《電機設計》之五 電機的冷卻ppt課件

1、第六章 電機的冷卻6-1電機的冷卻方式一、概述1、風扇強迫空氣流動的冷卻方式2、氫氣為冷卻介質的冷卻方式同樣尺寸的電機采用氫冷后，可提高容量2025% ，且效率也能提高。3、內冷，即不經過絕緣資料，使導體產生的熱量直接傳給冷卻介質a)以氫作為冷卻介質；b)以水作為冷卻介質一開路冷卻或閉路冷卻 特點：構造簡單、本錢低；其缺陷是：空氣冷卻效果差，在高速電機中引起的摩擦損耗大。其構造類型特點有以下四個方面：二、空氣冷卻系統(tǒng) 目前在電機制造業(yè)中大量采用的仍是以空氣為冷卻介質的空氣冷卻系統(tǒng)。本章主要討論空氣冷卻系統(tǒng)。開路式：外部空氣進入電機回到周圍環(huán)境中去閉路式：電機內部空氣在電機內部循環(huán)冷卻介質產生的

2、熱量經過構造件如機殼傳送給第二介質水。二徑向、軸向和混合式通風系統(tǒng)按電機內部冷卻空氣的流動方向，分為徑向、軸向與混合三種 徑向通風系統(tǒng)便于利用轉子上可以產生風壓的部件，如風道片、鑄鋁散熱片等的鼓風作用，產生散熱效果而得到廣泛運用。 軸向通風系統(tǒng)經過軸流式風扇的作用，使空氣沿著軸向從一端流入進入電機，另一端流出。 混合式通風系統(tǒng)兼有軸向與徑向兩種通道。三抽出式和鼓入式抽出式：冷空氣先和電機的發(fā)熱部件接觸變?yōu)闊峥諝庥娠L扇送出；鼓入式：冷空氣由風扇鼓入再與電機發(fā)熱部件接觸變?yōu)闊峥諝怅P出。四外冷與內冷 外冷即所謂外表冷卻方式；內冷即從發(fā)熱件內部直接冷卻的方式，如水輪發(fā)電機的勵磁繞組可采用空氣內冷。內冷

3、效果雖好，但系統(tǒng)構造復雜。6-2 關于流體運動的根本知識一、概述 電機在運轉過程中所產生的熱量全部依托流體介質空氣、氫氣、水帶走。所需的冷卻介質總的體積流量可由下式計算：溫升冷卻介質通過電機后的冷卻介質的比熱容熱量耗為冷卻介質所帶走的損式中aahaahvCmJcpcpq)./()(3二、流體運動中常用名詞一流體的概念 流體是由相互間聯(lián)絡比較松馳的分子組成，分子之間沒有像剛性物質所具有的剛性聯(lián)絡。這種物質稱之為流體。 為了研討方便，即假定流體是一種延續(xù)介質，以為流體的分子間沒有空隙，作了這樣假設才干運用數學工具。然而這種宏觀模型只能得到流體的平均力學特性。二流體的緊縮性 根據流體在壓力的作用下其

4、體積的改動程度不同，流體可分為可緊縮的和不可緊縮的兩種。因此水是不可緊縮的，空氣是可緊縮的。但是在實踐運用中由于空氣的流速不大，壓力變化也不大，使得體積的變化也不大，因此，把空氣當作不可緊縮的流體來處置。三流體的粘滯性 粘滯性表現為一種抗拒流體流動的內部摩擦力或粘滯阻力。這種摩擦力的大小正比于流體層滑動時的速度梯度，公式為：.,;,度取決于流體的性質及溫動力粘度系數體流速的變化即垂直于流動方向上流速度梯度單位面積上的摩擦力dndvdndv四理想流體和真實流體 真實流體是可緊縮的，而且有粘滯性。理想流體即不思索可緊縮性和粘滯性。研討時先從理想流體出發(fā)，得出運動規(guī)律，然后按真實情況加以修正。 流體

5、在管道內的運動形狀可分為層流和紊流兩種。層流運動時，流體平行于管道外表流動，各層平行運動，之間沒有流體交換。五層流及紊流 作紊流運動時，流體的質點不再堅持平行于管壁的運動，而是以平均流速向各個方向作無規(guī)那么的擾動。層流 通常用一個無量綱的量即雷諾數來判別流體運動情況。當Re2300時為紊流。雷諾數在一定程度上反映了流體本身的慣性和粘滯性。在同樣條件下，粘滯性小，密度大的流體比較容易產生紊流。六流體的壓力靜壓力與動壓力 靜壓力即為流體受緊縮的程度，單位用Pa來表示。靜壓力也可看作是被緊縮流體單位體積內所儲存的位能。動壓力那么表示運動的流體單位體積中所具有的動能，可表示為運動速度流體密度 vvpg

