電機的發(fā)熱和冷卻

1、第十章 電機的發(fā)熱和冷卻,10.1 電機的溫升和溫升限度,10.2 電機的發(fā)熱和冷卻,10.3 電機的冷卻方式,河南城建學院,旋轉電機在能量轉換過程中，其內部將同時產生損耗。1、損耗的影響，（1）電機的效率和運行的經濟性；（2）由于損耗的能量最終均轉化為熱能，使電機各部分的溫度升高，這將影響到所用絕緣材料的使用壽命，并限制電機的輸出，嚴重的甚至可把電機燒毀。2、損耗減少方法（1）合理的設計減少電機的損耗；（2）改善冷卻條

2、件，使熱量有效地發(fā)散出去。,第十章 電機的發(fā)熱和冷卻,電機溫升是衡量電機性能的一個重要指標，它表征電機的內部損耗，即表征電機發(fā)熱的物理量。電機內部耐熱性最差的部分就是絕緣材料。一、絕緣材料的等級 電機中常用絕緣材料的耐熱等級和溫度限值如下表所示。,10.1 電機的溫升和溫升限度,注意：（1）當絕緣處于極限工作溫度內時，電機的使用壽命可以長達15~20年；（2）如果高于表示的溫度連續(xù)運行，電機的使用壽命將迅速下降。

3、 據(jù)統(tǒng)計，A級絕緣材料的工作溫度每上升8~100，絕緣的壽命將縮短一半?，F(xiàn)代電機中應用最多的是E級和B級絕緣。,二、電機各部分的允許溫升1、電機溫升：電機溫度t與周圍冷卻介質的溫度t0之差，用θ表示，即θ=t-t0。表示電機發(fā)熱及散熱情況的是溫升，而不是溫度。2、溫升限度（1）當電機所用的絕緣材料確定后，電機的最高允許溫度就確定了，此時溫升的限值就取決于冷卻介質的溫度。一般電機中冷卻介質是空氣，它的溫度隨地區(qū)及季節(jié)而不同

4、，為了制造出能在全國各地全年都能適用的電機，并明確統(tǒng)一的檢查標準，國家標準規(guī)定：冷卻空氣的溫度定為40oC。在此環(huán)境溫度下，電機繞組的溫升限值：E級絕緣為75oC，B級絕緣為80oC。,（2）電機運行時，輸出功率越大，則電流和損耗越大，溫度越就越高，但最高溫度不得超過絕緣的最高允許溫度。因此，電機容許的長期最大輸出功率（即電機的容量或額定功率）受絕緣的最高允許溫度限制，或者說容量由絕緣的最高允許溫度所決定。電機銘牌上所表明的額定功率就是

5、指在標準的環(huán)境溫度（我國規(guī)定為40oC）和規(guī)定的工作方式下，其溫度不超過絕緣的最高允許溫度時的最大輸出功率。,3、測量方法 (1)溫度計法 這種方法用溫度計直接測定溫度，最為簡便。但溫度計只能觸及部件的表面，故測得的溫度僅為部件表面溫度，而無法測出內部最熱點的溫度。因此，溫度計法測得的溫升限度要比其他方法規(guī)定得稍低一些。 (2)電阻法 這種方法是利用繞組發(fā)熱時電阻的變化來測定其溫度。例如，若銅線繞組在冷態(tài)溫度to(通常為室溫)時

6、的電阻為Ro，當繞組溫度升高至熱態(tài)溫度t時，繞組的熱態(tài)電阻為R，則根據(jù)R / R o =(234.5十t)/(234.5十to)即可求得繞組的熱態(tài)溫度。如繞組用的是鋁線，式中的常數(shù)234.5改用245來代替測出的溫度是整個繞組的平均溫度。,(3)埋置檢溫計法 較大的電機，在裝配時常在預計有最高溫度的地方(例如槽內上、下層之間或槽底)埋置檢溫計。檢溫計有熱電偶和電阻溫度計兩種。電機運行時，通過測量熱電偶的電動勢或電阻溫度計的電阻，

7、就可確定被測點的溫度。此法雖較復雜，但它可以測得接近于電機內部最熱點的溫度。 因此國標中所規(guī)定的部件容許最高溫度，因測量方法不同而不同。例如環(huán)境空氣溫度為40oC時，采用B級絕緣的5000kW以下的交流電機的交流繞組，其溫升限度規(guī)定為：電阻法-80oC；檢溫計法-90oC；加上環(huán)境溫度后其值低于或等于B級材料的容許工作溫度。,電動機的熱源來自電機內部，即電流流過定子繞組時產生的銅損耗，在鐵芯內當磁通變化時所產生的鐵損耗，軸

8、承摩擦所產生的機械損耗及附加損耗。電機產生的熱量，首先借傳導作用傳送到電機的外表面，然后借輻射和對流作用將熱量從電機外表面散發(fā)到周圍冷卻介質中去。1、電機內熱量的傳導和散出（1）熱阻：各種損耗形成不同的熱源，損耗轉化為熱量后，將流過不同的材料，由電機外表面散發(fā)至外面。對于定子繞組產生的熱量，首先穿過絕緣層傳至鐵芯，再由鐵芯傳至機殼。如同電流在導體中流過要遇到阻力一樣，熱量在電機內部的傳導過程中也要遇到阻力，用Rth表示。,10.2

