电机通风散热计算简介

电机通风散热计算简介

一、电机通风散热计算目的和意义

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。

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。一般小型电机损耗所占比重：定子铜耗>转子铜耗>铁耗>机械损耗。

电机本身是一个热源的传导体，其热量传递过程主要是热传导和对流换热过程，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。导热系数适当温度梯度为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)

bt

λλ

=+。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。

由上述内容可知大型电机本身是一个由多种材料组合而成的组合体，它的发热过程较复杂，因而它的温升过程也较复杂，但在一定的容量下，各部分的温升是一定的，温度分布也是一定的。对电机的稳态温度场计算的目的就是核算电机中各发热部件在稳定运行时的温升情况；对电机的瞬态温度场计算的目的是为了核算电机的瞬态最高温度是否超过材料所允许的限度。由于局部部件发热，电机中常用的铜、铝、合金铝、银铜和钎焊材料等金属材料的强度和硬度会逐步下降，从而引起结构部件严重变形，导致机组振动危及电机运行安全。正确研究和计算电机各部件温升情况，不仅可以优化电机设计，还为今后电机高效、安全运行奠定了坚实的基础。

二、行业内通风散热设计与计算发展现状

通风散热设计现状

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）。具体设计时需根据产品容量，电压等级，转速，绝缘等级及用户特殊要求等因素综合考虑其冷却方式的选择。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