电动机传热

电动机传热学摘要：电机通风散热计算是电机设计的主要内容之一。

电机温升直接影响绕组绝缘寿命，从而关系到电机的运行寿命和可靠性。

现代电机设计多采用较高的电磁负荷，导致电机运行时的温升明显增大，因此，电机热分析显得尤为重要。

关键词：电动机通风，散热方法，温度场，热源。

一、电动机热源分析电机的热源来源于它自身的损耗，包括铁芯损耗，绕组损耗，机械损耗。

铁芯损耗包括铁芯中主要磁场变化时产生的铁芯损耗，这种损耗一般称为基本损耗。

包括定转子开槽引起气隙磁导谐波磁场在对方铁芯中引起的损耗，以及电机带负载后，由于存在漏磁场和谐波磁场而产生的损耗。

前者称为空载附加损耗，后者称为负载附加损耗。

绕组损耗包括电流在绕组中产生的损耗，这种损耗为基本铜耗。

包括电刷与集电环或换向器接触而产生的损耗，以及工作电流产生的漏磁场和谐波磁场在绕组中产生的损耗，前者称为接触损耗，后者称为绕组附加铜耗。

机械损耗包括轴承波擦损耗，电刷摩擦损耗，转子旋转时引起转自表面与气体间的摩擦损耗以及电机同轴的风扇所需的功率。

电机本身是一个热源，其热量传递方式主要有热传导和对流换热，即导热和对流的综合过程。

由传热的基础知识可知，上述过程与介质的导热系数和表面传热系数直接有关。

由傅里叶定律，导热系数是当温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的导热量。

导热系数的大小与材料的性质有关，同一材料的导热系数随温度，压力，多孔性和均匀性等因素而变化。

通常温度是决定性因素。

对于绝大多数物质而言，当材料温度尚未达到融化或气化以前，导热系数可以近似地认为是线性规律变化，即：0(1)btλλ=+。

其中λ指温度为零时的导热系数b是由试验确定的常数。

气体固体液体的导热系数彼此相差悬殊。

一般情况下金属>液体>气体>绝缘材料。

二、电动机散热设计目前，主流的电机冷却方式种类较多，从总体结构上分，主要有水氢冷，全氢冷，双水内冷及全空冷。

从定子通风结构又分单风区，多风区，正向通风与逆向通风等不同结构。

而转子绕组内冷通风结构则有气隙取气斜流通风，附槽进风的轴径向混合通风，附槽进风的全径向通风等方式。

励磁绕组端部的冷却又分为轴向内冷，轴向+补风（所谓一路半通风），绕组间外冷（采用隔块形成风路）。

而最近，蒸发冷却系统成为了新兴的冷却方式之一，值得关注。

1.定子定子三风区通风结构通风原理简述定子铁心分为三个风区，其中二风区处于定子中段，为进风区，一三风区处于定子两端，为出风区。

电机内的冷却空气由安装在轴两端的轴流式风扇来驱动循环。

空气经过风扇加压后主要分为两路，一路经过气隙进入一三风区的定子铁芯风沟，冷却一三风区铁芯后通过机座进入冷却器。

另一路气体吹拂定子端部线圈后通过引风筒进入二风区铁芯风沟，冷却二分区铁芯后进入气隙，经气隙进入一三风区定子铁心风沟，与从两端气隙进入的空气一道冷却一三风区铁芯后通过机座进入冷却器。

定子蒸发冷却系统蒸发冷却电机是基于沸腾换热机理，绝缘冷却介质依赖特定的冷却循环回路对电机发热体实现冷却的。

一般电机结构为定子铁心采用全浸式，绕组表面冷却加内冷蒸发冷却。

全浸式冷却自循环原理如图所示。

全浸式冷却是将整个定子完全封闭在机壳内腔体内，腔内的绕组，铁芯和所有发热部件被液态蒸发冷却介质充分全浸。

根据沸腾换热机理，定子腔内的冷却介质受热气化后，其密度小于纯液态介质，由于密度差在重力加速度作用下，生成流动压头，含热两相介质克服定子腔中的阻力压降，上升到系统中压力较低的机座顶部冷凝器，与冷凝器中二次冷却水进行热交换后以液滴的形势下落，重返钉子内，如此形成一个周而复始的蒸发冷却自循环过程。

