太原理工大学

太原理工大学 专科学位论文 大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算 姓名 魏智超 申请学位级别 专科 专业 机械制造及其自动化 指导教师 大型电机冷却风扇的实验测量与模拟计算 摘要 目前 国内的空冷电机具有结构简单 制造维修方便的优点 但是与国外 高效率的电机相比 性能上仍然有一些差距 其中电机冷却风机耗功较大是造 成这一差距的主要原因之一 电机的冷却风扇是保证电机稳定 持续工作而不可缺少的部件 电机冷却 风扇的作用是使一定的气体 克服电机自身 冷却器 附加通风管道以及过滤 器等通风回路的风阻 以维持一定的气体流量和流速 使冷却介质连续不断的 吹拂电机的发热部分 把电机中的热损耗散出机外 这样电机就可以在规定的 温度限制下安全而有效率的运行 本文以 GB T 1236 2000 为依据 在已经设计 搭建好的一个通风机试验 平台上 对新型轴向风扇进行一系列的风洞试验 对实验数据进行处理分析 特别的 考察 3600 rpm 时的转速 在不同叶顶顶隙和风扇出口面与离扩压管距离 下的风洞实验 本文以前期的实验为主 同时 辅助利用 CFD 软件 CFX5 7 对冷 却风扇数值模拟并对计算结果进行分析 对数值计算的结果与实验所得的结果 进行对比分析 以便对冷却风扇进一步优化设计提出理论指导 所使用的电机冷却风扇 通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造 使得冷却 风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高 冷却效果大大改善 比同样尺寸 下的电机功率可以提高 50 左右 即功率重量比大大提高 通过本次实验测量 的研究 以便于在其他系列设计中得到应用 关键词 冷却风扇 大型电机 冷却效率 CFX EXPERIMENTAL MEASURING AND NUMERICAL SIMULATION OF COOLING FANS FOR LARGE SCALE ELECTRICAL MOTOR ABSTRACT At present domestic air cooling electrical motor has excellence of oversimplified structure and convenience of manufacture but compare with overseas high efficiency electrical motor there are some disparities The causation of the disparity is large power dissipation of cooling fans Of electrical motor Cooling fans are the incise sable parts for ensuring the Tranquilization and standing working of electrical motor The function of Cooling fans for electrical motor is ensure the air continual fan the part Of electrical motor and make the heat apart from it The air must conquer the resistance from electrical motto r itself cooler and vent pipe Therefore the electrical motor can be secure and effective operation at Defined temperature We will conduct a series of wind tunnel experiment on a ventilator III Experiment table which has been designed to test the new axial fan performance according to GB T 1236 2000 In particular we focus on Investigating wind tunnel experiment in different diameters of pipes and different length at speed of 3600 rap m In the mean time numerical simulation is performed using CFD so tare CFX5 7 and analyzes the Calculated result We try to anal ze the result of experimental and Calculated to make a directive the eory for cooling fans optimizing design KEY WORDS cooling fans large scale electrical motor cooling Efficiency CFX 符号说明 b 叶片宽度 m