Содержание к диссертации
Введение
I.Состояние вопроса и постановка задачи 9
I.I.Условия работы тяговых двигателей на электровозах 9
1.2. Методы проектирования электрических машин 10
1.3.Анализ методов вентиляционных расчетов 17
1.4.Анализ методов тепловых расчетов 20
1.5.Системы автоматизированного проектирования электрических машин 27
1.6.Выводы и постановка задачи 34
2. Оптимизация тяговых двигателей с использованием агрегирован ных переменных 36
2.1.Особенности многокритериальной оптимизации 36
2.2. Обоснование критерия оптимизации, независимых переменных и ограничений 40
2.3.Алгоритм оптимизации тягового двигателя 49
2.4.Выбор коэффициента постоянной активной шунтировки обмоток возбуждения 53
2.5.Выводы 66
3. Математическая модель комплексного расчета магнитных и тепловых полей методом конечных элементов 67
3.1.Постановка задачи комплексного расчета магнитных и тепловых полей 67
3.2. Алгоритм комплексного расчета магнитных и тепловых полей 77
3.3.Автоматизация подготовки исходных данных для метода конечных элементов 83
3.4.Расчетные исследования влияния числа и диаметра аксиальных каналов на тепловое состояние якоря 90
3.5.Экспериментальные исследования влияния конструкции аксиальных каналов на тепловое состояние якоря 96
3. б.Выводы 103
4. Уточненная методика вентшшционного расчета тягового двигателя 104
4.1.Задачи вентиляционного расчета 104
4.2. Аэродинамические сопротивления воздухопроводов 105
4.3.Повышение эффективности охлаждения тяговых двигателей с аксиальной вентиляцией 108
4.4. Эквивалентная аэродинамическая схема замещения 115
4.5.Алгоритм вентиляционного расчета 120
4.6.Экспериментальные исследования эффективности аксиальных схем вентиляции 127
4.7.Выводы ' 133
5. Тепловой расчет тягового двигателя в стационарных и переходных режимах 134
5.1.Задачи теплового расчета 134
5.2.Учет подогрева охлаждающей среды 135
5.3.Тепловые проводимости в электрической машине 139
5.4.Эквивалентная тепловая схема замещения 142
5.5.Алгоритм теплового расчета 147
5.6.Исследование теплового состояния якоря тягового двигателя 151
5.7.Выводы 159
Заключение. 160
Литература 162
Приложения 186
- Методы проектирования электрических машин
- Обоснование критерия оптимизации, независимых переменных и ограничений
- Алгоритм комплексного расчета магнитных и тепловых полей
- Аэродинамические сопротивления воздухопроводов
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального разви -тия СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года",утвержденные ХХУІ съездом КПСС, предусматривают дальнейшее увеличение провозной и пропускной способности железных дорог на грузона -пряженных направлениях / I /. Грузооборот железных дорог в настоящее время находится на уровне 3500 млрд. ткм,что составляет примерно половину мирового объема грузоперевозок, а в дальней -шем он возрастет почти до 4000 млрд. ткм /114/.
Железные дороги выполняют около 60% объема перевозок, из них 53% осуществляется электровозами. Для повышения эффектив -ности работы железных дорог необходимо увеличивать массу и скорость движения поездов, что требует создания мощных магистральных электровозов.
В XI пятилетке предусматривается разработка и освоение производства семейства новых перспективных восьми- и двенадцатиос-ных электровозов переменного и постоянного тока.Характерным для этих электровозов будет резкое, по сравнению с серийным, увеличение мощности, приходящейся на одну ось, и силы тяги.Намечается повысить осевую мощность для электровозов переменного и постоянного тока, соответственно, на 20 и 30%. Основными пробле -мами при создании таких электровозов являются: повышение надежности электрического и механического оборудования, улучшение энергетических показателей, снижение материалоемкости .
Электровоз представляет собой сложную электромеханическую систему, для синтеза которой необходимо выполнение трудоемких научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в больших объемах. Это требует автоматизации инженерных разработок путем создания системы автоматизированного проектирования (САПР).
