第八章 电机的发热和冷却.doc

第八章 电机的发热和冷却
目录
第一节 电机的额定容量 1
第二节 电机的发热 2
第三节 电机的散热 5
小 结 8
思考题 8

第一节 电机的额定容量
电机是一种变换能量形式的机器。它一方面有功率输入，另一方面有功率输出，在能量转换过程中同时产生功率损耗，各种损耗最后都转化为热能，因而使电机各部分的温度升高。对于铁磁材料和导电材料，通常在200℃以下的环境中使用不会显著影响其电磁性能和机械性能，但是绝缘材料的耐热性能较低，它是电机中较易损坏的部分，直接影响电机的使用寿命，而绝缘材料的寿命与它的工作温度有关，以B级绝缘为例，每当工作温度超出规定限值约10℃，它的使用寿命将缩短一半。为了保证电机正常使用年限（一般为10－15年），对各种绝缘材料都规定有极限容许温度，这也间接规定了电机的额定容量和额定工作状况。
电机的额定容量即额定功率。发电机的额定功率是指铭牌上规定的符合定额的输出电功率，电动机的额定功率是指轴端输出的机械功率。当电机运行时，如果各种电量（如电压、电流、频率等）与机械量（如转速、转矩等）都符合技术标准的规定的数值，则此种运行情况称为额定运行情况。在额定情况下运行，各种功率损耗也都有一定的数值。损耗将使电机发热，如在每单位时间内损耗产生的热量大于发散的热量，电机的温度将升高，直到双方达到热平衡为止，此时电机温度比环境温度或冷却介质温度高，它们之间相差的温度度数称为电机的温升。电机额定功率和额定运行情况的规定，应使电机的温升和各部分的最后温度都不超过所有绝缘材料的极限允许温度，电机常用绝缘材料的耐热等级见第一章第三节所述。
电机的温升，不仅取决于损耗的大小，而且与电机的运行情况有关，即使有同样的损耗，长时间运行的电机与短时间运行的电机温升不同，故所定的定额也不同，依据我国有关技术标准的规定，电机的工作制可分为连续、短时、周期和非周期几种。此外，定额的规定和电机的结构型式（如开启式还是封闭式等）、冷却方式、冷却介质等有关，定额还与周围环境（如环境温度、海拔等）有关，运行条件如与规定的不同，则定额应进行修正。

第二节 电机的发热
一﹑电机的损耗
电机的各种损耗是电机发热的热源。电机内部的主要损耗有
1.基本铜损耗
电机定、转导体流过电流产生铜损耗为
（8-1）
式中 ―相数
―相电流
―定、转子相电阻
计算时假设导体截面上电流密度是均匀分布的。电阻折算到75℃时（E级绝缘）
2.基本铁损耗
电机定、转子铁心齿部和轭部里，通过交变磁通引起的铁损耗，它包括磁滞损耗与涡流损耗两部分，单位重量导磁材料的基本铁耗为
(W/kg) （8-2）
式中 －－单位重量导磁材料在1T，50Hz时产生的损耗，各种材料可查表；
－－磁通交变频率，Hz
－－磁通密度，T
基本铁损耗 （8-3）
式中 －－经验系数，因冲压等加工后引起损耗增大系数
－－导磁材料重量
3．机械损耗
机械损耗包括轴承、电刷的摩擦损耗，以及风扇消耗的损耗和转子旋转时冷却介质摩擦的通风损耗。机械损耗与转速有关。在高速电机中，机械损耗占总损耗的比例较高，通风损耗还与冷却介质有关，如氢冷却的氢气重量轻（比空气轻十多倍），传热能力强（比空气高六倍多），用氢气作为冷却介质能大大降低通风损耗。
4．附加损耗
附加损耗又称杂散损耗，是指由于谐波磁动势、漏磁通引起的附加铁损耗和附加铜损耗。例如,漏磁通在定子端部周围、端盖等金属构件中引起的铁损耗；定子、转子磁动势高次谐波分别在转子、定子表面感应高频涡流引起的铁损耗；定子、转子存在齿和槽，转动时因磁阻不同引起磁通变化产生脉动损耗；绕组导体中由于集肤效应使电流分布不均匀而引起的额外铜损耗等。该损耗比基本铁耗和铜耗要小得多，计算比较复杂，根据经验，为额定功率的2.5％至0.5％估算，按不同电机型式而选用左右。
以上损耗一部分与电机负载大小无关（如铁损耗、机械损耗和部分附加损耗），故称不变损耗或空载损耗，另一部分与电机负载大小，电流大小有关（如铜耗和部分附加损耗），故称可变损耗。因此在定额下运行，电机输出功率越大，损耗越大，温升越高，为了保证电机各部分绝缘材料的温度不超过极限允许温度，必须规定电机的输出功率为一合理的数值，即电机的额定容量。
二﹑电机的发热理论
电机的发热过程较为复杂，一台电机中常有好几个热源，各部分同时发热，各部分包含各种不同的物质，其导热系数也不同，因此如要准确分析电机内部的热交换情况较为困难。为简便计，作如下假设：①每一部分为均质固体，即物体中各点之间无温差，表面各点之间散热情况也相同；②各部分的发热过程分开计算，即各部分产生的热量仅使该部分发热，不考虑各部分之间的能量交换。
某一部分物体的热量平衡式为
（8-4）
式中－－该物体在每秒种内产生的热量，；
－－该物体的物质比热，；
－－冷却表面积，
－－散热系数，
－－温升，；
－－该部分物体的重量，
上式表示物体在极短时间间隔内，发出的热量，其一部分使该物体温度升高，另一部分的热量将散失于冷却介质中。
设在开始发热时该部分物体的温度和冷却介质的温度相同，即温升为零。

