现代电机设计及分析方法课件：电机发热与冷却计算

电机发热与冷却计算用Δτ来表示。根据对物质体发热过程的分析，温升随时间的变化是呈指数曲线关系，如图所示。起始阶段：物体温度与周围介质温度相同，物体所产生的损耗热全部用来提升物体温度，因此，物体温度上升很快

电机发热与冷却计算§8-1

温升限度一、概述电机运行→产生损耗→变为热能→电机各部分温度升高。温升：电机部件的温度与周围介质温度之差，称为该部件的温升。Δτ∞Δτ0t

电机发热与冷却计算中间阶段：由于物体温度高于周围介质温度，温差加大，于是物体的热量就散发到周围介质，散发量随着温差的加大而加大稳定阶段：当物体内部产生的热量与散发到周围介质中支的热量相等时，物体本身的温度不再增加。温升对电机部件的影响，首当其冲的是绕组的绝缘材料。如何降低温升？1、提高效率，减少损耗2、增强电机的散热能力，如强迫风冷。

电机发热与冷却计算二、我国采用的电机温升限度温升限度：指电机在额定负载运行下，各部件温升的允许极限值

称为温升极限。对电机而言，其温升极限基本上取决于绝缘材料所允许的最高温度及冷却介质的温度。不同绝缘等级的绝缘材料，其耐温极限如下耐热分级AEBFH极限温度/℃105120130155180冷却介质温度/℃4040404040温升限度/℃607580100125表所示。

电机发热与冷却计算冷却介质温度的确定冷却介质温度即为大气温度，每个国家一般都采用大部分地区的大气绝对最高温度作为冷却介质的温度，因此我国的国家标准规定+40℃作为冷却介质温度。测量温度的方法有温度计法、电阻法、埋置检温计法三种方法不同的方法测出的平均温度与最热点温度之间的差别不一样。例如在标准中规定A级绝缘的定子绕组，用温度计法测得的温升限度为50℃，它是由该级绝缘的最高温度105℃减去40℃得65℃，再减掉平均温度与最高温度的差别15℃后得到。

电机发热与冷却计算§8-2电机的冷却方式一、概述1、风扇强迫空气流动的冷却方式2、氢气为冷却介质的冷却方式3、内冷，即不通过绝缘材料，使导体产生的热量直接传给冷却介质a)以氢作为冷却介质；b)以水作为冷却介质。

电机发热与冷却计算目前在电机制造业中大量采用的仍是以空气为冷却介质的空气冷却系统。二、空气冷却系统特点：结构简单、成本低；其缺点是：空气冷却效果差，

在高速电机中引起的摩擦损耗大。其结构类型特点有以下四个方面：(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。(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

电机发热与冷却计算径向通风系统便于利用转子上能够产生风压的部件，如风道片、铸铝散热片等的鼓风作用，产生散热效果而得到广泛应用。轴向通风系统通过轴流式风扇的作用，使空气沿着轴向从一端流入进入电机，另一端流出。混合式通风系统兼有轴向与径向两种通道。(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→变为热空气鼓出。(四)外冷与内冷外冷即所谓表面冷却方式；内冷即从发热件内部直接冷却的方式，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。8.2.2流体力学基本理论一、概述电机在运行过程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：qv

=

pha

a式中ph为冷却介质所带走的损耗(热量)ca

冷却介质的比热容(J/m3

.C)

Ta

冷却介质通过电机后的温升二、流体运动中常用名词(一)流体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。c

T

电机发热与冷却计算(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。(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：dvdnT单位面积上的摩擦力dvdnn动力粘度系数,取决于流体的性质及温度.速度梯度,即垂直于流动方向上流体流速的变化;T

=n

电机发热与冷却计算(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。(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

电机发热与冷却计算8.2.3流体运动计算一、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：是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。