l C 机翼升力系数 D C 机翼阻力系数 C 轴承的额定动负荷 kg D 叶片直径 m d 风扇出口面离扩压管的距离 mm C d 叶顶顶隙 mm a F 实际轴向负荷 kg V F 实际径向负荷 kg h L 轴承的额定寿命 N M 轴上受的扭矩 Nm N 轴所传递的功率 kw n 风扇的转速 r min p 压差 Pa P 当量动负荷 kg P 由冷却风量所带出的热量 kW M q 质量流量 kg s Q 冷却空气的温升 H Q 额定风量 m 3 s t 环境温度 U 叶片的切向速度 m s V 轴向平均速度 m s VIII Z 叶片数 绕叶型的环量 空气密度 kg m 3 流量系数 膨胀系数 运动粘性系数 m s 太原理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 魏智超 日期 2012 年 9 月 1 日 太原理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权太原理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名 魏智超 指导教师签名 日期 2012 年 9 月 1 日 日期 2012 年 9 月 12 日 第一章 绪论 1 1 引言 近几年来 随着国内大型空冷电机的出现 通风冷却系统的设计以及风机 的工作性能已起着越来越重要的作用 目前 国内的空冷电机有着结构简单 制造维修方便的优点 但是与国外高效率的电机相比 性能上仍然有一些差距 其中电机冷却风机耗功较大是造成这一差距的主要原因之一 因此对于原有风 机进行研究与改造已势在必行 电机的冷却风扇是保证电机稳定 持续工作而不可缺少的部件 电机冷却 风扇的作用是使一定的气体 克服电机自身 冷却器 附加通风管道以及过滤 器等通风回路的风阻 以维持一定的气体流量和流速 使冷却介质连续不断的 吹拂电机的发热部分 把电机中的热损耗散出机外 这样电机就可以在规定的 温度限制下安全而有效率的运行 叶轮机械动叶顶区域的流场是十分复杂的 包括叶顶区域的泄露流动 叶 片的边界层 二次流以及它们之间的相互影响 这些复杂的流动现象影响了压 力 效率 机械可靠性和流量 因此 更好的研究这种复杂的流动现象对于提 高电机冷却风扇的效率等性能具有非常重要的意义 由于电机结构上的原因 在高压头 小流量下 仍然只能使用单级轴流风 机 而转速和叶轮的直径都要受到限制 在这种情况下 通过改变原有风机的 叶顶顶隙和风扇出口面离扩压管的距离 来探究其对风机性能所产生的影响 这也是本文所要研究的问题 1 2 电机轴承发热分析及冷却方式的选择 1 2 1 引起电机轴承高热的原因 电机在工作运行中 电流在定子绕组和转子绕组中产生热量 转子的轴承 磨擦也产生热量 另一方面 由于磁场的变化 在铁心内产生热损耗 使得铁 心的温度升高 hNP C LH6010 6 1 1 上式表示轴承的额定寿命与 P C 值的关系 轴承在额定转速 n 下 P C 值 的变化相应的 h L 值也变化 此设备匹配是在工况改变的情况下使用 在保证能 满足运行需要负载条件下工作 需对 G 轴总增大出现的附加功率计算 用式 1 2 NN NMN 附加 97500 1 2 由此可明显看出 在所给定的条件下运转引起电机轴承发热的原因 是在 运转工作时作用在油泵和电机轴承二支点间的 G 联轴器增大加 G 锥度短节及 联轴器外径增大 旋转时产生的径向力共同对支点轴承的作用使得轴承的实际 径向负荷和实际轴向负荷增大 式中 H L 轴承的额定寿命 C 轴承的额定动负荷 kg n 轴承的转速 r min P 当量动负荷 kg 轴承的寿命系数 对于球轴承 3 对于滚动轴承 310 nM 轴上受的扭矩 Nm N 轴所传递的功率 kW 当负载平稳时 轴承为额定转速 n 工作时作用在轴承上的实际径向负荷 V F 的增大和作用在轴承上的实际轴向负荷也在增大 从式中可以看出当量动负荷 P 也在增大 A v YF XF P kg 1 3 式中 P 当量动负荷 kg V F 实际径向负荷 kg A F 实际轴向负荷 kg X 径向系数 Y 轴向系数 上式表明 当量动负荷的增大会引起以下各种参数的变化 从 P C 式中可 见 因 P C 的值都大于 1 当量动负荷的增大 额定动负荷也增大 n 为额定 轴承的额定寿命 h L 随 P C 值的变化 1 2 2 冷却方式的选择 不同冷却方式下 电机性能参数中最主要的变化是线负荷随着冷却强化而 增大 线负荷的增加使得电磁损耗增加 但是由于采用了冷却能力强的介质 对于同等电机来说 总损耗非但不会增加 反而会明显减少 对于不同的冷却介质来说 冷却能力越强 所需要的流量越小 通风损耗 和风磨损耗越小 电机效率越高 对于同一种冷却介质来说 流量越大 流速 越高 压力 密度越大 冷却效果越好 但是相应的流动损耗和风摩损耗越大 电机效率越低 常见的电机冷却方式有气冷 风冷散热和液冷 水冷散热两种 对电机轴承的风冷散热 是利用电机前端盖的紧固螺栓 将制作的风流导 向装置置于电机前端盖处 从电机运转开始就产生风并对端盖轴承中心处进行 风冷散热 但风流导向装置对风有阻力 为了使散热装置有足够的风量和风速 需将电机后面风扇的叶片适当加长加宽 通过改造后 完全能够把电机轴承发 生的热量散走 有效的保证了电机的正常运转工作 风冷对电机轴承散热改造工艺简单 使用可靠 