电机水冷系统设计与散热计算

螺旋形电机水冷系统设计与散热计算孙利云四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000摘要：本文从传热基本理论出发，针对表面冷却中小型电机体积小，功率大，能量密度高的特点，给出了电机水冷螺旋型结构的详细计算过程，为电机冷却设计提供参考方案。关键词：水冷，散热，螺旋型1.引言现代工业的发展对电机性能要求越来越高。电机热损耗问题制约着大容量电机设计发展。根据冷却介质是否通过电机内部，电机冷却方式分为内部冷却和表面冷却1。中小型电机由于体积的限制，常采用表面冷却的方式。按冷却介质的不同，可以把电机分为分为空气冷却和液体（水或油）冷却。空气冷却，运行成本低，摩擦损耗大，散热效率低，常用在能量密度低，发热较低的电机结构中。水冷电机，运行成本高，摩擦损耗小，散热效率高，常用在能量密度高，发热量大的电机结构中。水冷技术应用于电机散热具有很好的冷却效果。电机水冷结构设计的核心任务是电机散热计算，使得电机损耗生热与冷却介质带走的热量达到平衡，从而控制电机温升再允许范围内。此外，冷却介质流速是散热能力重要影响因素之一。冷却介质的流速与压头及流经管道阻力有关。压头由水循环系统的泵产生。流经管道阻力取决于冷却结构的具体形式。螺旋型结构是指水槽在壳体中成螺旋型分布以往的设计过程2是首先设计好水槽的机构尺寸，设定入水口温度、水槽温度、水流速度等参数，计算出水口温度，进而校核冷却系统的散热情况。这种方法，把设计的散热方案的散热功率作为计算结果，与实际需求的散热功率对比。设计方案的散热能力高于实际需要的散热能力，则视为方案可行；反之，方案失败。修改预先设计的水槽尺寸并重新计算直到满足散热条件。散热能力在设计之初是未知的，计算之后才能知道其散热能力。本文采用另一种方法，对散热结构进行设计。2. 水冷计算2.1结构设计电机的基本结构尺寸如图1所示，水套外径200mm，水套截面尺寸为宽24mm，高4mm，图11.转子 2.定子 3.外壳 4.水套电机的功率为7.5KW。经过电磁计算，电机总的损耗为 （1）设所有损耗都转化为热能，在电机稳定运行过程中，热能被水带走。因此实际需要的散热功率为 （2）冷却水相关参数见表1，表1 水的相关物理参数名称单位符号数值流量Q10进口温30出口温35避温40导热系数0.620663运动粘度动力粘度0.00081动力粘度0.00049普朗特数5.52167（1）当量直径（3）式中：、分别为水槽的宽和高，A为水槽截面积，U为水槽湿润周长。（2）雷诺数平均温度 （4）平均温升 （5）流速 （6）雷诺数 （7）由此可以判断，水系统流态为湍流。（3）水流吸收的热量 （8）式中，m为单位实际内流过水槽截面的质量。（4） 冷却水从水套壁吸收热量 （9）为对流换热系数，L为螺旋水槽伸直后的长度。（5）怒谢尔特数3（10）上式适用范围如下：壁面与水流间温差小于2030，；式中：为考虑螺旋管道的修正系数，表达式如下： （11）式中：为螺旋管的曲率半径。（6）水套长度计算由式（8）（11）联立求解得水槽长度 （12）螺旋槽圈数 （13）取螺旋槽圈数为5则水槽段长度为，（14）结论本文从散热能力出发，选择进水口温度，出水口温度，水槽截面尺寸，利用传热学对流换热原理，设计了中小型电机表面冷却系统。参考文献1 陈世坤.电机设计M.北京:机械工业出版社.2005；2 吴桂珍等.高能量密度水冷电机冷却系统设计与热力计算.防爆电机.2008.3；3 杨世铭、陶文铨.传热学M.高等教育出版社,2006