第八章電機(jī)的發(fā)熱和冷卻

1、第八章 電機(jī)的發(fā)熱和冷卻目錄第一節(jié) 電機(jī)的額定容量1第二節(jié) 電機(jī)的發(fā)熱2第三節(jié) 電機(jī)的散熱5小 結(jié)8思考題8第一節(jié) 電機(jī)的額定容量電機(jī)是一種變換能量形式的機(jī)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(guò)程中同時(shí)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(jī)各部分的溫度升高。對(duì)于鐵磁材料和導(dǎo)電材料，通常在200以下的環(huán)境中使用不會(huì)顯著影響其電磁性能和機(jī)械性能，但是絕緣材料的耐熱性能較低，它是電機(jī)中較易損壞的部分，直接影響電機(jī)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(jí)絕緣為例，每當(dāng)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(jī)正常使用年限（一般為1015

2、年），對(duì)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(jī)的額定容量和額定工作狀況。電機(jī)的額定容量即額定功率。發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)的額定功率是指軸端輸出的機(jī)械功率。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各種電量（如電壓、電流、頻率等）與機(jī)械量（如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）都符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定的數(shù)值，則此種運(yùn)行情況稱為額定運(yùn)行情況。在額定情況下運(yùn)行，各種功率損耗也都有一定的數(shù)值。損耗將使電機(jī)發(fā)熱，如在每單位時(shí)間內(nèi)損耗產(chǎn)生的熱量大于發(fā)散的熱量，電機(jī)的溫度將升高，直到雙方達(dá)到熱平衡為止，此時(shí)電機(jī)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(jī)的溫升。電機(jī)額定功率和額定運(yùn)行情況

3、的規(guī)定，應(yīng)使電機(jī)的溫升和各部分的最后溫度都不超過(guò)所有絕緣材料的極限允許溫度，電機(jī)常用絕緣材料的耐熱等級(jí)見(jiàn)第一章第三節(jié)所述。電機(jī)的溫升，不僅取決于損耗的大小，而且與電機(jī)的運(yùn)行情況有關(guān)，即使有同樣的損耗，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電機(jī)與短時(shí)間運(yùn)行的電機(jī)溫升不同，故所定的定額也不同，依據(jù)我國(guó)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電機(jī)的工作制可分為連續(xù)、短時(shí)、周期和非周期幾種。此外，定額的規(guī)定和電機(jī)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(yùn)行條件如與規(guī)定的不同，則定額應(yīng)進(jìn)行修正。第二節(jié) 電機(jī)的發(fā)熱一電機(jī)的損耗電機(jī)的各種損耗是電機(jī)發(fā)熱的熱源。電機(jī)內(nèi)部的主要損耗有1.基本

4、銅損耗電機(jī)定、轉(zhuǎn)導(dǎo)體流過(guò)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(jì)算時(shí)假設(shè)導(dǎo)體截面上電流密度是均勻分布的。電阻折算到75時(shí)（E級(jí)絕緣）2.基本鐵損耗電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心齒部和軛部里，通過(guò)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(dǎo)磁材料的基本鐵耗為(W/kg) （8-2）式中 單位重量導(dǎo)磁材料在1T，50Hz時(shí)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(yàn)系數(shù)，因沖壓等加工后引起損耗增大系數(shù)導(dǎo)磁材料重量3機(jī)械損耗機(jī)械損耗包括軸承、電刷的摩擦損耗，以及風(fēng)扇消耗的損耗和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)冷卻介質(zhì)摩擦的通風(fēng)損耗。機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

5、在高速電機(jī)中，機(jī)械損耗占總損耗的比例較高，通風(fēng)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(qiáng)（比空氣高六倍多），用氫氣作為冷卻介質(zhì)能大大降低通風(fēng)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(dòng)勢(shì)、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(dòng)勢(shì)高次諧波分別在轉(zhuǎn)子、定子表面感應(yīng)高頻渦流引起的鐵損耗；定子、轉(zhuǎn)子存在齒和槽，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因磁阻不同引起磁通變化產(chǎn)生脈動(dòng)損耗；繞組導(dǎo)體中由于集膚效應(yīng)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(jì)算比較復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為額定功率的2.5至0.5估