电机运转即可产生风对轴 承进行散热 电机停转风即消失 水冷方式冷却电机轴承不但要有严格的密封 措施 并因轴承端盖的通水槽沟狭窄容易结垢阻碍水冷散热 使用时需操作和 检查 同时 由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和 氧化亚铜等沉积造成水路堵塞 继而产生绕组局部过热而烧毁 同时 水接头 及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险 比较二种冷却方式 采用风冷却方式为宜 下面着重分析电机风冷散热 1 3 电机风冷散热通风分布与升温方式 1 3 1 电机风冷散热的几种风路结构 为了把电动机损耗转化的热量有效地传递出去 冷却空气应尽量接触电动 机发热部件 绕组 铁心 结构件等 冷却空气经过的路径中应保证发热体 有足够的散热面积 同时风路又要与电动机结构 电路 磁路 相适应 异步电动机常用的冷却风路结构有三种 1 轴向通风 2 径向通风 3 轴 径向混合通风 不同的通风方式 绕组各点温度分布情况各不相同 这在 一定程度上影响到电机最终的冷却效果 选择电机的冷却风路结构时 应综合 考虑电机容量 极数 转速 铁心长度及定 转子铁心内 外径等参数 同时 应考虑到加工成本工时等因素 下面将着重介绍不同的风路结构下定子绕组中 各点温度分布情况及不同风路结构的适用范围 1 3 2 轴向通风 轴向通风一般采用抽风结构 电机一端安装离心风扇 定子和转子铁心不 设径向风道 冷却气流从非风扇端进人之后沿轴向流动 轴向风路一般由以下 几部分组成 如图 1 1 示 图 1 1 轴向通风 Fig1 1 Ventilation at axis direction a 定子铁心外表面 该风路的进 出风口一般由定子压圈开孔形成 由于铁心外表面与机座壁 面一般有较大的间隙 为了增加冷却空气的流速进而改善冷却效果 一般在铁 心外表面增加导流板以形成合适的通风面积 b 电机定子 转子之间气隙 由于气隙两边定 转子铁心表面距定 转子绕组距离最近 且电机的定 转子表面杂散损耗就产生于气隙两边的铁心表面 若能增加气隙部分的空气流 量 将产生很好的冷却效果 如能采用定子槽口通风 将大大增加气隙部分的 通风面积 使气隙部分的风量分配大大增加 实验表明 采用定子槽口通风时 尽管通过气隙的风量仍占总风量的较小部分 但通过气隙消散的电机损耗可占 电机发热损耗的 30 c 转子轴向通风孔 通过转子铁心轴向通风孔的冷却风主要带走转子绕组的铜耗及转子铁心中 的其它损耗 在风量能够保证的情况下 通风孔的面积并不是主要的 尽量增 加通风孔的总周长 也即增加转子铁心的总散热面积 将会使冷却效果更好 d 定子轭部通风 定子轭部通风方式即是在定子铁心轭部开一定数量的通风孔 它可直接带 走部分定子铜耗及定子铁耗 为避免定子铁心部分磁密度过高或增加定子铁心 的体积 一般不会同时采用定子槽口通风与定子轭部通风 热空气从风扇端排出 气流基本直线前进 因此这种风路的风阻较低 相 对较高的空气流动速度可以确保热传递的效率 由于铁心中没有径向通风道 这使得沿线圈长度方向的绕组温升变化较大 如图 1 2 示 图 1 2 定子绕组温升特性分布 轴向通风 Fig1 2 The distribution characteristic s with stator coil temperature 由于定子绕组端部完全暴露于冷却空气中 所以绕组端部温升较低 在铁 心中 沿空气流动方向 由于空气温度不断升高 定子绕组温升也逐渐升高 但在铁心出风处 由于铁心侧表面及绕组出槽部分的冷却作用 绕组温升反而 有所下降 由图 1 2 的绕组温升分布可看出 这种冷却方式的温升分布相差较大 铁 心越长 这个差别越明显 所以这种风路结构一般不允许铁心太长 以接触传 导方式散热的筋外冷电机除外 这种通风结构在电机体积较小 转速较高 风速较高 的情况下使用较多 其缺点是通风损耗较大 沿电动机轴向温度分布不够均匀 诸如目前国内生产 的中型高压 6kV 10kV Y Y R 系列 中心高为 H355 H400 H450 的 4 极和 6 极以及 H500 的 4 极电机等 1 3 3 径向通风 冷却空气由两侧对称进人 冷却空气的主要部分经定子线圈端部 转子轭 部风路 转子径向风道 气隙 定子径向风道 最后经定子铁心中部排出 如 图 1 3 示 图 1 3 径向通风 两侧对称通风 Fig1 3 Ventilation at radial direction symmetrical ventilation 这种风路结构由于对称进风 每一路风只需经过一半的铁心长度 在电机 转子线速度较高的情况下 可以不用安装风扇 而靠转子风道片旋转产生的风 压来产生冷却风量 而对于转子线速度较低的大型电机 一般需要在两端安装 风扇旋转产生足够的冷却风量 这种通风结构一般用于大型电机中 定子 转子风道可采取对齐与错开两 种方式 这两种方式的区别是 在电机转子线速度较高 转子风道片旋转能够 产生足够高的风压的情况下 应尽量采用定子 转子风道片错开的形式 这样 可强迫冷却空气轴向地流经气隙 达到更好的冷却效果 而且还可以防止定子 转子风道对齐时可能引起的哨叫声 而如果转子线速度较低 可采取定 转子 风道对齐的方式以尽量减少风阻增加冷却空气流量 这种通风方式的定子绕组温度特性分布如下图 1 4 所示 图 1 4 定子绕组温升特性分布 径向通风 