《电机设计》之五课件

第六章 电机的冷却6-1电机的冷却方式一、概述1、风扇强迫空气流动的冷却方式2、氢气为冷却介质的冷却方式同样尺寸的电机采用氢冷后，可提高容量2025%，且效率也能提高。3、内冷，即不通过绝缘材料，使导体产生的热量直接传给冷却介质a)以氢作为冷却介质；b)以水作为冷却介质第六章 电机的冷却6-1电机的冷却方式一、概述1、风扇强迫1（一）开路冷却或闭路冷却 特点：结构简单、成本低；其缺点是：空气冷却效果差，在高速电机中引起的摩擦损耗大。其结构类型特点有以下四个方面：二、空气冷却系统 目前在电机制造业中大量采用的仍是以空气为冷却介质的空气冷却系统。本章主要讨论空气冷却系统。开路式：外部空气进入电机回到周围环境中去闭路式：电机内部空气在电机内部循环冷却介质产生的热量经过结构件如机壳传递给第二介质（水）。（二）径向、轴向和混合式通风系统按电机内部冷却空气的流动方向，分为径向、轴向与混合三种（一）开路冷却或闭路冷却 特点：结构简单、成本低；其缺2 径向通风系统便于利用转子上能够产生风压的部件，如风道片、铸铝散热片等的鼓风作用，产生散热效果而得到广泛应用。轴向通风系统通过轴流式风扇的作用，使空气沿着轴向从一端流入进入电机，另一端流出。混合式通风系统兼有轴向与径向两种通道。（三）抽出式和鼓入式抽出式：冷空气先和电机的发热部件接触变为热空气由风扇送出；鼓入式：冷空气由风扇鼓入再与电机发热部件接触变为热空气关出。（四）外冷与内冷 外冷即所谓表面冷却方式；内冷即从发热件内部直接冷却的方式，如水轮发电机的励磁绕组可采用空气内冷。内冷效果虽好，但系统结构复杂。径向通风系统便于利用转子上能够产生风压的部件，36-2 关于流体运动的基本知识一、概述 电机在运行过程中所产生的热量全部依靠流体介质（空气、氢气、水）带走。所需的冷却介质总的体积流量可由下式计算：二、流体运动中常用名词（一）流体的概念 流体是由相互间联系比较松驰的分子组成，分子之间没有像刚性物质所具有的刚性联系。这种物质称之为流体。为了研究方便，即假定流体是一种连续介质，认为流体的分子间没有空隙，作了这样假设才能应用数学工具。然而这种宏观模型只能得到流体的平均力学特性。6-2 关于流体运动的基本知识一、概述 4（二）流体的压缩性 根据流体在压力的作用下其体积的改变程度不同，流体可分为可压缩的和不可压缩的两种。因此水是不可压缩的，空气是可压缩的。但是在实际应用中由于空气的流速不大，压力变化也不大，使得体积的变化也不大，因此，把空气当作不可压缩的流体来处理。（三）流体的粘滞性 粘滞性表现为一种抗拒流体流动的内部摩擦力或粘滞阻力。这种摩擦力的大小正比于流体层滑动时的速度梯度，公式为：（二）流体的压缩性 根据流体在压力的作用下其体积5（四）理想流体和真实流体 真实流体是可压缩的，而且有粘滞性。理想流体即不考虑可压缩性和粘滞性。研究时先从理想流体出发，得出运动规律，然后按真实情况加以修正。流体在管道内的运动状态可分为层流和紊流两种。层流运动时，流体平行于管道表面流动，各层平行运动，之间没有流体交换。（五）层流及紊流 作紊流运动时，流体的质点不再保持平行于管壁的运动，而是以平均流速向各个方向作无规则的扰动。层流（四）理想流体和真实流体 真实流体是可压缩的，而6 通常用一个无量纲的量即雷诺数来判断流体运动情况。当Re2300时为紊流。雷诺数在一定程度上反映了流体本身的惯性和粘滞性。在同样条件下，粘滞性小，密度大的流体比较容易产生紊流。（六）流体的压力静压力与动压力 静压力即为流体受压缩的程度，单位用Pa来表示。