第八章電機發(fā)燒與冷卻第一節(jié)電機發(fā)燒與溫升第二節(jié)電機散熱第三節(jié)電機工作制、定額與額定容量第四節(jié)電機冷卻電機的發(fā)熱和冷卻第1頁電機運行時，內(nèi)部存在各種損耗，如電流在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生繞組損耗、鐵心中磁場交變引發(fā)鐵心損耗、通風(fēng)和機械摩擦引發(fā)機械損耗等。這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蛑車橘|(zhì)傳輸，使電機各部件溫度升高，當(dāng)溫度超出絕緣允許溫度時，將造成絕緣乃至電機損壞。要將電機各部件溫度控制在允許范圍內(nèi)，首先要降低損耗，降低電機發(fā)燒量，另首先要提升電機冷卻散熱能力。電機的發(fā)熱和冷卻第2頁1電機發(fā)燒與溫升1.1電機發(fā)燒和冷卻規(guī)律電機中，各種材料導(dǎo)熱能力相差很大。從導(dǎo)熱角度看，電機不是一個均質(zhì)物體，其發(fā)燒和散熱過程非常復(fù)雜。所謂均質(zhì)物體，是指表面各點散熱情況都相同且其內(nèi)部沒有溫差物體。為簡化分析，常把電機或電機某一部件作為均質(zhì)物體。(1)物體發(fā)燒過程在起始時刻，物體溫度與周圍介質(zhì)溫度相同，向周圍介質(zhì)散熱極少，其產(chǎn)生熱量絕大部分用于物體溫度提升；伴隨物體溫度升高，物體與周圍介質(zhì)溫差增大，散發(fā)到周圍介質(zhì)熱量增多，物體溫度升高速度減緩；當(dāng)物體發(fā)出熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)時，物體溫度到達(dá)穩(wěn)定。物體溫度與環(huán)境溫度（或周圍介質(zhì)溫度）之差，稱為物體溫升，用表示，單位為開爾文（K）。電機的發(fā)熱和冷卻第3頁溫升隨時間t改變規(guī)律為：0－物體初始溫升；－物體穩(wěn)態(tài)溫升，即t時溫升；T1－發(fā)燒時間常數(shù)，通常為10～150分鐘。若初始溫升為零，則均質(zhì)物體發(fā)燒方程為均質(zhì)物體發(fā)燒過程曲線如圖所表示，是一條指數(shù)曲線，通常當(dāng)t=(3~4)T1時溫升就基本穩(wěn)定了。電機的發(fā)熱和冷卻第4頁電機發(fā)燒過程電機不是均質(zhì)物體，其發(fā)燒過程曲線與上述指數(shù)曲線之間在起始階段有一定差異，這是因為起始時繞組熱量散發(fā)較難而使銅溫升升高得比鐵快所致。即使如此，忽略它們之間差異為我們研究電機發(fā)燒過程提供了方便。電機發(fā)燒時間常數(shù)在很大范圍內(nèi)變動，普通約為10-150min。1－指數(shù)曲線2－實際電機發(fā)燒過程曲線電機的發(fā)熱和冷卻第5頁(2)物體冷卻過程當(dāng)均質(zhì)物體內(nèi)部停頓產(chǎn)生熱量時，物體中儲存熱量逐步散發(fā)到周圍介質(zhì)中，物體溫度下降，直至其溫度與周圍介質(zhì)溫度相同為止。冷卻方程為T2－冷卻時間常數(shù)，約為發(fā)燒時間常數(shù)2～5倍。電機即使不是一個均質(zhì)物體，但其冷卻過程基本特征與均質(zhì)物體基本相同。圖8-3均質(zhì)物體冷卻過程曲線電機的發(fā)熱和冷卻第6頁1.2絕緣材料絕緣等級及其允許工作溫度在電工技術(shù)中，將絕緣材料按其允許工作溫度分成若干個耐熱等級：A、E、B、F、H級，它們允許工作溫度分別為105C、120C、130C、155C和180C。絕緣材料在對應(yīng)允許工作溫度下長久運行，普通不會產(chǎn)生不該有性能改變，通常有15～20年使用壽命。當(dāng)絕緣材料工作溫度超出允許工作溫度時，使用壽命縮短，絕緣材料使用壽命L可近似表示為A和B為常數(shù)，T為絕對溫度依據(jù)經(jīng)驗，工作溫度每超出A級絕緣允許工作溫度8C（B級絕緣10C，F(xiàn)級絕緣12C，H級絕緣14C），絕緣材料壽命縮短二分之一。