6、,22靜壓力與動壓力之和稱為全壓力，即單位體積流體中所包含的總機械能。三、理想流體運動方程柏努利方程如何判別流體運動是層流還是紊流？ 根據流膂力學實際，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：流體的動能位能流體內部靜壓力對應的為對應重力的位能式中222121vpghCvpgh 該方程表示理想流體在穩(wěn)態(tài)運動過程中，單位體積內所包含的總能量堅持不變。1221Cgvgphhg得將方程兩邊除以該式各項單位為m，是長度的量綱，稱之為壓頭。.,21,2為全壓頭為動壓頭為靜壓頭為程高hgvgph 由于電機冷卻系統(tǒng)的流體在運動過程中的高度位置根本堅持不變，即h為常數項，可以歸到C1中。于是方程變?yōu)椋?221Cgvgph 該式闡

7、明在流體的運動過程中全壓頭堅持不變，靜壓頭與動壓頭之間可以相互轉換，即高壓靜止的流體可以轉化為低壓高速的流體，反之亦然。四、實踐流體在管道中運動時的損耗 實踐流體總是存在著粘滯性，流體運動時總會遇到各種阻力，因此必然要引起能量的損耗。損耗分為兩類：一類是摩擦損耗，另一類是部分損耗。摩擦損耗：是由流體的粘滯性引起的，它把機械能轉化為熱能； 部分損耗：是由于管道外形發(fā)生突變，或流道轉彎等，引起流體質點間的相互碰撞，產生渦流，導至額外的內部摩擦損耗。 在電機冷卻系統(tǒng)中，通風道外形復雜多變，顯然流體的能量損耗主要是部分損耗。)(2121222211壓力的減少量pvpvp思索到運動過程中的各種損耗，那么

8、柏努利方程應寫為：以下討論損耗的計算方法。一摩擦損耗 假設流體在截面不變的管道流動時，那么流體在管道兩端的速度相等，即：.21:2121耗時由摩擦產生的靜壓損運動到位置是流體從位置因此于是由上述方程可得ppppvv對于圓形管道，p可以表示為動壓力的方式：管道直徑管道長度還與流體狀態(tài)有關而是速度的函數不是常數摩擦系數為摩擦損耗系數式中dldlvvdlp,;21222 在電機中，由于有旋轉部件，因此流體總是處在紊流形狀中，此時有：.,065. 002. 0對于粗糙管道取上限道取下限對于管壁光滑的金屬管當管道為矩形時，可以按等效的圓形管道來計算：baabd2等效直徑二部分損耗在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能

9、量的主要損耗部分損耗也以動壓力的方式來表示：.,2122小表現為流體靜壓力的減成正比與并且由實驗證明中是一個常數在幾何形狀相似的管道為局部損耗系數vpvp以下討論幾種部分損耗的計算方法：1、管道截面忽然擴展1221)1 (vAA速值是對應小截面處的流此時A1A2v1v2管道截面忽然變?。篈2A1v1v2部分損耗系數可用下式計算：212)1 (21vAA流速值是對應于小截面處的2、出口和入口出口是截面忽然擴展，即1,2A表示p=1/2*v2即流體帶走全部的動能，動壓頭為零。 入口處的部分損耗系數隨入口的構造情況而不同。共有三類，如書中表6-1所示。喇叭形入口的損耗最小。.,2的大小查曲線根據轉角

10、空氣動阻力系數管道中空氣的速度式中aavvp 其損耗取決于管道外形、彎曲角度及尺寸大小等要素有關。在電機中氣流方向的改動而引起的部分損耗，可用下式計算：3、管道改動方向五、管道的流阻與風阻流體經過管道時所產生的任何損耗均可表示為動壓力的方式：.212vp為了計算上的方便，將上式改寫為：通過管道的體積流量管道的截面積當流體為氣體則為風阻管道的流阻式中vvvqAAZZqqAAvAvp;2.2)(2212222222通常將流阻寫成：22.2AAZ 對于計算截面忽然變大或變小的風阻時，A應取小截面處的面積，那么對應于小截面處的流速的系數。六、風阻的串聯(lián)與并聯(lián) 在計算與研討通風問題時，經常用風阻聯(lián)接圖來

