Аэродинамические сопротивления

На схеме замещения (рис.1) объединены все последовательные и параллельные аэродинамические сопротивления. Римскими цифрами обозначены номера контуров, стрелками - направление их обхода, а арабскими цифрами номера результирующих аэродинамических сопротивлений.

Аэродинамические сопротивления имеют следующий смысл:

Z₁ –Z₆- результирующие сопротивления межкатушечного пространства и воздушного зазора каждого полюса;

Z₇ –Z₁₂- результирующие сопротивления при движении воздуха вокруг коллектора;

Z₁₃ –Z₁₈- результирующие сопротивления при движении воздуха под коллектор;

Z₁₉- результирующее сопротивление подколлекторной камеры и аксиальных каналов якоря;

Z₂₀ –Z₂₅- результирующие сопротивления при движении воздуха вокруг задних лобовых частей;

Z₂₆ –Z₃₁-результирующие сопротивления при движении воздуха из аксиальных каналов якоря в окна остова;

Z₃₂- результирующие сопротивления при движении воздуха из аксиальных каналов в окна заднего подшипникового щита;

Z₃₃- сопротивление входа воздуха в окна заднего щита;

Z₃₄- сопротивление при движении воздуха улитке;

Z₃₅- сопротивление входа воздуха в окна остова;

Z₃₆- результирующее сопротивление при движении воздуха через выхлопной патрубок;

Z₃₇- результирующее сопротивление входа воздуха в двигатель.

Результирующие аэродинамические сопротивления получены путем объединения последовательных и (или) параллельных сопротивлений отдельных участков вентиляционной системы. Всего в схеме замещения для расчета сопротивлений отдельных участков вентиляционной системы были использованы три вида аэродинамических сопротивлений: лобовое сопротивление, сопротивление трения, местное сопротивление.

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 лобовыым сопротивлениям относятся сопротивления кабелей катушечных соединений, соединительных шин, рёбер нажимных шайб, кронштейнов щёткодержателей, самих щёткодержателей, лобовых частей компенсационной обмотки. Лобовые сопротивления складываются из сопротивления давления, сопротивления трения воздуха о поверхность тела и вычисляются по формуле:

,

где С – опытный коэффициент лобового сопротивления, зависит от числа Рейнольдса (Re), формы тела и шероховатости;

g – ускорение силы тяжести, м/сек²;

S_м - миделево сечение тела, м² (площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения);

S - площадь сечения канала, м² .

Число Рейнольдса вычисляется по формуле:

,

где V - скорость воздуха в канале, м/сек;

d_г - гидравлический диаметр, м;

м² /сек - кинематическая вязкость воздуха.

Гидравлический диаметр для канала произвольной формы, например межкатушечного пространства

,

где S_кан- площадь поперечного сечения канала, м²;

П_кан - периметр канала, м;

Сопротивление трения возникает из-за наличия сил трения, как между слоями охлаждающей среды, так и на поверхности соприкосновения её 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.

Аэродинамическое сопротивление трения вычисляется по формуле:

,

где - коэффициент гидравлического трения;

- длина канала, м;

d_г - гидравлический диаметр, м.

Для турбулентного движения по гладким каналам коэффициент гидравлического трения вычисляется по формуле:

.

Если стенки канала имеют шероховатость, то определяется по кривым в зависимости от величины относительной шероховатости и числа Рейнольдса. Относительная шероховатость

,

где - абсолютная шероховатость канала.

В тяговом двигателе абсолютную шероховатость для катушек полюсов можно принять 0,2 мм, для окрашенных сердечников, образующих воздушный зазор - 0,3 мм, для аксиальных каналов якоря - 0,5 мм.

Анализ экспериментальных данных позволил получить выражение коэффициента гидравлического трения для каналов межкатушечного пространства, воздушного зазора и якоря при принятых абсолютных шероховатостях в виде

.

На отдельных участках вентиляционной системы, где имеются повороты, местные расширения, сужения возникают местные сопротивления.

Местное сопротивление вычисляется по формуле

,

где - коэффициент местного сопротивления, зависит от характера местного сопротивления и шероховатости стенок канала.

Коэффициенты местных сопротивлений для входа (выхода) воздуха в каналы со скругленными краями между катушками статора, определяется по формулам

,

,

где S₁- площадь сечения канала перед входом в межкатушечное пространство или после выхода из него;

S - площадь сечения канала между катушками.