电动机的发热与冷却

电动机的热源来自电机内部，即电流流过定子绕组时产生的铜损耗，在铁芯内当磁通变化时所产生的铁损耗，轴承摩擦所产生的机械损耗及附加损耗。电机产生的热量，首先借传导作用传送到电机的外表面，然后借辐射和对流作用将热量从电机外表面散发到周围冷却介质中去。

一、 在电机中热量的传导

各种损耗形成不同的热源，损耗转化为热量后，将流过不同的材料，由电机外表面散发至外面。对于定子绕组产生的热量，首先穿过绝缘层传至铁芯，再由铁芯传至机壳。如同电流在导体中流过要遇到阻力一样，热量在电机内部的传导过程中也要遇到阻力，称为热阻。如同电阻反比于导电系数一样，热阻则反比于导热系数。不同材料的导热系数相差很大，一般金属的导热系数很大，绝缘材料的导热系数较小，空气的导热系数最小。因此要改善电机内部的热传导过程、增大导热系数主要采取下面两个措施：

（1）采用耐压强度高、导热性能好的绝缘材料。在保证绝缘强度的情况下，尽量减薄绝缘层的厚度，以减少绝缘层的热阻。

（2）采用浸漆的方法来驱赶掉槽内的空气，即用漆来添满槽内的所有空隙。绕组浸漆不仅可以改善导热性能，同时也增强了绝缘性能。此外绕组浸漆以后成为一个牢固的整体， 机械性能也大为改善。

二、 电机的发热过程

电机中的各种损耗产生的热量，使电机的温度升高。电机温度升高以后，便借辐射和对流作用向周围空气散发热量。当所产生的热量与所散热的热量相等时，电机温度便不再上升而达到某一稳定数值。下面研究电机的温度升高随时间而变化的过程。电机中的温度升高过程是极为复杂的，在电机中有绕组、铁芯、轴承等好几个不同的热源，各热源之间一定存在有热交换，再加上每部分的散热条件又不相同，因此要精确计算电机中的温度分布情况是十分困难的。为了使问题简化，只讨论均质等温固体的发热过程。即认为物体表面各点的散热条件完全一样，体内各点的温度相同。

在发热过程中，物体所产生的热量可以分成两部分：其中一部分 储存在物体内部使物体温度升高 ，另一部分 则散发到周围空气中去。这样，物体的热平衡方程式为

(1)

在式中， 表示物体每秒所产生的热量， 便是在时间 内所产生的总热量。 表示散热系数，即物体单位面积上当温差为 时每秒钟所散出的热量； 表示散热面积； 表示温升； 表示比热，即单位质量的物体每升高 所需要的热量； 表示物体的质量。

假设在时 ，温度 ，根据这一初始条件，从式（1）可得到发热过程的最后表达式为

(2)

式中 ——是物体的最后温升。物体每秒钟产生的热量 越大，温升便越高。反之，物体的散热系数 及散热面积 越大，温升便越低。为了增大散热系数 ，一般电机中都装有风扇，以增强空气的对流作用。为增大散热面积 ，封闭式电机的外壳上都装有散热筋。

——是温度升高曲线的时间常数，理论上讲，只有当 时，才能达到稳定温升。但实际上 时， ，此时可以认为已达到热稳定状态。

式（2）所表示的发热过程曲线如图1所示。开始发热时，电机所产生的热量全部用于提高本身的温度，所以温度上升得很快。随着电机温度的升高，电机与周围介质之间的温差逐渐增大，电机向外散发的热量也逐渐增多，这样，温度的升高也就逐渐缓慢下来，形成图2所示的温升曲线。

图1均质等温体的发热曲线 图2均质等温体的冷却曲线

三、 电机的冷却过程

如果温升达到稳定值后，电机停止运行，电机内部便不在产生热量，于是 。此时，由于电机内部热量逐渐散发到周围空气中去，电机温度开始下降。在冷却过程中， ，把这一条件代入式（1）中，于是解得冷却过程的表示式为

（3）

冷却过程如图2所示，也是一条指数曲线。

四、 电机的通风冷却方式

电机的冷却情况决定了电机的温升，温升又直接影响电机的使用寿命和额定容量，由此可见，冷却问题对电机具有重要意义。

电机的冷却介质是指能够直接或间接地把电机热量带走的物质：如空气、氢气、水和油等。按冷却介质的不同，一般电机的冷却可分为两类：气体冷却和液体冷却。

中小型电机一般都利用空气来进行通风冷却。按其冷却方式可分为自然冷却、自通风冷却、强迫通风冷却以及管道通风冷却等数种方式。

（1）自然冷却 这种电机仅靠表面的辐射和空气自然流动获得冷却，不装任何专门的冷却装置，仅适用于几百瓦以下的小型电机。

（2）自通风冷却 这种电机由本身所驱动的风扇供给冷却空气，以冷却发热部件的表面和内部。

（3）强迫通风冷却 这种电机的冷却空气是独立驱动的风扇和鼓风机供给。其特点是可根据负载大小来调节风扇和鼓风机的转速，以控制供给电机的风量，从而减少低负载时的通风损耗。

（4）管道通风冷却 这种电机的冷却空气经过管道引入或排除。当室内空气混浊，有棉毛、尘埃及其他粉末时，采用管道通风比较有利，这样，可从室外吸取洁净空气来冷却电机。