電機(jī)的設(shè)計(jì)之六 發(fā)熱計(jì)算ppt課件

1、第七章 發(fā)熱計(jì)算7-1電機(jī)允許的溫升限度一、概述電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生損耗變?yōu)闊崮茈姍C(jī)各部分溫度升高。溫升：電機(jī)部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，稱為該部件的溫升。溫升：電機(jī)部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，稱為該部件的溫升。用用來(lái)表示。來(lái)表示。 根據(jù)對(duì)物質(zhì)體發(fā)熱過(guò)程的分析，溫升隨時(shí)間的變化是呈指數(shù)曲線關(guān)系，如下圖。 為什么升溫的變化過(guò)程呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系？起始階段：物體溫度與周圍介質(zhì)溫度相同，物體所產(chǎn)生的損耗熱全部用來(lái)提升物體溫度，因而，物體溫度上升很快t0t0穩(wěn)定階段：當(dāng)物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與散發(fā)到周圍介質(zhì)中支的熱量相等時(shí)，物體本身的溫度不再增加。中間階段：由于物體溫度高于周圍介質(zhì)溫度，溫差加大，于是物體的熱量就散

2、發(fā)到周圍介質(zhì)，散發(fā)量隨著溫差的加大而加大溫升對(duì)電機(jī)部件的影響，首當(dāng)其沖的是繞組的絕緣材料。如何降低溫升？1、提高效率，減少損耗2、增強(qiáng)電機(jī)的散熱能力，如強(qiáng)迫風(fēng)冷。二、我國(guó)采用的電機(jī)溫升限度溫升限度：指電機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行下，各部件溫升的允許極限值稱為溫升極限。 對(duì)電機(jī)而言，其溫升極限基本上取決于絕緣材料所允許的最高溫度及冷卻介質(zhì)的溫度。不同絕緣等級(jí)的絕緣材料，其耐溫極限如下表所示。耐熱分級(jí)AEBFH極限溫度/105120130155180冷卻介質(zhì)溫度/4040404040溫升限度/6075801001251、溫度對(duì)絕緣材料壽命的影響 絕緣材料在規(guī)定的極限溫度下工作，能夠獲得經(jīng)濟(jì)的使用壽命（20年

3、）。但如果超過(guò)極限溫度，則壽命按指數(shù)規(guī)律下降。例如，對(duì)A級(jí)絕緣，當(dāng)工作極限溫度超過(guò)8時(shí)B級(jí)10，F(xiàn)級(jí)12，H級(jí)14），其使用壽命降一半。2、冷卻介質(zhì)溫度的確定 冷卻介質(zhì)溫度即為大氣溫度，每個(gè)國(guó)家一般都采用大部分地區(qū)的大氣絕對(duì)最高溫度作為冷卻介質(zhì)的溫度，因此我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定+40作為冷卻介質(zhì)溫度。3、測(cè)量溫度的方法有溫度計(jì)法、電阻法、埋置檢溫計(jì)法三種方法 不同的方法測(cè)出的平均溫度與最熱點(diǎn)溫度之間的差別不一樣。例如在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定A級(jí)絕緣的定子繞組，用溫度計(jì)法測(cè)得的溫升限度為50，它是由該級(jí)絕緣的最高溫度105減去40得65，再減掉平均溫度與最高溫度的差別15后得到。CtRRRttRRCtt/004

4、. 0.)25(1 :,)(25,2525對(duì)于銅為導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)可按下式計(jì)算時(shí)的繞組電阻溫度則溫度升高至穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)繞組電阻假定繞組溫度為電阻與溫度有關(guān)4、海拔高度對(duì)溫升的影響 海拔高度不同，則空氣的稀薄也不同，散熱條件也不同。國(guó)標(biāo)規(guī)定：當(dāng)電機(jī)的使用地點(diǎn)的海拔高低于試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔時(shí)，其溫升限度應(yīng)按兩地海拔之差每100m減加去規(guī)定值的1%。低于1000m均算作1000m。1000mB極絕緣B極絕緣溫升80K%)110010001 (80mmhK溫升7-2 傳熱基本定律一、概述電機(jī)散熱有三種方式： 由損耗產(chǎn)生的熱量，先由發(fā)熱體內(nèi)部傳導(dǎo)至表面，然后經(jīng)過(guò)對(duì)流和，輻射的作用散到周圍去

5、。因此從上述三種方式的基本定律中得出溫升的計(jì)算方法。二、熱傳導(dǎo)定律 傳導(dǎo)只發(fā)生在溫度有高低差別的溫度場(chǎng)中。將場(chǎng)中的相同溫度點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，便得到等溫線或面。如下圖。 并且，熱的傳導(dǎo)方向是和溫度空間變化率最大的方向一致，即與等溫線的法線方向一致，如下圖。等溫線高溫低溫?zé)崃鞯葴鼐€法線熱流密度q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位等溫面的熱量。該物理量的單位為：J/(m2.s)熱傳導(dǎo)定律：溫度場(chǎng)各點(diǎn)的熱流密度q與該點(diǎn)的溫度梯度成正比：即熱導(dǎo)率為比例常數(shù),gradq如果熱流只有一個(gè)方向，即x方向的平面熱傳導(dǎo)，則上式可改寫為：dxdAAqdxdq所以熱流面的面積與熱流方向垂直的等溫即熱流量的總熱量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)等溫面由熱流