電機的發(fā)熱和冷卻第7頁1.3電機溫升程度電機運行時，各部件溫升允許極限值稱為溫升程度。溫升程度基本上取決于絕緣材料允許工作溫度和冷卻介質(zhì)溫度，也與溫度測量方法、傳熱和散熱條件、使用地點等相關(guān)。對于當(dāng)前慣用冷卻系統(tǒng)，其冷卻介質(zhì)溫度基本上與周圍大氣溫度相同。大氣溫度隨季節(jié)和地點改變而改變。我國各地平均最高溫度不超出35C，而最高溫度普通為35～40C，少數(shù)地域為40～45C。世界各國普通采取大多數(shù)地域大氣最高溫度作為冷卻介質(zhì)溫度，所以我國要求40C為冷卻介質(zhì)溫度。電機的發(fā)熱和冷卻第8頁溫度測量方法不一樣，會造成測量結(jié)果不一樣。在要求溫升限度同時，還應(yīng)要求對應(yīng)溫度測量方法。溫度計法該方法直接測量溫度，非常簡便，但只能測量電機各部分表面溫度，無法得到內(nèi)部最高溫度和平均溫度。電阻法繞組電阻R隨溫度t升高而增大，滿足以下規(guī)律

利用該規(guī)律能夠進(jìn)行繞組溫度測量。首先測定室溫下溫度和繞組電阻，然后使電機運行，當(dāng)電機溫升到達(dá)穩(wěn)定時，將電機停轉(zhuǎn)，快速測量繞組電阻，依據(jù)上式可計算出繞組溫度。該方法測定是繞組平均溫度。電機的發(fā)熱和冷卻第9頁埋設(shè)溫度計法在進(jìn)行電機裝配時，可在預(yù)計工作溫度最高地方埋設(shè)熱電偶或電阻溫度計。該方法可測得靠近于電機內(nèi)部最熱點溫度。2電機散熱電機運行時產(chǎn)生各種損耗都要轉(zhuǎn)換為熱量，熱量從發(fā)燒體傳到電機表面，再散發(fā)到周圍環(huán)境中。電機傳熱和散熱方式有熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種形式。2.1熱傳導(dǎo)熱量從系統(tǒng)一部分傳到另一部分或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，是固體中熱量傳遞主要方式。熱傳導(dǎo)只發(fā)生在空間上溫度有差異溫度場中，熱量總是由高溫向低溫方向傳導(dǎo)。電機的發(fā)熱和冷卻第10頁在電機中，電機底座和電機周圍空氣通常都是不良導(dǎo)熱體，所以熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在電機內(nèi)部。電機內(nèi)熱源主要是繞組損耗和鐵心損耗，繞組損耗所產(chǎn)生熱量借助于熱傳導(dǎo)作用從繞組穿過絕緣傳遞到鐵心中，與鐵心產(chǎn)生熱量一起被傳導(dǎo)到電機表面。能夠看出，繞組熱量傳導(dǎo)比鐵心中熱量傳導(dǎo)經(jīng)過材料多，故繞組溫度通常高于鐵心溫度。將溫度場中溫度相同點連接起來，就得到等溫線或等溫面。各點熱量傳導(dǎo)方向總是與該點溫度空間改變率最大方向一致，也就是與經(jīng)過該點等溫線或等溫面法線方向一致。電機的發(fā)熱和冷卻第11頁單位時間內(nèi)經(jīng)過單位等溫面熱量稱為熱流密度qQ為單位時間內(nèi)經(jīng)過等溫面總熱量，即熱流量；A為等溫面面積。熱流密度與各點在等溫面法線方向上溫度空間改變率即溫度梯度成正比為熱導(dǎo)率，為溫度梯度當(dāng)熱流沿x方向單方向傳導(dǎo)時，熱流密度為熱流量電機的發(fā)熱和冷卻第12頁對于圖所表示平面熱傳導(dǎo)，熱量經(jīng)過厚度為材料傳導(dǎo)時，兩側(cè)溫差為稱為熱阻。將溫差、熱流和熱阻之間關(guān)系與電路中電壓、電流和電阻之間關(guān)系對應(yīng)，即：溫差對應(yīng)電路中電壓，熱流對應(yīng)電路中電流，熱阻對應(yīng)電路中電阻，采取與電路相同熱路概念，將溫度場分布“場問題”看作“路問題”，得到如圖所表示熱路圖。采取熱路圖能夠方便地進(jìn)行電機溫升計算。圖8-4平面熱傳導(dǎo)圖8-5平面熱傳導(dǎo)熱路圖電機的發(fā)熱和冷卻第13頁2.2對流和輻射在電機中，經(jīng)過熱傳導(dǎo)作用傳遞到電機表面熱量通常經(jīng)過兩種方式散發(fā)到周圍介質(zhì)中，一是熱對流，二是熱輻射。熱對流是液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間經(jīng)過循環(huán)流動使溫度趨于均勻過程，是液體和氣體中熱傳遞主要方式。物體因本身溫度而含有向外發(fā)射能量能力，這種熱傳遞方式叫做熱輻射。

