谈电机的热交换和热稳定原理
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温升是电机的重要性能指标，电机运行时本身是一个发热体，那电机是通过什么方式散热而达到最终的平衡呢?一般情况下，热量从发热体表面散发到周围介质中去主要通过两个方式；一种是辐射；另一种是借助于空气或其他冷却介质的对流。在电机中，通常后者占主要地位。 辐射散热 按辐射定律，每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热量见式(1)： q=5.7×10-8v(T4-T04)(瓦/米2)………………(1) 式(1)中： T——发热体表面的温度(K)； T0——为周围介质的温度(K)； 5.7×10-8——从实验得出的纯黑物体的辐射常数； V——因数，其值随发热体表面情况的不同而异，纯黑物体为1，粗铸铁为0.97，毛面锻铁为0.95，磨光锻铁为0.29，毛面黄铜为0.2，磨光紫铜为0.17。 根据式(1)可以看出，由辐射散走的热量，一方面决定于发热体表面的特性，表面晦暗的物体的辐射能力大于表面有光泽的物体，另一方面决定于发热体表面与其周围介质的温度。 一般，在平静的大气中，由辐射散发的热量约占总散热量的40%。当采用强制对流来冷却电机时，由强制对流散走的热量要比由辐射带走的大得多，故辐射散热常被略去不计。 对流散热 从固体表面和流体直接接触时的散热情况可以发现。当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产生热交换，热量将由高温物体传向低温物体。这种交换热实际上是传导和对流两种作用，但总称为对流换热。在电机中，铁心、绕组或其他发热部件中产生的热量便是由流过这些部件的某一或某些表面的冷却流体(空气、氢气、水、油等)所带走，：因此对流散热形式在电机冷却系统中广泛存在。这种散热形式的散热能力，主要取决于流体在固体表面上的运动状态。 当流体作层流运动时，流体仅有平行于固体表面的流动。若将流体分成许多平行于固体表面的流动层，各层之间没有流体的交换，这时在与固体表面垂直的方向，热量的传递主要依靠传导作用。 由于流体的导热系数较小，所以层流时的固体表面的散热情况很差。当流体作紊流运动时，流体各部分不再保持平行于固体表面的运动，而以平均流速向各方向作无规则的旋涡，这时热量的传递主要依靠对流作用。 由于对流传热时的热阻比较小，因此流体作紊流运动时的固体表面的散热能力显著提高。在紊流情况下，靠近固体表面仍旧存在着一个层流薄层，但如流体的流速越大，则这个层流层就越薄，表面散热能力就越高。对流散热时，表面散热能力还与冷却介质的物理性能(如导热系数，比热、重度等)以及固体表面的几何形状、尺寸以及它处在流体中的位置等因素有关。 关于电机温升 温升是电机发热部位与周围环境温度的差值，通常指定子铁芯和绕组温升。电机运行时，铁芯处在交变磁场中会产生磁滞和涡流损耗，电流流过绕组产生铜损耗，还有风摩耗、机械耗，以及定转子开槽产生的气磁场隙磁场脉振波和绕组固有的非工作谐波等引起的杂散损耗等，最终都会以发热的形式体现，从而使电机温度升高。 另，与发热因素相对应的，存在以下散热因素： ● 电机表面与周围环境有温差，存在热传递和热辐射。 ● 电机内部发热元件与内部空气间、电机内部空气与电机壳体间、电机壳体与吹过电机表面的风之间均存在热交换。 当两方面的因素，即发热因素与散热因素达到平衡状态时，温度不再上升而稳定在一个水平上。若有外界因素扰动，如负载增大或突然短路等故障情况发生，平衡状态将被破坏，电机温度继续上升，温差也持续扩大，直到新增散热量与新增发热量相等，在另一个较高的温度下达到新的平衡，但这时的温差即温升已比以前增大了。 电机设计最重要的任务之一就是研究把握这种通风散热条件或因素与发热量之间的定性或定量关系，确保电机实际温升值在合理范围内波动。实际运行中，如电机温升突然增大，表征电机存在匝间短路等电气故障或风道阻塞、负荷突增等异常情况。 影响温升变化的因素 对于正常运行的电机，理论上在额定负荷下其温升应与环境温度的高低无关，但实际上还是受环境温度等因素影响的。 ● 当气温下降时，正常电机的温升略降。(铜的阻值与温度的关联关系) ● 对自冷却电机，环境温度升高时，则温升增加。 ● 空气湿度增加时导热效果改善，温升可略降。 ● 海拔以1000m为标准，高海拔时因散热效果相对较差温升也会略有增加。 型式试验时电机温升合格不一定能保证电机运行的安全性。温升是温度的差值，与电机的实际运行环境温度直接相关，当环境温度较高时，电机运行时的实际温度也会随之升高，这就涉及耐热等级与实际工作温度的匹配关系。 同时与相关零部件的最高耐热温度也直接相关，如轴承的工作温度控制要求。如滚动轴承温度应不超过95℃，滑动轴承的温度应不超过80℃。因温度太高会使油质发生变化和破坏油膜，该问题的直接后果是因轴承失效导致电机轴承系统发热，加剧电机绕组温度急速上升的同时，出现电机停滞抱轴，瞬时导致电机烧毁。 一家电机生产企业生产螺杆空压机电机，型式试验时电机温升在70K左右，但电机配套空压机投放市场后，绕组过热烧毁、轴承散架等毁灭性电机故障不定期批量发生。统计数据显示，这类故障电机的终端客户都在高温季节时的南方。 预期与实际总归有偏差，诸多似乎不应该有的电机故障其实也是件好事。第一，给电机设计者提供了绝佳的参照物，产品改进有了较强的针对性。第二，警示电机生产企业特别是北方企业，厂内试验验证合格并不代表产品开发成功，必须充分论证电机试验温升与实际运行工况之间的匹配关系。第三，试验值与设计值吻合仅仅是必要条件，适用可靠和客户的良好口碑才是最好的试金石。 |
