电机设计--电机稳定温升的计算.docx
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§7-3 电机稳定温升的计算
一、电机中的温度分布
在电机的温升计算中,主要是计算绕组和铁心的温升。
这些部件既是导热介质,其中又有分布热源,它们的温度一般来在空间上总是按一定规律呈曲线分布,出现了最高温升和平均温升之分。
平均温升与最高温升之间是有一定的规律性联系的,因而也可用平均温升来衡量电机的发热情况。
(一)采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向的温度分布
ì铁心和径向通风沟Þ空气
定子绕组中部ÞpCuÞ热量í
î沿绕组传导端部Þ空气
由于两端散热对绕组的冷却显著,温度低;中间部分冷却差,温度高
î
ì定子铁心中部Þ温度高温度发布í两端Þ温度低
(二)采用轴向通风系统或混合式通风系统电机中定子绕组沿轴向的温度分布铁心→径向通风沟→空气
绕组热量→ 端部→空气
绕组铁心表面→轴向通风道→空气
ì
温度发布í
靠近电机热风口处Þ温度最高
î靠近电机冷风入口处Þ温度最低
(三)表面冷却的封闭式(交流)电机中定子绕组温度沿轴向的分布绕组热量→铁心→机座→空气 端部散热能力差
ì两端温度最高
温度发布í
î
中部温度低
(四)励磁绕组中的温度分布
励磁绕组→铜损耗→热量→沿着厚度方向传导表面→散热→空气
ì靠近磁极铁心部分Þ温度高
温度发布í
î
靠近绕组外面Þ温度低
(五)铁心叠片组中的温度分布
ì ì靠近通风沟Þ温度低
铁心叠片Þp
Þ热量ï轴向导热Þ表面Þ散热Þ空气í
Fe í
î 中部Þ温度高
ïî径向导热Þ表面Þ散热Þ空气Þ近似认为温度沿径向分布不均匀
二、用热路法计算电机的平均温升
1、假设:
绕组铜和铁的热导率为无穷大,即铜和铁是等温体,且它们的的等于平均温度。
2、绕组和铁心平均温升的计算
①采用热路法计算
在上面假设的前提下,外冷式电机中的温度降将集中在绕组绝缘和有关散热表面处作为冷却介质的流体层中。
因为绝缘和冷却介质本身都没有热源,因此可以用热路法进行计算。
② 目的:
计算绝缘内温度降、计算散热表面处冷却介质温度降,以计算绕组和铁心的平均温升。
③二源热路法:
定转子积各自组成独立的二个热源热路
以采用空气冷却径向通风系统的交流电机定子为例来说明。
1)热路:
热阻:
ì从绕组端部表面Þ冷却介质Þ热阻RC1
定子绕组散热途径Þp Þ热量Þï从通风道中的绕组表面Þ空气Þ热阻R
Cu í
ï传导铁心Þ空气ÞR
C2
(绕组与铁心之间热阻)
î CF
ì
ï从通风道表面Þ空气ÞR
ï F1
定子铁心散热途径ÞpFeÞ热量Þí从铁心内圆表面Þ空气ÞRF2
ï从铁心外圆表面Þ空气ÞRF3
î CF
ï先传递绕组Þ空气Þ铁心和绕组之间R
热源:
定子绕组中铜耗产生的热量;
铁心损耗所产生的热量。
2)热路图
3)列方程→铜的温升、铁的温升
节点a:
流进节点热量=流出节点的热量
流入节点的热量=
pCu
流出节点热量:
FCu
F
=DtCu
RCu
R
=DtCu-DtFe
(DtCu
=FCu
RCu
热传导定律)
CF
CF
节点b:
流入节点的热量=
pFe
F
=DtCu-DtFe
CF
CF
流出节点的热量:
F
ìDtCu+DtCu-DtFe
DtFe
R
R
=
Fe
Fe
=p
R =RC1+RC2
ïR R Cu
Cu RR
ï Cu CF
C1C2
列方程:
