《电机设计》课件之六.ppt

第七章发热计算 7 1电机允许的温升限度 一 概述 电机运行 产生损耗 变为热能 电机各部分温度升高 温升 电机部件的温度与周围介质温度之差 称为该部件的温升 用 来表示 根据对物质体发热过程的分析 温升随时间的变化是呈指数曲线关系 如图所示 为什么升温的变化过程呈现指数关系 起始阶段 物体温度与周围介质温度相同 物体所产生的损耗热全部用来提升物体温度 因此 物体温度上升很快 稳定阶段 当物体内部产生的热量与散发到周围介质中支的热量相等时 物体本身的温度不再增加 中间阶段 由于物体温度高于周围介质温度 温差加大 于是物体的热量就散发到周围介质 散发量随着温差的加大而加大 温升对电机部件的影响 首当其冲的是绕组的绝缘材料 如何降低温升 1 提高效率 减少损耗 2 增强电机的散热能力 如强迫风冷 二 我国采用的电机温升限度 温升限度 指电机在额定负载运行下 各部件温升的允许极限值称为温升极限 对电机而言 其温升极限基本上取决于绝缘材料所允许的最高温度及冷却介质的温度 不同绝缘等级的绝缘材料 其耐温极限如下表所示 1 温度对绝缘材料寿命的影响 绝缘材料在规定的极限温度下工作 能够获得经济的使用寿命 20年 但如果超过极限温度 则寿命按指数规律下降 例如 对A级绝缘 当工作极限温度超过8 时 B级10 F级12 H级14 其使用寿命降一半 2 冷却介质温度的确定 冷却介质温度即为大气温度 每个国家一般都采用大部分地区的大气绝对最高温度作为冷却介质的温度 因此我国的国家标准规定 40 作为冷却介质温度 3 测量温度的方法 有温度计法 电阻法 埋置检温计法三种方法 不同的方法测出的平均温度与最热点温度之间的差别不一样 例如在标准中规定A级绝缘的定子绕组 用温度计法测得的温升限度为50 它是由该级绝缘的最高温度105 减去40 得65 再减掉平均温度与最高温度的差别15 后得到 4 海拔高度对温升的影响 海拔高度不同 则空气的稀薄也不同 散热条件也不同 国标规定 当电机的使用地点的海拔高 低 于试验地点的海拔时 其温升限度应按两地海拔之差每100m减 加 去规定值的1 低于1000m均算作1000m B极绝缘 B极绝缘 温升 80K 7 2传热基本定律 一 概述 电机散热有三种方式 由损耗产生的热量 先由发热体内部传导至表面 然后经过对流和 辐射的作用散到周围去 因此从上述三种方式的基本定律中得出温升的计算方法 二 热传导定律 传导只发生在温度有高低差别的温度场中 将场中的相同温度点联接起来 便得到等温线或面 如图所示 并且 热的传导方向是和温度空间变化率最大的方向一致 即与等温线的法线方向一致 如图所示 热流密度q 单位时间内通过单位等温面的热量 该物理量的单位为 J m2 s 热传导定律 温度场各点的热流密度q与该点的温度梯度成正比 如果热流只有一个方向 即x方向的平面热传导 则上式可改写为 如果A是常数 解上式微分方程得 因此 在平面热传导中 温度分布是一直线 如图所示 为了计算温升方便 将 场 的问题转变为 路 的问题 引入电路的概念 即将温差 当作电压 热流 当作电流 热阻R 当作电阻 于是在热路中 合成热阻的计算方法也与电路中求电阻的方法一样 三 热传导方程 四 对流和辐射散热 一 辐射散热 表7 4 一般情况下 当采用强制对流冷却电机时 由辐射带走的热量微乎其微 可忽略不计 但是在平静的大气中 由辐射散发的热量约占总散热量的40 二 对流散热 固体表面与流体接触时的散热情况 如图所示 1 首先当固体的温度与流体温度不等时 它们之间就有热交换 热量高温物体传向低温物体 2 这种交换存在着传导与对流两种方式 3 散热能力取决于流体的固体表面上的运动状态 在靠近固体表面处 流体作层流运动 层与层之间没有流体交换 