大型电机的损耗、发热和冷却

大型电机的损耗、发热和冷却
摘要大型发电机是电网的主要设备之一，是电能的直接生产者。

大型电机的发展在整个国民经济的发展中占有重要地位。

从电力生产，电网运行、管理的经济性和供电质量来看，电网中主力机组的单机容量应与电网总容量维持一定的比例，例如6～8%。

单机容量越大，则单位容量成本下降，材料消耗降低，其经济性能就越好。

但增加容量势必要增加电机的损耗，同时电机的发热和温升也会上升，如何降低损耗、加强冷却系统，也就成为如何提高出力时必须解决的问题，本文着重在这几个方面做一些分析和探讨。

关键词电机损耗；大型电机温升；大型电机冷却方式
一、引言
电机容量的提高主要通过增大电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现。

然而增大线性尺寸同时会增大损耗(因为电机的损耗是与线性尺寸的三次方成正比)，造成电机效率下降。

而增加磁负荷，由于受到磁路饱和的限制也很难实现。

所以提高单机容量的主要措施就在于增加线负荷了。

但增加线负荷就同时会增加线棒铜损，线圈的温度将增加，可能达到无法容许的程度。

这时就必须采用强化冷却技术，以提高散热强度，从而将电机各部分的温升控制在允许范围内，才能保证电机安全可靠地运行。

所以冷却技术的进步是电机向大容量发展的保证。

电机的冷却方式分为气冷和液冷两大类。

气冷的冷却介质包括空气和氢气。

液冷的介质有水、油及蒸发冷却所使用的氟里昂类介质及新型无污染化合物类氟碳介质。

汽轮发电机所采用的冷却方式较为丰富，包括空冷、氢冷、水冷、油冷及蒸发冷，以下将从损耗、温升和冷却方式两个方面来作展开。

二、电机的损耗
2.1 关于电机的损耗
异步电机中的损耗主要由下列五部份组成：
1.定子绕组中电流通过所产生的铜耗（PCu1）；
2.转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗（PCu2）；
3.铁心中磁场所产生的涡流和磁滞损耗（PFe）；
4.由于风扇和轴承转动所引起的通风和摩擦损耗（Pfw）；
5.由气隙磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗（Ps）。

2.2 降低损耗提高效率的途径
由于电机的损耗分布随功率大小和极数不同而变化，因此为降低损耗，应着重对不同功率和极数时的主要损耗分量采取措施：
1.降低定子绕组中电流通过所产生的铜耗（PCu1）:在电机绕组匝数不变的情况下,可加大导线线径而减小线阻降低铜耗（PCu1）。

2.降低转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗（PCu2）:通过控制转子铸造时的压力，温度以及气体排放路径等措施，减少转子导条中的气体，从而提高导电率,降低转子损耗。

如以铸铜转子取代铸铝转子，转子损耗可下降38 %。

铜的导电率比铝的导电率要高,,用铸铜转子比用铸铝转子所产生的损耗（PCu2）要小。

3.增加有效材料，降低绕组损耗和铁耗（PFe）
根据电机相似原理可知，当电磁负荷不变，并且不考虑机械损耗时，电机的损耗约与电机线性尺寸的3次方成比例，而电机的输入功率约与线性尺寸的4次方成比例，由此可近似得出效率与有效材料用量的关系，如下式所示:η=1-1/α(1-η0)
式中a———电机的尺寸比例系数
η0———原始电机的效率
从该式可见，损耗与有效材料尺寸的线性增长成反比。

在效率较低时，如在小功率电机中，增加材料，效率提高较大，而在效率已较高的大功率电机中，效
率提高较小。

为了使在一定的安装尺寸条件下，获得较大的空间，以使能置放较多的有效材料以提高电机效率，定子冲片外径尺寸的确定就成为一个重要因素。

为有利于散热，降低温升，采用较大的定子冲片外径。

由于渐近线的特点，当效率η→100 %时，a→∞，因此当效率达到较高数值，再单纯通过材料的增加来提高效率，并不一定经济合理，应通过技术经济指标的综合评价来确定。

4.采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗（PFe）
铁心材料的磁性能（导磁率和单位铁损）对电机的效率和其他性能影响较大，同时铁心材料费用又是构成电机成本的主要部份，因此选用合适的磁性材料是设计和制造高效率电机的关键。

