第08章_電機(jī)的發(fā)熱與冷卻

1、電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻第八章 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻第一節(jié) 電機(jī)的發(fā)熱與溫升第二節(jié) 電機(jī)的散熱第三節(jié) 電機(jī)的工作制、定額與額定容量第四節(jié) 電機(jī)的冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部存在多種損耗，如電流在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的繞組損耗、鐵心中磁場交變引起的鐵心損耗、通風(fēng)和機(jī)械摩擦引起的機(jī)械損耗等。這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蛑車橘|(zhì)傳播，使電機(jī)各部件的溫度升高，當(dāng)溫度超過絕緣允許的溫度時(shí)，將導(dǎo)致絕緣乃至電機(jī)的損壞。要將電機(jī)各部件的溫度控制在允許范圍內(nèi)，一方面要降低損耗，減少電機(jī)的發(fā)熱量，另一方面要提高電機(jī)的冷卻散熱能力。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻1 電機(jī)的發(fā)熱與溫升1.1電機(jī)的發(fā)熱和

2、冷卻規(guī)律電機(jī)中，各種材料的導(dǎo)熱能力相差很大。從導(dǎo)熱的角度看，電機(jī)不是一個(gè)均質(zhì)物體，其發(fā)熱和散熱過程非常復(fù)雜。所謂均質(zhì)物體，是指表面各點(diǎn)的散熱情況都相同且其內(nèi)部沒有溫差的物體。為簡化分析，常把電機(jī)或電機(jī)的某一部件作為均質(zhì)物體。(1)物體的發(fā)熱過程在起始時(shí)刻，物體的溫度與周圍介質(zhì)溫度相同，向周圍介質(zhì)散熱很少，其產(chǎn)生的熱量絕大部分用于物體溫度的提高；隨著物體溫度的升高，物體與周圍介質(zhì)的溫差增大，散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量增多，物體溫度升高的速度減緩；當(dāng)物體發(fā)出的熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)時(shí)，物體的溫度達(dá)到穩(wěn)定。物體溫度與環(huán)境溫度（或周圍介質(zhì)溫度）之差，稱為物體溫度與環(huán)境溫度（或周圍介質(zhì)溫度）之差，稱為物體的溫

3、升物體的溫升，用表示，單位為開爾文（K）。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻溫升隨時(shí)間t的變化規(guī)律為：0物體初始溫升；物體穩(wěn)態(tài)溫升，即t時(shí)的溫升； T1發(fā)熱時(shí)間常數(shù)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，通常為10150分鐘。 若初始溫升為零，則均質(zhì)物體的發(fā)熱方程為均質(zhì)物體的發(fā)熱過程曲線如圖所示，是一條指數(shù)曲線，通常當(dāng)t=(34)T1時(shí)溫升就基本穩(wěn)定了。 1100Tte11Tte電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱過程 電機(jī)不是均質(zhì)物體，其發(fā)熱過程曲線與上述指數(shù)曲線之間在起始階段有一定差別，這是因?yàn)槠鹗紩r(shí)繞組熱量散發(fā)較難而使銅的溫升升高得比鐵快所致。雖然如此，忽略它們之間的差別為我們研究電機(jī)的發(fā)熱過程提供了方便。電

4、機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)在很大的范圍內(nèi)變動(dòng)，一般約為10-150min。 1指數(shù)曲線 2實(shí)際電機(jī)的發(fā)熱過程曲線 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻(2)物體的冷卻過程當(dāng)均質(zhì)物體內(nèi)部停止產(chǎn)生熱量時(shí)，物體中儲(chǔ)存的熱量逐漸散發(fā)到周圍介質(zhì)中，物體溫度下降，直至其溫度與周圍介質(zhì)的溫度相同為止。冷卻方程為 T2冷卻時(shí)間常數(shù)冷卻時(shí)間常數(shù)，約為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)的25倍。電機(jī)雖然不是一個(gè)均質(zhì)物體，但其冷卻過程的基本特征與均質(zhì)物體基本相同。 20Tte圖8-3 均質(zhì)物體的冷卻過程曲線 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻1.2絕緣材料的絕緣等級(jí)及其允許工作溫度 在電工技術(shù)中，將絕緣材料按其允許工作溫度分成若干個(gè)耐熱等級(jí)：A、E、B

