小型電動機溫升的研究

【摘 要】溫升是影響電動機適用壽命的關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生的原因和原理以及溫升與絕緣等級的關系，分析了電機溫升函數和曲線，并簡述了降低溫升的主要辦法和現存的部分經驗。

【關鍵詞】小型；電動機；溫升

0 前言

溫升是衡量電動機發熱程度的重要指標，是影響電動機使用壽命的關鍵因素。溫升指電機與環境的溫度差，是電機損耗和散熱情況的量度，已經成為電機性能的一個重要指標。電機主要的發熱源為來自電機的內部電能損耗轉換成的熱能，即電流流過繞線時產生的銅損耗，鐵芯內磁通變化時所產生的鐵損耗，以及其他損耗，這些都會導致電機溫度升高。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散到外部環境。當電機發熱于散熱相等時，電機的溫度將不在增加，達到平衡狀態[1，2]。

1 電機溫升函數

電機的熱平衡方程式為

Qdt=Aτdt+CdτJ（1）

式中：

Q——電機發熱量；

A——電機的散熱系數，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溫度的度 數（℃）；

dτ——電機在dt時間內的溫升（℃）。

將方程式（1）取積分并帶入積分常數，電機溫升τ=f（t）為：

τ=QA1-e-tCA+τ0e-tCA（2）

設T=CA， τy=QA， 帶入式并假設τ0=0得：

τ（t）=τy（1-e-tT）（3）

式（3）曲線，即溫升函數曲線如圖所示：

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函數，當時間足夠長（>4T）時，電機的溫升趨向于一個穩定值τy， T物理意義為加入電機熱量不散發周圍介質中去，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時間內電機溫升能夠達到0.632倍的穩定溫升值τy。通過這一現象，如果通過試驗而得到摸臺電機的發熱曲線，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T值。

2 電機溫升與絕緣等級的關系

溫升影響電機的壽命，主要表現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（℃）有如下關系：

ta=ce-a（5）

式中c和a為試驗決定的常數。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根據壽命縮短的情況相應地提高。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，降低發熱量；二是，改善冷卻條件，使熱能有效地散發出去。其中減少損耗包括減少定子線圈匝數，增長鐵芯長度，增加線徑，減少轉子線圈面積，改變轉子沖片槽形等；改善冷卻條件包括優化風路，增強風扇鼓風能力，增大介質熱傳導系數，降低環境溫度，改變電機斷續周期工作制等。對于普通標準中小型電機，冷卻風扇直接安裝在轉子軸上，利用空氣作為介質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生的冷卻效果關系為：

中，W為冷卻風量，它與電機轉速N 成正相關關系，因此如果電機損耗不變，溫升同轉速的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計和風路設計。普通中小型電機應選用合適的風扇，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，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，工藝較復雜，主要的翼型有平凸翼，凹凸翼和弧板翼。對于風道的優化設計，有很多輔助軟件能夠完成，如CFD，ANSYS/FLOTRAN，FLUENT 等，主要是通過三維模擬仿真的方式得到電機內部風量分布、風速值和壓差等參數，計算出的數值作為電機通風冷卻系統設計與修改的依據。

4 結語

溫升是影響電機壽命的關鍵因素，如何控制溫升是電機設計中重要的環節。本文通過對溫升平衡方程式的推導，獲得了溫升函數與曲線，得出溫升的指數形式變化趨勢；電機溫升影響壽命主要表現在影響絕緣等級上，因此先用合適的絕緣材料時設計電機的關鍵；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化。

【參考文獻】

[1]陳世坤.電機設計[M].北京：北京工業出版社.

[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.電氣絕緣結構設計原理[M].北京：北京工業出版社.

[4]赫兟，等.高導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.

[責任編輯：周娜]