第十章_电机的发热和冷却

1、第十章第十章 电机的发热和冷却电机的发热和冷却10.1 电机的温升和温升限度10.2 电机的发热和冷却10.3 电机的冷却方式河南城建学院河南城建学院 旋转电机在能量转换过程中，其内部将同时产生旋转电机在能量转换过程中，其内部将同时产生损耗。损耗。1、损耗的影响，、损耗的影响，（1）电机的效率和运行的经济性；）电机的效率和运行的经济性；（2）由于损耗的能量最终均转化为热能，使电机各）由于损耗的能量最终均转化为热能，使电机各部分的温度升高，这将影响到所用绝缘材料的使用寿部分的温度升高，这将影响到所用绝缘材料的使用寿命，并限制电机的输出，严重的甚至可把电机烧毁。命，并限制电机的输出，严重的甚至可把

2、电机烧毁。2、损耗减少方法、损耗减少方法（1）合理的设计减少电机的损耗；）合理的设计减少电机的损耗；（2）改善冷却条件，使热量有效地发散出去。）改善冷却条件，使热量有效地发散出去。第十章第十章 电机的发热和冷却电机的发热和冷却 电机温升是衡量电机性能的一个重要指标，它表征电机温升是衡量电机性能的一个重要指标，它表征电机的内部损耗，即表征电机发热的物理量。电机内电机的内部损耗，即表征电机发热的物理量。电机内部耐热性最差的部分就是绝缘材料。部耐热性最差的部分就是绝缘材料。一、绝缘材料的等级一、绝缘材料的等级 电机中常用绝缘材料的耐热等级和温度限值如下电机中常用绝缘材料的耐热等级和温度限值如下表所示

3、。表所示。10.1 10.1 电机的温升和温升限度电机的温升和温升限度注意：注意：（1）当绝缘处于极限工作温度内时，电机的使用寿）当绝缘处于极限工作温度内时，电机的使用寿命可以长达命可以长达1520年；年；（2）如果高于表示的温度连续运行，电机的使用寿）如果高于表示的温度连续运行，电机的使用寿命将迅速下降。命将迅速下降。 据统计，据统计，A级绝缘材料的工作温度每上升级绝缘材料的工作温度每上升8100，绝缘的寿命将缩短一半。现代电机中应用最多的是绝缘的寿命将缩短一半。现代电机中应用最多的是E级和级和B级绝缘。级绝缘。二、电机各部分的允许温升二、电机各部分的允许温升1、电机温升：电机温度、电机温升

4、：电机温度t与周围冷却介质的温度与周围冷却介质的温度t0之之差，用差，用表示，即表示，即=t-t0。表示电机发热及散热情况的。表示电机发热及散热情况的是温升，而不是温度。是温升，而不是温度。2、温升限度、温升限度（1）当电机所用的绝缘材料确定后，电机的最高允）当电机所用的绝缘材料确定后，电机的最高允许温度就确定了，此时温升的限值就取决于冷却介质许温度就确定了，此时温升的限值就取决于冷却介质的温度。一般电机中冷却介质是空气，它的温度随地的温度。一般电机中冷却介质是空气，它的温度随地区及季节而不同，为了制造出能在全国各地全年都能区及季节而不同，为了制造出能在全国各地全年都能适适用的电机，并明确统一

5、的检查标准，国家标准规定：用的电机，并明确统一的检查标准，国家标准规定：冷却空气的温度定为冷却空气的温度定为40oC。在此环境温度下，电机绕。在此环境温度下，电机绕组的温升限值：组的温升限值：E级绝缘为级绝缘为75oC，B级绝缘为级绝缘为80oC。（2）电机运行时，输出功率越大，则电流和损耗越）电机运行时，输出功率越大，则电流和损耗越大，温度越就越高，但最高温度不得超过绝缘的最高大，温度越就越高，但最高温度不得超过绝缘的最高允许温度。因此，电机容许的长期最大输出功率（即允许温度。因此，电机容许的长期最大输出功率（即电机的容量或额定功率）受绝缘的最高允许温度限制，电机的容量或额定功率）受绝缘的最

