电机的发热和冷却.ppt

第 十 章 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 旋 转 电 机 在 能 量 转 换 过 程 中 ， 其 内 部 将 同 时 产 生损 耗 。1、 损 耗 的 影 响 ，（ 1） 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 。2、 损 耗 减 少 方 法（ 1） 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 。第 十 章 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 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 。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 下表 所 示 。 10.1 电 机 的 温 升 和 温 升 限 度 注 意 ：（ 1） 当 绝 缘 处 于 极 限 工 作 温 度 内 时 ， 电 机 的 使 用 寿命 可 以 长 达 1520年 ；（ 2） 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 。 据 统 计 ， A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 E级 和 B级 绝 缘 。 二 、 电 机 各 部 分 的 允 许 温 升1、 电 机 温 升 ： 电 机 温 度 t与 周 围 冷 却 介 质 的 温 度 t0之差 ， 用 表 示 ， 即 =t-t0。 表 示 电 机 发 热 及 散 热 情 况 的是 温 升 ， 而 不 是 温 度 。2、 温 升 限 度（ 1） 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 能适 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 40 oC。 在 此 环 境 温 度 下 ， 电 机 绕组 的 温 升 限 值 ： E级 绝 缘 为 75oC， B级 绝 缘 为 80oC。 （ 2） 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 ，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 （ 我 国规 定 为 40 oC） 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 。 3、 测 量 方 法 (1)温 度 计 法 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 得稍 低 一 些 。 (2)电 阻 法 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 to(通 常 为室 温 )时 的 电 阻 为 Ro， 当 绕 组 温 度 升 高 至 热 态 温 度 t时 ，绕 组 的 热 态 电 阻 为 R， 则 根 据R / R o =(234.5十 t)/(234.5十 to)即 可 求 得 绕 组 的 热 态 温 度 。 如 绕 组 用 的 是 铝 线 ， 式 中的 常 数 234.5改 用 245来 代 替测 出 的 温 度 是 整 个 绕 组 的 平 均 温 度 。 (3)埋 置 检 温 计 法 较 大 的 电 机 ， 在 装 配 时 常 在 预 计 有最 高 温 度 的 地 方 (例 如 槽 内 上 、 下 层 之 间 或 槽 底 )埋 置检 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 ，就 可 确 定 被 测 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 。 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 40oC时 ， 采 用B级 绝 缘 的 5000kW以 下 的 交 流 电 机 的 交 流 绕 组 ， 其 温升 限 度 规 定 为 ： 电 阻 法 -80 oC； 检 温 计 法 -90oC； 加 上环 境 温 度 后 其 值 低 于 或 等 于 B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 周围 冷 却 介 质 中 去 。1、 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 量 后 ， 将 流 过 不 同 的 材 料 ， 由 电 机 外 表 面 散 发 至 外面 。 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 力 一 样 ， 热 量 在 电 机 内 部 的 传 导 过 程 中 也 要 遇到 阻 力 ， 用 R th表 示 。 10.2 电 机 的 发 热 和 冷 却 Rth=l/A式 中 ， l为 导 热 体 在 热 流 方 向 上 的 长 度 (m)； A为 垂 直于 热 流 的 导 热 面 积 (m2);为 导 热 体 的 热 导 车 (WmoC)。（ 2） 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 。 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 ，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 ， 机 械 性 能 也 大 为 改 善 。 2、 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 。 为 了 适应 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 。（ 1） 连 续 （ 长 期 ） 工 作 制 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 。 （ 2） 短 时 工 作 制 电 机 工 作 时 间 短 ， ton (34)T， 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 。 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 ，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 15min 、 30min、 60min、90min四 种 定 额 。 三 、 重 复 短 时 (断 续 周 期 )工 作 制 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 停止 时 间 都 较 短 ， ton(34)T， toff (34)T， 且 规 定 工作 周 期 。 工 作 时 温 升 增 加 ， 但 达 不 到 稳 定 值 ； 停 止时 温 升 下 降 ， 但 降 不 到 零 。 