电机设计第七章_李景灿

1、7-1电机允许的温升电机允许的温升限度限度7-2 传热的基传热的基本定律本定律7-3电机稳定电机稳定温升的计算温升的计算7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度 电机运行时产生损耗，这些损耗都转变为热能，使电机各部分温度升高。电机运行时产生损耗，这些损耗都转变为热能，使电机各部分温度升高。 电机某部件的温度与周围介质温度之差，称为该部件的温升。电机某部件的温度与周围介质温度之差，称为该部件的温升。 电机的实际温升若超出其所用绝缘结构的温升限度，将给电机的寿命带电机的实际温升若超出其所用绝缘结构的温升限度，将给电机的寿命带来极大的危害。以来极大的危害。以E级绝缘为例，若温升超过规定限值级绝缘为

2、例，若温升超过规定限值10，电机的寿命将，电机的寿命将减小为原来的一半。但在设计中温升裕量留得过多，则造成材料的浪费。鉴减小为原来的一半。但在设计中温升裕量留得过多，则造成材料的浪费。鉴于该问题的重要性，数十年来国内外都进行了大量的研究工作。于该问题的重要性，数十年来国内外都进行了大量的研究工作。 电机的发热与温升计算是电机设计得难题。影响温升的因素很多：电机的发热与温升计算是电机设计得难题。影响温升的因素很多：电机的电磁负荷和热负荷的选取电机的电磁负荷和热负荷的选取选用的材料与制造工艺选用的材料与制造工艺通风冷却系统的设计通风冷却系统的设计 温升往往难以精确计算。特别是局部过热点的温升，如超

3、过限度，同样温升往往难以精确计算。特别是局部过热点的温升，如超过限度，同样会影响电机寿命。会影响电机寿命。7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度 温升随时间如何变化？温升随时间如何变化？ 温升随时间的变化呈指数曲线关系，如图所示。温升随时间的变化呈指数曲线关系，如图所示。起始阶段起始阶段：物体温度与周围介质物体温度与周围介质温度相同，物体所产生的损耗热全温度相同，物体所产生的损耗热全部用来提升物体温度，因此，物体部用来提升物体温度，因此，物体温度上升很快。温度上升很快。中间阶段中间阶段：由于物体温度高于周围由于物体温度高于周围介质温度，温差加大，于是物体的热介质温度，温差加大，于是物体的热

4、量就散发到周围介质，散发量随着温量就散发到周围介质，散发量随着温差的加大而加大。差的加大而加大。稳定阶段稳定阶段：当物体内部产生的热量与散发到周围介质当物体内部产生的热量与散发到周围介质中的热量相等时，物体本身的温度不再增加。中的热量相等时，物体本身的温度不再增加。t0Dt Dt7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度温升限制温升限制：温升受到电机材料限制不能超温升受到电机材料限制不能超过一定数值，温升对电机部件的影响，首过一定数值，温升对电机部件的影响，首当其冲的是绕组的绝缘材料。当其冲的是绕组的绝缘材料。如何降低温升如何降低温升必须设法降低温升，减少损耗，必须设法降低温升，减少损耗，提高

5、电机散热能力。提高电机散热能力。温升计算目的温升计算目的：核算电机中几个发热部件：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。在额定运行时温升是否超过允许的极限值。7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度 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值称为温升限度。机各部件温升的允许极限值称为温升限度。电机温升限度在国家标准中已做了规定。对于空气冷电机温升限度在国家标准中已做了规定。对于空气冷却的电机如表却的电机如表7-1。对电机而言，其温升极限基本上取决于绝缘材料所允对电机而言，其温升极限基本上取决于绝缘

6、材料所允许的最高温度及冷却介质的温度，如下表。许的最高温度及冷却介质的温度，如下表。耐热分级AEBFH极限温度/105120130155180冷却介质温度/4040404040温升限度/6075801001257.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度 1、温度对绝缘材料寿命的影响、温度对绝缘材料寿命的影响绝缘材料在规定的极限温度下工作，能够获得经济的使用寿命绝缘材料在规定的极限温度下工作，能够获得经济的使用寿命(20年年)。但如。但如果超过极限温度，则寿命按指数规律下降。例如，对果超过极限温度，则寿命按指数规律下降。例如，对A级绝缘，当工作极限级绝缘，当工作极限温度超过温度超过8时时(B级级

