第八章電機的發(fā)熱和冷卻

1、第八章 電機的發(fā)熱和冷卻目錄第一節(jié) 電機的額定容量1第二節(jié) 電機的發(fā)熱2第三節(jié) 電機的散熱5小 結(jié)8思考題8第一節(jié) 電機的額定容量電機是一種變換能量形式的機器。它一方面有功率輸入，另一方面有功率輸出，在能量轉(zhuǎn)換過程中同時產(chǎn)生功率損耗，各種損耗最后都轉(zhuǎn)化為熱能，因而使電機各部分的溫度升高。對于鐵磁材料和導電材料，通常在200以下的環(huán)境中使用不會顯著影響其電磁性能和機械性能，但是絕緣材料的耐熱性能較低，它是電機中較易損壞的部分，直接影響電機的使用壽命，而絕緣材料的壽命與它的工作溫度有關(guān)，以B級絕緣為例，每當工作溫度超出規(guī)定限值約10，它的使用壽命將縮短一半。為了保證電機正常使用年限（一般為1015

2、年），對各種絕緣材料都規(guī)定有極限容許溫度，這也間接規(guī)定了電機的額定容量和額定工作狀況。電機的額定容量即額定功率。發(fā)電機的額定功率是指銘牌上規(guī)定的符合定額的輸出電功率，電動機的額定功率是指軸端輸出的機械功率。當電機運行時，如果各種電量（如電壓、電流、頻率等）與機械量（如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）都符合技術(shù)標準的規(guī)定的數(shù)值，則此種運行情況稱為額定運行情況。在額定情況下運行，各種功率損耗也都有一定的數(shù)值。損耗將使電機發(fā)熱，如在每單位時間內(nèi)損耗產(chǎn)生的熱量大于發(fā)散的熱量，電機的溫度將升高，直到雙方達到熱平衡為止，此時電機溫度比環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度高，它們之間相差的溫度度數(shù)稱為電機的溫升。電機額定功率和額定運行情況

3、的規(guī)定，應使電機的溫升和各部分的最后溫度都不超過所有絕緣材料的極限允許溫度，電機常用絕緣材料的耐熱等級見第一章第三節(jié)所述。電機的溫升，不僅取決于損耗的大小，而且與電機的運行情況有關(guān)，即使有同樣的損耗，長時間運行的電機與短時間運行的電機溫升不同，故所定的定額也不同，依據(jù)我國有關(guān)技術(shù)標準的規(guī)定，電機的工作制可分為連續(xù)、短時、周期和非周期幾種。此外，定額的規(guī)定和電機的結(jié)構(gòu)型式（如開啟式還是封閉式等）、冷卻方式、冷卻介質(zhì)等有關(guān)，定額還與周圍環(huán)境（如環(huán)境溫度、海拔等）有關(guān)，運行條件如與規(guī)定的不同，則定額應進行修正。第二節(jié) 電機的發(fā)熱一電機的損耗電機的各種損耗是電機發(fā)熱的熱源。電機內(nèi)部的主要損耗有1.基本

4、銅損耗電機定、轉(zhuǎn)導體流過電流產(chǎn)生銅損耗為（8-1）式中 相數(shù)相電流定、轉(zhuǎn)子相電阻計算時假設(shè)導體截面上電流密度是均勻分布的。電阻折算到75時（E級絕緣）2.基本鐵損耗電機定、轉(zhuǎn)子鐵心齒部和軛部里，通過交變磁通引起的鐵損耗，它包括磁滯損耗與渦流損耗兩部分，單位重量導磁材料的基本鐵耗為(W/kg) （8-2）式中 單位重量導磁材料在1T，50Hz時產(chǎn)生的損耗，各種材料可查表；磁通交變頻率，Hz磁通密度，T基本鐵損耗 （8-3）式中 經(jīng)驗系數(shù)，因沖壓等加工后引起損耗增大系數(shù)導磁材料重量3機械損耗機械損耗包括軸承、電刷的摩擦損耗，以及風扇消耗的損耗和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時冷卻介質(zhì)摩擦的通風損耗。機械損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

5、在高速電機中，機械損耗占總損耗的比例較高，通風損耗還與冷卻介質(zhì)有關(guān)，如氫冷卻的氫氣重量輕（比空氣輕十多倍），傳熱能力強（比空氣高六倍多），用氫氣作為冷卻介質(zhì)能大大降低通風損耗。4附加損耗附加損耗又稱雜散損耗，是指由于諧波磁動勢、漏磁通引起的附加鐵損耗和附加銅損耗。例如,漏磁通在定子端部周圍、端蓋等金屬構(gòu)件中引起的鐵損耗；定子、轉(zhuǎn)子磁動勢高次諧波分別在轉(zhuǎn)子、定子表面感應高頻渦流引起的鐵損耗；定子、轉(zhuǎn)子存在齒和槽，轉(zhuǎn)動時因磁阻不同引起磁通變化產(chǎn)生脈動損耗；繞組導體中由于集膚效應使電流分布不均勻而引起的額外銅損耗等。該損耗比基本鐵耗和銅耗要小得多，計算比較復雜，根據(jù)經(jīng)驗，為額定功率的2.5至0.5估