每 个 周 期 结 束 时 的 温 升 都比 开 始 时 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 温升 就 达 到 一 个 稳 定 的 波 动 状 态 ， 即 在 最 高 温 升 与 最 低温 升 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 比称 为 负 载 持 续 率 。 标 准 的 负 载 持 续 率 为 15%、 25%、40%及 60%。 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 ，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 。 3、 不 同 工 作 制 电 机 的 发 热 和 冷 却(1)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 ，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 )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 ，在 研 究 发 热 的 规 律 和 估 计 稳 定 温 升 时 ， 仍 是 可 用 。 Qdt=cGd + A dt在 发 热 过 程 中 ， 在 时 间 dt内 ， 物 体 产 生 的 热 量 应 为 Qd t； 散 出 的 热 量 Adt ； 用 以 提 高 自 身 温 升 d 所 需 的热 量 为 cGd 。 结 论 ：（ 1） 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 Q A， 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 ，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 的气 流 速 度 ， 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 间常 数 T， T cG A 。 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 温升 总 是 上 升 或 下 降 得 较 快 ， 因 此 测 温 要 快 ， 测 温 的 时间 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 1、 短 时 运 行 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 一次 起 动 时 ， 电 机 各 部 分 实 际 上 均 己 冷 却 到 周 围 介 质 的温 度 。短 时 运 行 时 时 限 优 先 采 用 15、 30、 60及 90分 钟 四 种 。如 果 超 过 规 定 的 时限 ， 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 。 2、 周 期 运 行 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 10分 钟 ， 负载 持 续 率 分 为 15 、 25 、 40 及 60 四 种 。 周 期 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 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 。1、 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 。 如空 气 、 氢 气 、 水 和 油 等 。2、 分 类（ 1） 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 。 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 风冷 却 以 及 管 道 通 风 冷 却 等 数 种 方 式 。10.3 电 机 的 冷 却 方 式 自 然 冷 却 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 百瓦 以 下 的 小 型 电 机 。 自 通 风 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 。 强 迫 通 风 冷 却 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 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 。 管 道 通 风 冷 却 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 ，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 。 （ 2） 按 冷 却 结 构 分 类 ： 表 面 、 内 部1） 表 面 冷 却 特 点 表 面 冷 却 时 ， 冷 却 介 质 仅 通 过 绕 组 的 绝 缘 表 面 、铁 心 和 机 壳 的 表 面 ， 间 接 地 将 热 量 带 走 ， 所 以 它 亦 称为 间 接 冷 却 。 表 面 冷 却 的 冷 却 效 果 较 差 ， 但 冷 却 系 统的 结 构 较 简 单 ， 故 多 在 中 、 小 型 电 机 中 采 用 ， 冷 却 介质 通 常 采 用 空 气 。 分 类 表 面 冷 却 系 统 按 其 结 构 又 可 分 为 自 冷 式 、 自 扇 冷 式和 他 扇 冷 式 三 种 。 2） 内 部 冷 却 采 用 空 心 导 体 ， 把 冷 却 介 质 通 人 导 体 内 部 直 接 带走 热 量 的 冷 却 方 式 ， 称 为 内 部 冷 却 。 由 于 散 热 面 积 与线 性 尺 寸 的 平 方 成 正 比 ， 电 机 的 损 耗 却 与 线 性 尺 寸 的立 方 成 正 比 ， 因 此 随 着 线 性 尺 寸 和 电 机 容 量 的 增 大 ，发 热 和 冷 却 问 题 越 来 越 严 重 。 在 大 型 电 机 (特 别 在 高 速大 型 汽 轮 发 电 机 )中 ， 发 热 和 冷 却 问 题 往 往 成 为 限 制 电机 权 限 容 量 的 主 要 因 素 之 一 。 为 解 决 这 一 问 题 ， 国 内外 广 泛 地 采 用 了 内 部 冷 却 方 式 。 内 部 冷 却 时 ， 常 用 氢 气 或 经 过 处 理 的 洁 净 水 作 为冷 却 介 质 。 与 表 面 氢 冷 时 相 比 较 ， 采 用 氢 内 冷 并 提 高氢 气 压 力 后 ， 冷 却 效 果 可 提 高 24倍 ， 电 机 的 容 量 可相 应 地 提 高 50 70 。 若 进 一 步 采 用 水 内 冷 ， 由 于水 的 热 容 量 、 散 热 能 力 及 比 重 比 氢 大 几 倍 和 几 百 倍 ，所 以 水 内 冷 的 冷 却 效 果 又 要 比 氢 内 冷 时 好 很 多 。