《电机与电力拖动》课件-任务7 电机应用基础

电机与电力拖动1.电动机的发热和冷却电机发热本质：电能转换为机械能过程中，未完全转换的能量以热能形式释放（即“损耗”）。电动机的发热和冷却电机发热的核心原因铜损耗（定子/转子绕组）：​原因：绕组电阻R通过电流I产生的损耗（PCu=I²R），负载越大，电流越大，损耗越高​占比：约占总损耗的40%-60%（负载工况下）电动机的发热和冷却电机发热的核心原因铁损耗（定转子铁芯）：​原因：交变磁场在铁芯中产生的“磁滞损耗”（磁场交变导致磁畴反复翻转）与“涡流损耗”（感应电流在铁芯中产生热量）​特点：与电源频率、磁通密度相关，空载时占比高（约30%-40%）​机械损耗（运动部件）：​原因：轴承摩擦、转子风阻、电刷摩擦（有刷电机）产生的损耗​特点：与转速相关，转速越高，损耗越大（约占总损耗的5%-15%）​电动机的发热和冷却发热对电机的危害绝缘老化加速：​原理：绝缘材料（如漆包线绝缘漆）在高温下会分解、脆化，绝缘性能下降​后果：绝缘等级为B级的电机，温度每升高10℃，寿命缩短一半（“10℃法则”）​绕组电阻增大：：原理：铜绕组温度升高，电阻增大（温度系数α=0.004/℃）​后果：铜损耗进一步增加，形成“发热-电阻增大-更发热”的恶性循环，甚至烧毁绕组​转矩与效率下降：​原理：转子铜损增大导致转子转速下降，电磁转矩降低；总损耗增加，效率η=P2/(P1)下降（P2为输出功率，P1为输入功率）机械部件失效：​后果：轴承润滑脂高温融化，导致轴承卡死；转子因热胀冷缩与定子摩擦（“扫膛”）​绝缘老化绕组烧毁电机报废电动机的发热和冷却关键温度参数（温升、绝缘等级）温升（ΔT）：​定义：电机温度T与环境温度T0的差值（ΔT=T-T0），是衡量发热的核心指标（而非绝对温度）​标准环境温度：T0=40℃（国标规定，超过需修正温升限值）​绝缘等级（决定温升限值）：绝缘等级最高允许温度（℃）最大允许温升（K，环境40℃）常用电机类型A级10565老旧低压电机B级13090中小型异步电机（主流）F级155115中大功率电机H级180140高温环境电机（矿山电机）自然冷却（IC01）：​自然风冷电机结构：电机外壳带散热筋，无额外散热部件​原理：通过空气自然对流与辐射散热​适用：小功率电机（＜1kW，如家电风扇电机），环境清洁、通风好​电动机的发热和冷却常用冷却方式分类与原理强迫风冷（IC411/IC416）：​结构：电机轴端装内风扇（IC411）或独立外风扇（IC416），外壳带散热筋​原理：风扇强制空气流过散热筋，加速热交换​适用：中小功率电机（1-100kW，如机床主轴电机）​强迫风冷电机水冷冷却（IC81W）：​水冷电机结构：电机外壳或定子铁芯内置水冷通道，通入冷却水​原理：水的比热容大（4.2kJ/(kg・℃)），快速带走热量​适用：大功率电机（＞100kW，如新能源汽车驱动电机）、高温环境​电动机的发热和冷却常用冷却方式分类与原理油冷冷却（IC82W）：​结构：电机内部充绝缘冷却油，通过油泵循环，油流经冷却器散热​原理：冷却油兼具散热与绝缘功能，适合密封环境​适用：特种电机（如风电变桨电机、潜水电机）​油冷电机电动机的发热和冷却应用案例举例新能源汽车驱动电机（100-150kW）​需求：功率大、空间紧凑（无法装大风扇）、运行时温度高（＞120℃）​选型：水冷冷却（IC81W），定子铁芯内置水冷通道​优势：散热效率高（比风冷高3-5倍），适应汽车复杂工况（高温、振动）​电动机的发热和冷却内容小结总结发热根源：铜损、铁损、机械损耗是核心，需控制在绝缘等级允许的温升范围内​冷却核心：按功率与环境选冷却方式，小功率自然冷却，大功率水冷/油冷​关键原则：温升是衡量发热的关键，需遵循“10℃法则”保护绝缘寿命​2.电动机的工作制电动机的工作制“电机不就是通电就转吗？为什么还要分工作制？”电动机的工作制工作制的定义电机在特定负载和时间条件下，能够持续运行且不超过温升限值的工作模式，本质是

