• 1.    Введение

• 2.    Постановка задачи и ее решение

Созданные в последнее время конструкции линейных электромагнитных двигателей ударного действия определили ряд новых конструктивных решений систем охлаждения, определяющих интенсификацию теплоотдачи и продолжительность рабочего режима ударного узла.

Результаты исследований и оценка конструктивного совершенства синхронных электромагнитных машин ударного действия показали, что в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ударной нагрузке, ни одна из этих машин при естественным воздушном охлаждении не удовлетворяет условиям работы с ПВ = 100 % [1]. Сокращение продолжительности – 167 – включения до ПВ = 60, 40, 25 и 15 % позволяет дополнительно нагрузить электромагнитный узел и тем самым повысить единичную энергию удара при допустимом нагреве, что обусловливает увеличение не только потребляемой машиной мощности, но и колебания температуры [2–5].

Длительный режим работы электромагнитных ударных узлов таких машин может быть обеспечен только за счет повышения интенсивности теплоотдачи с поверхности катушек.

В качестве критерия для сравнения теплоотдающих способностей существующих систем охлаждения используется понятие поверхностной плотности теплового потока, представляющей собой отношение допустимой мощности тепловыделения (тепловых потерь) Q в катушке к поверхности ее охлаждения S К :

q s = Q",

Sк где qs - допустимая плотность теплового потока, Вт/м2; Q - допустимая мощность тепловыделения катушки (тепловой поток), Вт; SК - поверхность охлаждения катушки, м2.

Мощность тепловыделения (мощность отводимых потерь), как известно, определяется выражением

Q P п kу Sкт, где kт - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2; т - превышение температуры поверхности над температурой окружающей среды (перегрев), °C; PП – тепловые потери в катушке, Вт.

Следовательно, поверхностную плотность теплового потока можно представить как qs = ктт.

Следует заметить, что при допустимом превышении температуры в пределах τ = 80…140 °C для многослойных катушек по ГОСТ 12434-83 с изоляционными материалами и нагревостой-костью по ГОСТ 8865-93 допустимая плотность теплового потока при естественном воздушном охлаждении может составлять q = 800.. .2100 Вт/м² [2].

В существующих системах принудительного охлаждения ударных узлов коэффициент теплоотдачи для скорости воздуха в пределах 10^40 м/с составляет к _т = 50^130 Вт/м² • °С, а допустимая плотность потока рекомендуется в интервале 5^10 Вт/м², что почти на порядок выше, чем при естественном охлаждении [6–8].

Выбор той или иной схемы принудительного охлаждения предопределяется рядом факторов, основными из которых являются режим работы ударного узла и энергетические показатели [9].

Наибольшее распространение среди созданных электромагнитных машин ударного действия получило принудительное воздушное охлаждение. В последовательности совершенствования можно выделить четыре основные группы конструктивных признаков существующих систем охлаждения. Варианты конструктивных схем в продольном и поперечном разрезах приведены на рис. 1–5.

Рис. 1. Система охлаждения с наружной вентиляцией цилиндрической поверхности магнитопровода

Рис. 2. Система охлаждения с воздушными трактами

Рис. 3. Система охлаждения с коаксиальными каналами в катушке

К первой группе признаков систем с принудительным воздушным охлаждением следует отнести электромагнитные машины с наружной вентиляцией двигателя (рис. 1) [10 –12]. Теплоотдача в этом случае происходит с внешней цилиндрической поверхности магнитопровода, что по сравнению с естественной системой охлаждения позволяет существенно повысить коэффициент теплоотдачи.

Результаты тепловых испытаний электромагнитного ударного узла показали, что при увеличении расхода охлаждающего воздуха с 20 до 50 м3/ч по отношению к естественному способу охлаждения позволяет увеличить допустимую мощность потерь соответственно в 1,6…2,3 раза [9]. При этом мощность, расходуемая на вентиляцию, в среднем составляет 0,33 Вт на каждый ватт отводимой мощности потерь.