5 Применение САПР позволит повысить производительность труда инженеров-расчетчиков и конструкторов, создавать экономичные и надежные в работе узлы электровоза и, в частности, тяговые электродвигатели (ТЭД), что важно для новых мощных электровозов. Основу САПР составляет программное обеспечение,'которое подразделяется на общее и специальное. Специальное обеспечение представляет собой пакеты прикладных программ, предназначенные для реализации проектных задач. Применение в САПР электронных вы -числительных машин (ЭВМ) позволяет использовать более строгие математические модели и методики электромагнитных и тепловых процессов, за счет которых в значительной степени достигается эффективность САПР.
Повышение мощности электровозов требует проектирования более мощных тяговых двигателей без увеличения габаритов (диаметра и длины якоря) по сравнению с существующими. В результате этого увеличиваются удельные электромагнитные и тепловые нагрузки. Рост электромагнитных нагрузок приводит к необходимости применения оптимального проектирования, которое должно проводиться с учетом стандартных размеров обмоточных проводов. Кроме того,при работе тяговых двигателей на пульсирующем токе совместно с оп -тимизацией ТЭД должна оптимизироваться величина несбалансиро -ванной э.д.с. в коммутирующих секциях якоря.
Вследствие возрастания тепловых нагрузок, становится необходимым тщательный анализ тепловых процессов в ТЭД. Он должен проводиться с учетом трехмерного распределения тепловых потоков во всем двигателе, изменения теплофизических характеристик материалов от температуры, неравномерного распределения источни -ков тепла в стали сердечника якоря, подогрева охлаждающей среды в каналах вентиляционной системы и ее неравномерного распреде -
ления между однотипными каналами вентиляционной- системы.Большое значение при этом необходимо уделять поиску путей повышения эффективности охлаждения ТЭД, в том числе и экспериментальным путем. Поставленные задачи являются актуальными для тягового электромашиностроения и требуют разработки новых и совершенст -вования существующих математических моделей и методик.
Цель работы заключается в повышении качества проектирова -ния тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока на ос -нове создания и применения пакетов прикладных программ для ав -томатизированных расчетов электромагнитных и тепловых состоя -ний ТЭД с использованием современных численных методов и мето -дов оптимизации. Поставленная цель предполагает улучшение энергетических показателей тяговых двигателей, снижение их материалоемкости, повышение производительности труда инженера-расчет -чика, сокращение сроков проектирования. Для ее достижения в работе решаются следующие задачи:
разработка математической модели, алгоритма и пакета прикладных программ комплексного расчета магнитных и температурных полей в тяговых двигателях ;
создание уточненных методик, алгоритмов и пакетов прикладных программ оптимизации, тепловых и вентиляционных расчетов ;
проведение аналитических и экспериментальных исследований с целью поиска путей повышения эффективности охлаждения ТЭД.
Научной новизной является создание единого подхода к расчету электромагнитных и тепловых состояний тяговых двигателей на основе современных численных методов и методов оптимизации. Научную новизну составляют:
I. Математическая модель комплексного расчета магнитных и тепловых полей, позволяющая учитывать неравномерное распределе-
ниє источников тепла в стали магнитопровода.
2. Усовершенствованные методики:
методика оптимального проектирования ТЭД , существенно сокра -щающая время поиска оптимального варианта за счет замены плавного диапазона изменения варьируемых переменных дискретным ;
методики теплового и вентиляционного расчетов,позволяющие ис -следовать трехмерное распределение температур во всем двигателе как в стационарных, так и в переходных режимах,учитывающие изменение коэффициентов теплопроводности изоляции и потерь в меди обмоток от температуры,подогрев охлаждающего воздуха и его неравномерное распределение в каналах между катушками главных и добавочных полюсов.
