電機設計第六章-李景燦

第六章

電機的冷卻6-1電機的冷卻方式6-2關于流體運動的基本知識6-3風扇6.1電機的冷卻近代電機都采用較高的電磁負荷，提高材料的利用率。電機的單機容量也日益增大，因此，必須改進電機的冷卻系統(tǒng)，提高散熱冷力。除了個別小型和特種電機，絕大多數(shù)電機都是采用風扇強迫空氣流動來冷卻電機。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同來劃分電機的冷卻系統(tǒng)較為方便。在電機制造中，目前主要冷卻系統(tǒng)按冷卻介質(zhì)分有：空氣冷卻

（最為常用。）油冷卻氫冷卻（采用氫冷，可提高容量，效率也能提高。）水冷卻6.1電機的冷卻

空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)點：電機結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。缺點：冷卻效果差、高速電機引起風摩損耗較大。（一）開路冷卻或閉路冷卻開路式：外部空氣→進入電機→回到周圍環(huán)境中去按風壓產(chǎn)生方式分為：自然冷卻:1kw以下的小電機，不安裝風扇。自冷通風:軸上安裝風扇。強迫風循環(huán):單獨風機供風。閉路式：電機內(nèi)部空氣→在電機內(nèi)部循環(huán)→冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的熱量→經(jīng)過結(jié)構(gòu)件如機殼→傳遞給第二介質(zhì)（水）。6.1電機的冷卻

空氣冷卻系統(tǒng)（二）徑向、軸向和混合式通風系統(tǒng)按電機內(nèi)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)：通風的冷卻介質(zhì)沿徑向流動優(yōu)點：利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風壓的零部件（如風道片，磁極等）的鼓風作用，應用較廣缺點：通風能力較差軸向通風系統(tǒng)：通風的冷卻介質(zhì)沿軸向流動優(yōu)點：便于安裝直徑較大的風扇，以加大通風量缺點：通風強，風壓損失小，材料?。坏剌S向方向上冷卻不均勻，且不便于利用轉(zhuǎn)子上部件的鼓風作用混合通風系統(tǒng)：兼有軸向和徑向兩種通道，但往往是偏重一種直流電機：以軸向為主的混合式系統(tǒng)汽輪發(fā)電機：以徑向為主的混合式系統(tǒng)特點：將氣流分為多股，使冷卻空氣盡可能與電機的所有發(fā)熱部分相接觸，電機各部分得到均勻地冷卻。6.1電機的冷卻

空氣冷卻系統(tǒng)（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)闊峥諝馑统?。高速電機中，風扇引起的空氣溫升可達5℃，抽出式冷卻能力更強。（四）外冷與內(nèi)冷外冷即所謂表面冷卻方式。冷卻介質(zhì)僅通過繞組的絕緣表面、鐵心和機殼的表面，間接的將熱量帶走，亦稱為間接冷卻。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、冷卻效果較差，多在中、小型電機中采用，冷卻介質(zhì)常用空氣。按結(jié)構(gòu)可分為自冷式、自扇冷式和他扇冷式。內(nèi)冷即從發(fā)熱件內(nèi)部直接冷卻的方式。采用空心導體，把冷卻介質(zhì)通入導體內(nèi)部直接帶走熱量的方式，如水輪發(fā)電機的勵磁繞組可采用空氣內(nèi)冷。內(nèi)冷效果雖好，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。內(nèi)部冷卻時常常采用氫氣或經(jīng)過處理的純凈水作為冷卻介質(zhì)。與表面氫冷相比，氫內(nèi)冷冷卻效果更好。若進一步采用水內(nèi)冷，效果更佳。6.2關于流體運動的基本知識電機在運行中所產(chǎn)生的熱量全部依靠流體介質(zhì)（空氣、氫氣、水）帶走。所需的冷卻介質(zhì)總的體積流量可由下式計算：由上式所得的流量必須在數(shù)量上按適當?shù)谋壤囟?、轉(zhuǎn)子的冷卻通道流動，才能保證冷卻介質(zhì)和定、轉(zhuǎn)子中各發(fā)熱部分具有合適的溫升，因此在設計電機時，除了計算總的流量，還必須初步估計流量在電機各部分的分配和流速。6.2關于流體運動的基本知識流體中常用的名詞：（一）流體的概念流體是由相互間聯(lián)系比較松馳的分子組成，分子之間沒有像剛性物質(zhì)所具有的剛性聯(lián)系。這種物質(zhì)稱之為流體。為了研究方便，即假定流體是一種連續(xù)介質(zhì)，認為流體的分子間沒有空隙，作了這樣假設才能應用數(shù)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）流體的壓縮性根據(jù)流體在壓力的作用下其體積的改變程度不同，流體可分為可壓縮的和不可壓縮的兩種。因此水是不可壓縮的，空氣是可壓縮的。但是在實際應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，把空氣當作不可壓縮的流體來處理。6.2關于流體運動的基本知識流體中常用的名詞：（三）流體的粘滯性粘滯性表現(xiàn)為一種抗拒流體流動的內(nèi)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：（四）理想流體和真實流體真實流體是可壓縮的，而且有粘滯性。理想流體即不考慮可壓縮性和粘滯性。研究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。6.2關于流體運動的基本知識流體中常用的名詞：（五）層流及紊流流體在管道內(nèi)的運動狀態(tài)可分為層流和紊流兩種。層流運動時，流體平行于管道表面流動，各層平行運動，之間沒有流體交換。作紊流運動時，流體的質(zhì)點不再保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)則的擾動。層流層流6.2關于流體運動的基本知識流體中常用的名詞：（五）層流及紊流如何判斷流體運動是層流還是紊流？通常用一個無量綱的量即雷諾數(shù)來判斷流體運動情況。當Re<2300時為層流，當Re>2300時為紊流。雷諾數(shù)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(chǎn)生紊流。6.2關于流體運動的基本知識流體中常用的名詞：（六）流體的壓力-靜壓力與動壓力靜壓力即為流體受壓縮的程度，單位用Pa來表示。靜壓力也可看作是被壓縮流體單位體積內(nèi)所儲存的位能。動壓力表示運動的流體單位體積中所具有的動能，可表示為：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。6.2關于流體運動的基本知識理想流體運動方程（柏努利方程）

