《电机设计》课件之五

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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,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。,3,6-2,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。,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：,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,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？,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,C,1,中。于是方程变为：,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。,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：,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：,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,A,1,A,2,v,1,v,2,12,管道截面突然变小：,A,2,A,1,v,1,v,2,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*v,2,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。,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,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。,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。,Z,1,为入口风阻，,Z,2,为扩大阻，,Z,3,为转弯风阻，,Z,4,为缩小风阻，,Z,5,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,1,2,3,4,5,q,v,q,v,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,Z,5,对于具有串并联结构的管道及风路,图如下：,16,q,v1,q,v2,q,v,q,v,1,2,4,3,5,6,7,8,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,Z,5,Z,6,Z,7,+Z,8,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,17,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：,18,6-3,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。,19,1,、离心式风扇：,n,径向风向,2,、轴流式风扇,n,轴向风向,20,风罩,21,n,凸极同步机,22,n,直流机,23,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,24,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,q,v,，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,25,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,。,26,只要叶轮的转速和尺寸已知，,u,1,与,u,2,就能确定；而,v,1t,与,v,2t,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,w,r,，其值为流量,q,v,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,w,r,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。,27,叶片间气体的绝对速度,v,则为,w,与,u,的矢量和。,28,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,29,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,q,v,=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。,30,三、理想离心式风扇的外特性,当风扇负载运行时，就有,q,v,0,，那么,风扇所产生的压力,p,L,与,流量,q,v,间的关系称之为风扇的外特性。,31,入口角,出口角,32,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：,2,1,1,=,2,2,1,，,2,90,，,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）,2,1,，,2,90,，,称为,后倾式,叶片，其外特性是向下倾斜，用于高速单,方向旋转的电机，效率介于上二者之间。,33,一般而言，入口角,1,90,，,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,q,v,的平方成正比。,34,（,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,q,v,=0,）：,35,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,q,vm,与叶轮外径处,通过的气体的圆柱形表面积,A,2,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,q,v,=q,vm,/2,。因为该位置的工作效率最高。,36,p,L,q,v,0,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,D,1,、外径,D,2,、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,D,2,的确定，对于轴向通风系统，外径,D,2,应尽可能地,大，以产生较高的风压。,q,vm,q,vm,/2,37,叶轮外径处的圆柱形表面积：,4,、确定叶轮内径,D,1,按最大效率条件，有,3,、确定叶片宽度,2,、根据已确定的,D,2,，确定线速度,u,2,38,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,N,5,、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。,39,