9、電機的發(fā)熱和冷卻,Rth=l/λA式中，l為導熱體在熱流方向上的長度(m)；A為垂直于熱流的導熱面積(m2);λ為導熱體的熱導車(W／m·oC)。（2）提高散熱的措施 由于不同材料的導熱系數(shù)相差很大，一般金屬的導熱系數(shù)很大，絕緣材料的導熱系數(shù)較小，空氣的導熱系數(shù)最小。因此要改善電機內部的熱傳導過程、增大導熱系數(shù)主要采取下面兩個措施：①采用耐壓強度高、導熱性能好的絕緣材料。在保證絕緣強度的情況下，盡量減少絕緣

10、層的厚度，以減少絕緣層的熱阻。②采用浸漆的方法來驅趕掉槽內的空氣，即用漆來添滿槽內的所有空隙。繞組浸漆不僅可以改善導熱性能，同時也增強了絕緣性能。此外繞組浸漆以后成為一個牢固的整體， 機械性能也大為改善。,2、電機的工作方式 電機工作時，其溫升不僅決定于負載的大小，而且與負載的持續(xù)時間有關系，同一臺電機，如果工作時間長短不同，則能夠承擔的負載功率也不同。為了適應不同負載的需要，電機制造時，按負載持續(xù)時間的不同，把電機分成

11、為三種工作方式或三種工作制。（1）連續(xù)（長期）工作制     電機連續(xù)工作時間長，其工作時間ton >(3~4)T，可達幾小時甚至幾十小時，因此電機溫升可達到穩(wěn)定值。屬于此類工作制的生產機械有水泵、通風機、造紙機、機床主軸等。,（2）短時工作制 電機工作時間短，ton (3~4)T，電機的溫度足以降到和周圍環(huán)境溫度一樣，即溫升足以降到零。屬于此類工作制的生產機械有機床的輔助運動，

12、如水閘閘門的起閉機械等。  電機在短時工作時，其容量往往只受過載能力和起動能力的限制，因此專門為短時工作制設計的電機，其過載能力和起動轉矩都較大。我國生產的短時工作制電機，其工作時間有15min 、30min、60min、90min四種定額。,三、重復短時(斷續(xù)周期)工作制   重復短時工作制又稱為斷續(xù)周期工作制。其特點是：工作和停止周期性地交替進行，但工作時間和停止時間都較短，ton<(

13、3~4)T，toff <(3~4)T，且規(guī)定工作周期 。工作時溫升增加，但達不到穩(wěn)定值 ；停止時溫升下降，但降不到零。每個周期結束時的溫升都比開始時的溫升高，這樣經過若干個周期后，就會出現(xiàn)一個周期內溫升的增長和降落相等的情況，這時溫升就達到一個穩(wěn)定的波動狀態(tài)，即在最高溫升 與最低溫升 之間波動，平均溫升不變。屬于此類工作制的生產機械有起重機、電梯、軋鋼輔助機械、某些自動機床的工作機構等。,在重復工作制中，額定負載時間與整個周期之比

14、稱為負載持續(xù)率。標準的負載持續(xù)率為15%、25%、40%及60%。每個周期為10min。   周期工作時，電機的發(fā)熱和冷卻過程是交錯進行的，故它達到的溫升將比連續(xù)運行時低，如圖。不論是周期工作定額的電機還是短時定額的電機，都不可按其周期工作定額或短時工作定額作長期連續(xù)運行，否則會使電機過熱而損壞。,3、不同工作制電機的發(fā)熱和冷卻(1)連續(xù)運行時電機的發(fā)熱和冷卻 電機的溫升不僅取決干損耗的大小，而且與

15、電機的運行情況及其持續(xù)時間有關。 實際電機是由許多物理性質不同的部件組成、它們各有不同的熱導率。另外，電機中常有好幾個熱源，使各部分同時發(fā)熱。因此，實際電機的發(fā)熱過程極為復雜。為使問題簡化，通常把整個電機或電機的某一部分作為均質等溫固體來研究。所謂均質等溫固體，是指物體表面各點的散熱情況均相同，且內部沒有溫差〔即熱導率趨近于無窮大)的理想發(fā)熱體，內此得出的結論雖與實際情況不盡符合，但是實踐證明，在研究發(fā)熱的規(guī)律和

16、估計穩(wěn)定溫升時，仍是可用。,Qdt=cGdθ+αAθdt在發(fā)熱過程中，在時間dt內，物體產生的熱量應為Qd t；散出的熱量 αAθdt ；用以提高自身溫升d θ 所需的熱量為 cGd θ 。,結論：（1）均質等溫固體的發(fā)熱和冷卻曲線都是指數(shù)曲線。（2）由于物體的穩(wěn)態(tài)溫升θ∞＝Q／αA，所以單位時間內物體內部產生的熱量越大，穩(wěn)態(tài)溫升就越高，表面的散熱能力越強，穩(wěn)態(tài)溫升就越低。散熱系數(shù)。α是一個很復雜的系數(shù)，對不同的冷卻介質和不同的氣

