水冷电机冷却系统设计与计算_吴琳

*来稿日期:2007-10-12 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " $ %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$ " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " $ 【摘 要】针对水泵驱动的异步电机进行水冷冷却系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和计算,提出一种电机水冷冷却系 统的计算模型。在设计中采用水循环外冷却方式取代普通电动机的散热风扇,对电机机座进行冷却; 利用流体力学和传热学理论及方法,对该冷却系统进行管路计算;最后通过水冷与风冷系统的定量 比较,阐述了水冷系统的优点与局限性。此冷却系统可应用于一般清水离心泵,具有结构简单、高效 节能和噪音低等优点。 关键词:异步电机;冷却系统;水冷 【Abstract】Acoolingsystemdesignandvalidationmethodforwatercoolingmotorispresentedbased onpumpdrivenasynchronismmotorwatercoolingsystemstudy.Wateroutcirculationcoolingisusedinstead ofnormalcoolingfaninmotorinordertocoolmotorbase,thenpipelineofthecoolingsystemisvalidated withhydrodynamicsandthermaltheory,atlastadvantagesandlimitationsofwatercoolingsystemare figuredoutviacomparebetweenwaterandwindcoolingsystems.Thissimplestructure,highperformance andgentlynoisecoolingsystemcanbeusedingeneralwatercentrifugalpump. Keywords:Asynchronismmotor;Coolingsystem;Watercooling 中图分类号:TH12,TM32 文献标识码:A 水冷电机冷却系统设计与计算 吴 琳 王宏光(上海理工大学 动力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,上海 200093) Coolingsystem designandvalidationforwatercoolingmotor WULin,WANGHong-guang (CollegeofPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China) 文章编号:1001-3997(2008)08-0040-02 4 3 680 5 6180 45 0 750 12 1 0 0 0 1概述 现代电机普遍采用高的电磁负荷,达到了节省材料、缩小体 积和减少占地面积的作用,但同时也带来了电机内产生的热量 过大,而散热面积相对不足的问题。 目前绝大多数异步电机都采用以空气为冷却介质的冷却系 统,采用风扇强迫空气流动来冷却电机。对于大功率、小体积或 高速电机才采用循环液冷却。就空冷系统与液冷系统而言,各有 优缺点。 液体热容量和导热能力远大于气体,冷却效果好,使电机维 持在一个较低的温升水平,延长了绝缘寿命;液冷系统允许电机 承受的电磁负荷高,提高了材料利用率;此外液冷电机损耗小, 噪音低。但总的来看液冷技术比较复杂。液冷在结构上需要相应 的冷却液流通路和液冷结构部件,需要防止冷却液渗漏,还要解 决金属腐蚀问题,提高了对电机运行和维护的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 [1]。 针对水泵驱动电机的 Y型异步电机进行水冷冷却系统的 设计和计算。在已知泵的流量、扬程、电机转速的前提下,根据异 步电机结构特点和冷却系统的设计要求,进行低噪音水冷冷却 系统设计。 冷却管路由水泵进出口的总水头差驱动,结构简单;采取一 个水循环外冷却方式去取代普通电动机的散热风扇,维护方便; 用环行支路水管对电机机座进行冷却。最后通过与风冷系统的 对比计算,阐述水冷系统的优点与局限性。 2水冷系统设计 2.1水冷泵的选配 水泵输送介质为清水或物理化学性质类似于清水的其他液 体,介质温度<+80℃,选定清水泵[2]。水泵工作条件为流量:(1～ 400)L/s,扬程:(5～80)m,环境温度<+40℃。 2.2结构设计 泵和电机做成一体化形式,由同一根轴直接传动。采用立式 结构,占地面积小。水泵叶轮直接安装在电机轴上,电机定子置 于轴承腔中,转子两端置于上下轴承内。取消电机轴上的散热风 扇,代替水冷管路冷却电机机座。根据清水泵及配用电机具体结 构参数进行管路系统设计,如图1所示。 