6、高允许温度限制，或者说容量由绝缘的最高允许温度所决定。电机或者说容量由绝缘的最高允许温度所决定。电机铭牌上所表明的额定功率就是指在标准的环境温度铭牌上所表明的额定功率就是指在标准的环境温度（我国规定为（我国规定为40oC）和规定的工作方式下，其温度不）和规定的工作方式下，其温度不超过绝缘的最高允许温度时的最大输出功率。超过绝缘的最高允许温度时的最大输出功率。3、测量方法、测量方法 (1)温度计法温度计法 这种方法用温度计直接测定温度，最为这种方法用温度计直接测定温度，最为简便。但温度计只能触及部件的表面，故测得的温度简便。但温度计只能触及部件的表面，故测得的温度仅为部件表面温度，而无法测出内部

7、最热点的温度。仅为部件表面温度，而无法测出内部最热点的温度。因此，温度计法测得的温升限度要比其他方法规定得因此，温度计法测得的温升限度要比其他方法规定得稍低一些。稍低一些。(2)电阻法电阻法 这种方法是利用绕组发热时电阻的变化来这种方法是利用绕组发热时电阻的变化来测定其温度。例如，若铜线绕组在冷态温度测定其温度。例如，若铜线绕组在冷态温度to(通常为通常为室温室温)时的电阻为时的电阻为Ro，当绕组温度升高至热态温度，当绕组温度升高至热态温度t时，时，绕组的热态电阻为绕组的热态电阻为R，则根据，则根据R / R o =(234.5十十t)/(234.5十十to)即可求得绕组的热态温度。如绕组用的

8、是铝线，式中即可求得绕组的热态温度。如绕组用的是铝线，式中的常数的常数234.5改用改用245来代替来代替测出的温度是整个绕组的平均温度。测出的温度是整个绕组的平均温度。(3)埋置检温计法埋置检温计法 较大的电机，在装配时常在预计有较大的电机，在装配时常在预计有最高温度的地方最高温度的地方(例如槽内上、下层之间或槽底例如槽内上、下层之间或槽底)埋置埋置检温计。检温计有热电偶和电阻温度计两种。电机运检温计。检温计有热电偶和电阻温度计两种。电机运行时，通过测量热电偶的电动势或电阻温度计的电阻，行时，通过测量热电偶的电动势或电阻温度计的电阻，就可确定被测点的温度。此法虽较复杂，但它可以测就可确定被测

9、点的温度。此法虽较复杂，但它可以测得接近于电机内部最热点的温度。得接近于电机内部最热点的温度。 因此国标中所规定的部件容许最高温度，因测量因此国标中所规定的部件容许最高温度，因测量方法不同而不同。例如环境空气温度为方法不同而不同。例如环境空气温度为40oC时，采用时，采用B级绝缘的级绝缘的5000kW以下的交流电机的交流绕组，其温以下的交流电机的交流绕组，其温升限度规定为：电阻法升限度规定为：电阻法-80oC；检温计法；检温计法-90oC；加上；加上环境温度后其值低于或等于环境温度后其值低于或等于B级材料的容许工作温度。级材料的容许工作温度。 电动机的热源来自电机内部，即电流流过定子绕组电动机

10、的热源来自电机内部，即电流流过定子绕组时产生的铜损耗，在铁芯内当磁通变化时所产生的铁时产生的铜损耗，在铁芯内当磁通变化时所产生的铁损耗，轴承摩擦所产生的机械损耗及附加损耗。电机损耗，轴承摩擦所产生的机械损耗及附加损耗。电机产生的热量，首先借传导作用传送到电机的外表面，产生的热量，首先借传导作用传送到电机的外表面，然后借辐射和对流作用将热量从电机外表面散发到周然后借辐射和对流作用将热量从电机外表面散发到周围冷却介质中去。围冷却介质中去。1、电机内热量的传导和散出、电机内热量的传导和散出（1）热阻：各种损耗形成不同的热源，损耗转化为）热阻：各种损耗形成不同的热源，损耗转化为热量后，将流过不同的材料

11、，由电机外表面散发至外热量后，将流过不同的材料，由电机外表面散发至外面。面。10.2 10.2 电机的发热和冷却电机的发热和冷却对于定子绕组产生的热量，首先穿过绝缘层传至铁芯，对于定子绕组产生的热量，首先穿过绝缘层传至铁芯，再由铁芯传至机壳。如同电流在导体中流过要遇到阻再由铁芯传至机壳。如同电流在导体中流过要遇到阻力一样，热量在电机内部的传导过程中也要遇到阻力，力一样，热量在电机内部的传导过程中也要遇到阻力，用用Rth表示。表示。Rth=l/A式中，式中，l为导热体在热流方向上的长度为导热体在热流方向上的长度(m)；A为垂直为垂直于热流的导热面积于热流的导热面积(m2);为导热体的热导车为导热