11、替代實踐風道，這種聯(lián)接圖稱為風路圖。如下圖。Z1為入口風阻，Z2為擴展阻，Z3為轉彎風阻，Z4為減少風阻，Z5為擴展風阻。 流過上述風阻的流量一樣，氣體經過整個管道所需的全部壓力總損耗等于各部分壓力損耗的總和，即nnddvvvvvvdZZZZZZZZqZqZqZqZqZqZ1543212524232221212345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5 對于具有串并聯(lián)構造的管道及風路圖如下：qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此時支路中的風壓降為：21121321)(vvqZqZZp支路的風壓降為：222226542)(vvqZqZZZp由于支路與支路具有公共的入口與

12、出口，因此二支路的壓降應相等。即221221121212212112221)11(1)1 ()1 ()(ZZZZZqqZqqqZqpZqZpppvvvvvvdvd假設有n個風阻并聯(lián)，那么等值總風阻為：87121)1(1ZZZZZZZdnnd總于是上圖總風阻為七、流體經過管道所需的功率流體經過管道引起的總壓降為：2總總總vqZp 該壓降就必需的升壓安裝來維持，才干保證流體氣體能夠延續(xù)不斷地經過風阻Z，該升壓安裝采用風扇。風扇的作用在于將機械能轉變?yōu)榱黧w的動能及位能，從而提高流體的壓頭，維持所需的流量。流體經過管道所耗費的功率為：3總總總總vvvqZqpp6-3 風 扇 一、概述 風扇的作用在于產

13、生風壓，以驅送所需的氣體源源不斷地通過電機。風扇構造有兩類：其一是離心式；其二是軸流式。1、離心式風扇 特點是可以產生較高的風壓；旋轉時，葉片間的氣體遭到離心力的作用而沿著徑向飛逸，在葉輪的邊緣處構成壓力；氣流進出風扇時普通要發(fā)生運動方向的改動；所以效率低，只需0.2左右。2、軸流式風扇 特點是氣體受葉片的煽動或一種軸向壓力，而沿著軸向運動，在出口處構成壓力；氣流進出風扇普通不再改動方向；所以效率較高到達0.8左右。缺陷是風壓小。1、離心式風扇：n徑向風向2、軸流式風扇n軸向風向風罩n凸極同步機n直流機 任務原理：當葉片旋轉時，片間的空氣被離心力向著徑向方向甩出去，產生所需氣壓；又使得葉輪內外

14、徑處空氣相對真空，氣壓變低，于是新的氣體又不斷地葉輪內徑的外部補充進來。二、理想的離心風扇所產生的壓力入口角出口角 理想風扇的假定：即風扇在任務時沒有任何的損耗，流過葉片的氣體與葉片的外形平行。 設風扇任務時產生的壓力為p，經過的流量為qv，由于是理想風扇，外界對風扇所做的機械功全部轉變?yōu)闅怏w所獲得的功率。即作用在葉輪上的轉矩葉輪旋轉的角速度式中TpqTv; 根據動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內流體動量矩的變化，等于同一時間內所參與的沖量矩。ttttvrVvmrvrVvmr2221211111葉輪出口處的動量矩為葉輪進口處的動量矩為速度的切向分量葉輪內外半徑處的氣體葉輪的內外半徑氣體的密

15、度內流過的氣體體積時間式中則ttttvttttvvrrtVvrvrqvrvrtVTvrvrVTtFtr2121112211221122;)()()()(度為葉輪內外徑處的線速式中于是有2111221122)()(uuvuvuvrvrqqqTpttttvvv 只需葉輪的轉速和尺寸知，u1與u2就能確定；而v1t與v2t那么需求利用速度三角形來確定。 以下分析氣體的各速度分量。在葉輪的恣意半徑r處，葉片的線速度已定即u=r，因此在這一半徑處的氣體，具有該線速度分量；同時葉片間的氣體一定有一個徑向的速度分量wr，其值為流量qv除以葉輪在r處的相應圓柱形面積，即：Aqwvr 但是由前面的假定，即風扇是

