Нагрев катушек

Катушка Электрических аппаратов представляет собой неоднородное тело, состоящее из проводника, изоляции и прослоек воздуха или пропитывающего материала (лак, компаунд). Теплота, выделяемая во всем объеме катушки, должна проходить к поверхности через материалы с разной теплопроводностью. Естественно, что в разных слоях катушки будут и разные температуры. Внутри катушки температура будет выше, чем на поверхности. Чем монолитнее катушка, тем лучше теплопроводность между слоями и тем меньше будет разность температур между наружной поверхностью и внутренними слоями. Пропитка и компаундирование повышают общую теплопроводность катушки, а тем самым и теплоотдачу на 5 – 10%.

Разные участки поверхности катушки в разной степени участвуют в теплоотдаче. Наружная боковая поверхность, как правило, бывает открытой и. является основной теплоотдающей поверхностью. Теплоотдача с нее происходит главным образом за счет естественной конвекции. Внутри катушки проходит сердечник. Из-за малых зазоров между сердечником и катушкой конвекция здесь сильно затруднена, но когда сердечник плотно прилегает к катушке, то теплоотдача с внутренней поверхности катушки идет за счет теплопроводности. Теплоотдача зависит от плотности прилегания катушки к сердечнику, от размера теплоотдающей поверхности магнитопровода. Торцовые поверхности катушки обычно закрыты изоляционными крепежными деталями с низкой теплопроводностью. В длинных катушках теплоотдачей с торцов можно пренебречь, в коротких катушках ее следует учитывать.

Таким образом, процесс нагрева катушек представляет собой сложное явление. Распределение температуры по катушке неравномерно как в радиальном направлении, так и по высоте. Точный расчет распределения температуры связан с большими трудностями.

В первом приближении можно определить среднее превышение температуры по катушке катушки по выделяющейся в ней мощности и среднему коэффициенту теплоотдачи, пользуясь уравнениями (3-27) или (3-27 а):

(3-39)

где I ₀ и R ₀ — ток и сопротивление холодной катушки, а F _экв = F _нар + β₁ F _ВН+β₂ F _торц представляет собой некоторую эквивалентную поверхность, учитывающую степень участия наружного F _нар, внутреннего F _вн и торцового F _торц участков поверхности в теплоотдаче (здесь β₁ и β₂ – экспериментальные коэффициенты). Для катушек контакторов и реле постоянного тока рекомендуется:

β₂=0;

β₁ = 0,9 – для бескаркасных бандажированных катушек;

β₁ = 1,7 – для катушек, намотанных на трубу;

β₁ = 2,4 – для катушек, намотанных на сердечник.

Рис. 3-11. Распределение температур по катушке

В действительности распределение температуры вдоль радиуса катушки будет иметь характер, определяемый кривой на рис. 3-11, а. Где-то внутри катушки на расстоянии r _м превышение температуры будет максимальным τ_max на наружной и внутренней поверхностях – соответственно; τ₁ и τ₂. Максимальная температура значительно превосходит температуру на наружной поверхности и немного превосходит среднюю температуру катушки.

Если пренебречь теплоотдачей с торцов, то изотермы будут представлять собой прямые линии, параллельные оси катушки. Если происходит теплоотдача с торцов, то изотермы будут иметь вид, изображенный на рис. 3-11, б.

Если принять, что теплоотдача осуществляется главным образом с наружной поверхности, то без больших погрешностей можно считать

(3-40)

(3-41)

(3-42)

где q =- потери, приходящиеся на единицу объема катушки, P – мощность, выделяемая в катушке; λ_экв – эквивалентный коэффициент теплопроводности; h, r ₁, r ₂ – геометрические размеры катушки.

Для катушек из круглого изолированного проводника

(3-43a)

Для катушек из прямоугольного проводника

(3-43б)

В этих формулах: λ_и – коэффициент теплопроводности материала изоляции проводника; d – диаметр проводника без изоляции; а и b – размеры проводника без изоляции соответственно в направлении оси катушки и в направлении радиуса катушки; δ – толщина изоляции.

Дата добавления: 2014-10-15