電機設(shè)計之六

1、.第七章 發(fā)熱計算7-1電機允許的溫升限度一、概述電機運行產(chǎn)生損耗變?yōu)闊崮茈姍C各部分溫度升高。：電機部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，稱為該部件的溫升。用來表示。 根據(jù)對物質(zhì)體發(fā)熱過程的分析，溫升隨時間的變化是呈指數(shù)曲線關(guān)系，如圖所示。 為什么升溫的變化過程呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系？起始階段：物體溫度與周圍介質(zhì)溫度相同，物體所產(chǎn)生的損耗熱全部用來提升物體溫度，因此，物體溫度上升很快t0.t0穩(wěn)定階段：當(dāng)物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與散發(fā)到周圍介質(zhì)中支的熱量相等時，物體本身的溫度不再增加。中間階段：由于物體溫度高于周圍介質(zhì)溫度，溫差加大，于是物體的熱量就散發(fā)到周圍介質(zhì)，散發(fā)量隨著溫差的加大而加大溫升對電機部件的影響，首當(dāng)

2、其沖的是繞組的絕緣材料。如何降低溫升？1、提高效率，減少損耗2、增強電機的散熱能力，如強迫風(fēng)冷。.二、我國采用的電機溫升限度溫升限度：指電機在額定負載運行下，各部件溫升的允許極限值稱為溫升極限。 對電機而言，其溫升極限基本上取決于絕緣材料所允許的最高溫度及冷卻介質(zhì)的溫度。不同絕緣等級的絕緣材料，其耐溫極限如下表所示。耐熱分級AEBFH極限溫度/105120130155180冷卻介質(zhì)溫度/4040404040溫升限度/6075801001251、溫度對絕緣材料壽命的影響 絕緣材料在規(guī)定的極限溫度下工作，能夠獲得經(jīng)濟的使用壽命（20年）。但如果超過極限溫度，則壽命按指數(shù)規(guī)律下降。例如，對A級絕緣，

3、當(dāng)工作極限溫度超過8時（B級10，F(xiàn)級12，H級14），其使用壽命降一半。.2、冷卻介質(zhì)溫度的確定 冷卻介質(zhì)溫度即為大氣溫度，每個國家一般都采用大部分地區(qū)的大氣絕對最高溫度作為冷卻介質(zhì)的溫度，因此我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定+40作為冷卻介質(zhì)溫度。3、測量溫度的方法有溫度計法、電阻法、埋置檢溫計法三種方法 不同的方法測出的平均溫度與最熱點溫度之間的差別不一樣。例如在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定A級絕緣的定子繞組，用溫度計法測得的溫升限度為50，它是由該級絕緣的最高溫度105減去40得65，再減掉平均溫度與最高溫度的差別15后得到。CtRRRttRRCtt/004. 0.)25(1 :,)(25,2525對于銅為導(dǎo)體電阻的

4、溫度系數(shù)可按下式計算時的繞組電阻溫度則溫度升高至穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電機額定負載運行時繞組電阻假定繞組溫度為電阻與溫度有關(guān).4、海拔高度對溫升的影響 海拔高度不同，則空氣的稀薄也不同，散熱條件也不同。國標(biāo)規(guī)定：當(dāng)電機的使用地點的海拔高（低）于試驗地點的海拔時，其溫升限度應(yīng)按兩地海拔之差每100m減（加）去規(guī)定值的1%。低于1000m均算作1000m。1000mB極絕緣B極絕緣溫升80K%)110010001 (80mmhK.7-2 傳熱基本定律一、概述電機散熱有三種方式： 由損耗產(chǎn)生的熱量，先由發(fā)熱體內(nèi)部傳導(dǎo)至表面，然后經(jīng)過對流和，輻射的作用散到周圍去。因此從上述三種方式的基本定律中得出溫升的計算方法。

5、二、熱傳導(dǎo)定律 傳導(dǎo)只發(fā)生在溫度有高低差別的溫度場中。將場中的相同溫度點聯(lián)接起來，便得到等溫線或面。如圖所示。 并且，熱的傳導(dǎo)方向是和溫度空間變化率最大的方向一致，即與等溫線的法線方向一致，如圖所示。等溫線高溫低溫?zé)崃鞯葴鼐€法線熱流密度q：單位時間內(nèi)通過單位等溫面的熱量。該物理量的單位為：J/(m2.s)熱傳導(dǎo)定律：溫度場各點的熱流密度q與該點的溫度梯度成正比：即熱導(dǎo)率為比例常數(shù),gradq.如果熱流只有一個方向，即x方向的平面熱傳導(dǎo)，則上式可改寫為：dxdAAqdxdq所以熱流面的面積與熱流方向垂直的等溫即熱流量的總熱量單位時間內(nèi)通過等溫面由熱流密度的定義)(),(:x012平面熱傳導(dǎo)如果A

