CN101364758A - 卧式全蒸发冷却电机 - Google Patents

Abstract

一种卧式全蒸发冷却电机，该电机定子腔体与转子腔体相连通，并共用一个冷凝器(90)。定子(10)浸泡在注有蒸发冷却介质的腔体中，该腔体由套筒(40)、机壳(70)和定子两端的端环(30)所围成。电机的定子绕组(101)和铁心(102)将热量传递给冷却介质，冷却介质吸热而汽化，气态介质上升，并进入冷凝器(90)，经冷凝后的液态介质滴回到定子腔体。电机的转子(20)采用局部浸泡的蒸发冷却方式或轴向管道的蒸发冷却方式，蒸发冷却介质由定子腔体通过液位开关(60)流入转子腔体，液态介质吸收转子(20)的热量蒸发，气态的介质经转子腔体两端的通道上升，并进入到冷凝器(90)。在转轴处转子腔体采用旋转密封结构(50)实现与机壳外的密封。本发明电机的冷却效果好，结构紧凑，冷却系统简单。

Description

卧式全蒸发冷却电机

技术领域

本发明涉及一种蒸发冷却电机。

背景技术

电机作为一种机电能量的转换装置，在运行过程中始终伴随着损耗的产生，而这些损耗将转化为热量。如果这些热量不能及时有效地被带走，必将引起电机本体温度的升高。因此有效的冷却对于电机的安全运行具有重要的意义。

蒸发冷却技术是利用绝缘介质汽化潜热吸热的方式将电机内部的热量带出，其安全性高、冷却效果好，并已在电机的冷却上得到了成功的运用。但是此前所设计的蒸发冷却卧式电机均是将定子和转子分开冷却，即定子和转子的冷却系统独立，这样电机需要配备两套冷却系统，使电机系统更加复杂。

目前所采用的蒸发冷却卧式电机主要有三种方式：一、定子采用全浸式蒸发冷却，转子采用空冷，定子腔体与冷凝器相连，转子冷却风道与冷却器相连，二次冷却水分别与冷凝器和冷却器相连。二、定子采用全浸式蒸发冷却，转子采用水冷，通过水处理装置为转子冷却系统供水，冷却水流过转子的绕组并将热量带出。三、定转子均采用蒸发冷却，定子腔体与定子冷凝器相连接，转子冷却腔体与转子冷凝器相连接，二次冷却水分别供给两个冷凝器。

对于第一种方式，转子采用空冷，冷却效果差，需要设计相应的风道。空冷转子通常采用同轴风机进行冷却空气的驱动，但是对低速和高速电机将需要采用附加风机供风的方式。这种冷却方式的电机定子的冷却效果好，转子冷却困难，两套冷却系统使电机系统的复杂性增大，结构不够紧凑。

第二种方式，电机的定子采用浸泡式蒸发冷却，其冷却效果好，整体温度均匀。转子采用水冷，冷却效果好，但是需要配置一套水处理系统，并且冷却结构复杂。同时水冷系统的运行控制复杂，故障率高。

第三种方式，定子和转子均采用蒸发冷却，冷却效果好，但是电机配备两套冷却系统，使运行的可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术结构和冷却系统复杂的缺点，提出一种定子、转子均使用蒸发冷却的卧式电机。本发明中的定子腔体与转子腔体相连，并共用一个冷凝器。这使得电机的结构更加紧凑，冷却系统简单，并且定转子的冷却效果均能得到保证。

本发明电机的定子全部浸泡在注有蒸发冷却介质的腔体中，该腔体由套筒、机壳和定子两端的端环所围成。电机定子的铁心设计有径向通道沟，各通道沟和包围定子端部绕组，由端环和套筒的端部位置所围成的端部腔体连通，液态介质可以在通道沟和端部腔体间自由流动。电机的定子绕组和铁心将热量传递给冷却介质，冷却介质吸热而汽化，在铁心段的通道沟内汽化的介质直接进入冷凝器，位于端部的介质吸收端部绕组和铁心段的热量而汽化，气态的介质由两个端环顶部的开口进入到冷凝器。电机的转子采用局部浸泡的蒸发冷却方式或轴向管道的蒸发冷却方式，蒸发冷却介质由定子腔体通过液位开关流入转子腔体，液态介质吸收转子的热量蒸发，气态的介质经转子腔体两端的通道上升，并直接进入到冷凝器。冷凝器位于电机机壳的顶部，冷却定转子所形成的介质蒸汽进入冷凝器后，将热量传递给二次冷却水并冷凝为液态，液态介质在重力的作用下滴到定子腔体。在转轴处转子腔体与外界通过旋转密封结构来实现密封。

本发明电机的定子端部设置两个端环。端环的内沿与气隙中套筒的端部相接，并通过相应的密封结构将连接处密封。端环的外沿固定在定子铁心端部的压圈上，并采用“O”形圈进行密封。电机定子铁心压圈与机壳直接焊接相连。由端环、套筒和定子端部铁心所围成的腔体与定子铁心段的径向通道沟通过铁心内径与套筒间的间隙及定子槽口处的间隙相连通，液态介质可以从铁心通道沟经过该间隙流到端部。在端部腔体内的介质吸收端部绕组的热量而汽化，蒸汽上升到腔体的顶部经端环顶部的开口进入冷凝器。

