電動機的熱源來自電機內部,即電流流過定子繞組時產(chǎn)生的銅損耗,在鐵芯內當磁通變化時所產(chǎn)生的鐵損耗,軸承摩擦所產(chǎn)生的機械損耗及附加損耗。電機產(chǎn)生的熱量,首先借傳導作用傳送到電機的外表面,然后借輻射和對流作用將熱量從電機外表面散發(fā)到周圍冷卻介質中去。
一、 在電機中熱量的傳導
各種損耗形成不同的熱源,損耗轉化為熱量后,將流過不同的材料,由電機外表面散發(fā)至外面。對于定子繞組產(chǎn)生的熱量,首先穿過絕緣層傳至鐵芯,再由鐵芯傳至機殼。如同電流在導體中流過要遇到阻力一樣,熱量在電機內部的傳導過程中也要遇到阻力,稱為熱阻。如同電阻反比于導電系數(shù)一樣,熱阻則反比于導熱系數(shù)。不同材料的導熱系數(shù)相差很大,一般金屬的導熱系數(shù)很大,絕緣材料的導熱系數(shù)較小,空氣的導熱系數(shù)最小。因此要改善電機內部的熱傳導過程、增大導熱系數(shù)主要采取下面兩個措施:
(1)采用耐壓強度高、導熱性能好的絕緣材料。在保證絕緣強度的情況下,盡量減薄絕緣層的厚度,以減少絕緣層的熱阻。
(2)采用浸漆的方法來驅趕掉槽內的空氣,即用漆來添滿槽內的所有空隙。繞組浸漆不僅可以改善導熱性能,同時也增強了絕緣性能。此外繞組浸漆以后成為一個牢固的整體, 機械性能也大為改善。
二、 電機的發(fā)熱過程
電機中的各種損耗產(chǎn)生的熱量,使電機的溫度升高。電機溫度升高以后,便借輻射和對流作用向周圍空氣散發(fā)熱量。當所產(chǎn)生的熱量與所散熱的熱量相等時,電機溫度便不再上升而達到某一穩(wěn)定數(shù)值。下面研究電機的溫度升高隨時間而變化的過程。電機中的溫度升高過程是極為復雜的,在電機中有繞組、鐵芯、軸承等好幾個不同的熱源,各熱源之間一定存在有熱交換,再加上每部分的散熱條件又不相同,因此要精確計算電機中的溫度分布情況是十分困難的。為了使問題簡化,只討論均質等溫固體的發(fā)熱過程。即認為物體表面各點的散熱條件完全一樣,體內各點的溫度相同。
在發(fā)熱過程中,物體所產(chǎn)生的熱量可以分成兩部分:其中一部分 儲存在物體內部使物體溫度升高 ,另一部分 則散發(fā)到周圍空氣中去。這樣,物體的熱平衡方程式為
(1)
在式中, 表示物體每秒所產(chǎn)生的熱量, 便是在時間 內所產(chǎn)生的總熱量。 表示散熱系數(shù),即物體單位面積上當溫差為 時每秒鐘所散出的熱量; 表示散熱面積; 表示溫升; 表示比熱,即單位質量的物體每升高 所需要的熱量; 表示物體的質量。
假設在時 ,溫度 ,根據(jù)這一初始條件,從式(1)可得到發(fā)熱過程的最后表達式為
(2)
式中 ——是物體的最后溫升。物體每秒鐘產(chǎn)生的熱量 越大,溫升便越高。反之,物體的散熱系數(shù) 及散熱面積 越大,溫升便越低。為了增大散熱系數(shù) ,一般電機中都裝有風扇,以增強空氣的對流作用。為增大散熱面積 ,封閉式電機的外殼上都裝有散熱筋。
——是溫度升高曲線的時間常數(shù),理論上講,只有當 時,才能達到穩(wěn)定溫升。但實際上 時, ,此時可以認為已達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。
式(2)所表示的發(fā)熱過程曲線如圖1所示。開始發(fā)熱時,電機所產(chǎn)生的熱量全部用于提高本身的溫度,所以溫度上升得很快。隨著電機溫度的升高,電機與周圍介質之間的溫差逐漸增大,電機向外散發(fā)的熱量也逐漸增多,這樣,溫度的升高也就逐漸緩慢下來,形成圖2所示的溫升曲線。
圖1均質等溫體的發(fā)熱曲線 圖2均質等溫體的冷卻曲線
三、 電機的冷卻過程
如果溫升達到穩(wěn)定值后,電機停止運行,電機內部便不在產(chǎn)生熱量,于是 。此時,由于電機內部熱量逐漸散發(fā)到周圍空氣中去,電機溫度開始下降。在冷卻過程中, ,把這一條件代入式(1)中,于是解得冷卻過程的表示式為
(3)
冷卻過程如圖2所示,也是一條指數(shù)曲線。
四、 電機的通風冷卻方式
電機的冷卻情況決定了電機的溫升,溫升又直接影響電機的使用壽命和額定容量,由此可見,冷卻問題對電機具有重要意義。
電機的冷卻介質是指能夠直接或間接地把電機熱量帶走的物質:如空氣、氫氣、水和油等。按冷卻介質的不同,一般電機的冷卻可分為兩類:氣體冷卻和液體冷卻。
中小型電機一般都利用空氣來進行通風冷卻。按其冷卻方式可分為自然冷卻、自通風冷卻、強迫通風冷卻以及管道通風冷卻等數(shù)種方式。
(1)自然冷卻 這種電機僅靠表面的輻射和空氣自然流動獲得冷卻,不裝任何專門的冷卻裝置,僅適用于幾百瓦以下的小型電機。
(2)自通風冷卻 這種電機由本身所驅動的風扇供給冷卻空氣,以冷卻發(fā)熱部件的表面和內部。
(3)強迫通風冷卻 這種電機的冷卻空氣是獨立驅動的風扇和鼓風機供給。其特點是可根據(jù)負載大小來調節(jié)風扇和鼓風機的轉速,以控制供給電機的風量,從而減少低負載時的通風損耗。
(4)管道通風冷卻 這種電機的冷卻空氣經(jīng)過管道引入或排除。當室內空氣混濁,有棉毛、塵埃及其他粉末時,采用管道通風比較有利,這樣,可從室外吸取潔凈空氣來冷卻電機。