第2章 电动机的硬件设计原理
 
2.1 电机的基本概念
 （1）温升 某一点的温度与参考（或基准）温度之差称温升。也可以称某一点温度与参考温度之差。
 （2）电机温升 电机某部件与周围介质温度之差，称电机该部件的温升。
 （3）电机的温升限度 电机在额定负载下长期运行达到热稳定状态时，电机各部件温升的允许极限，称温升限度。电机温升限度，在国家标准GB755-87中作了明确规定。
 在电机中一般都采用温升作为衡量电机发热标志，因为电机的功率是与一定温升相对应的。因此，只有确定了温升限度才能使电机的额定功率获得确切的意义。
2.2 电机温度的测量[30]
 电机的各部分温度，如机壳温度，铁心温度，轴承温度，绕组温度不仅表示电机的发热状态，而且与电机的寿命相关。一般认为，绕组温度每增加8~10 ºC，绕组寿命会缩短一半，所以制造厂和用户都很重视电机温度的测量。
   电机的温升测量方法根据GB755-87的规定有四种：温度计法、电阻法、埋置检温计法和叠加法（双桥对电测温法）。此外，目前国内正在研制的有无线电测温，红外线测温和温度指示器等等。
 (1)温度计法
 温度计包括膨胀式温度计（如水银温度计，酒精温度计等）、半导体温度计以及非埋置的热电偶或电阻温度计。
 温度计法测量温度是将温度计贴附于电机上可触及的表面，所测量的是被测点的表面温度，即其贴附点温度。在电机中，任何部位的表面与其内部温度是不同的。因此温度计法仅在无法用其它方法测量电机内部温度或平均温度时才采用。测量时，温度计的球部或测温部分应紧贴被测点表面。保证二者有良好的热传导。为了减少热量逸散，温度计球部中凡不与被测点接触的部分可用棉絮或者油灰等绝缘材料覆盖，但覆盖面不能过大，以免影响正常的通风或绕组散热。用半导体温度计时，应特别注意保护测试笔笔尖处的微型电阻，测量时应轻轻接触被测物体，以免损坏感温元件。每只温度计都配有专用测试笔，不能互换。在有交流磁场的部件，不能采用水银温度计，因为在水银中可感应涡流，使水银发热，从而使温度计读数偏高。
 一般温度计大都按1ºC来刻度，在大多数情况下，对于测量电机表面温度精度已完全足够，但在要求特别准确时，可采用刻度为0.1~0.2ºC的温度计。
 对于电机定子铁心，机壳和轴承座等部位，不能采用电阻法测量，可采用温度计法进行测量。
 对于低电阻的换向极绕组和补偿绕组，以及一般属于低电阻范围。如旋转或静止的单层绕组，特别是接触电阻在整个电阻中占很大比例的绕组，用电阻法测量有困难或不能准确测量，且埋置温度计也无法准确测量时,应采用温度计法。
 此外，诸如电机的进风口和出风口的冷却空气或冷却液体如水及润滑油等，还有其它摩擦零件如换向器，集电环等，也必须用温度计法测量。
 对电机各部位的温度测量除换向器，集电环应在电机停止转动后立即用温度计测量其表面温度处，其他如定子铁心，轴承等应在温升实验过程中用温度计或埋置检温计进行测量。
 (2)电阻法
 这个方法是根据绕组的电阻随其温度变化而变的关系来确定绕组的温度。若在冷态的温度（）时的电阻为,而温度达到时电阻为，则由下式计算:
      （2-1）
 经过推导得：
                                   （2-2）
  式中为电阻的温度系数，即温度每增加1ºC时单位电阻的增加值。它在一个较大的范围内可认为是常数。由式(2-2)可知电阻的增加与温度的增加成线性关系，并可画成如图2.1所示的关系曲线。
 图2.1 电阻与温度的关系曲线
 