由于定子绕组端部散热面积较大 所以靠近端部处温升较低 由于出槽口 处铁心表面的散热效果 故绕组在该点温度最低 这种通风方式的轴向风温较 为均匀 温度变化并不很大 铁心部分的绕组温升基本相同 总体来说绕组各 部分温升差异很小 这种通风方式的通风损耗小 散热面积大 沿电动机轴向的温升分布比较 均匀 但其缺点是需要设置径向通风道 因而使得电动机轴向尺寸略为增大 也增加了加工成本 1 3 4 轴 径向混合通风 采用轴 径向混合通风主要有两种方式 a 电机一侧安装离心风扇 图 1 5 轴 径向混合通风 一侧进风 Fig1 5 Axis radial direction blended ventilation ventilation in one side 冷却空气主要经由转子轭部风路 转子通风道 气隙 定子通风道 定 子线圈直线部分 定子铁心通风道表面 定子线圈端部 冷却风扇最后排出 如图 1 5 示 这种通风方式仍为一端进风 另一端出风 铁心不宜太长 目前国内广泛 应用于中型高压 6kV 10kV Y Y R 系列的 4 极 6 极 8 极 10 极及 12 极异 步电机中 b 电机两侧安装轴流式风扇如图 1 6 示 图 1 6 轴 径向混合通风 两侧进风 Fig1 6 Radial axis direction blended ventilation ventilation in two sides 定子采用槽口通风 这大大增加了气隙中的空气流量 转子风道数目远远 少于定子风道数目 这是为了避免高速情况下风摩耗太大及产生过高噪声 电 机的风压由对称的两只轴流风扇产生 优化设计的轴流风扇可以达到很高的效 率 噪声也可降到最低 转子风道集中在铁心中间 这使得冷却空气由转子径 向风道流进定子径向风道时 有较大部分轴向流经气隙 进一步改善了冷却效 果 冷却空气进人电动机后 大体上分成三条独立的路径流动 1 经线圈端部 流向定子铁心表面 2 直接流经气隙及定子槽口 然后进人定子径向风道 3 经转子轴向风道流向转子径向风道的部分 如上图 1 6 示 相应的定子绕组温度特性分布如下图 1 7 所示 图 1 7 定子绕组温升特性分布 混合通风 这种通风方式兼有前两种通风方式的特点 温升分布特性是以电动机铁心 为中心两端基本对称分布 定子绕组温度分布比较均匀 冷却效果较好 其缺 点是结构比较复杂 1 4 本论文的主要工作 在本文中 将按照试验要求在已经设计并搭建的实验平台上 对冷却风扇 进行符合 GB T 1236 2000 标准的风洞试验 对所得数据进行计算处理 并对不 同工况下所得的流量与压差 风机效率特性曲线进行比较分析 本文以前期的实验为主 同时 辅助运用旋转机械专用 CFD 软件 CFX 5 7 建立模型和数值计算 使用实验所得到的数据 对冷却风扇进行数值计算 并 进行性能分析 对数值计算的结果与实验所得的结果进行对比分析 以便对冷 却风扇进一步优化设计提出理论指导 1 5 本论文的科学意义 本论文所进行的大型电机冷却风扇的实验研究工作 能够全面地了解冷却 风扇在不同工况下的性能 同时通过运用 CFD 软件进行数值计算 与实验所得 到的结果进行对比分析 可以得到影响电机冷却风扇性能的因素 为以后在电 机冷却风扇的设计与应用提供依据 第二章 电机冷却风扇性能实验基本原理介绍 以标准化风道做实验的工作流体是空气 并且压力和温度要在冷却风机出 口或在冷却风机进口处正常的大气范围之内 对于恒速特性来说 冷却风机应 在规定的转动速度下工作 在对冷却风机特性线上的任意点进行测量之前 冷 却风机应该持续运行一段时间 直到取得其达到稳态的工作状态 其速度的波 动范围不超过规定转速的 5 0 大气压力 干球温度和湿球温度应在规定的 冷却风机特性所要求的在实验环境内取得读数 对冷却风机特性曲线上的各点 实验风道中的压力应在不少于 1min 期间作观测 如果读数始终出现随机变化 则要记录足够多的观测点 以确保得到的平均值在精度范围内 数据观察分为 目测和扫描阀两部分 以备后期处理相互对照 电机转速和扭矩由转速扭矩仪 打印出 2 1 计算方法 本试验所有计算均按照国家标准进行 整个计算使用的单位是 SI 国际单位 制 其结果也用此单位表示 即用帕斯卡 Pa 表示压力 用瓦特 W 表示功率 用立方米每秒 s m 3 表示容积质量 2 2 流量的确定 流量的测定按照 GB T 2624 和 ISO 3966 的规定进行 使用这种方法测得的 流量符合本实验的要求 管路内流量计 标准的一次装置 可以使用的流量计有文丘里喷管 孔板 锥形进口和进口喷管 前两种流 量计可以接在风管的进口或出口以及两段风管之间使用 锥形进口和进口喷管 只可接到从自由空间吸入空气的进口风管 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 12 通过管路内压差流量计的质量流量一般表达式如下 对于给定的装置 是压比函数 而 是雷诺数的函数 这些系数的计算 在接下来会做详细介绍 根据进口流管的不同 分别讨论 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 13 2 3 用锥形进口测定流量 只能在开放式 自由 进口条件下才可使用锥形进口 2 3 1 几何形状 锥形进口尺寸和公差在图 2 1 中示出 型线应该是轴向对称 锥体与端面 及锥体与圆筒喉部之间接合均无隆起及凸出的锐边 