電機(jī)的發(fā)熱和冷卻

1、第十章 電機(jī)的發(fā)熱和冷卻,10.1 電機(jī)的溫升和溫升限度,10.2 電機(jī)的發(fā)熱和冷卻,10.3 電機(jī)的冷卻方式,河南城建學(xué)院,旋轉(zhuǎn)電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中，其內(nèi)部將同時(shí)產(chǎn)生損耗。1、損耗的影響，（1）電機(jī)的效率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；（2）由于損耗的能量最終均轉(zhuǎn)化為熱能，使電機(jī)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(jī)的輸出，嚴(yán)重的甚至可把電機(jī)燒毀。2、損耗減少方法（1）合理的設(shè)計(jì)減少電機(jī)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(jī)的發(fā)熱和冷卻,電機(jī)溫升是衡量電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它表征電機(jī)的內(nèi)部損耗，即表征電機(jī)發(fā)熱的物理量。電機(jī)內(nèi)部耐熱性最差的部分就是絕緣材料。一、絕緣材料的等級(jí) 電機(jī)中常用絕緣材料的耐熱等級(jí)和溫度限值如下表所示。,10.1 電機(jī)的溫升和溫升限度,注意：（1）當(dāng)絕緣處于極限工作溫度內(nèi)時(shí)，電機(jī)的使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)15~20年；（2）如果高于表示的溫度連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)的使用壽命將迅速下降。

3、 據(jù)統(tǒng)計(jì)，A級(jí)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(jī)中應(yīng)用最多的是E級(jí)和B級(jí)絕緣。,二、電機(jī)各部分的允許溫升1、電機(jī)溫升：電機(jī)溫度t與周圍冷卻介質(zhì)的溫度t0之差，用θ表示，即θ=t-t0。表示電機(jī)發(fā)熱及散熱情況的是溫升，而不是溫度。2、溫升限度（1）當(dāng)電機(jī)所用的絕緣材料確定后，電機(jī)的最高允許溫度就確定了，此時(shí)溫升的限值就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。一般電機(jī)中冷卻介質(zhì)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(guó)各地全年都能適用的電機(jī)，并明確統(tǒng)一的檢查標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：冷卻空氣的溫度定為40oC。在此環(huán)境溫度下，電機(jī)繞組的溫升限值：E級(jí)絕緣為75oC，B級(jí)絕緣為80oC。,（2）電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(jī)容許的長(zhǎng)期最大輸出功率（即電機(jī)的容量或額定功率）受絕緣的最高允許溫度限制，或者說(shuō)容量由絕緣的最高允許溫度所決定。電機(jī)銘牌上所表明的額定功率就是

5、指在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度（我國(guó)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(shí)的最大輸出功率。,3、測(cè)量方法 (1)溫度計(jì)法 這種方法用溫度計(jì)直接測(cè)定溫度，最為簡(jiǎn)便。但溫度計(jì)只能觸及部件的表面，故測(cè)得的溫度僅為部件表面溫度，而無(wú)法測(cè)出內(nèi)部最熱點(diǎn)的溫度。因此，溫度計(jì)法測(cè)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(shí)電阻的變化來(lái)測(cè)定其溫度。例如，若銅線繞組在冷態(tài)溫度to(通常為室溫)時(shí)

6、的電阻為Ro，當(dāng)繞組溫度升高至熱態(tài)溫度t時(shí)，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(lái)代替測(cè)出的溫度是整個(gè)繞組的平均溫度。,(3)埋置檢溫計(jì)法 較大的電機(jī)，在裝配時(shí)常在預(yù)計(jì)有最高溫度的地方(例如槽內(nèi)上、下層之間或槽底)埋置檢溫計(jì)。檢溫計(jì)有熱電偶和電阻溫度計(jì)兩種。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過測(cè)量熱電偶的電動(dòng)勢(shì)或電阻溫度計(jì)的電阻，