根據(jù)流體力學理論，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：該方程表示理想流體在穩(wěn)態(tài)運動過程中，單位體積內(nèi)所包含的總能量保持不變。將方程兩邊除以rg得：該式各項單位為m，是長度的量綱，稱之為壓頭。由于電機冷卻系統(tǒng)的流體在運動過程中的高度位置基本保持不變，即h為常數(shù)項，可以歸到C1中。于是方程變?yōu)椋涸撌奖砻髟诹黧w的運動過程中全壓頭保持不變，靜壓頭與動壓頭之間可以相互轉(zhuǎn)換，即高壓靜止的流體可以轉(zhuǎn)化為低壓高速的流體，反之亦然。6.2關于流體運動的基本知識實際流體在管道中運動時的損耗實際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，另一類是局部損耗。摩擦損耗：由流體的粘滯性引起的，它把機械能轉(zhuǎn)化為熱能；局部損耗：是由于管道形狀發(fā)生突變，或流道轉(zhuǎn)彎等，引起流體質(zhì)點間的相互碰撞，產(chǎn)生渦流，導至額外的內(nèi)部摩擦損耗。在電機冷卻系統(tǒng)中，通風道形狀復雜多變，顯然流體的能量損耗主要是局部損耗?？紤]到運動過程中的各種損耗，則柏努利方程應寫為：6.2關于流體運動的基本知識實際流體在管道中運動時的損耗（一）摩擦損耗如果流體在截面不變的管道流動時，則流體在管道兩端的速度相等，即：6.2關于流體運動的基本知識實際流體在管道中運動時的損耗（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損耗也以動壓力的形式來表示：以下討論幾種局部損耗的計算方法：1、管道截面突然擴大或突然縮小A1A2v1v26.2關于流體運動的基本知識實際流體在管道中運動時的損耗（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）1、管道截面突然擴大或突然縮小局部損耗系數(shù)可用下式計算：A2A1v1v22、出口和入口出口是截面突然擴大，即表示出口處流體帶走全部的動能，動壓頭為零。入口處的局部損耗系數(shù)隨入口的結(jié)構(gòu)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。6.2關于流體運動的基本知識實際流體在管道中運動時的損耗（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）3、管道突然改變方向局部損耗系數(shù)可用下式計算：其損耗取決于管道形狀、彎曲角度及尺寸大小等因素有關。在電機中氣流方向的改變而引起的局部損耗，可用下式計算：6.2關于流體運動的基本知識管道的流阻與風阻流體通過管道時所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為動壓力的形式：為了計算上的方便，將上式改寫為：通常將流阻寫成：對于計算截面突然變大或變小的風阻時，A應取小截面處的面積，x則對應于小截面處的流速的系數(shù)。6.2關于流體運動的基本知識風阻的串聯(lián)與并聯(lián)在計算與研究通風問題時，經(jīng)常用風阻聯(lián)接圖來替代實際風道，這種聯(lián)接圖稱為風路圖。如圖所示。Z1為入口風阻Z2為擴大阻Z3為轉(zhuǎn)彎風阻Z4為縮小風阻Z5為擴大風阻流過上述風阻的流量相同，氣體通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：12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z56.2關于流體運動的基本知識風阻的串聯(lián)與并聯(lián)qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此時支路Ⅰ中的風壓降為：支路Ⅱ的風壓降為：由于支路Ⅰ與支路Ⅱ具有公共的入口與出口，因此二支路的壓降應相等。即如果有n個風阻并聯(lián)，則等值總風阻為：6.2關于流體運動的基本知識流體通過管道所需的功率流體通過管道引起的總壓降為：該壓降就必須的升壓裝置來維持，才能保證流體（氣體）能夠連續(xù)不斷地通過風阻Z，該升壓裝置采用風扇。風扇的作用在于將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動能及位，從而提高流體的壓頭，維持所需的流量。流體通過管道所消耗的功率為：6.3風扇風扇的作用：產(chǎn)生足夠的壓力以驅(qū)送所需的氣體通過電機。離心式：能產(chǎn)生較高壓力但效率低在風扇轉(zhuǎn)動時，處于其葉片間的氣體受離心力的作用向外飛逸。因而在風扇葉輪出口處形成壓力氣流進出離心式風扇時，一般要發(fā)生運動方向的改變。優(yōu)點：它能產(chǎn)生較高壓力（最適宜一般中小型電機的通風系統(tǒng)的需要）；缺點：效率較低。