电机发热与冷却计算考虑到运动过程中的各种损耗，则柏努利方程应写为：p1

+pv

=p2

+pv

+p(压力的减少量)以下讨论损耗的计算方法。(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：v

=

v于是由上述方程可得:p1

p2

=

p因此p是流体从位置1运动到位置2时由摩擦产生的静压损耗.22121

2

电机发热与冷却计算对于圆形管道，Δp可以表示为动压力的形式：

p

=p

=匕pv2

l

d

摩擦系数,不是常数,而是速度的函数,还与流体状态有关l管道长度d管道直径在电机中，由于有旋转部件，因此流体总是处在紊流状态中，此时有：

=0.02~0.065对于管壁光滑的金属管道取下限,对于粗糙管道取上限.当管道为矩形时，可以按等效的圆形管道来计算：等效直径d

=

式中匕=为摩擦损耗系数;

电机发热与冷却计算(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：12

p

=

匕

2

pv匕为局部损耗系数,在几何形状相似的管道中是一个常数并且由实验证明p与v2

成正比,表现为流体静压力的减小.以下讨论几种局部损耗的计算方法：1、管道截面突然扩大A1

A2

此时匕=(1-)2

v1

v2匕值是对应小截面处的流速v1

2、出口和入口出口是截面突然扩大，即A2

=

,

匕

=

1

表示Δp=1/2*ρv2

即流体带走全部的动能，动压头为零。管道截面突然变小：局部损耗系数可用下式计算：匕(1-

)匕值是对应于小截面处的流速v2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。

电机发热与冷却计算A22A11vv

电机发热与冷却计算3、管道改变方向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：2式中v管道中空气的速度

a空气动阻力系数,根据转角a的大小查曲线.

p

=

av

电机发热与冷却计算二、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：1

2

p

=匕

pv为了计算上的方便，将上式改写为：

p

=匕pv2

=匕(Av)2

=

qv

2

=Zq

.v22A2匕p通常将流阻写成：2A2

.

A2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，ζ则对应于小截面处的流速的系数。式中Z

=管道的流阻;当流体为气体则为风阻A管道的截面积qv

通过管道的体积流量匕p

==匕p2A22

.Z

电机发热与冷却计算三、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。

qv

1

2

3

Z4为缩小风阻，

5Z5为扩大风阻。

流过上述风阻的流量相同，Z3为转弯风阻，

4

Zd

q

=Z1q

+Z2

q

+Z3q

+Z4

q

+Z5

qZd

=Z1

+Z2

+Z3

+Z4

+Z5v2v2v2v2v2v2Z1为入口风阻，

Z2为扩大阻，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，即对于具有串并联结构的管道及风路图如下：Z1

Z2

Z3

Z4

Z5nZd

=

Znqv1此时支路Ⅰ中的风压降为：p1

=(Z2

+Z3

)qv12

=Z

qv12支路Ⅱ的风压降为：

p2

=

(Z4

+

Z5

+

Z6

)qv22

=

Z

qv22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

p1

=p2

=p

=Zd

q

Zd

=

=

=

=

=

v22'1'qv15

电机发热与冷却计算qv12qv2

4Z4

Z5

Z6Z2

Z3Z7+Z836qvZ178

电机发热与冷却计算如果有n个风阻并联，则等值总风阻为：Z

=

1

d

n

1(

)

于是上图总风阻为Z总

=Z1

+Zd

+Z7

+Z8四、流体通过管道所需的功率流体通过管道引起的总压降为：p总

=

Z总q

总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能，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：pv

=

p总qv总

=

Z总q

总v3v2218.2.4风

扇•一、概述风扇的作用在于产生风压，以驱送所需的气体源源不断地通过电机。风扇结构有两类：其一是离心式；其二是轴流式。

电机发热与冷却计算二、理想的离心风扇所产生的压力工作原理：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。入口角出口角理想风扇的假定：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T

=

pqv式中叶轮旋转的角速度;T作用在叶轮上的转矩

电机发热与冷却计算

电机发热与冷却计算根据动量矩定理，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。叶轮进口处的动量矩为r1m1v1t

=Vpr1v1t叶轮出口处的动量矩为r2

m1v2t

=Vpr2v2t则r(Ft)=Tt

=Vp(r2

v2t

r1v1t

)T

=p(r2

v2t

r1v1t

)=qv

p(r2

v2t

r1v1t

)V时间t内流过的气体体积;p气体的密度r1

r2

叶轮的内外半径v1t

v2t叶轮内外半径处的气体速度的切向分量式中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。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=Ωr，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处的相应沿叶片的速度w与wr之间的关系为：

w

=

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。但是由前面的假定，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β时，

