Прогресс электромашиностроения диктует необходимость увеличения единичной мощности не только крупных, но и малых электрических машин, что связано с совершенствованием их конструкции, а также поиском новых принципов и систем охлаждения.
В этой связи несомненный интерес вызывают магнитные жидкости (МЖ), называемые также феррожидкостями и представляющие собой седиментационно устойчивые гетерогенные системы на основе разнообразных жидкостных дисперсионных сред [1]. Характерным для МЖ является наличие эффекта увлечения (перемещения) ее магнитным и электромагнитным полем, в том числе и вращающимся. Это обстоятельство позволяет при использовании МЖ в качестве теплоносителя системы охлаждения, например, асинхронного электродвигателя исключить специальные нагнетательные устройства, характерные для чисто жидкостных систем охлаждения.
В настоящей работе исследовалась эффективность магнитожидкостного способа охлаждения на примере двухскоростного трехфазного асинхронного электродвигателя общепромышленного назначения с короткозамкнутым ротором АО 42- 4/2 мощностью 2,1/2,8 кВт. Переключением числа пар полюсов изменялась скорость вращения электромагнитного поля в пределах ωn= (157-314) с-1, а регулирование тока в обмотке статора I1 осуществлялась с помощью нагрузочной машины.
Для организации магнитожидкостного охлаждения в конструкцию электродвигателя внесены некоторые изменения, показанные на рис. 1. Это прежде всего тонкостенные стаканы, выполненные на основе стекловолокна и кремнийорганического лака, т.е. немагнитного материала. Стаканы совместно с конструктивными элементами электродвигателя образуют в зоне лобовых частей обмотки статора замкнутые кольцевые камеры, заполняемые магнитной жидкостью. В качестве последней использовался коллоидный раствор магнетита в термостойком силоксане ПМТС с объемной концентрацией феррофазы 0,019 и намагниченностью насыщения Ms= 31 кА/м.
где
- 1 — крыльчатка вентилятора
- 2 — термоиндикатор
- 3 — станина с ребрами
- 4 – ротор
- 5 — сердечник статора
- 6 — обмотка статора
- 7 — магнитная жидкость (МЖ)
- 8 – стакан
- 9 — окно смотровое
Для измерения локальных температур обмотки и массива МЖ применялись 11 термопреобразователей сопротивления, расположение которых иллюстрируются рис. 1.
Визуализация гидродинамической обстановки в зоне лобовых частей осуществлялась с помощью специальных трассеров в объеме МЖ через окна в крышках электродвигателя.
Отмечено, что круговое движение массива МЖ начинается с некоторым запаздыванием τ во времени от момента включения. При этом τ = f (I1, ωп).
Охлаждение магнитной жидкостью, вращающейся совместно с магнитным полем, ведет к значительному снижению температуры лобовых частей обмотки по сравнению со штатным воздушным охлаждением, что отображено соответственно кривыми 2 и 1 на рис. 2.
Режимы работы ЭД:
- 1 — воздушном охлаждении; (I1 = IH = 6,3 А)
- 2 — магнитожидкостном охлаждении лобовых частей (I1 = IH = 6,3 А)
- 3 — магнитожидкостном охлаждении лобовых и пазовых частей обмотки (I1 = IH = 6,3 А)
- 4 — магнитожидкостном охлаждении лобовых и пазовых частей обмотки (I1 = 1,3IH = 8,2 А)
Интенсификация теплообмена при использовании обусловлена целым рядом качественно различающихся механизмов и в основном определяется, по-видимому, макроскопическим движением, обусловленным взаимодействием МЖ с магнитным полем. Как результат этого взаимодействия возникает объемная магнитная сила:
(1)
где
- М — намагниченность жидкости
- Н — напряженность магнитного поля
Намагниченность жидкости можно представить в виде:
(2)
Здесь
- Mo — равновесная намагниченность в изотермической жидкости с температурой
- T* — второй член определяет температурную зависимость намагниченности
- К — пиромагнитный коэффициент
Два последних члена определяют неравновесную составляющую намагниченности, которая возникает в движущейся среде, а также при воздействии нестационарного магнитного поля, имеющего место в электродвигателе. Материальные коэффициенты τ// и τḻ имеют смысл времени релаксации соответственно параллельной, и перпендикулярной полю составляющих намагниченности.
