《電機(jī)設(shè)計(jì)》課件5

第六章電機(jī)的冷卻,6-1電機(jī)的冷卻方式,一、概述,1、風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動(dòng)的冷卻方式,2、氫氣為冷卻介質(zhì)的冷卻方式,同樣尺寸的電機(jī)采用氫冷后，可提高容量2025%，且效率也能提高。,3、內(nèi)冷，即不通過(guò)絕緣材料，使導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量直接傳給冷卻介質(zhì),a)以氫作為冷卻介質(zhì)；,b)以水作為冷卻介質(zhì),（一）開(kāi)路冷卻或閉路冷卻,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；其缺點(diǎn)是：空氣冷卻效果差，在高速電機(jī)中引起的摩擦損耗大。其結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)有以下四個(gè)方面：,二、空氣冷卻系統(tǒng),目前在電機(jī)制造業(yè)中大量采用的仍是以空氣為冷卻介質(zhì)的空氣冷卻系統(tǒng)。本章主要討論空氣冷卻系統(tǒng)。,開(kāi)路式：外部空氣進(jìn)入電機(jī)回到周?chē)h(huán)境中去,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）。,（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)便于利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的部件，如風(fēng)道片、鑄鋁散熱片等的鼓風(fēng)作用，產(chǎn)生散熱效果而得到廣泛應(yīng)用。,軸向通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)軸流式風(fēng)扇的作用，使空氣沿著軸向從一端流入進(jìn)入電機(jī)，另一端流出。,混合式通風(fēng)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(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)闊峥諝怅P(guān)出。,（四）外冷與內(nèi)冷,外冷即所謂表面冷卻方式；內(nèi)冷即從發(fā)熱件內(nèi)部直接冷卻的方式，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。,6-2關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí),一、概述,電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所產(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：,二、流體運(yùn)動(dòng)中常用名詞,（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。,（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。,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。,（五）層流及紊流,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,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)Re2300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。,（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)壓力則表示運(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。,三、理想流體運(yùn)動(dòng)方程（柏努利方程）,如何判斷流體運(yùn)動(dòng)是層流還是紊流？,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。,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?該式表明在流體的運(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。,四、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：是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。,考慮到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫(xiě)為：,以下討論損耗的計(jì)算方法。,（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：,對(duì)于圓形管道，p可以表示為動(dòng)壓力的形式：,在電機(jī)中，由于有旋轉(zhuǎn)部件，因此流體總是處在紊流狀態(tài)中，此時(shí)有：,當(dāng)管道為矩形時(shí)，可以按等效的圓形管道來(lái)計(jì)算：,（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,管道截面突然變?。?局部損耗系數(shù)可用下式計(jì)算：,2、出口和入口,出口是截面突然擴(kuò)大，即,表示p=1/2*v2,即流體帶走全部的動(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。,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：,3、管道改變方向,五、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，則對(duì)應(yīng)于小截面處的流速的系數(shù)。,六、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,對(duì)于具有串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管道及風(fēng)路圖如下：,此時(shí)支路中的風(fēng)壓降為：,支路的風(fēng)壓降為：,由于支路與支路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：,七、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)能及位能，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,一、概述,風(fēng)扇的作用在于產(chǎn)生風(fēng)壓，以驅(qū)送所需的氣體源源不斷地通過(guò)電機(jī)。風(fēng)扇結(jié)構(gòu)有兩類：其一是離心式；其二是軸流式。,1、離心式風(fēng)扇,特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生較高的風(fēng)壓；旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片間的氣體受到離心力的作用而沿著徑向飛逸，在葉輪的邊緣處形成壓力；氣流進(jìn)出風(fēng)扇時(shí)一般要發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的改變；所以效率低，只有0.2左右。,2、軸流式風(fēng)扇,特點(diǎn)是氣體受葉片的鼓動(dòng)或一種軸向壓力，而沿著軸向運(yùn)動(dòng)，在出口處形成壓力；氣流進(jìn)出風(fēng)扇一般不再改變方向；所以效率較高達(dá)到0.8左右。缺點(diǎn)是風(fēng)壓小。,1、離心式風(fēng)扇：,徑向風(fēng)向,2、軸流式風(fēng)扇,軸向風(fēng)向,凸極同步機(jī),直流機(jī),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)。,二、理想的離心風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力,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,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。,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=r，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：,但是由前面的假定，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。,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1與2，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：,將上式改寫(xiě)成：,上式第一項(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。,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：,因此，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)。,三、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qv0，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。,從上式可以分析入口角1與出口角2的變化對(duì)風(fēng)扇特性的影響。按1，2之間的關(guān)系離心式分扇可分為三類：,（一）2=1，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2=1=90，稱為徑向式葉片，優(yōu)點(diǎn)是可以逆轉(zhuǎn)，但效率低。,（二）21，290，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。,（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(zhuǎn)的電機(jī)，效率介于上二者之間。,一般而言，入口角190，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)生的全壓力中的靜壓力占的比例要大些。而前傾式風(fēng)扇產(chǎn)生的靜壓力較少，因此很少在電機(jī)中采用。,四、實(shí)際離心式風(fēng)扇的外特性和功率,實(shí)際離心式風(fēng)扇具有下列一些損耗：,（1）沖擊損耗,氣體進(jìn)入葉片時(shí)，因沖擊損耗而失去一部分壓力。,（2）摩擦損耗與局部損耗,氣體在葉片間流動(dòng)，由于摩擦損耗與局部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(shí)際葉片數(shù)不是很多，因此片間氣體不可能與葉片作平行流動(dòng)，使氣體在入口與出口處的速度與理想風(fēng)扇不一樣，所以實(shí)際壓力總是小于計(jì)算值。,實(shí)際風(fēng)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(fēng)扇的實(shí)際外特性，主要應(yīng)確定空載運(yùn)行點(diǎn)和短路運(yùn)行點(diǎn)。,空載運(yùn)行點(diǎn)（即流量qv=0）：,短路運(yùn)行點(diǎn)(p=0)：,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，短路時(shí)，不同葉片的離心式風(fēng)扇的qvm與葉輪外徑處通過(guò)的氣體的圓柱形表面積A2具有以下數(shù)值關(guān)系：,對(duì)于徑向式的離心風(fēng)扇，外特性曲線用標(biāo)么值表示時(shí)，用下列簡(jiǎn)化形式表達(dá)：,當(dāng)已知風(fēng)扇外特性和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻特性。那么兩條曲線的交點(diǎn)就是風(fēng)扇的工作點(diǎn)。如圖所示。風(fēng)扇的額定工作點(diǎn)最好定在最大流量的一半處，即qv=qvm/2。因?yàn)樵撐恢玫墓ぷ餍首罡摺?風(fēng)扇輸入功率：,五、離心式風(fēng)扇的計(jì)算要點(diǎn),要點(diǎn)主要是確定其內(nèi)徑D1、外徑D2、葉片的寬度b和傾角1，2在普通電機(jī)中多采用徑向式風(fēng)扇，以下介