17、流速度， α有不同的數(shù)值。,（3）發(fā)熱和冷卻的速度取決于發(fā)熱和冷卻時的時間常數(shù)T，T＝cG／ αA 。物體的熱容量越大，時間常數(shù)就越大，散熱能力越好，時間常數(shù)就越小。由于重量正比于線性尺寸的立方，而散熱面積正比于線性尺寸的平方，所以隨著電機尺寸和容量的增大，發(fā)熱和冷卻時間常數(shù)的數(shù)值將相應增大。（4）無論是發(fā)熱還是冷卻，在最初階段，物體的溫升總是上升或下降得較快，因此測溫要快，測溫的時間間隔要短，隨后時間間隔可逐步放長。,三、短時運行和

18、周期運行時電機的發(fā)熱和冷卻 1、短時運行 電機的運行時間很短，按照規(guī)定的機、電數(shù)據(jù)，在未達到實際的穩(wěn)態(tài)溫度時即停機較長的時間；下一次起動時，電機各部分實際上均己冷卻到周圍介質的溫度。短時運行時．時限優(yōu)先采用15、30、60及90分鐘四種。如果超過規(guī)定的時限，電機的溫升將超過容許的溫升限度，使電機的壽命縮短，甚至被燒毀。,2、周期運行 按照規(guī)定的電機數(shù)據(jù)，電機長期運行于一系列相同的工作周期，此周期包括

19、一個恒定負載運行時間和一個停機時間。負載時間與整個周期之比稱為負載持續(xù)率。國標規(guī)定，每個周期的持續(xù)時間為10分鐘，負載持續(xù)率分為15％、25％、40％及60％四種。 周期運行時，電機的發(fā)熱和冷卻過程是交替進行的。它和短時運行一樣，這類電機不可按周期運行時的恒定負載作連續(xù)運行，否則臺使電機過熱而損壞。,電機的冷卻情況決定了電機的溫升，溫升又直接影響電機的使用壽命和額定容量，由此可見，冷卻問題對電機具有重要意義。1、電機的冷卻

20、介質 指能夠直接或間接地把電機熱量帶走的物質。如空氣、氫氣、水和油等。2、分類（1）按冷卻介質的不同，一般電機的冷卻可分為兩類：氣體冷卻和液體冷卻。 中小型電機一般都利用空氣來進行通風冷卻。按其冷卻方式可分為自然冷卻、自通風冷卻、強迫通風冷卻以及管道通風冷卻等數(shù)種方式。,10.3 電機的冷卻方式,①自然冷卻 這種電機僅靠表面的輻射和空氣自然流動獲得冷卻，不裝任何專門的冷卻裝置，僅適用于幾百瓦以下的小型電機

21、。②自通風冷卻 這種電機由本身所驅動的風扇供給冷卻空氣，以冷卻發(fā)熱部件的表面和內部。③強迫通風冷卻 這種電機的冷卻空氣是獨立驅動的風扇和鼓風機供給。其特點是可根據(jù)負載大小來調節(jié)風扇和鼓風機的轉速，以控制供給電機的風量，從而減少低負載時的通風損耗。④管道通風冷卻 這種電機的冷卻空氣經過管道引入或排除。當室內空氣混濁，有棉毛、塵埃及其他粉末時，采用管道通風比較有利，這樣，可從室外吸取潔凈空氣來冷卻電機。,（2）按冷卻結構分類：表面、內

22、部1）表面冷卻①特點 表面冷卻時，冷卻介質僅通過繞組的絕緣表面、鐵心和機殼的表面，間接地將熱量帶走，所以它亦稱為間接冷卻。表面冷卻的冷卻效果較差，但冷卻系統(tǒng)的結構較簡單，故多在中、小型電機中采用，冷卻介質通常采用空氣。②分類 表面冷卻系統(tǒng)按其結構又可分為自冷式、自扇冷式和他扇冷式三種。,2）內部冷卻 采用空心導體，把冷卻介質通人導體內部直接帶走熱量的冷卻方式，稱為內部冷卻。由于散熱面積與線性尺寸的平

23、方成正比，電機的損耗卻與線性尺寸的立方成正比，因此隨著線性尺寸和電機容量的增大，發(fā)熱和冷卻問題越來越嚴重。在大型電機(特別在高速大型汽輪發(fā)電機)中，發(fā)熱和冷卻問題往往成為限制電機權限容量的主要因素之一。為解決這一問題，國內外廣泛地采用了內部冷卻方式。 內部冷卻時，常用氫氣或經過處理的潔凈水作為冷卻介質。與表面氫冷時相比較，采用氫內冷并提高氫氣壓力后，冷卻效果可提高2~4倍，電機的容量可相應地提高50％~70％。若進一步采用