電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計與散熱計算

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1、螺旋形電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計與散熱計算 孫利云 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000 摘要：本文從傳熱基本理論出發(fā)，針對表面冷卻中小型電機(jī)體積小，功率大，能量密度高的特點，給出了電機(jī)水冷螺旋型結(jié)構(gòu)的詳細(xì)計算過程，為電機(jī)冷卻設(shè)計提供參考方案。 關(guān)鍵詞：水冷，散熱，螺旋型 1.引言 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對電機(jī)性能要求越來越高。電機(jī)熱損耗問題制約著大容量電機(jī)設(shè)計發(fā)展。 根據(jù)冷卻介質(zhì)是否通過電機(jī)內(nèi)部，電機(jī)冷卻方式分為內(nèi)部冷卻和表面冷卻[1]。中小型電機(jī)由于體積的限制，常采用表面冷卻的方式。按冷卻介質(zhì)的不同，可以把電機(jī)分為分為空氣冷卻和液體（水或油）冷卻。空氣冷卻，運行成本低，摩擦損耗大，

2、散熱效率低，常用在能量密度低，發(fā)熱較低的電機(jī)結(jié)構(gòu)中。水冷電機(jī)，運行成本高，摩擦損耗小，散熱效率高，常用在能量密度高，發(fā)熱量大的電機(jī)結(jié)構(gòu)中。 水冷技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)散熱具有很好的冷卻效果。電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計算，使得電機(jī)損耗生熱與冷卻介質(zhì)帶走的熱量達(dá)到平衡，從而控制電機(jī)溫升再允許范圍內(nèi)。此外，冷卻介質(zhì)流速是散熱能力重要影響因素之一。冷卻介質(zhì)的流速與壓頭及流經(jīng)管道阻力有關(guān)。壓頭由水循環(huán)系統(tǒng)的泵產(chǎn)生。流經(jīng)管道阻力取決于冷卻結(jié)構(gòu)的具體形式。螺旋型結(jié)構(gòu)是指水槽在殼體中成螺旋型分布 以往的設(shè)計過程[2]是首先設(shè)計好水槽的機(jī)構(gòu)尺寸，設(shè)定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數(shù)，計算出水口溫度，

3、進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設(shè)計的散熱方案的散熱功率作為計算結(jié)果，與實際需求的散熱功率對比。設(shè)計方案的散熱能力高于實際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預(yù)先設(shè)計的水槽尺寸并重新計算直到滿足散熱條件。散熱能力在設(shè)計之初是未知的，計算之后才能知道其散熱能力。本文采用另一種方法，對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。 2. 水冷計算 2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，水套外徑200mm，水套截面尺寸為寬24mm，高4mm， 圖1 1.轉(zhuǎn)子 2.定子 3.外殼 4.水套 電機(jī)的功率為7.5KW。經(jīng)過電磁計算，電機(jī)總的損耗為 （1） 設(shè)所有損

4、耗都轉(zhuǎn)化為熱能，在電機(jī)穩(wěn)定運行過程中，熱能被水帶走。因此實際需要的散熱功率為 （2） 冷卻水相關(guān)參數(shù)見表1， 表1 水的相關(guān)物理參數(shù) 名稱 單位 符號 數(shù)值 流量 Q 10 進(jìn)口溫 ℃ 30 出口溫 ℃ 35 避溫 ℃ 40 導(dǎo)熱系數(shù) 0.620663 運動粘度 動力粘度 0.00081 動力粘度 0.00049 普朗特數(shù) 5.52167 （1）當(dāng)量直徑 （3） 式中：、分別為水槽的寬和高，A為水槽截面積，U為水槽濕潤周長。 （2）雷諾數(shù) 平均溫度

5、（4） 平均溫升 （5） 流速 （6） 雷諾數(shù) （7） 由此可以判斷，水系統(tǒng)流態(tài)為湍流。 （3）水流吸收的熱量 （8） 式中，m為單位實際內(nèi)流過水槽截面的質(zhì)量。 （4） 冷卻水從水套壁吸收熱量 （9） 為對流換熱系數(shù)，L為螺旋水槽伸直后的長度。 （5）怒謝爾特數(shù)[3] （10） 上式適用范圍如下： ①壁面與水流間溫差小于20℃~30℃， ② ③， ④； 式中：為考慮螺旋管道的修正系數(shù)，表達(dá)式如下： （11） 式中：為螺旋管的曲率半徑。 （6）水套長度計算 由式（8）~（11）聯(lián)立求解得水槽長度 （12） 螺旋槽圈數(shù) （13） 取螺旋槽圈數(shù)為5 則水槽段長度為， （14） 結(jié)論 本文從散熱能力出發(fā)，選擇進(jìn)水口溫度，出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對流換熱原理，設(shè)計了中小型電機(jī)表面冷卻系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005； [2] 吳桂珍等.高能量密度水冷電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計與熱力計算.防爆電機(jī).2008.3； [3] 楊世銘、陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社,2006