電機(jī)設(shè)計(jì)第六章-李景燦

第六章

電機(jī)的冷卻6-1電機(jī)的冷卻方式6-2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)6-3風(fēng)扇6.1電機(jī)的冷卻近代電機(jī)都采用較高的電磁負(fù)荷，提高材料的利用率。電機(jī)的單機(jī)容量也日益增大，因此，必須改進(jìn)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，提高散熱冷力。除了個(gè)別小型和特種電機(jī)，絕大多數(shù)電機(jī)都是采用風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動(dòng)來(lái)冷卻電機(jī)。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同來(lái)劃分電機(jī)的冷卻系統(tǒng)較為方便。在電機(jī)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(jī)的冷卻

空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。缺點(diǎn)：冷卻效果差、高速電機(jī)引起風(fēng)摩損耗較大。（一）開(kāi)路冷卻或閉路冷卻開(kāi)路式：外部空氣→進(jìn)入電機(jī)→回到周圍環(huán)境中去按風(fēng)壓產(chǎn)生方式分為：自然冷卻:1kw以下的小電機(jī)，不安裝風(fēng)扇。自冷通風(fēng):軸上安裝風(fēng)扇。強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán):單獨(dú)風(fēng)機(jī)供風(fēng)。閉路式：電機(jī)內(nèi)部空氣→在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)→冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的熱量→經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)件如機(jī)殼→傳遞給第二介質(zhì)（水）。6.1電機(jī)的冷卻

空氣冷卻系統(tǒng)（二）徑向、軸向和混合式通風(fēng)系統(tǒng)按電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的流動(dòng)方向，分為徑向、軸向與混合三種徑向通風(fēng)系統(tǒng)：通風(fēng)的冷卻介質(zhì)沿徑向流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件（如風(fēng)道片，磁極等）的鼓風(fēng)作用，應(yīng)用較廣缺點(diǎn)：通風(fēng)能力較差軸向通風(fēng)系統(tǒng)：通風(fēng)的冷卻介質(zhì)沿軸向流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：便于安裝直徑較大的風(fēng)扇，以加大通風(fēng)量缺點(diǎn)：通風(fēng)強(qiáng)，風(fēng)壓損失小，材料省；但沿軸向方向上冷卻不均勻，且不便于利用轉(zhuǎn)子上部件的鼓風(fēng)作用混合通風(fēng)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(jī)：以軸向?yàn)橹鞯幕旌鲜较到y(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)：以徑向?yàn)橹鞯幕旌鲜较到y(tǒng)特點(diǎn)：將氣流分為多股，使冷卻空氣盡可能與電機(jī)的所有發(fā)熱部分相接觸，電機(jī)各部分得到均勻地冷卻。6.1電機(jī)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(jī)的發(fā)熱部件接觸→變?yōu)闊峥諝庥娠L(fēng)扇送出；鼓入式：冷空氣由風(fēng)扇鼓入→再與電機(jī)發(fā)熱部件接觸→變?yōu)闊峥諝馑统觥８咚匐姍C(jī)中，風(fēng)扇引起的空氣溫升可達(dá)5℃，抽出式冷卻能力更強(qiáng)。（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(guò)繞組的絕緣表面、鐵心和機(jī)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(jiǎn)單、冷卻效果較差，多在中、小型電機(jī)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(dǎo)體，把冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)體內(nèi)部直接帶走熱量的方式，如水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(fù)雜。內(nèi)部冷卻時(shí)常常采用氫氣或經(jīng)過(guò)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(jìn)一步采用水內(nèi)冷，效果更佳。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)電機(jī)在運(yùn)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(jì)算：由上式所得的流量必須在數(shù)量上按適當(dāng)?shù)谋壤囟?、轉(zhuǎn)子的冷卻通道流動(dòng)，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(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，除了計(jì)算總的流量，還必須初步估計(jì)流量在電機(jī)各部分的分配和流速。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)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(méi)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(rèn)為流體的分子間沒(méi)有空隙，作了這樣假設(shè)才能應(yīng)用數(shù)學(xué)工具。然而這種宏觀模型只能得到流體的平均力學(xué)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(shí)際應(yīng)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(dāng)作不可壓縮的流體來(lái)處理。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)的速度梯度，公式為：（四）理想流體和真實(shí)流體真實(shí)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(shí)先從理想流體出發(fā)，得出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后按真實(shí)情況加以修正。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體中常用的名詞：（五）層流及紊流流體在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為層流和紊流兩種。層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體平行于管道表面流動(dòng)，各層平行運(yùn)動(dòng)，之間沒(méi)有流體交換。作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)不再保持平行于管壁的運(yùn)動(dòng)，而是以平均流速向各個(gè)方向作無(wú)規(guī)則的擾動(dòng)。層流層流6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體中常用的名詞：（五）層流及紊流如何判斷流體運(yùn)動(dòng)是層流還是紊流？通常用一個(gè)無(wú)量綱的量即雷諾數(shù)來(lái)判斷流體運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)Re<2300時(shí)為層流，當(dāng)Re>2300時(shí)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(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體中常用的名詞：（六）流體的壓力-靜壓力與動(dòng)壓力靜壓力即為流體受壓縮的程度，單位用Pa來(lái)表示。靜壓力也可看作是被壓縮流體單位體積內(nèi)所儲(chǔ)存的位能。動(dòng)壓力表示運(yùn)動(dòng)的流體單位體積中所具有的動(dòng)能，可表示為：靜壓力與動(dòng)壓力之和稱為全壓力，即單位體積流體中所包含的總機(jī)械能。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)理想流體運(yùn)動(dòng)方程（柏努利方程）