在定子绕组及铁心全浸式结构基础上增加定子绕组内冷，是因为内冷是目前大容量机组普遍采用的一种更高效的冷却方式，它比全浸式冷却效果更上一个台阶，但结构要比全浸式的结构复杂些。

内冷式强迫循环原理如图所示。

线棒为空实心股线组织而成，冷却介质依靠泵的动力在空心股线内强迫循环。

当发电机运行时，因铜损耗引起绕组发热，空心股线中冷却介质在管内不断吸热，所有空心股线内冷通道出液口与压力均衡相连，使所有冷却通道出液口的压力差被压力均衡器吸收，从而使内冷通道的介质流量和压力基本均衡。

在泵的驱使动力下，克服回路中的阻力压降（单向流动阻力，两相流动阻力和局部阻力）维持一定流量的循环。

如此往复把热量传到外部。

2.转子转子轴向-径向通风轴向-径向通风是一种主要依靠外加高压风扇来维持气体在导体内流动的通风方式。

冷却气体（如氢气）由转子两端护环下进风孔进入导体轴向风道，经转子中部径向风道由槽楔上的出风孔排至气隙。

系统如图。

但这种方法冷却气体对转子绕组的冷却不均匀。

槽底副槽通风这是一种自通风方式。

冷却气体由转子本体两端的风扇送入转子槽底副槽中，经过转子绕组上的一系列径向直风道，从转子表面上的槽楔出风孔进入气隙。

优点：槽楔加工，绕组冲制和定位均较简单；转子表面风磨损耗小，不需高压风扇；转子冷却气体直接来自风扇，未经定子加热，其温度低于气隙中冷却气体的温度，冷却效果好；绕组温度不均匀度较低。

但是，这种方法转子本体需增加副槽，转子利用率低，励磁损耗大；进风面积有限，冷却气体流量不易分配均匀；副槽的存在削弱了齿根强度。

系统如图所示。

气隙取气斜流通风这种方法也是一种自通风方式。

冷却气体（氢气）经转子表面的取风斗进入绕组一侧通风沟，最后经转子表面的出风孔排至气隙。

此方法通风路径短，转子中气体流量约合转子本体的长度成正比，可提供尽量高的气体流量，散热效果好，绕组温升分布较均匀；转子槽满率高，风扇结构简单，加工方便运行可靠。

但表面和槽楔较复杂，金属加工量大；线圈加工复杂；转子表面风磨损耗大；进入转子的冷却气体已被部分定子损耗所预热，降低了转子的冷却效果。

系统如图。

三、电机温度分析计算电机内温度的计算有两个主要方法，等效热路法和温度场法，而温度场法又分为等效热网络法和数值计算法，数值计算法包括有限差分法和有限元法。

等效热路法是利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有集中参数的热路来进行计算，把分布的真实热源和热阻用集中的热源和热阻代替，形成等效热路。

该方法能够准确描述电机的实际模型，物理意义明确，计算量相对较小，曾经得到广泛应用，但该方法不能很好的确定电机各部件温度的实际分布情况，只能近似估算绕组的平均温升，无法得出某一点的具体温升。

等效热网络法是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行热分析的一种方法。

它实质是把热路法的参数和热源进行局部分布参数化。

数值计算方法是求解温度场的常用方法，主要包括有限差分法和有限元法等。

有限差分法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此对于边界形状复杂的区域和第二类边界条件及内部介质界面的处理比较困难。

