（电机与电器专业论文）采煤机用隔爆型牵引电动机冷却系统设计与研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fc o o l i n gs y s t e mo f e x p l o s i o n - - p r o o f m o t o rf o rc o a lc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h ec o o l i n gs y s t e mo fe x p l o s i o n p r o o fm o t o rw i t ht h ep o w e ro f4 0 k w , w h i c h i su s e df o rc o a lc u t t i n gm a c h i n e ，i sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ev o l u m eo fm o t o ri sl i m i t e db e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no fo p e r a t i n gs p a c e t h e d e s i g no fc o o l i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n ti no r d e rt oe n s u r et h eo p e r a t i o n r e l i a b i l i t ya n dt h em e t h o do fw a t e rc o o l i n go u t s i d et h es t a t o ri sa d o p t e di nt h e p a p e rt oi m p r o v et h ec o o l i n g e f f e c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef l u m eu s e df o r c o o l i n gi sd e s i g n e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cl o s s i sc a l c u l a t e d w h a ti sm o r e ， m e t h o d so ff l u m ed e s c a l i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cl o s si sd i s c u s s e da n dt h e nc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dr e l a t e d r e s e a r c hr e s u l t s s e c o n d l y , l h es - s h a p e df l u m es t r u c t u r ew h i c hi se m b e d d e di nm o t o rs h e l li ss u g g e s t e da n dt h e c o o l i n gf l u m es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h em o t o rs t r u c t u r ea n dr u n n i n g p e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h ef l u i d ，t h et h e r m a lf o r c eo f t h ec o o l i n gf l u m ei sc h e c k e d n u m e r i c a l l y f i n a l l y , t h e r e a s o n so fs c a l i n ga r ea n a l y z e da n dt h ep r e v e n t i o n m e t h o d sa r es t u d i e di no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fc o o l i n gs y s t e m 。 