进口的轴线和风道的轴线 应该是一致的 图 2 1 锥形进口几何形状 Fig 2 1 Geometrical form of taper import 2 3 2 网筛加载 符合图 2 2 的可调节网筛加载与锥形进口允许一起使用 但流量系数 的 误差增大 图 2 2 自由进口文丘里喷嘴或有可调节筛网加载的锥形进口 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 14 Fig 2 2 Free import Venturi spout or regulative griddle taper import 网筛 防涡流装置及支承应该具有在使用要求的强度和刚度不变的情况下 具有最小的迎风面积 例如 任何单个横向构件都不应出现大于 2 的堵塞 支承应该确保网筛在中部不发生弯曲 网筛应精确地切割并且应该安装径向厚度最大 0 012 h d 的或 6mm 和最小 0 008 h d 或 3mm 及长度最大 0 05 h d 的支承环或者采用其他方式消除壁上的漏 泄 2 3 3 进口区 在进口区内 对于流入进口空气的自由运动不应有任何外部障碍 并且任 何涡流的速度不要超过喷嘴喉部速度的 5 应该确保差压计的高压盘上记录的压力读数为进口区环境压力 2 3 4 锥形进口性能 按照上述要求制造的锥形进口用于压比 96 0 d r 即 Pa p 4000 时不必 做校准 复合系数 取决于雷诺数 d Re 并在图 2 3 中绘出 当 d Re 20000 时不应采 用锥形进口 图 2 3 锥形进口复合流量系数 Fig 2 3 Compound flow modulus of taper import 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 15 对于 h d 0 5m m 0 01107 c 0 8824 max 0 94 对于 0 5m h d 2m m 0 00963 0 04783 h d 0 05533 2 h d c 0 9715 0 2058 h d 0 05533 2 h d max 0 9131 0 0623 h d 0 01567 2 h d 对于 2 h d 2m m 0 03459 c 0 7812 max 0 975 2 3 5 误差 复合系数 的误差和流量系数 的误差是相同的 当 d Re 3 5 10 时并且 在连续件内不允许有任何网筛加载情况下 可适用的基本误差为 1 5 对此 应算术地增加 当应用时 与低 d Re 和网筛负载相关的净附加误差 由于低 d Re 即 d Re d r 即 kPa p 10 未校准 下可使用 喷嘴流量系数 由下列表达式计算 本试验中所使用喷管 h d L 0 6 则有 Au Au d d C 1 1 1 Re 6 134 Re 006 7 9986 0 2 6 式中 d Re 对应于出口直径的雷诺数 由下列表达式估算 6 10 048 0 1 17 2 95 0 Re u u h d t p d 2 7 Au 喷嘴上游的动能系数 对于管道内喷嘴为 1 043 对于风室中喷嘴 和多喷嘴或自由进口喷嘴为 1 D d h 对于风室它可以取作零 对于管道内喷嘴 525 0 D 为风道直径 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 18 C 是喷嘴排出系数 膨胀系数由下式计算 5 0 4 2 4 5 0 1 2 1 1 1 1 1 d d d d r r r r 2 8 u u u d p p p p p r 1 2 9 上式可由下式代替 5 0 1 2 4 4 2 1 1 1 1 1 d d d d r r r r 2 10 质量流量由下列表达式给出 对于多喷嘴 p d q u n i i m 2 4 1 2 2 11 对于文丘里喷管 p d q u m 2 4 2 2 12 式中 n i i d 1 2 各个开放式喷嘴直径平方乘以它们各自的流量系数的 和 u 上游密度 2 4 5 误差 对于 4 10 2 1 Re d 排出系数 C 的误差为 1 2 太原理工大学专科学位论文 第二章 电机冷却风扇性能实验 基本原理介绍 19 2 5 通风机空气功率和效率 建议三种方法 第一种由单位质量功的概念导出 另外两种使用容积流量和压力概念及流 体可压缩性效应的修正系数计算得出 这三种方法给出相同的结果 对于压比等于 1 3 时不超过千分之几 本试验中使用由单位质量功的概念导出 2 1 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 A q A q p p v v p p y m m m m m m 2 13 式中 2 2 1 m 2 14 1 1 1 w R p 2 15 2 2 2 w R p 2 16 通风机空气功率 u P 等于 y q m 的乘积 各种效率由 u P 和供给通风机的各种功率计算得出 本试验中可由扭矩仪测 得的电机主轴的转速和扭矩算得轴功率 以此计算通风机电机轴效率 通风机电机轴效率 0 P P u a 2 17 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷 却风扇性能实验 20 第三章 电机冷却风扇性能实验 3 1 实验背景与要求 本文所使用的电机冷却风扇 