1、第七章 發熱計算7-1電機允許的溫升限度一、概述電機運行產生損耗變為熱能電機各部分溫度升高。溫升：電機部件的溫度與周圍介質溫度之差，稱為該部件的溫升。溫升：電機部件的溫度與周圍介質溫度之差，稱為該部件的溫升。用用來表示。來表示。 根據對物質體發熱過程的分析，溫升隨時間的變化是呈指數曲線關系，如下圖。 為什么升溫的變化過程呈現指數關系？起始階段：物體溫度與周圍介質溫度相同，物體所產生的損耗熱全部用來提升物體溫度，因而，物體溫度上升很快t0t0穩定階段：當物體內部產生的熱量與散發到周圍介質中支的熱量相等時，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溫度，溫差加大，于是物體的熱量就散

2、發到周圍介質，散發量隨著溫差的加大而加大溫升對電機部件的影響，首當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 絕緣材料在規定的極限溫度下工作，能夠獲得經濟的使用壽命（20年

3、）。但如果超過極限溫度，則壽命按指數規律下降。例如，對A級絕緣，當工作極限溫度超過8時B級10，F級12，H級14），其使用壽命降一半。2、冷卻介質溫度的確定 冷卻介質溫度即為大氣溫度，每個國家一般都采用大部分地區的大氣絕對最高溫度作為冷卻介質的溫度，因此我國的國家標準規定+40作為冷卻介質溫度。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。例如在標準中規定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

4、. 0.)25(1 :,)(25,2525對于銅為導體電阻的溫度系數可按下式計算時的繞組電阻溫度則溫度升高至穩定狀態當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。國標規定：當電機的使用地點的海拔高低于試驗地點的海拔時，其溫升限度應按兩地海拔之差每100m減加去規定值的1%。低于1000m均算作1000m。1000mB極絕緣B極絕緣溫升80K%)110010001 (80mmhK溫升7-2 傳熱基本定律一、概述電機散熱有三種方式： 由損耗產生的熱量，先由發熱體內部傳導至表面，然后經過對流和，輻射的作用散到周圍去

5、。因此從上述三種方式的基本定律中得出溫升的計算方法。二、熱傳導定律 傳導只發生在溫度有高低差別的溫度場中。將場中的相同溫度點聯接起來，便得到等溫線或面。如下圖。 并且，熱的傳導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，如下圖。等溫線高溫低溫熱流等溫線法線熱流密度q：單位時間內通過單位等溫面的熱量。該物理量的單位為：J/(m2.s)熱傳導定律：溫度場各點的熱流密度q與該點的溫度梯度成正比：即熱導率為比例常數,gradq如果熱流只有一個方向，即x方向的平面熱傳導，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通過等溫面由熱流

6、密度的定義)(),(:x012平面熱傳導如果A是常數，解上式微分方程得：xACACxCCAx111:,0,回代到解式中得將則有時設當為積分常數因而，在平面熱傳導中，溫度分布是一直線。如下圖。Ax122,則有時當稱之為熱阻式中溫差ARRA21 為了計算溫升方便，將“場的問題轉變為“路的問題。引入電路的概念，即將溫差當作電壓，熱流當作電流，熱阻R當作電阻。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并聯的合成熱阻為串聯的合成熱阻為三、熱傳導方程四、對流和輻射散熱（一輻射散熱.,./107 . 5,)(,2844查表得到有關其值與發熱體表面情況因數周圍介質的絕

7、對溫度玻耳茲曼常數純黑物體的斯忒藩發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熱體根據輻射定律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，如下圖。1、首先當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，在靠近

8、固體表面處，流體作層流運動，層與層之間沒有流體交換，因此熱量傳遞主要靠傳導。4、當流體作紊流運動時，流體各部分作無規則的旋渦運動，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的物理性能、固體表面幾何形狀、尺寸等因素有關。五、牛頓散熱定律和散熱系數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到周圍介質的熱在單位時間內由單位表時為即表面與周圍介質溫差散熱系數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，忽略散熱表面幾何尺

9、寸等因素的影響，則可以近似地認為散熱系數僅與空氣的流速有關。當空氣流速在525m/s時，與流速v的關系如下：數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發熱表面在平靜空氣中或較準確地表示為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 當熱量從電機繞組端部傳給冷卻空氣時，要經過兩個熱阻，絕緣中的傳導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，又是導熱介質。 溫度在空間總是按一定規律呈曲線分布，因此有

10、最高溫升與平均溫升之別。但在計算是從整體來處理，通常只計算發熱部件的平均溫升。（一采用對稱徑向通風系統的電機中定子繞組沿軸向的溫度分布 這種通風系統，鐵心有徑向通風道，徑向風量大體相同，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(二采用軸向通風系統或混合式通風系統最高溫度位置向熱風逸出電機的出口方向移動，如下圖。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。如下圖。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率要遠大于軸向熱導率，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。如果兩側徑向通風量不同，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的散熱表面處的冷卻介質的流體中。3、利用熱路法計算絕緣內的溫度降和表面冷卻介質溫度降，得到繞組和鐵心的平均溫升。4、大多數情況下，由于定子與轉子間隔著一層氣隙，而空氣的熱阻比其它散熱途徑要大得多，因此可以忽略定、轉子間

12、的熱交換。將定子繞組和定子鐵心視為獨立的熱源，構成二熱源熱路。在電機的溫升計算中，應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系統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從繞組端部表面傳給空氣，其熱阻為RC1；2從通風道中的繞組表面傳給空氣，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；定子繞組銅耗產生的熱量可以從三條途徑散出： 假定繞組各

13、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。RF1RF2 RF3RC1RC2RCFpCupFeCuFeRFeRCuRCFpCupFeCuFe 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 的銅的溫升相當于空載試驗時測得銅的溫升相當于短路試驗測得的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端部絕緣的傳導熱阻RC1；2端部表面的散熱熱阻RC1；11 11111 1111CCCCCCCCCCARARRRR)()()(11111槽數絕緣表面周長端部長散熱面積端部表面散熱系數端部絕緣熱導率繞組端部絕緣厚度式中ZulA