在平靜大氣中，輻射散發(fā)熱量約占總散熱量40％。當(dāng)采取強制對流冷卻電機時，輻射散發(fā)熱量所占百分比很小，能夠忽略不計。電機的發(fā)熱和冷卻第14頁(1)輻射散熱依據(jù)史蒂芬－波爾茲曼定律，每秒從發(fā)燒體單位表面輻射出去熱量為(2)對流散熱在電機中，繞組、鐵心所發(fā)出熱量以及傳導(dǎo)到電機表面熱量是經(jīng)對流作用由流過它們表面流體(如空氣)帶走。所帶走熱量可用牛頓散熱定律計算熱路形式圖8-6對流散熱熱路圖電機的發(fā)熱和冷卻第15頁3電機工作制、定額與額定容量3.1工作制工作制是對電機承受負(fù)載情況說明，包含起動、電制動、空載、斷能停轉(zhuǎn)以及這些階段連續(xù)時間和先后次序。連續(xù)工作制S1短時工作制S2斷續(xù)周期工作制S3包含起動斷續(xù)周期工作制S4包含電制動斷續(xù)周期工作制S5連續(xù)周期工作制S6包含電制動連續(xù)周期工作制S7包含變負(fù)載變速連續(xù)周期工作制S8負(fù)載和轉(zhuǎn)速作非周期改變工作制S9離散恒定負(fù)載工作制S10電機的發(fā)熱和冷卻第16頁3.2電機定額電機定額是由制造廠對符合指定條件電機所要求、并在銘牌上標(biāo)明電量和機械量全部數(shù)值及其連續(xù)時間和次序。連續(xù)工作制訂額是制造廠對電機負(fù)載和各種條件所作要求。短時工作制訂額

是制造廠對電機負(fù)載、運行時間和各種條件要求。周期工作制訂額

是制造廠對電機負(fù)載和各種條件要求。非周期工作制訂額

是制造廠對電機在對應(yīng)變速范圍內(nèi)變動負(fù)載（包含過載）和各種條件要求。離散恒定負(fù)載工作制訂額等效負(fù)載定額一個為試驗?zāi)繕?biāo)而要求定額。電機的發(fā)熱和冷卻第17頁3.3額定容量電機額定容量就是電機額定輸出功率。對于發(fā)電機來說，額定容量是指輸出電功率。對于電動機來說，額定容量是軸端輸出機械功率。電機銘牌上通常標(biāo)有額定值，如額定功率、額定電壓、效率和功率因數(shù)等。電機運行時，若各種電量（如電壓、電流、頻率等）和機械量（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）均符合銘牌上要求額定值，則我們稱這種運行情況為額定運行。電機額定容量取決于電機發(fā)燒和散熱條件。電機額定容量越大。額定容量與工作制、使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式和冷卻方式相關(guān)。電機結(jié)構(gòu)型式不一樣，則散熱條件不一樣，電機額定容量也不一樣。如開啟式電機散熱條件好于封閉式電機，前者額定容量比后者大。電機的發(fā)熱和冷卻第18頁電機額定容量還與使用環(huán)境相關(guān)，若環(huán)境溫度、冷卻介質(zhì)、海拔和相對濕度等與要求不一樣，則要對額定容量進(jìn)行修正。如在高海拔地域使用，空氣稀薄，冷卻能力差，則應(yīng)該降低電機額定容量。冷卻方式對電機額定容量影響很大，冷卻能力越強，電機各部件溫度越低，額定容量越大。電機額定容量還與工作制相關(guān)，同一臺電機，若運行在不一樣工作制下，其額定容量不一樣。比如，長久運行時溫升要高于短時運行，其額定容量要小于后者。電機額定容量要求還應(yīng)含有一定靈活性，它不但要供給額定負(fù)載，還應(yīng)能夠在短時間內(nèi)允許適當(dāng)程度過載而不致使溫升超出程度。