在小功率电机中采用较高导磁率的电工钢片将可使定子铜耗显著下降，但在较大功率电机中由于空载电流所占比例已较小，材料导磁率提高的效果将不明显。

在较大功率电机中，铁耗在总损耗中已占到相当大的比重，因此降低铁心材料的单位损耗值将有助于电机铁耗的下降。

由于电机设计和制造的原因，电机铁耗大大超过按钢厂提供的单位铁损值所计算的数值，所以一般在设计时将单位铁损值增加1．5～2倍来考虑铁耗的增加。

铁耗增加的原因主要是由于钢厂的单位铁损值是按Ep－stein方圈法对条料试品进行测试，但在材料经过冲剪叠压后，受到很大的应力使损耗增加，此外由于齿槽的存在引起气隙齿谐波磁场在铁心表面引起空载高频损耗，这些都将导致电机制成后铁耗显著地增加，因此除了选择较低单位铁损的磁性材料外，尚须控制叠压压力和采取必要的工艺措施以降低铁耗。

由于冲剪应力对铁耗影响较大，因此对冲片进行热处理可降低10 %～20 %的铁耗，这对于高牌号和较薄的硅钢片更为重要，因为这些材料对于应力的敏感程度远大于一般的磁性材料。

鉴于价格和工艺的因素，目前在高效率电机的生产中，高牌号硅钢片和薄于0．5mm的硅钢片使用不多，一般仍采用低碳无硅电工钢片或低硅冷轧硅钢片。

5.缩小风扇降低通风损耗（Pfw）；
对于较大功率的2、4极电机，风摩耗占有相当大的比例，如90kW2极电机风摩耗可达总损耗的30 %左右。

风摩耗主要由风扇消耗的功率所构成。

由于高
效率电机的热耗一般较低，因此冷却用风量可减少，从而通风功率也可减少。

通风功率约与风扇直径的4～5次方成比例，因此在温升许可的情况下，缩小风扇尺寸可有效地降低风摩耗。

此外通风结构的合理设计，对提高通风效率降低风摩耗也是重要的。

试验表明，高效率电机大功率2极部分风摩耗较普通电机下降30 %左右。

由于通风损耗下降幅度较大，而且不需增加多少费用，因此改变风扇设计往往是这部份高效电机所采取的主要措施之一。

6.通过设计和工艺措施降低杂散损耗（Ps）。

异步电机的杂散损耗主要是由磁场高次谐波在定转子铁心和绕组中所产生的高频损耗。

为降低负载杂耗可通过采用Y－Δ串接的正弦绕组或其他低谐波绕组来降低各次相带谐波的幅值，从而降低杂耗。

试验表明，采用正弦绕组杂耗平均可下降30 %以上。

此外可采用较多的定、转子槽数以降低齿谐波幅值，从而使这部分谐波引起的杂耗下降。

在工艺上可通过转子槽绝缘处理工艺来降低转子中的高频横向电流损耗，也可通过冲出气隙工艺来改变表面高频损耗。

三、电机的发热和冷却
旋转电机在能量转换过程中, 内部将同时产生损耗。

损耗的存在,一方面直接影响到电机的效率和运行的经济性: 另一方面, 由于损耗的能量最终转化为热能。

使得电机各部分的沮度升高, 这将直接形响到电机所用绝缘材料的寿命, 并限制了电机的输出, 严重时候能够把电机烧段。

因此, 一方面在设计时候要注意合理减少电机的损耗。

另一方面要努力改善冷却条件, 使热量能有效尽快地散发出去。

3.1电机内热量的产生、传导与散出
电机中的热量主要是绕组及其铁心中的损耗。

绕组和铁心内部都会产生热量, 绕组中的损耗与电流的平方成正比。

铁心内部热量是涡流产生的。

绕组中产生的热量借传导作用从铜线穿过绝缘层传到铁心, 加上铁心中产生的热量, 一起由
铁心传到电枢表面, 然后借助于对流以及辐射作用, 把热量散发到周围的空气中。

