浅谈电动机的发热与冷却

　　摘要：简要介绍电动机热量产生和传递的过程、对电动机正常运行产生的影响和电动机的冷却方式。
　　关键词：电动机，发热，热传导，冷却
　　
　　电动机（简称电机）在能量转换过程中，其内部将同时产生损耗。由于损耗的存在，一方面将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，从而使电机各部分的温度升高。这将直接影响到电机所用的绝缘材料的寿命，并限制电机的输出，严重时能够将电机烧毁。因此，一要在设计时注意合理减少电机的损耗；二要努力改善冷却条件，使热量能有效地、尽快地散发出去。
　　1.电机热量的产生、传导与散出
　　电机中的热源主要是绕组及其铁芯中的损耗。绕组和铁芯内部均会产生热量，绕组中的损耗与电流的平方成正比。铁芯内部的热量是由涡流而产生的。绕组中所产生的热量借传导作用，从铜线穿过绝缘层传到铁芯上，再加上铁芯中产生的热量，一起由铁芯传到电枢的表面，然后借助于对流及辐射作用，把热量散发到周围的空气中。根据热传导知识可知，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中，可以得出这样的结论：绕组的温度通常总是高于铁芯的温度。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。
　　为了使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。要求在保证绝缘性能的情况下，降低绝缘层的厚度。同时，还应设法清除线槽内的导热性能不佳的空气层，如：用油漆等来充填导线与铁芯的间隙。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面积、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。
　　电动机在运行时，若温度超过一定的值，首先损坏的是绕组的绝缘。因为电机中的绝缘材料是耐热性能最差的部分。如果电机运行时工作温度超过绝缘材料允许的最高温度，轻则加速绝缘层的老化过程，缩短电机的使用寿命；重则绝缘层碳化变质，也就损坏了电机。所以，据此规定电动机的额定容量，电动机长期在此容量下运行时，不会超过绝缘材料所允许的最高温度。所以，“电机的工作温度低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的依据。
　　2.电机发热对其运行方式的影响
　　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。一般来说，电机的运行方式按发热情况（工作制）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，不管电机运行采用哪种工作制，不管如何发热和散热，只要能够保证工作温度低于允许温度，电机就不会被烧毁。
　　如果电机常年运行在严寒地区，散热条件比较好，在功率选择的环节上，可以适当带动比较大一点的负载；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，电机在工作时应该降低使用负载。
　　3.电机的冷却方式
　　电机的冷却直接影响其使用寿命和额定容量。所以，改善电机的冷却条件就显得尤为重要。目前的电机均采用较高的电磁负荷，以提高材料的利用率。同时，电机的单机容量也日益增大。因此，必须改进电机的冷却系统，以提高其散热能力。工程中对电机的冷却要求是：冷却效果要好，各部分不产生局部过热，冷却系统的结构要尽可能简单，消耗功率要少，成本要尽可能低。冷却方式分为表面冷却和内部冷却两种：
　　（1）表面冷却。表面冷却时，冷却介质仅仅通过绕组的绝缘表面、铁芯和机壳的表面间接地把热量带走。所以，表面冷却也叫间接冷却。此冷却系统结构简单，多在中、小型电机中采用，冷却介质为空气。
　　表面冷却系统按结构可以分为自冷式、自扇冷式和它扇冷式三种。
　　自冷式电机不需要装设任何的冷却装置，仅仅依靠部件表面的辐射和冷却介质的自然对流，把电机内部产生的热量带走。此方法的缺点是散热能力差，仅仅应用于低功率的小型电机中。
　　自扇冷式电机的转子上装有风扇，当电机转动时利用风扇产生的风压强迫空气流动，吹拂散热表面，大大增强了散热能力。
　　它扇冷式的风扇不由电机本身驱动，而是由另外的动力装置独立驱动。不论是自扇冷式电机还是它扇冷式电机，如果冷却空气直接从外界空气中获得，通过电机内部把热量带走后，又释放到周围的大气中，则此电机为开启式通风系统，多为小型电机所使用。为保证电机内部的清洁，吸入的空气最好过滤。若气体在密封的系统内循环，该循环气体依次通过电机和冷却器，把电机内部的热量带到冷却器，在由冷却器把热量带走，则为封闭循环式通风系统。此系统多用于大型电机中。
　　（2）内部冷却。此方法是采用空心导体，把冷却介质通入导体内部后直接带走热量的冷却方式。随着线性尺寸和电机容量的增大，发热和冷却问题越来越严重。在大型电机中，发热和冷却问题往往成为限制电机极限容量的主要因素之一。为解决这一难题，通常采用内部冷却方式。内部冷却方式对于大型电机来讲，是一个发展方向。
　　4.结语
　　电动机运行时，由于绕组和铁芯都会发热，如果不及时把热量散发走，会导致电动机的温度升高，进而烧毁电动机中耐热性能最差的绕组绝缘层。所以，电动机的发热与冷却问题将直接影响到电动机的选择和运行方式。为切实解决好这一问题，我们可以考虑电机的冷却环节，改善散热条件，以保证电动机运行的可靠性。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]陈世昆.《电机设计》，机械工业出版社，2000.
　　[2]魏永田、孟大伟、温嘉斌.《电机内热交换》，机械工业出版社，1998.

《浅谈电动机的发热与冷却》

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