电机绕组引接软电缆的设计

电机绕组引接软电缆的设计

邢建宾1，邢栋2

(1双龙集团上海防爆电机盐城有限公司，江苏盐城224000；

2河北大学质量技术监督学院，河北保定071000)

摘要将电机绕线组引接软电缆视为电缆的热源，通过电缆功率损耗形成的热源对电缆周围介质的热场、热流、热路分析，寻找到计算电缆连续载流量的计算方法，从而求得引接线截面积计算式，明确了恰当选用电缆计算过程，并举例说明迭代求取的方法。

关键词电机绕组；引接软电缆；热路；等值方程；截面积

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.02

中图分类号：TM303.1

作者简介：邢建宾男1964年生；毕业于郑州大学工业工程专业，现从事三相异步电动机的设计和工艺工作.

收稿日期：2014-09-07

Design on Lead Cable of Motor Winding based on Thermal Circuit Analysis Method

XingJianbinandXingDong

(1.Shanghai Explosion-Proof Motor (Yancheng) Co.,Ltd.of Shuanglong Group, Yancheng 224000, China；2.Quality and Technical Supervision College of Hebei University, Baoding 071000, China)

AbstractTaking the lead cable of motor winding as a heat source, this paper analyzes the thermal field, heat flow and thermal circuit of cable surrounding media based on heat source from cable power loss. The method of calculating continuous current-carrying capacity of cable is found out and then the calculation formula for cross-sectional area of lead cable is obtained. The appropriate calculation process of cable is defined and iterative calculation method is illustrated.

Key wordsThe motor winding；connection flexidle cable；heat circuit；equivalent equation；cross-sectional area

0引言

电机绕组引接软电缆(俗称引接线)是电机定子绕组的组成部分，虽然不是主要元件，但却是电力进入电机的咽喉要道。由于承担整个电机的功率传输，所以引接线的截面积较大，在绕组端部占用较大的空间，该电缆由纯铜线制成，具有很高的价值。因此，在电机设计中选用恰当截面积的引接线可以节省绕组端部占用空间，改善电机的风路循环，也可以避免由于选用过大造成浪费，或选用过小而引起过载而烧毁。

在电机设计的文献中很少有讲到引接线尺寸计算的，即使讲到引接线问题也只是给出一个选择范围，没有理论依据。设计人员往往根据之前的图纸或资料给出的尺寸采用类比法来设计引接线尺寸，这样做有一定盲目性的，所以在引接线尺寸计算这方面缺乏一个原创的、具有一定理论性的计算方法。

电缆运行时两端有电流通过，芯线有电阻存在，因此电缆芯线将消耗电能，这部分电能必将引起芯线发热，此热量在散发的过程中经过绝缘层、护套、环境介质形成热路，当电缆发热量和热路散发热量相等时，电缆就达到稳定状态(稳态)，当电缆尺寸选择的稳态温度为电缆的耐热温度时，这时所得的电缆截面尺寸即为最经济的。

电缆在运行过程中导电线芯、绝缘层等都会产生损耗而引起电缆发热，使电缆温度升高，形成电缆的热源。由于热源和周围介质温度存在高低差，从而形成热动势。这个热源与绝缘层及周围介质之间形成热路，热路中存在着阻挡热量散发的热阻，热量散发的强度即是热流强度，基于以上条件借用电路欧姆定律即可形成热路欧姆定律。

1空气环境中电缆热路计算

1.1一般电缆线的等值热路方程

设电缆热源的温度为θc、周围介质的温度为θa，(θc-θa)称为热动势，散热的快慢取决于介质的热阻T和热流强度W，热路图如图1。

图1　热路图

热路方程为

θc-θa=WT

(1)

1.2热阻计算

1.2.1单芯电缆绝缘层的热阻

(2)

式中，ρT1—绝缘材料的热阻系数，单位为 K·m/W，一般橡胶绝缘取5；G—电缆的几何因数，可由图2查得。

图2　各种电缆的几何因数

1.2.2电缆周围媒质的热阻

当电缆线处于空气的环境之中时，电缆产生的热量通过绝缘层和空气向周围辐射，空气的热阻为

(3)

式中，Dc—电缆的外径，单位为mm；h′—绝缘层的散热系数，一般为7～10W/m2℃，电缆表面较粗糙的或涂黑色涂料的电缆取较大值，表面光滑的电缆取较小值。

1.3电缆的发热量计算

交流电流流经电缆时会由于电缆存在电阻、电感、电容等因素而产生损耗，由于引接线电缆较短这里忽略电感和电容的损耗。认为电缆的发热量就是电流通过电缆时由于电缆的电阻所产生的功率损为

W=I2R

(4)