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程為：該方程表示理想流體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(xiàng)單位為m，是長(zhǎng)度的量綱，稱之為壓頭。由于電機(jī)冷卻系統(tǒng)的流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的高度位置基本保持不變，即h為常數(shù)項(xiàng)，可以歸到C1中。于是方程變?yōu)椋涸撌奖砻髟诹黧w的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中全壓頭保持不變，靜壓頭與動(dòng)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(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)實(shí)際流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的損耗實(shí)際流體總是存在著粘滯性，流體運(yùn)動(dòng)時(shí)總會(huì)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(jī)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(diǎn)間的相互碰撞，產(chǎn)生渦流，導(dǎo)至額外的內(nèi)部摩擦損耗。在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，通風(fēng)道形狀復(fù)雜多變，顯然流體的能量損耗主要是局部損耗?？紤]到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫(xiě)為：6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)實(shí)際流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的損耗（一）摩擦損耗如果流體在截面不變的管道流動(dòng)時(shí)，則流體在管道兩端的速度相等，即：6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)實(shí)際流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的損耗（二）局部損耗（在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損耗也以動(dòng)壓力的形式來(lái)表示：以下討論幾種局部損耗的計(jì)算方法：1、管道截面突然擴(kuò)大或突然縮小A1A2v1v26.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)實(shí)際流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的損耗（二）局部損耗（在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）1、管道截面突然擴(kuò)大或突然縮小局部損耗系數(shù)可用下式計(jì)算：A2A1v1v22、出口和入口出口是截面突然擴(kuò)大，即表示出口處流體帶走全部的動(dòng)能，動(dòng)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(shū)中表6-1所示。喇叭形入口的損耗最小。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)實(shí)際流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的損耗（二）局部損耗（在電機(jī)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(jì)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(guān)。在電機(jī)中氣流方向的改變而引起的局部損耗，可用下式計(jì)算：6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)管道的流阻與風(fēng)阻流體通過(guò)管道時(shí)所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為動(dòng)壓力的形式：為了計(jì)算上的方便，將上式改寫(xiě)為：通常將流阻寫(xiě)成：對(duì)于計(jì)算截面突然變大或變小的風(fēng)阻時(shí)，A應(yīng)取小截面處的面積，x則對(duì)應(yīng)于小截面處的流速的系數(shù)。6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)在計(jì)算與研究通風(fēng)問(wèn)題時(shí)，經(jīng)常用風(fēng)阻聯(lián)接圖來(lái)替代實(shí)際風(fēng)道，這種聯(lián)接圖稱為風(fēng)路圖。如圖所示。Z1為入口風(fēng)阻Z2為擴(kuò)大阻Z3為轉(zhuǎn)彎風(fēng)阻Z4為縮小風(fēng)阻Z5為擴(kuò)大風(fēng)阻流過(guò)上述風(fēng)阻的流量相同，氣體通過(guò)整個(gè)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(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此時(shí)支路Ⅰ中的風(fēng)壓降為：支路Ⅱ的風(fēng)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(yīng)相等。即如果有n個(gè)風(fēng)阻并聯(lián)，則等值總風(fēng)阻為：6.2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體通過(guò)管道所需的功率流體通過(guò)管道引起的總壓降為：該壓降就必須的升壓裝置來(lái)維持，才能保證流體（氣體）能夠連續(xù)不斷地通過(guò)風(fēng)阻Z，該升壓裝置采用風(fēng)扇。風(fēng)扇的作用在于將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動(dòng)能及位，從而提高流體的壓頭，維持所需的流量。流體通過(guò)管道所消耗的功率為：6.3風(fēng)扇風(fēng)扇的作用：產(chǎn)生足夠的壓力以驅(qū)送所需的氣體通過(guò)電機(jī)。離心式：能產(chǎn)生較高壓力但效率低在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，處于其葉片間的氣體受離心力的作用向外飛逸。因而在風(fēng)扇葉輪出口處形成壓力氣流進(jìn)出離心式風(fēng)扇時(shí)，一般要發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的改變。優(yōu)點(diǎn)：它能產(chǎn)生較高壓力（最適宜一般中小型電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)的需要）；缺點(diǎn)：效率較低。