本发明转子腔体的液位是通过一个液位开关来实现控制的。在定子端环的底部连接一个液位开关，当转子腔体的液位低于设定值时开关打开，定子腔体内的介质经开关流入转子腔体，直到液位达到设定值。

本发明电机的转子采用局部浸泡的方式或轴向管道的蒸发冷却方式。

转子局部浸泡蒸发冷却方式即在转子的腔体内注入一定液位高度的介质，该液位高于转子的最低点，转子的一部分与介质接触。电机运行时通过转子旋转使转子表面和端部均能够与液态的蒸发冷却介质相接触，在转子表面与液态介质接触的过程中，便将热量传递给介质，液态介质吸收热量而汽化。气态的介质经两端与冷凝器相连的通道进入冷凝器。

转子轴向管道式的蒸发冷却即在转子的绕组内设计有轴向管道，蒸发冷却介质沿该管道轴向流动，并吸收热量而汽化。该轴向管道可以是转子槽内的空心导线，也可以通过在转子槽内设计空心管的方式。为了保证转子整个轴向上的冷却，在管道出口流出的介质为气液混合状态。液态介质通过一个与转子同轴的轴流叶轮泵被吸入到介质分配器中，轴向管道的入口与该介质分配器相连接。轴流叶轮泵位于转子腔体内，其介质出口侧与介质分配器的外层配合连接，介质分配器的内侧与转子端部相接，介质汇集器的内侧与转子的另一侧端部相连。液态介质经过介质分配器进入各轴向管道，并沿轴向流动，经出口进入到介质汇集器。液态介质再经过与介质汇集器相连接的一个同轴圆筒被甩到转子腔体中。两端的转子腔体通过底部的一个管道相连接，使转子腔体的液位始终保持一致。转子腔体的液位应当低于套筒的最低点，高于轴流叶轮泵的最低点。

本发明的引出线先穿过端环，然后再从机壳引出。在端环和机壳处的密封均由静密封结构来实现。

本发明的转轴与端部机壳通过旋转密封结构进行密封。保证蒸发冷却介质密封在电机腔体内。

本发明在电机运行前向电机内注入介质的液位高度为没过端部绕组最高点即可，定子的温度监测只需在端部绕组的最高点埋设一个测温点即可。

本发明的冷凝器位于电机机壳的顶部，可以采用水冷凝器，也可以采用空气冷凝器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图中：10电机定子、20电机转子、30端环、40套筒、50旋转密封结构、60液位开关、70机壳、80阀门、90冷凝器；

图2是本发明实施方式之一的结构示意图。图中：101定子绕组、102定子铁心、103定子通道沟、104定子压圈、201叶轮泵、202介质分配器、203轴向管道、204介质收集器、205介质甩出筒、206转气腔体两端气流通道、701连通管；

图3是端环30结构图。图中：301端环顶部开口、302端环外沿、303端环内沿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明电机主要包括电机定子10和转子20两部分。电机的定子10全部浸泡在注有蒸发冷却介质的腔体中，该腔体由套筒40、机壳70和定子两端的端环30所围成。套筒40位于电机的气隙中，套筒40的外径与定子铁心102内径相接触，套筒40的两端分别与端环30的内沿相接。端环30的外沿302固定在定子铁心端部的压圈104上。定子的压圈104与机壳70直接焊接。

电机定子10的铁心设计有径向通道沟103，各通道沟103和包围定子端部绕组，由端环30和套筒40的端部位置所围成的端部腔体连通，液态介质可以在通道沟103和端部腔体间自由流动。定子铁心102和定子槽内的定子绕组101将热量传递给通道沟103内的液体介质，在饱和压力下液态介质吸收热量而蒸发，气态的介质沿通道沟103上升，并进入到冷凝器90。端部的定子绕组101和铁心102将热量传递给位于端部腔体内的液态介质，液态介质蒸发形成的气体沿端环30顶部开口301流出，并最终进入冷凝器90。

端环内沿303与套筒40的端部相接，并通过多层“O”形圈进行密封。端环外沿302直接固定在电机定子的压圈104上，同时通过一个“O”形圈对接口进行密封。铁心的压圈104直接焊接在电机的机壳70上。

电机的转子20采用如图1所示的局部浸泡的蒸发冷却方式，或采用如图2所示的轴向管道的蒸发冷却方式。蒸发冷却介质由定子腔体通过液位开关60流入转子腔体，转子腔体是电机壳体内除定子腔体外的空间。液态介质吸收转子的热量蒸发，气态的介质经转子腔体两端的通道206上升，并直接进入到冷凝器90。液位开关60连接在定子端环30的底部。

冷凝器90位于电机机壳70的顶部，冷却定子和转子所形成的介质蒸汽进入冷凝器90后，将热量传递给二次冷却水并冷凝为液态，液态介质在重力的作用下流到定子通道沟103内。