“电机负载与时间的匹配关系”。工作时间（tW）停歇时间（tR）负载率（ε=tW/(tW+tR)×100%）​电动机的工作制工作制分类（按国标）工作制代号名称核心特征典型负载S1连续工作制负载恒定、长期连续运行、温升稳定水泵、风机、传送带S2短时工作制负载恒定、单次运行时间短停歇时间长、温升未达稳定机床夹紧装置、闸门驱动S3断续周期工作制周期性负载、负载率ε=15%/25%/40%/60%​起重机、电梯、冲床​S4-S10​特殊工作制含启动、制动、变速等复杂工况​冶金机械、新能源汽车驱动​电动机的工作制连续工作制（S1）核心特性：​负载特性：负载恒定（如水泵额定流量下运行），运行时间无限制，最终温升达到稳定值（不超过绝缘等级限值）​关键参数：额定功率PN（长期运行时的输出功率，与温升限值匹配）​应用场景：​需长期连续运行的设备：工业水泵（24小时供水）、车间风机（持续通风）、流水线传送带（连续输送）​选型注意：​电机额定功率≥负载功率（预留10%-20%余量，应对负载波动）​需匹配冷却方式（如大功率S1电机选水冷，保证长期运行温升稳定）​特性：单次运行时间短（如tW=5min），停歇时间足够长（如tR=15min），停歇时电机完全冷却（温升降至环境温度）​应用：短时动作设备——机床夹紧装置（单次夹紧时间3min，间隔10min再夹紧）、小型闸门驱动（单次开关时间5min）电动机的工作制短时工作制（S2）电动机的工作制断续周期工作制（S3特性：周期性“运行-停歇”（如tW=2min，tR=3min，周期5min），负载率ε=40%，运行时温升未达稳定，停歇时温升部分下降应用：频繁启停设备——起重机（起吊-停歇-平移，周期8min）、电梯（升降-停靠，周期10min）、冲床（冲压-送料，周期2min）选型关键：按负载率选电机，如ε=40%的起重机，选对应负载率的S3电机，避免低负载率电机带高负载率运行（温升超标）电动机的工作制特殊工作制S4-S10S4（包括启动的断续周期工作制）：含启动阶段（负载从0升至额定），如起重机起吊（启动-运行-制动-停歇）​S9（变速变负载工作制）：负载与转速随时间变化，如新能源汽车驱动（加速-匀速-减速-停车）​电动机的工作制选型逻辑（三步法）010203负载特性分析匹配工作制验证温升电动机的工作制内容小结总结核心分类：S1（连续）、S2（短时）、S3（断续周期）是主流，关键差异在“负载与时间的匹配关系”​选型原则：按负载特性选工作制，避免错选导致电机损坏或成本浪费​关键参数：S1看额定功率，S2看单次运行时间，S3看负载率ε​3.电动机容量选择的基本方法电动机容量选择的基本方法容量选择容量过小的危害：长期过载运行：绕组电流超过额定值，铜损耗增大，温升超标，绝缘老化加速（B级绝缘温度每高10℃，寿命缩短一半）​性能下降：转矩不足导致电机堵转，甚至烧毁绕组（如10kW电机带15kW水泵，1小时内绕组温度超150℃）​容量过大的问题：成本浪费：电机购置成本增加（15kW电机比10kW贵30%-50%），长期轻载运行（负载率＜50%）​效率降低：异步电机在70%-100%负载率时效率最高，轻载时功率因数低（cosφ＜0.6），电能浪费​负载功率需求（P负载）：电动机容量选择的基本方法三大关键影响因素负载类型

计算依据

公式示例泵类（水泵）流量Q、扬程H、效率η泵

P负载=ρ×g×Q×H/(1000×η泵

×η传动)（ρ：水密度1000kg/m³，g：9.8m/s²）机床（车床）切削力F、切削速度vP负载=F×v/(60×1000×η机床)风机

风量Q、风压P、效率η风P负载=Q×P/(1000×η风

×η传动)注意：需考虑传动效率η传动（如皮带传动η=0.9，齿轮传动η=0.95）​优先用负载设备铭牌数据（如水泵铭牌标注“轴功率12kW”，直接作为P负载）​匹配电动机工作制（S1/S2/S3）：​流程：根据负载工作模式（连续/短时/断续），选对应工作制电机​示例：连续运行的水泵（S1）→选S1工作制电机

短时夹紧的机床（S2）→选S2工作制电机​修正：S3断续工作制需按负载率ε修正容量

（如ε=40%的起重机，选额定容量=P负载/0.4）​电动机容量选择的基本方法三大关键影响因素考虑附加因素​环境修正：环境温度50℃（标准40℃），15kW电机降容为13.5kW（15×0.9）​启动修正：频繁启动的电梯，负载功率10kW→选12kW电机（预留20%启动余量）​过载修正：有1.5倍短时过载的起重机，10kW负载→选15kW