则气体p

==qv

p(r2

v2t

一r1v1t

)=p(u2

v2t

一u1v1t

)qv

qvu1

u2为叶轮内外径处的线速度

电机发热与冷却计算于是有式中圆柱形面积，即：wr

=

T

电机发热与冷却计算叶片间气体的绝对速度v则为w与u的矢量和。

=+

u一w一v一

电机发热与冷却计算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β1与β2，则由入口与出口处的速度三角形可知：w

=u

+v

-2u1v1

cosa1

=u

+v

-2u1v1tw

=u

+v

-2u2v2

cosa2

=u

+v

-2u2v2t22222222221212121212v1t

=u1

-w1

cos

1v2t

=u2

-w2

cos

2入口角出口角根据三角形的

余弦定理，得：将上式代入p

=p(v2tu2

一v1tu1

)式中得p

=p(u

一u)+p(w

一w)+p(v

一v)上式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。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：p0

=p(u

一u)+p(u

一u)=p(u

一u)因此，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。122212221222122222121222

电机发热与冷却计算u1v1t

=2(u

+v

一w1

)1

21212u2

v2t

=

2(u

+v

一w2

)2222将上式改写成：1

2

q

1

1

2r1b1

tan1将v1t

v2t代入p

=p(v2tu2

-v1tu1

),并考虑在一般情况下b1

=b2

=b,以及u2

=r2

,u1

=r1

得pL

=

p(u

-

u

)

-

p

(

-

)qv1222三、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。q

q

2

A

2r2b2

q

2

2

2r2b2

tan

2由图可得速度v2

的切向分量为v2t

=

u2

-

又由于v

r

=v

=v

代入上式得同理可得v

t

=u

-

vv

t

=u

-

v其中p空气密度u2

=r2

叶轮外圆线速度u1

=r1叶轮内圆

线速度b叶片宽度

1入口角

2

出口角压力pL

与流量qv之间的关系(即外特性)如下pL

=

p(u

u

)

p

(

)qv1222入口角出口角从上式可以分析入口角β1与出口角β2

的变化对风扇特性的影响。按β1，β2之间的关系离心式分扇可分为三类：(一)β2=β1

，外特性是一条平行于横轴的直线，即压力与流量无关。例如β2=β1=90º，称为径向式叶片，优点是可以逆转，但效率低。(二)β2>β1

，β2>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。β2>β1β1=β2β2<β1(三)β2<β1

，β2<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。

电机发热与冷却计算pLu

)12p(u22qv0一

电机发热与冷却计算一般而言，入口角β1<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全压力中的静压力占的比例要大些。而前倾式风扇产生的静压力较少，因此很少在电机中采用。四、实际离心式风扇的外特性和功率实际离心式风扇具有下列一些损耗：(1)冲击损耗气体进入叶片时，因冲击损耗而失去一部分压力。(2)摩擦损耗与局部损耗气体在叶片间流动，由于摩擦损耗与局部损耗而失去一部分压力。这部分损耗与流量qv

的平方成正比。

电机发热与冷却计算(3)压力损耗由于实际叶片数不是很多，因此片间气体不可能与叶片作平行流动，使气体在入口与出口处的速度与理想风扇不一样，所以实际压力总是小于计算值。实际风扇存在着上述三种压力损耗，使外特性不是直线而是曲线，为了确定离心式风扇的实际外特性，主要应确定空载运行点和短路运行点。对前倾叶片对后倾叶片

对径向叶片n0

=0.75n0

=0.5n0

=0.6静压力p0

=n0

p(u

u

)n0为风扇空载运行时的气体动效率1222空载运行点(即流量qv=0)：

电机发热与冷却计算短路运行点(p=0)：根据经验，短路时，不同叶片的离心式风扇的qvm与叶轮外径处通过的气体的圆柱形表面积A2具有以下数值关系：对前倾式叶片,当1

