異步電動(dòng)機(jī)繞組溫升性能的影響因素

劉 軍

華電國(guó)際萊城發(fā)電廠（山東 濟(jì)南 271100）

0 引言

電動(dòng)機(jī)溫升是評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，包含定子繞組溫升、定子鐵芯溫升、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承溫升等。一般電動(dòng)機(jī)故障主要由定子繞組溫升引起[1]。電動(dòng)機(jī)的過載能力、負(fù)載能力、輕小型化受絕緣材料的影響較大[2]。異步電動(dòng)機(jī)的溫升不應(yīng)超過絕緣材料的耐熱等級(jí)，否則會(huì)造成絕緣材料過熱損壞，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障，最終燒毀電機(jī)[3-5]。不同的絕緣材料，其絕緣性能及傳熱性能不同，在絕緣等級(jí)相同的情況下，提升電動(dòng)機(jī)的性能在于提高其熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性[6]。

1 異步電動(dòng)機(jī)繞組溫升的影響因素

1.1 外殼材質(zhì)與形狀

可有效散熱。

1.2 絕緣材料

異步電動(dòng)機(jī)按絕緣材料和標(biāo)準(zhǔn)分為A、E、B、F、H五個(gè)等級(jí)，其中A級(jí)絕緣耐熱性能最低，H級(jí)絕緣耐熱性能最高，不同絕緣等級(jí)的電動(dòng)機(jī)允許最高溫度與繞組溫升不得超過如表1所示的數(shù)值（環(huán)境溫度40 ℃）。從表1可以看出：耐熱性能等級(jí)越高的材料，其絕緣等級(jí)越高，電動(dòng)機(jī)繞組溫升值越高，耐溫性能就越好。若絕緣材料表層受損、絕緣層布置不均勻、局部受腐蝕或被擊穿，將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路、相間短路或機(jī)殼帶電，使電動(dòng)機(jī)繞組溫升過高被燒損。

表1 不同絕緣等級(jí)電動(dòng)機(jī)允許溫升

電動(dòng)機(jī)外殼材質(zhì)的導(dǎo)熱性能對(duì)其溫升影響較大。材質(zhì)的導(dǎo)熱性能主要影響電動(dòng)機(jī)的散熱和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行允許溫升時(shí)間，常見的有鋼、鋁及鑄鐵材質(zhì)。

電動(dòng)機(jī)外殼的形狀與其表面散熱面積關(guān)系較大。通常電動(dòng)機(jī)采用加散熱筋的方法增加外殼表明的散熱面積，當(dāng)電動(dòng)機(jī)外殼材質(zhì)、尺寸確定，且在允許承受的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，增加電動(dòng)機(jī)外殼表面的散熱面積

1.3 負(fù)荷過載

施加給電動(dòng)機(jī)的電壓、頻率是固定的，因用戶需要或環(huán)境變化會(huì)使電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，定子繞組溫升過高，甚至超過絕緣材料的耐熱等級(jí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組燒毀。

負(fù)荷過載分為恒定功率負(fù)載和可變負(fù)載。（1）恒定功率負(fù)載是指電動(dòng)機(jī)在額定的電壓和頻率條件下運(yùn)行，引起電動(dòng)機(jī)的輸出功率增大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電流偏大時(shí)，其工作效率降低，電動(dòng)機(jī)繞組的溫升偏高。當(dāng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行時(shí)，其繞組溫升過高會(huì)誘發(fā)電動(dòng)機(jī)繞組被燒壞的可能[7]。（2）可變負(fù)載是指負(fù)載伴隨環(huán)境溫度、氣壓等因素的變化而變化，理論上講，電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)荷條件上不受環(huán)境溫度的影響，但是在實(shí)際工程運(yùn)用中，電動(dòng)機(jī)繞組溫升還是受環(huán)境因素的影響。因此，電動(dòng)機(jī)在額定的電壓和頻率條件下運(yùn)行時(shí)，在不同的工作環(huán)境中有可能處于額定負(fù)荷運(yùn)行，也有可能處于過負(fù)荷運(yùn)行。基于此，就可變負(fù)載而言，采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的設(shè)備，要綜合考慮最惡劣環(huán)境條件下電動(dòng)機(jī)繞組溫升的問題，保證電動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 電源的影響

電動(dòng)機(jī)電源對(duì)其繞組溫升的影響分三個(gè)方面：一是三相電壓不平衡導(dǎo)致三相電流不平衡，某相或某兩相繞組電流過大，溫升高造成繞組局部受損；二是電壓過低，因電阻恒定，需要更大的電流維持運(yùn)行，該種情況相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行；三是缺相運(yùn)行，異步電動(dòng)機(jī)通常采用星形接線方式，一旦發(fā)生缺相的運(yùn)行，會(huì)造成未斷線相繞組電流增大，溫升過高燒壞繞組。

