《電機設(shè)計》之五課件

第六章電機的冷卻§6-1電機的冷卻方式一、概述1、風(fēng)扇強迫空氣流動的冷卻方式2、氫氣為冷卻介質(zhì)的冷卻方式同樣尺寸的電機采用氫冷后，可提高容量20~25%，且效率也能提高。3、內(nèi)冷，即不通過絕緣材料，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)第六章電機的冷卻§6-1電機的冷卻方式一、概述1、風(fēng)扇強迫1（一）開路冷卻或閉路冷卻

特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低；其缺點是：空氣冷卻效果差，在高速電機中引起的摩擦損耗大。其結(jié)構(gòu)類型特點有以下四個方面：二、空氣冷卻系統(tǒng)

目前在電機制造業(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)。開路式：外部空氣→進入電機→回到周圍環(huán)境中去閉路式：電機內(nèi)部空氣→在電機內(nèi)部循環(huán)→冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的熱量→經(jīng)過結(jié)構(gòu)件如機殼→傳遞給第二介質(zhì)（水）。（二）徑向、軸向和混合式通風(fēng)系統(tǒng)按電機內(nèi)部冷卻空氣的流動方向，分為徑向、軸向與混合三種（一）開路冷卻或閉路冷卻特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低；其缺2

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)通過軸流式風(fēng)扇的作用，使空氣沿著軸向從一端流入進入電機，另一端流出?；旌鲜酵L(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)電機的勵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。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，3§6-2關(guān)于流體運動的基本知識一、概述

電機在運行過程中所產(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算：二、流體運動中常用名詞（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?！?-2關(guān)于流體運動的基本知識一、概述4（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處理。（三）流體的粘滯性

粘滯性表現(xiàn)為一種抗拒流體流動的內(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時的速度梯度，公式為：（二）流體的壓縮性根據(jù)流體在壓力的作用下其體積5（四）理想流體和真實流體

真實流體是可壓縮的，而且有粘滯性。理想流體即不考慮可壓縮性和粘滯性。研究時先從理想流體出發(fā)，得出運動規(guī)律，然后按真實情況加以修正。

流體在管道內(nèi)的運動狀態(tài)可分為層流和紊流兩種。層流運動時，流體平行于管道表面流動，各層平行運動，之間沒有流體交換。（五）層流及紊流

作紊流運動時，流體的質(zhì)點不再保持平行于管壁的運動，而是以平均流速向各個方向作無規(guī)則的擾動。層流（四）理想流體和真實流體真實流體是可壓縮的，而6

通常用一個無量綱的量即雷諾數(shù)來判斷流體運動情況。當(dāng)Re<2300時為層流，當(dāng)Re>2300時為紊流。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＿靜壓力與動壓力

靜壓力即為流體受壓縮的程度，單位用Pa來表示。靜壓力也可看作是被壓縮流體單位體積內(nèi)所儲存的位能。動壓力則表示運動的流體單位體積中所具有的動能，可表示為靜壓力與動壓力之和稱為全壓力，即單位體積流體中所包含的總機械能。三、理想流體運動方程（柏努利方程）如何判斷流體運動是層流還是紊流？通常用一個無量綱的量即雷諾數(shù)來判斷流體運動情況7

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：

該方程表示理想流體在穩(wěn)態(tài)運動過程中，單位體積內(nèi)所包含的總能量保持不變。該式各項單位為m，是長度的量綱，稱之為壓頭。

由于電機冷卻系統(tǒng)的流體在運動過程中的高度位置基本保持不變，即h為常數(shù)項，可以歸到C1中。于是方程變?yōu)椋焊鶕?jù)流體力學(xué)理論，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：該方程8

該式表明在流體的運動過程中全壓頭保持不變，靜壓頭與動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、實際流體在管道中運動時的損耗