6、算，按不同電機(jī)型式而選用左右。以上損耗一部分與電機(jī)負(fù)載大小無(wú)關(guān)（如鐵損耗、機(jī)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(jī)負(fù)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(yùn)行，電機(jī)輸出功率越大，損耗越大，溫升越高，為了保證電機(jī)各部分絕緣材料的溫度不超過(guò)極限允許溫度，必須規(guī)定電機(jī)的輸出功率為一合理的數(shù)值，即電機(jī)的額定容量。二電機(jī)的發(fā)熱理論電機(jī)的發(fā)熱過(guò)程較為復(fù)雜，一臺(tái)電機(jī)中常有好幾個(gè)熱源，各部分同時(shí)發(fā)熱，各部分包含各種不同的物質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)也不同，因此如要準(zhǔn)確分析電機(jī)內(nèi)部的熱交換情況較為困難。為簡(jiǎn)便計(jì)，作如下假設(shè)：每一部分為均質(zhì)固體，即物體中各點(diǎn)之間無(wú)溫差

7、，表面各點(diǎn)之間散熱情況也相同；各部分的發(fā)熱過(guò)程分開計(jì)算，即各部分產(chǎn)生的熱量?jī)H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(shí)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(shí)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(jiǎn)， （8-5）式中 表示最后的溫升；表示溫度上升的時(shí)間常數(shù)。均質(zhì)固體的發(fā)熱過(guò)程曲線如圖81所示。冷卻過(guò)程即電機(jī)溫升達(dá)到穩(wěn)定值后，如果停止運(yùn)行，電機(jī)內(nèi)部停止產(chǎn)生熱量，這

8、樣電機(jī)各部分溫度下降至冷卻介質(zhì)的溫度，貯藏在電機(jī)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(duì)于均質(zhì)固體，冷卻過(guò)程基本方程為（8-6）即 積分并化簡(jiǎn)（8-7）均質(zhì)固體的冷卻過(guò)程曲線如圖82所示。三電機(jī)各部分溫度的測(cè)量方法 1溫度計(jì)法此法用溫度計(jì)直接測(cè)定溫度，最為簡(jiǎn)便。但因此法只能測(cè)得能直接接觸到的電機(jī)有關(guān)部分表面的溫度，無(wú)法測(cè)得內(nèi)部的溫度。2電阻法此法用以測(cè)定繞組的平均溫度。導(dǎo)體的電阻大小與溫度有關(guān)。對(duì)于銅導(dǎo)線有以下關(guān)系，可由此測(cè)得繞組溫度。（8-8）式中：是指當(dāng)溫度為時(shí)，繞組電阻；是指當(dāng)溫度為時(shí)，繞組電阻。是繞組對(duì)冷卻介質(zhì)的溫升。對(duì)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(cè)溫計(jì)法較大的電機(jī)，在裝配時(shí)常在可能有較高溫度的幾個(gè)點(diǎn)上予埋置測(cè)溫計(jì)，如導(dǎo)體與槽底之間、鐵芯中間部分等。測(cè)溫元件有熱電偶及電阻溫度計(jì)等，檢測(cè)計(jì)受熱端埋于電機(jī)內(nèi)部，引線引至外面，接至測(cè)量?jī)x表，可直接讀出溫度。4疊加法（雙橋帶電測(cè)溫法）在不中斷交變負(fù)載電流的情況下，在負(fù)載電流上疊加一微弱直流電流，以測(cè)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(jī)的散熱一電機(jī)的散熱計(jì)算電機(jī)的溫升取決于電機(jī)各部分的發(fā)熱和散熱的平衡。電機(jī)的熱量向外發(fā)散時(shí)主要依靠對(duì)流，其次為輻射作用，傳導(dǎo)作用主要在電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，而電機(jī)表面與冷卻介質(zhì)間的傳導(dǎo)作用則可以不計(jì)。1輻射散熱計(jì)算由史蒂芬波爾茲