7、10，F级级12，H级级14)，其使用寿命降一半。，其使用寿命降一半。2、冷却介质温度的确定、冷却介质温度的确定冷却介质温度即为大气温度，每个国家一般都采用大部分地区的大气绝对冷却介质温度即为大气温度，每个国家一般都采用大部分地区的大气绝对最高温度作为冷却介质的温度，因此我国的国家标准规定最高温度作为冷却介质的温度，因此我国的国家标准规定+40作为冷却介作为冷却介质温度。质温度。3、测量温度的方法、测量温度的方法有温度计法、电阻法、埋置检温计法三种方法有温度计法、电阻法、埋置检温计法三种方法不同的方法测出的平均温度与最热点温度之间的差别不一样。例如在标准不同的方法测出的平均温度与最热点温度之间

8、的差别不一样。例如在标准中规定中规定A级绝缘的定子绕组，用温度计法测得的温升限度为级绝缘的定子绕组，用温度计法测得的温升限度为50，它是由该，它是由该级绝缘的最高温度级绝缘的最高温度105减去减去40得得65，再减掉平均温度与最高温度的差，再减掉平均温度与最高温度的差别别15后得到。被测部件中后得到。被测部件中最热点的温度最热点的温度才是判断电机是否能长期安全运才是判断电机是否能长期安全运行的关键。行的关键。7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度 4、海拔高度对温升的影响、海拔高度对温升的影响海拔高度不同，则空气的稀薄也不同，散热条件也不同。国标规定：当电海拔高度不同，则空气的稀薄也不同，

9、散热条件也不同。国标规定：当电机的使用地点的海拔高（低）于试验地点的海拔时，其温升限度应按两地机的使用地点的海拔高（低）于试验地点的海拔时，其温升限度应按两地海拔之差每海拔之差每100m减（加）去规定值的减（加）去规定值的1%。低于。低于1000m均算作均算作1000m。1000mB极绝缘B极绝缘温升80K%)110010001 (80DmmhKt温升7.1电机允许的温升限度电机允许的温升限度其它因素对电机温升的影响其它因素对电机温升的影响绕组温度提高，一般意味着电机损耗的增大和效率绕组温度提高，一般意味着电机损耗的增大和效率的下降，受经济限制。的下降，受经济限制。绕组温度提高，可能引起轴承润

10、滑系统工作的困难。绕组温度提高，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。绕组温度提高，引起某些相关零部件材料中的热应绕组温度提高，引起某些相关零部件材料中的热应力的增大。力的增大。其他因素，如对绝缘的介电性能、导体金属材料的其他因素，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。机械强度等，都会带来不利影响。7.2传热的基本定律传热的基本定律一、电机散热有三种方式：一、电机散热有三种方式： 由损耗产生的热量，先由发热体内部传导至表面，然后经过对流和辐射的作由损耗产生的热量，先由发热体内部传导至表面，然后经过对流和辐射的作

11、用散到周围去。因此从上述三种方式的基本定律得出温升计算方法。用散到周围去。因此从上述三种方式的基本定律得出温升计算方法。二、热传导定律二、热传导定律传导只发生在温度有高低差别的温度场中。传导只发生在温度有高低差别的温度场中。将场中的相同温度点联接起来，便得到等将场中的相同温度点联接起来，便得到等温线或面。如图所示。温线或面。如图所示。热的传导方向是和温度空间变化率最大的热的传导方向是和温度空间变化率最大的方向一致，即与等温线的法线方向一致，如图所示。方向一致，即与等温线的法线方向一致，如图所示。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，把具有相同温度的等温面：热传导只发生在空间中温

12、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）。点联接起来便得到等温面（线）。热流密度热流密度q：单位时间内通过单位等温面的热量。：单位时间内通过单位等温面的热量。等温线高温低温热流等温线法线)()(流方向垂直的面积等温面的面积，即与热的总热量，即热流单位时间内通过等温面Aq7.2传热的基本定律传热的基本定律为热阻。温差：，则有时，当如图所示。温度分布是一条直线，所以在平面热传导中，回代到解式中得：将。，则有时，为积分常数，设当：为常数，解微分方程得。若得到热流：面的面积与热流方向垂直的等温的总热量，即热流量单位时间内通过等温面。由热流密度的定义轴：，并把其取为如果热流只

