發(fā)熱計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1發(fā)熱計(jì)算發(fā)熱計(jì)算7-1 電機(jī)允許的溫升限度一、概述1、溫升：電機(jī)運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生損耗，這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電機(jī)各部分的溫度升高。電機(jī)某部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差叫該部件的溫升。2、溫升隨時(shí)間如何變化？對(duì)均質(zhì)物體發(fā)熱，其溫升隨時(shí)間的變化是指數(shù)曲線關(guān)系。0t：起始時(shí)物體的溫度與周圍介質(zhì)相同 t , 0，物體產(chǎn)生的全部損耗都將用以提高物體的溫度，因此起始時(shí)溫度上升很快。t：物體達(dá)到最終穩(wěn)定溫升，熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)中去Tt)43(第1頁/共40頁3、溫升限制：溫升受到電機(jī)材料限制不能超過一定數(shù)值，必須設(shè)法降低溫升，減少損耗，提高電機(jī)散熱能力。4、溫升計(jì)算目的：核算電機(jī)中幾個(gè)發(fā)熱部件在額定

2、運(yùn)行時(shí)溫升是否超過允許的極限值。二、我國(guó)電機(jī)溫升限度1、溫升限度：電機(jī)在額定狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行而其溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電機(jī)各部件溫升的允許極限 稱為溫升限度。溫升限度在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“電機(jī)基本技術(shù)要求”中已作出規(guī)定如表7-1示。第2頁/共40頁2、溫升限度取決于：（一）電機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)所采用的材料 耐熱一般分級(jí)：A E B F H 極限溫度： 105 120 130 155 180（二） 絕緣結(jié)構(gòu)在規(guī)定的極限溫度下工作，能夠獲得經(jīng)濟(jì)的使用壽命。（三） 冷卻介質(zhì)的溫度溫度隨所用的冷卻系統(tǒng)和冷卻介質(zhì)不同而有所不同。 我國(guó)規(guī)定40作為冷卻介質(zhì)的溫度，表7-1的溫升限值就是按此規(guī)定的。第3頁/共40頁（四）測(cè)量溫度

3、的方法不同會(huì)造成測(cè)得的溫度與被測(cè)部件中最熱點(diǎn)溫度之間的差別也不同；而被測(cè)部件中最熱點(diǎn)的溫度才是判斷電機(jī)是否能長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。 如E級(jí)絕緣定子繞組，電阻法測(cè)量溫升限度為75120 - 40（冷卻介質(zhì)） -5（平均溫度與最高溫度差值） = 75平均溫度和最高溫度差值：A、E： 5 B： 10 H： 15第4頁/共40頁（五）海拔溫升限度是對(duì)海拔不超過1000米，最高環(huán)境溫度為40地區(qū)規(guī)定的。 如高于1000米小于4000米，海拔增加100米，溫升為表7-1中規(guī)定的溫升減去它的1%（海拔高空氣稀薄，散熱條件差）（六）其它因素對(duì)電機(jī)溫升的影響提高電機(jī)繞組的溫度一般意味著電機(jī)損耗的增大和效率的下降，

4、受經(jīng)濟(jì)限制。繞組溫度的提高，可能引起軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)工作的困難。繞組溫度提高，會(huì)引起換向的困難。繞組溫度的提高，引起某些相關(guān)零部件材料中的熱應(yīng)力的增大。其他因素，如對(duì)絕緣的介電性能、導(dǎo)體金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度等，都會(huì)帶來不利影響。第5頁/共40頁小結(jié)：（1）溫升（2）溫升的變化（3）溫升計(jì)算目的（4）溫升的限度：什么叫溫升限度 溫升限度取決于什么第6頁/共40頁7-2 傳熱的基本定律一、概述熱量由發(fā)熱體內(nèi)部借傳導(dǎo)作用傳到發(fā)熱體表面從發(fā)熱體表面通過幅射和借助于空氣和其它冷卻介質(zhì)的對(duì)流散發(fā)到周圍介質(zhì)。從討論熱傳導(dǎo)方式（傳導(dǎo)、對(duì)流、幅射）的基本規(guī)律，對(duì)發(fā)熱體某些近似的溫升計(jì)算方法。第7頁/共40頁二、熱傳導(dǎo)

