Тепловой баланс и превышение температуры электродвигателей
Температура ЭД зависит не только от нагрузки, но и от температуры окружающей (охлаждающей) среды.[гер450с чек 352. 350] При расчетах температуру охлаждающей среды для судового электрооборудования принимают +40 
.
Для электродвигателей нормируется не допустимая температура обмотки и других частей машины, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды.[чилк350]
Разность между температурами двигателя и окружающей (охлаждающей) среды называют превышением температуры или температурой перегрева и обозначают 
.
Например, для широко распространенной изоляции класса «А» допустимая температура перегрева составляет 65 , 
, а допустимая температура изоляции класса «А» 105 
(Табл7.1).
= 
=105 ,
где; 40 – температура окружающей среды.
При расчетах процессов нагревания и охлаждения электрическую машину рассматривают как однородное тело, которое равномерно нагревается и излучает теплоту всей поверхностью.
Перед работой ЭД имеет температуру окружающей среды, а при работе вся выделяющаяся теплота идет на повышение температуры двигателя.
Количество теплоты 
, необходимое для нагрева двигателя массой – m, теплоемкость которого – C [Вт·с/град], при повышении температуры двигателя в процессе работы на – 
, определяется по формуле
. (7-2)
Когда температура ЭД становится выше температуры окружающей среды, начинается процесс теплоотдачи от двигателя в окружающую среду. При постоянной нагрузке, через некоторое время, температура ЭД достигает установившегося значения и прекращается повышение ткемпературы.
При установившейся температуре 
, вся теплота, выделяющаяся в ЭД, отдается в окружающую среду. То есть наступает тепловое равновесие : при этом часть выделяющейся теплоты расходуется на поддержание установившейся температуры двигателя а остальная часть теплоты отдается в окружающую среду.
Если нагрузка на вал двигателя увеличится, то ток двигателя увеличится и установившаяся температура так же увеличится при большем значении мощности, развиваемой двигателем.
Уравнение теплового баланса двигателя при постоянной нагрузке имеет следующий вид:
(7-3)
где; 
– количество теплоты (мощность потерь в двигателе), выделяющейся в двигателе за 1секунду;
– температура перегрева 
(превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды),соответствующая промежутку времени 
, за который выделяется энергия 
;
– общее количество тепла, выделяющееся в двигателе за время 
;
– количество тепла, расходуемого на нагрев двигателя до установившейся температуры;
– количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду;
– коэффициент теплоотдачи, количество тепла, отдаваемого двигателем в окружающую среду в течение 1 секунды при разности температур двигателя и среды 
;
– теплоемкость двигателя – количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на .
После достижения установившегося превышения температуры двигателя– , увеличение температуры двигателя прекращается то есть 
становится равным нулю.
Подставим 
в (7-3) и получим установившееся превышение температуры (температуру перегрева) двигателя – :
(7-4)
Каждой нагрузке двигателя соответствует своя установившаяся температура превышения двигателя – .
Совершенно очевидно [герс 450с], двигатель можно нагружать только мощностью, при которой температура не превышает максимально допустимого значения для его изоляции.
Наибольшую мощность , при которой двигатель длительно работает без опастности перегрева изоляции , называют номинальной мощностью[герс 450с].
Номинальная мощность вместе с другими номинальными параметрами указывается на щитке ЭД.
Из выражения (7-4) видно, что установившаяся температура превышения возрастает с уменьшением теплоотдачи 
. Чем лучше охлаждается ЭД при работе, тем ниже установившаяся температура превышения ( ). Поэтому ЭД снабжают вентиляторами и применяют ребристые корпуса для увеличения охлаждающей поверхности.
Разделим (7-3) на 
:
Учитывая (7-4) что 
:
обозначим 
,
(7-5)
получили дифференциальное уравнение 1– го порядка(7-5) ,неизвестная 
.
Решение линейного дифференциального уравнения (7-5) показывает закон изменения температуры превышение двигателя – во времени (7-6):
(7-6)
здесь:
– начальное превышение температуры, с которым ЭД начинает работать;
– конечное установившееся превышение температуры двигателя.
– постоянная времени нагревания двигателя – это время, в течение колторогопревышение температурыдвигателя над температурой окружающей среды от 
достигло бы установившегося значения при = const (при постоянном количестве теплоты, выделяющейся в двигателе за 1секунду) и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду.
Если ЭД начинает работать в «холодном» состоянии (нагрет до 
) то 
и уравнение (7-6) не содержит второго слагаемого,
. (7-6а)
Рассмотрим графики нагревания и охлаждения ЭД при разных нагрузках и начале работы привода с разных температур.13,01,13
Рис. 7.1 Кривые нагрева и охлаждения двигателя
Кривая 1 и 2 соответствуют работе двигателя с «холодного» состояния (тмпературы двигателя и окружающей среды одинаковые), но при разных нагрузках: кривая 1соответствует –малой нагрузке, кривая 2 –большей нагрузке.
Кривая 3 – соответствует работе двигателя c такой же нагрузкой как и для кривой 2 но, когда двигатель уже имеет начальное превышение температуры 
по сравнению с кривыми 1 и 2.
Кривые нагревания и охлаждения являются экспонентами. Установившаяся температура (1,2,3) достигается практически за время (3 
5) 
(погрешность 5 и 0.5%).
После отключения двигателя от сети выделение теплоты в нем прекращается.
и соответственно:
.
Для процесса охлаждения изменение температуры принимает вид:
,
(7-7)
где : 
– постоянная времени охлаждения;
– теплоотдача при охлаждении.
Время охлаждения ЭД до установившейся температуры или до температуры охлаждающей среды принимается равным:
Интенсивность охлаждения ЭД зависит от способа вентиляции и его скорости. В двигателе с самовентиляцией условия охлаждения значительно хуже, чем в двигателе с принудительной вентиляцией. Поэтому постоянная охлаждения – 
для них в 2 3 раза больше постоянной нагрева 
.
Регулярные продувки и очистки поверхности ЭД от пыли увеличивают теплоотдачу и обеспечивают его наиболее полное использование.
После этого листа идет стр 20 (М) печатный текст