6、算，按不同電機型式而選用左右。以上損耗一部分與電機負載大小無關(guān)（如鐵損耗、機械損耗和部分附加損耗），故稱不變損耗或空載損耗，另一部分與電機負載大小，電流大小有關(guān)（如銅耗和部分附加損耗），故稱可變損耗。因此在定額下運行，電機輸出功率越大，損耗越大，溫升越高，為了保證電機各部分絕緣材料的溫度不超過極限允許溫度，必須規(guī)定電機的輸出功率為一合理的數(shù)值，即電機的額定容量。二電機的發(fā)熱理論電機的發(fā)熱過程較為復雜，一臺電機中常有好幾個熱源，各部分同時發(fā)熱，各部分包含各種不同的物質(zhì)，其導熱系數(shù)也不同，因此如要準確分析電機內(nèi)部的熱交換情況較為困難。為簡便計，作如下假設(shè)：每一部分為均質(zhì)固體，即物體中各點之間無溫差

7、，表面各點之間散熱情況也相同；各部分的發(fā)熱過程分開計算，即各部分產(chǎn)生的熱量僅使該部分發(fā)熱，不考慮各部分之間的能量交換。某一部分物體的熱量平衡式為（8-4）式中該物體在每秒種內(nèi)產(chǎn)生的熱量，；該物體的物質(zhì)比熱，；冷卻表面積，散熱系數(shù)， 溫升，；該部分物體的重量，上式表示物體在極短時間間隔內(nèi)，發(fā)出的熱量，其一部分使該物體溫度升高，另一部分的熱量將散失于冷卻介質(zhì)中。設(shè)在開始發(fā)熱時該部分物體的溫度和冷卻介質(zhì)的溫度相同，即溫升為零。積分并化簡， （8-5）式中 表示最后的溫升；表示溫度上升的時間常數(shù)。均質(zhì)固體的發(fā)熱過程曲線如圖81所示。冷卻過程即電機溫升達到穩(wěn)定值后，如果停止運行，電機內(nèi)部停止產(chǎn)生熱量，這

8、樣電機各部分溫度下降至冷卻介質(zhì)的溫度，貯藏在電機各部分物質(zhì)內(nèi)部的熱量將發(fā)散至冷卻介質(zhì)中去，對于均質(zhì)固體，冷卻過程基本方程為（8-6）即 積分并化簡（8-7）均質(zhì)固體的冷卻過程曲線如圖82所示。三電機各部分溫度的測量方法 1溫度計法此法用溫度計直接測定溫度，最為簡便。但因此法只能測得能直接接觸到的電機有關(guān)部分表面的溫度，無法測得內(nèi)部的溫度。2電阻法此法用以測定繞組的平均溫度。導體的電阻大小與溫度有關(guān)。對于銅導線有以下關(guān)系，可由此測得繞組溫度。（8-8）式中：是指當溫度為時，繞組電阻；是指當溫度為時，繞組電阻。是繞組對冷卻介質(zhì)的溫升。對于鋁線繞組將（8-8）式中的常數(shù)235改為225即可。式中均為

9、攝氏溫度（）3埋置測溫計法較大的電機，在裝配時常在可能有較高溫度的幾個點上予埋置測溫計，如導體與槽底之間、鐵芯中間部分等。測溫元件有熱電偶及電阻溫度計等，檢測計受熱端埋于電機內(nèi)部，引線引至外面，接至測量儀表，可直接讀出溫度。4疊加法（雙橋帶電測溫法）在不中斷交變負載電流的情況下，在負載電流上疊加一微弱直流電流，以測量繞組直流電阻隨溫度而發(fā)生的變化，從而確定繞組的溫升。第三節(jié) 電機的散熱一電機的散熱計算電機的溫升取決于電機各部分的發(fā)熱和散熱的平衡。電機的熱量向外發(fā)散時主要依靠對流，其次為輻射作用，傳導作用主要在電機內(nèi)部進行，而電機表面與冷卻介質(zhì)間的傳導作用則可以不計。1輻射散熱計算由史蒂芬波爾茲

10、曼定律計算，單位時間內(nèi)單位面積所輻射的熱量為（8-9）式中：熱體的絕對溫度，；氣體的絕對溫度，;相對輻射系數(shù)。對于理想的黑體1，對于實際的輻射體，將減少，在設(shè)計時可取。則（8-10）式中：輻射作用的散熱系數(shù)，；溫升，。設(shè)想一種平均情況，對于空氣冷卻的電機，取環(huán)境溫度為20，溫升至40，即絕對溫度，代入（8-10）式，得，即（8-11）2對流散熱計算對流又可分為自然對流與強制對流（1） 自然對流 自冷變壓器的散熱，除輻射作用外，還依靠自然對流，自然對流的散熱系數(shù)，與溫升、散熱面等有關(guān)，平均可取。自然對流作用從單位面積在每秒發(fā)出的熱量為（8-12）（2） 強制對流 旋轉(zhuǎn)電機的散熱，主要依靠強制對流