5、定律1、等溫面：熱傳導(dǎo)只發(fā)生在空間中溫度有高低差異的溫度場(chǎng)中，把具有相同溫度的點(diǎn)聯(lián)接起來便得到等溫面（線）。2、熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位等溫面的熱量)(,積即與熱流方向垂直的面等溫面的面積即熱流的總熱量單位時(shí)間內(nèi)通過等溫面AAq第8頁/共40頁3、熱傳導(dǎo)定律：熱流強(qiáng)度與各點(diǎn)在等溫面的法線方向上的間空間溫度變化率或即各點(diǎn)的溫度梯度成正比。即熱導(dǎo)率比例常數(shù)熱流密度,qgradq“”表示溫度梯度的正方向?yàn)闇囟壬仙姆较?，而熱量的傳播方向總是從高溫到低溫的為溫度下降的方向。?dāng)熱流只有一個(gè)方向，并把其取為x軸時(shí)dxdAdxdq第9頁/共40頁4、熱阻 dxdAAddx 兩邊積分：CAx假定為如圖的單

6、方向平面熱傳導(dǎo)，且當(dāng)0 x時(shí)，1，則有1AC xA1第10頁/共40頁從上式可見平面熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)溫度分布是一條直線。Ax122,溫差為：RA21 其中：AR稱為熱阻對(duì)比：熱路 R 電路IRu 第11頁/共40頁 熱阻的串并聯(lián)（與電路一樣） 串聯(lián)時(shí)的合成熱阻：nnRR1并聯(lián)時(shí)的合成熱阻：nnRR111第12頁/共40頁三、熱傳導(dǎo)方程（溫度場(chǎng)的場(chǎng)問題分析）1、熱傳導(dǎo)方程建立溫度場(chǎng)和熱源之間的關(guān)系式叫熱傳導(dǎo)方程式。 簡(jiǎn)單的溫度場(chǎng)問題可以近似用路來代替的方法進(jìn)行近似的計(jì)算，可是有些復(fù)雜的溫度場(chǎng)問題如計(jì)算繞組導(dǎo)體或鐵心沿軸向的溫度分布時(shí)，就必須用熱傳導(dǎo)方程來求解。2、熱傳導(dǎo)方程的推導(dǎo) 根據(jù)能量守恒原理熱傳

7、導(dǎo)的微分方程邊界條件（時(shí)間的起始條件）定解22222222zyxtcp第13頁/共40頁3、熱傳導(dǎo)方程的應(yīng)用 一根載流銅棒長(zhǎng)為l，截面積為S，通過銅棒的電流為I。假定銅棒外面的絕緣較厚，通過絕緣散出去的熱量忽略不計(jì)。銅棒兩端的的維持為0溫度和平均溫度。不變，求銅棒中的穩(wěn)定最高四、對(duì)流和輻射散熱一般情況下熱量從發(fā)熱體散發(fā)到周圍介質(zhì)中去的主要是通過兩個(gè)方式：對(duì)流和輻射第14頁/共40頁（一）輻射散熱1、輻射定律： 每秒從每平方米發(fā)熱體表面輻射出去的熱量為況的不同而異其值隨發(fā)熱物體表面情因數(shù)輻射常數(shù)從實(shí)驗(yàn)得出純黑物體的周圍介質(zhì)的溫度發(fā)熱體表面的溫度米瓦,107 . 5)()(/)(107 . 580

8、24048KTKTTTq2、輻射所帶走的熱量與哪些因素有關(guān)決定于發(fā)熱表面的特性，值，晦暗的物體的輻射能力大于表面有光澤的物體。決定于發(fā)熱體表面與周圍介質(zhì)的溫度。第15頁/共40頁（二）對(duì)流散熱1、對(duì)流散熱： 當(dāng)固體表面的溫度與流體的溫度不相等時(shí)，它們之間產(chǎn)生熱交換，熱量將由高溫物體傳向低溫物體，這種交換實(shí)際上是傳導(dǎo)和對(duì)流兩種作用，總稱為對(duì)流換熱。 如電機(jī)、鐵心繞組或其它部件的散熱方式就是這種。第16頁/共40頁2、對(duì)流散熱能力與哪些因素有關(guān) 與固體表面的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 固體表面的流動(dòng)是層流的話：流體僅與固體表面平行，流體僅與固體表面進(jìn)行流動(dòng)層；各層之間有流體交換，這時(shí)與固體表面垂直方向的熱量主要

