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