电机设计课件之五ppt课件.ppt

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1、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,（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

2、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

3、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：,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

4、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：,（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

5、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

6、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：,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：,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

7、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。,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：,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：,（二）局部损耗（在电机冷却系统中

8、，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,管道截面突然变小：,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。,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：,为了计算上的方便，将上式改写为：,通

9、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。,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,对于具有串并联结构的管道及风路 图如下：,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,如果有n个风阻并联，则等值总风阻为：,七、

10、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：,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

11、、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：,径向风向,2、轴流式风扇,轴向风向,凸极同步机,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,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

12、功全部转变为气体所获得的功率。即,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。,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

13、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。,叶片间气体的绝对速度v则为w与u的矢量和。,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：,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，

14、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。,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。,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：,（一）2=1，外特性是一条平行于 横轴的直线，即压力与流量无关。例如 2=1=90，称为径向式叶片，优点是 可以逆转，但效率低。,（二） 21 ，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 ，290，称为后倾式 叶片，其外特性是向下倾斜，用于高速单 方向

15、旋转的电机，效率介于上二者之间。,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。,（3）

16、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）：,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

17、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。,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。,qvm,qvm/2,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,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。,