6、密度的定義)(),(:x012平面熱傳導(dǎo)如果A是常數(shù)，解上式微分方程得：xACACxCCAx111:,0,回代到解式中得將則有時(shí)設(shè)當(dāng)為積分常數(shù)因而，在平面熱傳導(dǎo)中，溫度分布是一直線。如下圖。Ax122,則有時(shí)當(dāng)稱之為熱阻式中溫差A(yù)RRA21 為了計(jì)算溫升方便，將“場(chǎng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥返膯?wèn)題。引入電路的概念，即將溫差當(dāng)作電壓，熱流當(dāng)作電流，熱阻R當(dāng)作電阻。于是在熱路中，合成熱阻的計(jì)算方法也與電路中求電阻的方法一樣。nnnnRRRR1111并聯(lián)的合成熱阻為串聯(lián)的合成熱阻為三、熱傳導(dǎo)方程四、對(duì)流和輻射散熱（一輻射散熱.,./107 . 5,)(,2844查表得到有關(guān)其值與發(fā)熱體表面情況因數(shù)周圍介質(zhì)的絕

7、對(duì)溫度玻耳茲曼常數(shù)純黑物體的斯忒藩發(fā)熱體表面的溫度式中表面輻射出去的熱量每秒從每平方米發(fā)熱體根據(jù)輻射定律TKmWTTTq表7-4表面純黑物體粗鑄鐵毛面段鐵磨光段鐵毛面黃銅磨光紫銅10.970.950.290.20.17 一般情況下，當(dāng)采用強(qiáng)制對(duì)流冷卻電機(jī)時(shí)，由輻射帶走的熱量微乎其微，可忽略不計(jì)。但是在平靜的大氣中，由輻射散發(fā)的熱量約占總散熱量的40%(二對(duì)流散熱層流紊流固體120 x固體表面與流體接觸時(shí)的散熱情況，如下圖。1、首先當(dāng)固體的溫度與流體溫度不等時(shí)，它們之間就有熱交換，熱量高溫物體傳向低溫物體。2、這種交換存在著傳導(dǎo)與對(duì)流兩種方式。3、散熱能力取決于流體的固體表面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在靠近

8、固體表面處，流體作層流運(yùn)動(dòng)，層與層之間沒(méi)有流體交換，因此熱量傳遞主要靠傳導(dǎo)。4、當(dāng)流體作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體各部分作無(wú)規(guī)則的旋渦運(yùn)動(dòng)，相互間有流體交換，交換過(guò)程也就是熱量的傳遞過(guò)程，所以熱量傳遞方式主要是對(duì)流。5、對(duì)流散熱時(shí)，表面散熱能力還與冷卻介質(zhì)的物理性能、固體表面幾何形狀、尺寸等因素有關(guān)。五、牛頓散熱定律和散熱系數(shù)對(duì)流作用帶走的熱量，都采用牛頓散熱定律來(lái)計(jì)算。分別為固體與流體溫度量面散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱在單位時(shí)間內(nèi)由單位表時(shí)為即表面與周圍介質(zhì)溫差散熱系數(shù)熱流密度牛頓散熱定律2121.,1;)(:Cqq一般情況下，的確定很困難，只能用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定。 如果用空氣作為冷卻介質(zhì)，忽略散熱表面幾何尺

9、寸等因素的影響，則可以近似地認(rèn)為散熱系數(shù)僅與空氣的流速有關(guān)。當(dāng)空氣流速在525m/s時(shí)，與流速v的關(guān)系如下：數(shù)考慮氣流吹拂效率的系空氣吹拂表面的速度見(jiàn)表的散熱系數(shù)發(fā)熱表面在平靜空氣中或較準(zhǔn)確地表示為kkvvkvk00000,)()1 (:)1 (把牛頓散熱定律改寫成：阻為散熱表面到流體的熱式中ARRAq1 當(dāng)熱量從電機(jī)繞組端部傳給冷卻空氣時(shí)，要經(jīng)過(guò)兩個(gè)熱阻，絕緣中的傳導(dǎo)熱阻和繞組表面的散熱熱阻?？偀嶙铻檫@兩個(gè)熱阻之和，即：ARAR1熱源7-3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計(jì)算一、電機(jī)中的溫度分布 溫升的計(jì)算主要是計(jì)算繞組和鐵心的溫升。因?yàn)樗鼈兗仁菬嵩矗质菍?dǎo)熱介質(zhì)。 溫度在空間總是按一定規(guī)律呈曲線分布，因此有

