрузок. Этот этап развития электромашиностроения характеризовался использованием новых материалов, технологий, конструкторских решений [2, 3, 5, 30, 34, 41, 49]. Совершенствование конструкций и технологий требовало повышения точности и надежности расчетов.

Поскольку анализ тепловых процессов производился в ту пору по упрощенным методам, построенным в основном на экспериментальных данных, при разработке новых, более эффективных систем охлаждения потребовались и новые более точные методы тепловых расчетов.

В основе первых расчетных методик лежали максимально упрощенные одномерные геометрические модели. Получение аналитических решений для подобных моделей не представляет особой сложности. Такие решения были получены для ряда примитивных геометрических тел (плоская стенка, бесконечный и полуограниченный стержень, шар, цилиндр) [25, 29, 32, 35, 37, 48]. На базе таких решений возник метод тепловых схем замещения, который был предложен Р. Зодербергом [58] в 1931 г. Метод тепловых схем получил признание и был развит в работах А.Е. Алексеева, И.М. Постникова [39] и других авторов. Ю.К. Васильев [12] предложил метод расчета, заключающийся в синтезе дифференциального уравнения теплопроводности (1) и тепловой схемы замещения.

Метод тепловых схем замещения получил широкое распространение благодаря своей наглядности и возможности применения решений электрический цепей. Он является одним из наиболее распространенных методов предварительных тепловых расчетов и в настоящее время.

Несмотря на достаточную простоту, наглядность и приемлемую точность расчетов в методе тепловых схем замещения существует ряд недостатков, таких как неполнота картины температурного поля (только средние значения) и невозможность полноценной оценки нестационарных режимов. В [31] было предложено моделировать нестационарные тепловые процессы с использованием электрических аналогий, что, однако, не получило широкого практического распространения. Проектировщик вынужден обращаться к трактовке дифференциальных уравнений в их общей постановке.

Уравнение теплопроводности для трехмерного поля с внутренними источниками тепла имеет вид:

50 е2©„ 320. пл

При проектировании новых электрических машин, помимо классических тепловых расчетов, позволяющих оценить средние установившиеся температуры активных частей, обязательными являются и расчеты нестационарных тепловых режимов.

В процессе проектирования под нестационарными тепловыми задачами в исследуемых конструкциях крупных машин переменного тока подразумевается следующее:

- выход из строя системы охлаждения или отдельных ее элементов, например, прекращение циркуляции охлаждающей воды

- внезапное увеличение нагрузки до недопустимых пределов, требующее строго ограничивать время работы в соответствующих режимах Анализ нестационарных задач теплопроводности, являющихся наиболее актуальными в настоящее время, сопряжен с рядом трудностей, вызванных необходимостью решения систем нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений. По этой причине при разработке теории электрических машин предпринимаются попытки получить расчетные формулы на основе таких допущений, которые давали бы результаты не сильно расходящиеся с действительностью.

Данная концепция реализована в классической теории нестационарных процессов в электрических машинах [2, 14] в которой используются следующие допущения:

1. Вся электрическая машина (или ее анализируемый элемент) является единым телом, обладающим свойством неограниченной теплопроводности, что приводит к отсутствию градиента температуры по любому направлению в исследуемом объеме vfo J

2. Температура окружающей среды вс неизменна, что означает, что окружающая среда обладает неограниченной теплоемкостью.

3. Коэффициент теплообмена а между поверхностью машины и окружающей средой не зависит от места и времени процесса.

При такой постановке уравнение теплопроводности значительно упрощается давая в результате экспоненциальный характер возрастания температуры со временем. Данная теория получила дальнейшее развитие в работах, учитывающих неоднородность материалов и зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры [14].

Дальнейшее развитие методов расчета нестационарных процессов пошло по пути разбиения электрической машины на участки, для которых была возможность применять упрощенные расчетные модели [15, 16, 17, 18, 44, 52, 53]. Наиболее применяемые расчетные модели представленны на рисунке 1. Однослойная пластина (рисунок 1-а) моделирует пакеты активной стали, неизолированные многослойные обмотки и т.п., двухслойная (рисунок 1-6) -лобовые части обмоток с корпусной изоляцией, трехслойная (рисунок 1-в) обмотки неявнополюсного ротора с косвенным охлаждением.

Применительно к электрическим машинам эти задачи для моделей представленных на рисунке 1 решены в [15, 16, 17, 52, 53]. Несмотря на очевидную сложность и громоздкость результатов решения они обеспечивают приемлемую точность в диапазоне теплофизических параметров материалов, свойственных электрическим машинам.

