第08章 电机的发热与冷却

的热量为 q 5.7 T 4 T04 10 8 W / m2
(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
q 1 2
热路的形式

q




1

e

t T1



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=(3~4)T1时温升就基本稳定了。
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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。
• 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。
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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。
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单位时间内通过单位等温面的热量称为热流密度q
qQ A
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上的温度空间变化率即温 度的梯度成正比
q
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 q d
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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
寿命L可近似表示为 L AeB / T
A和B为常数，T为绝对温度 根据经验，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。
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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
物体的温升，用表示，单位为开尔文（K）。
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温升随时间t的变化规律为：


0

0
1

e
t T1



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10～150分钟。
若初始温升为零，则均质物体的发热方程为
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35～40C， 少数地区为40～45C。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。
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• 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。
dx
热流量
Q A d
dx
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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

1
2

Q A
R
A
QR
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，热阻对应电路中的电阻，采用与
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。
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• 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。
图8-4 平面热传导
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8-5平面热传导热路图
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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
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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。


Q
A
QRa
图8-6 对流散热的热路图
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3 电机的工作制、定额与额定容量 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
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。
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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
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4.2内部冷却方式 大型同步发电机电压较高，绕组采用较厚的绝缘层，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。
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。
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(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
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温度测量方法的不同，会造成测量结果的不同。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
R

R0
T0 t T0 t0
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。
1－指数曲线 2－实际电机的发热过程曲线
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(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Leabharlann Baidu
t
0e T2
T2－冷却时间常数，约为发热时间 常数的2～5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。
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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。 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。
• 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。
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
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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
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• 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。
图8-3 均质物体的冷却过程曲线
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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15～20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
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
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。