實際流體總是存在著粘滯性，流體運動時總會遇到各種阻力，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。該式表明在流體的運動過程中全壓頭保持不變，靜壓頭9考慮到運動過程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫為：以下討論損耗的計算方法。（一）摩擦損耗如果流體在截面不變的管道流動時，則流體在管道兩端的速度相等，即：考慮到運動過程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫為：以下討論損耗10對于圓形管道，Δp可以表示為動壓力的形式：在電機中，由于有旋轉(zhuǎn)部件，因此流體總是處在紊流狀態(tài)中，此時有：當(dāng)管道為矩形時，可以按等效的圓形管道來計算：對于圓形管道，Δp可以表示為動壓力的形式：在電機中11（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損耗也以動壓力的形式來表示：以下討論幾種局部損耗的計算方法：1、管道截面突然擴大A1A2v1v2（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損12管道截面突然變小：A2A1v1v2局部損耗系數(shù)可用下式計算：2、出口和入口出口是截面突然擴大，即表示Δp=1/2*ρv2即流體帶走全部的動能，動壓頭為零。

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，如書中表6-1所示。喇叭形入口的損耗最小。管道截面突然變?。篈2A1v1v2局部損耗系數(shù)可用下式計算：13

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)。在電機中氣流方向的改變而引起的局部損耗，可用下式計算：3、管道改變方向其損耗取決于管道形狀、彎曲角度及尺寸大小等因素有14五、管道的流阻與風(fēng)阻流體通過管道時所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為動壓力的形式：為了計算上的方便，將上式改寫為：通常將流阻寫成：對于計算截面突然變大或變小的風(fēng)阻時，A應(yīng)取小截面處的面積，ζ則對應(yīng)于小截面處的流速的系數(shù)。五、管道的流阻與風(fēng)阻流體通過管道時所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為15六、風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)

在計算與研究通風(fēng)問題時，經(jīng)常用風(fēng)阻聯(lián)接圖來替代實際風(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為擴大阻，Z3為轉(zhuǎn)彎風(fēng)阻，Z4為縮小風(fēng)阻，Z5為擴大風(fēng)阻。

流過上述風(fēng)阻的流量相同，氣體通過整個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12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5

對于具有串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管道及風(fēng)路圖如下：六、風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)在計算與研究通風(fēng)問題時，經(jīng)常16qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此時支路Ⅰ中的風(fēng)壓降為：支路Ⅱ的風(fēng)壓降為：由于支路Ⅰ與支路Ⅱ具有公共的入口與出口，因此二支路的壓降應(yīng)相等。即qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z617如果有n個風(fēng)阻并聯(lián)，則等值總風(fēng)阻為：七、流體通過管道所需的功率流體通過管道引起的總壓降為：

該壓降就必須的升壓裝置來維持，才能保證流體（氣體）能夠連續(xù)不斷地通過風(fēng)阻Z，該升壓裝置采用風(fēng)扇。風(fēng)扇的作用在于將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動能及位能，從而提高流體的壓頭，維持所需的流量。流體通過管道所消耗的功率為：如果有n個風(fēng)阻并聯(lián)，則等值總風(fēng)阻為：七、流體通過管道所需的功18§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電機。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

特點是能夠產(chǎn)生較高的風(fēng)壓；旋轉(zhuǎn)時，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；氣流進出風(fēng)扇時一般要發(fā)生運動方向的改變；所以效率低，只有0.2左右。2、軸流式風(fēng)扇

特點是氣體受葉片的鼓動或一種軸向壓力，而沿著軸向運動，在出口處形成壓力；氣流進出風(fēng)扇一般不再改變方向；所以效率較高達(dá)到0.8左右。缺點是風(fēng)壓小。§6-3風(fēng)扇一、概述風(fēng)扇的作用在于產(chǎn)生191、離心式風(fēng)扇：n徑向風(fēng)向2、軸流式風(fēng)扇n軸向風(fēng)向1、離心式風(fēng)扇：n徑向風(fēng)向2、軸流式風(fēng)扇n軸向風(fēng)向20《電機設(shè)計》之五課件21風(fēng)罩風(fēng)罩22n凸極同步機n凸極同步機23n直流機n直流機24

工作原理：當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，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)徑的外部補充進來。二、理想的離心風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力入口角出口角工作原理：當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，片間的空氣被離心力向著25

理想風(fēng)扇的假定：即風(fēng)扇在工作時沒有任何的損耗，流過葉片的氣體與葉片的外形平行。

設(shè)風(fēng)扇工作時產(chǎn)生的壓力為p，通過的流量為qv，由于是理想風(fēng)扇，外界對風(fēng)扇所做的機械功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w所獲得的功率。即理想風(fēng)扇的假定：即風(fēng)扇在工作時沒有任何的損耗，26

