電機(jī)設(shè)計第七章-李景燦

第七章

發(fā)熱計算7-1電機(jī)允許的溫升限度7-2傳熱的基本定律7-3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算7.1電機(jī)允許的溫升限度

電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生損耗，這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電機(jī)各部分溫度升高。

電機(jī)某部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，稱為該部件的溫升。電機(jī)的實際溫升若超出其所用絕緣結(jié)構(gòu)的溫升限度，將給電機(jī)的壽命帶來極大的危害。以E級絕緣為例，若溫升超過規(guī)定限值10℃，電機(jī)的壽命將減小為原來的一半。但在設(shè)計中溫升裕量留得過多，則造成材料的浪費(fèi)。鑒于該問題的重要性，數(shù)十年來國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究工作。電機(jī)的發(fā)熱與溫升計算是電機(jī)設(shè)計得難題。影響溫升的因素很多：電機(jī)的電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷的選取選用的材料與制造工藝通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計溫升往往難以精確計算。特別是局部過熱點的溫升，如超過限度，同樣會影響電機(jī)壽命。7.1電機(jī)允許的溫升限度

溫升隨時間如何變化？

溫升隨時間的變化呈指數(shù)曲線關(guān)系，如圖所示。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提升物體溫度，因此，物體溫度上升很快。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發(fā)到周圍介質(zhì)，散發(fā)量隨著溫差的加大而加大。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)中的熱量相等時，物體本身的溫度不再增加。t0DtDt∞7.1電機(jī)允許的溫升限度溫升限制：溫升受到電機(jī)材料限制不能超過一定數(shù)值，溫升對電機(jī)部件的影響，首當(dāng)其沖的是繞組的絕緣材料。如何降低溫升必須設(shè)法降低溫升，減少損耗，提高電機(jī)散熱能力。溫升計算目的：核算電機(jī)中幾個發(fā)熱部件在額定運(yùn)行時溫升是否超過允許的極限值。7.1電機(jī)允許的溫升限度

電機(jī)在額定狀態(tài)下長期運(yùn)行而其溫度達(dá)到穩(wěn)定時，電機(jī)各部件溫升的允許極限值稱為溫升限度。電機(jī)溫升限度在國家標(biāo)準(zhǔn)中已做了規(guī)定。對于空氣冷卻的電機(jī)如表7-1。對電機(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，如下表。耐熱分級AEBFH極限溫度/℃105120130155180冷卻介質(zhì)溫度/℃4040404040溫升限度/℃6075801001257.1電機(jī)允許的溫升限度

1、溫度對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)。但如果超過極限溫度，則壽命按指數(shù)規(guī)律下降。例如，對A級絕緣，當(dāng)工作極限溫度超過8℃時(B級10℃，F(xiàn)級12℃，H級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，每個國家一般都采用大部分地區(qū)的大氣絕對最高溫度作為冷卻介質(zhì)的溫度，因此我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定+40℃作為冷卻介質(zhì)溫度。3、測量溫度的方法有溫度計法、電阻法、埋置檢溫計法三種方法不同的方法測出的平均溫度與最熱點溫度之間的差別不一樣。例如在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定A級絕緣的定子繞組，用溫度計法測得的溫升限度為50℃，它是由該級絕緣的最高溫度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。被測部件中最熱點的溫度才是判斷電機(jī)是否能長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。7.1電機(jī)允許的溫升限度