К сожалению указанные решения не обобщены, что несколько осложняет принципиальный подход к методам их получения. В настоящей работе сделана попытка соответствующего обобщения.

Путем совместного решения дифференциальных уравнений для массива и охлаждающей среды в последнее время получено точное решение для охлаждающей среды в протяженном канале [45].

Для упрощения аналитического решения и проведения предварительного анализа как стационарных, так и нестационарных тепловых процессов для максимально нагретой точки в [23] предложено проводить эквивалентную замену упрощенных многослойных расчетных моделей на однослойные.

12 12 3 r-\j ^—у КГ7 а) б) в)

Рисунок 1. Упрощенные расчетные модели, а - однослойная пластина, б — двухслойная, в — трехслойная

На базе теоретических изысканий были созданы методики расчета как крупных энергетических машин [1, 5, 49, 51, 52, 53], так и электрических машин средней мощности с различными типами систем охлаждения [9,10, 11, 24, 36, 40, 46, 47].

С развитием вычислительной техники появилась возможность проводить численные расчеты по моделям максимально приближенным к реальным объектам. Естественно развитие численных расчетов шло постепенно, теоретическая база была заложена задолго до появления мощных приложений, позволяющих проводить расчеты по трехмерным моделям [26, 38]. Сейчас на этой базе создано большое количество разнообразных приложений и методов [7, 8, 28, 54, 56, 57].

В настоящее время для нужд кораблестроения возникла необходимость в создании электрических машин переменного тока большой и средней мощности обладающих специфическими характеристиками. Главные требования к техническим параметрам таких машин состоят в следующем:

1. Минимально возможные масса и габариты

2. Высокая надежность в напряженных условиях эксплуатации

3. Малошумность

Эти требования в равной степени относятся к двигателям и генераторам. При этом в настоящее время предпочтение отдается двигателям переменного тока и вентильным двигателям. Что касается генераторов, то это в подавляющем большинстве случаев синхронные машины с приводом либо от турбины, либо от дизельного двигателя.

При такой постановке вопроса, система охлаждения является определяющим фактором в конструировании будущей машины, от которого зависят не только масса, размеры и электромагнитные характеристики, но и большой степени надежность работы.

Проектирование систем охлаждения для машин, удовлетворяющих названным требованиям, в сущности, является нахождением некоего оптимального соотношения противоречивых характеристик, в особенности надежности, безаварийности эксплуатации, что накладывает дополнительные требования к точности методов тепловых расчетов.

Современный анализ систем охлаждения включает в себя физические и математические основы движения охлаждающих сред и тепловых потоков. В литературе существует значительное число частных, решений, но не содержится обобщенной методики теплового расчета электрических машин с системами косвенного водяного охлаждения.

В связи с этим, целью настоящей работы является разработка общей методики теплового расчета высокоиспользованных электрических машин с учетом специфических требований по компактности, надежности и низкому уровню шума.

Для достижения поставленной цели в работе содержится:

1. Анализ существующих методов расчета. Оценка возможности применения имеющихся расчетных математических моделей.

2. Проведение расчетов и численного моделирования исследуемой машины.

3. Обобщение результатов исследований, с учетом экспериментального материала, выработка методики расчета высокоиспользованных электрических машин переменного тока с повышенными эксплуатационными требованиями.

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию систем водяного охлаждения для исследуемого типа электрических машин.

Метод исследования. При решении поставленных задач применялись как аналитические, так и численные методы расчета. Аналитические решения получены с использованием классического метода решения дифференциальных уравнений, а так же интегральных преобразований

Лапласа. Численные решения реализованы с использованием пакетов прикладных программ Mathcad и ANSYS.

Научная новизна. Предложена и обоснована проведением ряда расчетов, в том числе численного моделирования методом конечных элементов в пакете ANSYS и сравнением с данными эксперимента, обобщенная двухслойная математическая модель для проведения предварительного анализа теплового состояния проектируемой электрической машины на этапе первичной проработки конструкции.

Практическая ценность. Предложенная инженерная методика расчета может быть рекомендована для анализа теплового состояния высокоиспользованных электрических машин переменного тока с системами косвенного водяного охлаждения морского исполнения.

По изложенному в работе алгоритму был проведен ряд расчетов крупных электрических машин морского исполнения. В настоящее время упомянутые электрические машины находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Научно-практическом семинаре «Проблемы автоматизации проектирования корабельных электроэнергетических систем» (доклад), Санкт-Петербург, Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, 30 ноября 2007.

