第章電機的發(fā)熱與冷卻PPT課件

1、單擊此處編輯母版文本樣式第三級第四級*電機電機的發(fā)熱與冷卻第八章 電機的發(fā)熱與冷卻第一節(jié) 電機的發(fā)熱與溫升第二節(jié) 電機的散熱第三節(jié) 電機的工作制、定額與額定容量第四節(jié) 電機的冷卻電機運行時，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、通風和機械摩擦引起的機械損耗等。這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蛑車橘|(zhì)傳播，使電機各部件的溫度升高，當溫度超過絕緣允許的溫度時，將導(dǎo)致絕緣乃至電機的損壞。要將電機各部件的溫度控制在允許范圍內(nèi)，一方面要降低損耗，減少電機的發(fā)熱量，另一方面要提高電機的冷卻散熱能力。1 電機的發(fā)熱與溫升1.1電機的發(fā)熱和冷卻規(guī)律電機中，各種材料的導(dǎo)熱能力相差

2、很大。從導(dǎo)熱的角度看，電機不是一個均質(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，常把電機或電機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；當物體發(fā)出的熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)時，物體的溫度達到穩(wěn)定。物體溫度與環(huán)境溫度（或周圍介質(zhì)溫度）之差，稱為物體的溫升，用表示，單位為開爾文（K）。溫升隨時間t的變化規(guī)律為：0物體初始溫升；物體穩(wěn)態(tài)溫

3、升，即t時的溫升； T1發(fā)熱時間常數(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t=(34)T1時溫升就基本穩(wěn)定了。 電機的發(fā)熱過程 電機不是均質(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，這是因為起始時繞組熱量散發(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的發(fā)熱過程提供了方便。電機的發(fā)熱時間常數(shù)在很大的范圍內(nèi)變動，一般約為10-150min。 1指數(shù)曲線 2實際電機的發(fā)熱過程曲線 (2)物體的冷卻過程當均質(zhì)物體內(nèi)部停止產(chǎn)生熱量時，物體中儲存的熱量逐漸散發(fā)到周圍介質(zhì)中，物

4、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冷卻時間常數(shù)，約為發(fā)熱時間常數(shù)的25倍。電機雖然不是一個均質(zhì)物體，但其冷卻過程的基本特征與均質(zhì)物體基本相同。 圖8-3 均質(zhì)物體的冷卻過程曲線 1.2絕緣材料的絕緣等級及其允許工作溫度 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耐熱等級：A、E、B、F、H級，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行，一般不會產(chǎn)生不該有的性能變化，通常有1520年的使用壽命。當絕緣材料工作溫度超過允許工作溫度時，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)

5、，T為絕對溫度 根據(jù)經(jīng)驗，工作溫度每超過A級絕緣允許工作溫度8C（B級絕緣10C，F(xiàn)級絕緣12C，H級絕緣14C），絕緣材料的壽命縮短一半。1.3電機的溫升限度電機運行時，各部件溫升的允許極限值稱為溫升限度。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，也與溫度的測量方法、傳熱和散熱條件、使用地點等有關(guān)。對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。

6、溫度測量方法的不同，會造成測量結(jié)果的不同。在規(guī)定溫升限度的同時，還應(yīng)規(guī)定相應(yīng)的溫度測量方法。 溫度計法 該方法直接測量溫度，非常簡便，但只能測量電機各部分的表面溫度，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的升高而增大，滿足以下規(guī)律 利用該規(guī)律可以進行繞組溫度的測量。首先測定室溫下的溫度和繞組電阻，然后使電機運行，當電機溫升達到穩(wěn)定時，將電機停轉(zhuǎn)，迅速測量繞組電阻，根據(jù)上式可計算出繞組的溫度。該方法測定的是繞組的平均溫度。埋設(shè)溫度計法 在進行電機裝配時，可在預(yù)計工作溫度最高的地方埋設(shè)熱電偶或電阻溫度計。該方法可測得接近于電機內(nèi)部最熱點的溫度。2 電機的散熱 電機運行時產(chǎn)生