静压力也可看作是被压缩流体单位体积内所储存的位能。动压力则表示运动的流体单位体积中所具有的动能，可表示为静压力与动压力之和称为全压力，即单位体积流体中所包含的总机械能。三、理想流体运动方程（柏努利方程）如何判断流体运动是层流还是紊流？通常用一个无量纲的量即雷诺数来判断流体运动情况7 根据流体力学理论，流体的稳态运动方程为：该方程表示理想流体在稳态运动过程中，单位体积内所包含的总能量保持不变。该式各项单位为m，是长度的量纲，称之为压头。由于电机冷却系统的流体在运动过程中的高度位置基本保持不变，即h为常数项，可以归到C1中。于是方程变为：根据流体力学理论，流体的稳态运动方程为：该方程8 该式表明在流体的运动过程中全压头保持不变，静压头与动压头之间可以相互转换，即高压静止的流体可以转化为低压高速的流体，反之亦然。四、实际流体在管道中运动时的损耗 实际流体总是存在着粘滞性，流体运动时总会遇到各种阻力，因此必然要引起能量的损耗。损耗分为两类：一类是摩擦损耗，另一类是局部损耗。摩擦损耗：是由流体的粘滞性引起的，它把机械能转化为热能；局部损耗：是由于管道形状发生突变，或流道转弯等，引起流体质点间的相互碰撞，产生涡流，导至额外的内部摩擦损耗。在电机冷却系统中，通风道形状复杂多变，显然流体的能量损耗主要是局部损耗。该式表明在流体的运动过程中全压头保持不变，静压头9考虑到运动过程中的各种损耗，则柏努利方程应写为：以下讨论损耗的计算方法。（一）摩擦损耗 如果流体在截面不变的管道流动时，则流体在管道两端的速度相等，即：考虑到运动过程中的各种损耗，则柏努利方程应写为：以下讨论损耗10对于圆形管道，p可以表示为动压力的形式：在电机中，由于有旋转部件，因此流体总是处在紊流状态中，此时有：当管道为矩形时，可以按等效的圆形管道来计算：对于圆形管道，p可以表示为动压力的形式：在电机中11（二）局部损耗（在电机冷却系统中，流体能量的主要损耗）局部损耗也以动压力的形式来表示：以下讨论几种局部损耗的计算方法：1、管道截面突然扩大A1A2v1v2（二）局部损耗（在电机冷却系统中，流体能量的主要损耗）局部损12管道截面突然变小：A2A1v1v2局部损耗系数可用下式计算：2、出口和入口出口是截面突然扩大，即表示p=1/2*v2即流体带走全部的动能，动压头为零。入口处的局部损耗系数随入口的结构情况而不同。共有三类，如书中表6-1所示。喇叭形入口的损耗最小。管道截面突然变小：A2A1v1v2局部损耗系数可用下式计算：13 其损耗取决于管道形状、弯曲角度及尺寸大小等因素有关。在电机中气流方向的改变而引起的局部损耗，可用下式计算：3、管道改变方向 其损耗取决于管道形状、弯曲角度及尺寸大小等因素有14五、管道的流阻与风阻流体通过管道时所产生的任何损耗均可表示为动压力的形式：为了计算上的方便，将上式改写为：通常将流阻写成：对于计算截面突然变大或变小的风阻时，A应取小截面处的面积，则对应于小截面处的流速的系数。五、管道的流阻与风阻流体通过管道时所产生的任何损耗均可表示为15六、风阻的串联与并联 在计算与研究通风问题时，经常用风阻联接图来替代实际风道，这种联接图称为风路图。如图所示。Z1为入口风阻，Z2为扩大阻，Z3为转弯风阻，Z4为缩小风阻，Z5为扩大风阻。流过上述风阻的流量相同，气体通过整个管道所需的全部压力（总损耗）等于各部分压力损耗的总和，即12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5 对于具有串并联结构的管道及风路图如下：六、风阻的串联与并联 在计算与研究通风问题时，经常16qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此时支路中的风压降为：支路的风压降为：由于支路与支路具有公共的入口与出口，因此二支路的压降应相等。即qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z617如果有n个风阻并联，则等值总风阻为：七、流体通过管道所需的功率流体通过管道引起的总压降为：该压降就必须的升压装置来维持，才能保证流体（气体）能够连续不断地通过风阻Z，该升压装置采用风扇。风扇的作用在于将机械能转变为流体的动能及位能，从而提高流体的压头，维持所需的流量。流体通过管道所消耗的功率为：如果有n个风阻并联，则等值总风阻为：七、流体通过管道所需的功186-3 风 扇一、概述 风扇的作用在于产生风压，以驱送所需的气体源源不断地通过电机。风扇结构有两类：其一是离心式；其二是轴流式。1、离心式风扇 特点是能够产生较高的风压；旋转时，叶片间的气体受到离心力的作用而沿着径向飞逸，在叶轮的边缘处形成压力；气流进出风扇时一般要发生运动方向的改变；所以效率低，只有0.2左右。2、轴流式风扇 特点是气体受叶片的鼓动或一种轴向压力，而沿着轴向运动，在出口处形成压力；气流进出风扇一般不再改变方向；所以效率较高达到0.8左右。缺点是风压小。6-3 风 扇一、概述 风扇的作用在于产生191、离心式风扇：n径向风向2、轴流式风扇n轴向风向1、离心式风扇：n径向风向2、轴流式风扇n轴向风向20电机设计之五课件21风罩风罩22n凸极同步机n凸极同步机23n直流机n直流机24 工作原理：当叶片旋转时，片间的空气被离心力向着径向方向甩出去，产生所需气压；又使得叶轮内外径处空气相对真空，气压变低，于是新的气体又不断地叶轮内径的外部补充进来。二、理想的离心风扇所产生的压力入口角出口角 工作原理：当叶片旋转时，片间的空气被离心力向着25 理想风扇的假定：即风扇在工作时没有任何的损耗，流过叶片的气体与叶片的外形平行。设风扇工作时产生的压力为p，通过的流量为qv，由于是理想风扇，外界对风扇所做的机械功全部转变为气体所获得的功率。即 理想风扇的假定：即风扇在工作时没有任何的损耗，26 根据动量矩定理，在稳定流动中，某一时间t内流体动量矩的变化，等于同一时间内所加入的冲量矩。根据动量矩定理，在稳定流动中，某一时间t内流体动量27 只要叶轮的转速和尺寸已知，u1与u2就能确定；而v1t与v2t则需要利用速度三角形来确定。以下分析气体的各速度分量。在叶轮的任意半径r处，叶片的线速度已定即u=r，因此在这一半径处的气体，具有该线速度分量；同时叶片间的气体一定有一个径向的速度分量wr，其值为流量qv除以叶轮在r处的相应圆柱形面积，即：但是由前面的假定，即风扇是理想的，所以叶片间的气体只能沿着与叶片外形平行的方向流动。当r处的叶片切线与圆外切线的夹角为时，则气体沿叶片的速度w与wr之间的关系为：于是当叶轮以给定的转速旋转时，叶片间气体有两个速度分量，其一是随叶片一起旋转的线速度u；其二是相对叶片的速度w。如图所示。只要叶轮的转速和尺寸已知，u1与u2就能确定；而28叶片间气体的绝对速度v则为w与u的矢量和。叶片间气体的绝对速度v则为w与u的矢量和。29 若在叶轮的内径与外径处，叶片切线与圆周的切线的夹角各为1与2，则由入口与出口处的速度三角形可知：根据三角形的余弦定理，得：入口角出口角 若在叶轮的内径与外径处，叶片切线与圆周的切线的夹30将上式改写成：上式第一项是叶片间气体柱在旋转时，由于离心力的作用而产生的静压力；第二项是气体在出口处比在入口处的相对速度减少而转化的静压力；第三项为气体获得的动压力。