Вентиляционный расчёт двигателя

Новосибирск 2020

Цель работы: произвести моделирование асинхронного двигателя в среде Motor-CAD для определения его тепловых характеристик и, в случае необходимости, определить способы по их улучшению.

Для исследования дан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В кратком виде его характеристики представлены в таблице 1, в полном – в приложении №1.

Таблица 1 – Характеристики АД

Полезная мощность на валу двигателя	7,5 кВт
Частота вращения двигателя	1000 об/мин
Число пар полюсов	3
Напряжение номинальное	220 В
КПД	0,85

1. Заполнение вкладки Geometry

Внешний вид вкладки представлен на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Вкладка Geometry (Radial)

Рисунок 2 – Вкладка Geometry (Axial)

Прежде всего в интерфейсе программы указывается тип двигателя, в нашем случае – «IM». Далее в шапке вкладки Geometry из списков предложенных предлагается выбрать типы корпуса, пазов, крепления, оребрения. Уже ниже вводится ряд конкретных геометрических параметров для статора и ротора двигателя в радиальных и аксиальных плоскостях. По мере внесения изменений в поля значений, можно наблюдать изменения на фронтальном (профильном для аксиальных параметров) разрезе двигателя в правой половине рабочего экрана.

2. Заполнение вкладки Winding

Вкладка представляет собой визуальный редактор, используемый для редактирования конфигурации обмоток двигателей, выбора проводов и входных параметров обмоток. В шапке вкладки пользователь может выбрать параметры конфигурации обмотки из опций, представленных в форме раскрывающегося списка: тип обмотки (то есть перекрытие или неперекрытие (сплошной делитель или воздушный делитель)); определение Wdg; определение EWdg; полость EWdg; мат [лайнер-лам] (то есть, Лайнер-Ламинация, воздушный зазор или пропитка); модель клина. Изображение слоев, используемых в модели намотки, нарисовано для того, чтобы предоставить пользователю визуальную обратную связь, делая ошибки ввода менее вероятными. Толщина пропиточного слоя между слоями меди рассчитывается итеративно (для удовлетворения требуемого заполнения или проводников / слотов).

Расположение проводников позволяет размещать проводники в слоте с помощью редактора. Этот метод обеспечивает точное позиционирование проводников пользователем. При его использовании необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что все проводники находятся в слоте, поскольку Motor-CAD не выполняет никаких проверок.

Внешний вид вкладок и введенные параметры изображены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Вкладка Winding

3. Вкладка Input Data

Существует ряд редакторов для редактирования не визуальных входных параметров, которые не были установлены в поперечном и намоточном редакторах. Селектор вкладок используется для разделения параметров на следующие темы:

· Варианты охлаждения;

· Потери;

· Материалы и вес;

· Разрывы интерфейса;

· Излучение;

· Естественная конвекция;

· Раздувание - отображается только в том случае, если включено охлаждение продувкой (TEFC)

· Мокрый ротор - отображается только при включенном жидкостном охлаждении ротора;

· Рабочий цикл;

· Настройки;

· Свойства материала;

Приведём изображения заполненных вкладок на рисунках ниже:

Рисунок 5 – Вкладка Input Data

Рисунок 6 – Вкладка Input Data

Рисунок 7 – Вкладка Input Data

Рисунок 8 – Вкладка Input Data

Отдельного внимания требует заполнение графа Flow Velocity, в которой указывается скорость потока, пропорциональная скорости машины. Вентилятор прикреплён к валу машины. Для нахождения этой скорости требуется произвести вентиляционный расчёт двигателя, после чего построить характеристики вентилятора и потока воздуха машины. Точка их пересечения – рабочая. Зная расход в этой точке, нетрудно найти скорость потока.

Вентиляционный расчёт двигателя

В ходе вентиляционного расчёта необходимо определить расход воздуха, требуемый для охлаждения данного двигателя при известных потерях, а также рассчитать напор вентилятора и создаваемый им расход в номинальном режиме, и установить, выполняются ли условия охлаждения двигателя.

В первую очередь, рассчитаем все аэродинамические сопротивления тракта охлаждения. Составим схему вентиляции данного двигателя и приведём её на рисунке 9 на следующей странице.

Рисунок 9 – Схема вентиляции двигателя

Участки схемы вентиляции:

1. Вход через решетку кожуха вентилятора (Z₁).