通过对冷却风扇的叶片和叶型的改造 使得 冷却风扇对电机轴承的冷却效率得到较大的提高 冷却效果大大改善 比同样 尺寸下的电机功率可以提高 50 左右 即功率重量比大大提高 本文以 GB T 1236 2000 为依据 在已经设计 搭建的大型冷却风机实验平台上 对新型轴 向风机进行一系列的风洞实验 特别的 考察转速为 3600 rpm 时 叶顶顶隙 10 5mm 7 5mm 5mm 三个不同叶顶顶隙 风扇出口面离扩压管的距离 d 40mm d 20mm d 0mm 出口风管 这九种情况下的风洞实验 我们得到 大量数据 并对这些数据进行比较分析 通过对出口边界条件的细化 来分析 出口边界条件对冷却效率的影响 图 3 1 为实验装置布置总图 图 3 1 实验装置布置总图 Fig 3 1 Schematic of experimental equipment 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 21 实验过程中 电机转动带动风扇转动抽风 叶片装配直径为 416mm 空气 由大气进入风室 流经整流网栅 形成均匀流场 再通过异径直管和扩压管流 出 在此过程中通过测量室内静压差 进口动压和轴的转速及扭矩来计算风扇 图 3 2 性能 图 3 2 叶片装配图 图 3 3 叶片 Fig 3 2 Schematic of blade Fig 3 3 Blade 3 2 实验装置设计 由于本实验的实验台体积较大 所以实验在室外进行 实验装置实物图 图 3 4 实验平台进风口实物图 图 3 5 实验电机实物图 Fig 3 4 Schematic of experimental platform Fig 3 5 Schematic of experimental electric intake motor 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 22 整个装置由电动机 变频仪 扭矩仪 轴系 风扇 风室 法兰板 进口 风管 异径直风管和垫箱等部分组成 电动机 本实验采用的是三相异步电机 其功率为 4kw 额定电压为 380V 变频仪 由于本实验要求电动机转速为 3600 转 需要 60Hz 的激励电流 而中国电网频率为 50Hz 需要通过变频来达到要求 扭矩仪 用来测量实验过程中电机转速和轴的扭矩 冷却风扇 冷却风扇是电机冷却的主要的压力元件 冷却风扇的作用是使 一定的气体压力 克服电机自身 冷却器 附加通风管道及过滤器等通风回路 的风阻 以维持一定的气体流量和流速 使冷却介质连续不断的吹拂电机的发 热部分 把电机中的热损耗散出机外 这样电机就可以在规定的温度限制下安 全运行了 图 3 6 新型风扇实物图 Fig 3 6 Schematic of experimental new type fan 风室 长 2m 宽 0 9m 高 1 5m 在其内部模拟均匀流场 测量室内静压 差 法兰板 布满均匀网格 使进口空气经过之后变得流场均匀 进口风管 由 4 个直径 96mm 的文丘里喷管和 1 个直径 261mm 的锥形进 口喷管组成 所有风管均经过校验以满足实验标准 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 图 3 7 文丘里喷管 图 3 8 锥形喷管 Fig 3 7 Venturi spout Fig 3 8 Taper import 异径直风管 由实验要求而定制的直径 分别为 437mm 431mm 和 426mm 长度分别为 100mm 120mm 和 140mm 的不同规格的直风管 垫箱 用来固定电机 扭矩仪 以防止在他们实验过程中发生位置的偏移 从而导致实验中断甚至失败 实验过程中 电机转动带动风扇转动抽风 空气由大气经过进口风管进入 风室 流经法兰板 近似形成均匀流场 再通过异径直管和扩压管流出 在此 过程中通过测量室内静压差 进口动压和轴的转速及扭矩来计算风扇性能 图 3 9 电机 扭矩仪与风扇的连接 Fig 3 9 Connection of electric motor torque with fan 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 24 3 3 实验仪器及介绍 本节按照测量物理量的不同来分类介绍仪器以及他们的规格与安装使用方 法 3 3 1 风室内平均压力的测量 a 测量方法 使用 U 型管实时显示和美国 Scanivalve 公司的 DSA 3017 多路压力扫描阀 采集总压和静压差 一段接壁测孔或接压力测量平面内皮托静压管组成的压力 接头 为确定此平面的平均静压差 压力计的另一端应敞开与实验室内的大气压 力相通 为了确定通风机压力测量平面对应的压差 压力计的一端或两端可接至按 3 3 1 d 布置的 4 个测孔接头之间 b 壁测孔的使用 在标准化风道内 进行压力测量的每一截面上 平均静压差按照 3 3 1 c 结构布置的 4 个壁孔的静压差平均值取得 c 测孔的结构 每一个测孔均通过风道壁 它符合图 3 10 中所示的尺寸范围 孔径 a 应不小于 1 5 mm 不大于 5 mm 和不大于 0 04D 当风道流速与通风机进口和出口速度相当时 则需要特别注意 在这种情 况下 孔应位于风道直段处 该处没有接头或其他不规则的部分 距上游段 D 下游段 D 2 的距离 