12、体的热导车(WmoC)。（2）提高散热的措施）提高散热的措施 由于不同材料的导热系数相差很大，一般金属的由于不同材料的导热系数相差很大，一般金属的导热系数很大，绝缘材料的导热系数较小，空气的导导热系数很大，绝缘材料的导热系数较小，空气的导热系数最小。因此要改善电机内部的热传导过程、增热系数最小。因此要改善电机内部的热传导过程、增大导热系数主要采取下面两个措施：大导热系数主要采取下面两个措施：采用耐压强度高、导热性能好的绝缘材料。在保证采用耐压强度高、导热性能好的绝缘材料。在保证绝缘强度的情况下，尽量减少绝缘层的厚度，以减少绝缘强度的情况下，尽量减少绝缘层的厚度，以减少绝缘层的热阻。绝缘层的热阻

13、。采用浸漆的方法来驱赶掉槽内的空气，即用漆来添采用浸漆的方法来驱赶掉槽内的空气，即用漆来添满槽内的所有空隙。绕组浸漆不仅可以改善导热性能，满槽内的所有空隙。绕组浸漆不仅可以改善导热性能，同时也增强了绝缘性能。此外绕组浸漆以后成为一个同时也增强了绝缘性能。此外绕组浸漆以后成为一个牢固的整体，牢固的整体， 机械性能也大为改善。机械性能也大为改善。2、电机的工作方式、电机的工作方式 电机工作时，其温升不仅决定于负载的大小，而且电机工作时，其温升不仅决定于负载的大小，而且与负载的持续时间有关系，同一台电机，如果工作时与负载的持续时间有关系，同一台电机，如果工作时间长短不同，则能够承担的负载功率也不同。

14、为了适间长短不同，则能够承担的负载功率也不同。为了适应不同负载的需要，电机制造时，按负载持续时间的应不同负载的需要，电机制造时，按负载持续时间的不同，把电机分成为三种工作方式或三种工作制。不同，把电机分成为三种工作方式或三种工作制。（1）连续（长期）工作制）连续（长期）工作制 电机连续工作时间长，其工作时间电机连续工作时间长，其工作时间ton (34)T，可达几小时甚至几十小时，因此电机温升可达到稳定可达几小时甚至几十小时，因此电机温升可达到稳定值。属于此类工作制的生产机械有水泵、通风机、造值。属于此类工作制的生产机械有水泵、通风机、造纸机、机床主轴等。纸机、机床主轴等。（2）短时工作制）短时

15、工作制 电机工作时间短，电机工作时间短，ton (34)T，电机的，电机的温度足以降到和周围环境温度一样，即温升足以降到温度足以降到和周围环境温度一样，即温升足以降到零。属于此类工作制的生产机械有机床的辅助运动，零。属于此类工作制的生产机械有机床的辅助运动，如水闸闸门的起闭机械等。如水闸闸门的起闭机械等。 电机在短时工作时，其容量往往只受过载能力和起电机在短时工作时，其容量往往只受过载能力和起动能力的限制，因此专门为短时工作制设计的电机，动能力的限制，因此专门为短时工作制设计的电机，其过载能力和起动转矩都较大。我国生产的短时工作其过载能力和起动转矩都较大。我国生产的短时工作制电机，其工作时间有

16、制电机，其工作时间有15min 、30min、60min、90min四种定额。四种定额。三、重复短时三、重复短时(断续周期断续周期)工作制工作制 重复短时工作制又称为断续周期工作制。其特点重复短时工作制又称为断续周期工作制。其特点是：工作和停止周期性地交替进行，但工作时间和停是：工作和停止周期性地交替进行，但工作时间和停止时间都较短，止时间都较短，ton(34)T，toff (34)T，且规定工，且规定工作周期作周期 。工作时温升增加，但达不到稳定值。工作时温升增加，但达不到稳定值 ；停止；停止时温升下降，但降不到零。每个周期结束时的温升都时温升下降，但降不到零。每个周期结束时的温升都比开始时

