电机水冷系统设计与散热计算

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1、螺旋形电机水冷系统设计与散热计算孙利云四川建筑职业技术学院四川德阳618000摘要：本文从传热基本理论出发，针对表面冷却中小型电机体积小，功率大，能量密度高的特点，给出了电机水冷螺旋型结构的详细计算过程，为电机冷却设计提供参考方案。 关键词：水冷，散热，螺旋型 1.引言现代工业的发展对电机性能要求 越来越高。电机热损耗问题制约着大 容量电机设计发展。根据冷却介质是否通过电机内部， 电机冷却方式分为内部冷却和表面冷 却。中小型电机由于体积的限制，常 采用表面冷却的方式。按冷却介质的 不同，可以把电机分为分为空气冷却 和液体（水或油）冷却。空气冷却， 运行成本低，摩擦损耗大，散热效率 低，常用在能

2、量密度低，发热较低的 电机结构中。水冷电机，运行成本高, 摩擦损耗小，散热效率高，常用在能 量密度高，发热量大的电机结构中。水冷技术应用于电机散热具有很 好的冷却效果。电机水冷结构设计的 核心任务是电机散热计算，使得电机 损耗生热与冷却介质带走的热量达到 平衡，从而控制电机温升再允许范围 内。此外，冷却介质流速是散热能力 重要影响因素之一。冷却介质的流速 与压头及流经管道阻力有关。压头由 水循环系统的泵产生。流经管道阻力 取决于冷却结构的具体形式。螺旋型 结构是指水槽在壳体中成螺旋型分布 以往的设计过程是首先设计好 水槽的机构尺寸，设定入水口温度、 水槽温度、水流速度等参数，计算出 水口温度，

3、进而校核冷却系统的散热 情况。这种方法，把设计的散热方案 的散热功率作为计算结果，与实际需 求的散热功率对比。设计方案的散热 能力高于实际需要的散热能力，则视 为方案可行；反之，方案失败。修改 预先设计的水槽尺寸并重新计算直到 满足散热条件。散热能力在设计之初 是未知的，计算之后才能知道其散热 能力。本文采用另一种方法，对散热 结构进行设计。2水冷计算2.1结构设计电机的基本结构尺寸如图1所示, 水套外径200mm，水套截面尺寸为宽 24mm，高 4mm，图11转子2定子3外壳4水套电机的功率为7.5KW。经过电磁计 算，电机总的损耗为Pa = 1.137 KW（1）损设所有损耗都转化为热能，

4、在电机 稳定运行过程中，热能被水带走。因 此实际需要的散热功率为P = P = 1.137 KW散损冷却水相关参数见表1，表1水的相关物理参数名称单位符号数值流量L minQ10进口温Ct30出口温Cint35避温Coutt40导热系数W m - kw九0.620663运动粘度m2 sv8.125 x 10-7动力粘度kg (m -s”f0.00081动力粘度kg (m -s ) %0.00049普朗特P5.52167数r(1)当量直径的质量。(4) 冷却水从水套壁吸收热量=a 兀 D LAt(9)ea为对流换热系数,L为螺旋水槽伸直 后的长度。(5) 怒谢尔特数a DN = 厂=0.023

5、R 0.8P m(10)u 入e r rf上式适用范围如下： 壁面与水流间温差小于20C30C, R 10 4e 0.7 P 60 ；De式中：e为考虑螺旋管道的修正系数,r表达式如下：2 (a + b )=0.00833 m(3)式中：a、b分别为水槽的宽和高，A 为水槽截面积，U为水槽湿润周长。(2) 雷诺数平均温度t = tin + lout = 32.5 C (4)f 2平均温升At = t t = 7.5 C(5)w f流速w = 2 = 1.389 m / s(6)A雷诺数R =e=1 + 10 .3DeRo式中：R 0为螺旋管的曲率半径。(11)(6)水套长度计算 由式(8)(1

6、1)联立求解得水槽 长度L = 2.578 m(12)螺旋槽圈数2.578n = 4.19兀 x 190 x 10 -3取螺旋槽圈数为5则水槽段长度为，(13)wDe = 13675 .2v(7)由此可以判断，水系统流态为湍流。(3) 水流吸收的热量O = C m (t t )( 8)p outin式中，m为单位实际内流过水槽截面L = 5 x 25 + (5 1 )x 10 = 165 mm (14)s结论本文从散热能力出发，选择进水口 温度，出水口温度，水槽截面尺寸， 利用传热学对流换热原理，设计了中 小型电机表面冷却系统。参考文献1 陈世坤电机设计M.北京:机械 工业出版社.2005；2 吴桂珍等.高能量密度水冷电机冷 却系统设计与热力计算防爆电 机.2008.3；3 杨世铭、陶文铨传热学M.高等 教育出版社,2006