根據(jù)動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內(nèi)流體動量矩的變化，等于同一時間內(nèi)所加入的沖量矩。根據(jù)動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內(nèi)流體動量27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=Ωr，因此在這一半徑處的氣體，具有該線速度分量；同時葉片間的氣體一定有一個徑向的速度分量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。當(dāng)r處的葉片切線與圓外切線的夾角為β時，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，葉片間氣體有兩個速度分量，其一是隨葉片一起旋轉(zhuǎn)的線速度u；其二是相對葉片的速度w。如圖所示。只要葉輪的轉(zhuǎn)速和尺寸已知，u1與u2就能確定；而28葉片間氣體的絕對速度v則為w與u的矢量和。葉片間氣體的絕對速度v則為w與u的矢量和。29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β1與β2，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：入口角出口角若在葉輪的內(nèi)徑與外徑處，葉片切線與圓周的切線的夾30將上式改寫成：上式第一項是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用而產(chǎn)生的靜壓力；第二項是氣體在出口處比在入口處的相對速度減少而轉(zhuǎn)化的靜壓力；第三項為氣體獲得的動壓力?？蛰d運行時，指葉輪外徑的出風(fēng)口全部封閉，則有qv=0，w=0，v=u，故空載時所產(chǎn)生的壓力為：因此，空載運行時，風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力只與葉輪的內(nèi)、外徑相關(guān)而與葉的形狀無關(guān)。將上式改寫成：上式第一項是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時，31三、理想離心式風(fēng)扇的外特性

當(dāng)風(fēng)扇負(fù)載運行時，就有qv≠0，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。三、理想離心式風(fēng)扇的外特性當(dāng)風(fēng)扇負(fù)載運行時，就有q32入口角出口角入口角出口角33從上式可以分析入口角β1與出口角β2的變化對風(fēng)扇特性的影響。按β1，β2之間的關(guān)系離心式分扇可分為三類：β2>β1β1=β2β2<β1qv0（一）β2=β1，外特性是一條平行于橫軸的直線，即壓力與流量無關(guān)。例如β2=β1=90o，稱為徑向式葉片，優(yōu)點是可以逆轉(zhuǎn)，但效率低。（二）β2>β1，β2>90o，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，效率較高。（三）β2<β1，β2<90o，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，效率介于上二者之間。從上式可以分析入口角β1與出口β2>β1β1=β2β2<β134一般而言，入口角β1<90o，這樣取值可以減少氣體進入風(fēng)扇時的損耗。

風(fēng)扇葉片的傾角對靜壓力與動壓力的分配也有影響，在電機的冷卻系統(tǒng)中動壓力往往要先轉(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，因此很少在電機中采用。四、實際離心式風(fēng)扇的外特性和功率實際離心式風(fēng)扇具有下列一些損耗：（1）沖擊損耗氣體進入葉片時，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，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。一般而言，入口角β1<90o，這樣取值可以減少氣體35（3）壓力損耗

由于實際葉片數(shù)不是很多，因此片間氣體不可能與葉片作平行流動，使氣體在入口與出口處的速度與理想風(fēng)扇不一樣，所以實際壓力總是小于計算值。

實際風(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)扇的實際外特性，主要應(yīng)確定空載運行點和短路運行點?？蛰d運行點（即流量qv=0）：（3）壓力損耗由于實際葉片數(shù)不是很多，因此片間氣36短路運行點(p=0)：

根據(jù)經(jīng)驗，短路時，不同葉片的離心式風(fēng)扇的qvm與葉輪外徑處通過的氣體的圓柱形表面積A2具有以下數(shù)值關(guān)系：

對于徑向式的離心風(fēng)扇，外特性曲線用標(biāo)么值表示時，用下列簡化形式表達(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就是風(fēng)扇的工作點。如圖所示。風(fēng)扇的額定工作點最好定在最大流量的一半處，即qv=qvm/2。因為該位置的工作效率最高。短路運行點(p=0)：根據(jù)經(jīng)驗，短路時，不同葉片的離37pLqv0風(fēng)阻特性風(fēng)扇外特性風(fēng)扇輸入功率：五、離心式風(fēng)扇的計算要點