D 为风道直径 当风道非常大时 实际上是不能满足此条 件的 在这种情况下 可以采用 3 3 1 f 中规定的皮托静压管法 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 图 3 10 管壁压力测孔的结构 Fig 3 10 Structure of pressure eyelet on wall d 位置和连接 当采用圆形风道时 4 个孔的位置应该等距分布在圆周上 当采用矩形风 道时 孔的位置应位于 4 个侧面的中心位置 本实验风室为矩形 4 个相似的 孔接到单个的压力计上 e 合格检查 应当注意的是 要保证所有管子和接头均无堵塞和漏泄 并且应将管子中 的液体排净 在进行连续观察之前 4 个测孔的压力应在最大流量处连续进行 单独测量 如果测得的 4 个读数中任何一个读数对于 a ex P p 1000 超过了 5 或 对 a ex a P p P 3000 1000 超过 2 范围时 ex p 为平均表压 孔和压力计接头应 进行检查 看其是否有缺陷 如果检查未发现缺陷 则应检查流量是否稳定 f 皮托静压管的使用 在圆形风道适当的压力测量平面内 至少选择 4 个点 这 4 个点应等距 对称轴线分布在圆周上 距离壁面中心点大约为风道直径的 1 8 或者 当采 用矩形风道时 距离每一壁面中心为管道宽度的 1 8 在稳定流量的条件下 应读取每一点静压差读数 并进行平均计算 另一方面 如果需要 可将 4 个 分开的皮托静压管的静压接头连接在一起 以便得到平均读数 本实验使用扫描阀 DSA 3017 来测量空气的静压和总压 并通过 Lab VIEW 数据处理系统的平台采集通过扫描阀采集的数据 大气压力则是通过校准过的 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 26 大气压力计测得 使用扫描阀 DSA 3017 采集压力 它可以同时测 16 路压力 U 型管的压力读数仅供目测监控 它的目测数据对于扫描阀的结果是一种监控 和对照 3 3 2 温度测量 a 温度计 实验所采用的温度为室外温度 由水银干湿球温度计测得 经校准后的测 量温度的仪表精度 应为 5 0 b 干湿球温度计位置 实验所需的干球和湿球温度应在可以记录实验风道进气条件的位置进行测 量 干球温度计应隔离以防止受到热表面的辐射 湿球温度计应保持套管的清 洁 而且与水银球接触良好 并且用清水保持湿润 3 3 3 转速和扭矩的测量 a 冷却风机的转速 冷却风机轴的转速应在每一个测试点的实验期间 定期进行测量以确保冷 却风机轴平均转速的误差不超过 5 0 不应使用对实验冷却风机转速或冷却 风机性能有较大影响的测量装置 b 扭矩仪 扭矩的测量采用误差不超过 2 0 的测量扭矩的扭矩仪 为了进行校准 已确定负载的精度为 2 0 被测量的力矩长度精度应达到 2 0 在每次实验前后 均应检查零力矩 的平衡 配重 和读出系统的量程 在每次检查时 其差值应在实验期间测得 的最大值的 0 5 范围内 c 校准的电机 直接驱动的电机 输出功率要按制造厂和用户均可接受的效率校准进行测 定 电机应负载运转足够的时间 以保持其在正常操作温度下进行运转 电源 应在规定范围内 即电压变化范围不得超过额定电压的 6 频率不得超过额 定频率的 1 0 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 27 d ZJ 型转矩转速传感器 本实验采用 ZJ 型转矩转速传感器 ZJ 型转矩转速传感器 简称传感器 是根据磁电转换和相位差原理 将转 矩 转速机械量转换成两路有一定相位差电压信号的一种精密仪器 它与 ZJYW 1 微机型转矩转速仪 简称测量仪 配套使用 能直接测量各种动力机械的转 矩与转速 即机械功率 具有测量精度高 操作简便 显示直观 测量范围广 等优点 可以测量轴静止状态至额定转速范围的转矩 广泛应用于 a 各种发动机的台架实验 b 各种电机的转矩 转速及功率测试 c 各种不同类型水泵 液压泵的转矩 转速及功率测试 d 各种类型的风机的转矩 转速及功率测试 e 各种减速器 变速器的转矩 转速及功率测试 f 各种家用电器设备旋转轴的转矩 转速及功率测试 g 各种旋转机械的转矩 转速及功率测试 3 3 4 ZJ 型转矩转速传感器结构原理 图 3 11 传感器结构示意图 Fig 3 11 Schematic of sensor 图 3 11 为传感器的结构示意图 它由机座 端盖 扭力轴 内齿轮 外齿 轮 磁钢 线圈轴承等部件组成 内齿轮 磁钢固定在套筒上 线圈固定在端 盖上 外齿轮固定在扭力矩上 当内外齿轮发生相对转动时 由于磁通不断变 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 28 化 在线圈中便感应出近似正弦波的感应电势 2 1 两感应电势的初始相位 差是恒定的 考虑到正 反加载 0 设计在大约 180 的位置上 当加上扭力 时 扭力轴发生扭转变形 在弹性范围内外加扭矩与机械扭转角成正比 这时 2 1 信号的相位差要发生变化 0 当传感器的扭矩增加到额定值 时 变化的相位 大约为 90 因此 测量出 就等于间接测量出轴上的外 加转矩 这样 传感器就实现了把机械量 扭角变化 转化成电子量 相量差 变化 的过程 图 3 12 为信号的时序波形图 图 3 12 