V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, АЭП 2007 (доклад), Санкт-Петербург, Государственный политехнический университет, 18-21 сентября 2007.

VI международный симпозиум ЭЛМАШ - 2006 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования» (доклад), Москва, МА «Интерэлектромаш», 2-6 октября 2006.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах [22, 23, 24, 40], из них одна в рецензируемом издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 59 наименований и пяти приложений. Общий объем работы составляет 129 страниц машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 6 таблиц.

Заключение

В диссертации рассмотрены вопросы тепловых расчетов и их влияние на процесс разработки электрических машин морского исполнения с системами косвенного водяного охлаждения. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы существующие методы тепловых расчетов электрических машин. Показано, что методы дают удовлетворительную картину теплового состояния машин с системами косвенного водяного охлаждения, но в то же время их применение приводит к громоздким и трудоемким расчетам, сопряженных со значительными затратами времени и труда, что исключает возможность их использования при поисковых расчетах на этапе разработки конструкции.

2. Рассмотрены особенности конструкции высокоиспользованных электрических машин морского исполнения с учетом характерных для данного класса машин требований. Показана целесообразность и эффективность применения системы косвенного водяного охлаждения для машин морского исполнения.

3. Разработана обобщенная двухслойная расчетная модель, позволяющая производить тепловой расчет машин исследуемого класса с приемлемой точностью при минимальных затратах времени и трудоемкости. Полученные результаты аналитического решения могут быть интегрированы в программы поверочных электромагнитных расчетов машин исследуемого класса, что так же позволит сократить время предварительной разработки машины.

4. Выполнено численное моделирование методом конечных элементов теплового состояния двух электрических машин исследуемого класса в пакете ANSYS, в том числе и нестационарных режимов. Проведенные расчеты с использованием разработанной в диссертации обобщенной двухслойной модели в сопоставлении с результатами экспериментов, численного моделирования и расчетов по методу тепловых схем замещения для асинхронного двигателя и трансформатора с вращающимся полем демонстрируют эффективность применения обобщенной двухслойной модели.

5. Выработан алгоритм проведения поисковых тепловых расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением основанная на предложенной обобщенной двухслойной модели.

6. По предложенному алгоритму был проведен ряд расчетов электрических машин с косвенным водяным охлаждением для нужд флота, которые в настоящее время находятся в производстве в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила».

1. Абрамов А. И. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: Учеб. пособие для вузов / А. И. Абрамов, А. В. Иванов-Смоленский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001.

2. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин / А. Е. Алексеев -M.-JL: Госэнергоиздат, 1958.

3. Алексеев А. Е. Турбогенераторы / А. Е. Алексеев, М. П. Костенко -M.-JL: Госэнергоиздат, 1939.

4. Араманович И. Г. Уравнения математической физики / И. Г. Араманович, В. И. Левин М.: «Наука», 1964.

5. Альпер Т.И. Охлаждение гидрогенераторов / Т.И. Альпер, Т.Г. Сергиевская —М.: «Энергия», 1969.

6. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов — М.: «Высшая школа», 1996.

7. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / К.А. Басов М.: Компьютер пресс, 2002.

8. Басов К.A. ANSYS Справочник пользователя / К.А. Басов М.: ДМК Пресс, 2005.

9. Борисенко А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев М.: Энергия, 1974.

10. Ю.Борисенко А. И. Охлаждение промышленных электрических машин /

11. A. И. Борисенко, О. Н. Костиков, А. И. Яковлев М.: Энергоатомиздат, 1983.11 .Бурковский А. Н. Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения / А. Н. Бурковский, Е. Б. Ковалев,

12. B. К. Коробов ~ М.: «Энергия», 1970.

13. Васильев Ю. К. Теория и инженерные методы расчетов тепловых процессов в электрических двигателях: автореф. дисс. док. техн. наук. / -Киев, 1969.

14. Геллер Б. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Геллер Б., ГаматаВ.—М.: «Энергия», 1981.

15. М.Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин / Готтер Г. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.

16. Гуревич Э. И. К расчету нестационарных тепловых процессов в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин, И. Ф. Филиппов // Электротехника, 1975, № 1, с. 30-33.

17. Гуревич Э. И. Расчетные модели нестационарных тепловых процессов в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин // Электротехника, 1975, - № 12, с. 35-39.

18. Гуревич Э. И. Переходные тепловые процессы в электрических машинах / Э. И. Гуревич, Ю. Л. Рыбин Л.: Энергоатомиздат, 1983.

