第七章发热计算[章节讲课]

1、第七章第七章 发热计算发热计算 7-1 电机允许的温升限度电机允许的温升限度 一、概述一、概述 1、温升：电机运行时要产生损耗，这些损耗都转变为热能，、温升：电机运行时要产生损耗，这些损耗都转变为热能， 使电机各部分的温度升高。电机某部件的温度与周围介质温度使电机各部分的温度升高。电机某部件的温度与周围介质温度 之差叫该部件的温升。之差叫该部件的温升。 2、温升随时间如何变化？、温升随时间如何变化？ 对均质物体发热，其温升随时间的变化是指数曲线关系。对均质物体发热，其温升随时间的变化是指数曲线关系。 0t ：起始时物体的温度与周围介质相同：起始时物体的温度与周围介质相同 t , 0 ，物体产生

2、的全部损耗都将用以提高物体，物体产生的全部损耗都将用以提高物体 的温度，因此起始时温度上升很快。的温度，因此起始时温度上升很快。 t：物体达到最终稳定温升：物体达到最终稳定温升 ，热量全部散发到，热量全部散发到 周围介质中去周围介质中去Tt)43( 3、温升限制：温升受到电机材料限制不能超过一定数值，温升限制：温升受到电机材料限制不能超过一定数值， 必须设法降低温升，减少损耗，提高电机散热能力。必须设法降低温升，减少损耗，提高电机散热能力。 4、温升计算目的：核算电机中几个发热部件在额定运行温升计算目的：核算电机中几个发热部件在额定运行 时温升是否超过允许的极限值。时温升是否超过允许的极限值。

3、 二、二、我国电机温升限度我国电机温升限度 1、温升限度：电机在额定状态下长期运行而其温度达到温升限度：电机在额定状态下长期运行而其温度达到 稳定时，电机各部件温升的允许极限稳定时，电机各部件温升的允许极限 称为温升限度。温升称为温升限度。温升 限度在国家标准限度在国家标准“电机基本技术要求电机基本技术要求”中已作出规定如表中已作出规定如表7- 1示。示。 2、温升限度取决于：、温升限度取决于： （一）电机绕组绝缘结构所采用的材料（一）电机绕组绝缘结构所采用的材料 耐热一般分级：耐热一般分级：A E B F H 极限温度：极限温度： 105 120 130 155 180 （二）（二） 绝缘结

4、构在规定的极限温度下工作，能够获绝缘结构在规定的极限温度下工作，能够获 得经济的使用寿命。得经济的使用寿命。 （三）（三） 冷却介质的温度温度随所用的冷却系统和冷冷却介质的温度温度随所用的冷却系统和冷 却介质不同而有所不同。却介质不同而有所不同。 我国规定我国规定40作为冷却介质的温度，表作为冷却介质的温度，表7-1的温升的温升 限值就是按此规定的。限值就是按此规定的。 （四）测量温度的方法不同会造成测得的温度与被测部件（四）测量温度的方法不同会造成测得的温度与被测部件 中最热点温度之间的差别也不同；而被测部件中最热点的中最热点温度之间的差别也不同；而被测部件中最热点的 温度才是判断电机是否能

5、长期安全运行的关键。温度才是判断电机是否能长期安全运行的关键。 如如E级绝缘定子绕组，电阻法测量温升限度为级绝缘定子绕组，电阻法测量温升限度为75 120 - 40（冷却介质）（冷却介质） -5（平均温度与最高温度差（平均温度与最高温度差 值）值） = 75 平均温度和最高温度差值：平均温度和最高温度差值：A、E： 5 B： 10 H： 15 （五）海拔温升限度是对海拔不超过（五）海拔温升限度是对海拔不超过1000米，最高环境温度为米，最高环境温度为 40地区规定的。地区规定的。 如高于如高于1000米小于米小于4000米，海拔增加米，海拔增加100米，温升为表米，温升为表7-1中中 规定的温