3. Алгоритмы и пакеты прикладных программ:
оптимального проектирования ТЭД, позволяющие проводить оптимизацию тяговых' двигателей основных конструктивных исполнений с учетом требований ГОСТа на обмоточные провода, экономить расход активных и конструкционных материалов, машинное время ;
комплексного расчета магнитных и температурных полей с автоматизацией подготовки исходных данных, которая устраняет труд -ности, возникающие при подготовке входной информации ;
теплового и вентиляционного расчетов, применение в которых специальных методов кодирования входной инфорхмации позволяет автоматизировать процесс формирования расчетных уравнений и использовать их для анализа различных тепловых и аэродинами -ческих схем замещения.
4. Выявленные и исследованные закономерности:
- зависимости превышения температуры обмотки якоря и потерь в
стали сердечника от величины диаметра аксиальных каналов с уче
том электромагнитных, тепловых и аэродинамических факторов ;
- зависимости мощности вентилятора и общего расхода охлаждающего воздуха через машину от отношения расхода воздуха через коллекторную камеру к общему расходу при аксиальной схеме вентиляции с независимым охлаждением коллектора.
Диссертация выполнена на кафедре электрических машин Новочеркасского политехнического института. Работа содержит 197 . страниц сквозной нумерации, 35 рисунков, основной текст на 125 . страницах.
Комплекс программ для расчета электромагнитных и тепловых состояний ТЭД написан на языке ШРТРАН-ІУ, реализован на ЭВМ ЕС- 1022, внедрен во Всесоюзном научно-исследовательском, про-ектно-конструкторском и технологическом институте электровозо -строения (ВЭлНИИ) с годовым экономическим эффектом 18 тыс. рублей, а также используется в учебном процессе на кафедре элек -трических машин НІШ.
Методы проектирования электрических машин
Электромашиностроению более 100 лет. За это время произошло значительное повышение технико-экономических показателей электрических машин. Оно происходило как за счет применения новых конструкционных и изоляционных материалов, так и за счет совершенствования методик проектирования.
Большие изменения в проектировании электрических машин про -изошли в связи с появлением современных цифровых вычислительных машин. До появления ЭВМ инженерные методики проектирования электрических машин базировались на упрощенных математических моделях. Однако, резкое повышение использования электрических машин привело к тому, что точность расчета по применяемым методикам стала недостаточной. Использование ЭВМ при проектировании элек -трических машин позволило отказаться от ряда допущений и построить математические модели, более точно приближающиеся к реальным явлениям.
Первоначально ЭВМ применялись для автоматизации процессов "ручного" счета. Автоматизация вычислительных процессов привела к резкому повышению производительности труда расчетчиков. Появилась возможность оптимального проектирования электрических машин путем сравнения большого количества различных приемлемых вариантов расчетов. Однако, физические возможности проектировщика не позволили ему оперировать с большим объемом информации за короткое время и, следовательно, возможности расчета большого коли -чества вариантов на ЭВМ остались по существу неиспользованными.
Встала задача привлечения кибернетических методов в практику проектирования электрических машин, позволяющих организовать автоматический поиск наилучшего, в определенном смысле,варианта расчета.
Первые попытки оптимизировать размеры электрических машин и трансформаторов были сделаны М.Видмаром / 52/ с использованием классического (аналитического) метода. Классический метод оптимизации был использован в работах В.А.Трапезникова / 183/,М.П. Костенко / 105/, Г.Н.Петрова / 193/, И.М.Постникова / 141/, А.И. Бертинова /19/ и других отечественных и зарубежных авторов.Однако, этот метод не нашел широкого применения, так как позволяет оптимизировать только частные задачи. Кроме того, классический метод требует, чтобы функция цели и ограничения были представлены в виде явных аналитических зависимостей с конструктивными размерами и другими параметрами оптимизации. В электрических же машинах эти связи представлены в виде сложных систем нелинейных уравнений. Они позволяют получить только численные значения функции цели и ограничений. Указанные обстоятельства привели к тому, что с появлением ЭВМ стали применяться численные методы оптими -зации.