e v e r ys t e pi sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h er e l a t e dt h e o r y t h ec a l c u l a t i o n o ft h e e l e c t r o m a g n e t i cl o s sp r o v i d e sd a t af o rt h a to ft h e r m a lf o r c ea n d t h ec o m p u t a t i o n o ff l u i da n dt h e r m a lf o r c ei su s e dt oc h e c kt h er a t i o n a l i t yo fc o o l i n gs y s t e m s t r u c t u r e t h ed e s c a l i n gs t u d yi st oe n s u r et h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo fc o o l i n g s y s t e m t h ed e s i g no ft h ec o o l i n gs y s t e ms t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea c c o r d i n gt oo p e r a t i o n r e s u l ti nt h ep r a c t i c e k e y w o r dh i g he n e r g yd e n s i t y , c o o l i n gs y s t e m ，t h e r m a lf o r c ec a l c u l a t i o n ，s c a l i n g ， d e s e a l i n g i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文采煤机用隔爆型牵引电动机 冷却系统设计与研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作孝签名：天挫矽日期：加孵和j e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 采煤机用隔爆型牵引电动机冷却系统设计与研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 日期：刀，p 年彳月j 日 日期： ，r 年译月j 日 哈尔滨理工大学- t 学硕士学位论文 第1 章绪论 薄煤层电牵引采煤机的技术发展趋势是加大功率和功率密度，高功率密度 电机具有发热严重、散热困难的特点，因此，薄煤层采煤机用高功率密度电机 冷却系统的设计与研究具有重要的理论及社会应用价值。本章在分析其研究意 义、技术指标和关键技术的基础上，明确了课题的主要研究内容。 1 1 课题的研究背景与研究意义 1 1 1 课题的研究背景 随着我国国民经济的增长，电力、冶金、化工、建材等主要用煤行业产品 产量增加，拉动了煤炭需求的增加。另一方面在国家有关鼓励政策作用下，煤炭出 口大幅度增长，与其相适应的新型采煤机的需求也大幅增加。而采煤机牵引电机 的功率密度已成为国内薄煤层采煤机的技术瓶颈，使一些采煤机生产厂家不得 不花大量外汇进口国外电机。如鸡西煤矿机械有限公司为给新型采煤机配 套，从英国摩利电机有限公司引进的a m w x 3 8 交流3 相感应电机，每台售价 高达2 7 5 5 万元人民币，且供货时间和售后服务无法得到保障。 本课题是在国内煤炭需求增加，国产采煤机用电机功率密度不够，国内采 煤机生产厂家依赖国外进口电机的背景下确立的。课题的最终目标是设计适用 于国内新型采煤机用隔爆型高功率密度电机的冷却系统。 1 1 2 课题的研究意义 电机的功率密度是指单位重量上所折合的功率，单位为k w k g ，而对于功 率密度高的电机一般具有功率大、体积小、发热严重等特点，所以高功率密度 电机的冷却系统设计是一项关键技术拉1 。本课题电机是一台4 0 k w 采煤机用高性 能隔爆型牵引电机，功率密度相对较高，通过对电机冷却系统的设计与研究， 一方面可以提高电机生产企业的设计、开发能力，实现高性能隔爆型牵引电动 机“中国制造 ，可填补国内空白，替代进口；另一方面该冷却系统的设计可 以为高功率密度电机的冷却系统研究提供很好的借鉴与参考，对于高功率电机 冷却系统的设计与研究具有重要的意义。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高功率密度电机广泛应用于航空、航天、航海等军工领域以及各工矿业领 域阳1 。航空高功率密度电机是各种先进飞机必备的重要部件，如预警机的螺旋 桨驱动电机、燃油泵驱动电机、雷达天线的驱动电机h 。航天领域的电机对功 率密度要求更高，控制特性更好，在线检测信息更丰富，如卫星天线展开机构 的电驱动系统，卫星天线伺服系统，导弹机电驱动机构哺1 。在航海领域，高功率 密度电机也有巨大的应用前景，如电动鱼雷，不仅需要足够的驱动力，而且体 积要小埔1 。在民用工业领域，高功率密度电机是电动汽车的核心技术之一，也 是其它工业领域的一项基础研究技术，该技术可广泛应用于先进制造设备、数 控机床、自动化生产线、机器人、压缩机、试验机等领域n _ 。与国外高功率密 度电机相比，我国的高功率密度电机的功率密度低，技术相对落后阳1 。合理的 冷却系统，对于高功率密度电机运行的可靠性和功率密度的进一步提高都具有 十分重要的意义【9 ，1 0 l 。 本课题完成后，有助于提高我国目前的隔爆型高功率密度电机的设计水 平，增强我国隔爆型高功率密度电机产品的竞争力，改善其性能，降低其设计 成本等等。