6、升减去它的规定的温升减去它的1%（海拔高空气稀薄，散热条件差）（海拔高空气稀薄，散热条件差） （六）其它因素对电机温升的影响（六）其它因素对电机温升的影响 提高电机绕组的温度一般意味着电机损耗的增大和效率的下降，提高电机绕组的温度一般意味着电机损耗的增大和效率的下降， 受经济限制。受经济限制。 绕组温度的提高，可能引起轴承润滑系统工作的困难。绕组温度的提高，可能引起轴承润滑系统工作的困难。 绕组温度提高，会引起换向的困难。绕组温度提高，会引起换向的困难。 绕组温度的提高，引起某些相关零部件材料中的热应力的增大。绕组温度的提高，引起某些相关零部件材料中的热应力的增大。 其他因素，如对绝缘的介电性

7、能、导体金属材料的机械强度等，其他因素，如对绝缘的介电性能、导体金属材料的机械强度等， 都会带来不利影响。都会带来不利影响。 小结：小结： （1） 温升温升 （2） 温升的变化温升的变化 （3） 温升计算目的温升计算目的 （4） 温升的限度：什么叫温升限度温升的限度：什么叫温升限度 温升限度取决于什么温升限度取决于什么 7-2 传热的基本定律传热的基本定律 一、一、概述概述 热量热量由发热体内部借传导作用传到发热体表面由发热体内部借传导作用传到发热体表面 从发热体表面通过幅射和借助于空气和其它冷却介质的从发热体表面通过幅射和借助于空气和其它冷却介质的 对流散发到周围介质。对流散发到周围介质。

8、从讨论热传导方式（传导、对流、幅射）的基本规律，从讨论热传导方式（传导、对流、幅射）的基本规律， 对发热体某些近似的温升计算方法。对发热体某些近似的温升计算方法。 二、热传导定律二、热传导定律 1、等温面：热传导只发生在空间中温度有高低差异的温度、等温面：热传导只发生在空间中温度有高低差异的温度 场中，把具有相同温度的点联接起来便得到等温面（线）。场中，把具有相同温度的点联接起来便得到等温面（线）。 2、热流密度：单位时间内通过单位等温面的热量、热流密度：单位时间内通过单位等温面的热量 )( , 积即与热流方向垂直的面等温面的面积 即热流的总热量单位时间内通过等温面 A A q 3、热传导定律

9、：热流强度与各点在等温面的法线方向上的、热传导定律：热流强度与各点在等温面的法线方向上的 间空间间空间 温度变化率或即各点的温度梯度成正比。温度变化率或即各点的温度梯度成正比。 即热导率比例常数 热流密度 , qgradq “”表示温度梯度的正方向为温度上升的方向，而热量的表示温度梯度的正方向为温度上升的方向，而热量的 传播方向总是从高温到低温的为温度下降的方向。传播方向总是从高温到低温的为温度下降的方向。 当热流只有一个方向，并把其取为当热流只有一个方向，并把其取为x轴时轴时 dx d A dx d q 4、热阻、热阻 dx d A Addx 两边积分：两边积分：CAx 假定为如图的单方向平

10、面热传导，且当假定为如图的单方向平面热传导，且当 0 x 时，时， 1 ，则有，则有 1 AC x A 1 从上式可见平面热传导传导温度分布是一条直线。从上式可见平面热传导传导温度分布是一条直线。 A x 12 2 , 温差为：温差为： R A 21 其中：其中： A R 称为热阻称为热阻 对比：热路对比：热路 R 电路电路IRu 热阻的串并联（与电路一样）热阻的串并联（与电路一样） 串联时的合成热阻：串联时的合成热阻： n n RR 1 并联时的合成热阻：并联时的合成热阻： n n RR 1 11 三、热传导方程（温度场的场问题分析）三、热传导方程（温度场的场问题分析） 1、热传导方程、热传

11、导方程 建立温度场和热源之间的关系式叫热传导方程式。建立温度场和热源之间的关系式叫热传导方程式。 简单的温度场问题可以近似用路来代替的方法简单的温度场问题可以近似用路来代替的方法 进行近似的计算，可是有些复杂的温度场问题如计进行近似的计算，可是有些复杂的温度场问题如计 算绕组导体或铁心沿轴向的温度分布时，就必须用算绕组导体或铁心沿轴向的温度分布时，就必须用 热传导方程来求解。热传导方程来求解。 2、热传导方程的推导热传导方程的推导 根据能量守恒原理根据能量守恒原理热传导的微分方程热传导的微分方程边界条件（时边界条件（时 间的起始条件）间的起始条件）定解定解 2 2 2 2 2 2 22 zyx

