CN101854094A - 一种重力循环蒸发冷却电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力循环蒸发冷却电机，其特征在于所述重力循环蒸发冷却电机包括外冷的定子和封闭内冷的转子，转子的热量通过热交换器导入定子蒸发冷却系统，处于半盈状态的转子金属管蒸发室保持与其冷凝室的通畅空间，使整个转子得到均匀的冷却。

Description

一种重力循环蒸发冷却电机

技术领域

本发明涉及一种重力循环蒸发冷却电机，尤其是一种重力循环外蒸发冷却定子、封闭内循环蒸发冷却转子的电机。

背景技术

发电机和电动机通常由空气冷却或水冷却，为蒸发冷却技术非常高的冷却效率所吸引，多年来一直有人进行断断续续的研究，可产业化的效果一直不理想，一方面是工作于50-60Hz工频的机电设备饱和磁通和效率要求的制约，热功率密度不可能很高，同时大体积的机电设备的蒸发冷却技术对密封、压力下的形变及循环的问题解决得不理想。风力发电机是安装在野外高塔之上，功率有越来越大的趋势，免维护，降体积、重量都很有价值，内转子的永磁风力发电机的损耗主要集中于定子铁心，其次是定子绕组，这样的需求提起了人们对蒸发冷却的兴趣。中国专利200510086794.9和200710177555.3提出了两种蒸发冷却风力发电机定子结构，中国专利200810114870.6提出了一种卧式蒸发冷却电机的结构。其中专利200510086794.9和200810114870.6是采用浸泡式蒸发冷却风力发电机的定子，即电机定子部件全部浸泡在蒸发冷却介质中进行冷却，其密封的可靠性很难解决，同时需用大量的冷却介质，大大增加电机成本，增加了电机的重量，并且就其热功率密度的需求也不是必要的。专利200710177555.3电机定子采用空心导线，或实心导线并在定子槽内加装空心冷却铜棒的结构。空心导线绕组中存在冷媒的逆重力流动的区段是无法避免的，就使得在工作过程中，仅有进液口侧的少部分处于正常的蒸发工作状态，其余部分汽化后的冷媒对换热作用极小，主要还要靠线间的热传导换热。两者的工作原理是相近的，而空心冷却铜棒与绕组的接触面积远小于绕组与线槽，更何况其受制约的装配方向不利于冷媒循环，为解决绝缘还要增加成本，专用的冷却铜管占用线槽会导致电流密度增加，损耗增加。蒸发冷却充分有效，已被理论和实践充分证明，现有技术在电机技术中基本没得到应用主要原因是结构上没有充分简单，以至于制造维护成本与风冷、水冷比不占优势。美国专利US 7,443,062 B2在技术上有很大的进步，但热管的结构仍嫌复杂，高速旋转时的离心力会障碍冷媒的蒸发。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种重力循环蒸发冷却电机，适用于电动机、发电机，尤其适用于如风力发电机，抽油机等野外、海上或含酸碱气体粉尘等高污染环境。

图5给出了一个与试验结果复合很好的小电动机温度曲线。图中区域1～8分别为电机径向段的长度，其中区域1为转子内圆到转子外圆的长度；区域2为气隙长度；区域3为定子槽楔厚度；区域4和5分别为定子槽热等效模型的铜导条和绝缘的径向厚度；区域6为定子槽底到定子外圆；区域7为定子外圆到机壳的装配间隙；区域8为机壳厚度。从图中可以看出转子和定子区域温度变化很小，气隙温降幅度较大，定子绕组与定子区域的温差仅为8℃。(李伟力，感应电动机定转子全域温度场数值计算及相关因素敏感性分析，中国电机工程学报，2007，8)

如果采用类似水外冷却的方式进行蒸发冷却，应能够满足大部分定子冷却要求，并使结构变得很简单，管道的流向更适应于蒸发冷却，而转子采用内冷，再通过热交换的方式，将热量传送至定子的蒸发冷却系统，同样可以简化结构，利于推广。二极空冷气轮发电机的通风损耗和风摩损耗占总损耗汽的1/3以上，有的甚至大到45％，定子铜耗相对说来并不大，而铁耗则大大超过铜耗。(丁舜年，大型电机的发热与冷却)也就是说受电机结构的制约，通风散热的热量有相当一部分是通风散热本身产生的。用蒸发冷却的手段，将电机内的全部热量导至外部的冷凝器散热，把电机做成全封闭，内部充满不与外部循环的氢气，则可以全部消除内部的通风损耗和大部分风摩损耗，减少发热，显著提高电机的效率，简化电机的结构。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例一种重力循环蒸发冷却电机的纵向结构示意图；

