电机设计及其CAD第6章

1、School of Electrical Engineering12022年7月7日星期四第六章第六章 电机的冷却电机的冷却风扇强迫空气流动：除个别小型或特种电机外 一一 概述概述：采用较高电磁负荷，提高材料利用率3aDP2aD单 机 容 量 日 益 增 大 ， 改 进 冷 却 ， 提 高 散 热 能 力（ ， 散热 ）6-16-1电机的冷却方式电机的冷却方式School of Electrical Engineering22022年7月7日星期四 50年代以后，汽轮发电机利用内冷系统（使导体中热量直接传递给冷却介质，而不是绝缘） 绝缘厚度56mm, 温度相差最大可达30C1928年，同步调相

2、机采用氢冷成功：减小了气体摩擦损耗，提高了散热能力，容量提高20-25%以上，效率提高。此后20年，汽轮发电机氢冷技术迅速推行.School of Electrical Engineering32022年7月7日星期四空冷: 转子绕组空内冷，定子绕组真空浸渍技术，高效通风系统。氢 液体1955年，英国，30MW定子水内冷，转子氢冷，线负荷比空冷提高45倍，绕组温升没超限值。1958年，中国，定、转子双水内冷气轮发电机 300MW（最大到400MW）跟氢冷体积相当，维护简单、工作可靠，降低设备投资。 通常根据冷却介质划分电机的冷却系统。 介绍使用广泛的空气冷却系统School of Electr

3、ical Engineering42022年7月7日星期四二、二、 空气冷却系统空气冷却系统特点：结构简单，成本低。 冷却效率较差，高速电机中引起的摩擦损耗较大。1. 开路冷却（或自由循环）或闭路冷却（封闭循环）（1）开路冷却： 冷却空气由电机周围抽取，通过电机后，再回到周围环境中，图8-1。 按风压产生方式分成： School of Electrical Engineering52022年7月7日星期四自然冷却： 1kw以下电机，不安装风扇自力通风： 轴上安装风扇强迫风循环：单独风机供风量（变频电机） （2）闭路冷却：冷却介质在风扇作用下在电机内沿闭合线路进行循环，冷却介质中热量经结构件或冷

4、却器传递给第二冷却介质（水）2 径向、轴向和混合式通风系统 按冷却空气流动方向：径向、轴向、混合。School of Electrical Engineering62022年7月7日星期四（1）径向通风系统 径向通风道：利用转子上能产生风压的零部件（如风道片、磁极等）的鼓风作用 冷却空气主要为径向流动。（2）轴向通风系统：利用风扇将空气从一端吸入或鼓入，另一端流出。（3）混合式通风系统： 有轴向和径向两种通道，往往偏重一种 School of Electrical Engineering72022年7月7日星期四3 抽出式和鼓入式 根据冷却空气首先通过发热部分、再通过风扇，还是相反，将空气冷却

5、系统分为抽出式和鼓入式高速电机中，风扇引起的空气温升可达5C ，抽出式冷却能力强抽出式：冷空气电机的发热部件热空气风扇出鼓入式：冷空气风扇鼓入电机发热部件热空气出School of Electrical Engineering82022年7月7日星期四4 外冷与内冷 空冷系统一般为外冷（表面冷却） 提高冷却能力，也有采用内冷，冷却介质从绕组中流过。 水轮发电机的励磁绕组，可用空气内冷。 内冷结构复杂，对冷却气体要求十分干净。School of Electrical Engineering92022年7月7日星期四一一、概述电机运行发热散热（1）铀承中的热量：由轴承的外表面自然导散或由通入轴承中

6、的循环润滑油导散；（2）其他损耗全部依靠流体(空气、氢或水等)带走根据能量守恒关系，所需冷却介质的总流量aahvcpq ph 由冷却介质带走的损耗(瓦)； ca 冷却介质的比热容(J/m3)；对于空气，可取为1100School of Electrical Engineering102022年7月7日星期四 a 冷却介质通过电机后的温升，一般可取为1520C 注意：注意： 上式计算所得的总流量，应按适当比例沿定、转子的冷却通道分别流动，才能保证冷却介质和定转子中各发热部件具有合适的温升。 在设计电机时，除了计算总的流量外，还必须初步估计流量在电机各部分的分配和流速。School of Elec

