电机的发热与冷却

电机的发热与冷却损耗、铁心中磁场交变引起的铁心损耗、通风和机械摩擦引起的机械损耗等。这些损耗都转变为热量，向周围介质传播，使减少电机的发热量，另一方面要提高电机的冷却散热能力。1.1电机的发热和冷却规律机不是一个均质物体，其发热和散热过程非常复杂。温差的物体。为简化分析，常把电机或电机的某一部件作为均(1)物体的发热过程热很少，其产生的热量绝大部分用于物体温度的提高；围介质的热量增多，物体温度升高的速度减缓；定。物体温度与环境温度（或周围介质温度）之差，称为物体的温升，用Δτ表示，单位为开尔文（K）。温升随时间t的变化规律为：-Δτ0)1-e-Δτ若初始温升为零，则均质物体的发热方程为-e-t=(3~4)T1时温升就基本稳定了。电机的发热过程电机不是均质物体，其发热过程曲线与上述指数曲线之间在起始阶段有一定差别，这是因为起始时绕组热量散发较难而使铜的温虽然如此，忽略它们之间的差别为我们研究电机的发热过程提供2－实际电机的发热过程曲线(2)物体的冷却过程当均质物体内部停止产生热量时，物体中储存的热量逐渐散发到周围介质中，物体温度下降，直至其温度与周围介质的温度相同冷却方程为 -T2电机虽然不是一个均质物体，但其冷却过程的基本特征与均质物1.2绝缘材料的绝缘等级及其允许工作温度在电工技术中，将绝缘材料按其允许工作温度分成若干个耐热等绝缘材料在相应的允许工作温度下长期运行，一般不会产生不该有的性能变化，通常有15～20年的使用寿命。材料的使用寿命L可近似表示为B/T根据经验，工作温度每超过A级绝缘允许工作温度8℃（B级绝缘H级绝缘14℃),绝缘材料的寿命缩短一1.3电机的温升限度温度，也与温度的测量方法、传热和散热条件、使用地点等有温度相同。大气温度随季节和地点的变化而变化。我国各地平均最高温度不超过35℃,而最高温度一般为35～40℃,少数地区为40～45℃。世界各国一般采用大多数地区的大气最高温度作为冷却介质的温度，因此我国规定40℃为冷却介质的温度。温度测量方法的不同，会造成测量结果的不同。在规定温升限度的同时，还应规定相应的温度测量方法。该方法直接测量温度，非常简便，但只能测量电机各部分的表面温度，无法得到内部的最高温度和平均温度。绕组的电阻R随温度t的升高而增大，满足以下规律利用该规律可以进行绕组温度的测量。该方法测定的是绕组的平均温度。在进行电机装配时，可在预计工作温度最高的地方埋设热电偶或该方法可测得接近于电机内部最热点的温度。电机运行时产生的各种损耗都要转换为热量，热量从发热体传到电机传热和散热的方式有热传导、对流和热辐射三种形式。2.1热传导热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象称为热传导，是固体中热量传递的主要方式。热传导只发生在空间上温度有差异的温度场中，热量总是由高温在电机中，电机的底座和电机周围的空气通常都是不良导热体，量借助于热传导作用从绕组穿过绝缘传递到铁心中，与铁心产生可以看出，绕组热量的传导比铁心中热量的传导经过的材料多，故绕组温度通常高于铁心温度。各点热量传导的方向总是与该点温度的空间变化率最大的方向一致，也就是与通过该点的等温线或等温面的法线方向一致。单位时间内通过单位等温面的热量称为热流密度qQ为单位时间内通过等温面的总热量，即热流量；A为等温面的面积。热流密度与各点在等温面的法线方向上的温度空间变化率即温度的梯度成正比λ为热导率，▽θ为温度梯度当热流沿x方向单方向传导时，热流密度为热流量对于图所示的平面热传导，热量经过厚度为δ的材料传导时，两侧的温差为-θΔτ=QRλδR=δλλA将温差、热流和热阻之间的关系与电路中的电压、电流和电阻之间的关系对应，即：温差对应电路中的电压，热流对应电路中的电流，热阻对应电路中的电阻，采用与电路相似的热路概念，将采用热路图可以方便地进行电机温升的计算。