[科普中国]-旋转电机

旋转电机的种类很多。按其作用分为发电机和电动机，按电压性质分为直流电机与交流电机，按其结构分为同步电机和异步电机。异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按其转子结构不同，又分为笼型和绕线转子型，其中笼型三相异步电动机因其结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，在各种电动机应用最广、需求量最大。

防雷保护旋转电机(发电机、调相机、大型电动机等)防雷保护要比变压器困难得多，雷害事故率也往往高于变压器。这是因为旋转电机在绝缘结构、性能和绝缘配合方面具有一些与变压器不同的特点。

(1)在同一电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘的冲击耐压水平最低。

其原因在于：①电机具有高速旋转的转子，故只能采用固体介质，而不能像变压器那样可以采用固体一液体(变压器油)介质组合绝缘：在制造过程中，固体介质容易受到损伤，绝缘内易出现空洞或缝隙，因此在运行过程中容易发生局部放电，导致绝缘劣化；②电机绝缘的运行条件最为严酷，要受到热、机械振动、空气中的潮气、污秽、电磁应力等因素的联合作用，老化速度较快；③电机绝缘结构的电场比较均匀、其冲击系数接近于1过电压下的电气强度是最薄弱的一环。因此，电机的额定电压、绝缘水平都不可能太高。

(2)保护旋转电机用的避雷器的残压和电机的冲击耐压值很接近，绝缘裕度很小。

如发电机的出厂冲击耐压试验值比氧化锌避雷器的3kA残压值仅高出25%～30%，磁吹避雷器裕度更小，且绝缘裕度随发电机运行将更低。因此电机只靠避雷器保护是不够的，还必须与电容器、电抗器、电缆段等结合起来进行保护。

(3)匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。

因为电机绕组的匝间电容很小和不连续，迫使过电压波进入电机绕组后只能沿着绕组导体传播，而它每匝绕组的长度又远较变压器绕组为大，作用在相邻两匝间的过电压与侵入波的陡度成正比。为了保护好电机的匝间绝缘，必须严格限制侵入波陡度。

总之，旋转电机的防雷保护要求高、困难大，需要全面考虑绕组的主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘的保护要求。1

原理能量守恒原理是物理学的一条基本原理。这条原理的含意为：在质量不变的物理系统内，能量总是守恒的；即能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，而仅能变换其存在形式。

在传统的旋转电机机电系统中，机械系统是原动机(对发电机来讲)或生产机械(对电动机来讲)，电系统是用电的负载或电源，旋转电机把电系统和机械系统联系在一起。旋转电机内部在进行能量转换的过程中，主要存在着电能、机械能、磁场储能和热能四种形态的能量。在能量转换过程中产生了损耗，即电阻损耗、机械损耗、铁芯损耗及附加损耗等。

对旋转电机来说，损耗消耗，使其全部转化为热量，引起电机发热，温度升高，影响电机的出力，使其效率降低：发热和冷却是所有电机的共同问题。电机损耗与温升的问题，提供了研究与开发新型旋转电磁装置的思路，即将电能、机械能、磁场储能和热能构成新的旋转电机机电系统，使该系统不输出机械能或电能，而是利用电磁理论和旋转电机中损耗与温升的概念，将输入的能量(电能、风能、水能、其他机械能等)完全、充分、有效地转换为热能，即将输入的能量全部作为“损耗”转化为有效热能输出。

基于上述思路，作者提出一种基于旋转电磁理论的机电热换能器，其旋转磁场的产生与旋转电机类似，可以是由多相通电的对称绕组产生，也可以由多极旋转的永磁体产生，采用适当的材料、结构和方法，利用磁滞、涡流和闭合回路的二次感应电流综合效应，将输入的能量完全充分地转换为热能，即将旋转电机传统意义上的“损耗”转化为有效热能。它将电、磁、热系统和以流体为媒质的热交换系统有机地组合在一起。该新型的机电热换能器既具有逆问题的研究价值，又拓宽了传统旋转电机的功能和应用。2