17、的温升高，这样经过若干个周期后，就会出比开始时的温升高，这样经过若干个周期后，就会出现一个周期内温升的增长和降落相等的情况，这时温现一个周期内温升的增长和降落相等的情况，这时温升就达到一个稳定的波动状态，即在最高温升升就达到一个稳定的波动状态，即在最高温升 与最低与最低温升温升 之间波动，平均温升不变。属于此类工作制的生之间波动，平均温升不变。属于此类工作制的生产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械、某些自动机产机械有起重机、电梯、轧钢辅助机械、某些自动机床的工作机构等。床的工作机构等。 在重复工作制中，额定负载时间与整个周期之比在重复工作制中，额定负载时间与整个周期之比称为负载持续率。标准的负载

18、持续率为称为负载持续率。标准的负载持续率为15%、25%、40%及及60%。每个周期为。每个周期为10min。 周期工作时，电机的发热和冷却过程是交错进行的，周期工作时，电机的发热和冷却过程是交错进行的，故它达到的温升将比连续运行时低，如图。不论是周故它达到的温升将比连续运行时低，如图。不论是周期工作定额的电机还是短时定额的电机，都不可按其期工作定额的电机还是短时定额的电机，都不可按其周期工作定额或短时工作定额作长期连续运行，否则周期工作定额或短时工作定额作长期连续运行，否则会使电机过热而损坏。会使电机过热而损坏。3、不同工作制电机的发热和冷却、不同工作制电机的发热和冷却(1)连续运行时电机的

19、发热和冷却连续运行时电机的发热和冷却 电机的温升不仅取决干损耗的大小，而且与电机电机的温升不仅取决干损耗的大小，而且与电机的运行情况及其持续时间有关。的运行情况及其持续时间有关。 实际电机是由许多物理性质不同的部件组成、它实际电机是由许多物理性质不同的部件组成、它们各有不同的热导率。另外，电机中常有好几个热源，们各有不同的热导率。另外，电机中常有好几个热源，使各部分同时发热。因此，实际电机的发热过程极为使各部分同时发热。因此，实际电机的发热过程极为复杂。为使问题简化，通常把整个电机或电机的某一复杂。为使问题简化，通常把整个电机或电机的某一部分作为均质等温固体来研究。所谓均质等温固体，部分作为均

20、质等温固体来研究。所谓均质等温固体，是指物体表面各点的散热情况均相同，且内部没有温是指物体表面各点的散热情况均相同，且内部没有温差即热导率趋近于无穷大差即热导率趋近于无穷大)的理想发热体，内此的理想发热体，内此得出的结论虽与实际情况不尽符合，但是实践证明，得出的结论虽与实际情况不尽符合，但是实践证明，在研究发热的规律和估计稳定温升时，仍是可用。在研究发热的规律和估计稳定温升时，仍是可用。Qdt=cGd+ +AAdtdt在发热过程中，在时间在发热过程中，在时间dt内，物体产生的热量应为内，物体产生的热量应为Qd t；散出的热量散出的热量 Adt ；用用以提高自身温升以提高自身温升d 所需的所需的

21、热量为热量为 cGd 。结论：结论：（1）均质等温固体的发热和冷却曲线都是指数曲线。）均质等温固体的发热和冷却曲线都是指数曲线。（2）由于物体的稳态温升）由于物体的稳态温升QA，所以单位，所以单位时间内物体内部产生的热量越大，稳态温升就越高，时间内物体内部产生的热量越大，稳态温升就越高，表面的散热能力越强，稳态温升就越低。散热系数。表面的散热能力越强，稳态温升就越低。散热系数。是一个很复杂的系数，对不同的冷却介质和不同的是一个很复杂的系数，对不同的冷却介质和不同的气流速度，气流速度， 有不同的数值。有不同的数值。（3）发热和冷却的速度取决于发热和冷却时的时间）发热和冷却的速度取决于发热和冷却时

22、的时间常数常数T，TcG A 。物体的热容量越大，时间常数。物体的热容量越大，时间常数就越大，散热能力越好，时间常数就越小。由于重量就越大，散热能力越好，时间常数就越小。由于重量正比于线性尺寸的立方，而散热面积正比于线性尺寸正比于线性尺寸的立方，而散热面积正比于线性尺寸的平方，所以随着电机尺寸和容量的增大，发热和冷的平方，所以随着电机尺寸和容量的增大，发热和冷却时间常数的数值将相应增大。却时间常数的数值将相应增大。（4）无论是发热还是冷却，在最初阶段，物体的温）无论是发热还是冷却，在最初阶段，物体的温升总是上升或下降得较快，因此测温要快，测温的时升总是上升或下降得较快，因此测温要快，测温的时间