课题的成果将会给国内隔爆型高功率密度电机行业带来可观的经济 效益和社会效益。 1 2 本课题研究电机的技术指标及技术难点 1 2 1 技术指标 电机的相关技术指标如表1 1 。 表1 - 1 电机的技术指标 1 a b l e1 1t h et e c h n i c a li n d e x e so fm o t o r 额定功率r 4 0 k w 额定同步转速惕 l5 0 0 r a d m i n 额定电压 1 1 4 0 v 额定频率厂 5 0 h z 。额定效率瑁 o 9 8 1 3 额定功率因数c o s q ， 0 8 6 4 机壳外径而 2 9 9 m m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 续表1 1 机壳内径如 2 4 3 m m 电机总长三 9 2 0 m m 水槽设计段长度z ， 5 1 8 r a m 进水口冷却水温 一3 0 出水口冷却水温梳3 5 冷却水流量q 1 0m 3 h 冷却水压p3 0m p a 水槽警告温度8 0 水槽跳闸温度9 0 线圈警告温度 1 6 0 线圈跳闸温度1 8 0 1 2 2 技术难点 本课题是在电机电磁设计已经完成的前提下进行冷却系统设计，所以本课 题的技术难点主要在水槽设计和流体与热力计算方面。由技术指标可知，电机 机壳薄、尺寸有限、水压高、水流量大，要在有限的空间和机壳厚度内设计水 槽结构，同时还要保证散热效果和机械强度，必须得综合考虑各方面因素，技 术上必须解决以下几个难点。 1 2 2 1 水路的流向问题在机壳中设计水槽，水路的走向可以有很多种，不同 的水路走向需要不同水槽结构，不同的水槽结构对散热效果和机械强度的影响 各不相同，所以选择合适的水路走向是本课题必须解决的一个问题。 1 2 2 2 水槽尺寸的确定问题如果水槽截面积设计得较小，由技术指标可知， 水流量达到1 o m 3 h 以上，流量比较大，则水流速度较大，水流入口处的水压 则需要较大，这与技术指标冷却水压不超过3 m p a 有矛盾；如果水槽的截面积 设计得较大，则机壳的机械强度很难满足要求。所以，水槽尺寸的确定是本课 题的一个技术难点。 1 2 2 3 流体和热力的核算问题电机的水槽设计好后，还需要对流体和热力进 行核算，以检验该水槽是否满足电机的散热需求，水流量和入口水压是否能满 哈尔滨理工大学工学硕：上学位论文 足技术要求等。流体和热力的核算包括很多流体力学和热力学的相关知识，因 此是本课题的一个技术难点。 1 2 2 4 水路的畅通性问题由于电机水槽截面积小，冷却水未经软化，很容易 在水槽内结出水垢，堵塞水槽，影响冷却系统的性能。为了保证电机的长期稳 定可靠的运行，水槽的结垢分析和除垢方法也是本课题必须解决的一个技术难 点。 1 3 论文的主要内容 课题来源：哈尔滨市科技攻关项目；项目编号：2 0 0 6 a a 2 c g 0 6 8 。 本课题主要工作是电机冷却系统的设计与研究。针对课题中的技术难点， 论文的主要研究内容有以下几点。 1 电机冷却系统的设计电机的发热由电机的各种损耗产生，因此准确的电 机损耗的计算，可以准确的知道电机产生的总热量，对于电机各部分的温度计 算，电机冷却系统冷却效果的检验都非常关键的，在已知电磁设计的基础上进 行准确的电机损耗计算是本课题的一大主要内容。 2 电机冷却系统的设计电机冷却系统的设计是本课题的重点，这部分内容 主要包括，水路走向的选取，水槽尺寸的确定，出入水口的设计，冷却水流速 的计算，冷却水在水槽中的散热系数计算，总的散热计算，电机定子和机壳温 度的计算等等。 3 电机冷却水槽流体和热力的核算由技术指标可知，电机对流却水和散热 由很多方面的技术要求，如水压小于3 0 m p a ，水流量大于1 0 m 3 h ，水槽壁温 不能超过8 0 等，这些都需要通过流体和热力的计算来检验冷却系统设计的合 理性。 ， 4 电机冷却水槽内的结垢分析与除垢方法研究由于电机是连续工作制，电 机机壳内的冷却水槽很可能会在电机工作一段时间后产生水垢，堵塞水槽，影 响电机冷却系统的散热性能。因此，冷却水槽内的结垢分析和除垢方法研究也 为本课题的主要研究内容。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第2 章电机损耗的计算 电机的损耗直接关系到电机的发热，所以准确计算电机的损耗在本课题中 是非常必要n 。本章主要采用路的方法对电机损耗进行计算，主要对电机额定 运行时的铁耗，铜耗，杂散损耗等进行了计算。 2 1 电机损耗计算的相关理论 2 1 1 基本铁耗 2 1 1 1 磁滞损耗单位质量铁磁物质内由交变磁化引起的磁滞损耗，即称为磁 滞损耗系数羽卜7 。与交变磁化频率厂和磁通密度振幅丑有关，可表示为 p h = o h f 8 2( 2 一1 ) 式中：瓦取决于材料性能的常数； a = 1 6 - 2 2 。 对式( 2 1 ) 进行线性化处理可以，磁滞损耗可以更准确地表示为 p h = ( 柏+ b b 2 ) 厂 ( 2 - 2 ) 式中：口，b 取决于材料性能的比例常数。 电机铁心内磁通密度范围通常在1 o t b 1 6 t 的情况下，系数a 接近于 零，故可略去式( 2 2 ) 中的第一项，可表示为 见= o - h f b 。