《电机设计》课件之五.

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20~25%，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（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。§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：温升冷却介质通过电机后的冷却介质的比热容热量耗为冷却介质所带走的损式中aahaahvCmJcpcpq)./()(3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。（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：.,;,度取决于流体的性质及温动力粘度系数体流速的变化即垂直于流动方向上流速度梯度单位面积上的摩擦力dndvdndv（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时为层流，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，可表示为运动速度流体密度vvpg,22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？根据流体力学理论，流体的稳态运动方程为：流体的动能位能流体内部静压力对应的为对应重力的位能式中222121vpghCvpgh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。1221Cgvgphhg得将方程两边除以该式各项单位为m，是长度的量纲，称之为压头。.,21,,2为全压头为动压头为静压头为程高hgvgph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：1221Cgvgph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。)(2121222211压力的减少量pvpvp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：.21:2121耗时由摩擦产生的静压损运动到位置是流体从位置因此于是由上述方程可得ppppvv对于圆形管道，Δp可以表示为动压力的形式：管道直径管道长度还与流体状态有关而是速度的函数不是常数摩擦系数为摩擦损耗系数式中dldlvvdlp,,,;21222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：.,065.0~02.0对于粗糙管道取上限道取下限对于管壁光滑的金属管当管道为矩形时，可以按等效的圆形管道来计算：baabd2等效直径（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：.,,2122小表现为流体静压力的减成正比与并且由实验证明中是一个常数在几何形状相似的管道为局部损耗系数vpvp以下讨论几种局部损耗的计算方法：1、管道截面突然扩大1221)1(vAA速值是对应小截面处的流此时A1A2v1v2管道截面突然变小：A2A1v1v2局部损耗系数可用下式计算：212)1(21vAA流速值是对应于小截面处的2、出口和入口出口是截面突然扩大，即1,2A表示Δp=1/2*ρv2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。.,2的大小查曲线根据转角空气动阻力系数管道中空气的速度式中aavvp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：.212vp为了计算上的方便，将上式改写为：通过管道的体积流量管道的截面积当流体为气体则为风阻管道的流阻式中vvvqAAZZqqAAvAvp;2.2)(2212222222通常将流阻写成：22.2AAZ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，ζ则对应于小截面处的流速的系数。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nnddvvvvvvdZZZZZZZZqZqZqZqZqZqZ1543212524232221212345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5对于具有串并联结构的管道及风路图如下：qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此时支路Ⅰ中的风压降为：21'121321)(vvqZqZZp支路Ⅱ的风压降为：22'2226542)(vvqZqZZZp由于支路Ⅰ与支路Ⅱ具有公共的入口与出口，因此二支路的压降应相等。即2'2'12'2'1'1212'122121'12221)11(1)1()1()(ZZZZZqqZqqqZqpZqZpppvvvvvvdvd如果有n个风阻并联，则等值总风阻为：87121)1(1ZZZZZZZdnnd总于是上图总风阻为七、流体通过管道所需的功率流体通过管道引起的总压降为：2总总总vqZp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：3总总总总vvvqZqpp§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。1、离心式风扇：n径向风向2、轴流式风扇n轴向风向风罩n凸极同步机n直流机工作原理：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。即作用在叶轮上的转矩叶轮旋转的角速度式中TpqTv;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。ttttvrVvmrvrVvmr2221211111叶轮出口处的动量矩为叶轮进口处的动量矩为速度的切向分量叶轮内外半径处的气体叶轮的内外半径气体的密度内流过的气体体积时间式中则ttttvttttvvrrtVvrvrqvrvrtVTvrvrVTtFtr2121112211221122;)()()()(度为叶轮内外径处的线速式中于是有2111221122)()(uuvuvuvrvrqqqTpttttvvv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=Ωr，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：Aqwvr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β时，则气体沿叶片的速度w与wr之间的关系为：sinrww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。叶片间气体的绝对速度v则为w与u的矢量和。uwv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β1与β2，则由入口与出口处的速度三角形可知：22221111coscoswuvwuvtt根据三角形的余弦定理，得：ttvuvuvuvuwvuvuvuvuw222