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环保安全系数UP！wire China 为您呈现低烟无卤阻燃电缆原辅材料

2023-07-19 16:42

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线缆原材料展商专辑，来wire China 2023 一站式采购！

2023-07-13 18:12

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2023-07-13 18:11

论坛精华 | 上海电科所：新能源汽车驱动电机绝缘评定方法及标准动态

2023-07-13 11:31

不得不看的“科技与狠活”！wire China 2023高压、超高压电缆设备、材料天团来袭！

2023-07-11 16:34

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2023-07-11 16:33

康明斯发电机——工业发电机之热管理分享

来源：世展网分类：电线电缆行业资讯 2023-05-10 10:01 阅读：*****

2026年中国（上海）国际线缆及线材展览会Wire China

2026-09-21-09-24

距离455天

收录于话题

#CWIEME顾问专家委员会 #CWIEME研究院

吴强

康明斯发电机技术新技术研发经理

康明斯中国专家委员会委员

毕业于东南大学，从事电动机，发电机研发设计工作二十年，在电机机械设计，电磁设计，热/绝缘管理等邻域有丰富知识，先后领衔开发了多款发电机，电机产品，荣获电机发电机多项国内，国际发明专利，历任康明斯发电机产品设计经理，通用电气研发中心项目技术经理，东元电机设计经理等岗位。康明斯发电机技术创建于1904年，已有超过115年交流发电机设计，制造的历史，全球拥有员工2600名，是交流发电机行业的技术引领者，是世界无刷交流发电机的鼻祖，先后成功开发出世界上第一台自调压发电机，第一台无刷交流发电机等。目前旗下有新时代，斯坦福和AvK三个品牌，设计生产4-11200千伏安的交流发电机，广泛应用于电信，数据中心，船用，电厂，油气田等应用。工业发电机之热管理MOTOR

背景

众所周知，传统电力系统主要有发电，输电和供电三大模块组成，在发电模块中，发电机扮演者举足轻重的作用，电力来源目前有多元的趋势，但主要来源还是由发电机提供的。工业用发电机，在社会生产的各个方面，扮演者不可或缺的作用，如分布式电厂，矿用，船用，关键备用等场合。当前工业用发电机主要技术方案采用无刷电励磁交流发电机为主，因其定转子均有绕组，均有损耗，冷却系统需要同时考虑定子部分和转子部分，故比较复杂。一个好的热管理系统设计直接影响发电机的功率密度，进而影响系统成本，并且还决定绝缘寿命，影响发电机的可靠运行。本文将从发电机发热的来源，影响，监控和改善等方面，同大家探讨。

发热的来源

做好发电机的热管理，首先需要明确发电机发热的来源。

发电机是将机械能转换为电能的旋转机械，在能量转换过程中，有能量的损耗，对于电励磁发电机来说，主要有以下五大损耗：首先是定子的铜损，约占总损耗的45%左右；其次是定子的铁损，约占20%左右；再次是转子的铜损，约占20%左右；然后是机械损耗，主要是风磨损耗，约占10%左右；最后是励磁损耗，约占5%左右。发电机的损耗最终主要转换为热量，其为发电机发热的来源。做好发电机的热管理，必须有针对性的进行相应冷却的设计，才能使其更精进和更高效.

发热的影响

谈了发电机的发热来源，接下来讨论下发热对于发电机的影响，即为什么需要来进行热的管理。

大家知道，温度会对于材料的性能带来影响。对于电力设备发电机来讲，绝缘系统是决定设备是否可以正常可靠运行的关键之一其起到隔绝不同电位部件，让电流设计路径流动的作用。温度对于绝缘系统来说，是最重要的参数，其直接影响绝缘材料的寿命不同的绝缘材料耐温等级是不同的，具体可以参考IEC60085的定义。当前主流的发电机绝缘系统主要为H级（低压），F级（高压）。对于一个绝缘系统来说，温度对于绝缘寿命的影响，可以依据UL测试的半寿命曲线，如图所示为一个H级绝缘系统半寿命曲线，从图中可以看出，如果系统运行在180摄氏度（Class H 温升），其半寿命为20000小时；如果系统运行在155度（Class F温升），其半寿命则为120000小时；如果系统运行在130度(Class B温升)，其半寿命达640000小时；温度对于绝缘寿命起到关键作用，基本每升高10度会影响绝缘寿命1倍，可见，合理的管理好发电机的运行温度，对于发电机的可靠性起到了至关重要的作用。

除此之外，有效的控制发电机的运行温度，对于发电机的效率也有影响，目前主流的电机导体为金属铜，铜的电阻率随着温度变化基本是线性的，即发电机运行在较高温度时，发电机的铜的电阻会升高，此时电阻会变大，铜损会变大，效率会降低。

发热的监控

发电机的热管理，对于设备的可靠运行和效率起到了关键作用，那对于一台已定型设计的发电机，由于工况的变化，使得其运行在不同的温度下，如何来做好温度的监控以确保其可靠运行呢？