有限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。

下面以二维温度场的数值计算为例简述计算过程。

1. 求解域模型的建立普通中小型笼型感应电机普遍采用全封闭外置风扇冷却结构，内部无通风系统。

一般情况下，可以将三维温度场问题转化为二维温度场问题求解分析，从而简化计算难度和节省计算时间，并且能够满足工程需要。

为建立该电机二维温度场模型，做以下假设和等效：（1）电机沿轴向的热流密度为零（2）机座的散热效果近似用等效散热翅体现（3）转子铁心和转轴之间没有热传导。

考虑到定子铁心外表面和机壳内表面实际加工安装尺寸，定子铁心和机壳间产生很小的装配间隙。

由于空气的导热系数很小，因此间隙温度降不可忽略。

对于各向同性媒质，导热系数为常数，在直角坐标系下的二维稳态热传导方程为2222T T qv yλλχ∂∂+=-∂∂，式中T 为温度λ为导热系数qv 为热源密度。

机壳表面通过对流散热，给出第三类边界条件()0f T n T T λα∇⋅+-=，式中n 为机壳表面单位法向矢量，α为散热系，f T 为环境温度数。

根据假设条件（3），对转子铁心内表面给出第二类边界条件0T e λ∇⋅=式中e 为单位法向矢量。

求解域内二维温度场边值问题为1232222,0|()V l l l f T T q x y T nT T T n λλλλα⎧∂∂+=-⎪∂∂⎪⎪∂|=⎨∂⎪∂⎪=--⎪∂⎩推到化间得 2322,11()[()()](2)min 22V f D D l l T T J T dS Tq dS T T TdL x yλλα∂∂=+-+-=∂∂⎰⎰⎰式中D 为求解域。

当取极值时，即0J T ∂=∂时，可知KT=F ，式中，T 为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵；K 和F 分别为总体系数矩阵和总体右端列矢量。

再将边界条件代入上式修改，最终获得一个线性方程租，解此方程组即可得到各个节点的温度值。

2. 定子绕组等效温度模型的建立对散下线的定子绕组，导线在槽内的排列极不规则为简化分析，对钉子操作如下假设：1.槽内各个导线均匀排列，温差忽略不计。

2.铜线的绝缘漆分布均匀。

3.绕组绝缘漆完全填充。

在上述假设条件下，可将槽内的全部铜线等效的看做一个导热体，槽内所有绝缘材料等效为另一个导热体。

铜棒位于槽的中心，周围与槽壁平行，等效后的绝缘均匀的分布在铜棒周围。

槽内绝缘材料的等效热导系数计算如下11/(/)n neq i i i i i λδδλ===∑∑，eq λ为槽内绝缘材料的等效热导系数，i δ为各种绝缘材料的等效厚度，i λ为各种绝缘材料的平均导热系数。

3. 气隙的处理计算定转子全域温度场时，需要对气隙进行特殊处理。

转自的旋转带动气隙中空气的流动，使得定子与气隙间以及转子与气隙之间主要以对流方式换热，导致了温度场与流体场耦合在一起，增加了求解电机温度场的难度。

为简化计算分析，引入有效导热系数，它使用静止流体的导热系数来描述气隙中流动空气的热交换能力，即单位时间内静止流体在定转子之间所传递的热量和流动空气所传递的热量相等，这样可把旋转的转子视为静止不动处理。

这样，可以用到热方式换热的效果等价气隙中对流方式换热的效果。

有效导热系数可按下述方法求取。

假设定子内表面和转子外表面为光滑圆柱面，则气隙中的雷诺数可表示为1Re v ϕωδ=,式中1ϕω为转子的圆周速度，n 为转子转速，0r 为转子外径，i R 为转子内经，ν为空气的运动粘度。

临近雷诺数Re cr 的表达式为Re cr =当Re Re cr <，气隙中的空气流动为层流，有效导热系数eff λ等于空气导热系数。

当Re Re cr >气息中的空气流动为紊流，这种状态下，气隙的有效热导系数可用下式计算-2.90840.4614ln(3.3361)0.0019Re eff ηλη⨯=⨯⨯其中0/i r R η=。