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

11、作用。由設(shè)備的通風(fēng)系統(tǒng)將氣流強(qiáng)制送入通風(fēng)道，當(dāng)氣流吹拂冷卻表面時(shí)，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(fēng)冷卻時(shí)的散熱系數(shù)；自然對(duì)流散熱系數(shù)；冷卻表面與空氣的相對(duì)速度，；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)全部表面均被均勻地吹拂時(shí)，可取1.3 當(dāng)表面的各部分受到不均勻吹拂時(shí) 值相應(yīng)減小甚至取小于1的數(shù)。二、電機(jī)的冷卻方式電機(jī)的冷卻方式直接影響到電機(jī)的散熱，所以改善電機(jī)的冷卻方式可以降低溫升，提高使用壽命。通風(fēng)冷卻又稱表面冷卻是冷卻介質(zhì)通過(guò)機(jī)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(jiǎn)單，故被廣為采用，特別是中、小型電機(jī)普遍采用此法。通風(fēng)冷卻又可分為1、自冷式。電機(jī)沒(méi)

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(duì)流進(jìn)行冷卻。這種方法僅適用于數(shù)十瓦的微型電機(jī)。2、自扇冷式。內(nèi)部自扇冷式電機(jī)在轉(zhuǎn)子軸上安裝有風(fēng)扇設(shè)備，風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使氣流吹拂電樞表面從軸向和徑向的通風(fēng)槽中通過(guò)，這種方式適用于開啟式電機(jī)。另一種外部自扇式電機(jī)裝有內(nèi)外兩層風(fēng)扇，除了在轉(zhuǎn)軸上裝有風(fēng)扇外，在軸伸的一端裝有外風(fēng)扇，借助外風(fēng)扇作用將機(jī)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(jī)，如圖8-3所示。按照氣流在電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)方式又可分為徑向通風(fēng)式與軸向通風(fēng)式兩種。徑向通風(fēng)是兩端進(jìn)風(fēng)，繞組和鐵心沿軸向的溫度分布比較均勻，大型電機(jī)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(fēng)槽，如圖8-4所示。軸向通風(fēng)是氣流從一端進(jìn)入，然后沿軸向從另一端流出，較大的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子方面都可以有軸向通風(fēng)槽，如圖8-5所示。這種方式沿電機(jī)軸向長(zhǎng)度散熱不均勻。用于中小型電機(jī)。3、它扇冷式。電機(jī)用以冷卻空氣的風(fēng)扇不是由電機(jī)本身驅(qū)動(dòng)的，而是由另外動(dòng)力裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。如果冷空氣直接取自外界，在通過(guò)電機(jī)后復(fù)行放出，則為開啟式通風(fēng)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(guò)電機(jī)和冷卻器，把電機(jī)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(jī)容量越大的電機(jī)，發(fā)熱問(wèn)題越嚴(yán)重，大型電機(jī)的冷卻問(wèn)題是一個(gè)比較困難的問(wèn)題，為了把足夠的冷卻介質(zhì)送到各個(gè)發(fā)熱的部位去，使

14、最熱的地方得到最強(qiáng)的冷卻，從而使電機(jī)各部分的溫升比較均勻，并都不超過(guò)允許的溫升限度。大型電機(jī)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(guó)內(nèi)外大型汽輪發(fā)電機(jī)，定、轉(zhuǎn)子繞組采用內(nèi)部冷卻方法，如采用空心導(dǎo)體把冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)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(jī)的額定容量是指符合定額的輸出功率。它主要取決于電機(jī)各部分絕緣材料的極限允許溫度。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗主要有銅損耗、鐵損耗和機(jī)械損耗，各種損耗都變?yōu)闊崃?，使電機(jī)溫度升高，并向周圍冷卻介質(zhì)散熱，最后達(dá)到熱量穩(wěn)定，此時(shí)電機(jī)穩(wěn)定溫度與周圍介質(zhì)溫度之差稱為溫升，這是評(píng)價(jià)電機(jī)熱性能的重要指標(biāo)。電機(jī)各部分溫度的測(cè)量可用溫度計(jì)法、電阻法、疊加法、埋置測(cè)溫計(jì)法。電機(jī)的發(fā)熱、散熱和溫升計(jì)算比較復(fù)雜，本章著重進(jìn)行定性分析。電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過(guò)程曲線都是按指數(shù)規(guī)律變化。電機(jī)的散熱方式主要是對(duì)流，其次為輻射，旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要依靠強(qiáng)制對(duì)流，可以改善散熱效果，且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，故被廣為采用。大型電機(jī)的冷卻方式和冷卻介質(zhì)的合理選擇以保證電機(jī)各部分的溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。思考題8-1旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的