2.2对流和辐射在电机中，通过热传导作用传递到电机表面的热量通常通过两种使温度趋于均匀的过程，是液体和气体中热传递的主要方式。在平静的大气中，辐射散发的热量约占总散热量的40％。当采用强制对流冷却电机时，辐射散发的热量所占比例很小，可(1)辐射散热根据史蒂芬－波尔兹曼定律，每秒从发热体单位表面辐射出去的热量为热量为q=5.7v(T4-T04)根10-8W/m2(2)对流散热在电机中，绕组、铁心所发出的热量以及传导到电机表面的热量是经对流作用由流过它们表面的流体(如空气)带走的。所带走的热量可用牛顿散热定律计算热路的形式3.1工作制工作制是对电机承受负载情况的说明，包括起动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。包括电制动的断续周期工作制S5包括电制动的连续周期工作制S7包括变负载变速的连续周期工作制S8负载和转速作非周期变化的工作制S9电机的定额是由制造厂对符合指定条件的电机所规定的、并在铭牌上标明的电量和机械量的全部数值及其持续时间和顺序。是制造厂对电机负载和各种条件所作的规定。是制造厂对电机负载、运行时间和各种条件的规定。是制造厂对电机负载和各种条件的规定。是制造厂对电机在相应的变速范围内的变动负载（包括过载）一种为试验目的而规定的定额。3.3额定容量上通常标有额定值，如额定功率、额定电压、效率和功率因数（转速、转矩等）均符合铭牌上规定的额定值，则我们称这种越大。额定容量与工作制、使用环境、结构型式和冷却方式有同。如开启式电机的散热条件好于封闭式电机，前者的额定容海拔和相对湿度等与规定的不同，则要对额定容量进行修正。如在高海拔地区使用，空气稀薄，冷却能力差，则应该降低电部件的温度越低，额定容量越大。的工作制下，其额定容量不同。例如，长期运行时的温升要高于短时运行，其额定容量要小于后者。定负载，还应能够在短时间内允许适当限度的过载而不致使温随着电机设计和制造技术的发展，电机的单机容量不断增大。导致电机发热量增加。要保证电机可靠工作，必须提高电机的散热冷却能力，电机的散热冷却技术随之发展。在冷却介质方面，首先被采用的是空气，后来采用氢、水和油4.1表面冷却方式在电机中，冷却介质通过绕组、铁心和机壳的表面，将热量带走，点，但冷却效果较差，在高速电机中产生的摩擦损耗较大，主要表面冷却按结构可分为自冷、内部风扇自冷、外部风扇自冷和他自冷式电机没有任何冷却装置，仅依靠表面的辐射和自然对流使内部风扇自冷式电机的转子上装有风扇，风扇驱使冷却介质流过电枢表面，并从轴向和径向的通风道内通过，将热量带走。外部风扇自冷式电机装有内外两层风扇。这种冷却方式适用于封电机用以供给冷却空气的风扇不是由电机本身驱动的，而是由另4.2内部冷却方式大型同步发电机电压较高，绕组采用较厚的绝缘层，而绝缘材料的导热性能较差，若采用表面冷却方式，即使绝缘外表面得到很好的冷却，绝缘内层的温度仍可能超过绝缘的允许工作温度。为解决这一问题，广泛采用内部冷却方式。所谓内部冷却，就是采用空心导体将冷却介质通入导体内部直接采用内部冷却，导体的热量不再经过绝缘层，而是直接被冷却介质带走，大大提高了冷却效果，改善了绝缘材料的工作条件。根据冷却介质的不同，内部冷却方式又分为氢内冷、水内冷和空转子绕组采用氢内冷时，绕组和槽楔上有与槽底通风槽相通的小孔，氢气可自槽底通风槽进入，冷却转子后再由小孔轴向流入空气隙；也可在转子导体上铣出两排斜向相反的扁条状斜孔，所有铜线叠在一起就形成两排不同方向的倾斜风道，氢气自槽楔上正冷却介质为空气，冷却结构与氢内冷相同。氢冷发电机组启动复杂，对运行操作人员要求高空气冷却汽轮发电机系统简单，没有充氢、排氢和氢油密封这些复杂结构，运行维修操作简单，没有氢气爆炸的危险。其缺点是定子绕组温度高，铜铁温差大，电机效率较氢冷低，转子铜线内易积灰，发电机有效部分尺寸大。绕组采用管式导线，冷却水沿导线内孔流动，直接将导体的热量水内冷冷