式中，W—功耗(W)；I—流经电缆的电流(A)；R—电缆线芯的直流电阻(Ω)。

1.4电缆的等值热路方程

电缆表面的温升是线芯温升与绝缘层温升的叠加，由热路方程式(1)可得引接线的等值热路方程为

θc-θa=W(T1+T2)

(5)

由式(4)、式(5)可得

θc-θa= I2R(T1+T2)

将上式转化如下

(6)

即为求取引接线规格的方程式。

1.5空气环境中电缆的横截面积计算

电缆的直流电阻

(7)

式中，R—电阻(Ω)；ρ—电缆芯线的电阻率( Ω·m)；L—电缆的长度(m)；S—电缆线芯的截面积(mm2)。

将式(6)、式(7)联合可得

(8)

式(8)即是求取一般空气环境中电缆的横截面积计算式。

2等值热路方程在引接软电缆设计中的应用

以YB2-280S-2P 75kW 380/660V 50Hz IP55三相异步电动机为例，说明定子绕组引接线的求取。

电机技术条件规定的一般使用环境温度为-15℃～40℃，对于B级考核的电机，电机的允许温升为80K，电机绕组所处环境的温度为(-15℃～40℃)+80℃即65℃～120℃。电机的引接线在电机绕组端部，其热路(即散热方向)是由导线向电机内环境(而不是电机外部的大气环境)，因此引接线的环境温度即为65℃～120℃，在核算引接线尺寸时以最高环境温度为准，即120℃。

2.1预先估计绕组引接线的规格

经计算YB2-280S-2P 75kW 380/660V 50Hz IP55三相异步电动机的额定电流为134A，根据文献[7]查表得对应电缆截面积为25mm2,这里选取耐压1 000V,耐热温度130℃电缆。查询相关手册得知，该电缆的线芯直径约为7.1mm，外径DC约为14.6mm，查图2可得G=0.4。由式(2)得T1为0.318；h′取8，由式(3)求得T2为0.272。

2.2查询资料得知，20℃时纯铜的电缆的电阻率ρ20为0.017Ω·mm2/m，温度系数α为0.00385/℃；这里引接线的耐热温度为130℃，由ρt=ρ20[1+α(t-20)]，可得130℃时的电阻率为ρ130=0.0242Ω·mm2/m。

2.3由于电机绕组的最高环境温度为120℃，也即是引接线的最高环境温度，即θa=120℃(这里环境温度的含义不是大气环境温度)；引接线的耐热温度为130℃，也就是说130℃是引接线安全运行的最高温度，在核算引接线截面积时以引接线在130℃时与电机内环境达到热平衡为准，即θc=130℃。

该电机380V，Δ接时额定电流为134A，θc=130℃，θa=120℃，由式(8)得S=25.6(mm2)。当S值与预估的截面积相差不大于5%时即可以确定预估是合适的，计算结束。如果S值与预估截面积相差较大，则需要重新预估初值，重新上述计算直至满足要求。

这里需要注意的是“引接线的环境温度”的含义：电机的引接线分机内部分和机外部分，由于引接线的机内部分温度高，散热条件差，所以核算引接线尺寸时以机内部分为准，因此引接线的介质环境即是电机内部环境，在热路方程中θa是电机内部环境空气的温度，对于一般F级绝缘、B级考核、不附带冷却器的封闭式电机θa的值就是65℃～120℃，计算时按最大值120℃，当温升考核不为B级的应按该等级温升确定θa，对于有冷却器的电机应按冷却器出风口的冷风温度和温升考核等级来确定θa。

4结语

本文将电路欧姆定律引入电缆运行时的热路分析，热路的热阻、热流强度、热动势分别与电路的电阻、电流强度、电动势相对应，得到了热路方程。分别给出了热阻和电缆发热量的计算方法，得出了电缆的等值热路方程式和空气环境中电缆的横截面积计算式；举例介绍了等值热路方程在电机绕组引接软电缆设计中的应用。

电机的引接线是电机的关键元件，除了要达到额定的绝缘性能以外还要在可靠性和经济性方面综合考虑，既不能只考虑安全性而选的过大，造成不必要的浪费；也不可只考虑经济性而选的过小，造成可靠性降低。本文给出了引接线的计算公式，在此理论的指导下去计算和选择引接线是兼顾经济性和可靠性的统一，排除了过去依靠经验而有些盲目的选择方式，本文为电机设计的这一领域提供了实用的设计工具，填补了这方面的空白。

参考文献

[1]黄国治，傅丰礼.Y2系列三相异步电动机技术生产.机械工业出版社，2004.1.

[2]李正吾.新电工手册.安徽科学技术出版社，2002.1.

[3]卓金玉.电力电缆设计原理.机械工业出版社，1999.4.

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