旋转电机中热交换首先，时间谐波和空间谐波对热的产生具有非常快速和显著的作用，此点在电机结构设计时很少提及。因为斩波电源电压的应用越来越少，要使电机旋转得更快，就必须增大电流有功分量的频率，但这有赖于电流谐波成分的大量增加。在低速电机中，因齿谐波而产生的磁场局部变化会引起发热，我们在选择金属片厚度和冷却系统时必须注意这个问题。在计算中还要考虑捆绑带的使用。

众所周知，超导材料都是工作在低温下，这就出现了两种情况：

第一是预测电机线圈绕组所使用的组合超导体中热点产生的位置。

第二是设计一个冷却系统，使之能够冷却超导线圈中的任何部分。

电机的温升计算因为需要处理很多参数而变得十分困难。这些参数包括电机的几何形状，旋转速度，材料的不均匀性，组成材料的构成，以及各部分的表面粗糙度等。由于计算机和数值计算方法的快速发展，将实验研究和模拟分析相结合，电机温升计算所取得的进步已超过了其他领域。

热模型应该是全局性的，且比较复杂，没有一般性，每一种新电机就意味着一个新模型。3

绝缘材料运行中的电机绝缘要承受来自内部和外部各种因素的影响及作用。内部因素主要有电场、热及机械应力的作用；外部因素包括机械力、电机所处环境条件(温度、湿度、污秽情况以及化学成分的作用)等，所有这些因素构成了电机绝缘的工作特点。另外，高压电机绝缘与同等电压等级的其他电气设备相比较，它的电气强度较低，这给运行带来一定影响。要求电机绝缘应能经受上述各种因素的单独或联合作用，而安全、可靠地长期运行。

云母及云母制品云母是一种硅酸盐矿物晶体，具有很高的电气强度。它还具有耐高温、耐燃、化学性能稳定、吸水性差、耐电晕等优点，是一种很理想的高压电机绝缘材料。
云母制品按用途可分为云母带、云母板、云母箔三大类。各类云母制品由云母、补强材料和胶黏剂组成。其中云母作为基本的绝缘屏障，保证长期运行下具有很高的耐电强度；补强材料用来提高机械强度；胶黏剂将两者黏结成一体。云母制品必须具有很高的电气强度和足够的机械强度。

绝缘漆绝缘漆由漆基(树脂、沥青、干性油、纤维素等)、熔剂或调稀剂(苯、甲苯)和辅助材料(催干剂、颜料、防毒剂)三部分组成。按用途分为浸渍漆、覆盖漆、胶黏漆三种。

(1)浸渍漆。用于浸渍电机绕组及纤维材料以提高绝缘的电气性能、导热性、耐热性、耐湿性以及绕组的整体性。近年来向无溶剂浸渍漆方面发展，目前应用最多的是聚酯和环氧两大类，逐渐代替聚氰氨醇酸漆。

(2)覆盖漆。又称为涂刷漆或被覆漆，将漆涂在已浸渍过的绝缘表面，形成机械性能好、光滑平整、耐水的绝缘漆膜，以增强防潮能力，防止灰尘、脏污及化学物质对绝缘的作用，如漆包线漆、硅钢片漆、半导体漆等。

(3)胶黏漆。用来黏合各种绝缘材料，如云母、纸、布等。除具有电气性能外，特别是黏合力要强。常采用的黏合漆有醇酸树脂漆、虫胶漆、酚醛树脂漆、环氧聚酯漆等。

漆布、薄膜及其复合制品漆布是用布或玻璃布在绝缘漆中浸渍干燥后制成的一种柔软绝缘材料、必须具有一定的机械强度、柔软性、电气性能、耐热性和导热性。

薄膜与漆布相比，具有耐电强度高、机械性能好和厚度小及节约棉布的优点。高压电机绝缘多采用聚亚胺薄膜。4

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学