10、最高溫升與平均溫升之別。但在計(jì)算是從整體來(lái)處理，通常只計(jì)算發(fā)熱部件的平均溫升。（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 這種通風(fēng)系統(tǒng)，鐵心有徑向通風(fēng)道，徑向風(fēng)量大體相同，定子繞組的溫度分布如下圖所示。熱量一部分由風(fēng)道散到空氣中，另一部分由端部散到空氣中。x0(二采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)或混合式通風(fēng)系統(tǒng)最高溫度位置向熱風(fēng)逸出電機(jī)的出口方向移動(dòng)，如下圖。x0（三表面冷卻的封閉式交流電機(jī)中定子繞組溫度沿軸向分布 這類電機(jī)的繞組損耗主要通過(guò)鐵心、機(jī)座散出去，而端部的散熱條件較差，端部損耗熱量主要部分通過(guò)鐵心散出去。形成中間低兩端高的溫度分布。如下圖。x0（四勵(lì)磁繞組中的溫度分布圖略）（五鐵心疊

11、片組中的溫度分布 硅鋼片疊片組的徑向熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)大于軸向熱導(dǎo)率，可以近似地認(rèn)為在鐵心中沿著徑向的溫度分布是均勻的，而沿著軸向分布是不均勻的，如圖所示。如果兩側(cè)徑向通風(fēng)量不同，則沿軸向的溫度分布也不對(duì)稱。0 x二、用熱路法計(jì)算電機(jī)的平均溫升1、計(jì)算時(shí)假定繞組銅鋁和鐵心的熱導(dǎo)率為無(wú)窮大，即認(rèn)為“銅和“鐵”都是等溫體，其溫度為平均溫度。2、在上述假定下，電機(jī)的溫度降將集中在繞組絕緣和有關(guān)的散熱表面處的冷卻介質(zhì)的流體中。3、利用熱路法計(jì)算絕緣內(nèi)的溫度降和表面冷卻介質(zhì)溫度降，得到繞組和鐵心的平均溫升。4、大多數(shù)情況下，由于定子與轉(zhuǎn)子間隔著一層氣隙，而空氣的熱阻比其它散熱途徑要大得多，因此可以忽略定、轉(zhuǎn)子間

12、的熱交換。將定子繞組和定子鐵心視為獨(dú)立的熱源，構(gòu)成二熱源熱路。在電機(jī)的溫升計(jì)算中，應(yīng)用最多的是二熱源熱路法。（一二熱源熱路法以空氣冷卻徑向通風(fēng)系統(tǒng)的交流電機(jī)定子為例說(shuō)明二熱源熱路法的計(jì)算。由鐵心損耗產(chǎn)生的熱量可從以下四條途徑散出：1從通道表面散出，其熱阻為RF1；2從鐵心內(nèi)圓表面散出，其熱阻為RF2；3從鐵心外圓表面散出，其熱阻為RF3；4先傳給繞組銅，再由銅散出，此熱阻等于前面的RCF。1從繞組端部表面?zhèn)鹘o空氣，其熱阻為RC1；2從通風(fēng)道中的繞組表面?zhèn)鹘o空氣，其熱阻為RC2；3先傳給鐵心，再由鐵心傳給空氣，繞組銅與鐵心之間的熱阻為RCF；定子繞組銅耗產(chǎn)生的熱量可以從三條途徑散出： 假定繞組各

13、部分的溫度相同，鐵心各部分溫度相同，空氣各部分溫度也相同，則可畫出如下二熱源熱路圖。RF1RF2 RF3RC1RC2RCFpCupFeCuFeRFeRCuRCFpCupFeCuFe 由圖列出如下方程：;32121的合成熱阻為的合成熱阻為式中FFFFeCCCuFeFeFeCFCueFeCuCuCuCFFeCuRRRRRRRpRRpRR解上二式得：CFCuFeCFCuCuCuFeFeCFFeCuCFFeFeFeCuCuRRRRRRppRRRRRRpp11)(11)( 由解式可見(jiàn)，銅和鐵的溫升都可視為兩部分溫升的疊加。例如對(duì)銅的溫升可以寫為：)()(1111 的銅的溫升相當(dāng)于空載試驗(yàn)時(shí)測(cè)得銅的溫升相當(dāng)于短路試驗(yàn)測(cè)得的CuCuCFFeCuCFFeFeFeCFFeCuCuCuRRRRRRpRRRp熱阻計(jì)算：1、定子繞組銅與鐵心之間的絕緣熱阻RCF的計(jì)算CFCFCFCFAR面積絕緣材料和鐵心的接觸絕緣材料的合成熱導(dǎo)率銅鐵之間的絕緣總厚度式中CFCFCFA2、繞組端部銅和空氣間的熱阻RC1的計(jì)算由兩部分的熱阻組成：1端部絕緣的傳導(dǎo)熱阻RC1；2端部表面的散熱熱阻RC1；11 11111 1111CCCCCCCCCCARARRRR)()()(11111槽數(shù)絕緣表面周長(zhǎng)端部長(zhǎng)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式中ZulA