12、t cp 3、热传导方程的应用、热传导方程的应用 一根载流铜棒长为一根载流铜棒长为l，截面积为，截面积为S，通过铜棒的电流为，通过铜棒的电流为I。 假定铜棒外面的绝缘较厚，通过绝缘散出去的热量忽略不假定铜棒外面的绝缘较厚，通过绝缘散出去的热量忽略不 计。铜棒两端的的维持为计。铜棒两端的的维持为 0 温度和平均温度。温度和平均温度。 不变，求铜棒中的稳定最高不变，求铜棒中的稳定最高 四、对流和辐射散热四、对流和辐射散热 一般情况下热量从发热体散发到周围介质中去的主要是一般情况下热量从发热体散发到周围介质中去的主要是 通过两个方式：对流和辐射通过两个方式：对流和辐射 （一）辐射散热（一）辐射散热

13、1、辐射定律：、辐射定律： 每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热 量为量为 况的不同而异其值随发热物体表面情因数 辐射常数从实验得出纯黑物体的 周围介质的温度 发热体表面的温度米瓦 , 107 . 5 )( )(/)(107 . 5 8 0 24 0 48 KT KTTTq 2、辐射所带走的热量与哪些因素有关、辐射所带走的热量与哪些因素有关 决定于发热表面的特性，值，晦暗的物体的辐射能力大决定于发热表面的特性，值，晦暗的物体的辐射能力大 于表面有光泽的物体。于表面有光泽的物体。 决定于发热体表面与周围介质的温度。决定于发热体表面与周围介质的温度。 （二）对流

14、散热（二）对流散热 1、对流散热：、对流散热： 当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产 生热交换，热量将由高温物体传向低温物体，这种交换实生热交换，热量将由高温物体传向低温物体，这种交换实 际上是传导和对流两种作用，总称为对流换热。际上是传导和对流两种作用，总称为对流换热。 如电机、铁心绕组或其它部件的散热方式就是这种。如电机、铁心绕组或其它部件的散热方式就是这种。 2、对流散热能力与哪些因素有关、对流散热能力与哪些因素有关 与固体表面的流动状态有关与固体表面的流动状态有关 固体表面的流动是层流的话：流体仅与固体表面平行，流固体表面的流

15、动是层流的话：流体仅与固体表面平行，流 体仅与固体表面进行流动层；各层之间有流体交换，这时与体仅与固体表面进行流动层；各层之间有流体交换，这时与 固体表面垂直方向的热量主要靠传导作用，但流体的导热系固体表面垂直方向的热量主要靠传导作用，但流体的导热系 数差，所以层流表面散热情况很差。数差，所以层流表面散热情况很差。 流体作紊流：流体中大部分质点不再保持平行于壁的运动，流体作紊流：流体中大部分质点不再保持平行于壁的运动， 热量传递主要依靠对流的作用，对流传热时热阻较小，所以热量传递主要依靠对流的作用，对流传热时热阻较小，所以 紊流时散热能力大大提高。紊流时散热能力大大提高。 与冷却介质的物理性能

16、有关与冷却介质的物理性能有关 固体表面的几何形状尺寸及在流体中的位置有关固体表面的几何形状尺寸及在流体中的位置有关 五、牛顿散热定律和散热系数五、牛顿散热定律和散热系数 实际计算由对流作用带走的热量时，为了方便都采用牛实际计算由对流作用带走的热量时，为了方便都采用牛 顿散热定律。顿散热定律。 1、牛顿散热定律、牛顿散热定律 固体和流体的温度 热量表面散发到周围传授的 时单位时间内由单位为当表面与周围介质温差散热系数 米瓦热流强度 21 2 21 , 1, )/()( qq 2、散热系数、散热系数的确定的确定 决定表面散热能力的因素很多，很复杂，要十分精确地决定表面散热能力的因素很多，很复杂，要