目前比较经济的手段主要是在绕组中，埋设温度传感器，主要有以下三种：

热保护器（Thermostat）热敏电阻（Thermistor）PT100温度传感器（RTD）

PT100温度传感器系统可以实时监控绕组温度，结合控制逻辑做出相应动作，应用较为广泛，本文重点介绍。

PT100温度传感器（RTD）使用铂热元件，它的阻值会随着温度的变化而线性改变，其在0摄氏度是电阻为100欧姆，每升高1度电阻增加0.385欧姆，如下图所示：

在发电机绕组中埋设PT100 RTD, 能实时监控绕组温度，为了能准确测量绕组最高的温度，其位置一般埋设在槽内绕组之间，如下图所示：

对于RTD温度检测的设定，取决约所用发电机的绝缘等级和运行时的温升等级，一般会设报警值和跳脱值。如Class H温升等级的发电机，一般设定报警值为170度，跳脱为190度，具体可以依据各家发电机厂家的说明要求。

发热的管理

以上讨论了发电机发热和影响，接下来探讨下发电机设计时采用什么合理的冷却方式和从哪些方面入手来改善发电机发热管理。

（一）冷却方式

发电机设计时，首先需要选定合理的冷却方式，冷却方式的选择，主要由发电机应用的环境要求，空间要求和现场冷却条件等来决定。交流电机标准IEC60034-6规定和解释了电机的冷却方式，采用IC代码来表示。如图所示：

工业用发电机最常用的冷却方式为IC01,空气自然冷却，采用自身所设计的风扇，将冷却空气从非驱动端吸入，冷却发电机本体后，经由风扇排除。

在环境要求较高或通风不畅的封闭场合，工业用发电机也会采用空水冷的结构，即IC81W，其设计有水冷却器，发电机内部热空气通过水冷却器同外部冷却水进行热交换，达到冷却效果。

在某些对于环境要求比较高，通风流畅，对于系统复杂度和成本有要求等条件下，也可以采用空空冷却。即IC611自带风扇或IC616外加强制冷却风扇的形式。

（二）改善途径

首先，发电机考虑发热管理时，需要从源头来考量，即如何提升发电机的效率，减少损耗，减少发热。同电机设计类似，针对主要的定转子铜损耗，可以从提升绕组的槽满率角度，减小绕组电阻，减小损耗，发热。

当发电机电磁设计固定后，其理论的损耗是固定的，需要从如何提升散热的角度，来有效散热，降低发电机温升，提升发电机可靠性和寿命，下面简要分享几个的改善点。

（1）发电机过渡节–发电机过渡节，不但起到连接发电机和发动机作用，更是一个扩压器，其设计影响到冷却风量的流场情况，影响流量和风扇效率，下图为斯坦福发电机采用涡型设计的过渡节，对比老设计有明显的风量改善。

（2）发电机风扇 – 风扇的设计至关重要，直接决定冷却流量和风磨损耗及噪音。需要结合发电机铁心，绕组尺寸决定其外径大小，根据发电机风阻情况，设计相应的叶片数量，出风角度。另外，由于发电机冷却风量需要经过定子和转子部分，并且定子为径向流入风扇，转子为旋转的轴向流场流入风扇，故其进风调节非常复杂，设计风扇时，需要综合考虑这些情况，提出有针对性的设计，才能有效改善风扇能力。下图为不同设计风扇对于流场的影响仿真。

（3）发电机散热面积—发电机冷却，主要以对流换热为主，根据牛顿冷却定律，Q = h*A*(tw-t∞)，其中A为换热面积。在其他条件一定下，有效提高换热面积有利于发电机散热，考虑到发电机主要的换热面积在于铁心表面，目前对于铁心表面和冲片的设计，会尽量考虑如何增大散热面积和表面的换热系数，如增加铁心翅片的设计等。

（4）发电机绝缘导热能力 – 绝缘体包裹在导体外面，良好的隔绝了带电体电流的流动，但同时，绝缘体也是热的不良导体，其也阻止绕组对于铁心热量的传递，所以绝缘系统的设计，不但要考虑绝缘能力，也要考虑导热能力。主要的参数为绝缘材料的厚度和绝缘材料的导热系数。另外，浸漆的质量也会对于散热起到重要影响，设计时需要考虑。综上所述，做好发电机的热管理，对于设备的可靠性，寿命非常重要，另外，其也是个系统工作，需要平衡其他的约束，特别是成本方面的考虑，需要合理的设计。

今年CWIEME上海展将于6月28-30日于上海世博展览馆举办。吴经理也将于6月28日在我们论坛现场带来演讲。如果想要与其进行更深入的交流，欢迎来到展会现场。

*关注CWIEME上海展微信公众号，提前获取演讲大纲剧透！6月我们不见不散！

图｜2021CWIEME展会议现场