7、就可確定被測(cè)點(diǎn)的溫度。此法雖較復(fù)雜，但它可以測(cè)得接近于電機(jī)內(nèi)部最熱點(diǎn)的溫度。 因此國(guó)標(biāo)中所規(guī)定的部件容許最高溫度，因測(cè)量方法不同而不同。例如環(huán)境空氣溫度為40oC時(shí)，采用B級(jí)絕緣的5000kW以下的交流電機(jī)的交流繞組，其溫升限度規(guī)定為：電阻法-80oC；檢溫計(jì)法-90oC；加上環(huán)境溫度后其值低于或等于B級(jí)材料的容許工作溫度。,電動(dòng)機(jī)的熱源來(lái)自電機(jī)內(nèi)部，即電流流過定子繞組時(shí)產(chǎn)生的銅損耗，在鐵芯內(nèi)當(dāng)磁通變化時(shí)所產(chǎn)生的鐵損耗，軸

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

9、電機(jī)的發(fā)熱和冷卻,Rth=l/λA式中，l為導(dǎo)熱體在熱流方向上的長(zhǎng)度(m)；A為垂直于熱流的導(dǎo)熱面積(m2);λ為導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)車(W／m·oC)。（2）提高散熱的措施 由于不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，一般金屬的導(dǎo)熱系數(shù)很大，絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因此要改善電機(jī)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程、增大導(dǎo)熱系數(shù)主要采取下面兩個(gè)措施：①采用耐壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好的絕緣材料。在保證絕緣強(qiáng)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(lái)驅(qū)趕掉槽內(nèi)的空氣，即用漆來(lái)添滿槽內(nèi)的所有空隙。繞組浸漆不僅可以改善導(dǎo)熱性能，同時(shí)也增強(qiáng)了絕緣性能。此外繞組浸漆以后成為一個(gè)牢固的整體， 機(jī)械性能也大為改善。,2、電機(jī)的工作方式 電機(jī)工作時(shí)，其溫升不僅決定于負(fù)載的大小，而且與負(fù)載的持續(xù)時(shí)間有關(guān)系，同一臺(tái)電機(jī)，如果工作時(shí)間長(zhǎng)短不同，則能夠承擔(dān)的負(fù)載功率也不同。為了適應(yīng)不同負(fù)載的需要，電機(jī)制造時(shí)，按負(fù)載持續(xù)時(shí)間的不同，把電機(jī)分成

11、為三種工作方式或三種工作制。（1）連續(xù)（長(zhǎng)期）工作制     電機(jī)連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，其工作時(shí)間ton >(3~4)T，可達(dá)幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)，因此電機(jī)溫升可達(dá)到穩(wěn)定值。屬于此類工作制的生產(chǎn)機(jī)械有水泵、通風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)、機(jī)床主軸等。,（2）短時(shí)工作制 電機(jī)工作時(shí)間短，ton (3~4)T，電機(jī)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(chǎn)機(jī)械有機(jī)床的輔助運(yùn)動(dòng)，

12、如水閘閘門的起閉機(jī)械等。  電機(jī)在短時(shí)工作時(shí)，其容量往往只受過載能力和起動(dòng)能力的限制，因此專門為短時(shí)工作制設(shè)計(jì)的電機(jī)，其過載能力和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都較大。我國(guó)生產(chǎn)的短時(shí)工作制電機(jī)，其工作時(shí)間有15min 、30min、60min、90min四種定額。,三、重復(fù)短時(shí)(斷續(xù)周期)工作制   重復(fù)短時(shí)工作制又稱為斷續(xù)周期工作制。其特點(diǎn)是：工作和停止周期性地交替進(jìn)行，但工作時(shí)間和停止時(shí)間都較短，ton<(