17、十分精确地 确定散热系数确定散热系数 近似决定。近似决定。 是很困难的，可通过实验由下式是很困难的，可通过实验由下式 空气流速空气流速秒米/255v)1 ( 00 vk： 或或)1 ( 0 vk 式中：式中： 0 发热表面在平静空气中的散热系数；发热表面在平静空气中的散热系数； v 空气吹拂表面的速度；空气吹拂表面的速度； kk , 0 考虑气流吹拂效率的系数。考虑气流吹拂效率的系数。 所以牛顿定律可写成：所以牛顿定律可写成： a R A q A R 1 称为散热表面到流体的热阻，称为散热表面到流体的热阻，为散热系数为散热系数 A R 传导热阻传导热阻 3 、等效热路图、等效热路图 引入热阻把

18、温度场引入热阻把温度场路计算路计算 如从电机绕组端部传给冷却空气时要经过两个热阻，如从电机绕组端部传给冷却空气时要经过两个热阻， 即端部绝缘中的传导热阻和绕组表面散热热阻，总热即端部绝缘中的传导热阻和绕组表面散热热阻，总热 阻阻 RRR )( RR 7-3 电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算 一、一、电机中的温度分布电机中的温度分布 在电机的温升计算中，主要是计算绕组和铁心的温升。这些在电机的温升计算中，主要是计算绕组和铁心的温升。这些 部件既是导热介质，其中又有分布热源，它们的温度一般来部件既是导热介质，其中又有分布热源，它们的温度一般来 在空间上总是按一定规律呈曲线分布，出现了最高温升和

19、平在空间上总是按一定规律呈曲线分布，出现了最高温升和平 均温升之分。平均温升与最高温升之间是有一定的规律性联均温升之分。平均温升与最高温升之间是有一定的规律性联 系的，因而也可用平均温升来衡量电机的发热情况。系的，因而也可用平均温升来衡量电机的发热情况。 （一）采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向（一）采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向 的温度分布的温度分布 空气沿绕组传导端部 空气铁心和径向通风沟 热量定子绕组中部 Cu p 由于两端散热对绕组的冷却显著，温度低；中间部分冷却由于两端散热对绕组的冷却显著，温度低；中间部分冷却 差，温度高差，温度高 温度低两端 温度高定子铁心中部

20、 温度发布 （二）采用轴向通风系统或混合式通风系统电机中定（二）采用轴向通风系统或混合式通风系统电机中定 子绕组沿轴向的温度分布子绕组沿轴向的温度分布 绕组热量绕组热量 铁心铁心 径向通风沟径向通风沟 空气空气 端部端部 空气空气 绕组铁心表面绕组铁心表面 轴向通风道轴向通风道 空气空气 温度最低靠近电机冷风入口处 温度最高靠近电机热风口处 温度发布 （三）表面冷却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度（三）表面冷却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度 沿轴向的分布沿轴向的分布 绕组热量绕组热量 铁心铁心 机座机座 空气空气 端部散热能力差端部散热能力差 中部温度低 两端温度最高 温度发布 （四）励

21、磁绕组中的温度分布（四）励磁绕组中的温度分布 励磁绕组励磁绕组 铜损耗铜损耗 热量热量 沿着厚度方向传导表面沿着厚度方向传导表面 散热散热 空气空气 温度低靠近绕组外面 温度高靠近磁极铁心部分 温度发布 （五）铁心叠片组中的温度分布（五）铁心叠片组中的温度分布 布不均匀近似认为温度沿径向分空气散热表面径向导热 温度高中部 温度低靠近通风沟 空气散热表面轴向导热 热量铁心叠片 Fe p 二、用热路法计算电机的平均温升二、用热路法计算电机的平均温升 1、假设：、假设： 绕组铜和铁的热导率为无穷大，即铜和铁是等温体，且它绕组铜和铁的热导率为无穷大，即铜和铁是等温体，且它 们的的等于平均温度。们的的等