( 2 - 3 ) 2 1 1 2 涡流损耗铁心中的磁场发生变化时，在其中会感生电流，称为涡流， 它引起的损耗称为涡流损耗n 引。 如图2 1 ，厚为f i f e 、高为h 、长为z 且电阻率为p 的钢片被交变磁通所通 过，设磁通密度幅值艿的方向与薄片平面平行，并随时间作正弦变化。把坐标 轴原点取在薄片横截面的中间。先研究钢片中离坐标原点x 处的某回路( 如图中 阴影线所示) 中的损耗。此回路的宽度为d ) ( ，沿y 方向尺寸为，。由于钢片较 薄，可以忽略所取回路两端路径( x 方向) 上的涡流损耗。 应用电磁感应定律及欧姆律有 呶= 妻 ( 2 4 ) 9 h 疋p 吾 ( 2 - 5 ) 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 e = 万! 可埘 ( 2 6 ) 式中：也为此回路的电阻；e 为回路的感应电动势；埘为回路所包围的磁 通的最大值。 图2 - 1 钢片尺寸及涡流途径 f i g 2 - 1t h es i z eo ff i g i ds h e e ta n dt h ea p p r o 扯ho fe d d yc u r r e n t 把式( 2 - 5 ) 及式( 2 6 ) 代入式( 2 - 4 ) ，得 呶：7 t 2 f 2 0 _ 乙一l d x ( 2 - 7 ) p n 由于m 埘= b 2 x h ，代入式( 2 7 ) ，得 呶= 4 万2 厂2 8 2 l h x 2 - - - - - - - j ：- - - - - - - - - - - - - - - 一d x p ( 2 - 8 ) 因此，整个钢片内的涡流损耗为 段：f 蛾：z - 1 - 2 ( 声) z a ：。h ( 2 9 )段2 i2 蛾2 石( 声) 2 ：。 ( 2 - 9 ) 若把上式除以钢片之体积，再除以钢片之密度，即可得单位重量内的涡流 损耗为 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 胪袁岱妒) 2 ( 2 - 1 0 ) 由上式可知，涡流损耗系数与磁通密度、频率及材料的厚度的平方成正 比。在厚度一定的情况下，它等于 一2 见= = 兰_ ( 凡归) 2 ( 2 1 1 ) 。 乜p p 豇i 式中：见：；2 垃2 取决于材料的规格及性能的常数。 o p p p , 2 1 1 3 轭部及齿部的基本铁耗由式( 2 3 ) 及式( 2 1 1 ) 合并在一起，可以得到钢的 损耗系数( 即单位质量的损耗) 的计算公式 = 吒f b 2 + 吒( 归) 2( 2 1 2 ) 为了计算方便，钢的损耗系数( 单位为w k g d ) 通常按一下数值方程计算 如铲( 斜3 ( 2 - 1 3 ) 式中：a 叫。为当萨1 t 、f = 5 0 h z 时，钢单位质量内的损耗，其值可按硅钢片 的型号，从相关标准图表中查出。 由此可得钢中基本铁耗的一般表达式为 p f e = k o p h e g 艮p 1 4 ) 式中：g 艮为受交变磁化和旋转磁化作用的钢的质量；乞为经验系数。 1 定子或转子轭中的基本铁耗计算轭中的损耗系数时，b 选用定子或者转 子轭中的最大磁通密度值b j ，参照式( 2 1 3 ) 有 a 蝴鳅2 丽j ) 1 。3 ( 2 - 1 5 ) 轭中的基本铁耗( 单位为w ) 等于 p f e j = 乞q ( 2 1 6 ) 式中：q 为轭的重量。 2 齿中的基本铁耗计算齿中的损耗系数时， 的平均值，参照式( 2 - 1 3 ) 有 如砰唔) 1 ： b 采用齿磁路长度上磁通密度 ( 2 1 7 ) 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 齿中的基本铁耗( 单位为聊等于 p 艮t = k a p h , , g _ f 式中：g 为齿的重量。 ( 2 1 8 ) 2 1 2 基本铜耗 根据焦耳一楞次定律，电机的基本铜耗等于绕组电流的二次方与电阻的乘 积u 引。如果电机具有多个绕组，则应分别计算各绕组的基本铜耗相加而得： p c = ( e 疋) ( 2 1 9 ) 式中：为绕组x 中的电流；足为换算到基准工作温度绕组x 中的电阻。 对m 相绕组，如果电流一样，电阻相同，则基本铜耗为 p c u = m 1 2 r( 2 2 0 ) 由于本课题设计电机为感应电机，所以不存在电刷接触损耗，所以电刷接 触损耗的计算理论将不再介绍。 2 1 3 机械损耗 机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、转予风摩擦损耗以及通风损 耗n 匐。这些损耗在大多数情况下，均很难准确计算。因此电机的机械损耗大多 数情况下都是根据臆造电机的实验数据来近似计算，或估算所设计电机的机械 损耗。针对本课题电机的结构特点，电机的机械损耗主要是轴承摩擦损耗和转 子风摩擦损耗，下面列出一个经验公式把这两种损耗综合一起计算，可作为参 考。 1 4 极以上封闭型自扇冷式 p 廓= f ) 2 ( 日) 4x 1 0 4 ( 2 2 1 ) p 4 极以上防护式 p 向= 6 5 ( 二) 2 ( q ) 3x 1 0 3 ( 2 - 2 2 ) p 式中：p 为电机的极对数；d i 为定子外径。 