16、理想的，所以葉片間的氣體只能沿著與葉片外形平行的方向流動。當r處的葉片切線與圓外切線的夾角為時，那么氣體沿葉片的速度w與wr之間的關系為：sinrww 于是當葉輪以給定的轉速旋轉時，葉片間氣體有兩個速度分量，其一是隨葉片一同旋轉的線速度u；其二是相對葉片的速度w。如下圖。葉片間氣體的絕對速度v那么為w與u的矢量和。uwv 假設在葉輪的內徑與外徑處，葉片切線與圓周的切線的夾角各為1與2，那么由入口與出口處的速度三角形可知：22221111coscoswuvwuvtt根據三角形的余弦定理，得：ttvuvuvuvuwvuvuvuvuw2222222222222221121211112121212co

17、s22cos2入口角出口角將上式改寫成：)(21)(212222222221212111wvuvuwvuvutt)(21)(21)(21)(2122222121221122vvwwuupuvuvptt式中得將上式代入 上式第一項為哪一項葉片間氣體柱在旋轉時，由于離心力的作用而產生的靜壓力；第二項是氣體在出口處比在入口處的相對速度減少而轉化的靜壓力；第三項為氣體獲得的動壓力。 空載運轉時，指葉輪外徑的出風口全部封鎖，那么有qv=0，w=0，v=u，故空載時所產生的壓力為：)()(21)(212122212221220uuuuuup 因此，空載運轉時，風扇所產生的壓力只與葉輪的內、外徑相關而與葉的

18、外形無關。三、理想離心式風扇的外特性 當風扇負載運轉時，就有qv0，那么風扇所產生的壓力pL與流量qv間的關系稱之為風扇的外特性。111112222222222222tan2tan22tanbrquvbrquvbrqAqvvuvvvtvtvvrrt同理可得代入上式得又由于的切向分量為由圖可得速度vLttttqbuuprurubbbuvuvpvv)tan1tan1(2)(, )(122122112221112221得以及并考慮在一般情況下代入將vLvLqbuupqp)tan1tan1(2)()(122122如下即外特性之間的關系與流量壓力出口角入口角葉片寬度線速度葉輪內圓線速度葉輪外圓空氣密度其

19、中211122bruru入口角出口角從上式可以分析入口角1與出口角2的變化對風扇特性的影響。按1，2之間的關系離心式分扇可分為三類：211=221 ，290，稱為前傾式葉片，其外特性向上傾斜，主要用于低速一方向旋轉的電機，效率較高。三 21 ，290，稱為后傾式葉片，其外特性是向下傾斜，用于高速單方向旋轉的電機，效率介于上二者之間。 普通而言，入口角190，這樣取值可以減少氣體進入風扇時的損耗。 風扇葉片的傾角對靜壓力與動壓力的分配也有影響，在電機的冷卻系統(tǒng)中動壓力往往要先轉化為靜壓力才干充分利用，但轉化總是要損失一些壓力。因此希望風扇產生的全壓力中的靜壓力占的比例要大些。而前傾式風扇產生的靜

20、壓力較少，因此很少在電機中采用。四、實踐離心式風扇的外特性和功率實踐離心式風扇具有以下一些損耗：1沖擊損耗氣體進入葉片時，因沖擊損耗而失去一部分壓力。2摩擦損耗與部分損耗 氣體在葉片間流動，由于摩擦損耗與部分損耗而失去一部分壓力。這部分損耗與流量qv的平方成正比。3壓力損耗 由于實踐葉片數不是很多，因此片間氣體不能夠與葉片作平行流動，使氣體在入口與出口處的速度與理想風扇不一樣，所以實踐壓力總是小于計算值。 實踐風扇存在著上述三種壓力損耗，使外特性不是直線而是曲線，如圖6-16 所示。 為了確定離心式風扇的實踐外特性，主要應確定空載運轉點和短路運轉點?？蛰d運轉點即流量qv=0：6 . 05 . 075. 0)(0000212200對徑向葉片對后傾葉片對前傾葉片體動效率為風扇空載運行時的氣靜壓力uup短路運轉點(p=0)： 根據閱歷，短路時，不同葉片的離心式風扇的qvm與葉輪外徑處經過的氣體的圓柱形外表積A2具有以下數值關系：為折扣系數葉輪外徑葉片寬度其中式中時當對徑向式葉片時當對后傾式葉片時當對前傾式葉片92. 0,42. 0,90,35. 0,25,5 . 0,15525,222222122212221KDbbDKAAuqAuqAuqvmvmvm