要點主要是確定其內(nèi)徑D1、外徑D2、葉片的寬度b和傾角β1，β2在普通電機中多采用徑向式風(fēng)扇，以下介紹該風(fēng)扇設(shè)計要點。1、葉輪外徑D2的確定，對于軸向通風(fēng)系統(tǒng)，外徑D2應(yīng)盡可能地大，以產(chǎn)生較高的風(fēng)壓。qvmqvm/2pLqv0風(fēng)阻特性風(fēng)扇外特性風(fēng)扇輸入功率：五、離心式風(fēng)扇的計38葉輪外徑處的圓柱形表面積：4、確定葉輪內(nèi)徑D1按最大效率條件，有3、確定葉片寬度2、根據(jù)已確定的D2，確定線速度u2葉輪外徑處的圓柱形表面積：4、確定葉輪內(nèi)徑D1按最大效率條件39選擇時一般考慮葉片構(gòu)成的管道長度和寬度有適當(dāng)?shù)谋壤?，以減小損耗。在平均直徑處葉片之間的距離應(yīng)小于或等于葉片的高度，即葉片數(shù)N：6、確定葉片數(shù)N5、確定β1=β2=90o根據(jù)徑向風(fēng)扇空載運行產(chǎn)生靜壓力的公式：

P是風(fēng)扇的額定工作點的壓力，等于風(fēng)路的總壓降。選擇時一般考慮葉片構(gòu)成的管道長度和寬度有適當(dāng)?shù)谋壤?、確定40第六章電機的冷卻§6-1電機的冷卻方式一、概述1、風(fēng)扇強迫空氣流動的冷卻方式2、氫氣為冷卻介質(zhì)的冷卻方式同樣尺寸的電機采用氫冷后，可提高容量20~25%，且效率也能提高。3、內(nèi)冷，即不通過絕緣材料，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)第六章電機的冷卻§6-1電機的冷卻方式一、概述1、風(fēng)扇強迫41（一）開路冷卻或閉路冷卻

特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低；其缺點是：空氣冷卻效果差，在高速電機中引起的摩擦損耗大。其結(jié)構(gòu)類型特點有以下四個方面：二、空氣冷卻系統(tǒng)

目前在電機制造業(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)。開路式：外部空氣→進入電機→回到周圍環(huán)境中去閉路式：電機內(nèi)部空氣→在電機內(nèi)部循環(huán)→冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的熱量→經(jīng)過結(jié)構(gòu)件如機殼→傳遞給第二介質(zhì)（水）。（二）徑向、軸向和混合式通風(fēng)系統(tǒng)按電機內(nèi)部冷卻空氣的流動方向，分為徑向、軸向與混合三種（一）開路冷卻或閉路冷卻特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低；其缺42

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)通過軸流式風(fēng)扇的作用，使空氣沿著軸向從一端流入進入電機，另一端流出?；旌鲜酵L(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)電機的勵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。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，43§6-2關(guān)于流體運動的基本知識一、概述

電機在運行過程中所產(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算：二、流體運動中常用名詞（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?！?-2關(guān)于流體運動的基本知識一、概述44（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處理。（三）流體的粘滯性

粘滯性表現(xiàn)為一種抗拒流體流動的內(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時的速度梯度，公式為：（二）流體的壓縮性根據(jù)流體在壓力的作用下其體積45（四）理想流體和真實流體

真實流體是可壓縮的，而且有粘滯性。理想流體即不考慮可壓縮性和粘滯性。研究時先從理想流體出發(fā)，得出運動規(guī)律，然后按真實情況加以修正。

流體在管道內(nèi)的運動狀態(tài)可分為層流和紊流兩種。層流運動時，流體平行于管道表面流動，各層平行運動，之間沒有流體交換。（五）層流及紊流

作紊流運動時，流體的質(zhì)點不再保持平行于管壁的運動，而是以平均流速向各個方向作無規(guī)則的擾動。層流（四）理想流體和真實流體真實流體是可壓縮的，而46

通常用一個無量綱的量即雷諾數(shù)來判斷流體運動情況。當(dāng)Re<2300時為層流，當(dāng)Re>2300時為紊流。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＿靜壓力與動壓力