7、trical Engineering112022年7月7日星期四二二 流体运动中常用名词介绍流体运动中常用名词介绍1 流体 流体是由相互间联系比较松弛的分子所组成，分子之间没有像刚体所具有的那种刚性联系，流体的运动比刚体的运动要复杂得多。 假设：欧拉氏提出的连续性，即流体是一种连续介质的假设，认为流体的分子之间没有空隙。这样才可能使用数学工具。这种宏观模型只能得到流体的平均力学特性，而且不能用来解决有限空间内的过程。School of Electrical Engineering122022年7月7日星期四2 流体的压缩性 根据流体在压力的作用下其体积改变的程度不同，分为：（1）可压缩流体；（

8、2）不可压缩流体。 空气：压力从1个大气压到100个大气压，体积为原来的1 水：压力从1个大气压到100个大气压，体积为原来的99.5。 相对而言，空气属于可压缩流体。 在电机中，冷却空气压力变化不大，体积变化约5，可作为不可压缩流体。School of Electrical Engineering132022年7月7日星期四3 流体的粘滞性 所有的流体都不可避免具有一定的粘滞性，它表现为一种抗拒流体流动的内部摩擦力或粘滞阻力。试验表明，流体的层与层间的这种摩擦力的大小正比于流体层滑动时的速度梯度dndvdndv式中 单位面积上的摩擦力 速度梯度 动力粘度成粘滞系数，它表示流体的粘滞特性，其值

9、取决于流体的性质及温度。一般说，水和空气是两种粘滞性十分小的流体。School of Electrical Engineering142022年7月7日星期四4 .理想流体和真实流体 真实流体：可压缩的、有粘滞性。 理想流体：不考虑压缩性和粘滞性 在研究流体运动时，往往先从理想流体出发，得出运动的一般规律，然后按真实流体的情况加以补充和修正。5. 层流及紊流 流体在管道内运动的状态：层流、紊流。 作层流运动时，流体仅有平行于管道表面的流动。若将流体分为许多平行于管道壁的薄层，则各层作平行运动，它们之间没有流体的交换。 作紊流运动时，流体中的大部分质点不再保持平行于壁的运动，而以平均流速向各方向

10、作无规则扰动。School of Electrical Engineering152022年7月7日星期四通常用雷诺数判断流体流动的状况：Re雷诺数，d 管道的直径(圆形管道)或等效直径(非圆形管道)v 流违运动粘度密度 实验结果表明，流体运动时，当Re2300时为层流，Re2300为紊流。但Re达到2300以前，已开始有部分紊流存在。 雷诺数与流体的流速、管道的几何形状和尺寸、流体本身的性质(密度和粘滞性)有关。同样条件下，粘滞性小、密度大的流体比较容易产生紊流。vdRe School of Electrical Engineering162022年7月7日星期四6 .流体的压力静压力和动压

11、力静压力：反映出流体受压缩的程度，其单位为Pa，可看作是被压缩流体单位体积内所储存的位能。动压力：表示运动着的流体，其单位为Pa，单位体积中所包含的动能。动压力可表示为 全压力：静压力与动压力之和，即单位体积的流体中所包含的总机械能。2vp2gSchool of Electrical Engineering172022年7月7日星期四三、理想流体的运动方程三、理想流体的运动方程伯努利方程伯努利方程流体力学理论中，理想流体的稳态运动方程为 称为伯努利方程。意义：理想流体在稳态运动过程中，单位体积内包含的总能量不变。 gh是对应于重力的位能 p为流体内部包含的压力能（也是一种位能） 2/2是流体的

