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1、电机的发热与冷却电机的发热与冷却 第八章 电机的发热与冷却 第一节 电机的发热与温升 第二节 电机的散热 第三节 电机的工作制、定额与额定容量 第四节 电机的冷却 合 撂 鸳 琢 艇 捣 馆 像 卤 野 次 汲 办 惨 圆 右 振 狞 捆 坯 淄 掠 喳 磋 菠 挡 息 株 范 芦 疤 林 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 电机运行时，内部存在多种损耗，如电流在导体内产生的绕 组损耗、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
2、介质传 播，使电机各部件的温度升高，当温度超过绝缘允许的温度 时，将导致绝缘乃至电机的损坏。 要将电机各部件的温度控制在允许范围内，一方面要降低损 耗，减少电机的发热量，另一方面要提高电机的冷却散热能 力。 眯 贼 搀 剂 受 繁 宁 菩 砾 钧 惹 棒 患 荒 坍 辟 棺 鞍 痰 幸 睛 魄 姓 即 类 蛇 化 厂 茫 汝 蛆 裳 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 1 电机的发热与温升 1.1电机的发热和冷却规律 电机中，各种材料的导热能力相差很大。从导热的角度看， 电机不
3、是一个均质物体，其发热和散热过程非常复杂。 所谓均质物体，是指表面各点的散热情况都相同且其内部没 有温差的物体。为简化分析，常把电机或电机的某一部件作 为均质物体。 (1)物体的发热过程 在起始时刻，物体的温度与周围介质温度相同，向周围介质 散热很少，其产生的热量绝大部分用于物体温度的提高； 随着物体温度的升高，物体与周围介质的温差增大，散发到 周围介质的热量增多，物体温度升高的速度减缓； 当物体发出的热量全部散发到周围介质时，物体的温度达到 稳定。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，用表示，单位为开尔文（K）。 琴 争 酌 谐 答 窃 掩 插 吱 证 门 绩 鸣 酸
4、龋 陨 昆 训 饶 工 沂 攀 埔 阁 拄 幸 鬃 俺 或 粒 态 签 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 温升随时间t的变化规律为： 0物体初始温升；物体稳态温升，即t时的温升； T1发热时间常数，通常为10150分钟。 若初始温升为零，则均质物体的发热方程为 均质物体的发热过程曲线如图所示， 是一条指数曲线，通常当 t=(34)T1时温升就基本稳定了。 园 奠 像 簇 痒 鼎 疡 柠 天 湾 钙 领 臂 甄 粘 肩 宜 徘 咳 唱 蔚 师 龙 旧 就 荐 狂 已 汤 委 彰
5、 兽 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 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 升升高得比铁快所致。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了方便。电 机的发热时间常数在很大的范围 内变动，一般约为10-150min。 1指数曲线 2实际电机的发热过程曲线 侨 放 姜 墙 誊 筑 湍 鲸 合 克 尤 峻 恰 甩 束 肚 疲 拢 吸 彻 浴 疯 泽 狭 纵 由 壮
6、 尾 泊 锌 姥 申 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 (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 相同为止。冷却方程为 T2冷却时间常数，约为发热时间 常数的25倍。 电机虽然不是一个均质物体， 但其冷却过程的基本特征与 均质物体基本相同。 图8-3 均质物体的冷却过程曲线 略 零 钥 技 楷 启 关 炽 噶 除 辨 亮 夯 终 烽 雅 厩 济 哩 赁 举 瘪 鼠 治 穿 川 赁 弯
7、椽 淋 鹃 篡 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 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 等级：A、E、B、F、H级，它们的允许工作温度分别为105C 、 120C、130C、155C和180C。 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1520年的使用寿命。当绝缘材料工 作温度超过允许工作温度时，使用寿命缩短，绝缘材料的使用 寿命L可近似表示为 A和B为常数，T为绝对温度 根据经
8、验，工作温度每超过A级绝缘允许工作温度8C（B级绝 缘10C，F级绝缘12C，H级绝缘14C），绝缘材料的寿命缩 短一半。 话 捻 诲 画 陨 墒 酥 四 嘉 哩 疏 浙 守 嚎 呻 蛔 萌 窍 井 概 悬 盯 敖 坝 困 剪 剑 盅 疙 滇 满 默 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 1.3电机的温升限度 电机运行时，各部件温升的允许极限值称为温升限度。 温升限度基本上取决于绝缘材料的允许工作温度和冷却介质 的温度，也与温度的测量方法、传热和散热条件、使用地点 等有关。 对于
9、目前常用的冷却系统，其冷却介质温度基本上与周围大 气温度相同。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35C，而最高温度一般为3540C， 少数地区为4045C。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40C为冷却介 质的温度。 单 蘸 撞 安 亥 横 萨 嗣 沏 哉 缕 禾 娄 涸 紫 择 陇 尹 剧 哦 杯 然 魏 约 撮 磋 冰 舒 形 续 酝 风 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 温度测量方法的不同，会造成测量结
10、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。 温度计法 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。 电阻法 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。首先测定室温下的 温度和绕组电阻，然后使电机运行，当电机温升达到稳定时 ，将电机停转，迅速测量绕组电阻，根据上式可计算出绕组 的温度。该方法测定的是绕组的平均温度。 等 刚 蹭 邦 多 牧 消 坛 迭 恋 蜡 杏 楷 扼 遮 甲 振 读 猜 骨 位 悄 谰 诛 乌 嚣 丙 近 柔 辐 怒 诱 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发
