电机的发热与冷却

电机的发热与冷却第一页，共二十五页，2022年，8月28日电机运行时，内部存在多种损耗，如电流在导体内产生的绕组损耗、铁心中磁场交变引起的铁心损耗、通风和机械摩擦引起的机械损耗等。这些损耗都转变为热量，向周围介质传播，使电机各部件的温度升高，当温度超过绝缘允许的温度时，将导致绝缘乃至电机的损坏。要将电机各部件的温度控制在允许范围内，一方面要降低损耗，减少电机的发热量，另一方面要提高电机的冷却散热能力。第二页，共二十五页，2022年，8月28日1电机的发热与温升1.1电机的发热和冷却规律电机中，各种材料的导热能力相差很大。从导热的角度看，电机不是一个均质物体，其发热和散热过程非常复杂。所谓均质物体，是指表面各点的散热情况都相同且其内部没有温差的物体。为简化分析，常把电机或电机的某一部件作为均质物体。(1)物体的发热过程在起始时刻，物体的温度与周围介质温度相同，向周围介质散热很少，其产生的热量绝大部分用于物体温度的提高；随着物体温度的升高，物体与周围介质的温差增大，散发到周围介质的热量增多，物体温度升高的速度减缓；当物体发出的热量全部散发到周围介质时，物体的温度达到稳定。物体温度与环境温度（或周围介质温度）之差，称为物体的温升，用表示，单位为开尔文（K）。第三页，共二十五页，2022年，8月28日温升随时间t的变化规律为：0－物体初始温升；－物体稳态温升，即t时的温升；T1－发热时间常数，通常为10～150分钟。若初始温升为零，则均质物体的发热方程为均质物体的发热过程曲线如图所示，是一条指数曲线，通常当t=(3~4)T1时温升就基本稳定了。第四页，共二十五页，2022年，8月28日电机的发热过程电机不是均质物体，其发热过程曲线与上述指数曲线之间在起始阶段有一定差别，这是因为起始时绕组热量散发较难而使铜的温升升高得比铁快所致。虽然如此，忽略它们之间的差别为我们研究电机的发热过程提供了方便。电机的发热时间常数在很大的范围内变动，一般约为10-150min。1－指数曲线2－实际电机的发热过程曲线第五页，共二十五页，2022年，8月28日(2)物体的冷却过程当均质物体内部停止产生热量时，物体中储存的热量逐渐散发到周围介质中，物体温度下降，直至其温度与周围介质的温度相同为止。冷却方程为T2－冷却时间常数，约为发热时间常数的2～5倍。电机虽然不是一个均质物体，但其冷却过程的基本特征与均质物体基本相同。图8-3均质物体的冷却过程曲线第六页，共二十五页，2022年，8月28日1.2绝缘材料的绝缘等级及其允许工作温度在电工技术中，将绝缘材料按其允许工作温度分成若干个耐热等级：A、E、B、F、H级，它们的允许工作温度分别为105C、120C、130C、155C和180C。绝缘材料在相应的允许工作温度下长期运行，一般不会产生不该有的性能变化，通常有15～20年的使用寿命。当绝缘材料工作温度超过允许工作温度时，使用寿命缩短，绝缘材料的使用寿命L可近似表示为A和B为常数，T为绝对温度根据经验，工作温度每超过A级绝缘允许工作温度8C（B级绝缘10C，F级绝缘12C，H级绝缘14C），绝缘材料的寿命缩短一半。第七页，共二十五页，2022年，8月28日1.3电机的温升限度电机运行时，各部件温升的允许极限值称为温升限度。温升限度基本上取决于绝缘材料的允许工作温度和冷却介质的温度，也与温度的测量方法、传热和散热条件、使用地点等有关。对于目前常用的冷却系统，其冷却介质温度基本上与周围大气温度相同。大气温度随季节和地点的变化而变化。我国各地平均最高温度不超过35C，而最高温度一般为35～40C，少数地区为40～45C。世界各国一般采用大多数地区的大气最高温度作为冷却介质的温度，因此我国规定40C为冷却介质的温度。第八页，共二十五页，2022年，8月28日温度测量方法的不同，会造成测量结果的不同。在规定温升限度的同时，还应规定相应的温度测量方法。温度计法该方法直接测量温度，非常简便，但只能测量电机各部分的表面温度，无法得到内部的最高温度和平均温度。电阻法绕组的电阻R随温度t的升高而增大，满足以下规律