靜壓力即為流體受壓縮的程度，單位用Pa來表示。靜壓力也可看作是被壓縮流體單位體積內(nèi)所儲存的位能。動壓力則表示運動的流體單位體積中所具有的動能，可表示為靜壓力與動壓力之和稱為全壓力，即單位體積流體中所包含的總機械能。三、理想流體運動方程（柏努利方程）如何判斷流體運動是層流還是紊流？通常用一個無量綱的量即雷諾數(shù)來判斷流體運動情況47

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：

該方程表示理想流體在穩(wěn)態(tài)運動過程中，單位體積內(nèi)所包含的總能量保持不變。該式各項單位為m，是長度的量綱，稱之為壓頭。

由于電機冷卻系統(tǒng)的流體在運動過程中的高度位置基本保持不變，即h為常數(shù)項，可以歸到C1中。于是方程變?yōu)椋焊鶕?jù)流體力學(xué)理論，流體的穩(wěn)態(tài)運動方程為：該方程48

該式表明在流體的運動過程中全壓頭保持不變，靜壓頭與動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、實際流體在管道中運動時的損耗

實際流體總是存在著粘滯性，流體運動時總會遇到各種阻力，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。該式表明在流體的運動過程中全壓頭保持不變，靜壓頭49考慮到運動過程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫為：以下討論損耗的計算方法。（一）摩擦損耗如果流體在截面不變的管道流動時，則流體在管道兩端的速度相等，即：考慮到運動過程中的各種損耗，則柏努利方程應(yīng)寫為：以下討論損耗50對于圓形管道，Δp可以表示為動壓力的形式：在電機中，由于有旋轉(zhuǎn)部件，因此流體總是處在紊流狀態(tài)中，此時有：當(dāng)管道為矩形時，可以按等效的圓形管道來計算：對于圓形管道，Δp可以表示為動壓力的形式：在電機中51（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損耗也以動壓力的形式來表示：以下討論幾種局部損耗的計算方法：1、管道截面突然擴大A1A2v1v2（二）局部損耗（在電機冷卻系統(tǒng)中，流體能量的主要損耗）局部損52管道截面突然變?。篈2A1v1v2局部損耗系數(shù)可用下式計算：2、出口和入口出口是截面突然擴大，即表示Δp=1/2*ρv2即流體帶走全部的動能，動壓頭為零。

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，如書中表6-1所示。喇叭形入口的損耗最小。管道截面突然變?。篈2A1v1v2局部損耗系數(shù)可用下式計算：53

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)。在電機中氣流方向的改變而引起的局部損耗，可用下式計算：3、管道改變方向其損耗取決于管道形狀、彎曲角度及尺寸大小等因素有54五、管道的流阻與風(fēng)阻流體通過管道時所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為動壓力的形式：為了計算上的方便，將上式改寫為：通常將流阻寫成：對于計算截面突然變大或變小的風(fēng)阻時，A應(yīng)取小截面處的面積，ζ則對應(yīng)于小截面處的流速的系數(shù)。五、管道的流阻與風(fēng)阻流體通過管道時所產(chǎn)生的任何損耗均可表示為55六、風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)

在計算與研究通風(fēng)問題時，經(jīng)常用風(fēng)阻聯(lián)接圖來替代實際風(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為擴大阻，Z3為轉(zhuǎn)彎風(fēng)阻，Z4為縮小風(fēng)阻，Z5為擴大風(fēng)阻。

流過上述風(fēng)阻的流量相同，氣體通過整個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12345qvqvZ1Z2Z3Z4Z5

對于具有串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管道及風(fēng)路圖如下：六、風(fēng)阻的串聯(lián)與并聯(lián)在計算與研究通風(fēng)問題時，經(jīng)常56qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7+Z8此時支路Ⅰ中的風(fēng)壓降為：支路Ⅱ的風(fēng)壓降為：由于支路Ⅰ與支路Ⅱ具有公共的入口與出口，因此二支路的壓降應(yīng)相等。即qv1qv2qvqv12435678Z1Z2Z3Z4Z5Z657如果有n個風(fēng)阻并聯(lián)，則等值總風(fēng)阻為：七、流體通過管道所需的功率流體通過管道引起的總壓降為：