22、于平均温度。 2、绕组和铁心平均温升的计算绕组和铁心平均温升的计算 采用热路法计算采用热路法计算 在上面假设的前提下，外冷式电机中的温度降将集中在上面假设的前提下，外冷式电机中的温度降将集中 在绕组绝缘和有关散热表面处作为冷却介质的流体层中。在绕组绝缘和有关散热表面处作为冷却介质的流体层中。 因为绝缘和冷却介质本身都没有热源，因此可以用热路因为绝缘和冷却介质本身都没有热源，因此可以用热路 法进行计算。法进行计算。 目的：计算绝缘内温度降、计算散热表面处冷却介质目的：计算绝缘内温度降、计算散热表面处冷却介质 温度降，以计算绕组和铁心的平均温升。温度降，以计算绕组和铁心的平均温升。 二源热路法：定

23、转子积各自组成独立的二个热源热路二源热路法：定转子积各自组成独立的二个热源热路 以采用空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例来说明。以采用空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例来说明。 1）热路：）热路： 热阻：热阻： )( 2 1 绕组与铁心之间热阻空气传导铁心 热阻空气从通风道中的绕组表面 热阻冷却介质从绕组端部表面 热量定子绕组散热途径 CF C C Cu R R R p CF F F F Fe R R R R p 铁心和绕组之间空气先传递绕组 空气从铁心外圆表面 空气从铁心内圆表面 空气从通风道表面 热量定子铁心散热途径 3 2 1 热源：定子绕组中铜耗产生的热量；热源：定子绕组中铜耗

24、产生的热量； 铁心损耗所产生的热量。铁心损耗所产生的热量。 2） 热路图热路图 3）列方程）列方程铜的温升、铁的温升铜的温升、铁的温升 节点节点a: 流进节点热量流进节点热量 = 流出节点的热量流出节点的热量 流入节点的热量流入节点的热量 = Cu p 流出节点热量：流出节点热量：)(热传导定律 CuCuCu Cu Cu Cu R R CF FeCu CF R 节点节点b: 流入节点的热量流入节点的热量 = Fe p CF FeCu CF R 流出节点的热量：流出节点的热量： Fe Fe Fe R 列方程：列方程： 321 21 21 111 11 FFF FeFe Fe Fe CF FeCu

25、 CC CC CuCu CF FeCu Cu Cu RRR RR p R RR RR Rp RR 解方程：解方程： CuCu CFFeCu CFFe Fe Fe CFFeCu Cu CFFeCu CFFe Fe FeCu Cu RRR RR R p RRR p RRR RR R pp 11 )( 1111 )( CFCuFe CFCu Cu CuFe Fe RRR RR R pp 11 )( CuCu CuFe CuCuCu p p 测得空载试验 测得短路试验 0 0 4）热阻的计算）热阻的计算 a、定子绕组铜和铁心之间的绝缘热阻、定子绕组铜和铁心之间的绝缘热阻 绝缘和铁心接触总面积 率铜铁所

26、用绝缘合成导热 总厚度包括气隙层铜铁之间绝缘 CF CF CF CFCF CF CF A A R )( CF R b、绕组端部铜和空气之间热阻、绕组端部铜和空气之间热阻 1C R 11CCCu RRp热阻端部表面散热空气散热端部绝缘绕组 散热面积 端部表面散热系数 端部绝缘热导率 绕组端部绝缘厚度 1 1 11 1 1 11 1 1 1111 1 C C CC C C CC C C CCCC A A R A R RRR 绕组端部的散热面积或导热面积不易确切计算，一般认为端绕组端部的散热面积或导热面积不易确切计算，一般认为端 部绝缘的导热面积和端部的表面散热面积相同，因此上二式部绝缘的导热面积和端部的表面散热面积相同，因此上二式 中面积都用中面积都用 1C A 计算。在通风情况良好时，可取计算。在通风情况良好时，可取 槽数 长导体边同绝缘的表面周 端部长 Z u luZlA EEC1 c、径向通风道中绕组部分和空气之间的热阻的计算、径向通风道中绕组部分和空气之间的热阻的计算 2C R 22 2 22 2 2 222 1 CC C CC C C CCC A