íDtCu-DtFe+p =DtFe
1= 1
ï R Fe R
R 1+1+1
ï CF
Fe Fe
î
解方程:
RF1 RF2 RF3
pCu
+pFe(R
RFe )
+R p
pFe(R
RFe )
+R ¢ ²
DtCu= Fe CF= Cu + Fe CF =DtCu
+DtCu
1
RCu
+ 1
RFe+RCF
1
RCu
+ 1
RFe+RCF
1
RCu
+ 1
RFe+RCF
pFe
+pCu(R
RCu )
+R
DtFe= Cu CF
1
RFe
+ 1
RCu+RCF
DtCu
=DtCu
¢+Dt
² ìï短路试验p
Þ
í Fe
»0Þ测得DtCu
Cu
¢
ï空载试验p »0Þ测得Dt²
4)热阻的计算
î Cu Cu
a、定子绕组铜和铁心之间的绝缘热阻RCF
R = dCF
d--铜铁之间绝缘(包括气隙层)总厚度
l
A
CF
CFCF
CF
lCF--铜铁所用绝缘合成导热率
ACF--绝缘和铁心接触总面积
b、绕组端部铜和空气之间热阻RC1
绕组Þp Þ端部绝缘R¢Þ端部表面散热空气散热热阻R
Cu C1 C1
R =R
¢+R²
d--绕组端部绝缘厚度
C1 C1 C1 C1
R¢=
dC1
l--端部绝缘热导率
C1 lA C1
C1C1
R²= 1
a--端部表面散热系数
a
A
C1
C1C1
C1
AC1--散热面积
绕组端部的散热面积或导热面积不易确切计算,一般认为端部绝缘的导热面积和端部的表面散热面积相同,因此上二式中面积都用AC1计算。
在通风情况良好时,可取
AC1=lEuZ
lE--端部长
u--导体边同绝缘的表面周长Z--槽数
c、径向通风道中绕组部分和空气之间的热阻的计算RC2
ì传导热阻
R¢=
dC2
R =R
²
¢
C2 C2
+RC2
ï
í
ï表面散热热阻
ï
C2
RC2
lC2
²=
a
AC2
1
A
î C2C2
1
1
d、铁心径向通风道内外圆表面对空气的表面散热热阻计算
1
RF1=aA
RF2=aA
RF3=aA
F1F1
F2F2
F3F3
aF,AF分别为相应部分的表面散热系数,散热面积.
④三源热路法
在表面冷却的封闭式感应电机中,定子铁心、定子绕组铜和转子构成了有三个热源的热路。
三、用简化法计算电机的平均温升
用热路法计算温升→热阻→散热系数a→
a=a0(1+k0v)与v有关→通风计算
但风量分布与散热系数都不易精确计算→简化法
1、假设:
①全部铁心损耗pFe及有效部分铜耗pCut只通过定子(或转子)圆柱形冷却表面散热;
②电枢绕组铜的有效部分和端接部分之间无热的交换。
2、简化热路图:
=
1
R aA
定子圆柱形表面散热面积A定子圆柱形表面散热系数a
3、计算温升节点b:
pFe
+pCut
=DtFe
R
铁的温升:
DtFe
=(pFe
+pCut
)R=
pFe+pCut
aA
铜铁之间温度差:
DtCF
=pCutRCF
铜的温升:
绕组端部的温升:
DtCut=DtFe+DtCF
DtCuE=pCuERE
pCuE--端部铜耗,假定全部从端部散出
1
RE--端部散热热阻,RE=aA
整个铜的平均温升:
Dt=DtCutlt+DtCuElE
lt+lE
AC1--端部散热面积
EC1
lt、lE分别为电机的有效部分,端部的长度。
温升决定于哪些因素:
电枢表面单位表面的铜耗q=rAJ
tµpCuµAJ
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