转子20蒸发冷却的实施方式之一：局部浸泡的蒸发冷却方式，其结构如图1所示。电机转子20部分浸泡在液态介质中，转子损耗所形成的热量传递给蒸发冷却介质，液态介质吸收热量而汽化。冷却转子20的蒸发冷却液态介质的液位高于转子的外径的最低处，该液位通过液位开关60来控制。电机运行过程中不断的旋转，转子20表面轮流与液态介质接触，同时将热量传递给冷却介质。气态的介质通过两个端环30外侧的通道进入冷凝器90。

转子20蒸发冷却的实施方式之二：轴向管道的蒸发冷却方式，其结构如图2所示。该方式的特点是：转子的绕组中设置轴向管道203，蒸发冷却介质流过该轴向管道203，并通过该管道吸收转子的热量。液态介质通过一个与转子同轴的轴流叶轮泵201被吸入到介质分配器202中，轴向管道203的入口与介质分配器202相连接。轴流叶轮泵201位于转子腔体内，该轴流叶轮泵201的介质出口侧与介质分配器202的外侧配合连接，介质分配器202的内侧与转子20端部相接，介质汇集器204的内侧与转子20的另一侧端部相连。液态介质经过介质分配器202进入各轴向管道203，并沿轴向流动，经出口进入到介质汇集器204。液态介质再经过与介质汇集器204相连接的一个同轴圆筒205被甩到端环30与端部机壳70间的转子腔体中。电机两端位于定子端环30和端部机壳70间的转子腔体通过底部的一个连通管701相连接，使转子两端的液位始终保持一致。转子腔体的液位应当低于套筒40外径的最低处，高于轴流叶轮泵201外径的最低处。为了保证转子整个轴向上的冷却，在管道出口流出的介质为气液混合状态。

在转轴处转子腔体与外界通过旋转密封结构50来实现与机壳外的密封。

Claims (5)

1.一种卧式全蒸发冷却电机，其特征是电机的定子和转子均采用蒸发冷却方式冷却，电机定子腔体与转子腔体相连通，并共用一个冷凝器(90)；定子(10)浸泡在注有蒸发冷却介质的腔体中，该腔体由套筒(40)、机壳(70)和定子两端的端环(30)围成；电机定子(10)的铁心设计有径向通道沟(103)，通道沟(103)和包围定子端部绕组，由端环(30)和套筒(40)的端部位置所围成的端部腔体连通，液态介质在通道沟(103)和端部腔体间自由流动；电机的定子绕组(101)和铁心(102)将热量传递给冷却介质，冷却介质吸热而汽化，气态介质上升，并进入冷凝器(90)，经冷凝后的液态介质流回到定子径向通道沟(103)；转子(20)采用局部浸泡的蒸发冷却方式或轴向管道的蒸发冷却方式，蒸发冷却介质由定子腔体通过液位开关(60)流入电机两端位于定子端环(30)和端部机壳(70)间的转子腔体，液态介质吸收转子(20)的热量蒸发，气态的介质经转子腔体两端的通道上升，并进入到冷凝器(90)；在转轴处转子腔体采用旋转密封结构(50)实现与机壳外的密封。

2.根据权利要求1所述的卧式全蒸发冷却电机，其特征是端环内沿(303)与套筒(40)的端部相接，并通过多层“O”形圈密封；端环外沿(302)固定在电机定子的压圈(104)上，通过“O”形圈对接口密封；铁心的压圈(104)焊接在电机的机壳(70)上。

3.根据权利要求1所述的卧式全蒸发冷却电机，其特征是端环(30)的顶部设计有开口(301)，端部绕组(101)和铁心段(102)将热量传递给位于端部腔体内的液态介质，液态介质蒸发形成的气体沿端环顶部开口(301)流出。

4.根据权利要求1所述的卧式全蒸发冷却电机，其特征是采用局部浸泡的蒸发冷却方式的转子(20)部分浸泡在液态介质中；冷却转子(20)的液态介质的液位高于转子外径的最低点，通过液位开关(60)控制液态介质液位；电机运行过程中转子(20)不断旋转，转子(20)表面轮流与液态介质接触，气态的介质通过两个端环(30)外侧的通道进入冷凝器(90)。

5.根据权利要求1所述的卧式全蒸发冷却电机，其特征是采用轴向管道的蒸发冷却方式的转子(20)的绕组中设置轴向管道(203)，蒸发冷却介质流过轴向管道(203)；液态介质通过位于转子腔体内，与转子同轴的轴流叶轮泵(201)被吸入到介质分配器(202)中，轴向管道(203)的入口与该介质分配器(202)相连接；液态介质经过介质分配器(202)进入各轴向管道(203)，并沿轴向流动，经出口进入到介质汇集器(204)；液态介质再经过与介质汇集器(204)相连接的一个同轴圆筒(205)被甩到转子腔体中；机壳内转子腔体的两端通过底部的一个连通管(701)相连接；转子腔体的液位低于套筒(40)的最低点，高于轴流叶轮泵(201)的最低点；轴向管道(203)出口流出的介质为气液混合状态。

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