第08章 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻

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1、第八章電機(jī)的發(fā)熱與冷卻第一節(jié)電機(jī)的發(fā)熱與溫升第二節(jié)電機(jī)的散熱第三節(jié)電機(jī)的工作制、定額與額定容量第四節(jié)電機(jī)的冷卻電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部存在多種損耗，如電流在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的繞組損耗、鐵心中磁場(chǎng)交變引起的鐵心損耗、通風(fēng)和機(jī)械摩擦引起的機(jī)械損耗等。這些損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚蛑車橘|(zhì)傳播，使電機(jī)各部件的溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)絕緣允許的溫度時(shí)，將導(dǎo)致絕緣乃至電機(jī)的損壞。要將電機(jī)各部件的溫度控制在允許范圍內(nèi)，一方面要降低損耗，減少電機(jī)的發(fā)熱量，另一方面要提高電機(jī)的冷卻散熱能力。1電機(jī)的發(fā)熱與溫升1.1電機(jī)的發(fā)熱和冷卻規(guī)律電機(jī)中，各

2、種材料的導(dǎo)熱能力相差很大。從導(dǎo)熱的角度看，電機(jī)不是一個(gè)均質(zhì)物體，其發(fā)熱和散熱過(guò)程非常復(fù)雜。所謂均質(zhì)物體，是指表面各點(diǎn)的散熱情況都相同且其內(nèi)部沒(méi)有溫差的物體。為簡(jiǎn)化分析，常把電機(jī)或電機(jī)的某一部件作為均質(zhì)物體。(1)物體的發(fā)熱過(guò)程在起始時(shí)刻，物體的溫度與周圍介質(zhì)溫度相同，向周圍介質(zhì)散熱很少，其產(chǎn)生的熱量絕大部分用于物體溫度的提高；隨著物體溫度的升高，物體與周圍介質(zhì)的溫差增大，散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量增多，物體溫度升高的速度減緩；當(dāng)物體發(fā)出的熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)時(shí)，物體的溫度達(dá)到穩(wěn)定。物體溫度與環(huán)境溫度（或周圍介

3、質(zhì)溫度）之差，稱為物體的溫升，用??表示，單位為開爾文（K）。溫升隨時(shí)間t的變化規(guī)律為：??0－物體初始溫升；???－物體穩(wěn)態(tài)溫升，即t??時(shí)的溫升；T1－發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，通常為10～150分鐘。若初始溫升為零，則均質(zhì)物體的發(fā)熱方程為均質(zhì)物體的發(fā)熱過(guò)程曲線如圖所示，是一條指數(shù)曲線，通常當(dāng)t=(3~4)T1時(shí)溫升就基本穩(wěn)定了。電機(jī)的發(fā)熱過(guò)程電機(jī)不是均質(zhì)物體，其發(fā)熱過(guò)程曲線與上述指數(shù)曲線之間在起始階段有一定差別，這是因?yàn)槠鹗紩r(shí)繞組熱量散發(fā)較難而使銅的溫升升高得比鐵快所致。雖然如此，忽略它們之間的差別為我們研究電

4、機(jī)的發(fā)熱過(guò)程提供了方便。電機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)在很大的范圍內(nèi)變動(dòng)，一般約為10-150min。1－指數(shù)曲線2－實(shí)際電機(jī)的發(fā)熱過(guò)程曲線(2)物體的冷卻過(guò)程當(dāng)均質(zhì)物體內(nèi)部停止產(chǎn)生熱量時(shí)，物體中儲(chǔ)存的熱量逐漸散發(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)的溫度相同為止。冷卻方程為T2－冷卻時(shí)間常數(shù)，約為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)的2～5倍。電機(jī)雖然不是一個(gè)均質(zhì)物體，但其冷卻過(guò)程的基本特征與均質(zhì)物體基本相同。圖8-3均質(zhì)物體的冷卻過(guò)程曲線1.2絕緣材料的絕緣等級(jí)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

5、個(gè)耐熱等級(jí)：A、E、B、F、H級(jí)，它們的允許工作溫度分別為105?C、120?C、130?C、155?C和180?C。絕緣材料在相應(yīng)的允許工作溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行，一般不會(huì)產(chǎn)生不該有的性能變化，通常有15～20年的使用壽命。當(dāng)絕緣材料工作溫度超過(guò)允許工作溫度時(shí)，使用壽命縮短，絕緣材料的使用壽命L可近似表示為A和B為常數(shù)，T為絕對(duì)溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作溫度每超過(guò)A級(jí)絕緣允許工作溫度8?C（B級(jí)絕緣10?C，F(xiàn)級(jí)絕緣12?C，H級(jí)絕緣14?C），絕緣材料的壽命縮短一半。1.3電機(jī)的溫升限度電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各部件溫升的允許極

6、限值稱為溫升限度。溫升限度基本上取決于絕緣材料的允許工作溫度和冷卻介質(zhì)的溫度，也與溫度的測(cè)量方法、傳熱和散熱條件、使用地點(diǎn)等有關(guān)。對(duì)于目前常用的冷卻系統(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(diǎn)的變化而變化。我國(guó)各地平均最高溫度不超過(guò)35?C，而最高溫度一般為35～40?C，少數(shù)地區(qū)為40～45?C。世界各國(guó)一般采用大多數(shù)地區(qū)的大氣最高溫度作為冷卻介質(zhì)的溫度，因此我國(guó)規(guī)定40?C為冷卻介質(zhì)的溫度。溫度測(cè)量方法的不同，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不同。在規(guī)定溫升限度的同時(shí)，還應(yīng)規(guī)定相應(yīng)的溫度測(cè)量方法

7、。溫度計(jì)法該方法直接測(cè)量溫度，非常簡(jiǎn)便，但只能測(cè)量電機(jī)各部分的表面溫度，無(wú)法得到內(nèi)部的最高溫度和平均溫度。電阻法繞組的電阻R隨溫度t的升高而增大，滿足以下規(guī)律利用該規(guī)律可以進(jìn)行繞組溫度的測(cè)量。首先測(cè)定室溫下的溫度和繞組電阻，然后使電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)溫升達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將電機(jī)停轉(zhuǎn)，迅速測(cè)量繞組電阻，根據(jù)上式可計(jì)算出繞組的溫度。該方法測(cè)定的是繞組的平均溫度。埋設(shè)溫度計(jì)法在進(jìn)行電機(jī)裝配時(shí)，可在預(yù)計(jì)工作溫度最高的地方埋設(shè)熱電偶或電阻溫度計(jì)。該方法可測(cè)得接近于電機(jī)內(nèi)部最熱點(diǎn)的溫度。2電機(jī)的散熱電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種損耗都要

8、轉(zhuǎn)換為熱量，熱量從發(fā)熱體傳到電機(jī)表面，再散發(fā)到周圍環(huán)境中。電機(jī)傳熱和散熱的方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種形式。2.1熱傳導(dǎo)熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，是固體中熱量傳遞的主要方式。熱傳導(dǎo)只發(fā)生在空間上溫度有差異的溫度場(chǎng)中，熱量總是由高溫向低溫方向傳導(dǎo)。在電機(jī)中，電機(jī)的底座和電機(jī)周圍的空氣通常都是不良導(dǎo)熱體，因此熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在電機(jī)內(nèi)部。電機(jī)內(nèi)的熱源主要是繞組損耗和鐵心損耗，繞組損耗所