小型電動(dòng)機(jī)溫升的研究

【摘 要】溫升是影響電動(dòng)機(jī)適用壽命的關(guān)鍵因素和衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，本文簡(jiǎn)述了電機(jī)溫升的產(chǎn)生的原因和原理以及溫升與絕緣等級(jí)的關(guān)系，分析了電機(jī)溫升函數(shù)和曲線，并簡(jiǎn)述了降低溫升的主要辦法和現(xiàn)存的部分經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】小型；電動(dòng)機(jī)；溫升

0 前言

溫升是衡量電動(dòng)機(jī)發(fā)熱程度的重要指標(biāo)，是影響電動(dòng)機(jī)使用壽命的關(guān)鍵因素。溫升指電機(jī)與環(huán)境的溫度差，是電機(jī)損耗和散熱情況的量度，已經(jīng)成為電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。電機(jī)主要的發(fā)熱源為來自電機(jī)的內(nèi)部電能損耗轉(zhuǎn)換成的熱能，即電流流過繞線時(shí)產(chǎn)生的銅損耗，鐵芯內(nèi)磁通變化時(shí)所產(chǎn)生的鐵損耗，以及其他損耗，這些都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。電機(jī)的散熱主要依靠對(duì)流作用和輻射作用，電機(jī)通過強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流、表面輻射等方式將熱量發(fā)散到外部環(huán)境。當(dāng)電機(jī)發(fā)熱于散熱相等時(shí)，電機(jī)的溫度將不在增加，達(dá)到平衡狀態(tài)[1，2]。

1 電機(jī)溫升函數(shù)

電機(jī)的熱平衡方程式為

Qdt=Aτdt+CdτJ（1）

式中：

Q——電機(jī)發(fā)熱量；

A——電機(jī)的散熱系數(shù)，即在電機(jī)溫度高于周圍截至溫度1 ℃度的溫差時(shí)，每秒鐘散發(fā)到周圍截至中的熱量（J/℃·s）；

C——熱容量，為電機(jī)溫度升高1 ℃度所需要的熱量（J/℃）；

τ——電機(jī)的溫升，在時(shí)間t時(shí)電機(jī)溫度高于周圍介質(zhì)溫度的度 數(shù)（℃）；

dτ——電機(jī)在dt時(shí)間內(nèi)的溫升（℃）。

將方程式（1）取積分并帶入積分常數(shù)，電機(jī)溫升τ=f（t）為：

τ=QA1-e-tCA+τ0e-tCA（2）

設(shè)T=CA， τy=QA， 帶入式并假設(shè)τ0=0得：

τ（t）=τy（1-e-tT）（3）

式（3）曲線，即溫升函數(shù)曲線如圖所示：

圖1 電機(jī)溫升曲線

從圖中可以看出，電機(jī)的溫升隨時(shí)間成指數(shù)函數(shù)，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)（>4T）時(shí)，電機(jī)的溫升趨向于一個(gè)穩(wěn)定值τy， T物理意義為加入電機(jī)熱量不散發(fā)周圍介質(zhì)中去，電機(jī)溫升達(dá)到τy所需要的時(shí)間。T是反映電機(jī)溫升增長(zhǎng)快慢程度的物理量，表征電機(jī)熱慣性大小。

由式（3）當(dāng)t=T時(shí)則：

τ=τy（1-e-1）=0.632τy（4）

在t=T時(shí)間內(nèi)電機(jī)溫升能夠達(dá)到0.632倍的穩(wěn)定溫升值τy。通過這一現(xiàn)象，如果通過試驗(yàn)而得到摸臺(tái)電機(jī)的發(fā)熱曲線，則可以只在曲線上0.632τ_y上做垂直于橫軸的垂線來確定時(shí)間常數(shù)T值。

2 電機(jī)溫升與絕緣等級(jí)的關(guān)系

溫升影響電機(jī)的壽命，主要表現(xiàn)為溫升影響電機(jī)的絕緣等級(jí)，即絕緣材料的耐熱等級(jí)，分為Y、A、E、B、F、H和C等七級(jí)。Y、A級(jí)絕緣采用經(jīng)過浸漬或使用時(shí)浸于油中的棉紗、絲和紙等有機(jī)纖維材料以及普通漆包線上的磁漆等，E級(jí)絕緣是聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，B、F、H、C級(jí)絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級(jí)絕緣的最高容許工作溫度[3，4]。