Первые работы в СССР по проектированию электрических машин с использованием ЭВМ были выполнены во ШЙЙЭМ под руководством Сорокера Т.Г. и Кагана Б.М. при разработке единой серии асин -хронных двигателей / 94, 154, 166/. В дальнейшем работы по оптимальному проектированию машин переменного тока проводились Аветисяном Д.А., Бертиновым А.И. / 3-6/, Воскресенским А.П. / 56/, Сорокером Т.Г. / 131/, Терзяном А.А. / 176, 178/,трансформаторов - Бородулиным Ю.Б. / 34/,/ 35/,тяговых электрических машин - Курочкой А.Л. / 107, І09-ІІ2/, двигателей для электропоездов - в институте электронной и вычислительной техники АН Латвийской ССР / 64/. Этой же проблеме посвящены работы / 91, 95, 99, 116, 121, 150, 159, 165, 180/,а также монографии / 7, 132, 179/,учебник / 101/, учебное пособие / 117/.
В / 7/ рассматриваются вопросы, связанные с применением аналоговых и цифровых вычислительных машин при оптимизации авиационных синхронных генераторов и бесконтактных сельсинов. Здесь же приводится классификация методов нелинейного программирования, описываются достоинства и недостатки методов, области их приме -нения.
Монография / 132/ посвящена описанию системы оптимального проектирования тяговых электродвигателей с помощью ЭВМ, анализу возможных методов оптимального проектирования, разработке про -грамм оптимизации на базе различных модификаций случайного поиска, созданию программного обеспечения для экспериментальной системы автоматизации проектирования.
В монографии / 179/ описывается проблема создания математических, программных и технических средств анализа и синтеза электрических машин переменного тока. Здесь же приводится описание методов принятия оптимального решения при автоматизированном проектировании электрических машин автономной энергетики, описываются численные методы моделирования электромагнитных полей.
Учебник / 101/ является хорошим пособием не только для студентов и аспирантов, но и для инженеров-электромехаников, зани -мающихся проектированием электрических машин. В нем рассмотрены математические модели электрических машин в переходных и установившихся режимах, обобщены достижения в области анализа и синтеза электромеханических преобразователей энергии, показано применение новых математических методов в решении оптимизационных за дач. В / 101/ И.П.Копылов рекомендует использовать дифференциальные уравнения в качестве математической модели при проектировании электрических машин. Применение дифференциальных уравнений электромеханического преобразования энергии при проектировании дает возможность учесть как статические, так и динамические характеристики электрической машины.
В учебном пособии / 117/ приводится методика проектирования различных типов однофазных асинхронных микродвигателей, основанная на использовании параметрических принципов, решаются частные и общие задачи оптимизации двигателей с использованием современных математических методов.
Применение электронных цифровых вычислительных машин значительно облегчило труд конструкторов и расчетчиков, открыло новые возможности в решении проблемы оптимального проектирования.Однако, как показал опыт применения дШ для проектирования оптимальных тяговых электродвигателей / 64, 107/ алгоритмы,разработанные на базе известных методов расчета не решают проблему полностью , хотя и являются значительным шагом вперед в области автоматиза -ции проектирования электрических машин. Основной недостаток заключается при этом в сравнительно большой затрате машинного времени в силу несовершенства самих расчетных методик из-за отсут -ствия в них научно-обоснованного подхода к определению главных размеров и других основных параметров проектируемой машины. В электрической машине большое число переменных,находящихся в сложной и противоречивой зависимости. В них трудно найти скрытые связи и объединить их в общие аналитические закономерности. Все это заставляет искать новые, более совершенные методы опти -мизации и методы проектирования электрических машин. В практике оптимального проектирования электрических машин нашли применение
Обоснование критерия оптимизации, независимых переменных и ограничений
