下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
近年来，由于新材料、新工艺的应用和电机冷却技术的发展，极大地促进了大型电机单机容量的增加，但同时也使电机运行时产生的单位体积损耗增加，引起电机各部分温度升高，这会直接影响电机安全。因此，准确的温升计算不仅是制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的主要问题之一。
目前电机的热计算方法主要有下述几种。
简化公式法是电机制造厂初步设计时常用的一种方法。基本思想是假定全部铁芯损耗及有效部分铜耗只通过定子（或转子）的圆柱形冷却表面散出，而且电枢绕组铜质的有效部分和端接部分之间没有热交换，因此只用于估算整体铁芯或绕组的平均温升，计算结果较粗糙，计算精度较差，不够全面。
为简化计算，在工程实践中，由于电机传热问题较复杂，一般把温度场简化为带有集中参数的热路进行计算，等效热路法就是根据传热学，仿照电路理论形成热回路，热路图中的热源是绕组的铜损耗（槽部、端部）、铁损耗（齿部、轭部），损耗所在的部件在计算时被认为是均质的。损耗热量通过各种相应热阻，由热源向冷却介质传递，从而形成等效热路图。等效热路法通过一些假设，把成熟的电路理论应用于等效热路。这些假设包括少量的集中热源和等值热阻代替了真实热源和热阻，并假定前二者不决定于热流大小。用等效热路法计算时，只能计算铁芯和绕组的平均温度，无法全面了解温度的分布情况及过热点的位置和数值。但由于公式简单，便于手算，加之多年的经验，计算结果总的来说基本符合实际。
1955年，美国AIEE发表Rosenberry采用热路法的一篇有关“铸铝笼型感应电动机的瞬态起动温升”论文。国内在这方面研究较多的李德基先生及其同事，在20世纪80年代末至90年代初也出版了相关的专著和发表了大量论文。
温度场法即用现代数值方法求解热传导方程，得出电机求解域温度的分布。常用的求解方法为有限元法、有限差分法、等效热网络法。
①有限元法是一种常用的数值计算方法。它把求解域剖分成有限个单元，组成离散化模型，再求出数值解。其主要优点是剖分灵活，对复杂的几何形状、边界条件、不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都能灵活考虑，通用性较强。用有限元方法求解温度场，可以准确描述整个求解域内温度的分布。总体上有限元法以节点温度为变量，其剖分单元数较多，边界问题处理复杂，要实现对电机复杂的温度场进行全面的求解计算仍是相当困难的。由于该方法能详细计算出电机中温度场的分布情况，常被用于电机的设计计算。
②有限差分法是用差分近似代替微分，把求解域内的偏微分方程和有关的边界条件，转化成适用于区域内部和边界上各个节点处的差分方程组，然后用经典方法或计算机来求解。1989年哈尔滨大电机研究所范永达使用有限差分法计算了氢冷大型汽轮发电机转子温度场；1991年北京计算中心曹国宣使用有限差分法计算了水内冷汽轮发电机转子温度场。该方法对复杂的二类边界条件及内部介质界面的处理相对较困难，适合于求解边界较规则的电机温度场。
③等效热网络法的物理概念简单、直观，而且非常适用于结构复杂、材料多样和各向导热系数不同的发热体。求解中把温度场的求解域按不同材料（绕组、绝缘、铁芯、结构件等）以及不同区域划分出若干细的网格。网格的疏密程度，视研究问题的实际需要而定。网格划分线的交点是节点。设损耗都集中于各个节点，节点之间用热阻连接，每个节点上再连接热容，就得到了由损耗、热流、热阻、热容（稳态计算不考虑热容）和某些点上已知温升所组成的等值热回路。
等效热网络的物理概念与电网络十分相似。热阻对应于电路中的电阻，热容相应于电容，支路热流相应于支路电流，节点的损耗相应于电流源，节点上已知温升相应于电压源，节点温度相应于节点电势，温差相应于电压降。计算方法采用电路理论中的节点电位法，通过求解代数方程组得出每个节点的温度。其物理概念清楚，对薄层介质的处理尤为方便，对计算机硬件要求低。因此获得了较普遍应用，既用于电机的设计计算，也用于状态监测。
目前国内外很多文献仍采用热网络法计算大型电机温升。中国电力科学研究院李德基等采用该法计算了汽轮发电机定子槽部的三维温度场。哈尔滨电机厂陈新等利用上述方法计算了大型水轮发电机定子三维温度场。采用这种方法，在画出三维等效热路后，据电路理论，直接写出线性代数方程组，再对之求解。