軸流式：效率高，但不能產(chǎn)生較高的壓力在風扇轉(zhuǎn)動時，氣體受其葉片鼓動沿軸向運動，在風扇出口處形成壓力。優(yōu)點：效率高，氣流進出時一般不改變運動方向；缺點：產(chǎn)生的壓力較低，僅適應低壓下供給大量氣體（一般用在高速電機）?；旌鲜剑涸谥械葔毫ο滦瘦^高，制造復雜工作原理介于前面二者。優(yōu)點：在中等壓力下具有較高的效率；缺點：制造比較復雜（較少采用）。nn軸向風向徑向風向6.3風扇理想的離心式風扇所產(chǎn)生的壓力n徑向風向工作原理：當葉片旋轉(zhuǎn)時，片間的空氣被離心力向著徑向方向甩出去，產(chǎn)生所需氣壓；又使得葉輪內(nèi)外徑處空氣相對真空，氣壓變低，于是新的氣體又不斷地葉輪內(nèi)徑的外部補充進來。風罩理想風扇的假定：即風扇在工作時沒有任何的損耗，流過葉片的氣體與葉片的外形平行。設風扇工作時產(chǎn)生的壓力為p，通過的流量為qv，由于是理想風扇，外界對風扇所做的機械功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w所獲得的功率。即6.3風扇理想的離心式風扇所產(chǎn)生的壓力根據(jù)動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內(nèi)流體動量矩的變化，等于同一時間內(nèi)所加入的沖量矩。只要葉輪的轉(zhuǎn)速和尺寸已知，u1與u2就能確定；而v1t與v2t則需要利用速度三角形來確定。6.3風扇理想的離心式風扇所產(chǎn)生的壓力以下分析氣體的各速度分量。在葉輪的任意半徑r處，葉片的線速度已定即u=Wr，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：由前面的假定，即風扇是理想的，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b時，則氣體沿葉片的速度w與wr之間的關系為：于是當葉輪以給定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，葉片間氣體有兩個速度分量，其一是隨葉片一起旋轉(zhuǎn)的線速度u；其二是相對葉片的速度w。如圖所示。葉片間氣體的絕對速度v則為w與u的矢量和。入口角出口角6.3風扇理想的離心式風扇所產(chǎn)生的壓力若在葉輪的內(nèi)徑與外徑處，葉片切線與圓周的切線的夾角各為b1與b2，則由入口與出口處的速度三角形可知：根據(jù)三角形的余弦定理，得：第一項是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用而產(chǎn)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(zhuǎn)化的靜壓力；第三項為氣體獲得的動壓力。6.3風扇理想的離心式風扇所產(chǎn)生的壓力將上式改寫成：空載運行時，指葉輪外徑的出風口全部封閉，則有qv=0，w=0，v=u，故空載時所產(chǎn)生的壓力為：空載運行時，風扇所產(chǎn)生的壓力只與葉輪的內(nèi)、外徑相關而與葉的形狀無關。6.3風扇理想離心式風扇的外特性當風扇負載運行時，就有qv≠0，那么風扇所產(chǎn)生的壓力pL與流量qv間的關系稱之為風扇的外特性。6.3風扇理想離心式風扇的外特性入口角出口角從上式可以分析入口角b1與出口角b2的變化對風扇特性有影響。6.3風扇理想離心式風扇的外特性按b1，b2之間的關系離心式分扇可分為三類：b2=b1，外特性是一條平行于橫軸的直線，即壓力與流量無關。例如b2=b1=90o，稱為徑向式葉片，優(yōu)點是可以逆轉(zhuǎn)，但效率低。b2>b1

，b2>90o，稱為前傾式葉片，其外特性向上傾斜，主要用于低速單方向旋轉(zhuǎn)的電機，效率較高。b2<b1

，b2<90o，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(zhuǎn)的電機，效率介于上二者之間。b2>b1b1=b2b2<b1qv0一般而言，入口角b1<90o，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(zhuǎn)化為靜壓力才能充分利用，但轉(zhuǎn)化總是要損失一些壓力。因此希望風扇產(chǎn)生的