2. Поворот потока к вентиляционным лопаткам при выходе из решетки (Z₂).

3. Поворот потока перед входом в межреберные каналы (Z₃).

4. Косой вход в межреберные каналы (Z₄).

5. Поворот потока в межреберных каналах (Z₅).

6. Выход потока из межреберных каналов в свободное пространство (Z₆).

Размеры вентиляционного тракта приведены в таблице 2 на следующей странице.

Таблица 2 – Размеры вентиляционного тракта

№	Расчетный размер	Обозначение	Размерность	Величина
1	Диаметр нижней кромки входной решетки	D ₁	мм	30
2	Диаметр втулки вентилятора	D ₂	мм	45
3	Диаметр верхней кромки входной решетки	D ₃	мм	170
4	Диаметр (расчетный) лопатки вентилятора	D ₄	мм	240
5	Угол поворота потока на входе в вентилятор	j₂	град	45
6	Угол поворота потока на выходе из вентилятора	j₃	град	45
7	Угол косого входа потока в межреберные каналы	j₄	град	40
8	Внешний диаметр станины	D ₅	мм	240
9	Внутренний диаметр кожуха вентилятора	D ₆	мм	310
11	Высота ребра	h _p	мм	24
12	Средняя ширина ребра	b _р.ср	мм	4.2
13	Число ребер (при одинаковой высоте всех ребер)	п _р	-	30
14	Угол поворота потока в межреберных каналах	j₅	град.	90

Местные гидравлические сопротивления рассчитываются по формуле:

где α – коэффициент местного сопротивления; ξ – коэффициент динамического давления; S – площадь сечения.

1) Рассчитаем сопротивление входа Z₁.

По справочной литературе выбирается коэффициент местного аэродинамического сопротивления решетки α₁ = 0,563 и ξ = 61·10^-3.

Площадь входного сечения:

Площадь сечения решётки:

Сопротивление входа через решётку:

2) Рассчитаем сопротивление поворота воздушного потока Z₂.

По справочной коэффициент сопротивления при повороте на угол 45° α₂ = α₃ = 0,5.

Площадь сечения S2:

Сопротивление поворота:

3) Рассчитаем сопротивление поворота воздушного потока Z₃.

Площадь сечения S3:

Сопротивление поворота:

4) Рассчитаем сопротивление косого входа в межрёберные каналы Z₄.

Суммарная площадь сечения рёбер:

Площадь сечения S₄_вх:

Суммарная площадь сечения межрёберных каналов:

По справочной литературе коэффициент сопротивления при повороте на угол 40° α₄(φ₄) = 0,444. Коэффициент сопротивления при сужении:

Суммарный коэффициент сопротивления:

Сопротивление косого входа в межрёберные каналы:

5) Рассчитаем сопротивление поворота воздушного потока в межрёберных каналах Z₄.

По справочной литературе коэффициент сопротивления при повороте на угол 90° α₅ = 1.

Сопротивление поворота воздушного потока в межрёберных каналах:

6) Рассчитаем сопротивление выхода воздушного потока в свободное пространство Z₅.

По справочной литературе коэффициент сопротивления при выходе в свободное пространство α₆ = 1.

7) Рассчитаем расход воздуха Q_ном, необходимый для охлаждения двигателя.

Все греющие потери за исключением механических:

Расход, необходимый для охлаждения двигателя:

7) Определим эквивалентное аэродинамическое сопротивление Z_экв при коэффициенте запаса 1,2:

8) Рассчитаем вентилятор.

Необходимый напор воздуха:

Окружная скорость вентилятора на выходной кромке:

Окружная скорость вентилятора на входной кромке:

Максимальный расход воздуха:

Напор холостого хода:

Характеристика вентилятора и воздухопровода:

– характеристика вентилятора;

– характеристика воздухопровода.

По точкам из таблицы 3 построим данные характеристики и приведём их на рисунке 10.

Таблица 3 – Определение рабочей точки охлаждающей системы

Q, м³/c	0	0,025	0,05	0,075	0,1	0,125	0,15	0,175	0,2	0,225
H'(Q),	1,103	1.089	1.049	0,98	0,885	0,763	0,613	0,436	0,231	0
H''(Q),	0,000	0,381	1.524	3.429	6.096	9,524	13.715	18.668	24.383	30.859