发热计算学习教案

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1、会计学1发热发热(f r)计算计算第一页，共41页。7-1 电机(dinj)允许的温升限度一、概述1、温升：电机运行时要产生损耗，这些(zhxi)损耗都转变为热能，使电机各部分的温度升高。电机某部件的温度与周围介质温度之差叫该部件的温升。2、温升随时间如何变化？对均质物体发热，其温升随时间的变化是指数曲线关系。：起始时物体(wt)的温度与周围介质相同，物体产生的全部损耗都将用以提高物体的温度，因此起始时温度上升很快。：物体达到最终稳定温升，热量全部散发到周围介质中去第1页/共40页第二页，共41页。3、温升限制：温升受到电机材料限制不能超过一定数值，必须(bx)设法降低温升，减少损耗，提高电机

2、散热能力。4、温升计算目的：核算电机中几个发热部件在额定运行时温升是否超过允许的极限值。二、我国电机温升限度1、温升限度：电机在额定状态下长期运行而其温度达到稳定时，电机各部件温升的允许极限 称为温升限度。温升限度在国家标准“电机基本技术要求”中已作出规定如表7-1示。第2页/共40页第三页，共41页。2、温升限度取决于：（一）电机绕组绝缘结构所采用(ciyng)的材料 耐热一般分级：A E B F H 极限温度： 105 120 130 155 180（二） 绝缘结构在规定的极限 (jxin)温度下工作，能够获得经济的使用寿命。（三） 冷却介质的温度温度随所用的冷却系统和冷却介质不同而有所不

3、同。 我国规定40作为冷却介质的温度，表 7-1的温升限值就是按此规定的。第3页/共40页第四页，共41页。（四）测量温度的方法不同会造成测得的温度与被测部件中最热点温度之间的差别(chbi)也不同；而被测部件中最热点的温度才是判断电机是否能长期安全运行的关键。 如E级绝缘定子绕组，电阻法测量温升限度为 75120 - 40（冷却介质） -5（平均温度与最高温度差值） = 75平均温度和最高温度差值： A、E： 5 B： 10 H： 15第4页/共40页第五页，共41页。（五）海拔温升限度是对海拔不超过1000 米，最高环境温度为40地区规定的。 如高于1000 米小于4000 米，海拔增加1

4、00米，温升为表7-1中规定的温升减去它的1%（海拔高空气稀薄，散热条件差）（六）其它因素对电机温升的影响提高电机绕组的温度一般意味着电机损耗的增大和效率的下降，受经济限制。绕组温度的提高，可能引起轴承润滑系统工作(gngzu) 的困难。绕组温度提高，会引起换向的困难。绕组温度的提高，引起某些相关零部件材料中的热应力的增大。其他因素，如对绝缘的介电性能、导体金属材料的机械强度等，都会带来不利影响。第5页/共40页第六页，共41页。小结：（1）温升（2）温升的变化(binhu)（3）温升计算目的（4）温升的限度：什么叫温升限度 温升限度取决于什么第6页/共40页第七页，共41页。7-2 传热的基

5、本定律一、概述热量由发热体内部借传导作用传到发热体表面从发热体表面通过幅射和借助于空气(kngq)和其它冷却介质的对流散发到周围介质。从讨论热传导方式（传导、对流、幅射）的基本规律，对发热体某些近似的温升计算方法。第7页/共40页第八页，共41页。二、热传导定律1、等温面：热传导只发生在空间中温度有高低差异的温度场中，把具有相同温度的点联接起来便得到(d do)等温面（线）。2、热流密度：单位时间内通过单位等温面的热量第8页/共40页第九页，共41页。3、热传导定律：热流强度(qingd) 与各点在等温面的法线方向上的间空间温度变化率或即各点的温度梯度成正比。“”表示温度梯度的正方向为温度上升

6、的方向，而热量的传播方向总是从高温到低温(dwn)的为温度下降的方向。当热流只有(zhyu)一个方向，并把其取为x轴时第9页/共40页第十页，共41页。4、热阻 两边(lingbin)积分：假定为如图的单方向(fngxing) 平面热传导，且当时，则有第10页/共40页第十一页，共41页。从上式可见平面(pngmin)热传导传导温度分布是一条直线。温差(wnch)为： 其中(qzhng) ：称为热阻对比：热路 电路第11页/共40页第十二页，共41页。 热阻的串并联（与电路 (dinl)一样） 串联时的合成热阻：并联(bnglin)时的合成热阻：第12页/共40页第十三页，共41页。三、热传导

