《电机的冷却》PPT课件.ppt

第六章 电机的冷却,6-1 电机的冷却方式 近代电机大部采用较高的电磁负荷，以提高材料的利用率，电机的单机容量也是益增大，因此必须改进电机的冷却系统，以提高其散热能力。一、冷却方式概述冷却方式按冷却介质分：空气冷却（开路或闭路；径向、轴向或混合式；吸入式或压入式；外冷式或内冷式）,油冷却 氢冷却 水冷却,水冷却,二、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类型：（一）开路冷却（或自由循环）或闭路冷却（或封闭循环）1、开路冷却：其冷却空气由电机周围抽取，通过电机后再回到周围环境中去。2、闭路冷却：其初级冷却介质（如空气）通过电机，沿着闭合线路进行循环，初级冷却介质 中的热量经结构或冷却器传递给第二冷却介质（如水）。,（二）径向、轴向和混合式通风系统,按电机内冷却空气流动的方向分,径向通风系统,轴向通风系统,混合通风系统,1、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,2、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,3、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。,（三）抽出式和鼓入式1、抽出式：冷空气首先和电机的发热部分接触再通过风扇，可采用直径较大的风扇；特点：冷却能力较高，将使换向器上所形成的灰尘带入电机中。2、鼓入式：冷空气首先通过风扇，被风扇的损耗加热后再和电机的发热部分接触特点：冷却能力较低，但它能避免电刷与换向器磨损耗的灰尘进入电机。,（四）外冷与内冷1、外冷：空气冷却系统一般采用外冷。冷却介质空气吹拂过电机线圈绝缘和铁心表面，所以 又叫表面冷却方式。2、内冷：冷却介质（空气、水、氢）直接冷却发热体的内部表面。冷却效果好，但冷却系统复杂，对冷却介质要求十分干净。因此很少采用空气作为冷却介质。,6-2 关于流体运动的基本知识,一、概述电机在运行过程中所产生的热量，除轴承中的热量系由轴承的外表面自然导散或由通入轴承中的循环润滑油导散外，其他损耗全部依靠流体(空气、氢气或水等)带走。所需冷却介质的总体积流量可按能量守恒关系，由下式计算：,二、流体运动中常用名词介绍()流体的概念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，因此研究流体的运动比研究刚体的运动要复杂得多。我们在研究流体运动时，般都采用欧拉提出的连续性，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。（二）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，流体可分为可压缩的和不可压缩的两种。例如当压力从1个大气压增至100个大气压时，水的体积只改变0.5，而空气的体积却几乎只有原来的1。因此相对来说，空气是可压缩的流体，而水是不可压缩的流体。但是在用空气作为冷却介质的电机中，空气的流速不大，压力的变化也不大，体积的变化约为5，在这种条件下，也可把空气当作不可压缩的流体来处埋。,(三)流体的粘滞性 所有的流体都不可避免具合一定的粘滞性，它表现为一种抗拒流体流动的内部摩擦力或粘滞阻力；流体的层与层间的这种摩擦力的大小，根据大量试验表明，正比于流体层滑动时的速度梯度，即,(四)理想流体和真实流体 真实流体都是可压缩的，而且是有粘滞性的。既不考虑其可压缩性，也不考虑其粘滞性 的流体称为理想流件。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。,(五)层流及紊流 流体在管道内运动的状态可分为层流及紊流两种。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作无规则扰动。通常用一个无量纲的量雷诺数来判断流体流动的状况：,实验结果表明，流体运动时，当Re2300时为紊流，但Re达到2300以前，即已开始有部分紊流存在,在同样条件下，粘滞性小，密度大的流体比较容易产生紊流。,（六）流体的压力静压力和动压力静压力反映出流体受压缩的程度。静压力也可看作是单位体积内被压缩流体所储存的位能。动压力则表示运动着的流体，其单位体积中所包含的动能。动压力可表示为：,静压力与动压力之和称为全压力，亦即单位体积的流体中所包含的总机械能。,三、理想流体的运动方程(伯努利方程)流体力学理论中，证明了理想流体的稳态运动方程为,这方程称为伯努利方程，它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。式中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)。是流体的动能。,（6）,式（6）除以,得,（7）,式(6-6)中的各项所代表的是流体单位体积内所包含的能量，写成以压力表示的形式，而式(6-7)中的各项所代表的是流体单位重量内所包含的能量，但写成以所谓压头的形式。