13、有一个方向ARRAAxxACACxCCAxAdxdAAqdxdqxtD211221110)()(:热传导定律：热传导定律：热流强度与各点在等温面法线方向上的空间温度变化率或各点的温度梯度成热流强度与各点在等温面法线方向上的空间温度变化率或各点的温度梯度成正比。正比。热流密度比例常数，即热导率；式中：qgradq“-”表示温度梯度的正方向为温度上升的方向，热量的传播方向总是从高温到低温的温度下降表示温度梯度的正方向为温度上升的方向，热量的传播方向总是从高温到低温的温度下降的方向。的方向。x012平面热传导7.2传热的基本定律传热的基本定律nnnnRRRR1111并联的合成热阻为串联的合成热阻为热

14、阻的串并联热阻的串并联（与电路一样）（与电路一样） 为了计算温升方便，将为了计算温升方便，将“场场”的问题转变为的问题转变为“路路”的问题。的问题。引入电路的概念。引入电路的概念。UIRR电压降温差电流热流电阻热阻路有相似：热路在某种程度上与电Dt7.2传热的基本定律传热的基本定律得到。况有关，查表因数，与发热体表面情周围介质的绝对温度；玻耳兹曼常数，纯黑物体的斯忒藩发热体表面的温度；式中：射出去的热量每平方米发热体表面辐根据辐射定律，每秒从47/107 . 5)(2844TKmWTTTq对流对流和和辐射辐射散热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通过一般情况下热量从发热体散发

15、到周围介质中去的主要是通过两个方式：两个方式：对流对流和和辐射辐射一、辐射散热一、辐射散热表面表面纯黑物体纯黑物体粗铸铁粗铸铁毛面段铁毛面段铁磨光段铁磨光段铁毛面黄铜毛面黄铜磨光紫铜磨光紫铜10.970.950.290.20.177.2传热的基本定律传热的基本定律对流对流和和辐射辐射散热散热一、辐射散热一、辐射散热影响因素：影响因素：决定于发热表面的特性决定于发热表面的特性，晦暗的物体的辐射能力大于表面有，晦暗的物体的辐射能力大于表面有光泽的物体。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。 一般情况下，当采用强制对流冷却电机时，由辐射带走的热一般情况下，当采

16、用强制对流冷却电机时，由辐射带走的热量微乎其微，可忽略不计。但是在平静的大气中，由辐射散发量微乎其微，可忽略不计。但是在平静的大气中，由辐射散发的热量约占总散热量的的热量约占总散热量的40%7.2传热的基本定律传热的基本定律二、对流散热二、对流散热影响因素：影响因素：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

17、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，热量将由高温物当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产

18、生热交换，热量将由高温物体传向低温物体，这种交换实际上是体传向低温物体，这种交换实际上是传导传导和和对流对流两种作用，总称为对流换热。如电两种作用，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。机、铁心绕组或其它部件的散热方式就是这种。对流对流和和辐射辐射散热散热层流紊流固体120 x7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、电机中的温度分布一、电机中的温度分布 温升的计算主要是计算温升的计算主要是计算绕组绕组和和铁心铁心的温升。因为它们既是热源，又是导的温升。因为它们既是热源，又是导热介质。热介质。 温度在空间总是按一定规律呈曲线分布，因此有温度在空间总是按一定规律呈曲线

19、分布，因此有最高温升最高温升与与平均温升平均温升之之别。但在计算时从整体来处理，通常只计算发热部件的别。但在计算时从整体来处理，通常只计算发热部件的平均温升平均温升。（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（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x0 这种通风系统，铁心有径向通风道，径向风量大体相同，定子绕组的温这种通风系统，铁心有径向通风道，径向风量大体相同，定子绕组的温度分布如下图所示。热量一部分由风道散到空气中，另一部分由端部散到度分布如下图所示。热量一部分由风道散到空气中，另一部分由端部散到空气中。空气中。空气沿绕组传导端部空气铁心和径向通风沟热量定