积分并化简，
（8-5）
式中 表示最后的温升；
表示温度上升的时间常数。
均质固体的发热过程曲线如图8－1所示。
冷却过程即电机温升达到稳定值后，如果停止运行，电机内部停止产生热量，这样电机各部分温度下降至冷却介质的温度，贮藏在电机各部分物质内部的热量将发散至冷却介质中去，对于均质固体，冷却过程基本方程为
（8-6）
即
积分并化简
（8-7）
均质固体的冷却过程曲线如图8－2所示。
三﹑电机各部分温度的测量方法
1．温度计法
此法用温度计直接测定温度，最为简便。但因此法只能测得能直接接触到的电机有关部分表面的温度，无法测得内部的温度。
2．电阻法
此法用以测定绕组的平均温度。导体的电阻大小与温度有关。对于铜导线有以下关系，可由此测得绕组温度。
（8-8）
式中：﹑是指当温度为时，绕组电阻；
﹑是指当温度为时，绕组电阻。
是绕组对冷却介质的温升。
对于铝线绕组将（8-8）式中的常数235改为225即可。式中﹑均为摄氏温度（）
3．埋置测温计法
较大的电机，在装配时常在可能有较高温度的几个点上予埋置测温计，如导体与槽底之间、铁芯中间部分等。测温元件有热电偶及电阻温度计等，检测计受热端埋于电机内部，引线引至外面，接至测量仪表，可直接读出温度。
4．叠加法（双桥带电测温法）
在不中断交变负载电流的情况下，在负载电流上叠加一微弱直流电流，以测量绕组直流电阻随温度而发生的变化，从而确定绕组的温升。