利用该规律可以进行绕组温度的测量。首先测定室温下的温度和绕组电阻，然后使电机运行，当电机温升达到稳定时，将电机停转，迅速测量绕组电阻，根据上式可计算出绕组的温度。该方法测定的是绕组的平均温度。第九页，共二十五页，2022年，8月28日埋设温度计法在进行电机装配时，可在预计工作温度最高的地方埋设热电偶或电阻温度计。该方法可测得接近于电机内部最热点的温度。2电机的散热电机运行时产生的各种损耗都要转换为热量，热量从发热体传到电机表面，再散发到周围环境中。电机传热和散热的方式有热传导、对流和热辐射三种形式。2.1热传导热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象称为热传导，是固体中热量传递的主要方式。热传导只发生在空间上温度有差异的温度场中，热量总是由高温向低温方向传导。第十页，共二十五页，2022年，8月28日在电机中，电机的底座和电机周围的空气通常都是不良导热体，因此热传导主要发生在电机内部。电机内的热源主要是绕组损耗和铁心损耗，绕组损耗所产生的热量借助于热传导作用从绕组穿过绝缘传递到铁心中，与铁心产生的热量一起被传导到电机表面。可以看出，绕组热量的传导比铁心中热量的传导经过的材料多，故绕组温度通常高于铁心温度。将温度场中温度相同的点连接起来，就得到等温线或等温面。各点热量传导的方向总是与该点温度的空间变化率最大的方向一致，也就是与通过该点的等温线或等温面的法线方向一致。第十一页，共二十五页，2022年，8月28日单位时间内通过单位等温面的热量称为热流密度qQ为单位时间内通过等温面的总热量，即热流量；A为等温面的面积。热流密度与各点在等温面的法线方向上的温度空间变化率即温度的梯度成正比为热导率，为温度梯度当热流沿x方向单方向传导时，热流密度为热流量第十二页，共二十五页，2022年，8月28日对于图所示的平面热传导，热量经过厚度为的材料传导时，两侧的温差为称为热阻。将温差、热流和热阻之间的关系与电路中的电压、电流和电阻之间的关系对应，即：温差对应电路中的电压，热流对应电路中的电流，热阻对应电路中的电阻，采用与电路相似的热路概念，将温度场分布的“场问题”看作“路问题”，得到如图所示的热路图。采用热路图可以方便地进行电机温升的计算。图8-4平面热传导图8-5平面热传导热路图第十三页，共二十五页，2022年，8月28日2.2对流和辐射在电机中，通过热传导作用传递到电机表面的热量通常通过两种方式散发到周围介质中，一是热对流，二是热辐射。热对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程，是液体和气体中热传递的主要方式。物体因自身的温度而具有向外发射能量的能力，这种热传递的方式叫做热辐射。

在平静的大气中，辐射散发的热量约占总散热量的40％。当采用强制对流冷却电机时，辐射散发的热量所占比例很小，可以忽略不计。第十四页，共二十五页，2022年，8月28日(1)辐射散热根据史蒂芬－波尔兹曼定律，每秒从发热体单位表面辐射出去的热量为(2)对流散热在电机中，绕组、铁心所发出的热量以及传导到电机表面的热量是经对流作用由流过它们表面的流体(如空气)带走的。所带走的热量可用牛顿散热定律计算热路的形式图8-6对流散热的热路图第十五页，共二十五页，2022年，8月28日3电机的工作制、定额与额定容量3.1工作制工作制是对电机承受负载情况的说明，包括起动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。连续工作制S1短时工作制S2断续周期工作制S3包括起动的断续周期工作制S4包括电制动的断续周期工作制S5连续周期工作制S6包括电制动的连续周期工作制S7包括变负载变速的连续周期工作制S8负载和转速作非周期变化的工作制S9离散恒定负载工作制S10第十六页，共二十五页，2022年，8月28日3.2电机的定额电机的定额是由制造厂对符合指定条件的电机所规定的、并在铭牌上标明的电量和机械量的全部数值及其持续时间和顺序。连续工作制定额是制造厂对电机负载和各种条件所作的规定。短时工作制定额