7、方程（温度场的场问题分析）1、热传导方程建立(jinl)温度场和热源之间的关系式叫热传导方程式。 简单的温度场问题可以近似用路来代替的方法进行近似的计算，可是有些复杂的温度场问题如计算绕组导体或铁心沿轴向的温度分布时，就必须用热传导方程来求解。2、热传导方程的推导 根据能量守恒原理 热传导的微分方程 边界条件（时间的起始 (q sh)条件）定解第13页/共40页第十四页，共41页。3、热传导方程的应用 一根载流铜棒长为l，截面积为S，通过铜棒的电流为I。假定铜棒外面(wimin)的绝缘较厚，通过绝缘散出去的热量忽略不计。铜棒两端的的维持为温度(wnd)和平均温度(wnd)。不变，求铜棒中的稳定

8、(wndng)最高四、对流和辐射散热一般情况下热量从发热体散发到周围介质中去的主要是通过两个方式：对流和辐射第14页/共40页第十五页，共41页。（一）辐射散热1、辐射定律： 每秒从每平方米发热体表面(biomin)辐射出去的热量为2、辐射所带走的热量与哪些因素有关决定于发热表面的特性(txng)，值，晦暗的物体的辐射能力大于表面有光泽的物体。决定于发热体表面与周围介质的温度。第15页/共40页第十六页，共41页。（二）对流散热1、对流散热： 当固体(gt)表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产生热交换，热量将由高温物体传向低温物体，这种交换实际上是传导和对流两种作用，总称为对流换热。 如

9、电机、铁心绕组或其它部件的散热方式就是这种。第16页/共40页第十七页，共41页。2、对流散热能力与哪些因素有关 与固体表面的流动状态有关 固体表面的流动是层流的话：流体仅与固体表面平行，流体仅与固体表面进行流动层；各层之间有流体交换，这时与固体表面垂直方向的热量主要靠传导作用，但流体的导热系数差，所以层流表面散热情况很差。 流体作紊流：流体中大部分质点不再保持平行于壁的运动，热量传递主要依靠对流的作用，对流传热时热阻较小，所以紊流时散热能力大大提高。 与冷却介质的物理性能有关 固体表面的几何形状(xngzhun) 尺寸及在流体中的位置有关第17页/共40页第十八页，共41页。五、牛顿散热定律

10、和散热系数 实际计算(j sun)由对流作用带走的热量时，为了方便都采用牛顿散热定律。1、牛顿散热定律第18页/共40页第十九页，共41页。2、散热系数(xsh)的确定(qudng)决定(judng)表面散热能力的因素很多，很复杂，要十分精确地确定散热系数近似决定。是很困难的，可通过实验由下式空气流速：或式中：发热表面在平静空气中的散热系数；空气吹拂表面的速度；考虑气流吹拂效率的系数。第19页/共40页第二十页，共41页。所以(suy)牛顿定律可写成：称为(chn wi)散热表面到流体的热阻，为散热系数 (xsh)传导热阻第20页/共40页第二十一页，共41页。3 、等效热路图引入热阻把温度场

11、路计算如从电机绕组端部传给冷却空气时要经过两个热阻，即端部绝缘中的传导(chundo) 热阻和绕组表面散热热阻，总热阻第21页/共40页第二十二页，共41页。7-3 电机稳定(wndng)温升的计算一、电机中的温度分布在电机的温升计算(j sun)中，主要是计算(j sun)绕组和铁心的温升。这些部件既是导热介质，其中又有分布热源，它们的温度一般来在空间上总是按一定规律呈曲线分布，出现了最高温升和平均温升之分。平均温升与最高温升之间是有一定的规律性联系的，因而也可用平均温升来衡量电机的发热情况。第22页/共40页第二十三页，共41页。（一）采用对称径向通风系统的电机中定子绕组(roz)沿轴向的