7、的各種損耗都要轉(zhuǎn)換為熱量，熱量從發(fā)熱體傳到電機表面，再散發(fā)到周圍環(huán)境中。電機傳熱和散熱的方式有熱傳導(dǎo)、對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系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象稱為熱傳導(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)。 在電機中，電機的底座和電機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)生在電機內(nèi)部。電機內(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)到電機表面?？梢钥闯?，繞組熱量的傳導(dǎo)比鐵心中熱量的傳導(dǎo)經(jīng)過的材料多，故

8、繞組溫度通常高于鐵心溫度。將溫度場中溫度相同的點連接起來，就得到等溫線或等溫面。各點熱量傳導(dǎo)的方向總是與該點溫度的空間變化率最大的方向一致，也就是與通過該點的等溫線或等溫面的法線方向一致。單位時間內(nèi)通過單位等溫面的熱量稱為熱流密度qQ為單位時間內(nèi)通過等溫面的總熱量，即熱流量；A為等溫面的面積 。熱流密度與各點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 當熱流沿x方向單方向傳導(dǎo)時，熱流密度為熱流量 對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，兩側(cè)的溫差為 稱為熱阻。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)系對應(yīng)，即：溫差對應(yīng)電路中的

9、電壓，熱流對應(yīng)電路中的電流，熱阻對應(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行電機溫升的計算。 圖8-4 平面熱傳導(dǎo) 圖8-5平面熱傳導(dǎo)熱路圖 2.2對流和輻射在電機中，通過熱傳導(dǎo)作用傳遞到電機表面的熱量通常通過兩種方式散發(fā)到周圍介質(zhì)中，一是熱對流，二是熱輻射。熱對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。 在平靜的大氣中，輻射散發(fā)的熱量約占總散熱量的40。當采用強制對流冷卻電機時

10、，輻射散發(fā)的熱量所占比例很小，可以忽略不計。 (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)對流散熱在電機中，繞組、鐵心所發(fā)出的熱量以及傳導(dǎo)到電機表面的熱量是經(jīng)對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算熱路的形式 圖8-6 對流散熱的熱路圖3 電機的工作制、定額與額定容量 3.1工作制工作制是對電機承受負載情況的說明，包括起動、電制動、空載、斷能停轉(zhuǎn)以及這些階段的持續(xù)時間和先后順序。連續(xù)工作制S1 短時工作制S2 斷續(xù)周期工作制S3包括起動的斷續(xù)周期工作制S4包括電制動的斷續(xù)周期工作制S5連續(xù)周期工作制S6包括電制動的連續(xù)周

11、期工作制S7包括變負載變速的連續(xù)周期工作制S8負載和轉(zhuǎn)速作非周期變化的工作制S9離散恒定負載工作制S10 3.2電機的定額電機的定額是由制造廠對符合指定條件的電機所規(guī)定的、并在銘牌上標明的電量和機械量的全部數(shù)值及其持續(xù)時間和順序。連續(xù)工作制定額 是制造廠對電機負載和各種條件所作的規(guī)定。短時工作制定額是制造廠對電機負載、運行時間和各種條件的規(guī)定。周期工作制定額是制造廠對電機負載和各種條件的規(guī)定。 非周期工作制定額是制造廠對電機在相應(yīng)的變速范圍內(nèi)的變動負載（包括過載）和各種條件的規(guī)定。 離散恒定負載工作制定額等效負載定額 一種為試驗?zāi)康亩?guī)定的定額。3.3額定容量電機的額定容量就是電機的額定輸出功