表1 各級(jí)絕緣的最高容許工作溫度

絕緣材料按等級(jí)在相應(yīng)的容許工作溫度下使用，如果超過最高容許工作溫度時(shí)，壽命將迅速縮短。以A級(jí)絕緣為例，實(shí)驗(yàn)表明，A級(jí)絕緣材料的壽命t（a）與使用溫度θ（℃）有如下關(guān)系：

ta=ce-a（5）

式中c和a為試驗(yàn)決定的常數(shù)。例如當(dāng)a≈0.088時(shí)， 若一直工作于處于90～95℃時(shí)，其使用壽命可達(dá)20年；當(dāng)工作溫度在95℃以上時(shí)，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（稱8℃定理）；若一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。

電機(jī)絕緣等級(jí)由所采用的主要絕緣材料中耐熱等級(jí)最低的材料決定。因此在特殊情況下，為了提高運(yùn)行的可靠性，絕緣材料應(yīng)降低絕緣等級(jí)使用。如果電機(jī)是屬于短期工作的，材料的容許最高工作溫度應(yīng)根據(jù)壽命縮短的情況相應(yīng)地提高。一般電動(dòng)機(jī)多用E級(jí)和B級(jí)絕緣。要求在高溫場(chǎng)合下使用的電動(dòng)機(jī)，如起重及冶金用電動(dòng)機(jī)，常采用F級(jí)和H級(jí)絕緣。

3 降低溫升的方法

降低電機(jī)溫升的方法有很多，主要分為兩個(gè)方面，一是，合理地減少損耗，降低發(fā)熱量；二是，改善冷卻條件，使熱能有效地散發(fā)出去。其中減少損耗包括減少定子線圈匝數(shù)，增長(zhǎng)鐵芯長(zhǎng)度，增加線徑，減少轉(zhuǎn)子線圈面積，改變轉(zhuǎn)子沖片槽形等；改善冷卻條件包括優(yōu)化風(fēng)路，增強(qiáng)風(fēng)扇鼓風(fēng)能力，增大介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)，降低環(huán)境溫度，改變電機(jī)斷續(xù)周期工作制等。對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)中小型電機(jī)，冷卻風(fēng)扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，利用空氣作為介質(zhì)將熱量傳出仍是電機(jī)散熱的主要方式。電機(jī)溫升與冷卻風(fēng)量產(chǎn)生的冷卻效果關(guān)系為：

中，W為冷卻風(fēng)量，它與電機(jī)轉(zhuǎn)速N 成正相關(guān)關(guān)系，因此如果電機(jī)損耗不變，溫升同轉(zhuǎn)速的0.4～0.5次方成反比，增加冷卻風(fēng)量是降低溫升的有效手段。增加冷卻風(fēng)量的主要途徑包括電機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)和風(fēng)路設(shè)計(jì)。普通中小型電機(jī)應(yīng)選用合適的風(fēng)扇，增大通風(fēng)量，減小風(fēng)阻，主要有離心風(fēng)扇和軸流式風(fēng)扇兩種。離心風(fēng)扇工藝簡(jiǎn)單，可正反轉(zhuǎn)，但效率較低，分為前傾式，徑向式和后傾式三種；軸流式風(fēng)扇具有較好的翼形，效率較高，工藝較復(fù)雜，主要的翼型有平凸翼，凹凸翼和弧板翼。對(duì)于風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有很多輔助軟件能夠完成，如CFD，ANSYS/FLOTRAN，F(xiàn)LUENT 等，主要是通過三維模擬仿真的方式得到電機(jī)內(nèi)部風(fēng)量分布、風(fēng)速值和壓差等參數(shù)，計(jì)算出的數(shù)值作為電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與修改的依據(jù)。

4 結(jié)語

溫升是影響電機(jī)壽命的關(guān)鍵因素，如何控制溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)。本文通過對(duì)溫升平衡方程式的推導(dǎo)，獲得了溫升函數(shù)與曲線，得出溫升的指數(shù)形式變化趨勢(shì)；電機(jī)溫升影響壽命主要表現(xiàn)在影響絕緣等級(jí)上，因此先用合適的絕緣材料時(shí)設(shè)計(jì)電機(jī)的關(guān)鍵；降低溫升的主要方法為減少消耗和改善冷卻條件，方法日益趨向高技術(shù)化。

【參考文獻(xiàn)】

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