該壓降就必須的升壓裝置來維持，才能保證流體（氣體）能夠連續(xù)不斷地通過風(fēng)阻Z，該升壓裝置采用風(fēng)扇。風(fēng)扇的作用在于將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動能及位能，從而提高流體的壓頭，維持所需的流量。流體通過管道所消耗的功率為：如果有n個風(fēng)阻并聯(lián)，則等值總風(fēng)阻為：七、流體通過管道所需的功58§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電機。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

特點是能夠產(chǎn)生較高的風(fēng)壓；旋轉(zhuǎn)時，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；氣流進出風(fēng)扇時一般要發(fā)生運動方向的改變；所以效率低，只有0.2左右。2、軸流式風(fēng)扇

特點是氣體受葉片的鼓動或一種軸向壓力，而沿著軸向運動，在出口處形成壓力；氣流進出風(fēng)扇一般不再改變方向；所以效率較高達(dá)到0.8左右。缺點是風(fēng)壓小?！?-3風(fēng)扇一、概述風(fēng)扇的作用在于產(chǎn)生591、離心式風(fēng)扇：n徑向風(fēng)向2、軸流式風(fēng)扇n軸向風(fēng)向1、離心式風(fēng)扇：n徑向風(fēng)向2、軸流式風(fēng)扇n軸向風(fēng)向60《電機設(shè)計》之五課件61風(fēng)罩風(fēng)罩62n凸極同步機n凸極同步機63n直流機n直流機64

工作原理：當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，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)徑的外部補充進來。二、理想的離心風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力入口角出口角工作原理：當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，片間的空氣被離心力向著65

理想風(fēng)扇的假定：即風(fēng)扇在工作時沒有任何的損耗，流過葉片的氣體與葉片的外形平行。

設(shè)風(fēng)扇工作時產(chǎn)生的壓力為p，通過的流量為qv，由于是理想風(fēng)扇，外界對風(fēng)扇所做的機械功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w所獲得的功率。即理想風(fēng)扇的假定：即風(fēng)扇在工作時沒有任何的損耗，66

根據(jù)動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內(nèi)流體動量矩的變化，等于同一時間內(nèi)所加入的沖量矩。根據(jù)動量矩定理，在穩(wěn)定流動中，某一時間t內(nèi)流體動量67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=Ωr，因此在這一半徑處的氣體，具有該線速度分量；同時葉片間的氣體一定有一個徑向的速度分量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。當(dāng)r處的葉片切線與圓外切線的夾角為β時，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，葉片間氣體有兩個速度分量，其一是隨葉片一起旋轉(zhuǎn)的線速度u；其二是相對葉片的速度w。如圖所示。只要葉輪的轉(zhuǎn)速和尺寸已知，u1與u2就能確定；而68葉片間氣體的絕對速度v則為w與u的矢量和。葉片間氣體的絕對速度v則為w與u的矢量和。69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β1與β2，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：入口角出口角若在葉輪的內(nèi)徑與外徑處，葉片切線與圓周的切線的夾70將上式改寫成：上式第一項是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用而產(chǎn)生的靜壓力；第二項是氣體在出口處比在入口處的相對速度減少而轉(zhuǎn)化的靜壓力；第三項為氣體獲得的動壓力?？蛰d運行時，指葉輪外徑的出風(fēng)口全部封閉，則有qv=0，w=0，v=u，故空載時所產(chǎn)生的壓力為：因此，空載運行時，風(fēng)扇所產(chǎn)生的壓力只與葉輪的內(nèi)、外徑相關(guān)而與葉的形狀無關(guān)。將上式改寫成：上式第一項是葉片間氣體柱在旋轉(zhuǎn)時，71三、理想離心式風(fēng)扇的外特性

當(dāng)風(fēng)扇負(fù)載運行時，就有qv≠0，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。三、理想離心式風(fēng)扇的外特性當(dāng)風(fēng)扇負(fù)載運行時，就有q72入口角出口角入口角出口角73從上式可以分析入口角β1與出口角β2的變化對風(fēng)扇特性的影響。按β1，β2之間的關(guān)系離心式分扇可分為三類：β2>β1β1=β2β2<β1qv0（一）β2=β1，外特性是一條平行于橫軸的直線，即壓力與流量無關(guān)。例如β2=β1=90o，稱為徑向式葉片，優(yōu)點是可以逆轉(zhuǎn)，但效率低。（二）β2>β1，β2>90o，稱為前傾式