5、、F、H級(jí)，它們的允許工作溫度分別為105C、120C、130C、155C和180C。絕緣材料在相應(yīng)的允許工作溫度下長期運(yùn)行，一般不會(huì)產(chǎn)生不該有的性能變化，通常有1520年的使用壽命。當(dāng)絕緣材料工作溫度超過允許工作溫度時(shí)，使用壽命縮短，絕緣材料的使用壽命L可近似表示為A和B為常數(shù)，T為絕對(duì)溫度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作溫度每超過A級(jí)絕緣允許工作溫度8C（B級(jí)絕緣10C，F(xiàn)級(jí)絕緣12C，H級(jí)絕緣14C），絕緣材料的壽命縮短一半。TBAeL/電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻1.3電機(jī)的溫升限度電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各部件溫升的允許極限值稱為溫升限度溫升限度。溫升限度基本上取決于絕緣材料的允許工作溫度和冷卻介質(zhì)的溫度，

6、也與溫度的測(cè)量方法、傳熱和散熱條件、使用地點(diǎn)等有關(guān)。對(duì)于目前常用的冷卻系統(tǒng)，其冷卻介質(zhì)溫度基本上與周圍大氣溫度相同。大氣溫度隨季節(jié)和地點(diǎn)的變化而變化。我國各地平均最高溫度不超過35C，而最高溫度一般為3540C，少數(shù)地區(qū)為4045C。世界各國一般采用大多數(shù)地區(qū)的大氣最高溫度作為冷卻介質(zhì)的溫度，因此我國規(guī)定40C為冷卻介質(zhì)的溫度。 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻溫度測(cè)量方法的不同，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不同。在規(guī)定溫升限度的同時(shí)，還應(yīng)規(guī)定相應(yīng)的溫度測(cè)量方法。 溫度計(jì)法 該方法直接測(cè)量溫度，非常簡便，但只能測(cè)量電機(jī)各部分的表面溫度，無法得到內(nèi)部的最高溫度和平均溫度。電阻法 繞組的電阻R隨溫度t的升高而

7、增大，滿足以下規(guī)律 利用該規(guī)律可以進(jìn)行繞組溫度的測(cè)量。首先測(cè)定室溫下的溫度和繞組電阻，然后使電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)溫升達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將電機(jī)停轉(zhuǎn)，迅速測(cè)量繞組電阻，根據(jù)上式可計(jì)算出繞組的溫度。該方法測(cè)定的是繞組的平均溫度。0000tTtTRR電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻埋設(shè)溫度計(jì)法 在進(jìn)行電機(jī)裝配時(shí)，可在預(yù)計(jì)工作溫度最高的地方埋設(shè)熱電偶或電阻溫度計(jì)。該方法可測(cè)得接近于電機(jī)內(nèi)部最熱點(diǎn)的溫度。2 電機(jī)的散熱 電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種損耗都要轉(zhuǎn)換為熱量，熱量從發(fā)熱體傳到電機(jī)表面，再散發(fā)到周圍環(huán)境中。電機(jī)傳熱和散熱的方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種形式 。2.1熱傳導(dǎo) 熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳

8、到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)，是固體中熱量傳遞的主要方式。熱傳導(dǎo)只發(fā)生在空間上溫度有差異的溫度場中，熱量總是由高溫向低溫方向傳導(dǎo)。 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻在電機(jī)中，電機(jī)的底座和電機(jī)周圍的空氣通常都是不良導(dǎo)熱體，因此熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在電機(jī)內(nèi)部。電機(jī)內(nèi)的熱源主要是繞組損耗和鐵心損耗，繞組損耗所產(chǎn)生的熱量借助于熱傳導(dǎo)作用從繞組穿過絕緣傳遞到鐵心中，與鐵心產(chǎn)生的熱量一起被傳導(dǎo)到電機(jī)表面?？梢钥闯觯@組熱量的傳導(dǎo)比鐵心中熱量的傳導(dǎo)經(jīng)過的材料多，故繞組溫度通常高于鐵心溫度。將溫度場中溫度相同的點(diǎn)連接起來，就得到等溫線或等溫面。各點(diǎn)熱量傳導(dǎo)的方向總是與該點(diǎn)溫度的空間變化率最大的方向一致，也就

9、是與通過該點(diǎn)的等溫線或等溫面的法線方向一致。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻單位時(shí)間內(nèi)通過單位等溫面的熱量稱為熱流密度熱流密度qQ為單位時(shí)間內(nèi)通過等溫面的總熱量，即熱流量熱流量；A為等溫面的面積 。熱流密度與各點(diǎn)在等溫面的法線方向上的溫度空間變化率即溫度的梯度成正比 為熱導(dǎo)率，為溫度梯度 當(dāng)熱流沿x方向單方向傳導(dǎo)時(shí)，熱流密度為熱流量 AQq qdxdqdxdAQ電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻對(duì)于圖所示的平面熱傳導(dǎo)，熱量經(jīng)過厚度為的材料傳導(dǎo)時(shí)，兩側(cè)的溫差為 稱為熱阻熱阻。將溫差、熱流和熱阻之間的關(guān)系與電路中的電壓、電流和電阻之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)，即：溫差對(duì)應(yīng)電路中的電壓，熱流對(duì)應(yīng)電路中的電流，熱阻對(duì)

10、應(yīng)電路中的電阻，采用與電路相似的熱路概念，將溫度場分布的“場問題”看作“路問題”，得到如圖所示的熱路圖。采用熱路圖可以方便地進(jìn)行電機(jī)溫升的計(jì)算。 圖8-4 平面熱傳導(dǎo) AQ21QRAR圖8-5平面熱傳導(dǎo)熱路圖 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻2.2對(duì)流和輻射在電機(jī)中，通過熱傳導(dǎo)作用傳遞到電機(jī)表面的熱量通常通過兩種方式散發(fā)到周圍介質(zhì)中，一是熱對(duì)流，二是熱輻射。熱對(duì)流熱對(duì)流是液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環(huán)流動(dòng)使溫度趨于均勻的過程，是液體和氣體中熱傳遞的主要方式。物體因自身的溫度而具有向外發(fā)射能量的能力，這種熱傳遞的方式叫做熱輻射熱輻射。 在平靜的大氣中，輻射散發(fā)的熱量約占總散熱量的40

11、。當(dāng)采用強(qiáng)制對(duì)流冷卻電機(jī)時(shí)，輻射散發(fā)的熱量所占比例很小，可以忽略不計(jì)。 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻(1)輻射散熱根據(jù)史蒂芬波爾茲曼定律，每秒從發(fā)熱體單位表面輻射出去的熱量為(2)對(duì)流散熱在電機(jī)中，繞組、鐵心所發(fā)出的熱量以及傳導(dǎo)到電機(jī)表面的熱量是經(jīng)對(duì)流作用由流過它們表面的流體(如空氣)帶走的。所帶走的熱量可用牛頓散熱定律計(jì)算熱路的形式 28404/107 . 5mWTTq21qaRQAQq圖8-6 對(duì)流散熱的熱路圖電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻3 電機(jī)的工作制、定額與額定容量 3.1工作制工作制是對(duì)電機(jī)承受負(fù)載情況的說明，包括起動(dòng)、電制動(dòng)、空載、斷能停轉(zhuǎn)以及這些階段的持續(xù)時(shí)間和先后順序。