 在该图中，延长直线与并与横轴交于K点，则由三角形的比例关系可得:
                                        （2-3）
 对于不同的金属材料,其电阻温度系数值也不同,这也就改变了图中直线的斜率和值。
 对于铜：取235,在美国标准中,取234.5。
 对于铝：取225。
 这样对于铜绕组，则式（2-3）可改写成：
                         （2-4）
 由此可得 :
                （2-5）
 在此式中,、两个相除的数值较为接近，为了提高计算的准确度，则可将式（2-5）转化成下式：
                  （2-6）
 这样，铜绕组的温升将为：
            （2-7）
 ——试验结束时冷却介质的温度（ºC）
 电阻法的特点是它给出绕组的平均温度，电阻法是考核电机绕组温升的一种主要方法。但是应指出，电阻法无法将绕组中最高或最低温度值测出来。对于由直流馈电的静止绕组，如直流电机的电枢绕组,通常在实验结束停机后才能测量绕组的电阻。由于停机需有一过程,在这段时间内,将引起绕组温度的变化,在多数情况下,温度将下降。GB755-87规定:当电机断电后,测得第一点电阻的时间超过规定期限,需用外推法将测得的绕组温度加以修正。
 如果采用叠加法(又称双桥带电测量法),则测得的温度即为绕组在运行时的实际温度,因此不须做任何修正。应当指出，用电阻法测定绕组温度时，必须用同一仪表，同一量程在绕组的同一相上测量冷态和热态电阻。用电压表、电流表测量电阻时还应当使测量电流基本相同，以保证较准确的测量结果。
 （3）埋置温度计法
 埋置温度计法是将热电偶或电阻温度计在电机制造过程中安置于制成后达到或预计温度为最高的部位。此法主要用于测量交流定子绕组，铁心及结构件的温度。
 采用这种方法要求在电机的绕组层间至少埋置六个检温计，且沿着圆周均匀地分布。检温元件应尽可能做的尺寸小，在保证安全的前提下（如热电偶元件要有可靠的绝缘）应尽量放在绕组中最热部位。有些检温计用于运行时测量温度，有些用于试验时测量温度。如果仅用于试验时测量温度，那么试验后，可将这些检温元件的引出线切去且进行可靠绝缘。
 检温计的埋置部位要根据每槽的有效元件（线圈）边数来确定。如每槽有两个线圈边，检温计应埋置于槽内两个线圈边之间。如每槽只有一个线圈边，检温计应埋置于槽楔和绕组绝缘外层预计为最热处之间，在这种情况下，一般不以埋置检温计法的测量数据作为考核温升的依据。如将检温计埋置于槽底，则其读数便是铁心温度。
 用埋置检温计来测量电机旋转部件如直流电机电枢的温度，共有两种方法。一种是将检温计引线固定于旋转部件的接线板上，待停机后把它迅速接至相应的测量仪表。采用这种方法时，需外推修正至电源切断瞬间。另一种方法是将检温计通过集电环上的电刷移至测量仪表。这种测量方法的最大困难是要确保集电环与电刷可靠接触，电刷应有稳定的很小电阻。
 每个检温计在埋入时应注意与被测点的表面紧密接触，并应有良好的保护措施，以免受到冷却空气的影响，否则不能真实地反映被测点的温度，测量埋入式电阻温度计的电阻时，应控制测量电流的大小及通电流的时间，使电阻值不因其本身的发热而有明显的影响。测量埋入式热电偶时，热电偶的热电势应用电位差计来测量。
 （4）叠加法（双桥带电测量法）
 本方法是利用双臂电桥原理，在电机正常运行时，带电测量交流定子绕组热态电阻；也可以在电机静止时不带电测量绕组的冷态电阻。按电阻法即可获得被测绕组在切离电源瞬间的温升，因此不需要外推法进行温度修正。这种方法分为低压和高压电机两种测量方法。
 ①低压电机带电测温法
 此法适用于频率50Hz，电压400以下的0.6~100KW三相异步电动机和三相同步电机；特殊电机如交流换向器电机除外。被测电机的绕组必须具有六个出线端或者具有中性点向外引出的星形接法绕组。
 ②高压电机带电测温法
 此法适用于测量星形接法或双星形接法电机的定子绕组。试验时，绕组的中心点应引出机外。测量在运行时的三相绕组的并联电阻值，将它与实际冷态下的三相并联电阻相比较，以此确定三相绕组的平均温升。
 （5）无线电测量转子温度国内外对利用无线电测量法来测量电机转子温度已进行了不少研究。有的已在现场试验上取得了效果。此法优点可以用非接触方法连续测定电机转子某个部件的温度变化。
 无线电测量的工作原理是利用预埋在转子中电阻测温元件（一般有铂热电阻元件、金属膜热敏电阻、半导体热敏电阻等）的阻值随着温度变化的关系得到电压信号，再经过电压频率转换，使其转换为频率，并通过高频载波后由无线电发射器将高频波发射出电机外部。以上这些部件都必须安装在转子上与转子一起旋转。在电机外部装有无线电接收器及数字显示装置，它将接收到的高频载波信号进行调谐、高频放大，检波变为低频信号，再经过放大、整形，然后输给计数器进行数字显示。
 由于无线电测量装置必须安装在转子上，且体积较大，故一般仅在大型电机上为研究转子有关部位时的温度使用。
 （6）红外测温
 红外测温是利用物体表面辐射能对物体的温度进行测量。它也是一种非接触式测温装置。
 对测量300ºC以下的转子表面温度，适宜采用部分辐射温度计。它通过滤光片及传感元件仅对物体辐射出来的某一波段范围发出的辐射能量进行测量。这样对外来光的干扰也限于这一被测波段，所以受干扰的影响比较小。
 （7）温度指示器
 温度指示器不直接测定电机温度，只能以一定的形式反映出电机某部位表面温度已经达到了某一数值。电机试验所采用的温度指示器有热敏颜料和易熔材料两种。
 热敏材料是一种在不同温度下能显示不同颜色的材料。它又可以分为两种：一种是可逆的，在高温下它显示出一定颜色，而冷却后恢复到原来的颜色，另一种是不可逆的。电机温升实验再冷却后，颜料仍停留在温升实验时的颜色。电机试验多采用后者。热敏颜料一般做成粉笔形状，涂在转子表面，用来观察表面温度在温升试验中是否达到一定值。这种颜料的特点是可靠性差，因为颜色的改变不仅取决于温度，而且取决于受热的持续时间，当温度超过一定限值时，热敏笔开始变色，但有时温度还没达到预定温度，而由于持续时间较长，热敏笔同样也将缓慢地改变颜色，以致造成较大测量误差。
 易熔材料较热敏颜料的可靠性为高，一般做成钮扣状，使用时将它粘附在被测物的表面，当达到预定温度后，它就熔化脱落。用它测量转子温度时，应选用合适的尺寸以保证在被熔化前不会被转子表面的离心力抛出。易熔材料的熔化温度随原材料的配合比例和材料纯度而异。
 总的说来，以上两种温度指示器很少应用于电机的温度测量上，只是为了粗略估计转子的表面温度时才考虑它们的应用。
2.3 本章小节
 本章对电机的常用的概念进行了阐述，对目前的各种测温方法进行了比较，为下一步做进行硬件设计原理进行分析，其中限于当前的实验条件与电机生产厂家的要求，我们采用的是电机表面测温法。

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