23、间隔要短，随后时间间隔可逐步放长。间间隔要短，随后时间间隔可逐步放长。三、短时运行和周期运行时电机的发热和冷却三、短时运行和周期运行时电机的发热和冷却 1、短时运行、短时运行 电机的运行时间很短，按照规定的机、电数据，电机的运行时间很短，按照规定的机、电数据，在未达到实际的稳态温度时即停机较长的时间；下一在未达到实际的稳态温度时即停机较长的时间；下一次起动时，电机各部分实际上均己冷却到周围介质的次起动时，电机各部分实际上均己冷却到周围介质的温度。温度。短时运行时时限优先采用短时运行时时限优先采用15、30、60及及90分钟四种。分钟四种。如果超过规定的时如果超过规定的时限，电机的温升将超过容许

24、的温升限度，使电机的寿限，电机的温升将超过容许的温升限度，使电机的寿命缩短，甚至被烧毁。命缩短，甚至被烧毁。2、周期运行、周期运行 按照规定的电机数据，电机长期运行于一系列相按照规定的电机数据，电机长期运行于一系列相同的工作周期，此周期包括一个恒定负载运行时间和同的工作周期，此周期包括一个恒定负载运行时间和一个停机时间。负载时间与整个周期之比称为负载持一个停机时间。负载时间与整个周期之比称为负载持续率。国标规定，每个周期的持续时间为续率。国标规定，每个周期的持续时间为10分钟，负分钟，负载持续率分为载持续率分为15、25、40及及60四种。四种。 周期运行时，电机的发热和冷却过程是交替进行周期

25、运行时，电机的发热和冷却过程是交替进行的。它和短时运行一样，这类电机不可按周期运行时的。它和短时运行一样，这类电机不可按周期运行时的恒定负载作连续运行，否则台使电机过热而损坏。的恒定负载作连续运行，否则台使电机过热而损坏。 电机的冷却情况决定了电机的温升，温升又直接电机的冷却情况决定了电机的温升，温升又直接影响电机的使用寿命和额定容量，由此可见，冷却问影响电机的使用寿命和额定容量，由此可见，冷却问题对电机具有重要意义。题对电机具有重要意义。1、电机的冷却介质、电机的冷却介质 指能够直接或间接地把电机热量带走的物质。如指能够直接或间接地把电机热量带走的物质。如空气、氢气、水和油等。空气、氢气、水

26、和油等。2、分类、分类（1）按冷却介质的不同，一般电机的冷却可分为两）按冷却介质的不同，一般电机的冷却可分为两类：气体冷却和液体冷却。类：气体冷却和液体冷却。10.3 10.3 电机的冷却方式电机的冷却方式 中小型电机一般都利用空气来进行通风冷却。按中小型电机一般都利用空气来进行通风冷却。按其冷却方式可分为自然冷却、自通风冷却、强迫通风其冷却方式可分为自然冷却、自通风冷却、强迫通风冷却以及管道通风冷却等数种方式。冷却以及管道通风冷却等数种方式。自然冷却自然冷却 这种电机仅靠表面的辐射和空气自然流动这种电机仅靠表面的辐射和空气自然流动获得冷却，不装任何专门的冷却装置，仅适用于几百获得冷却，不装任

27、何专门的冷却装置，仅适用于几百瓦以下的小型电机。瓦以下的小型电机。自通风冷却自通风冷却 这种电机由本身所驱动的风扇供给冷却这种电机由本身所驱动的风扇供给冷却空气，以冷却发热部件的表面和内部。空气，以冷却发热部件的表面和内部。强迫通风冷却强迫通风冷却 这种电机的冷却空气是独立驱动的风这种电机的冷却空气是独立驱动的风扇和鼓风机供给。其特点是可根据负载大小来调节风扇和鼓风机供给。其特点是可根据负载大小来调节风扇和鼓风机的转速，以控制供给电机的风量，从而减扇和鼓风机的转速，以控制供给电机的风量，从而减少低负载时的通风损耗。少低负载时的通风损耗。管道通风冷却管道通风冷却 这种电机的冷却空气经过管道引入或这种电机的冷却空气经过管道引入或排除。当室内空气混浊，有棉毛、尘埃及其他粉末时，排除。当室内空气混浊，有棉毛、尘埃及其他粉末时，采用管道通风比较有利，这样，可从室外吸取洁净空采用管道通风比较有利，这样，可从室外吸取洁净空气来冷却电机。气来冷却电机。（2）按冷却结构分类：表