Наружная вентиляция ударного узла была опробована при производстве двухкатушечной электромагнитной машины СЦ-2 с энергией удара 4 Дж. При потреблении ударным узлом мощности 580 Вт продолжительность включения составила ПВ = 25 % [9]. Тепловые испытания показали разницу средней температуры нагрева катушки и магнитопровода, равную 64 °С.

Рис. 4. Система охлаждения с радиальным расположением каналов в катушке

Рис. 5. Система охлаждения с радиальным расположением каналов в катушке и прямоугольным магнитопроводом

Из-за значительных градиентов температур внутри ударного узла, а также высоких затрат энергии на вентиляцию данная система охлаждения не получила широкого практического применения.

Ко второй группе признаков электромагнитных машин с принудительной вентиляцией катушек следует отнести системы охлаждения, приведенные на рис. 2. Выполнение специальных вентиляционных отверстий в конструкции двигателя позволило создать воздушные тракты, образованные цилиндрическими и торцевыми плоскостями обмоток и магнитопроводом с автономным вводом и выводом воздуха через отверстия в полюсах. Условия формирования аэродинамического режима непосредственно связаны с геометрическими характеристиками вентиляционной системы.

Интенсификация процесса теплоотдачи здесь заметно повышается и при ПВ = 100 % система с непосредственной вентиляцией катушек позволяет отводить в 1,6 раза больше мощности потерь, чем система с наружной вентиляцией ударного узла.

При расходе охлаждающего воздуха в пределах 20…50 м3/ч мощность, расходуемая на вентиляцию, составляет в среднем 0,2 Вт на каждый ватт отводимой от ударного узла мощности потерь [9]. Интенсификация процесса теплоотдачи в сравнении с естественным воздушным охлаждением здесь заметно повышается так, как в несколько раз может быть увеличен коэффициент теплоотдачи.

К недостаткам системы охлаждения следует в первую очередь отнести большую разницу между более и менее нагретыми слоями обмоточного пространства. Именно по этой причине данная система охлаждения не получила широкого распространения и была ограничена в сво- ем использовании на уровне опытно-конструкторских разработок синхронных электромагнитных ударных узлов с энергией удара до 20 Дж.

К третьей группе, получившей наибольшее признание, следует отнести системы вентиляции с коаксиальными каналами в катушках (рис. 3). Равномерность охлаждения отдельных секций многослойной катушки при одинаковой их толщине стала возможной за счет расхода воздуха в отдельных вентиляционных каналах пропорционально с выделяемой в них мощностью.

Данная система вентиляции впервые была опробована в 1974 г. при серийном производстве электромагнитной ударной машины ИЭ-4207, рассчитанной на энергию удара 4,5 Дж и имеющей полезную мощность ударного узла, равную 225 Вт. По данной схеме охлаждения также были выполнены серийно производимые ударные узлы электромагнитных машин ИЭ-4210, ИЭ-4709 с полезной мощностью 315 и 125 Вт соответственно [13–15].

Достоинством данной системы охлаждения признано то, что разделение объема катушки на ряд секций, изолированных друг от друга воздушными коаксиальными каналами, позволяет в два и более раз снизить разницу температур в нагретых слоях обмоточного пространства. Одним из главным недостатков используемого принципа охлаждения является более низкий коэффициент заполнения катушки.

Вынужденное движение воздушного потока связано с потерями на трение, пропорциональными длине вентиляционного канала, что оказывает влияние на теплообмен. Например, для двухкатушечных электромагнитных машин разница в средней температуре перегрева между катушками (прямого и обратного) может составлять до 30 %.

Дальнейшее совершенствование интенсификации процесса теплоотдачи нашло свое отражение в системах охлаждения, относящихся к четвертой группе признаков (рис. 4, 5).

Системы вентиляции с радиальным расположением каналов позволили увеличить общую площадь охлаждения катушек, снизить сопротивление воздушному потоку и обеспечить более равномерный нагрев обеих катушек.

По принципу охлаждения на рис. 4 была разработана вентиляционная система двухкатушечной электромагнитной машины ИЭ-4724 с полезной мощностью ударного узла 125 Вт. По принципу охлаждения на рис. 5 разрабатывалась вентиляционная система однокатушечной электромагнитной машины Т-312 с максимальной энергией удара 3 Дж и максимальной полезной мощностью ударного узла 75 Вт.

