机械系统设计大作业

机械系统设计大作业

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班级：机械工程

目录

第1章总体方案设计 (1)

1.1 研究给定的设计任务 (1)

1.2设计任务抽象化 (1)

1.3确定工艺原理方案 (1)

1.4定转子热管冷却方案设计 (2)

1.5功能分解功能树 (2)

1.6确定每种功能方案 (3)

1.7方案评价 (3)

1.7.1评分法 (3)

1.7.2模糊评价法 (4)

第2章变频一体机冷却系统的总体设计 (5)

2.1定子方案简图 (5)

2.2转子方案简图 (5)

第3章主要参数选定 (8)

3.1热管材料选择 (8)

3.2热管参数选择 (9)

第1章总体方案设计

1.1 研究给定的设计任务

1.2设计任务抽象化

图1.1系统黑箱

主要是将电机内部的热传输到电机外部，对于定子和转子冷却的设计，最重要的是转子的热如何通过热管传输到外部。

1.3确定工艺原理方案

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为

蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。

当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：

（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－－－汽）分界面；

（2）液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；

（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

（4）蒸汽在冷凝段内的汽·液分界面上凝结：

（5）热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：

（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

1.4定转子热管冷却方案设计

由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。

按照热管管内工作温度区分，热管可分为低温热管（—273－－－0℃）、常温热管（0—250℃）、中温热管（250－－－450℃）、高温热管（450一1000℃）等。

按照工作液体回流动力区分，热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（又称重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。

按结构形式区分，可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。

由于转子是旋转的结构，所以定子选用旋转热管，而定子是静止的，所以选用普通热管即可满足要求。

1.5功能分解功能树

复杂机械系统，难以直接确定满足总功能的系统方案。可进行功能分解。化繁为简，形成功能结构图即功能树

功能元：组成总功能或分功能的具有确切功能的基本单元。

功能树起于总功能，末端为功能元。前级功能是后级的目的功能，后级功能是前级的手段功能。同一层次的功能元组合起来，应能满足上一层功能的要求，合成的总功能应能满足系统的要求。

图1.2功能树

1.6确定每种功能方案

定子冷却：分离式热管

转子冷却：旋转热管

定转子冷凝端冷却：风冷、水冷、自然冷

表1.2 功能解形态学矩阵

1.7方案评价

1.7.1评分法

评价原则：满足功能要求、经济、电机体积。

⑴客观性原则，包括参与人员的客观立场，评价资料的真实可靠、全面准确，评价方法合理、可靠等。

⑵可比性原则，要求被评价的各方案的基本功能、基本属性具有可比性，能建立共同的评价指标体系。

⑶合理性原则，确定的评价指标体系和评价尺度（标准）应合理适度，各评价指标要相对独立，能正确反映评价目的。

⑷整体性原则（全面性原则），评价指标应尽量全面，能综合反映系统的整体指标；注意区分各指标对整体性能影响的重要程度。

评价方式：一对一比较

针对评价指标，各方案两两对比，得到各方案该指标的得分，选取得分最高者为最佳方案

表1.3方案评分表

经过评价选择A方案：

定子冷却：分离式热管

转子冷却：旋转热管

定转子冷凝端冷却：风冷

1.7.2模糊评价法

模糊评价：利用集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行定量评价的方法。

隶属度：表示某方案对评价标准的从属程度，用0～1之间的实数表达。

对于风冷、水冷，使用模糊评价法对两个方案进行评价

1)确定评价指标及评价尺度，三个评价指：功能P1、经济P2、体积P3，评价尺度向量：

E=(0.8,0.6,0.5,0.4)

2)确定评价指标加权系数,评价指标P1、P2、P3的相对重要度之比6:3:1，则加权系数矩阵:

A=[0.6,0.2,0.2]

3)构造评价方案A1、A2的隶属度矩阵

4)计算评价方案的综合模糊评价隶属度矩阵

B1=A*R1=[0.24 ;0.4;0.28;0.08]

B2=A*R2=[0.2;0.44;0.3;0.06]

5)计算评价方案的综合得分（优先度）并选优

Z1=E*B1T=0.71

Z2=E*B2T=0.65

对于风冷和水冷，通过模糊评价，方案A1的评价比方案A2略高一些，所以采用风冷更好。

第2章变频一体机冷却系统的总体设计

2.1定子方案简图

如图2所示，对定子的冷却用分离式热管冷却组。在定子外圆面外侧接触的地方放入一圈成型导热环（导热管变型的成型导热板），热量通过成型导热板上的导热管导出，导出的热量通过导热管散热段及散热片将热量直接散到空气中。这里定子外圆接触的地方可以是定子外圆面外侧位，也可以是定子靠近外圆面内侧位，图均为定子外圆面外侧位。散热片也可在其边上加风扇提高通过散热片的风量来提高散热效果。这样热量就可跳过电机壳3直接散到空气中，提高散热效率。在图中对定子的冷却用分离式热管冷却组为独立使用。

图2.1定子方案简图

2.2转子方案简图

图2.2定子方案简图

图2.3转子剖面图

环形旋转热管冷却的永磁同步电动机转子由转子焊接件2、轴承3、永磁体磁钢4、转子密封环5和环形旋转热管冷却器9组成。

气态工作介质20上升至内管16的外表面，把热量传导到转轴6上，再经过转轴6传导到其它冷却装置，把热量从永磁同步电动机转子中排出，避免转子涡流损耗产生过高的温升。气态工作介质20在内管16的外表面冷凝为液态工作介质21，液态工作介质21在离心力和液态工作介质21液体表面张力的共同作用下，沿着内管16的外表面、左端板15和右端板18的内表面回流到外管17内表面的工作液池19中，完成一不热循环。

图2.4旋转热管内部原理图

第3章主要参数选定3.1热管材料选择

对于应用于高温高热下的热管，考虑其具有蒸汽压特性以及高的潜热特性，工质选用为液态金属较好；对于在中低温环境下工作的热管，因为水具有高的气化潜热，优选流体作为热管的工质。

3.2热管参数选择

热管的充液量与功率和转速的关系：

图3.1最佳充液量与传输功率的关系

图3.2最佳充液量与旋转热管转速的关系