有热传导知识可知, 热量都是从高温部位传向相对低温部位。

从这样的热传导途径可以得出这样的结论, 绕组的沮度通常总是高于铁心的温度。

若想降低绕组的温升, 一方面要增强电机内部的传热能力, 另一方面应该增强部件表面的散热能力。

为使得电机绕组内部热量比较容易地传导到散热表面, 应该设法选择导热性能好, 耐压强度高, 绝缘性能好的绝缘材料。

并要求在保证绝缘性能的情况下降低绝缘层的厚度。

同时应该设法清除线槽内的导热性能不佳的空气层, 比如用油漆等来演充导线与铁心的间除。

这样做不仅可以改善导热性能, 又可以增强电机的绝缘性能以及机械性能。

电机表面的散热能力与散热表面的面积, 空气对冷却表面的速度等因素有关。

一般是采用增大散热表面的、改善表面散热性能、增加冷却介质的流动速度, 以及降低冷却介质的温度等措施来增加散热能力。

电动机运行时, 倘若温度超过一定的值, 首先损坏的是绕组的绝缘, 因为电动机中的绝缘材料是耐热性能最差的部分。

如果电动机运行时工作温度超过了绝缘材料允许的最高温度, 轻则加速绝缘层的老化过程, 缩短电动机寿命, 重则绝缘层碳化变质, 也就损坏了电动机。

所以就据此规定了电动机的额定容量, 电动机长期在此容量下运行时, 应不超过绝缘材料所允许的最高温度。

所以电动机运行时工作温度小于绝缘材料允许的最高温度是保证电机长期安全运行的必要条件, 这也是按照发热条件选择电动机功率的最基本依据。

3.2 电机发热对电机运行方式的影响
电动机的温度是发热与冷却综合作用的结果, 温升和冷却有需要一个过程。

其温升不仅取决于负载的大小, 而且也和负载的持续时间有关, 也就是电机的运行方式有关。

一般来说, 电机的运行方式(亦称工作制)按发热情况分为三类，即连续工作制、短时工作制和断续工作制。

不同的工作制代表了不同的发热和散热的时间比例。

实际上, 不管电动机运行在哪种工作制, 不管如何发热和散热, 只要能够保证电动机运行时工作温度小于绝缘材料允许的最高温度, 电机就不会被烧段。

如果电机常年运行在严寒地区. 散热条件比较好, 在功率的选择环节上可以适当带动比较大点的负载；如果电机运行在海拔高于1000 米的高原地区, 由于空气稀薄, 散热条件差, 电动机的功率应该降低使用。

3.3大型汽轮发电机的冷却方式
汽轮发电机的冷却方式经历了丰富的发展变化过程。

从最早的空气冷却发展到氢气冷却，再到液体冷却，继而到目前研究的热点—蒸发冷却。

每一种冷却方式都各有其优缺点。

3.3.1 空气冷却
20世纪30年代末期以前，汽轮发电机基本上处于单一的空气冷却阶段。

空气冷却在结构上最简单，费用最低廉，维护最方便，这些显著的优点使得空气冷却首先得到了应用和发展。

随着电网容量的增大，要求提高汽轮发电机的容量。

为了提高容量，需要增加电磁负荷，导致电磁损耗增大，从而引起电机发热量的增加，要强化冷却就必须加大通风量，这必然引起通风损耗的增大，而通风损耗(含风摩耗)占总损耗的40%，这就使得电机的效率降低。

另外，空气冷却的定转子绕组的温升也较高，影响绝缘的寿命。

3.3.2氢气冷却
当电机的单机容量达到一定水平时，空冷技术在效率和温升等方面逐渐暴露出不足，为了寻求更加有效的冷却方式，人们发展了氢冷技术。

从20世纪30年代末，容量大于50MW的汽轮发电机逐步过渡到氢气冷却。

氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1/14，导热系数为空气的7倍，在同一温度和流速下，放热系数为空气的14～15倍。