4、海拔高度對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。國標(biāo)規(guī)定：當(dāng)電機(jī)的使用地點的海拔高（低）于試驗地點的海拔時，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Δτ<80K7.1電機(jī)允許的溫升限度其它因素對電機(jī)溫升的影響繞組溫度提高，一般意味著電機(jī)損耗的增大和效率的下降，受經(jīng)濟(jì)限制。繞組溫度提高，可能引起軸承潤滑系統(tǒng)工作的困難。繞組溫度提高，會引起換向的困難。繞組溫度提高，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，如對絕緣的介電性能、導(dǎo)體金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度等，都會帶來不利影響。7.2傳熱的基本定律一、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)過對流和輻射的作用散到周圍去。因此從上述三種方式的基本定律得出溫升計算方法。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中。將場中的相同溫度點聯(lián)接起來，便得到等溫線或面。如圖所示。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，如圖所示。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中，把具有相同溫度的點聯(lián)接起來便得到等溫面（線）。熱流密度q：單位時間內(nèi)通過單位等溫面的熱量。等溫線高溫低溫?zé)崃鞯葴鼐€法線7.2傳熱的基本定律熱傳導(dǎo)定律：熱流強(qiáng)度與各點在等溫面法線方向上的空間溫度變化率或各點的溫度梯度成正比?！?”表示溫度梯度的正方向為溫度上升的方向，熱量的傳播方向總是從高溫到低溫的溫度下降的方向。平面熱傳導(dǎo)7.2傳熱的基本定律熱阻的串并聯(lián)（與電路一樣）

為了計算溫升方便，將“場”的問題轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥贰钡膯栴}。引入電路的概念。7.2傳熱的基本定律對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方式：對流和輻射一、輻射散熱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n10.970.950.290.20.177.2傳熱的基本定律對流和輻射散熱一、輻射散熱影響因素：決定于發(fā)熱表面的特性，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。

一般情況下，當(dāng)采用強(qiáng)制對流冷卻電機(jī)時，由輻射帶走的熱量微乎其微，可忽略不計。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%7.2傳熱的基本定律二、對流散熱影響因素：與固體表面的流動狀態(tài)有關(guān)固體表面的流動是層流的話：流體僅與固體表面平行，流體僅與固體表面進(jìn)行流動層；各層之間有流體交換，這時與固體表面垂直方向的熱量主要靠傳導(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)點不再保持平行于壁的運(yùn)動，熱量傳遞主要依靠對流的作用，對流傳熱時熱阻較小，所以紊流時散熱能力大大提高。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)當(dāng)固體表面的溫度與流體的溫度不相等時，它們之間產(chǎn)生熱交換，熱量將由高溫物體傳向低溫物體，這種交換實際上是傳導(dǎo)和對流兩種作用，總稱為對流換熱。如電機(jī)、鐵心繞組或其它部件的散熱方式就是這種。對流和輻射散熱層流紊流固體7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、電機(jī)中的溫度分布溫升的計算主要是計算繞組和鐵心的溫升。因為它們既是熱源，又是導(dǎo)熱介質(zhì)。

溫度在空間總是按一定規(guī)律呈曲線分布，因此有最高溫升與平均溫升之別。但在計算時從整體來處理，通常只計算發(fā)熱部件的平均溫升。（一）采用對稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)中定子繞組沿軸向的溫度分布x0θ

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。7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、電機(jī)中的溫度分布（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，如圖所示。x0θ7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、電機(jī)中的溫度分布（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鐵心散出去。形成中間低兩端高的溫度分布。如圖所示。x0θ7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、電機(jī)中的溫度分布（四）勵磁繞組中的溫度分布

勵磁繞組→銅損耗→熱量→沿著厚度方向傳導(dǎo)表面→散熱→空氣7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、電機(jī)中的溫度分布（五）鐵心疊片組中的溫度分布

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稱。θ0xx7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算一、用熱路法計算電機(jī)的平均溫升1、計算時假定繞組銅（鋁）和鐵心的熱導(dǎo)率為無窮大，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)的溫升計算中，應(yīng)用最多的是二熱源熱路法。7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算用熱路法計算電機(jī)的平均溫升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)定子為例說明二熱源熱路法的計算。定子繞組銅耗產(chǎn)生的熱量可以從三條途徑散出：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；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。7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算二熱源熱路法

假定繞組各部分的溫度相同，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。RF1RF2RF3RC1RC2RCFpCupFeRFeRCuRCFpCupFe由圖列出如下方程：7.3電機(jī)穩(wěn)定溫升的計算二熱源熱路法RF1RF2RF3RC1RC2