由于本课题电机为2 对极，即4 极电机，再根据本课题电机为隔爆型，属 于防护式电机，经过各类型电机的计算经验和数据对比，对于该课题电机的机 械损耗计算我们选用式2 2 2 进行计算。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 2 1 4 附加损耗 附加损耗主要是指由于气隙中的谐波磁场和漏磁场铁心中引起的损耗。分 为空载时铁心的附加损耗和负载时铁心中的附加损耗两种。 空载铁心中的附加损耗主要是指气隙中的谐波磁场引起的铁心表面损耗和 齿中脉冲损耗n 引。这些谐波磁场基本由以下两种原因造成：( 1 ) 铁心开槽导致气 隙磁导分布不均而产生的谐波磁场；( 2 ) 空载励磁磁动势空间分布曲线中有谐波 存在而产生的谐波磁场。谐波磁通的路径与气隙沿圆周方向边界凹凸面的间距 有关。如果凹凸面的间距比谐波波长a 大得多，则谐波磁通集中在极弧表面一 薄层内。当谐波磁场相对磁极表面运动时，就会在极面感生涡流，产生涡流损 耗。由于涡流集中在表面一层，故又称表面损耗。如果边界凹凸面的间距比谐 波波长a 小得多，谐波磁通将深入齿部并经由轭部形成闭合回路，当谐波磁场 相对于齿运动时，就会导致在整个齿中涡流及磁滞损耗，成为脉冲损耗n 。 电机带上负载时，由于电流的增加，漏磁场将明显增加，谐波磁场也不同 程度的表现出来。漏磁场在金属表面构件中的损耗，这种损耗主要是由于定子 绕组端部在负载时将产生较大的漏磁场，这些磁场在端部构件中也将产生损 耗。另外定子绕组磁动势谐波在转子表面引起的表面损耗，三次谐波磁动势引 起的损耗等，都可以看作是由于电机带上负载时在铁心中引起的附加损耗。 由于引起附加损耗的谐波磁场和漏磁场分布相当复杂，影响这两种磁场的 因素也相当之多，与齿槽形状、气隙沿圆周方向边界凹凸面的间距、端盖形 状、端部距端盖的距离等有关，所以要准确计算，这种附加损耗是十分困难 的。根据本课题的电机的功率和相关结构，并对比类似电机的相关数据，根据 经验，这种损耗一般为额定功率的0 0 2 ，也即附加损耗的标幺值为0 0 2 ，这个 数值可以作为估算参考。 2 2 与电机损耗计算的相关数据 本课题对损耗的计算只是为了更清楚电机内各种热源的分布，同时为了更 准确的计算总的损耗，以便为后续的冷却系统的设计提供更好的依据。以下表 2 - 1 、表2 - 2 、表2 - 3 、表2 4 分别列出了与电机损耗计算相关的额定数据和相关 计算结果。其中表2 1 列出了相关额定值，表2 2 列出了定、转子槽型尺寸， 表2 3 列出了电机铁心的相关尺寸，表2 - 4 列出电机各部分的磁密和电流的计 算结果。 哈尔滨理1 = 大学丁学硕士学位论文 表2 l 电机损耗计算相关的额定数据 t a b l e 2 1t h er a t e dd a t af o rl o s sc a l c u l a t i o no fm o t o r 额定功率尸( k v o 4 0 极对数p 2 额定电压吼( v ) 1 1 4 0 导体并联之路数a l 频率厂z ) 5 0 矽钢片型号 w 3 1 0 相数卅3 绕组接法 y 定子槽数z l 3 6 工作制 s 1 转子槽数z 2 2 6 矽钢片厚度( m m ) 0 5 功率因数c o s ( p 0 8 6 4绝缘等级h 效率簟 0 9 1 8 3 表2 - 2 定转子槽形型图及尺寸( m m ) t a b l e 2 - 2t h es l o tf i g u r ea n ds i z eo fs t a t o ra n dr o t o r ( m m ) 定子线圈转子线圈 侩 引h o t 啕口亡= _ 。， 畸 ，影订1 、 t y d p h a h 啦口f、一 h p 棚al 岔苗 惮 b o r n 3 5 b o ： 1 0 b , i 9 1 6 r l 5 5 咫 5 6 0 6 r 2 5 5 h s l 1 6 2b0 0 h , 2 1 6 o 6 f 4 0 0 h , o o 8 0 1 o b 1 1 5 7 8 以l 0 0 l o 续表2 - 2 砣 9 3 6 h a 2 8 o 虬 o o o o o 1 4 2 2 f 2 1 9 6 1 z s l 3 0 。 o 。 h e l 1 7 8 5 2 1 9 6 5 表2 - 3 电机铁心的相关尺寸( r a m ) t a b l e 2 3t h ec o r r e l a t e ds i z eo fm o t o rc o r e ( m m ) 定子外径d l 2 4 3 转子外径d j l 1 6 2 3 定子内径伤 1 6 3 转子内经协l 6 5 。