第三节 电机的散热
一﹑电机的散热计算
电机的温升取决于电机各部分的发热和散热的平衡。电机的热量向外发散时主要依靠对流，其次为辐射作用，传导作用主要在电机内部进行，而电机表面与冷却介质间的传导作用则可以不计。
1．辐射散热计算
由史蒂芬－波尔兹曼定律计算，单位时间内单位面积所辐射的热量为
（8-9）
式中：－－热体的绝对温度，；
－－气体的绝对温度，;
－－相对辐射系数。
对于理想的黑体＝1，对于实际的辐射体，将减少，在设计时可取。则
（8-10）
式中：――辐射作用的散热系数，；
――温升，，。
设想一种平均情况，对于空气冷却的电机，取环境温度为20℃，温升至40℃，即绝对温度，，代入（8-10）式，得，即
（8-11）
2．对流散热计算
对流又可分为自然对流与强制对流
（1） 自然对流 自冷变压器的散热，除辐射作用外，还依靠自然对流，自然对流的散热系数，与温升、散热面等有关，平均可取。自然对流作用从单位面积在每秒发出的热量为
（8-12）
（2） 强制对流 旋转电机的散热，主要依靠强制对流作用。由设备的通风系统将气流强制送入通风道，当气流吹拂冷却表面时，便将热量带走，散热系数随气流的速度而增加，常用公式为
（8-13）
式中 －－吹风冷却时的散热系数；
－－自然对流散热系数；
－－冷却表面与空气的相对速度，；
－－经验系数，当全部表面均被均匀地吹拂时，可取＝1.3 当表面的各部分受到不均匀吹拂时 值相应减小甚至取小于1的数。
二、电机的冷却方式
电机的冷却方式直接影响到电机的散热，所以改善电机的冷却方式可以降低温升，提高使用寿命。通风冷却又称表面冷却是冷却介质通过机壳、铁心、绕组的绝缘表面，间接将热量带走，这种冷却方法结构较简单，故被广为采用，特别是中、小型电机普遍采用此
法。通风冷却又可分为
1、自冷式。电机没有任何特殊的冷却装置，依靠表面的辐射和空气的自然对流进行冷却。这种方法仅适用于数十瓦的微型电机。
2、自扇冷式。内部自扇冷式电机在转子轴上安装有风扇设备，风扇随转子转动，驱使气流吹拂电枢表面从轴向和径向的通风槽中通过，这种方式适用于开启式电机。另一种外部自扇式电机装有内外两层风扇，除了在转轴上装有风扇外，在轴伸的一端装有外风扇，借助外风扇作用将机壳上的热量发散到周围空气中去，这种方式适用于封闭式电机，如图8-3所示。按照气流在电机内部的流动方式又可分为径向通风式与轴向通风式两种。径向通风是两端进风，绕组和铁心沿轴向的温度分布比较均匀，大型电机为了增大散热面积，铁心沿轴向常均匀分为数段，两段叠片间留有约10mm的通风槽，如图8-4所示。轴向通风是气流从一端进入，然后沿轴向从另一端流出，较大的电机定子和转子方面都可以有轴向通风槽，如图8-5所示。这种方式沿电机轴向长度散热不均匀。用于中小型电机。
3、它扇冷式。电机用以冷却空气的风扇不是由电机本身驱动的，而是由另外动力装置独立驱动。如果冷空气直接取自外界，在通过电机后复行放出，则为开启式通风系统，如以一定量的气流在封闭系统内循环，使这一循环气流依次通过电机和冷却器，把电机内部发出的热量传至冷却器而被带走，则为封闭式系统。
单机容量越大的电机，发热问题越严重，大型电机的冷却问题是一个比较困难的问题，为了把足够的冷却介质送到各个发热的部位去，使最热的地方得到最强的冷却，从而使电机各部分的温升比较均匀，并都不超过允许的温升限度。大型电机的冷却介质以空气、氢、水三种用的最多，冷却能力水最好，其次是氢。目前，国内外大型汽轮发电机，定、转子绕组采用内部冷却方法，如采用空心导体把冷却介质通入导体内部直接带走热量，常采用的冷却介质是氢气和经处理的洁净水，称为氢内冷和水内冷。定子绕组采用氢内冷或水内冷的较多，转子绕组采用氢内冷的较多，定子转子均采用水内冷，常称为“双水内冷”。内冷定、转子槽的结构如图8-6所示。
小 结
电机的额定容量是指符合定额的输出功率。它主要取决于电机各部分绝缘材料的极限允许温度。电机运行时的损耗主要有铜损耗、铁损耗和机械损耗，各种损耗都变为热量，使电机温度升高，并向周围冷却介质散热，最后达到热量稳定，此时电机稳定温度与周围介质温度之差称为温升，这是评价电机热性能的重要指标。电机各部分温度的测量可用温度计法、电阻法、叠加法、埋置测温计法。
电机的发热、散热和温升计算比较复杂，本章着重进行定性分析。电机的发热和冷却过程曲线都是按指数规律变化。电机的散热方式主要是对流，其次为辐射，旋转电机主要依靠强制对流，可以改善散热效果，且结构较简单，故被广为采用。大型电机的冷却方式和冷却介质的合理选择以保证电机各部分的温升在规定范围内。
思考题
8-1旋转电机运行时的主要损耗有哪些？
8-2电机的额定容量主要受哪些因素的影响？提高电机绝缘材料的等级对额定容量有何影响？
8-3电机的温升与什么有关？是否在电机各部分的温升都同？
8-4在规定电机的额定功率时，电机的结构型式、运行方式及其周围环境对其有何影响？
8-5有哪些方法可以测定电机绕组的温度，哪一种方法测得的数值较低？哪一种方法测得的数值较高？
8-6电机通风冷却常采用哪些方法？
8-7电机的散热方式有哪几种？旋转电机的主要散热方式是什么？
8-8变压器的散热与旋转电机的散热有何异同点？