Равновесную изотермическую магнитную силу можно представить в виде:
Эта сила имеет потенциальный характер. Она компенсируется градиентом давления и не может обеспечить перемешивание МЖ и, следовательно, интенсификацию теплообмена.
Часть магнитной силы, обусловленную неизотермичностью можно записать в виде μ0К(Т -N*)xΔH.
Следовательно сила индуцирует теплоперенос в значительной мере аналогичный естественноконвективному. Оценка показывает, что в используемой конструкции термомагнитные силы в 8-10 раз превышают архимедовы и, следовательно, термомагнитная конвекция играет определяющую роль в обнаруженном эффекте. Однако более значительная часть силы, обусловленная неравновесной составляющей намагниченности. В рассматриваемом случае эта составляющая обусловлена в основном нестационарностью магнитного поля. Влиянием движения среды на намагниченность можно пренебречь, так как наблюдаемая скорость движения феррожидкости составляет около 3% от скорости движения фазы поля.
Поэтому в [2] можно сделать замену:
В результате неравновесную часть магнитной силы можно представить в виде:
(3)
Эта сила вызывает наблюдаемую азимутальную циркуляцию магнитной жидкости и увеличение коэффициента теплообмена между обмотками статора и феррожидкостью.
Отметим еще один механизм, который может обеспечить интенсификацию процессов переноса в феррожидкости.
Во вращающемся поле помимо макроскопического движения имеет место скрытое вращательное движение. Поле, приводя во вращение феррочастицы и агрегаты дисперсной фазы, обладающих дипольным магнитным моментом, формирует в жидкости систему микровихрей. В случае неоднородного распределения температуры это движение обеспечивает дополнительный перенос тепла.
Следует отметить, что в рассмотренной выше конструкции электродвигателя с магнитожидкостным охлаждением непосредственному охлаждению подвергаются только лобовые части обмотки, температура же пазовых частей остается практически такой же, как и при воздушном охлаждении.
Одним из путей ее снижения может служить организация движения МЖ непосредственно в пазовой зоне размещения обмотки. Но для аксиально расположенных по отношению к плоскости вращающегося поля шлицов пазов статора fm = 0. Максимальную по своему значению объемную силу fm, действующую в азимутальном направлении, можно использовать для перемещения МЖ, например, по наклонным (спиральным) каналам, с помощью ее составляющей fm, как это показано на рис. 3.
где
- 1 – станина
- 2 — паз в спинке статора
- 3 — спинка статора
- 4 — обмотка статора
- 5 — спиралевидный паз
- 6-клиновая часть паза
- 7 — стакан
Для реализации этой идеи в клиновой части пазов (расточка статора) сделаны спиралевидные пазы (каналы). Таким образом внутренняя поверхность статора представляла из себя подобие гайки с прямоугольной четырехзаходной резьбой. Результативность действия такого тракта проверялась экспериментально при вертикальном расположении электродвигателя. Обнадеживающие результаты предопределили дальнейшие действия, т.е. создание полного магнитожидкостного охлаждения электродвигателя за счет объединения каналов с камерами, а также объединения последних с четырьмя пазами в спинке статора. Таким образом, в электродвигателе помимо циркуляции МЖ в зоне лобовых частей обмотки имела место и циркуляция МЖ в аксиальном направлении.
Такая система охлаждения позволила существенно снизить температуру пазовой части обмотки (кривая 3 на рис. 2) и перекосы температур по всей длине.
Общее снижение средней температуры обмотки при номинальной нагрузке электродвигателя позволяет говорить о некотором запасе по мощности. Испытания электродвигателя в режиме перегрузки при I1= 1,3IH показали, что распределение температур по длине обмотки (кривая 4 на рис. 2) практически идентична распределению температур для воздушного охлаждения при I1 = IH (кривая 1 на рис. 2).
Таким образом полное магнитожидкостное охлаждение при некотором усложнении конструкции электродвигателя позволяет увеличить его единичную мощность на 20÷25% или же снизить класс изоляции.
Неоднократные измерения показали, что коэффициент абсорбции для изоляции находился в пределах Rаб, = (1,35÷1,40). Это свидетельствует о том, что МЖ, сама по себе являясь диэлектриком, не оказывает негативного влияния на изоляцию обмотки.
Список литературы
- Старовойтов В.А. Магнитожидкостная подвижная опора/ Вести. КузГТУ, 1998, № 5 (6), с. 39-41.
Источник: Магнитожидкостное охлаждение электрических машин / В.А. Старовойтов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №2. — C. 20-23