时序波形图 Fig 3 12 Oscillogram of horary sequence a 正常工作条件 传感器应在下列环境条件下正常工作 a 温度 0 50 b 相对湿度 90 c 电源 频率为 50 2 Hz 的三相交流电源 电压为 380 38 V b 技术指标 传感器的转速和扭矩的测量精度分为 0 1 级和 0 2 级 其基本参数如下表所 列 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 表 3 1 传感器的转速和扭矩精度 Tab 3 1 Precision of rotate speed and torque of transducer 精确度等级 0 1 级 0 2 级 静校误差 0 1 0 2 转速变化引起的转矩误差 0 2 0 3 套转 同心度 误差 0 1 0 2 同心度误差 轴 同心度 的误差 0 1 0 2 c 传感器系数修正 传感器在使用时只须将传感器系数及标定温度通过仪器背后的拨盘输入 再在 室温 拨盘上输入当时室温 仪器内部即可自动进行系数修正 本传感器若与其他型号的转矩转速仪器配套使用时应注意仪器是否具有系 数自动修正功能 若无此功能时 为了确保传感器测量精度 在使用环境温度 和标定温度不相同时 按下式对传感器的标定系数进行修正 0 1 0 t t G X X t t 式中 t X 温度为 t 时的传感器系数 0 t X 温度为 0 t 时的传感器系数 即铭牌上所标注的系数值 t 测量时实际环境温度 0 t 标定传感器时的环境温度 见铭牌 G 剪切弹性模量 G 的温度系数 本传感器变形轴材料为 50GrVA G 0 027 C 见铭牌 输出信号幅度 不小于 100mV 可以测量的最大转矩 满量程的 120 3 4 扫描阀的应用 本实验使用扫描阀 DSA 3017 在测量时引入扫描阀测压 与常规使用的 U 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 30 型管目测压力相比 扫描阀大大提高了实验数据的精度 并且提供了更直观的 监视 本次实验的数据采集系统是在 National Instrument 公司推出的 Lab VIEW 环 境上 通过创建相应的虚拟仪器 VI 和框图程序来构造的 这也是利用了 Lab VIEW 的最大优点 创建数据采集系统很大程度上是在 LabVIEW 下进行图 形编程 压力的采样 转换 放大 传输都包含在此环节中 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench 是实验室 虚拟仪器集成环境的简称 是美国国家仪器公司 NATIONAL INSTRUMENTS 简称 NI 的创新软件产品 也是目前应用最广 发展最快 功能最强的图形化 软件开发集成环境 随着计算机和总线技术的发展 越来越多的科学家和工程师采用基于 PC 的数据采集 Data Acquisition 以下简称 DAQ 系统来完成实验室研究和工业 控制中的测试测量任务 建立在通用计算机和 DAQ 设备基础上的虚拟仪器系 统具有一机多用 用户自定义功能和使用维护方便等特点 代表了今后仪器的 发展方向 LabVIEW 的数据采集 Data Acquisition 程序包括了许多 NI 公司数据采 集 DAQ 卡的驱动控制程序 通常 一块卡可以完成多种功能 数 模转换 模 数转换 数字量输入 输出以及计数器 定时器操作等 用户在使用之前必须 设置好 DAQ 卡的硬件配置 DAQ 系统的基本任务是物理信号的产生和测量 但是要使计算机系统能够 测量物理信号 必须要使用传感器把物理信号转换成电信号 电压或者电流信 号 有时不能把被测信号直接连接到 DAQ 卡 而必须使用信号调理辅助电路 先将信号进行一定的处理 总之 数据采集是借助软件来控制整个 DAQ 系统 包括采集原始数据 分析数据 给出结果等 当采用 DAQ 卡测量模拟信号时 必须考虑下列因素 输入模式 单端输 入或者差分输入 分辨率 输入范围 采样范围 采样速率 精度和噪声等 单端输入以一个共同接地点为参考点 这种方式适用于输入信号为高电平 大于 1 伏 信号源与采集端的距离较短 小于 15 英尺 并且所有输入信号 太原理工大学专科学位论文 第三章 电机冷却 风扇性能实验 31 有一个公共接地端 如果不能满足以上条件 则需要使用差分输入 差分输入 方式下 每个输入可以有不同的接地参考点 并且 由于消除了共模噪声的误 差 差分输入的精度较高 在本实验中 该仪器的最主要目的就是测量风室静压差和进口气流总压 一起使用的是以空气动力测压法为基础的总压管和静压管 用总压管和静压管 测压时 偏流角的存在对测量结果有很大影响 在实际中需要特别注意 由于 工艺误差的存在和马赫数的影响 每支总压管和静压管在使用前必须进行风洞 校准 在调试及实验过程中 U 型管目测数据也是必不可少的 虽然 U 型管的误 差较大 但是结构简单的它容易校正 除了密封问题以外基本不会出现错误 它的目测数据对于扫描阀的结果是一种监控和对照 3 5 实验前期设备安装及调试 3 5 1 风道 风道各段之间的接头要有良好的密封性 以确保在冷却风机运行时不会造 成过多的流量损失 在对测量仪表接入和操作等做出规定的地方 要尽量把该 风道处的漏泄和障碍减小到最低限度 3 5 2 实验空间 当冷却风机不运行的时候 应保证该冷却风机及其