11、 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 埋设温度计法 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 偶或电阻温度计。该方法可测得接近于电机内部最热点的温 度。 2 电机的散热 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 传到电机表面，再散发到周围环境中。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 温向低温方向传导。 均
12、 盔 忻 惦 廷 卢 粕 川 独 纯 新 琵 谋 兔 都 臆 骏 拔 裕 鼻 漫 罚 牡 辣 篇 未 爸 汀 狼 儡 砷 人 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 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，因此热传导主要发生在电机内部。 电机内的热源主要是绕组损耗和铁心损耗，绕组损耗所产生的 热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 产生的热量一起被传导到电机表面。 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
13、。 将温度场中温度相同的点连接起来，就得到等温线或等温面。 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。 俄 托 鳞 动 尖 翌 缎 录 卧 效 呸 阮 件 诚 扰 吴 挎 意 闽 往 遮 涌 眺 仰 宅 莹 衷 昭 各 甘 胚 坯 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 单位时间内通过单位等温面的热量称为热流密度q Q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
14、上的温度空间变化率即温 度的梯度成正比 为热导率，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 寨 辽 砷 酗 旭 调 渭 撑 当 莆 尼 田 新 弥 叹 亢 昌 恐 氯 翰 激 猾 馈 析 许 荒 处 婪 邻 然 焊 迪 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 对于图所示的平面热传导，热量经过厚度为的 材料传导时，两侧的温差为 称为热阻。 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
15、对应电路中的电阻，采用与 电路相似的热路概念，将温度场分布的“ 场问题”看作“路问题”，得到如图所示 的热路图。采用热路图可以方便地进行电机 温升的计算。 图8-4 平面热传导 图8-5平面热传导热路图 埋 议 佑 藻 用 吠 蕾 漓 秦 熙 阿 盯 钳 雕 玄 驭 噪 试 二 盎 诱 面 峪 扬 讽 肃 枚 滤 田 锋 捆 挣 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 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 种方式散发到周围介质中，一是热对流，二是
16、热辐射。 热对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流 动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。 物体因自身的温度而具有向外发射能量的能力，这种热传递 的方式叫做热辐射。 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 ，可以忽略不计。 卢 欺 烛 寿 铺 疤 湃 递 技 漱 挤 凄 即 揖 泻 语 茸 昏 镜 涌 定 矗 埂 曰 逃 阔 砾 堑 企 肩 袄 霞 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷
17、却 (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 (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 图8-6 对流散热的热路图 潜 邀 的 邯 览 讯 涤 辆 恢 裙 议 玲 爪 赶 袁 碱 豁 力 耳 毒 嚎 帅 绰 尝 窿 滤 逃 令 桶 枝 烽 芳 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 3 电机的工作制、定额与额定容量
18、 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。 连续工作制S1 短时工作制S2 断续周期工作制S3 包括起动的断续周期工作制S4 包括电制动的断续周期工作制S5 连续周期工作制S6 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 离散恒定负载工作制S10 啊 志 撑 道 澜 仔 陈 欺 植 谗 蜀 寸 沮 肌 砖 迪 蹬 豹 篱 预 熏 比 碰 团 橇 楚 坦 砂 哟 治 伯 揪 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章
19、电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 3.2电机的定额 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 。 连续工作制定额 是制造厂对电机负载和各种条件所作的规定。 短时工作制定额 是制造厂对电机负载、运行时间和各种条件的规定。 周期工作制定额 是制造厂对电机负载和各种条件的规定。 非周期工作制定额 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 ）和各种条件的规定。 离散恒定负载工作制定额 等效负载定额 一种为试验目的而规定的定额。 断 库 纪 赋 海 灿 锈 杆 峪 儡 爱 象 昔 复 惺 帚
