大型电机的损耗、发热和冷却

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1、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、

2、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

3、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.

4、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

5、%。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

6、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

7、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

8、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，