12、动能。 上式两端同除以gh ，有C2vpgh2School of Electrical Engineering182022年7月7日星期四 式中各项代表是流体单位重量内所包含的能量，写成以压头的形式。 压头的量纲是长度，单位是米。 压头与压力之间的关系的理解：某一流体所具有的压力，可用产生同样压力的流体柱的高度来表示。 12Cg2vgphhgpg2v2hH为高程， 为静压头， 为动压头， 为全压头。School of Electrical Engineering192022年7月7日星期四 在电机冷却系统中，流体在运动过程中其高度位置变化不大，可简化为12Cg2vgph 表示:在运动过程中理想

13、流体的全压头维持不变，但静压头与动压头之间可以互相转化。例如，高压静止的流体可以转化为低压高速的流体，反之亦然。School of Electrical Engineering202022年7月7日星期四四、实际流体在管道中运动时损耗四、实际流体在管道中运动时损耗 伯努利方程是对理想流体推导出来的。 实际流体总是存在着粘滞性，管道对于流体也存在着各种形式的阻力，因此当流体在管道中流动时，不可避免地要引起能量的损耗。 根据产生的部位和原因不同，损耗一般可分为两类：摩擦损耗、局部损耗。School of Electrical Engineering212022年7月7日星期四 摩擦损耗摩擦损耗：由

14、于在接近管道表面的流体边界层中，有较大的速度梯度，所以由于粘滞性引起的摩擦力较大，摩擦把机械能转化为热能，向四周散发 局部损耗局部损耗：发生在管道形状有突变的地方，例如当管道截面突然扩大或缩小、流道的转弯等，会引起流体质点间的互相碰控，产生涡流，导致额外的内部摩擦损耗。 涡流的形成也和该处边界层中的流体摩擦力有关，严格说是不能把这两类损耗截然分开的。School of Electrical Engineering222022年7月7日星期四 考虑到流体运动过程中能量的损耗，伯努利方程应写成p2vp2vp222211 意义：当流体由位置1流到位置2时，总能量中的一部分变成了损耗，所以压力减小了。

15、 在用气体冷却的电机中，一般管道都不长而形状较为复杂多变，能量的损耗主要是局部损耗。School of Electrical Engineering232022年7月7日星期四下面分别说明摩擦损耗和局部损耗的计算方法。1 摩擦损耗 如果流体在截面不变的直管内流动时，则液体在管道两端的速度相等，则 ppp21 就是流体从位置l(管道始端)运动到位置2(管道终端)时，由于与管道摩擦所引起的压力损耗，所损耗的压力为流体的部分静压力。School of Electrical Engineering242022年7月7日星期四 无论在层流或紊流的情况下，对于圆形管道，由于摩损所引起的压力降落可表达为式中

16、 为摩擦损耗系数； 摩擦系数， l管道长度； d管道直径或其等效直径。2v2vdlp222v2School of Electrical Engineering252022年7月7日星期四 摩擦损耗不与流速的平方成正比，因为摩擦系数是速度的函数。 在层流及紊流的初期，摩擦系数随速度的增高而减小，并和管壁的光滑程度有关； 达到完全紊流后，摩擦系数与流速无关，而只与管壁的光滑程度有关。 在电机中，由于有旋转的部件，因此可认为其中的空气或其他流体总是处在紊流状态中，此时 0.020.065 对于管壁光滑的金属管道取下限，对于粗糙的管道，例如由叠片形成的管道取上限。School of Electrica

17、l Engineering262022年7月7日星期四其中为局部损耗系数，在几何形状相似的管道中，为常数。1管道截面突然变化2vp22 局部损耗电机冷却系统内，局部损耗占很大比重。局部损耗也以动压力的形式来表示：School of Electrical Engineering272022年7月7日星期四管道截面突然扩大221AA1v=v1管道截面突然减小12AA121v=v2School of Electrical Engineering282022年7月7日星期四2出口和入口 出口：截面突然扩大的特例，这时A2，1，这表示在出口处，流体带走它包含的全部动能。为了减少出口损耗，可以用扩散器以减