13、3~4)T，toff <(3~4)T，且規(guī)定工作周期 。工作時(shí)溫升增加，但達(dá)不到穩(wěn)定值 ；停止時(shí)溫升下降，但降不到零。每個(gè)周期結(jié)束時(shí)的溫升都比開始時(shí)的溫升高，這樣經(jīng)過若干個(gè)周期后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)溫升的增長(zhǎng)和降落相等的情況，這時(shí)溫升就達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，即在最高溫升 與最低溫升 之間波動(dòng)，平均溫升不變。屬于此類工作制的生產(chǎn)機(jī)械有起重機(jī)、電梯、軋鋼輔助機(jī)械、某些自動(dòng)機(jī)床的工作機(jī)構(gòu)等。,在重復(fù)工作制中，額定負(fù)載時(shí)間與整個(gè)周期之比

14、稱為負(fù)載持續(xù)率。標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載持續(xù)率為15%、25%、40%及60%。每個(gè)周期為10min。   周期工作時(shí)，電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程是交錯(cuò)進(jìn)行的，故它達(dá)到的溫升將比連續(xù)運(yùn)行時(shí)低，如圖。不論是周期工作定額的電機(jī)還是短時(shí)定額的電機(jī)，都不可按其周期工作定額或短時(shí)工作定額作長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，否則會(huì)使電機(jī)過熱而損壞。,3、不同工作制電機(jī)的發(fā)熱和冷卻(1)連續(xù)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的發(fā)熱和冷卻 電機(jī)的溫升不僅取決干損耗的大小，而且與

15、電機(jī)的運(yùn)行情況及其持續(xù)時(shí)間有關(guān)。 實(shí)際電機(jī)是由許多物理性質(zhì)不同的部件組成、它們各有不同的熱導(dǎo)率。另外，電機(jī)中常有好幾個(gè)熱源，使各部分同時(shí)發(fā)熱。因此，實(shí)際電機(jī)的發(fā)熱過程極為復(fù)雜。為使問題簡(jiǎn)化，通常把整個(gè)電機(jī)或電機(jī)的某一部分作為均質(zhì)等溫固體來(lái)研究。所謂均質(zhì)等溫固體，是指物體表面各點(diǎn)的散熱情況均相同，且內(nèi)部沒有溫差〔即熱導(dǎo)率趨近于無(wú)窮大)的理想發(fā)熱體，內(nèi)此得出的結(jié)論雖與實(shí)際情況不盡符合，但是實(shí)踐證明，在研究發(fā)熱的規(guī)律和

16、估計(jì)穩(wěn)定溫升時(shí)，仍是可用。,Qdt=cGdθ+αAθdt在發(fā)熱過程中，在時(shí)間dt內(nèi)，物體產(chǎn)生的熱量應(yīng)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(jié)論：（1）均質(zhì)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(shí)間內(nèi)物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越大，穩(wěn)態(tài)溫升就越高，表面的散熱能力越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)溫升就越低。散熱系數(shù)。α是一個(gè)很復(fù)雜的系數(shù)，對(duì)不同的冷卻介質(zhì)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(shí)的時(shí)間常數(shù)T，T＝cG／ αA 。物體的熱容量越大，時(shí)間常數(shù)就越大，散熱能力越好，時(shí)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(jī)尺寸和容量的增大，發(fā)熱和冷卻時(shí)間常數(shù)的數(shù)值將相應(yīng)增大。（4）無(wú)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(cè)溫要快，測(cè)溫的時(shí)間間隔要短，隨后時(shí)間間隔可逐步放長(zhǎng)。,三、短時(shí)運(yùn)行和

18、周期運(yùn)行時(shí)電機(jī)的發(fā)熱和冷卻 1、短時(shí)運(yùn)行 電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間很短，按照規(guī)定的機(jī)、電數(shù)據(jù)，在未達(dá)到實(shí)際的穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)即停機(jī)較長(zhǎng)的時(shí)間；下一次起動(dòng)時(shí)，電機(jī)各部分實(shí)際上均己冷卻到周圍介質(zhì)的溫度。短時(shí)運(yùn)行時(shí)．時(shí)限優(yōu)先采用15、30、60及90分鐘四種。如果超過規(guī)定的時(shí)限，電機(jī)的溫升將超過容許的溫升限度，使電機(jī)的壽命縮短，甚至被燒毀。,2、周期運(yùn)行 按照規(guī)定的電機(jī)數(shù)據(jù)，電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行于一系列相同的工作周期，此周期包括