由于密度小，因此，在相同气压下，氢气冷却的通风损耗、风摩耗均为空气的1/10，而且通风噪声亦可减小。

氢冷电机的效率提高了，而且温升明显下降。

由于电机内氢气必须维持规定纯度，为此必须额外设置一套供氢装置，给设计和安装带来了困难。

另外，密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患。

3.3.3 液冷
早在1917年，匈牙利冈次茨工厂就曾用变压器油作牵引电机的冷却介质。

30年代后，又曾从事水外冷的研究，但长期以来没有取得重大进展。

1956年，英国开始采用净化水冷却电机定子绕组。

目前定子绕组采用水冷已相当普遍。

液体的比热，导热系数比气体大，所以液冷的散热能力较气冷大为提高。

水是很好的冷却介质，它具有很大的比热和导热系数，价廉无毒，不助燃，无爆炸危险。

通水冷却的部件冷却效果极为显著，允许承受的电磁负荷比空冷、氢冷高，提高了材料的利用率。

但是，由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积造成水路堵塞，继而产生绕组局部过热而烧毁。

同时，水接头及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险。

近些年，各地的水内冷机组都发生了一种新的漏水现象，被称为水力钻孔。

这是由于水中的微小颗粒在空心导线的转弯或粗糙点慢慢沉积下来，由于受到水流的冲击而以颗粒与空心线的接触处为支点旋转起来，日积月累就会将这一点钻穿。

这种现象造成绕组漏水漏电，烧毁绝缘的危险。

因此，水冷电机的堵和漏成为困扰水冷电机发展的致命弱点。

全液冷电机的研制同样受到了各国的重视。

全液冷主要以油冷为主。

这种电机的定子浸在油中，绝缘大为简化。

电机槽满率高，材料消耗少，效率高于同容量的其他冷却方式的电机。

但维护不方便，要考虑防火防爆问题，结构较复杂。

3.3.4 蒸发冷却
为了解决水内冷电机水系统故障及水对铜材、绝缘的腐蚀问题，同时继承内冷方式有效带走热能的优点，美、日、英、俄、加等国相继开展了将相变原理应用于大型发电设备中的研究，并取得了一定的理论成果，但至今没有成熟的营运产品。

中国科学院电工所从1958年开始研究电机的蒸发冷却技术，目前在研制的各个方面均处于世界领先水平，经过40多年的研究，已有累计达570MVA的运行经验。

蒸发冷却的发展经历了三个阶段：第一阶段是低温蒸发冷却，它是将水气冷中的水用沸点较低的介质来代替。

该介质汽化后的饱和蒸汽温度低于二次冷却介质温度，因此必须经过压缩，才能与二次冷却介质进行热交换，冷凝为液体。

第
二阶段是常温蒸发冷却，即是说在电机的允许温升范围内，冷却介质沸点（约为55℃左右）太低没有必要，而且，在高温环境下，温度低也容易造成热量逆流，外部热量往电机内部传递。

因此考虑用常温蒸发冷却技术，去掉压缩机，用泵来替换，提供压头克服各种阻力损失。

第一、二阶段两种冷却方式均属于强迫循环方式。

自70年代起，东方电机股份有限公司与中国科学院电工研究所共同开发了特别适用于立式水轮发电机的蒸发冷却技术。

该技术是充分利用电机结构的特点以及液体汽化后密度变化引起压差变化，形成自然循环，我们称为第三阶段常温自循环蒸发冷却。

为实现自循环蒸发冷却技术，两单位先后合作研制了云南大寨水电厂两台10MW蒸发冷却水轮发电机，具有超发110% 的安康火石岩电厂52.5MW蒸发冷却水轮发电机，李家峡水电站一台400MW蒸发冷却水轮发电机。

后者于1999年12 月2 日正式并网发电并在2000 年通过科技部验收鉴定，机组运行至今，性能良好。

已运行的蒸发冷却水轮发电机数据见表。

四、结语
纵观大型发电机冷却技术的发展，每一种冷却方式都各有优缺点。

空冷方式结构简单，运行维护方便，但受转速和容量的限制且同容量的体积庞大；氢冷和水冷效率远高于空冷且体积相应较小，但结构复杂，需分别增加氢系统和水系统，运行维护工作量大；蒸发冷却技术虽然在大容量机组的运用还很少（青海李家峡电站400MW仅一台），就比较而言，它已显示出了极大的优势。

当然，蒸发冷却技术的研究本身还存在一些问题没有完全得到解决，特别是两相流问题的处理还缺乏准确性。

但随着对蒸发冷却技术深入细致的研究，对大型电机的损耗的降低、解决温升过快，内部过热的问题都有一定的效果，可以预期，该冷却技术将得到更广阔的运用。