В /112/ разработан алгоритм и программа глобальной оптимизации тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока. Про -грамма состоит из двух этапов. Первый включает глобальную оптимизацию, связанную с поиском диаметра якоря, числа полюсов,числа пазов на пару полюсов, числа эффективных проводников в пазу якоря и других параметров. В качестве критерия на этом этапе был принят комплексный критерий качества Ск., представленный формулой (2.7). Второй этап связан с выбором стандартных про -водников обмотки якоря, главных и добавочных полюсов, компенсационной обмотки. В качестве критерия на втором этапе был принят показатель эффективности машины данных, У%3. Однако алгоритм и программа второго этапа не учитывают полностью требования ГОСТ 434-78 на размеры провода и оптимизация статора тягового двигателя проводится при фиксированных значениях индукции в главном полюсе, в зубцах якоря и компенсационной обмотке. Кроме того данные, необходимые для второго этапа оптимизации,получаются в результате выполнения первого этапа. При проектировании же тяговых двигателей часто бывают заданными такие параметры, как диаметр якоря, число пар полюсов, число пазов на пару полюсов, число эффективных проводников в пазу и другие, которые к тому же изменяются дискретно. Это позволяет при оптимизации считать их неуправляемыми параметрами, но в диалоговом режиме проектирования на стадии согласования конструкции электрической машины с технологией ее изготовления могут изменяться при кор -ректировке исходных данных. Для диалогового режима проектирования необходима разработка такой программы оптимизации, которая позволила бы проводить оптимизацию с учетом выбора стандартных размеров проводов, а так же решать поставленную задачу , как многокритериальную. Это выполнимо при использовании агрегиро -ванных переменных и синтеза глобального критерия.
критерий оптимизации. Однако в /60/ указывается, что в настоящее время начинает находить применение адаптивный способ формирования комплексного критерия оптимальности. Сущность адаптив -ного способа заключается в том, что комплексный критерий строится на основе вычислительных экспериментов. В качестве исход -ной информации при этом используются частные критерии, соответствующие допустимым значениям проектируемых параметров. Ддап -тивные методы формирования критерия получают в настоящее время широкое распространение благодаря применению в проектировании диалоговых режимов, позволяющих оперативно варьировать неуправляемыми параметрами, более полно использовать опыт проектиров -щика.
Используя адаптивный способ формирования критерия и част -ные критерии, приведенные на рис. 2.1, получен комплексный критерий качества для тягового двигателя в виде где ин - номинальное напряжение ;
Тн - номинальный ток двигателя ; - коэффициент полезного действия ; Цо - стоимость активных материалов ; Ци - стоимость изоляционных материалов ; /сд} :- допустимое и текущее-значения критериев коммута -ционной напряженности. Критерий коммутационной напряженности к , введенный в /112/, учитывает качество коммутации и потенциальные условия на коллекторе, определяется следующим выражением где вг - среднее значение реактивной э.д.с. ; /Се - коэффициент использования мощности, равный отношению мощности, развиваемой двигателем при максимальной частоте вращения, к номинальной мощности ; /Ги- коэффициент регулирования скорости, равен отношению максимальной скорости электровоза к номинальной ; /tco среднее межламельное напряжение ; стС - коэффициент полюсного перекрытия ; с - коллекторное деление ; Umax.- максимальное напряжение на зажимах двигателя ; /«. - коэффициент искажения магнитного поля в зазоре, равный отношению максимальной индукции в зазоре при нагрузке к значению индукции под серединой полюса при холостом ходе. Максимум критерия ДГэ хорошо согласуется с экстремальными значениями частных критериев (Рис. 2.1). Он означает, что из возможного множества решений получено такое сочетание параметров , при котором активная мощность, приходящаяся на единицу объема и на один рубль затрат, имеет максимальное значение при минимально возможном критерии коммутационной напряженности. Критерий /Сэ является функцией (/е, п &г А 3& » j ,bzKO ). Но,как показывают численные эксперименты, увеличение критерия э происходит при увеличении индукции в зубцах якоря &Zife Д »3 а в зубцах компенсационной обмотки bz/co до 2 Т. Учитывая сказанное, индукции &zfe и Зало можно исключить из вектора независимых
Алгоритм комплексного расчета магнитных и тепловых полей
Алгоритм комплексного расчета магнитных и тепловых полей. Из 3.1. следует, что алгоритм комплексного расчета магнитных и тепловых полей можно представить состоящим из следующих этапов: - построение системы нелинейных алгебраических уравнений вида (3.24) ; - построение матрицы Якоби и вектора невязок при использовании метода Ньютона ; - решение системы линейных уравнений для вычисления вектора поправок ; - вычисление векторного магнитного потенциала в узлах расчетной области, индукции в треугольных элементах ; - вычисление потерь в элементах стали магнитопровода, которые подвергаются перемагничиванию ; - построение системы нелинейных алгебраических уравнений вида (3.13) ; - решение системы линейных уравнений для вычисления превышений температуры в узлах расчетной области ; - итерационное уточнение превышений температуры ; - расчет изотерм в расчетной области.