12、温度分布由于两端散热对绕组的冷却显著，温度 (wnd)低；中间部分冷却差，温度 (wnd)高第23页/共40页第二十四页，共41页。（二）采用轴向通风(tng fng)系统或混合式通风(tng fng)系统电机中定子绕组沿轴向的温度分布绕组(roz)热量铁心(ti xn) 径向通风沟 空气端部 空气绕组铁心表面 轴向通风道 空气第24页/共40页第二十五页，共41页。（三）表面冷却(lngqu) 的封闭式（交流）电机中定子绕组温度沿轴向的分布绕组热量 铁心 机座(j zu) 空气 端部散热能力差（四）励磁绕组中的温度分布励磁绕组 铜损耗 热量 沿着厚度方向(fngxing) 传导表面 散热 空

13、气第25页/共40页第二十六页，共41页。（五）铁心叠片组中的温度(wnd)分布二、用热路法计算电机的平均 (pngjn)温升1、假设：绕组铜和铁的热导率为无穷大，即铜和铁是等温体，且它们的的等于平均(pngjn)温度。第26页/共40页第二十七页，共41页。2、绕组和铁心(ti xn)平均温升的计算 采用热路法计算 在上面假设的前提下，外冷式电机中的温度降将集中在绕组绝缘和有关散热表面处作为冷却介质的流体层中。因为绝缘和冷却介质本身都没有热源，因此可以用热路法进行计算。 目的：计算绝缘内温度降、计算散热表面处冷却介质温度降，以计算绕组和铁心(ti xn)的平均温升。 二源热路法：定转子积各自

14、组成独立的二个热源热路第27页/共40页第二十八页，共41页。以采用空气冷却径向通风系统的交流电机定子(dngz)为例来说明。1）热路：热阻：第28页/共40页第二十九页，共41页。热源(ryun)：定子绕组中铜耗产生的热量； 铁心损耗所产生的热量。2） 热路图第29页/共40页第三十页，共41页。3）列方程铜的温升、铁的温升节点(ji din)a: 流进节点(ji din)热量 = 流出节点(ji din)的热量流入节点(ji din)的热量 = 流出节点(ji din)热量：节点(ji din)b: 流入节点(ji din)的热量 =流出节点的热量：第30页/共40页第三十一页，共41页。

15、列方程：解方程：第31页/共40页第三十二页，共41页。4）热阻的计算a、定子(dngz)绕组铜和铁心之间的绝缘热阻第32页/共40页第三十三页，共41页。b、绕组(roz)端部铜和空气之间热阻第33页/共40页第三十四页，共41页。绕组端部的散热面积或导热面积不易 (b y)确切计算，一般认为端部绝缘的导热面积和端部的表面散热面积相同，因此上二式中面积都用计算。在通风 (tng fng)情况良好时，可取c、径向通风道中绕组部分(b fen)和空气之间的热阻的计算第34页/共40页第三十五页，共41页。d、铁心径向通风道内外圆表面对空气 (kngq)的表面散热热阻计算三源热路法在表面冷却的封闭

16、式感应电机中，定子铁心(ti xn)、定子绕组铜和转子构成了有三个热源的热路。第35页/共40页第三十六页，共41页。三、用简化法计算 (j sun)电机的平均温升 用热路法计算 (j sun)温升热阻散热系数与有关(yugun) 通风计算但风量(fngling) 分布与散热系数都不易精确计算简化法1、假设： 全部铁心损耗及有效部分铜耗只通过定子（或转子）圆柱形冷却表面散热； 电枢绕组铜的有效部分和端接部分之间无热的交换。第36页/共40页第三十七页，共41页。2、简化(jinhu)热路图：第37页/共40页第三十八页，共41页。3、计算(j sun)温升节点b： 铁的温升：铜铁之间温度差：铜

17、的温升：第38页/共40页第三十九页，共41页。绕组(roz)端部的温升：整个(zhngg) 铜的平均温升：、分别为电机(dinj)的有效部分，端部的长度。温升决定于哪些因素：电枢表面单位表面的铜耗第39页/共40页第四十页，共41页。内容(nirng)总结会计学。（二） 绝缘结构在规定的极限温度下工作，能够获得(hud)经济的使用寿命。而被测部件中最热点的温度才是判断电机是否能长期安全运行的关键。（五）海拔温升限度是对海拔不超过1000米，最高环境温度为40地区规定的。2、热流密度：单位时间内通过单位等温面的热量。3、热传导定律：热流强度与各点在等温面的法线方向上的间空间。1、辐射定律： 每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热量为。、第四十一页，共41页。