是制造厂对电机负载、运行时间和各种条件的规定。周期工作制定额

是制造厂对电机负载和各种条件的规定。非周期工作制定额

是制造厂对电机在相应的变速范围内的变动负载（包括过载）和各种条件的规定。离散恒定负载工作制定额等效负载定额一种为试验目的而规定的定额。第十七页，共二十五页，2022年，8月28日3.3额定容量电机的额定容量就是电机的额定输出功率。对于发电机来说，额定容量是指输出的电功率。对于电动机来说，额定容量是轴端输出的机械功率。电机铭牌上通常标有额定值，如额定功率、额定电压、效率和功率因数等。电机运行时，若各种电量（如电压、电流、频率等）和机械量（转速、转矩等）均符合铭牌上规定的额定值，则我们称这种运行状况为额定运行。电机额定容量取决于电机的发热和散热条件。电机的额定容量越大。额定容量与工作制、使用环境、结构型式和冷却方式有关。电机的结构型式不同，则散热条件不同，电机的额定容量也不同。如开启式电机的散热条件好于封闭式电机，前者的额定容量比后者大。第十八页，共二十五页，2022年，8月28日电机的额定容量还与使用环境有关，若环境温度、冷却介质、海拔和相对湿度等与规定的不同，则要对额定容量进行修正。如在高海拔地区使用，空气稀薄，冷却能力差，则应该降低电机的额定容量。冷却方式对电机的额定容量影响很大，冷却能力越强，电机各部件的温度越低，额定容量越大。电机的额定容量还与工作制有关，同一台电机，若运行在不同的工作制下，其额定容量不同。例如，长期运行时的温升要高于短时运行，其额定容量要小于后者。电机额定容量的规定还应具有一定的灵活性，它不但要供给额定负载，还应能够在短时间内允许适当限度的过载而不致使温升超过限度。第十九页，共二十五页，2022年，8月28日4电机的冷却随着电机设计和制造技术的发展，电机的单机容量不断增大。为减小电机体积、提高材料利用率，通常选用较高的电磁负荷，导致电机发热量增加。要保证电机可靠工作，必须提高电机的散热冷却能力，电机的散热冷却技术随之发展。在冷却介质方面，首先被采用的是空气，后来采用氢、水和油等。在冷却方式方面，从表面冷却（外冷）发展到冷却效果较好的内部冷却（内冷）。4.1表面冷却方式在电机中，冷却介质通过绕组、铁心和机壳的表面，将热量带走，称为表面冷却。表面冷却主要采用空气做冷却介质，具有结构简单、成本低的特点，但冷却效果较差，在高速电机中产生的摩擦损耗较大，主要用于中小型电机中。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日表面冷却按结构可分为自冷、内部风扇自冷、外部风扇自冷和他扇冷。自冷自冷式电机没有任何冷却装置，仅依靠表面的辐射和自然对流使电机得以冷却，散热能力差。内部风扇自冷内部风扇自冷式电机的转子上装有风扇，风扇驱使冷却介质流过电枢表面，并从轴向和径向的通风道内通过，将热量带走。外部风扇自冷外部风扇自冷式电机装有内外两层风扇。这种冷却方式适用于封闭式和防爆式电机。他扇冷他扇冷式电机用以供给冷却空气的风扇不是由电机本身驱动的，而是由另外的动力驱动。第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日4.2内部冷却方式大型同步发电机电压较高，绕组采用较厚的绝缘层，而绝缘材料的导热性能较差，若采用表面冷却方式，即使绝缘外表面得到很好的冷却，绝缘内层的温度仍可能超过绝缘的允许工作温度。为解决这一问题，广泛采用内部冷却方式。所谓内部冷却，就是采用空心导体将冷却介质通入导体内部直接带走热量的冷却方式。采用内部冷却，导体的热量不再经过绝缘层，而是直接被冷却介质带走，大大提高了冷却效果，改善了绝缘材料的工作条件。根据冷却介质的不同，内部冷却方式又分为氢内冷、水内冷和空气内冷。第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日氢内冷冷却介质为氢气。转子绕组采用氢内冷时，绕组和槽楔上有与槽底通风槽相通的小孔，氢气可自槽底通风槽进入，冷却转子后再由小孔轴向流入空气隙；也可在转子导体上铣出两排斜向相反的扁条状斜孔，所有铜线叠在一起就形成两排不同方向的倾斜风道，氢气自槽楔上正对气流方向的风斗进