压头的量纲是长度，它的单位是米，压头与压力之间的关系可以这样来理解：即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。在式(6-7)中，h为高程，为静压头，为动压头，为全压头。,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，即式(6-7)中与重力相应的位能或高程h可以略去不计，或该式可简化为,式(6-8)表示在运动过程中理想流体的全压头维持不变，但静压头与动压头之间是可以互相转化的。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。,(68),五、实际流体在管道中运动时的损耗 伯努利方程是对理想流体推导出来的，实际的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：一类称为摩擦损耗：另一类称为局部损耗。前者是由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，后者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撞，产生涡流，导致额外的内部摩擦损耗。当然，涡流的形成也和该处边界层中的流体摩擦力有关，所以严格况是不能把这两类损耗截然分开的。,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，故在冷却系统中流体能量的损耗主要是局部损耗。,考虑到流体运动过程中能量的损耗，伯努利方程应写成,即当流体从位置运动到位置2时，由于总的能量中有一部分变成了损耗，所以压力减少,(6-9),(一)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，即 于是由式(6-9)可得 就是流体从位置(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。,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,即 是以流体的动压力的形式表示的，且若，就表示静压力的损耗为动压力的一半。因为式(-11)中摩擦系数并非常数，它是速度的函数，所以不能简单的认为摩擦损耗与流速的平方成正比。在层流及紊流的初期，随速度的增高而减小，并和管壁的光滑程度有关；而在达到完全紊流后，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,(-11),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，当管道截面为矩形时，其等效直径d可按圆形管道和矩形管道两者的截面积和周长之比相等的概念来计算：,(二)局部损耗 电机冷却系统内，局部损耗占很大比重。和摩擦损耗相似，局部损耗也以流体的动压力为基值来表示：,这里为局部损耗系数，在几何形状相似的管道中，是一个常数。实验证明，局部损耗 确与,并且也表现为流体静压力的减小。,成正比，,(6-13),管道截面突然扩大 在管道截面突然扩大的地方所形成的涡流如图6-4所示这时式中，及为I及II处的管道截面积。公式中的是对小截面处的流速而言。即式(6-13)中的以代入,管道截面突然缩小时如图6-5，局部损耗系数一般用实验求得，可近似用下式汁算：,式中，及为I及II处的管道截面积。公式中的是对小截面处的流速 而言。,2出口和入口 出口是截面突然扩大的特例，这时，所以。这表示在出口处流体将带走它包含的全部动能。为了减少出口损耗，可以采用扩散器以减小出口处流体的流速。,在入口处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。各类入口如表所示。,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莽。正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；,六、管道的流阻和风阻前己叙述，流体通过管道时，无论是摩擦损耗或局部损慨所对应的压力降落可表为,为了计算方便，将上式写成,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,管道的截面积-通过管道的体积流量（简称流量）。,当通过管道的流体为空气时,在一个大气压，50时,空气的密度为1.22kg/m3，,式中,在计算因截面突然扩大或缩小的相应风阻时，局部损耗系数对应于小截面处的流速，所以式(6-18)中的A要用小截面代入。当采用其他流体而计算流阻时，只要将相应的值代入即可。,(6-18),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。如图,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。