Поиск рациональной системы охлаждения, прежде всего, связан со структурной схемой электромагнитной ударной машины, которая определяет конструкцию и компоновку всей машины. Сравнительная оценка достигнутого уровня совершенства используемых систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия с принудительным воздушным охлаждением представлена в табл. 1.

В качестве критериев, отражающих совокупность определенных качеств и условий работы, рассматриваемых систем введены дополнительные показатели.

Для характеристики теплонапряженности электромагнитной машины введем показатель удельной тепловой нагрузки катушки, представляющий собой отношение мощности потерь в катушке Q к объему активных материалов катушки V M

Таблица 1. Показатели систем принудительного воздушного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия

№ п/п	Наименование величин	ri о	9 А к	9 А к	о Л к	9 | Л Q К	Г'! н
1	Энергия удара, Дж	4,0	4,5	6,3	2,5	2,5	2,1
2	Количество ударов, уд/мин	3000	3000	3000	3000	3000	2000
3	Мощность, потребляемая ударным узлом, Вт	580	600	700	400	400	250
4	Полезная мощность, Вт	200	225	315	125	125	70
5	Мощность потерь (тепловой поток), Вт	380	375	385	275	275	180
6	КПД, %	35	37,5	45	31	31	28
7	ПВ, %	25	60	60	100	100	100
8	Масса катушки, кг: - прямого хода - обратного хода	0,59 0,59	0,42 0,58	0,42 0,58	0,48 0,48	0,35 0,35	0,19 –
9	Поверхность охлаждения катушки, ×10–4 м: - прямого хода: - обратного хода:	76,9 76,9	162,1 224,2	162,1 224,2	171,5 171,5	212,6 212,6	116,7 –
10	Объём катушки, ×10–6 м3: - прямого хода - обратного хода	109,9 109,9	78,6 108,6	78,6 108,6	77,1 77,1	65,1 65,1	34,8 –
11	Масса, кг: - магнитопровода, включая массу бойка - ударного узла без инструмента	1,80 3,9	1,60 4,1	1,60 4,3	1,10 2,8	1,10 2,7	0,57 1,14
12	Приведенная поверхность охлаждения магнитопровода, ×10–6м2	116,4	–	–	–	–	–
13	Средний тепловой поток, ×103 Вт/м2: - отнесенный к поверхности охлаждения катушки - отнесенный к поверхности охлаждения магнитопровода	24,7 16,3	9,7 –	10,0 –	16,0 –	12,9 –	15,4 –
14	Средняя удельная тепловая нагрузка, ×103 Вт/м3: -    катушки рабочего хода -    катушки обратного хода	1728 1728	2385 1722	2457 1777	1783 1783	2112 2112	5172 –
15	Постоянная времени нагрева катушки, с: - рабочего хода: - обратного хода:	1190 1190	290 290	290 290	220 220	160 160	75 –
16	Коэффициент теплоотдачи (приближенный)	25,0	35,0	35,0	50,1	40,4	85,0
17	Схема системы охлаждения	рис. 1	рис. 3	рис. 3	рис. 3	рис. 4	рис. 5

Q

к

м

Для характеристики интенсивности процесса нагрева используем постоянную времени нагрева катушки:

• •    без учета влияния отдачи тепла стали

  т

  н

  
  

смGм kS тк где сM – удельная теплоёмкость меди катушки, Дж / кг × °С; GM – масса меди катушки, кг;

• •    с учетом влияния отдачи тепла стали

  т

  н

  
  

  с м G м + ^в с ст G CT k _т S _к

  
  

где с СТ - удельная теплоемкость стали магнитной системы, Дж/кг х °С; G СТ — масса стали магнитопровода, кг; β – безразмерный коэффициент, учитывающий степень передачи тепла от катушки к стали: для бескаркасных катушек с намоткой на втулку в = 0,275.. .0,55, для бескаркасных бандажированных катушек и каркасных катушек β = 0,275…0,45 [16].