2 基本原理及溫升預(yù)測(cè)

2.1 基本原理

電動(dòng)機(jī)主要由定子繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成。定子繞組的傳熱形式主要是定子繞組與定子鐵芯間的導(dǎo)熱、定子繞組與空氣間的導(dǎo)熱、定子繞組氣隙間的對(duì)流換熱，電機(jī)繞組溫升與定子鐵芯間的導(dǎo)熱熱阻、定子繞組與空氣間的導(dǎo)熱熱阻關(guān)系很大，各形式換熱量可根據(jù)傅里葉定律計(jì)算得出，公式如下[8-9]：

式中：Φ為熱量，W；“－”為熱量朝溫度降低的方向；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；A為面積，m2；為溫度沿X方向的變化率。

因絕緣材料不是理想的均質(zhì)狀態(tài)，同時(shí)受制造工藝的影響，各絕緣層間存在間隙，為避免計(jì)算誤差，引入綜合導(dǎo)熱系數(shù)值λ綜，其理論方程如下：

式中：λ綜為絕緣材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λn為n種絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；?n為n種絕緣材料的厚度，mm。

絕緣材料的傳熱量與其熱阻關(guān)系密切，熱阻與材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，定子繞組與定子鐵芯間的導(dǎo)熱熱阻R1、定子繞組與空氣間的導(dǎo)熱熱阻R2、定子繞組氣隙間的對(duì)流換熱熱阻R3可由式（3）、式（4）、式（5）計(jì)算得出。

式中：R1、R2、R3分別為繞組與定子鐵芯間的導(dǎo)熱熱阻、定子繞組與空氣間的導(dǎo)熱熱阻、定子繞組與空氣間的導(dǎo)熱熱阻，k/W；?1、?2、?3分別為繞組與鐵芯間厚度、繞組斷部絕緣厚度、氣隙長(zhǎng)度，mm；λ綜、λ氣分別為絕緣材料綜合導(dǎo)熱系數(shù)、空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；A1、A2、A3分別為絕緣層與鐵芯間接觸面積、繞組斷部散熱面積、定子鐵芯散熱面積，m2；Nu為努塞爾數(shù)；h為繞組端部傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

由上述公式可知，各熱阻與綜合導(dǎo)熱系數(shù)成反比關(guān)系，即綜合導(dǎo)熱系數(shù)越小，熱阻越大，反之亦然。

2.2 電動(dòng)機(jī)溫升預(yù)測(cè)系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、學(xué)習(xí)的作用，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的分布式存儲(chǔ)、并行處理。其中，前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最主要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)函數(shù)逼近，它因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程比較容易、算法相對(duì)成熟而得到廣泛應(yīng)用的一類強(qiáng)有力學(xué)習(xí)系統(tǒng)[10-11]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指運(yùn)用誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法的前饋型多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，許志紅等[12]基于已有的研究，采用Matlab計(jì)算軟件，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)機(jī)溫升預(yù)測(cè)系統(tǒng)模型，如圖1所示，通過輸入電壓、電流、頻率、功率因素、環(huán)境溫度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)次數(shù)、當(dāng)前溫升8個(gè)變量，運(yùn)用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的預(yù)測(cè)及壽命的判斷。

圖1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)機(jī)溫升預(yù)測(cè)系統(tǒng)模型

3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]所述假設(shè)條件，運(yùn)用上述公式，基于流固耦合三維電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)模型計(jì)算某型號(hào)風(fēng)冷異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 某型號(hào)風(fēng)冷異步電動(dòng)機(jī)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，絕緣材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)定子繞組的溫度影響很大，隨著綜合導(dǎo)熱系數(shù)的增加，定子繞組溫度逐漸降低；絕緣材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組的溫度幾乎無影響[13]。

為了使該風(fēng)冷異步電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期高效運(yùn)行，可通過2.2所述系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)該電動(dòng)機(jī)繞組溫升，制訂合理的定期維護(hù)計(jì)劃。

4 結(jié)束語(yǔ)

異步電動(dòng)機(jī)的繞組溫升與絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系較大，選擇綜合導(dǎo)熱系數(shù)較大的絕緣材料對(duì)降低繞組溫升有顯著效果，能保證電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的安全性，同時(shí)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)朝著輕小型化的發(fā)展意義重大。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)，可以預(yù)測(cè)不同環(huán)境條件下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)溫升。