图1Y280M-4电机外部水系统简图 1.水泵 2.引水管 3.水冷电机 4.环行管 5.扁管 6.出水管 Machinery Design & Manufacture 机械设计与制造 第8期 2008年8月40- - 水冷管路由引水管、环行管、出水管和扁管组成,冷却管路由 水泵进出口的总水头差驱动。泵运行时,冷却水由泵出口经引水 管、扁管分流,流入环行管底部,排出的冷却水经环形管顶部、扁管 汇流,从出水管流出,从而完成水路循环。 环行管由多根支路管并联而成。支路管数多,换热面积大且均 匀,但管内层流流动,换热效率低;支路管数少,管内紊流,换热效率 高,但换热面积小,换热不均匀。管数几根比较合理需经优化计算, 优化目标支路管数极大下,且Re≥104流动处于紊流状态[1]。 考虑水冷电机的金属腐蚀问题,水冷系统水管选用不锈钢管。 3水冷系统管路计算 对电机的冷却设计是在下列两个前提下进行的: (1)忽略冷却回水对泵输送水温的影响; (2)只算水泵设计工况点的冷却水量。 3.1水冷电机放热量PW的计算 电机在运行时产生的损耗全部转变为热能而使电机发热[5]。 电机的损耗主要分为铁损耗、铜损耗、机械损耗和杂散损耗。其 中机械损耗又包括轴承损耗和通风损耗。由于水冷电机中取消 散热风扇,水冷电机放热量可按能量守衡关系式(1)计算。 PW=PN×( 1 η -1)Pfw (1) 式中:PN—电机额定功率;η—为电机效率;Pfw—通风损耗。 3.2冷却水总流量的计算 Q= Pw ρcmΔθ (2) 式中:ρ—冷却水的比重;cm—水的比热;Δθ—冷却水通过电机后 的允许温升,我国在设计中推荐(30~35)℃[1]。本文参考全 水冷汽轮发电机冷却水温升实验的数据结果,取为10℃。 3.3环形管的计算 环形分支管均匀分布,且规格相同。支路流速: v= Qw n×π dw2! " 2 (3) 式中:Qw—留取一定裕度后的实际冷却水流量;n—支路数; dw—水力直径,圆管取内径。 3.4冷却水实际温升的计算 θw= Pw ρcmQw (4) 由此确定水的定性温度t(水管进水温度与出水温度的平均 值),得此温度下冷却水的相关物理参数。 3.5电机与冷却水之间温差的计算 根据努谢尔准则: Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (5) 式中:Re—雷诺数,Re≥104流动处于紊流状态;Pr—普朗特数; h—放热系数。 h=Nu·λ dw (6) 式中:λ—冷却水的导热系数;q—电机比热流。 q=P热 sw (7) 式中:sw—电机散热总面积;θb—电机与冷却水温差。 θb= q h (8) 实现这一过程,使得电机与冷却水温差最小。 3.6引水管出水管管路计算 稳态时,流量Q一定,管道流动定长。在水泵出水口截面与 进水口截面处沿任一流线应用伯努利方程: z1+ p1 ρg +v1 2 2g =z2+ p2 ρg +v2 2 2g +Δhz (9) 式中:z1、z2—管路进口、出口的标高,取两个标高相等;p1、p2—管 路进口、出口的静压,即泵的出口、进口静压;v1、v2—管路 进口、出口的流速;Δhz—管路进出口的流阻损失,分为沿 程损失和局部损失。根据连续方程式: Q1=v1A1=v1πd12 (10) Q1=v2A2=v2πd22 (11) 式中:d1—引水管管径;d2—出水管管径。 试算出引水管、出水管管径和流速,使得引出水管管径和最小。 3.7核算水冷系统效率 η0= Pe PN1 =ρgQH PN+∑P (12) 式中:Pe—离心泵的有效功率;∑P—电机的总损耗;PN1—电机的 输入功率。 4水冷与风冷系统的对比计算 以IS200-150-400的清水离心泵为例,其配用电机型号为 Y280M-4的封闭式异步电机,说明水冷与风冷计算过程。 4.1风冷冷却系统计算 Y280M-4的异步电机,带散热肋型轴向通风。风冷系统风 路由电机风罩、外风扇和散热筋等组成。冷却空气从电机风罩入 口吸入,经风扇旋转增压,从风罩出口喷出,经电机散热肋流动, 逐渐减速扩散,吸收电机的损耗热。 (1)电机放热量P=5.97(kW); (2)冷却风量Q=1.2(m3/s); (3)进风温度t1=30(℃); (4)出风温度t2=34.5(℃); (5)风扇消耗功率P=3.4(kW); (6)机壳对空气的温度降 Δθ=7.2(℃); (7)系统效率 η=76.7%。 4.2水冷冷却系统计算 (1)电机放热量P=5.97(kW); (2)冷却水量(20%裕度)Q=0.15(m3/s); (3)进水温度t1=30(℃); (4)出水温度t2=38.4(℃); (5)水管消耗功率P=0.086(kW); (6)电机对冷却水温降 Δθ=1.23(℃); (7)系统效率 η=77.4%。 5结论 设计建立在国内较新的水泵种类设计基础上,考虑了当前 市场的需求和水泵行业科技的发展程度与支持程度。通过与风 冷系统的比较,得出水冷电机的优点: (1)电机与冷却水温差小,冷却水量小,冷却效果好。水冷电 机各部分的温度,比采用普通空冷时要低。