12、連續(xù)工作制S1 短時(shí)工作制S2 斷續(xù)周期工作制S3包括起動(dòng)的斷續(xù)周期工作制S4包括電制動(dòng)的斷續(xù)周期工作制S5連續(xù)周期工作制S6包括電制動(dòng)的連續(xù)周期工作制S7包括變負(fù)載變速的連續(xù)周期工作制S8負(fù)載和轉(zhuǎn)速作非周期變化的工作制S9離散恒定負(fù)載工作制S10 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻3.2電機(jī)的定額電機(jī)的定額定額是由制造廠對(duì)符合指定條件的電機(jī)所規(guī)定的、并在銘牌上標(biāo)明的電量和機(jī)械量的全部數(shù)值及其持續(xù)時(shí)間和順序。連續(xù)工作制定額 是制造廠對(duì)電機(jī)負(fù)載和各種條件所作的規(guī)定。短時(shí)工作制定額是制造廠對(duì)電機(jī)負(fù)載、運(yùn)行時(shí)間和各種條件的規(guī)定。周期工作制定額是制造廠對(duì)電機(jī)負(fù)載和各種條件的規(guī)定。 非周期工作制定額是制造

13、廠對(duì)電機(jī)在相應(yīng)的變速范圍內(nèi)的變動(dòng)負(fù)載（包括過載）和各種條件的規(guī)定。 離散恒定負(fù)載工作制定額等效負(fù)載定額 一種為試驗(yàn)?zāi)康亩?guī)定的定額。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻3.3額定容量電機(jī)的額定容量額定容量就是電機(jī)的額定輸出功率。對(duì)于發(fā)電機(jī)來說，額定容量是指輸出的電功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，額定容量是軸端輸出的機(jī)械功率。電機(jī)銘牌上通常標(biāo)有額定值，如額定功率、額定電壓、效率和功率因數(shù)等。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若各種電量（如電壓、電流、頻率等）和機(jī)械量（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）均符合銘牌上規(guī)定的額定值，則我們稱這種運(yùn)行狀況為額定運(yùn)行。電機(jī)額定容量取決于電機(jī)的發(fā)熱和散熱條件。電機(jī)的額定容量越大。額定容量與工作制、使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)型

14、式和冷卻方式有關(guān)。電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式不同，則散熱條件不同，電機(jī)的額定容量也不同。如開啟式電機(jī)的散熱條件好于封閉式電機(jī)，前者的額定容量比后者大。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的額定容量還與使用環(huán)境有關(guān)，若環(huán)境溫度、冷卻介質(zhì)、海拔和相對(duì)濕度等與規(guī)定的不同，則要對(duì)額定容量進(jìn)行修正。如在高海拔地區(qū)使用，空氣稀薄，冷卻能力差，則應(yīng)該降低電機(jī)的額定容量。冷卻方式對(duì)電機(jī)的額定容量影響很大，冷卻能力越強(qiáng)，電機(jī)各部件的溫度越低，額定容量越大。電機(jī)的額定容量還與工作制有關(guān)，同一臺(tái)電機(jī)，若運(yùn)行在不同的工作制下，其額定容量不同。例如，長期運(yùn)行時(shí)的溫升要高于短時(shí)運(yùn)行，其額定容量要小于后者。電機(jī)額定容量的規(guī)定還應(yīng)具有一

15、定的靈活性，它不但要供給額定負(fù)載，還應(yīng)能夠在短時(shí)間內(nèi)允許適當(dāng)限度的過載而不致使溫升超過限度。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻4 電機(jī)的冷卻隨著電機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的單機(jī)容量不斷增大。為減小電機(jī)體積、提高材料利用率，通常選用較高的電磁負(fù)荷，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱量增加。要保證電機(jī)可靠工作，必須提高電機(jī)的散熱冷卻能力，電機(jī)的散熱冷卻技術(shù)隨之發(fā)展。在冷卻介質(zhì)方面，首先被采用的是空氣，后來采用氫、水和油等。在冷卻方式方面，從表面冷卻表面冷卻（外冷）發(fā)展到冷卻效果較好的內(nèi)部冷卻內(nèi)部冷卻（內(nèi)冷）。 4.1表面冷卻方式 在電機(jī)中，冷卻介質(zhì)通過繞組、鐵心和機(jī)殼的表面，將熱量帶走，稱為表面冷卻。表面冷卻主要采用