18、小出口处流体的流速。 入口：入口的局部损耗随入口的结构情况而不同。入口的情况大体可分为三类，一为有凸缘的入口，二为无凸缘的直角入口；三为带圆角的入口。School of Electrical Engineering292022年7月7日星期四School of Electrical Engineering302022年7月7日星期四3管道改变方向 管道的方向改变时，在弯曲处所引起的局部损耗取决于弯曲的角度、管道的形状及尺寸等因素。在电机中由于气流方向的改变而引起的局部损耗，可用下式计算： v管道中空气的速度； 当转角为时空气的动阻力系数，可从图66查得。2vpSchool of Electri

19、cal Engineering312022年7月7日星期四五、管道的流阻和风阻五、管道的流阻和风阻 流体通过管道时，无论是摩擦损耗或局部损耗，所对应的压力降落可表为：2v21p2A2Z 称为管道的流阻。若流体为气体时，称为风阻，对应于不同类别的损耗而分别简称为摩擦风阻、扩大风阻、缩小风阻、转弯风阻、入口风阻和出口风阻等； A管道的额面积； qv流量，流过管道的体积流量。2v2v2222ZqqA2)Av(A2v21p为了计算方便，将上式写成：School of Electrical Engineering322022年7月7日星期四图6-6School of Electrical Enginee

20、ring332022年7月7日星期四七、流阻或风阻的串联和并联七、流阻或风阻的串联和并联 气体通过管道时，一般要产生不止一种损耗，即经过几个风阻，它们可能互相串联、并联或串并联。在计算和研究通风问题时，往往用风阻联结图来代替实在的管道，这种联结图称为风路图。12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5School of Electrical Engineering342022年7月7日星期四 其中Z1为入口风阻，Z2为扩大风阻，Z3为转弯风阻，Z4为缩小风阻，Z5为出口风阻。 如果管道较长，还需要考虑与管壁的摩擦，即加上摩擦风阻Z6(图中未画出)。流过上述风阻的流量相同，它们在风路中是串联的。气体超

21、过整个管道或风路所需的全部压力等于各部分压力损耗的总和，即所以，风阻串联时的合成风阻为各部分风阻之和。5432125242322212ZZZZZZqZqZqZqZqZqZdvvvvvvdSchool of Electrical Engineering352022年7月7日星期四qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8School of Electrical Engineering362022年7月7日星期四支路I中的压降为 21121321)(vvqZqZZp 由于支路I及II具有公共的入口及出口，因此二支路的压降应该相等支路II中的压降为 222226542)(

22、vvqZqZZZpSchool of Electrical Engineering372022年7月7日星期四如果有n个风阻并联，其等值风阻为风路的合成风阻为 School of Electrical Engineering382022年7月7日星期四七、流体通过管道所需的功率七、流体通过管道所需的功率 由于管道具有风阻z，当一定流量的气体通过管道时，将引起压降。为了保证一定流量的气体能连续不断地通过风阻，必须有能维持压降的升压装置。 一般采用风扇(如为液体冷却介质则为泵)作为升压装置。风扇或泵的作用是将机械能量转变为流体的能量，从而提高流体的压头，维持所需的流量。流体通过管道时需要由风扇或泵

23、提供的功率为3vvvzqpqpSchool of Electrical Engineering392022年7月7日星期四 风路在某种程度上和电路相似，风阻相当于电阻，流量相当于电流，风压降相当于电压降。不过应该注意，电压降是电流与电阻的乘积，而风压降是风量平方与风阻的乘积。风路的计算比电路要复杂得多，因为风压与风量的关系不是线性的。School of Electrical Engineering402022年7月7日星期四6-3 6-3 风扇风扇一一 概述概述 风扇的作用：产生足够压力，驱动所需冷却空气通过电机。 根据原理分为： 1 离心式： 气流沿风扇轴向进入叶片空间，然后在风扇叶片的驱动