提高了绝缘寿命,延 第8期 吴 琳等:水冷电机冷却系统设计与计算 41- - 1引言 C/H-Car传动轴压入焊接专机是用于压装、焊接 C-Car和 H-Car传动轴(包括前轴/后轴)的专用设备。首先将三脚突缘、 轴管和套管叉(或十字叉)压装成一体,然后实施环焊。 该专机的压机部分由机床床身、头架组件、尾架组件、同步 传动机构、油缸、液压系统等组成,头架组件和尾架组件分别对 三脚突缘和套管叉(或十字叉)定位夹紧,尾架组件在油缸的作 用下将三件压装成一体。 在实际使用中,发现该类压机设备存在一个共同问题,即当 液压系统推进工作时,由于压装力的作用,设备中某些薄弱环节 会产生变形造成压入精度受到影响,进而影响整个传动轴的加 工精度。采用 Pro/E建立实体模型,通过 ANSYS分析整个设备 在工作载荷下的受力和变形情况。通过分析计算得出设备最大 应力、最大形变量以及所在部位,并对这些关键部位进行刚度、 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " 【摘 要】在C/H-Car传动轴压入焊接专机结构设计的基础上,对合理的压装力进行了计算。在 对专机进行了建模、有限元结构分析的同时,还对设备各部分进行定量的强度和刚度分析。通过分析 得到了设备工作过程中各关键部位应力、应变情况以及变形位移量的直观图形。以分析结果作为参 考,为进一步完善和优化结构设计提供了理论依据。 关键词:传动轴;压装;有限元法;结构优化 【Abstract】 OnthebasisoftheresearchoftheframestructureoftheC/H-Cartransmissionshaft pressassemblingandweldingspecialmachine,theappropriatepresshavebeencalculated.Throughthe physicalmodelingandfiniteelementstructuralanalysis,itconfirmsthelocationofmaximumstressand themaximumofdeformation,andchecksitsstrengthandrigidityensurethatitsstrengthandrigidityare suitablefordesigndesire.Theseresultsprovideabasisforoptimizingstructuredesign. Keywords:Transmissionshaft;Press;Finiteelementmethod;Optimizingstructure 中图分类号:TH123,O341 文献标识码:A C/H-Car传动轴压入焊接专机的有限元分析* 高慧辉 华晓青 (上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200072) TheFEManalysisoftheC/H-Cartransmissionshaftpressassembling andweldingspecialmachin GAOHui-hui,HUAXiao-qing (CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China) 文章编号:1001-3997(2008)08-0042-03 *来稿日期:2007-10-12 *基金项目:上海教委科研项目资助(05A225) $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 效率(%) ■水冷系统 □风冷系统 75 70 65 60 55 50 90kW IS200-150-400 (Y280M-4) 16kW 350S44A (Y315L-4) 280kW 350S75A (Y355L-4) 400kW 500S59A (Y400-54-6) 560kW 600S59A (Y450-54-6) 长了电机寿命。 (2)水冷电机损耗小,放热量少,主要原因是水冷消除通风 损耗(约占总损耗的1/3),系统效率高,节能。如图2所示,为五 组不同功率电机冷却系统的效率。可见,水冷系统的效率均优于 风冷系统。 图2不同冷却系统的效率比较 (3)空冷电机通风噪声大,水冷取消了电动机的散热风扇, 有效地降低了电机噪声。 水冷电机还存在一定局限性:采用空气冷却系统结构简单, 成本低,水冷电机冷却水流经的部件防腐要求高,所以管路系统 都采用不锈钢材料。 此外,本文设计只在额定工况下进行计算,对于非额定工况 的效果还有待探讨。 参考文献 1丁舜年主编.大型电机的发热与冷却.北京:科学出版社,1992 2方大千等编著.水泵,风机和起重机速查手册.北京:中国水利出版社, 2004 3关醒凡编著.泵的理论与设计.北京:机械工业出版社,1987 4傅丰礼,唐孝镐主编.异步电动机设计手册.北京:机械工业出版社, 2001 5程世坤.电机设计.北京:机械工业出版社,1982 Machinery Design & Manufacture 机械设计与制造 第8期 2008年8月42- -