16、空氣做冷卻介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)，但冷卻效果較差，在高速電機(jī)中產(chǎn)生的摩擦損耗較大，主要用于中小型電機(jī)中。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻 表面冷卻按結(jié)構(gòu)可分為自冷自冷、內(nèi)部風(fēng)扇自冷內(nèi)部風(fēng)扇自冷、外部風(fēng)扇自冷外部風(fēng)扇自冷和他扇冷他扇冷。自冷 自冷式電機(jī)沒有任何冷卻裝置，僅依靠表面的輻射和自然對(duì)流使電機(jī)得以冷卻，散熱能力差。內(nèi)部風(fēng)扇自冷 內(nèi)部風(fēng)扇自冷式電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有風(fēng)扇，風(fēng)扇驅(qū)使冷卻介質(zhì)流過電樞表面，并從軸向和徑向的通風(fēng)道內(nèi)通過，將熱量帶走。外部風(fēng)扇自冷 外部風(fēng)扇自冷式電機(jī)裝有內(nèi)外兩層風(fēng)扇。這種冷卻方式適用于封閉式和防爆式電機(jī)。他扇冷他扇冷式 電機(jī)用以供給冷卻空氣的風(fēng)扇不是由電機(jī)本身驅(qū)

17、動(dòng)的，而是由另外的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻4.2內(nèi)部冷卻方式大型同步發(fā)電機(jī)電壓較高，繞組采用較厚的絕緣層，而絕緣材料的導(dǎo)熱性能較差，若采用表面冷卻方式，即使絕緣外表面得到很好的冷卻，絕緣內(nèi)層的溫度仍可能超過絕緣的允許工作溫度。為解決這一問題，廣泛采用內(nèi)部冷卻方式。所謂內(nèi)部冷卻，就是采用空心導(dǎo)體將冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)體內(nèi)部直接帶走熱量的冷卻方式。采用內(nèi)部冷卻，導(dǎo)體的熱量不再經(jīng)過絕緣層，而是直接被冷卻介質(zhì)帶走，大大提高了冷卻效果，改善了絕緣材料的工作條件。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，內(nèi)部冷卻方式又分為氫內(nèi)冷氫內(nèi)冷、水內(nèi)冷水內(nèi)冷和空氣內(nèi)冷空氣內(nèi)冷。 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻氫內(nèi)冷 冷卻

18、介質(zhì)為氫氣。轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷時(shí)，繞組和槽楔上有與槽底通風(fēng)槽相通的小孔，氫氣可自槽底通風(fēng)槽進(jìn)入，冷卻轉(zhuǎn)子后再由小孔軸向流入空氣隙；也可在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上銑出兩排斜向相反的扁條狀斜孔，所有銅線疊在一起就形成兩排不同方向的傾斜風(fēng)道，氫氣自槽楔上正對(duì)氣流方向的風(fēng)斗進(jìn)入風(fēng)道，冷卻導(dǎo)體后，由槽楔上背向氣流方向的風(fēng)斗排出。空氣內(nèi)冷 冷卻介質(zhì)為空氣，冷卻結(jié)構(gòu)與氫內(nèi)冷相同。氫冷發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行操作人員要求高空氣冷卻汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)簡單，沒有充氫、排氫和氫油密封這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運(yùn)行維修操作簡單，沒有氫氣爆炸的危險(xiǎn)。其缺點(diǎn)是定子繞組溫度高，銅鐵溫差大，電機(jī)效率較氫冷低，轉(zhuǎn)子銅線內(nèi)易積灰，發(fā)電機(jī)有效部分尺寸大。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻水內(nèi)冷 冷卻介質(zhì)為水。繞組采用管式導(dǎo)線，冷卻水沿導(dǎo)線內(nèi)孔流動(dòng)，直接將導(dǎo)體的熱量帶走