24、下一方面随叶片旋转；另一方面在惯性力的作用下提高能量，沿半径方向离开风扇，靠产生的离心力来做功的风扇风扇外缘形成风压，空气轴向变为径向。 School of Electrical Engineering412022年7月7日星期四School of Electrical Engineering422022年7月7日星期四2 轴流式： 叶片鼓动空气轴向运动，在风扇出口形成风压，不改变方向。 较高压力，最适于一般电机，特别是中小型电机。效率低，最高0.2左右。 效率高，可达0.8，但风压低，仅适于低压下供给大量气体，一般用于高速电机。School of Electrical Engineering

25、432022年7月7日星期四二 离心式风扇1 理想的离心式风扇School of Electrical Engineering442022年7月7日星期四 当叶轮旋转时，叶片间的空气被所产生的离心力向叶轮外缘的方向甩出去，新的气体又不断地从叶轮内径处补充进来，形成气体的不断流动，其结果是获得了气体压力以使其能顺利通过风路。School of Electrical Engineering452022年7月7日星期四(1) 空载运行 将叶轮外径的所有孔口封闭，风扇没有风量。 空载运行时，风扇产生的压力与叶片的形状无关，不同风扇只要其叶轮的内外径相同，产生的压力就相同。21220uup其中，u1、u

26、2分别叶轮内外径处的气体绝对速度的切向分量。School of Electrical Engineering462022年7月7日星期四(2) 短路运行 外部风阻为零，风扇产生的压力为零，风扇流量最大，为qvm (3) 负载运行 负载运行时，风扇产生的压力PL和流量qv之间的关系，就是风扇的外特性 v111122222122Lqtanbrutanbru2uupSchool of Electrical Engineering472022年7月7日星期四只要转速不变，外特性为一直线。通常b1=b2b，u2=r2，u1=r1，为叶轮的角速度，有v122122Lqtan1tan1b2uup1：入口角，

27、小于或等于90，减小气体进入风扇时的摩擦。2：出口角，可以大于、小于或等于1。按1和2的关系，可把离心式风扇分成3类：School of Electrical Engineering482022年7月7日星期四（1）12 外特性平行于横轴，压力与流量无关。1290时，称为径向式风叶，可以正反转，效率较低。（2）21 ，290 前倾式风叶，外特性上斜，用于低速单向旋转机，效率高（2）21 ，290 后倾式风叶，外特性下斜，用于高速单向旋转的电机，效率介于上述二者之间。School of Electrical Engineering492022年7月7日星期四离心式风扇外特性School of E

28、lectrical Engineering502022年7月7日星期四2 实际离心式风扇（1）损耗实际离心式风扇产生损耗的原因：其叶片不会是象理想离心式风扇那样无限多。气体不可能是平稳地、无冲击地进入叶片，并与叶片平行流动，最后与叶片相切地脱离.。School of Electrical Engineering512022年7月7日星期四实际离心式风扇的损耗a 冲击损耗 气体进入叶片时，由于冲击损耗失去一部分压力。这种损耗的大小取决于气体在进入叶片时，叶片相对速度的方向与叶片入口角的吻合程度。如果互相吻合，则气体进入叶片时的损耗为最小，这时的入口角称为无冲击入口角b 摩擦损耗与局部损耗 气体在

29、叶片间流动时，由于摩擦损耗与局部损耗而失去一部分压力，这种损耗与气体在管道中运动时产生的损耗相似，与流量平方成正比。School of Electrical Engineering522022年7月7日星期四c 压力损耗 由于实际风扇的叶片数不是无限多，因此叶片间的气体不可能与叶片作平行流动，气体在入口及出口处的速度与理想风扇的不一样，所以实际风扇产生的压力往往小于计算所得的压力，其差别决定于叶片的数目和形状。但是，这种压力下降并不是由于能量的损耗而只是风扇转换能量能力的降低，所以它并不影响到风扇的能量效率。School of Electrical Engineering532022年7月7日星期四（2）外特性 由于实际的离心式风扇存在着以上三种压力损耗，所以实际外