252

155时,

qvm

0.5u2

A2对后倾式叶片,当1

=2

25时,qvm

0.35u2

A2对径向式叶片,当1

=2

=90时,qvm

0.42u2

A2式中A2

=K

D2b

其中b叶片宽度,D2

叶轮外径K

=0.92为折扣系数对于径向式的离心风扇，外特性曲线用标么值表示时，用下当已知风扇外特性和通风系统的风阻特性。那么两条曲线的交点就是风扇的工作点。如图所示。风扇的额定工作点最好定在最大流量的一半处，即qv=qvm/2。因为该位置的工作效率最高。列简化形式表达：p0

qvm

p

q

=1(

v

)2要点主要是确定其内径D1

、外径D2

、叶片的宽度b和倾角β1

，β2在普通电机中多采用径向式风扇，以下介绍该风扇设计要点。1、叶轮外径D2

的确定，对于轴向通风系统，外径D2应尽可能地

大，以产生较高的风压。pv

=

式中n风扇的能量效率:

对于前倾式叶片n=0.3~0.4对于后倾式叶片n=0.25~

0.3对于径向式叶片n=0.15~0.2五、离心式风扇的计算要点L风阻特性风扇外特性

电机发热与冷却计算0qvm/2qvm

qv风扇输入功率：p2、根据已确定的D2

，确定线速度u2u2

=n为电机转速u2

是风扇线速度3、确定叶片宽度按最大效率条件，有qv

=叶轮外径处的圆柱形表面积：A2

=

由此确定叶片宽度b

=

4、确定叶轮内径D1

q

1

p

q

p

=1=0.75即p0

=将最高效率运行条件即v

=代入径向风扇的外特性=1(v

)2

得qvm

2

p0

qvm0p5、确定β1=β2=90º6、确定叶片数N选择时一般考虑叶片构成的管道长度和宽度有适当的比例，以减小损耗。在平均直径处叶片之间的距离应小于或等于叶片的高度，即叶片数N：P是风扇的额定工作点的压力，等于风路的总压降。根据径向风扇空载运行产生静压力的公式：p0

=n0

p(u

一u)=0.6p(u

一u)12221222N

>

冗(D1+

D2)

p0

0.6p因此D

=60u1冗n得u1

=D

一Du

一22211

电机发热与冷却计算8-3

传热及计算•一、概述由损耗产生的热量，先由发热体内部传导至表面，然后经过对流和，辐射的作用散到周围去。二、热传导定律传导只发生在温度有高低差别的温度场中。将场中的相同温度点联接起来，便得到等温线或面。如图所示。并且，热的传导方向是和温度空间变化率最大的方向一致，即与等温线热传导定律：温度场各点的热流密度q与该点的温度梯度成正比：q

=入grad9入为比例常数,即热导率的法线方向一致，如图所示。热流密度q：单位时间内通过单位等温面的热量。该物理量的单位为：J/(m2

.s)热流

等温线法线等温线低温高温如果热流只有一个方向，即x方向的平面热传导，则上式可改写为：d9dx由热流密度的定义

:

q

=

(单位时间内通过等温面的总热量,

即热流量)A(与热流方向垂直的等温面的面积)因此，在平面热传导中，温度分布是一直线。如图所示。当x

=6时,9=92

,则有92

=91

6入A

d9所以热流=入Adx如果A是常数，解上式微分方程得：

x

=入A9+CC为积分常数,设当x

=0时,9=91

,则有C

=入A91将C回代到解式中得

:0

6平面热传导9=91

x

入A991

q

=入

x299温差1

2

R

A为了计算温升方便，将“场”的问题转变为“路”的问题。引入电路的概念即将温差Δτ当作电压，热流Φ当作电流，热阻Rλ

当作电阻。于是在热路中，合成热阻的计算方法也与电路中求电阻的方法一样。n串联的合成热阻为R

R

n1并联的合成热阻为R

三、热对流和热辐射

1

R

n(一)热辐射根据辐射定律,每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热量q(T4

T

4

)式中T发热体表面的温度,5.7108W/m2

.K纯黑物体的斯忒藩玻耳兹曼常数T

周围介质的绝对温度,因数,其值与发热体表面情况有关,查表得到.式中R

称之为热阻

电机发热与冷却计算一般情况下，当采用强制对流冷却电机时，由辐射带走的热量微乎其微，

可忽略不计。但是在平静的大气中，由辐射散发的热量约占总散热量的40%(二)热对