气体通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，所以,或者一般来说,所以，风阻串联时的合成风阻为各部分风阻之和,有串并联的管道及其风路图,式中，,此时主路I中的压降为,支路II中的压降为,式中，,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，即,如果有n个风阻并联，其等值风阻为,合成风阻为,八流体通过管道所需的功率 由于管道具有风阻Z，当流量为的气体通过管道时，将引起压降。因此，为了保证气体能连续不断地通过风阻，就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提供的功率为:,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。,6-3 风扇一、概述1、风扇的作用：产生足够的压力以驱送所需的气体通过电机。2、风扇的类型：,按其原理来说：,离心式：能产生较高压力但效率低,轴流式：效率高，但不能产生较高的压力,混合式：在中等压力下效率较高，制造复杂,离心式,轴流式,离心式：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：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）。,复合式：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）。,本节：离心式风扇的工作原理、特性、风扇负载运行时所产生的压力与流量之间的关系；轴流式风扇的工作原理及特性。,二、理想的离心式风扇所产生的压力1、理想的离心式风扇：即风扇工作时没有任何损耗，流过叶片的气流与叶片的外形平行；或者说叶片多达无穷、叶片厚度达无穷。2、工作原理：当叶轮旋转时，叶片间的气被的所产生的离心力向叶轮外缘方向甩出去，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；从而获得气体压力以使其顺利通过风路。,设风扇工作时所产生的压力为p，通过的流量为。由于风扇没有损耗，则外界对风扇叶轮所作的有用机械功率应等于气体所获得的功率，即,式中，为叶轮旋转的角速度：为作用在叶轮上的转矩，也就是叶片作用在通过的气体上的转矩。,(6-22),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冲量矩。,叶轮进口处的动量矩：,叶轮出口处的动量矩：,则,(6-23),将(6-23)代入(6-22)，得风扇产生的压力:,只要叶轮的转速和尺寸已知，就能确定，而的确定则需要利用速度三角形。,(6-24),当给定叶轮尺寸、转速和叶片形状后，则在任意半径r处，叶片的线速度u为已定。如气体没有其他速度分量，则气体与叶片之间没有相对运动，在同一半径上的气体，也将以同一线速度运动。当通过叶轮的流量为 时，叶片间的气体一定有一个径向速度分量，其值由流量除以叶轮在r处的相应圆柱形团积，即,但是根据理想风扇的假定，叶片间的气体只能沿着与叶片外形平行的方向流动，所以当叶片在r处的夹角(叶片切线与圆外切线间的夹角为，气体沿叶片的速度w和wr之间的关系为,式中的w就是气体对于叶片的相对速度。显然，相对速度w只取决于流量，叶轮面积和叶片的形状，而与叶轮的转速无关。,如果通过叶轮的流量为，叶轮又以给定的转速旋转，则叶片间的气体对空间的绝对速度v，将等于气体对叶片的相对速度w和气体随叶片一起在空间旋转的线速度u的矢量和，即,速度三角形,代入(6-24),右边第一项是叶片间的气体柱在旋转时，由于离心力的作用而产生的静压力；第二项是由于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,因空载运行时，故空载运行时产生的压力为：,风扇的空载运行点是指当风扇没有风量()时，所产生的静压力。如果将叶轮外径的所有孔口都加以封闭，便可得到这种运行状态。,即空载运行时，叶轮外径处气体的压力比其内径处气体的压力要高。由式(6-29)可知，空载运行时风扇所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。,(6-29),三、理想的离心式风扇的外特性,当，即风扇负载运行时，风扇所产生的压力 和流量 之间的关系就是风扇的外特性。,由图6-13，可得速度 的切向分量,同理,四、实际离心式风扇的外特性和功率(1)冲击损耗(2)摩擦损耗与局部损耗(3)压力损耗,风扇的最高效率一般发生在 附近，因此风扇的额定工作点最好在附近。,五、离心式风扇的计算要点,6-4 径向通风系统中转子上其他风压元件参数的近似计算法在采用径向通风系统的电机中，通常借助：放置在通风道中的风道片 安装在转子绕组端部的翼片（感应电机）或绕组端部及其支架本身（直流电机），安装在凸极同步机转子端部的斗形（或称杓形）翼片来产生风压。计算时，这些通风装置都当作等效的离心式风扇来考虑。工厂中常采用较为简便的近似计算方法，以较快判定利用这些风压元件的可能性与合适性，并估计出所设计电机的冷却情况。,