20、子绕组中部Cup温度低两端温度高定子铁心中部温度发布7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、电机中的温度分布一、电机中的温度分布（二）采用轴向通风系统或混合式通风系统（二）采用轴向通风系统或混合式通风系统 最高温度位置向热风逸出电机的出口方向移动，如图所示。最高温度位置向热风逸出电机的出口方向移动，如图所示。x0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空气轴向通风道绕组铁心表面空气沿绕组传导端部空气径向通风沟铁心绕组热量7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、电机中的温度分布一、电机中的温度分布（三）（三）表面冷却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度沿轴向分布表面冷

21、却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度沿轴向分布 这类电机的绕组损耗主要通过铁这类电机的绕组损耗主要通过铁心、机座散出去，而端部的散热条件心、机座散出去，而端部的散热条件较差，端部损耗热量主要部分通过铁较差，端部损耗热量主要部分通过铁心散出去。形成中间低两端高的温度心散出去。形成中间低两端高的温度分布。如图所示。分布。如图所示。x0中部温度低两端温度最高温度发布7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、电机中的温度分布一、电机中的温度分布（四）（四）励磁绕组中的温度分布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

22、 温度低靠近绕组外面温度高靠近磁极铁心部分温度分布7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、电机中的温度分布一、电机中的温度分布（五）（五）铁心叠片组中的温度分布铁心叠片组中的温度分布 硅钢片叠片组的径向热导率要远大于轴硅钢片叠片组的径向热导率要远大于轴向热导率，可以近似地认为在铁心中沿着径向热导率，可以近似地认为在铁心中沿着径向的温度分布是均匀的，而沿着轴向分布是向的温度分布是均匀的，而沿着轴向分布是不均匀的，如图所示。如果两侧径向通风量不均匀的，如图所示。如果两侧径向通风量不同，则沿轴向的温度分布也不对称。不同，则沿轴向的温度分布也不对称。0 x x布不均匀近似认为温度沿径向分空气散热

23、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Fep7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算一、用热路法计算电机的平均温升一、用热路法计算电机的平均温升1、计算时假定绕组铜（铝）和铁心的热导率为无穷大，即认为、计算时假定绕组铜（铝）和铁心的热导率为无穷大，即认为“铜铜”和和“铁铁”都是等温体，其温度为平均温度。都是等温体，其温度为平均温度。2、在上述假定下，电机的温度降将集中在绕组绝缘和有关的散热表面处的、在上述假定下，电机的温度降将集中在绕组绝缘和有关的散热表面处的冷却介质的流体中。冷却介质的流体中。3、利用热路法计算绝缘内的温度降和表面冷却介质温度降，得到绕组和铁

24、、利用热路法计算绝缘内的温度降和表面冷却介质温度降，得到绕组和铁心的平均温升。心的平均温升。4、大多数情况下，由于定子与转子间隔着一层气隙，而空气的热阻比其它、大多数情况下，由于定子与转子间隔着一层气隙，而空气的热阻比其它散热途径要大得多，因此可以忽略定、转子间的热交换。将定子绕组和定子散热途径要大得多，因此可以忽略定、转子间的热交换。将定子绕组和定子铁心视为独立的热源，构成二热源热路。在电机的温升计算中，应用最多的铁心视为独立的热源，构成二热源热路。在电机的温升计算中，应用最多的是二热源热路法。是二热源热路法。7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算用热路法计算电机的平均温升用热路法计算电

25、机的平均温升二热源热路法二热源热路法以空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例说明二热源热路法的计算。以空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例说明二热源热路法的计算。定子绕组铜耗产生的热量可以从三条途径散出：定子绕组铜耗产生的热量可以从三条途径散出：1）从绕组端部表面传给空气，其热阻为RC1；2）从通风道中的绕组表面传给空气，其热阻为RC2；3）先传给铁心，再由铁心传给空气，绕组铜与铁心之间的热阻为RCF；由铁心损耗产生的热量可从以下四条途径散出：由铁心损耗产生的热量可从以下四条途径散出：1）从通道表面散出，其热阻为RF1；2）从铁心内圆表面散出，其热阻为RF2；3）从铁心外圆表面散出，其热阻为RF3；4）先传给绕组铜，再由铜散出，此热阻等于前面的RCF。7.3电机稳定温升的计算电机稳定温升的计算二热源热路法二热源热