空载运行时，指叶轮外径的出风口全部封闭，则有qv=0，w=0，v=u，故空载时所产生的压力为：因此，空载运行时，风扇所产生的压力只与叶轮的内、外径相关而与叶的形状无关。将上式改写成：上式第一项是叶片间气体柱在旋转时，31三、理想离心式风扇的外特性 当风扇负载运行时，就有qv0，那么风扇所产生的压力pL与流量qv间的关系称之为风扇的外特性。三、理想离心式风扇的外特性 当风扇负载运行时，就有q32入口角出口角入口角出口角33从上式可以分析入口角1与出口角2的变化对风扇特性的影响。按1，2之间的关系离心式分扇可分为三类：211=221，290，称为前倾式叶片，其外特性向上倾斜，主要用于低速单方向旋转的电机，效率较高。（三）21，211=22134 一般而言，入口角190，这样取值可以减少气体进入风扇时的损耗。风扇叶片的倾角对静压力与动压力的分配也有影响，在电机的冷却系统中动压力往往要先转化为静压力才能充分利用，但转化总是要损失一些压力。因此希望风扇产生的全压力中的静压力占的比例要大些。而前倾式风扇产生的静压力较少，因此很少在电机中采用。四、实际离心式风扇的外特性和功率实际离心式风扇具有下列一些损耗：（1）冲击损耗气体进入叶片时，因冲击损耗而失去一部分压力。（2）摩擦损耗与局部损耗 气体在叶片间流动，由于摩擦损耗与局部损耗而失去一部分压力。这部分损耗与流量qv的平方成正比。一般而言，入口角190，这样取值可以减少气体35（3）压力损耗 由于实际叶片数不是很多，因此片间气体不可能与叶片作平行流动，使气体在入口与出口处的速度与理想风扇不一样，所以实际压力总是小于计算值。实际风扇存在着上述三种压力损耗，使外特性不是直线而是曲线，如图6-16 所示。为了确定离心式风扇的实际外特性，主要应确定空载运行点和短路运行点。空载运行点（即流量qv=0）：（3）压力损耗 由于实际叶片数不是很多，因此片间气36短路运行点(p=0)：根据经验，短路时，不同叶片的离心式风扇的qvm与叶轮外径处通过的气体的圆柱形表面积A2具有以下数值关系：对于径向式的离心风扇，外特性曲线用标么值表示时，用下列简化形式表达：当已知风扇外特性和通风系统的风阻特性。那么两条曲线的交点就是风扇的工作点。如图所示。风扇的额定工作点最好定在最大流量的一半处，即qv=qvm/2。因为该位置的工作效率最高。短路运行点(p=0)：根据经验，短路时，不同叶片的离37pLqv0风阻特性风扇外特性风扇输入功率：五、离心式风扇的计算要点 要点主要是确定其内径D1、外径D2、叶片的宽度b和倾角1，2在普通电机中多采用径向式风扇，以下介绍该风扇设计要点。1、叶轮外径D2的确定，对于轴向通风系统，外径D2应尽可能地大，以产生较高的风压。qvmqvm/2pLqv0风阻特性风扇外特性风扇输入功率：五、离心式风扇的计38叶轮外径处的圆柱形表面积：4、确定叶轮内径D1按最大效率条件，有3、确定叶片宽度2、根据已确定的D2，确定线速度u2叶轮外径处的圆柱形表面积：4、确定叶轮内径D1按最大效率条件39选择时一般考虑叶片构成的管道长度和宽度有适当的比例，以减小损耗。在平均直径处叶片之间的距离应小于或等于叶片的高度，即叶片数N：6、确定叶片数N5、确定1=2=90根据径向风扇空载运行产生静压力的公式：P是风扇的额定工作点的压力，等于风路的总压降。选择时一般考虑叶片构成的管道长度和宽度有适当的比例，6、确定40