軸流式：效率高，但不能產(chǎn)生較高的壓力在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體受其葉片鼓動(dòng)沿軸向運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)扇出口處形成壓力。優(yōu)點(diǎn)：效率高，氣流進(jìn)出時(shí)一般不改變運(yùn)動(dòng)方向；缺點(diǎn)：產(chǎn)生的壓力較低，僅適應(yīng)低壓下供給大量氣體（一般用在高速電機(jī)）。混合式：在中等壓力下效率較高，制造復(fù)雜工作原理介于前面二者。優(yōu)點(diǎn)：在中等壓力下具有較高的效率；缺點(diǎn)：制造比較復(fù)雜（較少采用）。nn軸向風(fēng)向徑向風(fēng)向6.3風(fēng)扇理想的離心式風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力n徑向風(fēng)向工作原理：當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(duì)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(bǔ)充進(jìn)來(lái)。風(fēng)罩理想風(fēng)扇的假定：即風(fēng)扇在工作時(shí)沒(méi)有任何的損耗，流過(guò)葉片的氣體與葉片的外形平行。設(shè)風(fēng)扇工作時(shí)產(chǎn)生的壓力為p，通過(guò)的流量為qv，由于是理想風(fēng)扇，外界對(duì)風(fēng)扇所做的機(jī)械功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w所獲得的功率。即6.3風(fēng)扇理想的離心式風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力根據(jù)動(dòng)量矩定理，在穩(wěn)定流動(dòng)中，某一時(shí)間t內(nèi)流體動(dòng)量矩的變化，等于同一時(shí)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(lái)確定。6.3風(fēng)扇理想的離心式風(fēng)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(shí)葉片間的氣體一定有一個(gè)徑向的速度分量wr，其值為流量qv除以葉輪在r處的相應(yīng)圓柱形面積，即：由前面的假定，即風(fēng)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(dòng)。當(dāng)r處的葉片切線與圓外切線的夾角為b時(shí)，則氣體沿葉片的速度w與wr之間的關(guān)系為：于是當(dāng)葉輪以給定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片間氣體有兩個(gè)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(duì)葉片的速度w。如圖所示。葉片間氣體的絕對(duì)速度v則為w與u的矢量和。入口角出口角6.3風(fēng)扇理想的離心式風(fēng)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(xiàng)是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用而產(chǎn)生的靜壓力；第二項(xiàng)是氣體在出口處比在入口處的相對(duì)速度減少而轉(zhuǎn)化的靜壓力；第三項(xiàng)為氣體獲得的動(dòng)壓力。6.3風(fēng)扇理想的離心式風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力將上式改寫(xiě)成：空載運(yùn)行時(shí)，指葉輪外徑的出風(fēng)口全部封閉，則有qv=0，w=0，v=u，故空載時(shí)所產(chǎn)生的壓力為：空載運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力只與葉輪的內(nèi)、外徑相關(guān)而與葉的形狀無(wú)關(guān)。6.3風(fēng)扇理想離心式風(fēng)扇的外特性當(dāng)風(fēng)扇負(fù)載運(yùn)行時(shí)，就有qv≠0，那么風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力pL與流量qv間的關(guān)系稱之為風(fēng)扇的外特性。6.3風(fēng)扇理想離心式風(fēng)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(duì)風(fēng)扇特性有影響。6.3風(fēng)扇理想離心式風(fēng)扇的外特性按b1，b2之間的關(guān)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(wú)關(guān)。例如b2=b1=90o，稱為徑向式葉片，優(yōu)點(diǎn)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(jī)，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(jī)，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(jìn)入風(fēng)扇時(shí)的損耗。風(fēng)扇葉片的傾角對(duì)靜壓力與動(dòng)壓力的分配也有影響，在電機(jī)的冷卻系統(tǒng)中動(dòng)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(fēng)扇產(chǎn)生的