19、一個(gè)恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間和一個(gè)停機(jī)時(shí)間。負(fù)載時(shí)間與整個(gè)周期之比稱為負(fù)載持續(xù)率。國(guó)標(biāo)規(guī)定，每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間為10分鐘，負(fù)載持續(xù)率分為15％、25％、40％及60％四種。 周期運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程是交替進(jìn)行的。它和短時(shí)運(yùn)行一樣，這類電機(jī)不可按周期運(yùn)行時(shí)的恒定負(fù)載作連續(xù)運(yùn)行，否則臺(tái)使電機(jī)過熱而損壞。,電機(jī)的冷卻情況決定了電機(jī)的溫升，溫升又直接影響電機(jī)的使用壽命和額定容量，由此可見，冷卻問題對(duì)電機(jī)具有重要意義。1、電機(jī)的冷卻

20、介質(zhì) 指能夠直接或間接地把電機(jī)熱量帶走的物質(zhì)。如空氣、氫氣、水和油等。2、分類（1）按冷卻介質(zhì)的不同，一般電機(jī)的冷卻可分為兩類：氣體冷卻和液體冷卻。 中小型電機(jī)一般都利用空氣來(lái)進(jìn)行通風(fēng)冷卻。按其冷卻方式可分為自然冷卻、自通風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻以及管道通風(fēng)冷卻等數(shù)種方式。,10.3 電機(jī)的冷卻方式,①自然冷卻 這種電機(jī)僅靠表面的輻射和空氣自然流動(dòng)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(jī)

21、。②自通風(fēng)冷卻 這種電機(jī)由本身所驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇供給冷卻空氣，以冷卻發(fā)熱部件的表面和內(nèi)部。③強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻 這種電機(jī)的冷卻空氣是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)供給。其特點(diǎn)是可根據(jù)負(fù)載大小來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制供給電機(jī)的風(fēng)量，從而減少低負(fù)載時(shí)的通風(fēng)損耗。④管道通風(fēng)冷卻 這種電機(jī)的冷卻空氣經(jīng)過管道引入或排除。當(dāng)室內(nèi)空氣混濁，有棉毛、塵埃及其他粉末時(shí)，采用管道通風(fēng)比較有利，這樣，可從室外吸取潔凈空氣來(lái)冷卻電機(jī)。,（2）按冷卻結(jié)構(gòu)分類：表面、內(nèi)

22、部1）表面冷卻①特點(diǎn) 表面冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)僅通過繞組的絕緣表面、鐵心和機(jī)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，故多在中、小型電機(jī)中采用，冷卻介質(zhì)通常采用空氣。②分類 表面冷卻系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)又可分為自冷式、自扇冷式和他扇冷式三種。,2）內(nèi)部冷卻 采用空心導(dǎo)體，把冷卻介質(zhì)通人導(dǎo)體內(nèi)部直接帶走熱量的冷卻方式，稱為內(nèi)部冷卻。由于散熱面積與線性尺寸的平

23、方成正比，電機(jī)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(jī)容量的增大，發(fā)熱和冷卻問題越來(lái)越嚴(yán)重。在大型電機(jī)(特別在高速大型汽輪發(fā)電機(jī))中，發(fā)熱和冷卻問題往往成為限制電機(jī)權(quán)限容量的主要因素之一。為解決這一問題，國(guó)內(nèi)外廣泛地采用了內(nèi)部冷卻方式。 內(nèi)部冷卻時(shí)，常用氫氣或經(jīng)過處理的潔凈水作為冷卻介質(zhì)。與表面氫冷時(shí)相比較，采用氫內(nèi)冷并提高氫氣壓力后，冷卻效果可提高2~4倍，電機(jī)的容量可相應(yīng)地提高50％~70％。若進(jìn)一步采用