12、率。對于發(fā)電機來說，額定容量是指輸出的電功率。對于電動機來說，額定容量是軸端輸出的機械功率。電機銘牌上通常標有額定值，如額定功率、額定電壓、效率和功率因數(shù)等。電機運行時，若各種電量（如電壓、電流、頻率等）和機械量（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）均符合銘牌上規(guī)定的額定值，則我們稱這種運行狀況為額定運行。電機額定容量取決于電機的發(fā)熱和散熱條件。電機的額定容量越大。額定容量與工作制、使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式和冷卻方式有關(guān)。電機的結(jié)構(gòu)型式不同，則散熱條件不同，電機的額定容量也不同。如開啟式電機的散熱條件好于封閉式電機，前者的額定容量比后者大。電機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)、海拔和相對濕度等與規(guī)定的不同

13、，則要對額定容量進行修正。如在高海拔地區(qū)使用，空氣稀薄，冷卻能力差，則應(yīng)該降低電機的額定容量。冷卻方式對電機的額定容量影響很大，冷卻能力越強，電機各部件的溫度越低，額定容量越大。電機的額定容量還與工作制有關(guān)，同一臺電機，若運行在不同的工作制下，其額定容量不同。例如，長期運行時的溫升要高于短時運行，其額定容量要小于后者。電機額定容量的規(guī)定還應(yīng)具有一定的靈活性，它不但要供給額定負載，還應(yīng)能夠在短時間內(nèi)允許適當限度的過載而不致使溫升超過限度。4 電機的冷卻隨著電機設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展，電機的單機容量不斷增大。為減小電機體積、提高材料利用率，通常選用較高的電磁負荷，導(dǎo)致電機發(fā)熱量增加。要保證電機可靠工

14、作，必須提高電機的散熱冷卻能力，電機的散熱冷卻技術(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（外冷）發(fā)展到冷卻效果較好的內(nèi)部冷卻（內(nèi)冷）。 4.1表面冷卻方式 在電機中，冷卻介質(zhì)通過繞組、鐵心和機殼的表面，將熱量帶走，稱為表面冷卻。表面冷卻主要采用空氣做冷卻介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點，但冷卻效果較差，在高速電機中產(chǎn)生的摩擦損耗較大，主要用于中小型電機中。 表面冷卻按結(jié)構(gòu)可分為自冷、內(nèi)部風扇自冷、外部風扇自冷和他扇冷。自冷 自冷式電機沒有任何冷卻裝置，僅依靠表面的輻射和自然對流使電機得以冷卻，散熱能力差。內(nèi)部風扇自冷 內(nèi)部風扇自冷式電機的

15、轉(zhuǎn)子上裝有風扇，風扇驅(qū)使冷卻介質(zhì)流過電樞表面，并從軸向和徑向的通風道內(nèi)通過，將熱量帶走。外部風扇自冷 外部風扇自冷式電機裝有內(nèi)外兩層風扇。這種冷卻方式適用于封閉式和防爆式電機。他扇冷他扇冷式 電機用以供給冷卻空氣的風扇不是由電機本身驅(qū)動的，而是由另外的動力驅(qū)動。 4.2內(nèi)部冷卻方式大型同步發(fā)電機電壓較高，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

16、，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、水內(nèi)冷和空氣內(nèi)冷。 氫內(nèi)冷 冷卻介質(zhì)為氫氣。轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷時，繞組和槽楔上有與槽底通風槽相通的小孔，氫氣可自槽底通風槽進入，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道，氫氣自槽楔上正對氣流方向的風斗進入風道，冷卻導(dǎo)體后，由槽楔上背向氣流方向的風斗排出?？諝鈨?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)電機組啟動復(fù)雜，對運行操作人員要求高空氣冷卻汽輪發(fā)電機系統(tǒng)簡單，沒有充氫、排氫和氫油密封這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運行維修操作簡單，沒有氫氣爆炸的危險。其缺點是定子繞組溫度高，銅鐵溫差大，電機效率較氫冷低，轉(zhuǎn)子銅線內(nèi)易積灰，發(fā)電機有效部分尺寸大。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，直接將導(dǎo)體的熱量帶走。 水內(nèi)冷冷卻方