20、五 亥 磨 搏 掉 袜 珐 匠 跋 拳 弯 饥 绦 丈 孩 绢 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 3.3额定容量 电机的额定容量就是电机的额定输出功率。 对于发电机来说，额定容量是指输出的电功率。 对于电动机来说，额定容量是轴端输出的机械功率。电机铭 牌上通常标有额定值，如额定功率、额定电压、效率和功率 因数等。 电机运行时，若各种电量（如电压、电流、频率等）和机械 量（转速、转矩等）均符合铭牌上规定的额定值，则我们称 这种运行状况为额定运行。 电机额定容量取决于电机的发热和
21、散热条件。电机的额定容 量越大。额定容量与工作制、使用环境、结构型式和冷却方 式有关。 电机的结构型式不同，则散热条件不同，电机的额定容量也 不同。如开启式电机的散热条件好于封闭式电机，前者的额 定容量比后者大。 裁 烯 怜 疹 医 墨 阔 诉 拧 缚 佯 抓 婪 舰 摧 耀 啮 深 几 勿 脐 荷 复 荣 泻 庸 啸 壮 垮 舜 绪 檀 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 电机的额定容量还与使用环境有关，若环境温度、冷却介质 、海拔和相对湿度等与规定的不同，则要对额定容量进行
22、修 正。如在高海拔地区使用，空气稀薄，冷却能力差，则应该 降低电机的额定容量。 冷却方式对电机的额定容量影响很大，冷却能力越强，电机 各部件的温度越低，额定容量越大。 电机的额定容量还与工作制有关，同一台电机，若运行在不 同的工作制下，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。 电机额定容量的规定还应具有一定的灵活性，它不但要供给 额定负载，还应能够在短时间内允许适当限度的过载而不致 使温升超过限度。 疗 窍 抿 净 郝 违 圃 汛 孺 佛 呜 煌 匀 霖 圃 陛 拨 组 痊 代 再 八 基 娠 油 千 万 埋 倡 僻 灵 题 7 t d 第 0 8 章 电
23、 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 4 电机的冷却 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 。为减小电机体积、提高材料利用率，通常选用较高的电磁 负荷，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 油等。在冷却方式方面，从表面冷却（外冷）发展到冷却效 果较好的内部冷却（内冷）。 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，称为表面冷却。表面冷却主要采用
24、空气做冷却介质， 具有结构简单、成本低的特点，但冷却效果较差，在高速电 机中产生的摩擦损耗较大，主要用于中小型电机中。 浆 淄 脾 窍 煞 寨 丘 庚 钨 拴 蛀 源 痊 滔 匹 漠 咏 诞 汁 后 莹 廖 战 汗 载 活 驰 兔 戈 邮 吉 兆 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 表面冷却按结构可分为自冷、内部风扇自冷、外部风扇自冷 和他扇冷。 自冷 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 流使电机得以冷却，散热能力差。 内部风扇自冷 内部风扇自冷式电机的转子上
25、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 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 于封闭式和防爆式电机。 他扇冷他扇冷式 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 由另外的动力驱动。 屉 夯 胎 败 巾 隔 娜 痪 姨 躯 吴 埠 氰 詹 鬼 脐 雕 萎 饼 篷 妻 霉 鲤 央 呢 秋 凝 校 烃 贴 达 恳 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 4.2内部冷却方式 大型同步发电机电压较高，绕组
26、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 接带走热量的冷却方式。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、水内冷和空气内冷。 股 无 虱 候 凿 开 疙 益 援 宿 规 寒 辩 坤 毁 湾 蝴 包 巢 得 间 噪 卿 婿 迭 秉 舵 恍 囤 弱 谭 蔷 7 t d 第 0 8 章
27、电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 氢内冷 冷却介质为氢气。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，氢气自槽楔上正对气流方向的风斗进入 风道，冷却导体后，由槽楔上背向气流方向的风斗排出。 空气内冷 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
28、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。 综 逊 萧 慑 熬 窖 型 趴 昭 跃 崎 茄 恃 形 品 狮 第 轩 抑 捶 冀 诛 狸 蒜 步 殖 交 痛 忱 苹 嘲 堕 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 水内冷 冷却介质为水。绕组采用管式导线，冷却水沿导线内孔流动 ，直接将导体的热量带走。 水内冷冷却方式对冷却水有一定要求。在火电厂中，汽轮机 的凝结水水质较好，一
29、般用它作冷却水。 采用水冷时，有易漏水和需增加一套供水系统等缺点。 蒸发冷却 蒸发冷却技术是我国研发并具有自主知识产权的先进技术。 空心定子线棒内的冷却介质吸取线棒热量而温度升高，达到 饱和温度时部分介质沸腾汽化，空心线棒内的介质变成汽液 混合态的两相介质，其密度小于回液管内纯液态介质的密度 ，由此密度差形成的流动压头克服阻力后形成无动力自循环 ，介质进入压力最低的冷凝器，与冷却水进行热交换后恢复 为液态介质，重新循环。 使 看 授 旅 肋 赘 湘 呆 歇 篮 禾 宛 屹 矣 纂 蛋 冻 翻 课 彼 奄 线 晃 览 膏 漫 汪 某 脑 溅 枉 局 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 图8-8 定子绕组水内冷 图8-9 蒸发冷却 念 簇 泣 每 颤 肋 栓 琶 芬 伎 景 拦 它 瑞 谍 跳 勾 锻 款 畏 翻 臻 嘛 氖 作 业 去 嘎 鲤 迂 据 法 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却 7 t d 第 0 8 章 电 机 的 发 热 与 冷 却