19. Гуревич Э. И. Тепловая инерционность активных частей электрических машин с протяженными охлаждающими каналами / Э. И. Гуревич, М. В. Сочава // Электричество. 2005. № 9. с. 30-37.

20. Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов теплообмена / А. А. Гухман М.: «Высшая школа», 1967.

21. Данилевич Я. Б. Добавочные потери в электрических машинах / Я. Б. Данилевич, Э. Г. Кашарский Государственное энергитическое издательство. М.-Л.: 1963.

22. ДёчГ. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования / Дёч Г. М.: «Наука», 1971.

23. Железняк И. Н. К обобщению некоторых решений задач теплопроводности в крупных электрических машинах. / И.Н. Железняк // Вопросы электромеханики. — 2008. Т. 106. — С. 4-8.

24. Жуковский В. С. Основы теории теплопередачи / В. С. Жуковский -Л.: Энергия, 1969.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич М.: Издательство «Мир», 1975.

26. Калантаров П. JI. Теоретические основы электротехники. Т.2. / П. JI. Калантаров, JI. Р. Нейман M.-JL: Государственное энергетическое издательство, 1959.

27. Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева М.: Едиториал УРСС, 2003.

28. Карслоу X. Теплопроводность твердых тел / Карслоу X., Егер Д. М.: «Наука», 1964.

29. Костенко М. П. Электрические машины / М. П. Костенко, JT. М. Пиотровский Л.: «Энергия», 1973.

30. Кузьмин М. П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена / М. П. Кузьмин М.: Энергия, 1974.

31. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе -Новосибирск, «Наука», 1970.

32. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. / С. С. Кутателадзе М.: Энергоатомиздат, 1990.

33. Лившиц М. Электрические машины т.З. / Лившиц М. М.-Л.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Главная редакция энергитической литературы, 1936.

34. Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков М.: Высшая школа, 1967.

35. Мелешкин Г. А. Судовые синхронные генераторы с автоматическим регулированием напряжения Л.: Государственное союзное издательство судостроительной промышленности, 1962.

36. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева М.: «Энергрия», 1977.

37. Патанкар С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / С. В. Патанкар — М.: Издательство МЭИ, 2003.

38. Постников И. М. Проектирование электрических машин. / И. М. Постников Киев.: Машгиз, 1954.

39. Рихтер Р. Этектрические машины т.1. / Рихтер Р. М.-Л.: Объединенное научно-техническое издательство НКТП СССР. Главная редакция энергитической литературы, 1935.

40. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин / П. С. Сергеев, Н. В. Виноградов, Ф. А. Горяинов М.: Энергия, 1970.

41. Сипайлов Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах.

42. Счастливый Г. Г. Нагревание закрытых асинхронных электродвигателей / Г. Г. Счастливый Киев, Наукова думка, 1966.

43. Счастливый Г. Г. Погружные асинхронные электродвигатели / Г. Г. Счастливый, В. Г. Семак, Г. М. Федоренко М.: Энергоатомиздат, 1983.

44. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский М.: ГИТТЛ, 1953.

45. Турбогенераторы. Расчет и конструкция / В. В. Титов, Г. М. Хуторецкий, Г. А. Загородная, Д. И. Заславский, И. А. Смотров -Л.: Энергия, 1967.

46. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Уонг X. М.: Атомиздат, 1979.

47. Филиппов И. Ф. Вопросы охлаждения электрических машин / И. Ф. Филиппов М.-Л. «Энергия», 1964.

48. Филиппов И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах / И. Ф. Филиппов Л. «Энергия», 1974.

49. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах / И. Ф. Филиппов Л.: Энергоатомиздат, 1986.

50. Чиграев А. В. ANSYS для инженеров. Справочное пособие / А. В. Чиграев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк М.: Машиностроение-1, 2004.

51. Шубов И. Г., Шум и вибрация электрических машин / И. Г. Шубов -2-е изд., перераб. и доп. — JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.

52. Kent L. Lawrence. ANSYS Tutorial. Release 9.0. SDC publications, 2005.

53. Saeed Moaveni. Finite Element Analysis. Theory and application with ANSYS Prentice hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1999.

54. Sodenberg R. "Steady flow of heat in large turbine-generators".

55. Transactions AIEE", 1931, June. 59.Thiruvengadam A. A. Unified theory of cavitation damage. "Journal of basic engineering", 1963, September, p. 365-376.96