Использование показателей, отражающих совокупность определенных качеств рассматриваемых систем, позволяет количественно оценить системы охлаждения и выявить наиболее удовлетворяющую техническим требованиям.

Для класса электромагнитных машин с принудительным воздушным охлаждением (табл. 1) продолжительность включения составляет в среднем ПВ = 60, 100 %.

Среднее значение теплового потока, отнесенного к поверхности охлаждения катушки, изменяется в пределах 9,7^22,2 кВт/м2, что примерно в 1,8 раза выше, чем для машин с естественным способом охлаждения.

Применение принудительной системы охлаждения позволяет существенно увеличить среднюю удельную тепловую нагрузку активного объёма катушки, которая изменяется в пределах 1728...5172 кВт/м3. Это более чем в 3^5 раз выше, чем для систем с естественным способом охлаждения.

Для рассматриваемого класса машин мощность двигателя для систем вентиляций, обеспечивающих коэффициент теплоотдачи k _T = 25^35 Вт/м² • °С, составляет в среднем не более 6 % от мощности, потребляемой ударным узлом. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить режим работы с ПВ = 60 %. Для систем вентиляций, обеспечивающих продолжительный режим работы ударного узла (ПВ = 100 %), коэффициент теплоотдачи для которых находится в пределах k _T = 50.. .100 Вт/м² • °С, для поддержания необходимой производительности мощности ударным узлом.

Таким образом, для поддержания режима работы ударной машины с ПВ = 100 % увеличение ее мощности на каждые 4…6 Вт должно сопровождаться увеличением мощности двигателя вентилятора приблизительно на 1,0 Вт.

Это означает, что при создании электромагнитной машины, например, с энергией удара 100 Дж при 1500 уд/мин и КПД ударного узла 40 % потребляемая им мощность составит – 173 –

• 6,25 кВт. Следовательно, для обеспечения режима работы с ПВ = 100 % для отвода теплового потока требуемая мощность двигателя вентиляционной установки должна составлять 1,0…1,5 кВт. Для режима работы с ПВ = 60 % мощность двигателя вентиляционной установки может быть снижена примерно до 0,4 кВт.

• 3. Заключение

  • 1.    Выполнена классификация и дана оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия.

  • 2.    Установлено, что среднее значение теплового потока, отнесенного к поверхности охлаждения катушки, для систем с принудительным воздушным охлаждением составляет 9,7^22,2 Вт/м².

  • 3.    Для систем с принудительным воздушным охлаждением средняя удельная тепловая нагрузка активного объёма, занятого катушкой, составляет 1728^5172 кВт/м³.

  • 4.    Показано, что принудительное воздушное охлаждение позволяет дополнительно нагрузить электромагнитный ударный узел и тем самым повысить единичную энергию удара при допустимом нагреве в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ударной нагрузке электромагнитной машины.

  • 5.    Для поддержания режима работы электромагнитной ударной машины с ПВ = 100 % мощность вентиляционной установки может составлять до 25 % от мощности, потребляемой ударным узлом.

При отводе тепла от катушки путем принудительного охлаждения частичная передача тепла стали магнитопровода через слой изоляции и воздуха, отделяющий от катушки, несущественно оказывает влияние на постоянную времени нагрева. Поэтому расчет постоянной времени нагрева катушки для электромагнитных машин с принудительным воздушным охлаждением выполнен без учета передачи тепла стальным элементам магнитопровода.

Для систем с принудительным воздушным охлаждением постоянная времени нагрева катушки варьируется в диапазоне значений 1,25…19,8 мин.

Следует отметить, что приведенные в табл. 1 расчетные данные не гарантируют точных значений постоянной времени нагрева, так как распределение охлаждающей среды между сосредоточенными и распределенными источниками тепловыделения, порождающие тепловые потоки в электромагнитной машине, в общем случае не представляется возможным. Наиболее точным методом определения взаимного влияния взаимодействующих тепловых потоков в электромагнитной машине ударного действия является эксперимент.