Алгоритмы построения системы нелинейных алгебраических уравнений, матрицы Якоби, вектора невязок, а также решения системы линейных уравнений при решении задачи расчета магнитного поля изложены в /125-127/, здесь не приводятся и использовались при со -ставлений программы некоторыми изменениями.
Вычисление векторного магнитного потенциала на каждой итерации производится по (3.26). Составляющие вектора индукции Ох. и и у , а также величина вектора О вычисляются по значению век 78 торных потенциалов внутри треугольных элементов следующим обра Потери в треугольных элементах стали магнитопровода, которые подвергаются перемагничиванию, определяются по формуле где ЛГо - коэффициент потерь в стали, учитывает увеличение потерь в процессе изготовления сердечника якоря (для зубчатых якорей /Сд= 2,4 / 148/, для беспазовых якорей /СЭ= 1,35 / 44/ ; /С$ - коэффициент заполнения пакета сердечника сталью ; с - удельный вес стали ; &ГР площадь L-vo треугольного элемента, м ; Рид- " удельные магнитные потери в L-м треугольном элементе, Вт/кг где 7 частота перемагничивания стали, Гц.
Построение системы нелинейных алгебраических уравнений вида (3.13) и решение этой системы производится по алгоритму,изложенному в / 158/.
Решение нелинейных алгебраических уравнений вида (3.13) осуществляется1 итерационным способом. Линейная зависимость коэффи -циента теплопроводности изоляции / 86/ и потерь в меди обмоток от температуры обусловливает быструю сходимость итерационного процесса. Применение итерационного метода позволяет сократить время решения задачи, так как в этом случае не требуется построе 79 ниє матрицы Якоби, а решение получается за меньшее число итераций. Система уравнений (3.13) на каждой итерации решается при постоянных значениях коэффициентов теплопроводности изоляции и потерь в меди обмоток методом Гауса. После выполнения каждой итерации но -вые значения коэффициентов теплопроводности изоляции и потерь в меди обмоток вычисляются по где . CL и & - коэффициенты, значения которых для различных изоляционных материалов, применяемых в тяговом электромашиностроении приведены в / 86/ ; Р2 33 " потери при температуре 293 К ; oL - температурный коэффициент сопротивления (для меди d = 0,00411 К"1 ) ; V - температура, при которой вычисляются JifyvL г$ ,К. В основе алгоритма расчета изотерм лежит линейная интерполяция между превышениями температур в соседних узлах треуголь -ного элемента. Расчет изотерм производится для минимального l/Vntn. и максимального V mox значений превышений температуры в расчетной области, а также для промежуточных значений Ф , которые отличаются друг от друга на величину шага ( задается в исходных данных).