0 铁心有效长度三3 8 0铁心有效长度如3 8 0 7 表2 4 磁密和电流计算结果 t a b l e 2 4t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fm a g n e t i cd e n s i t ya n dc u r r e n t 定子轭部磁密马l 1 6 9 3 4 t 气隙磁密 0 6 4 2 8 t 定子齿部磁密岛l 1 6 6 9 1 t 定子电流乃 2 5 5 a 转子轭部磁密鳓 1 5 3 8 3 t 转子电流易 6 6 8 9 9 a 转子齿部磁密嘞 1 4 2 6 7 t 2 3 电机损耗的计算 2 3 1 铁耗的计算 2 3 1 1 定子轭部铁耗的计算由公式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可以知道，要计算轭部铁 耗，先得计算轭部铁耗系数和轭部铁重量q 由表2 - 4 可知 色i = 1 6 9 3 4 t 查电工硅钢薄板( 厚0 5 舳) 的损耗曲线可以得：- - 3 7 9 w k g 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 对于表2 - 2 所示定子槽型，定子轭部计算高度可以根据以下经验公式算出 h j l 毕一( 噍+ 愿) + 譬( 2 - 2 3 ) 将o l = 2 4 3 m m 、岛= 1 6 3 m m 、吃= 魂o + 吃l + 吃2 = 1 8 4 2 m m 、忍= 5 6 r a m 代入式( 2 2 3 ) 可得 厅n = 1 7 8 5r a m 。 轭部磁路计算长度为l j i - 鼍岩下1 7 2 6 7 眦 由表2 - 3 可知铁心的有效长度l e = 3 8 0 7 m m 所以轭部截面积彳，l = 如t 办，l = 0 9 5 x 3 8 0 7 x 1 7 8 5 = 6 4 5 5 7 2 m m 2 心的重量 q = 4 以l l p p , - 4 x 2 x 6 4 5 5 7 2 x 7 2 6 7 1 0 - 9x 7 8 x 1 0 3 - - 2 9 2 7 k g 将f = 3 7 9 w k g 和g ，= 2 9 2 7 k g 代入式( 2 - 1 6 ) 得 p f e j = 吃p h g ! ，= 2 2 1 8 5w 按经验勋取为2 。 2 3 1 2 定子齿部铁耗的计算由公式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可以知道，要计算齿部铁 耗，先得计算齿部铁耗系数p 舾和齿部铁重量g i 。 由表表2 - 4 可知墨l = 1 6 6 9 t 查电工硅钢薄板( 厚0 5 r a m ) 的损耗曲线可以得= 3 6 5 w k g 对于表2 2 所示定子槽型，定子齿部计算宽度可以根据以下经验公式算出 ：掣一2 冠( 2 - 2 4 ) 厶l 将0 2 = 1 6 3 m m 、绣= k 十吃l + 吃2 = 1 8 4 2 r a m 、r = 5 6 m m 、z l = 3 6 代入 式( 2 2 4 ) 得岛l = 6 2 3 r a m 。， 齿部磁路计算长度为 厶l ：噍l + h s 2 + 冬：1 6 2 + 1 6 o ：誓：1 9 4 9 r a m 定子每极槽数 乙= 易= 云3 忑6 = 9 所以齿部截面积4 l = 如厶6 f l 乙= o 9 5 3 8 0 7 x 6 2 3 x 9 = 2 0 2 7 8 5 5 m m 2 齿部铁心重量 q = 2 p 4 l 厶l p f , - 2 x 2 x 2 0 2 7 8 5 5 x 1 9 4 9 x i 0 - 9 x 7 8 1 0 3 = 1 2 3 3 k g 1 2 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 将= 3 6 5 w k g 和g ，= 1 2 3 3 代入式( 2 - 1 8 ) 得： p f e i = 乞q = 2 5 x 3 6 5 x 1 2 3 3 = 1 1 2 5 1 w 按经验k a 取为2 5 。 2 3 1 3 铁耗计算结果由于感应电机的转子铁心内磁场变化频率很小，所以在 转子内产生的铁耗也很小，可以忽略不计。所以感应电机的铁耗主要是有定子 轭部铁耗和定子齿部铁耗两部分组成。即电机的铁耗为 p r , = p f q + p 尉= 2 2 1 8 5 + 1 1 2 5 1 = 3 3 4 3 6 w 2 3 2 铜耗的计算 以定子电阻计算为例 由表2 1 可知， 额定电压y 接后的相电压为= 告= 1 1 1 f 4 0 = 6 5 8 2 y 功电流为k = 盘= 蒜_ 2 0 - 2 6 a 每槽导体数i i = a r c o 彳s 伊_ 7 r d 2 a ( 2 2 5 ) z l h 将表2 1 和表2 3 中相关数据代入式( 2 2 5 ) ，并取a = 31 0 0 0 ( 功率4 0 k w 电机 对应的相负荷) 可得：札。= 2 2 2 ，取m 。