【摘 要】溫升是影響電動機適用壽命的關(guān)鍵因素和衡量電機性能的重要指標，本文簡述了電機溫升的產(chǎn)生的原因和原理以及溫升與絕緣等級的關(guān)系，分析了電機溫升函數(shù)和曲線，并簡述了降低溫升的主要辦法和現(xiàn)存的部分經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】小型；電動機；溫升

0 前言

溫升是衡量電動機發(fā)熱程度的重要指標，是影響電動機使用壽命的關(guān)鍵因素。溫升指電機與環(huán)境的溫度差，是電機損耗和散熱情況的量度，已經(jīng)成為電機性能的一個重要指標。電機主要的發(fā)熱源為來自電機的內(nèi)部電能損耗轉(zhuǎn)換成的熱能，即電流流過繞線時產(chǎn)生的銅損耗，鐵芯內(nèi)磁通變化時所產(chǎn)生的鐵損耗，以及其他損耗，這些都會導(dǎo)致電機溫度升高。電機的散熱主要依靠對流作用和輻射作用，電機通過強制對流、自然對流、表面輻射等方式將熱量發(fā)散到外部環(huán)境。當電機發(fā)熱于散熱相等時，電機的溫度將不在增加，達到平衡狀態(tài)[1，2]。

1 電機溫升函數(shù)

電機的熱平衡方程式為

Qdt=Aτdt+CdτJ（1）

式中：

Q——電機發(fā)熱量；

A——電機的散熱系數(shù)，即在電機溫度高于周圍截至溫度1 ℃度的溫差時，每秒鐘散發(fā)到周圍截至中的熱量（J/℃·s）；

C——熱容量，為電機溫度升高1 ℃度所需要的熱量（J/℃）；

τ——電機的溫升，在時間t時電機溫度高于周圍介質(zhì)溫度的度 數(shù)（℃）；

dτ——電機在dt時間內(nèi)的溫升（℃）。

將方程式（1）取積分并帶入積分常數(shù)，電機溫升τ=f（t）為：

τ=QA1-e-tCA+τ0e-tCA（2）

設(shè)T=CA， τy=QA， 帶入式并假設(shè)τ0=0得：

τ（t）=τy（1-e-tT）（3）

式（3）曲線，即溫升函數(shù)曲線如圖所示：

圖1 電機溫升曲線

從圖中可以看出，電機的溫升隨時間成指數(shù)函數(shù)，當時間足夠長（>4T）時，電機的溫升趨向于一個穩(wěn)定值τy， T物理意義為加入電機熱量不散發(fā)周圍介質(zhì)中去，電機溫升達到τy所需要的時間。T是反映電機溫升增長快慢程度的物理量，表征電機熱慣性大小。

由式（3）當t=T時則：

τ=τy（1-e-1）=0.632τy（4）

在t=T時間內(nèi)電機溫升能夠達到0.632倍的穩(wěn)定溫升值τy。通過這一現(xiàn)象，如果通過試驗而得到摸臺電機的發(fā)熱曲線，則可以只在曲線上0.632τ_y上做垂直于橫軸的垂線來確定時間常數(shù)T值。

2 電機溫升與絕緣等級的關(guān)系

溫升影響電機的壽命，主要表現(xiàn)為溫升影響電機的絕緣等級，即絕緣材料的耐熱等級，分為Y、A、E、B、F、H和C等七級。Y、A級絕緣采用經(jīng)過浸漬或使用時浸于油中的棉紗、絲和紙等有機纖維材料以及普通漆包線上的磁漆等，E級絕緣是聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，B、F、H、C級絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級絕緣的最高容許工作溫度[3，4]。

表1 各級絕緣的最高容許工作溫度

絕緣材料按等級在相應(yīng)的容許工作溫度下使用，如果超過最高容許工作溫度時，壽命將迅速縮短。以A級絕緣為例，實驗表明，A級絕緣材料的壽命t（a）與使用溫度θ（℃）有如下關(guān)系：

ta=ce-a（5）

式中c和a為試驗決定的常數(shù)。例如當a≈0.088時， 若一直工作于處于90～95℃時，其使用壽命可達20年；當工作溫度在95℃以上時，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（稱8℃定理）；若一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。

電機絕緣等級由所采用的主要絕緣材料中耐熱等級最低的材料決定。因此在特殊情況下，為了提高運行的可靠性，絕緣材料應(yīng)降低絕緣等級使用。如果電機是屬于短期工作的，材料的容許最高工作溫度應(yīng)根據(jù)壽命縮短的情況相應(yīng)地提高。一般電動機多用E級和B級絕緣。要求在高溫場合下使用的電動機，如起重及冶金用電動機，常采用F級和H級絕緣。

3 降低溫升的方法

降低電機溫升的方法有很多，主要分為兩個方面，一是，合理地減少損耗，降低發(fā)熱量；二是，改善冷卻條件，使熱能有效地散發(fā)出去。其中減少損耗包括減少定子線圈匝數(shù)，增長鐵芯長度，增加線徑，減少轉(zhuǎn)子線圈面積，改變轉(zhuǎn)子沖片槽形等；改善冷卻條件包括優(yōu)化風路，增強風扇鼓風能力，增大介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)，降低環(huán)境溫度，改變電機斷續(xù)周期工作制等。對于普通標準中小型電機，冷卻風扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，利用空氣作為介質(zhì)將熱量傳出仍是電機散熱的主要方式。電機溫升與冷卻風量產(chǎn)生的冷卻效果關(guān)系為：

中，W為冷卻風量，它與電機轉(zhuǎn)速N 成正相關(guān)關(guān)系，因此如果電機損耗不變，溫升同轉(zhuǎn)速的0.4～0.5次方成反比，增加冷卻風量是降低溫升的有效手段。增加冷卻風量的主要途徑包括電機風扇設(shè)計和風路設(shè)計。普通中小型電機應(yīng)選用合適的風扇，增大通風量，減小風阻，主要有離心風扇和軸流式風扇兩種。離心風扇工藝簡單，可正反轉(zhuǎn)，但效率較低，分為前傾式，徑向式和后傾式三種；軸流式風扇具有較好的翼形，效率較高，工藝較復(fù)雜，主要的翼型有平凸翼，凹凸翼和弧板翼。對于風道的優(yōu)化設(shè)計，有很多輔助軟件能夠完成，如CFD，ANSYS/FLOTRAN，F(xiàn)LUENT 等，主要是通過三維模擬仿真的方式得到電機內(nèi)部風量分布、風速值和壓差等參數(shù)，計算出的數(shù)值作為電機通風冷卻系統(tǒng)設(shè)計與修改的依據(jù)。

4 結(jié)語

溫升是影響電機壽命的關(guān)鍵因素，如何控制溫升是電機設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)。本文通過對溫升平衡方程式的推導(dǎo)，獲得了溫升函數(shù)與曲線，得出溫升的指數(shù)形式變化趨勢；電機溫升影響壽命主要表現(xiàn)在影響絕緣等級上，因此先用合適的絕緣材料時設(shè)計電機的關(guān)鍵；降低溫升的主要方法為減少消耗和改善冷卻條件，方法日益趨向高技術(shù)化。

【參考文獻】

[1]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京：北京工業(yè)出版社.

[2]湯蘊繆，史乃.電機學[M].西安：西安交通大學出版社.

[3]劉子玉.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：北京工業(yè)出版社.

[4]赫兟，等.高導(dǎo)熱絕緣材料對降低電機溫升的重要作用[J].絕緣材料，2008，4（41）：22-23.

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