Упрощенная блок-схема программы комплексного расчета магнитных и тепловых полей приведена на рис. 3.1 и достаточно полно отображает вычислительный процесс. Остановимся лишь на пояснении некоторых блоков программы и на особенностях разработанного алгоритма. В блоке 2 формирование исходных данных для метода конечных элементов производится автоматически по небольшому количеству входной информации. Подробно алгоритм формирования исходных данных для МКЭ приводится ниже. Вычисление плотностей тока в расчетной области (блок 3) производится автоматически путем деления намагничивающей силы, задаваемой в исходных данных,на суммарную площадь треугольных элементов, занимающих область соответствующей обмотки. Это позволяет избежать трудности, возникающие при расчете эквивалентной плотности тока при наличии изоля -ции между проводниками и в случае сложной геометрии токонесущих областей. Блок 4 предназначен для расчета коэффициентов кубического полинома, которым апроксимируются на отдельных участках кривые намагничивания сталей. В программе предусмотрена разбивка кривой намагничивания с неравномерным шагом на 10 участков . За верхним пределом табличных значений индукции В , зависи -мость В = + ( Н ) принимается линейной. Расчет коэффициентов кубического полинома по методике, изложенной в /200/, позволяет получить непрерывную первую производную в точках стыковки различных участков. Это необходимо для получения сходящегося процесса при использовании итерационных методов. Для расчета зависимости у = ( В ) в исходных данных задается по II значений магнитной индукции В и магнитной напряженности Н из кривой намагничивания.
Проверка окончания итерационного процесса при решении системы нелинейных уравнений методом Ньютона (блок 7) производится путем сравнения абсолютной величины максимальной невязки с точностью, задаваемой в исходных данных. В процессе решения для контроля на каждой итерации на печать выводятся : максимальная величина поправки, номер узла и значение векторного потенциала в нем.
Особенностью в алгоритме при расчете температурного поля является то, что при формировании системы линейных уравнений на каждой итерации (блок 12) учитываются зависимости коэффициентов теплопроводности изоляции и потерь в меди от температуры, а также подогрев охлаждающего воздуха в различных каналах вентиляционной системы (воздушный зазор, межкатушечное пространство , аксиальные каналы якоря). Величина подогрева охлаждающего воздуха определяется по формуле (5.4).
Проверка окончания итерационного процесса при расчете температурного поля (блок 14) производится путем сравнения абсолютной величины максимальной разности превышений температур в итерации "t + I и ъ , вычисленной в относительных единицах, с заданной точностью. За относительную единицу принимается максимальное значение превышения температуры в итерации "С .
В блоке 16 производится печать результатов расчета температурного поля. На печать выводятся величины тепловых потоков,отводимых в различные вентиляционные каналы, подогрев охлаждающего воздуха в них, номера узлов и превьшения температуры в узлах, средние и максимальные превьшения температуры отдельных элемен -тов конструкции тягового двигателя, а также координаты изотерм. Величины тепловых потоков, подогревы охлаждающего воздуха и превышения температуры теплоотдающих поверхностей используются для расчета эквивалентных тепловых проводимостей, необходи -мых при тепловых расчетах методом схем замещения.
Аэродинамические сопротивления воздухопроводов
Процессы течения охлаждающей среды в электрических машинах описываются уравнением движения вязкой несжимаемой жидкости На-вье-Стокса /155/, которое в прямоугольной системе координат имеет вид где /, , І4У- проекция вектора скорости на координатные J - плотность охлаждающей среды ; Р - давление ; X У Z - проекции объемной силы, отнесенные к единице массы ; у - кинематическая вязкость охлаждающей среды ; 4 - оператор Лапласа . Под объемной (или массовой) силой понимается сила,действующая на каждую частицу воздуха во всем его объеме (например, си -лы тяжести и инерции).
Уравнения (4.2) справедливы как для ламинарного, так и для турбулентного движения и содержат восемь неизвестных ( V , , ЬО , X , i/ , Z , f , г )., Для их решения в общем случае необходимо иметь еще пять независимых уравнений, включающих эти неизвестные. Таковыми являются: уравнение неразрывности, уравнение состояния и три уравнения для проекций объемной силы л , У , Z . Аналитическое решение уравнений (4.2) не представляется возмож -ным, поэтому в основу существующих методик вентиляционного расчета большинства электрических машин положены формулы классической гидравлики. Потери напора на участке воздухопровода опреде -ляются при этом, как доля кинетической энергии и связаны с расходом охлаждающей среды соотношением где z - аэродинамическое сопротивление.
Условно принято различать три вида аэродинамических сопро -тивлений /155/ : лобовое сопротивление, сопротивление трения, местное сопротивление. Механизм действия всех видов сопротивле -ний один и тот же, следовательно, указанные сопротивления имеют единую природу.