= 2 2 每相串联导体数心l ：n s 3 z i ：1 7 x 3 _ _ _ 6 6 ：2 “ m aj 每相串联匝数m = 挚= 1 3 2 2 绕组直线部分长度厶= 乞+ 2 碣= 4 2 0 m m 其中西一般取1 0 - - 3 0 r a m ，取西= 2 0 r a m 平均半匝长度t = 厶+ k 瓦= 4 2 0 + 1 2 x 1 3 2 2 = 5 7 8 6 4 m m ( 4 、6 极电机一般取疋= 1 2 ) 绕组导线并联根数和每根导线截面积的乘积 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 m 彳：土：一l = 一型堑一一4 3 2 r a m z一甜1 刁c o s 缈彬l 0 9 1 8 3 x o 8 6 4 x l 5 8 7 ( 其中定子电密初步取5 8 7 a m m 2 ) 查铜线规格表，取线径西= 1 3 0 m m ，截面积4 = 1 3 2 7 3 m m 2 的导线以1 条；线径西= 1 3 5 r a m ，截面积4 ，= 1 4 3 1 4 m m 2 的导线2 条，三条导线的并联 截面积为： m l 以+ 2 f 2 4 2 ；4 1 9 0 1 m m 2 。 定子绕组折算电阻 墨= 如怒一o 伽胛鼍警一o 秘q 定子譬组电阻标幺值耳= r 1 i 【r 矽w = 0 7 2 2 6 x 。2 0 ) 5 2 z 6 = 。2 2 3 根据相关经验公式，结合本电机的相关参数，可以计算出以下结果 表2 - 5 定子和转子铜耗的计算结果 t a b l e 2 5t h ec a l c u l a t i o nr e s u l tf o rc o p p e rl o s so fs t a t o ra n dr o t o r 定子计算电阻r l ( q ) 0 7 2 2 6 转子计算电阻r 2 ( q ) 0 4 2 5 定子计算电阻标幺值r l + 0 0 2 2 3 转子计算电阻标幺值恐+ 0 0 1 3 1 定子电流i i ( a ) 2 5 5 转子电流如( a ) 6 6 8 9 9 定子电流标幺值i i 1 2 6 0 3 7 转子电流标幺值f 2 + 1 1 5 0 1 定子铜耗标幺值气l 。 0 0 3 5 4 7 定子铜耗气1 ( 1 ) 1 4 2 8 转子铜耗标幺值+ ， o 0 1 7 1 9 转子铜耗册 6 8 8 电机总铜耗 2 1 1 6 2 3 3 机械损耗的计算 电机的机械损耗由2 1 3 的叙述可以知道要想准确计算很困难，针对不同类 型的电机一般都是按经验公式进行计算，对于本电机属于防爆型水冷电机，由 公式( 2 2 2 ) 可以算得电机的机械损耗为 1 p 7 i r = 6 5 x ( 二) 2 x ( 2 4 3 x 1 0 - ) 3 x 1 0 3 = 2 1 0 w z 这只是根据经验公式算得的一个参考值，并非准确值。 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 2 3 4 附加损耗和杂散损耗的计算 由于影响电机的附加损耗的因素很多，可以知道电机附加损耗和机械损耗 一样很难准确计算，只能根据经验公式估算。对于本课题这种高功率电机，定 子部分磁密负荷比较高，所以铁心的附加损耗也一般比较高，按经验一般取为 额定功率的0 0 2 ，即附加损耗p 。= o 0 2 p , = 0 0 2 4 0 x 1 0 3 = 8 0 0 w 。 、 电机除了铁耗、铜耗、机械损耗，和铁心附加损耗外，由于电机运行中的 震动、噪音等都需要消耗能量，这些能量的消耗都可以归结为杂散损耗，这种 杂散损耗相对来说比较小，也无法准确计算，只能根据经验估算。针对本课题 电机估算为2 0 0 w 。但这种损耗不以热量的形式消耗，所以在后续的散热计算 中可以不加以考虑。 2 4 本章小结 本章首先详细的介绍了电机各种损耗的相关知识及计算原理；然后根据电 机设计的技术要求，列出了有电机损耗计算相关的参数；最后利用电机损耗的 计算原理，对电机的各种损耗进行了详细的计算，尤其对铁耗和铜耗的计算步 骤都进行了详细的论述。 本章对于电机损耗的计算主要是为后续的水槽设计的热力计算做准备。电 机的发热主要是由产生热量的损耗引起，本章铁耗、铜耗、机械损耗，和铁心 附加损耗都是以热量的形式消耗掉，所以用于转化为热量的损耗总功率为： p = 纸+ 如+ p 加+ 以= 3 4 6 0 3 6w ，这为后续水槽设计完成后的水流和散热 等的计算提供了原始的依据。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章冷却系统的设计与研究 本课题所研究的电机安装在采煤机内，其工作环境相对密闭绝热，而该电 机不但体积小、功率大、发热严重，而且散热困难，因此，为该电机设计合理 的冷却系统对于电机的长期稳定运行十分必要。 3 1 电机冷却概述 3 1 1 传统冷却结构 根据冷却介质的不同，电机传统的冷却方式可分为空气冷却、氢气冷却、 水冷却和油冷却u 2 】1 3 。 3 1 1 1 空气冷却系统空气冷却系统虽然冷却效果差，但因其结构简单，成本 较低，因此在冷却效果不做严格要求的场合得以广泛应用。本课题研究的高功 率密度电机，因电机体积限制，不宜在定子铁内开通风沟，另外由于电机发热 严重，风冷也不能满足冷却要求。因此，该电机不能采用空气冷却系统。 3 1 1 2 氢气冷却系统氢气冷却分表面冷却和定子内冷却两种。表面冷却虽然 使绕组的表面温升下降，但绝缘层中的温度几乎没有改变，冷却效果并不理 想。定子内冷却是在实心铜线中夹进空心钢管，让氢气从钢管中流过，导出铜 线中的热量。