9、靠傳導(dǎo)作用，但流體的導(dǎo)熱系數(shù)差，所以層流表面散熱情況很差。 流體作紊流：流體中大部分質(zhì)點(diǎn)不再保持平行于壁的運(yùn)動(dòng)，熱量傳遞主要依靠對(duì)流的作用，對(duì)流傳熱時(shí)熱阻較小，所以紊流時(shí)散熱能力大大提高。 與冷卻介質(zhì)的物理性能有關(guān) 固體表面的幾何形狀尺寸及在流體中的位置有關(guān)第17頁/共40頁五、牛頓散熱定律和散熱系數(shù) 實(shí)際計(jì)算由對(duì)流作用帶走的熱量時(shí)，為了方便都采用牛頓散熱定律。1、牛頓散熱定律固體和流體的溫度熱量表面散發(fā)到周圍傳授的時(shí)單位時(shí)間內(nèi)由單位為當(dāng)表面與周圍介質(zhì)溫差散熱系數(shù)米瓦熱流強(qiáng)度21221,1,)/()(qq第18頁/共40頁2、散熱系數(shù)的確定決定表面散熱能力的因素很多，很復(fù)雜，要十分精確地確定散

10、熱系數(shù)近似決定。是很困難的，可通過實(shí)驗(yàn)由下式空氣流速秒米/255v)1 (00vk：或)1 (0vk式中：0發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù)；v空氣吹拂表面的速度；kk ,0考慮氣流吹拂效率的系數(shù)。第19頁/共40頁所以牛頓定律可寫成：aRAqAR1稱為散熱表面到流體的熱阻，為散熱系數(shù)AR傳導(dǎo)熱阻第20頁/共40頁3 、等效熱路圖引入熱阻把溫度場(chǎng)路計(jì)算如從電機(jī)繞組端部傳給冷卻空氣時(shí)要經(jīng)過兩個(gè)熱阻，即端部絕緣中的傳導(dǎo)熱阻和繞組表面散熱熱阻，總熱阻RRR)(RR 第21頁/共40頁7-3 電機(jī)穩(wěn)定溫升的計(jì)算一、電機(jī)中的溫度分布在電機(jī)的溫升計(jì)算中，主要是計(jì)算繞組和鐵心的溫升。這些部件既是導(dǎo)熱介質(zhì)，其中

11、又有分布熱源，它們的溫度一般來在空間上總是按一定規(guī)律呈曲線分布，出現(xiàn)了最高溫升和平均溫升之分。平均溫升與最高溫升之間是有一定的規(guī)律性聯(lián)系的，因而也可用平均溫升來衡量電機(jī)的發(fā)熱情況。第22頁/共40頁（一）采用對(duì)稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)中定子繞組沿軸向的溫度分布空氣沿繞組傳導(dǎo)端部空氣鐵心和徑向通風(fēng)溝熱量定子繞組中部Cup由于兩端散熱對(duì)繞組的冷卻顯著，溫度低；中間部分冷卻差，溫度高溫度低兩端溫度高定子鐵心中部溫度發(fā)布第23頁/共40頁（二）采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)或混合式通風(fēng)系統(tǒng)電機(jī)中定子繞組沿軸向的溫度分布繞組熱量鐵心 徑向通風(fēng)溝 空氣端部 空氣繞組鐵心表面 軸向通風(fēng)道 空氣溫度最低靠近電機(jī)冷風(fēng)入口處溫度最

12、高靠近電機(jī)熱風(fēng)口處溫度發(fā)布第24頁/共40頁（三）表面冷卻的封閉式（交流）電機(jī)中定子繞組溫度沿軸向的分布繞組熱量 鐵心 機(jī)座 空氣 端部散熱能力差中部溫度低兩端溫度最高溫度發(fā)布（四）勵(lì)磁繞組中的溫度分布勵(lì)磁繞組 銅損耗 熱量 沿著厚度方向傳導(dǎo)表面 散熱 空氣溫度低靠近繞組外面溫度高靠近磁極鐵心部分溫度發(fā)布第25頁/共40頁（五）鐵心疊片組中的溫度分布布不均勻近似認(rèn)為溫度沿徑向分空氣散熱表面徑向?qū)釡囟雀咧胁繙囟鹊涂拷L(fēng)溝空氣散熱表面軸向?qū)釤崃胯F心疊片F(xiàn)ep二、用熱路法計(jì)算電機(jī)的平均溫升1、假設(shè)：繞組銅和鐵的熱導(dǎo)率為無窮大，即銅和鐵是等溫體，且它們的的等于平均溫度。第26頁/共40頁2、繞組