Лобовым сопротивлением называют сопротивление, оказываемое воздушному потоку в канале каким-либо телом, размеры которого в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока,превосходят размеры выступов шероховатости стенок канала. В тяговых электрических машинах к лобовым сопротивлениям относятся кабели катушечных соединений, соединительные шины, ребра нажимных шайб, кронштейны щеткодеркателей, щеткодержатели, лобовые части компенсационной обмотки. Лобовые сопротивления складываются из сопротивления давления (сопротивления формы), сопротивления трения воздуха о поверхность тела и вычисляются по формулегде С - опытный коэффициент лобового сопротивления, зависит от числа Рейнольдса (R е),формы тела и шероховатости; Q - ускорение силы тяжести , м/сек ; ом - миделево сечение тела, м2 (площадь проекции тела на плоскость,перпендикулярную направлению движения) ; 3 - площадь сечения канала, м . Сопротивление трения возникает из-за наличия сил трения как между слоями охлаждающей среды , так и на поверхности соприкосновения ее со стенками канала. Кроме того, стенки каналов в электрических машинах имеют шероховатости и движущийся воздух оказывает также давление на них, вследствие чего появляется вторая составляющая силы сопротивления- сила давления. На практике обе силы оценивают совместно. Аэродинамическое сопротивление вычисляют по формуле =\ где Ji - коэффициент гидравлического трения ; экспериментальным зависимостям, являющимся функциями относительной шероховатости где А - шероховатость каналов, мм.
На отдельных участках воздухопровода, где имеются повороты, местные расширения или сужения возникают сопротивления,обусловленные работой сил трения.Такие места потока в общем случае характеризуются: - местными искривлениями линий тока и живых сечений, - уменьшением или увеличением живых сечений вдоль потока, - возникновением местных отрывов транзитных струй от стенок ка -нала и соответственно появлением "водоворотных" областей, - деформацией эпюр осредненных скоростей вдоль потока, - повышением пульсаций скорости и давлений. Местное сопротивление вычисляется по формуле где 5 " коэффициент местного сопротивления, зависит от ха -рактера местного сопротивления и шероховатости стенок канала. 4.3. Повышение эффективности охлаждения коллекторных тяговых электродвигателей с аксиальной вентиляцией. Тяговые электродвигатели постоянного и пульсирующего тока проектируются с высокими электромагнитными,механическими и тепловыми нагрузками.Высокие тепловые нагрузки требуют поиска наиболее эффективных схем охлаждения,однако ограничение габаритов тягового двигателя и специфика условий работы ограничивают выбор схем вентиляции.Практически в тяговых двигателях распространены две схемы вентиляции: - независимая нагнетательная аксиальная схема с подачей охлаждающего воздуха со стороны коллектора,который распределяется внутри двигателя по трем аксиальным каналам- межкатушечное пространство, воздушный зазор,каналы в сердечнике якоря; - зависимая вытяжная аксиальная схема вентиляции с подачей охлаждающего воздуха со стороны коллектора.
Независимая схема вентиляции применяется в:тяговых двигателях магистральных электровозов,зависимая вытяжная - в тяговых двигателях электросекций,в некоторых тяговых двигателях тепловозов, а также во вспомогательных электрических машинах электровозов и тепловозов.Кроме указанных основных схем в отдельных случаях применяются другие схемы,обусловленные особенностями конструкции двигателя.Рассмотрим наиболее подробно независимую аксиальную схему вентиляции с подачей охлаждающего воздуха со стороны коллектора, аэродинамическая схема замещения которой представлена на рис.4.16.Достоинство этой схемы-хорошее охлаждение коллектора. К недостаткам ее относятся: - загрязнение внутренних поверхностей машины продуктами износа щеточного аппарата и коллектора; - неравномерный нагрев якоря в продольном сечении,обусловленный подогревом потока воздуха при последовательном прохождении по аксиальным каналам,а также уменьшением степени турбулентности воздушного потока на выходе из аксиальных каналов;