这种冷却方式适合于大型发电机的冷却，对于本课题小型电机显 然不合适。 3 1 1 3 水冷却系统传统水冷却系统分定子内水冷却和定、转子双水冷却两种 方式n 钔。同氢内冷却一样，传统的水冷却方式仅使用于大型电机，在本课题中 难以实现。 电机的冷却问题一直是电机的重要技术问题，对于大型电机单机容量的提 高和某些特殊用途的电机，这个问题显得尤为突出n 引。近年来在传统冷却方式 的基础上，不断涌现新型的冷却方式，如：蒸发冷却与空冷或水冷相结合组成 的新型冷却技术、全蒸发冷却技术和本课题研究的定子外水冷却技术等馏町。 3 1 2 电机的冷却介质 电机中的热量通常以冷却介质带走，不同的冷却介质冷却效果不同。电机 哈尔滨理工大学- t 学硕七学位论文 中对冷却介质的基本要求是： 1 导热系数大，当冷却介质的速度不变时，导热系数大，电机内的热交换 能力强，电机内的温升小。 2 比热容或汽化热比较大，带走同样热量所需要的冷却介质较少。 3 密度比较小，对气体而言，密度d , n 通风损耗小。 4 粘滞系数小，当速度不变时，粘滞系数小则摩擦损耗小。 5 介质强度高，化学稳定性好，无毒，无腐蚀，价格便宜。 3 1 2 1 气体冷却介质常用的是空气冷却介质，起成本低、系统结构简单，但 冷却效果差，在高速电机中引起的摩擦损耗大，因此不适合该课题。 氢气导热系数大，约为空气的7 倍；密度小，风摩损耗小。但需要增加设 备，成本高您。 3 1 2 2 液体冷却介质常用的液体冷却介质是水和变压器油他引。 水具有较大的比热容和导热系数，廉价，适于本课题研究的电机做冷却介 质，其物理性质见表3 - i ? j 2 3 - 2 5 。 表3 - 1 水的物理参数 t a b l e 3 1t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f w a t e r 密度比热容 导热系数 动力粘度 温度( ) ( k g m 3 ) ( j k g - k )( w m k )( p a - s x1 0 4 ) o9 9 9 84 2 1 70 5 6 9 11 7 5 0 l o 9 9 9 84 1 9 30 5 8 7 01 3 o o 2 09 9 8 34 1 8 20 6 0 3 01 0 o o 3 09 9 5 74 1 7 9o 6 1 8 07 9 7 4 09 9 2 34 1 7 90 6 3 2 06 5 l 5 0 9 8 8 04 1 8 l0 6 4 3 05 4 4 6 09 8 3 24 1 8 50 6 5 4 04 6 3 7 09 7 7 74 1 9 00 6 6 2 04 0 0 8 09 7 1 64 1 9 60 6 7 0 03 5 l 油也是一种良好的冷却介质，具有很高的介电常数。但与水相比，油的比 热容和导热系数较小，且油的粘滞系数较大，工作时需要加热到一定的温度， 不利于系统效率的提高。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 电机冷却水槽的设计 本课题研究电机定子直径不足3 0 0 n u n ，不适合用传统的水冷却方式，在 定、转子内设计水槽。由于本课题电机在电磁设计的时候，特意把定子槽型设 计得比较深，使定子轭部磁路截面积比较小，齿部磁路截面积比较，从而使定 子轭部磁密比较高，齿部磁密比较低，同时把转子开槽设计得比较大，从而使 转子磁密比较低，这样就把电机铁耗发热转移到定子轭部，由于定子轭部和电 机机壳属于无缝隙接触，很容易把热量传导机壳，因此把水槽设计在电机机壳 内是可行的，这就是定子外水冷却方式。对于这种冷却方式的电机，稳定运行 时，电机产生的热量由定子传给机壳，冷却水通过电机机壳内的水槽时把热量 带走。 以下着重介绍电机冷却水槽的设计过程，包括冷却水槽的分布位置，冷却 水槽的走向，数目和尺寸的确定。 3 2 1 电机冷却水槽设计的区域和基本尺寸 电机冷却水槽设计在机壳中部位置，两端有一段盲区是没有水槽的，进、 出水口在电机的非轴伸端，电机侧面草图和中部位置截面草图及基本尺寸分别 如图3 - 1 和图3 2 所示。 图3 1 电机侧面草图及基本尺寸( m m ) f i g 3 lt h ef l a n ks k e t c ha n db a s i cs i z eo fm o t o r ( m i n ) 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 从图3 1 中可以看出电机冷却水槽主要嵌入在电机中部定子铁外面的机壳 内，长度大概是5 1 8 n u n ，在靠近电机两端的大概1 0 0 n u n 的位置处为水槽无法 到达的冷却盲端，这主要是从电机机壳的机械机构考虑来决定的，由于这部分 并不与定子铁接触，并不会使其温升过高。 图3 - 2 电机中部位置截面草图及基本尺寸( n u n ) f i g 3 2t h es e c t i o ns k e t c ha n db a s i cs i z eo f t h em o t o ri nt h em i d d l ep o s i t i o n( m m ) 从图3 2 中可以看出，电机冷却水槽主要嵌入在亟吾生= 2 8 m