因此热量传递主要靠传导 4 当流体作紊流运动时 流体各部分作无规则的旋涡运动 相互间有流体交换 交换过程也就是热量的传递过程 所以热量传递方式主要是对流 5 对流散热时 表面散热能力还与冷却介质的物理性能 固体表面几何形状 尺寸等因素有关 五 牛顿散热定律和散热系数 对流作用带走的热量 都采用牛顿散热定律来计算 一般情况下 的确定很困难 只能用实验的方法来确定 如果用空气作为冷却介质 忽略散热表面几何尺寸等因素的影响 则可以近似地认为散热系数仅与空气的流速有关 当空气流速在5 25m s时 与流速v的关系如下 把牛顿散热定律改写成 当热量从电机绕组端部传给冷却空气时 要经过两个热阻 绝缘中的传导热阻和绕组表面的散热热阻 总热阻为这两个热阻之和 即 7 3电机稳定温升的计算 一 电机中的温度分布 温升的计算主要是计算绕组和铁心的温升 因为它们既是热源 又是导热介质 温度在空间总是按一定规律呈曲线分布 因此有最高温升与平均温升之别 但在计算是从整体来处理 通常只计算发热部件的平均温升 一 采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向的温度分布 这种通风系统 铁心有径向通风道 径向风量大体相同 定子绕组的温度分布如下图所示 热量一部分由风道散到空气中 另一部分由端部散到空气中 二 采用轴向通风系统或混合式通风系统 最高温度位置向热风逸出电机的出口方向移动 如图所示 三 表面冷却的封闭式 交流 电机中定子绕组温度沿轴向分布 这类电机的绕组损耗主要通过铁心 机座散出去 而端部的散热条件较差 端部损耗热量主要部分通过铁心散出去 形成中间低两端高的温度分布 如图所示 四 励磁绕组中的温度分布 图略 五 铁心叠片组中的温度分布 硅钢片叠片组的径向热导率要远大于轴向热导率 可以近似地认为在铁心中沿着径向的温度分布是均匀的 而沿着轴向分布是不均匀的 如图所示 如果两侧径向通风量不同 则沿轴向的温度分布也不对称 二 用热路法计算电机的平均温升 1 计算时假定绕组铜 铝 和铁心的热导率为无穷大 即认为 铜 和 铁 都是等温体 其温度为平均温度 2 在上述假定下 电机的温度降将集中在绕组绝缘和有关的散热表面处的冷却介质的流体中 3 利用热路法计算绝缘内的温度降和表面冷却介质温度降 得到绕组和铁心的平均温升 4 大多数情况下 由于定子与转子间隔着一层气隙 而空气的热阻比其它散热途径要大得多 因此可以忽略定 转子间的热交换 将定子绕组和定子铁心视为独立的热源 构成二热源热路 在电机的温升计算中 应用最多的是二热源热路法 一 二热源热路法 以空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例说明二热源热路法的计算 由铁心损耗产生的热量可从以下四条途径散出 1 从通道表面散出 其热阻为RF1 2 从铁心内圆表面散出 其热阻为RF2 3 从铁心外圆表面散出 其热阻为RF3 4 先传给绕组铜 再由铜散出 此热阻等于前面的RCF 1 从绕组端部表面传给空气 其热阻为RC1 2 从通风道中的绕组表面传给空气 其热阻为RC2 3 先传给铁心 再由铁心传给空气 绕组铜与铁心之间的热阻为RCF 定子绕组铜耗产生的热量可以从三条途径散出 假定绕组各部分的温度相同 铁心各部分温度相同 空气各部分温度也相同 则可画出如下二热源热路图 由图列出如下方程 解上二式得 由解式可见 铜和铁的温升都可视为两部分温升的叠加 例如对铜的温升可以写为 热阻计算 1 定子绕组铜与铁心之间的绝缘热阻RCF的计算 2 绕组端部铜和空气间的热阻RC1的计算 由两部分的热阻组成 1 端部绝缘的传导热阻RC1 2 端部表面的散热热阻RC1 3 径向通风道中的绕组部分和空气之间的热