11、作用。由設(shè)備的通風系統(tǒng)將氣流強制送入通風道，當氣流吹拂冷卻表面時，便將熱量帶走，散熱系數(shù)隨氣流的速度而增加，常用公式為（8-13）式中 吹風冷卻時的散熱系數(shù)；自然對流散熱系數(shù)；冷卻表面與空氣的相對速度，；經(jīng)驗系數(shù)，當全部表面均被均勻地吹拂時，可取1.3 當表面的各部分受到不均勻吹拂時 值相應減小甚至取小于1的數(shù)。二、電機的冷卻方式電機的冷卻方式直接影響到電機的散熱，所以改善電機的冷卻方式可以降低溫升，提高使用壽命。通風冷卻又稱表面冷卻是冷卻介質(zhì)通過機殼、鐵心、繞組的絕緣表面，間接將熱量帶走，這種冷卻方法結(jié)構(gòu)較簡單，故被廣為采用，特別是中、小型電機普遍采用此法。通風冷卻又可分為1、自冷式。電機沒

12、有任何特殊的冷卻裝置，依靠表面的輻射和空氣的自然對流進行冷卻。這種方法僅適用于數(shù)十瓦的微型電機。2、自扇冷式。內(nèi)部自扇冷式電機在轉(zhuǎn)子軸上安裝有風扇設(shè)備，風扇隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，驅(qū)使氣流吹拂電樞表面從軸向和徑向的通風槽中通過，這種方式適用于開啟式電機。另一種外部自扇式電機裝有內(nèi)外兩層風扇，除了在轉(zhuǎn)軸上裝有風扇外，在軸伸的一端裝有外風扇，借助外風扇作用將機殼上的熱量發(fā)散到周圍空氣中去，這種方式適用于封閉式電機，如圖8-3所示。按照氣流在電機內(nèi)部的流動方式又可分為徑向通風式與軸向通風式兩種。徑向通風是兩端進風，繞組和鐵心沿軸向的溫度分布比較均勻，大型電機為了增大散熱面積，鐵心沿軸向常均勻分為數(shù)段，兩段疊片間

13、留有約10mm的通風槽，如圖8-4所示。軸向通風是氣流從一端進入，然后沿軸向從另一端流出，較大的電機定子和轉(zhuǎn)子方面都可以有軸向通風槽，如圖8-5所示。這種方式沿電機軸向長度散熱不均勻。用于中小型電機。3、它扇冷式。電機用以冷卻空氣的風扇不是由電機本身驅(qū)動的，而是由另外動力裝置獨立驅(qū)動。如果冷空氣直接取自外界，在通過電機后復行放出，則為開啟式通風系統(tǒng)，如以一定量的氣流在封閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，使這一循環(huán)氣流依次通過電機和冷卻器，把電機內(nèi)部發(fā)出的熱量傳至冷卻器而被帶走，則為封閉式系統(tǒng)。 單機容量越大的電機，發(fā)熱問題越嚴重，大型電機的冷卻問題是一個比較困難的問題，為了把足夠的冷卻介質(zhì)送到各個發(fā)熱的部位去，使

14、最熱的地方得到最強的冷卻，從而使電機各部分的溫升比較均勻，并都不超過允許的溫升限度。大型電機的冷卻介質(zhì)以空氣、氫、水三種用的最多，冷卻能力水最好，其次是氫。目前，國內(nèi)外大型汽輪發(fā)電機，定、轉(zhuǎn)子繞組采用內(nèi)部冷卻方法，如采用空心導體把冷卻介質(zhì)通入導體內(nèi)部直接帶走熱量，常采用的冷卻介質(zhì)是氫氣和經(jīng)處理的潔凈水，稱為氫內(nèi)冷和水內(nèi)冷。定子繞組采用氫內(nèi)冷或水內(nèi)冷的較多，轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷的較多，定子轉(zhuǎn)子均采用水內(nèi)冷，常稱為“雙水內(nèi)冷”。內(nèi)冷定、轉(zhuǎn)子槽的結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。小 結(jié)電機的額定容量是指符合定額的輸出功率。它主要取決于電機各部分絕緣材料的極限允許溫度。電機運行時的損耗主要有銅損耗、鐵損耗和機械損耗，各種損耗都變?yōu)闊崃?，使電機溫度升高，并向周圍冷卻介質(zhì)散熱，最后達到熱量穩(wěn)定，此時電機穩(wěn)定溫度與周圍介質(zhì)溫度之差稱為溫升，這是評價電機熱性能的重要指標。電機各部分溫度的測量可用溫度計法、電阻法、疊加法、埋置測溫計法。電機的發(fā)熱、散熱和溫升計算比較復雜，本章著重進行定性分析。電機的發(fā)熱和冷卻過程曲線都是按指數(shù)規(guī)律變化。電機的散熱方式主要是對流，其次為輻射，旋轉(zhuǎn)電機主要依靠強制對流，可以改善散熱效果，且結(jié)構(gòu)較簡單，故被廣為采用。大型電機的冷卻方式和冷卻介質(zhì)的合理選擇以保證電機各部分的溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。思考題8-1旋轉(zhuǎn)電機運行時的