電機的發(fā)熱和冷卻第19頁4電機冷卻伴隨電機設(shè)計和制造技術(shù)發(fā)展，電機單機容量不停增大。為減小電機體積、提升材料利用率，通常選取較高電磁負(fù)荷，造成電機發(fā)燒量增加。要確保電機可靠工作，必須提升電機散熱冷卻能力，電機散熱冷卻技術(shù)隨之發(fā)展。在冷卻介質(zhì)方面，首先被采取是空氣，以后采取氫、水和油等。在冷卻方式方面，從表面冷卻（外冷）發(fā)展到冷卻效果很好內(nèi)部冷卻（內(nèi)冷）。4.1表面冷卻方式在電機中，冷卻介質(zhì)經(jīng)過繞組、鐵心和機殼表面，將熱量帶走，稱為表面冷卻。表面冷卻主要采取空氣做冷卻介質(zhì)，含有結(jié)構(gòu)簡單、成本低特點，但冷卻效果較差，在高速電機中產(chǎn)生摩擦損耗較大，主要用于中小型電機中。電機的發(fā)熱和冷卻第20頁表面冷卻按結(jié)構(gòu)可分為自冷、內(nèi)部風(fēng)扇自冷、外部風(fēng)扇自冷和他扇冷。自冷自冷式電機沒有任何冷卻裝置，僅依靠表面輻射和自然對流使電機得以冷卻，散熱能力差。內(nèi)部風(fēng)扇自冷內(nèi)部風(fēng)扇自冷式電機轉(zhuǎn)子上裝有風(fēng)扇，風(fēng)扇驅(qū)使冷卻介質(zhì)流過電樞表面，并從軸向和徑向通風(fēng)道內(nèi)經(jīng)過，將熱量帶走。外部風(fēng)扇自冷外部風(fēng)扇自冷式電機裝有內(nèi)外兩層風(fēng)扇。這種冷卻方式適合用于封閉式和防爆式電機。他扇冷他扇冷式電機用以供給冷卻空氣風(fēng)扇不是由電機本身驅(qū)動，而是由另外動力驅(qū)動。電機的發(fā)熱和冷卻第21頁4.2內(nèi)部冷卻方式大型同時發(fā)電機電壓較高，繞組采取較厚絕緣層，而絕緣材料導(dǎo)熱性能較差，若采取表面冷卻方式，即使絕緣外表面得到很好冷卻，絕緣內(nèi)層溫度仍可能超出絕緣允許工作溫度。為處理這一問題，廣泛采取內(nèi)部冷卻方式。所謂內(nèi)部冷卻，就是采取空心導(dǎo)體將冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)體內(nèi)部直接帶走熱量冷卻方式。采取內(nèi)部冷卻，導(dǎo)體熱量不再經(jīng)過絕緣層，而是直接被冷卻介質(zhì)帶走，大大提升了冷卻效果，改善了絕緣材料工作條件。依據(jù)冷卻介質(zhì)不一樣，內(nèi)部冷卻方式又分為氫內(nèi)冷、水內(nèi)冷和空氣內(nèi)冷。電機的發(fā)熱和冷卻第22頁氫內(nèi)冷冷卻介質(zhì)為氫氣。轉(zhuǎn)子繞組采取氫內(nèi)冷時，繞組和槽楔上有與槽底通風(fēng)槽相通小孔，氫氣可自槽底通風(fēng)槽進(jìn)入，冷卻轉(zhuǎn)子后再由小孔軸向流入空氣隙；也可在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上銑出兩排斜向相反扁條狀斜孔，全部銅線疊在一起就形成兩排不一樣方向傾斜風(fēng)道，氫氣自槽楔上正對氣流方向風(fēng)斗進(jìn)入風(fēng)道，冷卻導(dǎo)體后，由槽楔上背向氣流方向風(fēng)斗排出。空氣內(nèi)冷冷卻介質(zhì)為空氣，冷卻結(jié)構(gòu)與氫內(nèi)冷相同。氫冷發(fā)電機組開啟復(fù)雜，對運行操作人員要求高空氣冷卻汽輪發(fā)電機系統(tǒng)簡單，沒有充氫、排氫和氫油密封這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運行維修操作簡單，沒有氫氣爆炸危險。其缺點是定子繞組溫度高，銅鐵溫差大，電機效率較氫冷低，轉(zhuǎn)子銅線內(nèi)易積灰，發(fā)電機有效部分尺寸大。電機的發(fā)熱和冷卻第23頁水內(nèi)冷冷卻介質(zhì)為水。繞組采取管式導(dǎo)線，冷卻水沿導(dǎo)線內(nèi)孔流動，直接將導(dǎo)體熱量帶走。水內(nèi)冷冷卻方式對冷卻水有一定要求。在火電廠中，汽輪機凝結(jié)水水質(zhì)很好，普通用它作冷卻水。采