6、是常數(shù)，解上式微分方程得：xACACxCCAx111:,0,回代到解式中得將則有時設(shè)當(dāng)為積分常數(shù)因此，在平面熱傳導(dǎo)中，溫度分布是一直線。如圖所示。Ax122,則有時當(dāng).稱之為熱阻式中溫差A(yù)RRA21 為了計算溫升方便，將“場”的問題轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥贰钡膯栴}。引入電路的概念，即將溫差當(dāng)作電壓，熱流當(dāng)作電流，熱阻R當(dāng)作電阻。于是在熱路中，合成熱阻的計算方法也與電路中求電阻的方法一樣。nnnnRRRR1111并聯(lián)的合成熱阻為串聯(lián)的合成熱阻為三、熱傳導(dǎo)方程四、對流和輻射散熱（一）輻射散熱.,./107 . 5,)(,2844查表得到有關(guān)其值與發(fā)熱體表面情況因數(shù)周圍介質(zhì)的絕對溫度玻耳茲曼常數(shù)純黑物體的斯忒藩發(fā)

7、熱體表面的溫度式中表面輻射出去的熱量每秒從每平方米發(fā)熱體根據(jù)輻射定律TKmWTTTq.表7-4表面純黑物體粗鑄鐵毛面段鐵磨光段鐵毛面黃銅磨光紫銅10.970.950.290.20.17 一般情況下，當(dāng)采用強制對流冷卻電機時，由輻射帶走的熱量微乎其微，可忽略不計。但是在平靜的大氣中，由輻射散發(fā)的熱量約占總散熱量的40%(二）對流散熱層流紊流固體120 x固體表面與流體接觸時的散熱情況，如圖所示。1、首先當(dāng)固體的溫度與流體溫度不等時，它們之間就有熱交換，熱量高溫物體傳向低溫物體。2、這種交換存在著傳導(dǎo)與對流兩種方式。3、散熱能力取決于流體的固體表面上的運動狀態(tài)，在靠近固體表面處，流體作層流運動，層

8、與層之間沒有流體交換，因此熱量傳遞主要靠傳導(dǎo)。4、當(dāng)流體作紊流運動時，流體各部分作無規(guī)則的旋渦運動，相互間有流體交換，交換過程也就是熱量的傳遞過程，所以熱量傳遞方式主要是對流。.5、對流散熱時，表面散熱能力還與冷卻介質(zhì)的物理性能、固體表面幾何形狀、尺寸等因素有關(guān)。五、牛頓散熱定律和散熱系數(shù)對流作用帶走的熱量，都采用牛頓散熱定律來計算。分別為固體與流體溫度量面散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱在單位時間內(nèi)由單位表時為即表面與周圍介質(zhì)溫差散熱系數(shù)熱流密度牛頓散熱定律2121.,1;)(:Cqq一般情況下，的確定很困難，只能用實驗的方法來確定。 如果用空氣作為冷卻介質(zhì)，忽略散熱表面幾何尺寸等因素的影響，則可以近似地

9、認為散熱系數(shù)僅與空氣的流速有關(guān)。當(dāng)空氣流速在525m/s時，與流速v的關(guān)系如下：數(shù)考慮氣流吹拂效率的系空氣吹拂表面的速度見表的散熱系數(shù)發(fā)熱表面在平靜空氣中或較準(zhǔn)確地表示為kkvvkvk00000,)()1 (:)1 (.把牛頓散熱定律改寫成：阻為散熱表面到流體的熱式中ARRAq1 當(dāng)熱量從電機繞組端部傳給冷卻空氣時，要經(jīng)過兩個熱阻，絕緣中的傳導(dǎo)熱阻和繞組表面的散熱熱阻?？偀嶙铻檫@兩個熱阻之和，即：ARAR1熱源.7-3電機穩(wěn)定溫升的計算一、電機中的溫度分布 溫升的計算主要是計算繞組和鐵心的溫升。因為它們既是熱源，又是導(dǎo)熱介質(zhì)。 溫度在空間總是按一定規(guī)律呈曲線分布，因此有最高溫升與平均溫升之別。

