电机设计第六章-李景灿

第六章

电机的冷却6-1电机的冷却方式6-2关于流体运动的基本知识6-3风扇6.1电机的冷却近代电机都采用较高的电磁负荷，提高材料的利用率。电机的单机容量也日益增大，因此，必须改进电机的冷却系统，提高散热冷力。除了个别小型和特种电机，绝大多数电机都是采用风扇强迫空气流动来冷却电机。根据冷却介质的不同来划分电机的冷却系统较为方便。在电机制造中，目前主要冷却系统按冷却介质分有：空气冷却

（最为常用。）油冷却氢冷却（采用氢冷，可提高容量，效率也能提高。）水冷却6.1电机的冷却

空气冷却系统优点：电机结构简单、成本较低。缺点：冷却效果差、高速电机引起风摩损耗较大。（一）开路冷却或闭路冷却开路式：外部空气→进入电机→回到周围环境中去按风压产生方式分为：自然冷却:1kw以下的小电机，不安装风扇。自冷通风:轴上安装风扇。强迫风循环:单独风机供风。闭路式：电机内部空气→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）。6.1电机的冷却

空气冷却系统（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：通风的冷却介质沿径向流动优点：利用转子上能够产生风压的零部件（如风道片，磁极等）的鼓风作用，应用较广缺点：通风能力较差轴向通风系统：通风的冷却介质沿轴向流动优点：便于安装直径较大的风扇，以加大通风量缺点：通风强，风压损失小，材料省；但沿轴向方向上冷却不均匀，且不便于利用转子上部件的鼓风作用混合通风系统：兼有轴向和径向两种通道，但往往是偏重一种直流电机：以轴向为主的混合式系统汽轮发电机：以径向为主的混合式系统特点：将气流分为多股，使冷却空气尽可能与电机的所有发热部分相接触，电机各部分得到均匀地冷却。6.1电机的冷却

空气冷却系统（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→变为热空气送出。高速电机中，风扇引起的空气温升可达5℃，抽出式冷却能力更强。（四）外冷与内冷外冷即所谓表面冷却方式。冷却介质仅通过绕组的绝缘表面、铁心和机壳的表面，间接的将热量带走，亦称为间接冷却。该系统结构简单、冷却效果较差，多在中、小型电机中采用，冷却介质常用空气。按结构可分为自冷式、自扇冷式和他扇冷式。内冷即从发热件内部直接冷却的方式。采用空心导体，把冷却介质通入导体内部直接带走热量的方式，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。内部冷却时常常采用氢气或经过处理的纯净水作为冷却介质。与表面氢冷相比，氢内冷冷却效果更好。若进一步采用水内冷，效果更佳。6.2关于流体运动的基本知识电机在运行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：由上式所得的流量必须在数量上按适当的比例沿定、转子的冷却通道流动，才能保证冷却介质和定、转子中各发热部分具有合适的温升，因此在设计电机时，除了计算总的流量，还必须初步估计流量在电机各部分的分配和流速。6.2关于流体运动的基本知识流体中常用的名词：（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。6.2关于流体运动的基本知识流体中常用的名词：（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。6.2关于流体运动的基本知识流体中常用的名词：（五）层流及紊流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，之间没有流体交换。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。层流层流6.2关于流体运动的基本知识流体中常用的名词：（五）层流及紊流如何判断流体运动是层流还是紊流？通常用一个无量纲的量即雷诺数来判断流体运动情况。当Re<2300时为层流，当Re>2300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。6.2关于流体运动的基本知识流体中常用的名词：（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。6.2关于流体运动的基本知识理想流体运动方程（柏努利方程）

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。将方程两边除以rg得：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。6.2关于流体运动的基本知识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，另一类是局部损耗。摩擦损耗：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：6.2关于流体运动的基本知识实际流体在管道中运动时的损耗（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：6.2关于流体运动的基本知识实际流体在管道中运动时的损耗（二）局部损耗（在电机冷却系统中，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、管道截面突然扩大或突然缩小A1A2v1v26.2关于流体运动的基本知识实际流体在管道中运动时的损耗（二）局部损耗（在电机冷却系统中，流体能量的主要损耗）1、管道截面突然扩大或突然缩小局部损耗系数可用下式计算：A2A1v1v22、出口和入口出口是截面突然扩大，即表示出口处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。6.2关于流体运动的基本知识实际流体在管道中运动时的损耗（二）局部损耗（在电机冷却系统中，流体能量的主要损耗）3、管道突然改变方向局部损耗系数可用下式计算：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：6.2关于流体运动的基本知识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，x则对应于小截面处的流速的系数。6.2关于流体运动的基本知识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：12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z56.2关于流体运动的基本知识风阻的串联与并联qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此时支路Ⅰ中的风压降为：支路Ⅱ的风压降为：由于支路Ⅰ与支路Ⅱ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：6.2关于流体运动的基本知识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，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风扇风扇的作用：产生足够的压力以驱送所需的气体通过电机。离心式：能产生较高压力但效率低在风扇转动时，处于其叶片间的气体受离心力的作用向外飞逸。因而在风扇叶轮出口处形成压力气流进出离心式风扇时，一般要发生运动方向的改变。优点：它能产生较高压力（最适宜一般中小型电机的通风系统的需要）；缺点：效率较低。

轴流式：效率高，但不能产生较高的压力在风扇转动时，气体受其叶片鼓动沿轴向运动，在风扇出口处形成压力。优点：效率高，气流进出时一般不改变运动方向；缺点：产生的压力较低，仅适应低压下供给大量气体（一般用在高速电机）。混合式：在中等压力下效率较高，制造复杂工作原理介于前面二者。优点：在中等压力下具有较高的效率；缺点：制造比较复杂（较少采用）。nn轴向风向径向风向6.3风扇理想的离心式风扇所产生的压力n径向风向工作原理：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。风罩理想风扇的假定：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功全部转变为气体所获得的功率。即6.3风扇理想的离心式风扇所产生的压力根据动量矩定理，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。6.3风扇理想的离心式风扇所产生的压力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=Wr，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：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b时，则气体沿叶片的速度w与wr之间的关系为：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。入口角出口角6.3风扇理想的离心式风扇所产生的压力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b1与b2，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：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。6.3风扇理想的离心式风扇所产生的压力将上式改写成：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：空载运行时，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。6.3风扇理想离心式风扇的外特性当风扇负载运行时，就有qv≠0，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。6.3风扇理想离心式风扇的外特性入口角出口角从上式可以分析入口角b1与出口角b2的变化对风扇特性有影响。6.3风扇理想离心式风扇的外特性按b1，b2之间的关系离心式分扇可分为三类：b2=b1，外特性是一条平行于横轴的直线，即压力与流量无关。例如b2=b1=90º，称为径向式叶片，优点是可以逆转，但效率低。b2>b1

，b2>90º，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。b2<b1

，b2<90º，称为后倾式叶片，其外特性是向下倾斜，用于高速单方向旋转的电机，效率介于上二者之间。b2>b1b1=b2b2<b1qv0一般而言，入口角b1<90º，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