13、和鐵心平均溫升的計(jì)算 采用熱路法計(jì)算 在上面假設(shè)的前提下，外冷式電機(jī)中的溫度降將集中在繞組絕緣和有關(guān)散熱表面處作為冷卻介質(zhì)的流體層中。因?yàn)榻^緣和冷卻介質(zhì)本身都沒有熱源，因此可以用熱路法進(jìn)行計(jì)算。 目的：計(jì)算絕緣內(nèi)溫度降、計(jì)算散熱表面處冷卻介質(zhì)溫度降，以計(jì)算繞組和鐵心的平均溫升。 二源熱路法：定轉(zhuǎn)子積各自組成獨(dú)立的二個(gè)熱源熱路第27頁/共40頁以采用空氣冷卻徑向通風(fēng)系統(tǒng)的交流電機(jī)定子為例來說明。1）熱路：熱阻：)(21繞組與鐵心之間熱阻空氣傳導(dǎo)鐵心熱阻空氣從通風(fēng)道中的繞組表面熱阻冷卻介質(zhì)從繞組端部表面熱量定子繞組散熱途徑CFCCCuRRRpCFFFFFeRRRRp鐵心和繞組之間空氣先傳遞繞組空氣

14、從鐵心外圓表面空氣從鐵心內(nèi)圓表面空氣從通風(fēng)道表面熱量定子鐵心散熱途徑321第28頁/共40頁熱源：定子繞組中銅耗產(chǎn)生的熱量； 鐵心損耗所產(chǎn)生的熱量。2） 熱路圖第29頁/共40頁3）列方程銅的溫升、鐵的溫升節(jié)點(diǎn)a: 流進(jìn)節(jié)點(diǎn)熱量 = 流出節(jié)點(diǎn)的熱量流入節(jié)點(diǎn)的熱量 = Cup流出節(jié)點(diǎn)熱量：)(熱傳導(dǎo)定律CuCuCuCuCuCuRRCFFeCuCFR節(jié)點(diǎn)b: 流入節(jié)點(diǎn)的熱量 =FepCFFeCuCFR流出節(jié)點(diǎn)的熱量：FeFeFeR第30頁/共40頁列方程：321212111111FFFFeFeFeFeCFFeCuCCCCCuCuCFFeCuCuCuRRRRRpRRRRRRpRR解方程：CuCuCF

15、FeCuCFFeFeFeCFFeCuCuCFFeCuCFFeFeFeCuCuRRRRRRpRRRpRRRRRRpp11)(1111)(第31頁/共40頁CFCuFeCFCuCuCuFeFeRRRRRRpp11)(CuCuCuFeCuCuCupp測(cè)得空載試驗(yàn)測(cè)得短路試驗(yàn)004）熱阻的計(jì)算a、定子繞組銅和鐵心之間的絕緣熱阻絕緣和鐵心接觸總面積率銅鐵所用絕緣合成導(dǎo)熱總厚度包括氣隙層銅鐵之間絕緣CFCFCFCFCFCFCFAAR)(CFR第32頁/共40頁b、繞組端部銅和空氣之間熱阻1CR11CCCuRRp熱阻端部表面散熱空氣散熱端部絕緣繞組散熱面積端部表面散熱系數(shù)端部絕緣熱導(dǎo)率繞組端部絕緣厚度111

16、111111111111CCCCCCCCCCCCCCAARARRRR第33頁/共40頁繞組端部的散熱面積或?qū)崦娣e不易確切計(jì)算，一般認(rèn)為端部絕緣的導(dǎo)熱面積和端部的表面散熱面積相同，因此上二式中面積都用1CA計(jì)算。在通風(fēng)情況良好時(shí)，可取槽數(shù)長(zhǎng)導(dǎo)體邊同絕緣的表面周端部長(zhǎng)ZuluZlAEEC1c、徑向通風(fēng)道中繞組部分和空氣之間的熱阻的計(jì)算2CR22222222221CCCCCCCCCCARARRRR表面散熱熱阻傳導(dǎo)熱阻第34頁/共40頁d、鐵心徑向通風(fēng)道內(nèi)外圓表面對(duì)空氣的表面散熱熱阻計(jì)算.,111333222111散熱面積散熱系數(shù)分別為相應(yīng)部分的表面FFFFFFFFFFFAARARAR三源熱路法在表面冷卻的封閉式感應(yīng)電機(jī)中，定子鐵心、定子繞組銅和轉(zhuǎn)子構(gòu)成了有三個(gè)熱源的熱路。第35頁/共40頁三、用簡(jiǎn)化法計(jì)算電機(jī)的平均溫升 用熱路法計(jì)算溫升熱阻散熱系數(shù))1 (00vk與v有關(guān)通風(fēng)計(jì)算但風(fēng)量分布與散熱系數(shù)都不易精確計(jì)算簡(jiǎn)化法1、假設(shè)： 全部鐵心損耗Fep及有效部分銅耗Cutp只通過定子（或轉(zhuǎn)子）圓柱形冷卻表面散熱； 電樞繞組銅的有效部分和端接部分之間無熱的交換。第36頁/共40頁2、簡(jiǎn)化熱路圖