10、但在計算是從整體來處理，通常只計算發(fā)熱部件的平均溫升。（一）采用對稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)的電機中定子繞組沿軸向的溫度分布 這種通風(fēng)系統(tǒng)，鐵心有徑向通風(fēng)道，徑向風(fēng)量大體相同，定子繞組的溫度分布如下圖所示。熱量一部分由風(fēng)道散到空氣中，另一部分由端部散到空氣中。x0.(二）采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)或混合式通風(fēng)系統(tǒng)最高溫度位置向熱風(fēng)逸出電機的出口方向移動，如圖所示。x0（三）表面冷卻的封閉式（交流）電機中定子繞組溫度沿軸向分布 這類電機的繞組損耗主要通過鐵心、機座散出去，而端部的散熱條件較差，端部損耗熱量主要部分通過鐵心散出去。形成中間低兩端高的溫度分布。如圖所示。.x0（四）勵磁繞組中的溫度分布（圖略）（五）鐵心疊

11、片組中的溫度分布 硅鋼片疊片組的徑向熱導(dǎo)率要遠大于軸向熱導(dǎo)率，可以近似地認為在鐵心中沿著徑向的溫度分布是均勻的，而沿著軸向分布是不均勻的，如圖所示。如果兩側(cè)徑向通風(fēng)量不同，則沿軸向的溫度分布也不對稱。0 x.二、用熱路法計算電機的平均溫升1、計算時假定繞組銅（鋁）和鐵心的熱導(dǎo)率為無窮大，即認為“銅”和“鐵”都是等溫體，其溫度為平均溫度。2、在上述假定下，電機的溫度降將集中在繞組絕緣和有關(guān)的散熱表面處的冷卻介質(zhì)的流體中。3、利用熱路法計算絕緣內(nèi)的溫度降和表面冷卻介質(zhì)溫度降，得到繞組和鐵心的平均溫升。4、大多數(shù)情況下，由于定子與轉(zhuǎn)子間隔著一層氣隙，而空氣的熱阻比其它散熱途徑要大得多，因此可以忽略定

12、、轉(zhuǎn)子間的熱交換。將定子繞組和定子鐵心視為獨立的熱源，構(gòu)成二熱源熱路。在電機的溫升計算中，應(yīng)用最多的是二熱源熱路法。（一）二熱源熱路法以空氣冷卻徑向通風(fēng)系統(tǒng)的交流電機定子為例說明二熱源熱路法的計算。.由鐵心損耗產(chǎn)生的熱量可從以下四條途徑散出：1）從通道表面散出，其熱阻為RF1；2）從鐵心內(nèi)圓表面散出，其熱阻為RF2；3）從鐵心外圓表面散出，其熱阻為RF3；4）先傳給繞組銅，再由銅散出，此熱阻等于前面的RCF。1）從繞組端部表面?zhèn)鹘o空氣，其熱阻為RC1；2）從通風(fēng)道中的繞組表面?zhèn)鹘o空氣，其熱阻為RC2；3）先傳給鐵心，再由鐵心傳給空氣，繞組銅與鐵心之間的熱阻為RCF；定子繞組銅耗產(chǎn)生的熱量可以從

13、三條途徑散出： 假定繞組各部分的溫度相同，鐵心各部分溫度相同，空氣各部分溫度也相同，則可畫出如下二熱源熱路圖。.RF1RF2RF3RC1RC2RCFpCupFeCuFeRFeRCuRCFpCupFeCuFe 由圖列出如下方程：;32121的合成熱阻為的合成熱阻為式中FFFFeCCCuFeFeFeCFCueFeCuCuCuCFFeCuRRRRRRRpRRpRR解上二式得：.CFCuFeCFCuCuCuFeFeCFFeCuCFFeFeFeCuCuRRRRRRppRRRRRRpp11)(11)( 由解式可見，銅和鐵的溫升都可視為兩部分溫升的疊加。例如對銅的溫升可以寫為：)()(1111 的銅的溫升相

14、當(dāng)于空載試驗時測得銅的溫升相當(dāng)于短路試驗測得的CuCuCFFeCuCFFeFeFeCFFeCuCuCuRRRRRRpRRRp熱阻計算：1、定子繞組銅與鐵心之間的絕緣熱阻RCF的計算CFCFCFCFAR.面積絕緣材料和鐵心的接觸絕緣材料的合成熱導(dǎo)率銅鐵之間的絕緣總厚度式中CFCFCFA2、繞組端部銅和空氣間的熱阻RC1的計算由兩部分的熱阻組成：1）端部絕緣的傳導(dǎo)熱阻RC1；2）端部表面的散熱熱阻RC1；11 11111 1111CCCCCCCCCCARARRRR)()()(11111槽數(shù)絕緣表面周長端部長散熱面積端部表面散熱系數(shù)端部絕緣熱導(dǎo)率繞組端部絕緣厚度式中ZulAAECCCCC3、徑向通風(fēng)道中的繞組部分和空氣之間的熱阻RC2的