图2为本发明实施例一种重力循环蒸发冷却电机的横向结构示意图；

图3为本发明实施例一种重力循环蒸发冷却电机的转子铜管蒸发室迂回管的局部结构示意图；

图4为本发明实施例一种重力循环蒸发冷却电机的转子铜管蒸发室外置环形冷媒储液室的局部结构示意图；

图5与试验结果复合很好的小电动机温度曲线。

其中，图1和图2中，1为一种重力循环蒸发冷却电机的定子，包括定子铁心21，定子绕组22；2为转子，包括转子铁心21，转子绕组或铝条22，轴23，轴承24；3为外壳；4为定子蒸发器，包括导热金属板41，定子金属管蒸发室42，加压紧固钢板43，加压紧固螺栓44，冷媒液体回流管45，冷媒液体加注口46；5为汽液分离室，配有液位观察窗51；6为冷凝器，包括液体下行管61，汽体上行管62，冷凝器身63，气体排放管64；转子金属管蒸发器7；转子热交换器8，包括冷凝室81，冷凝室翅片82，换热液体83，下箱体84，蒸发吸热盘管85，上箱盖86，冷媒液体下行管87，汽液两相流上行管88；润滑油热交换器9，配有冷媒液体下行管92，汽液两相流上行管91。

图3为转子金属管蒸发器7的局部放大显示，其中71为转子金属管蒸发室迂回管。图4为另一种转子金属管蒸发器7的局部放大显示，其中72为转子金属管蒸发室外置环形冷媒储液室。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来说明技术；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。

实施例，重力循环蒸发冷却电机。

如图1和图2所示，该重力循环蒸发冷却电机包括定子1，转子2，外壳3，同时还包括有定子蒸发器4，汽液分离室5，冷凝器6，转子金属管蒸发器7，转子热交换器8，润滑油热交换器9。定子1，转子2，外壳3与一般的风冷电机相似，但不再考虑冷却风道一类的结构。在定子1的外表面，两边配有两个定子蒸发器4。定子蒸发器的导热金属板41，以2-5mm的铜板为好，通过导热绝缘膜与定子铁心紧密贴合；导热金属板41的外面每间隔50-80mm焊装金属管蒸发室42，每两根金属管蒸发室42之间装有加压紧固钢板43，加压紧固钢板43的上下由加压紧固螺栓44紧固，并形成导热金属板41与定子铁心间的良好的热接触。金属管蒸发室42的下端并联，并且联至冷媒液体回流管45，还配有一个冷媒液体加注口46；金属管蒸发室42的上端可并联后或直接通入汽液分离室5的上部。汽液分离室5的顶部与冷凝器6的气体上行管62相连，下部与冷凝器6的液体下行管61相连，底部与定子蒸发器的冷媒液体回流管45连接。工作时定子线圈的热量通过绝缘层传导到定子铁心，同定子铁心的热量一同传导到导热金属板41，加热金属管蒸发室42内的冷媒，使之蒸发，形成汽液两相流，上升进入汽液分离室5。导热金属板41的两端应伸出定子铁心，并配置金属管蒸发室，通过导热胶，吸收定子线圈轭部的热量。

在转子2线槽中配有水平的转子金属管蒸发器7。理想情况下，金属管蒸发器7应始终处于半盈状态，即其外部或下部有液态冷媒，内部或上部有蒸发空间。为此，对于旋转速度较慢的电机，即离心力小于1g的情况下，金属管蒸发器7的外端部设置如图3所示的回弯，当金属管蒸发器7由下边向上旋出时，能在管内保留一些液体冷媒，使之大部分时间处于半盈状态。对于旋转速度较快的电机，即离心力大于1g的情况下，金属管蒸发器7的外端部设置如图4所示的环形储液室，当工作过程中冷媒循环时，和长年工作中发生冷媒损失时，减小液面波动，保证金属管蒸发器7处于半盈状态。

在转子2的端部装有转子热交换器8。转子热交换器的封闭环形冷凝室81和冷凝室翅片82与转子联成一体，共同旋转。下箱体84内装有换热液体83和蒸发吸热盘管85。蒸发吸热盘管85通过冷媒液体下行管87，汽液两相流上行管88，将转子的热量导入定子蒸发冷却循环。润滑油热交换器9，通过冷媒液体下行管92，汽液两相流上行管91将机械摩擦产生的热量导入定子蒸发冷却循环。

由于电机内部的热量全部可由冷媒的蒸发冷凝循环交换，电机本身可做成全封闭的结构，内部可以充以氢气，以减小气摩损耗，并且电机更适宜于恶劣的工作环境。

通过蒸发冷却的方法，采用重力循环原理简单高效的将电机工作过程中产生的热量导出，不仅解决了散热的技术难题，并且可减小了体积、重量，提高效率，使之适应于恶劣的工作环境。本领域普通技术人员根据本发明的内容，以及上面给出的实施例，按照实际的需求来选择决定，但凡基于本发明权利保护范围内的几种方式的组合以及不脱离本发明权利要求宗旨变化均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种重力循环蒸发冷却电机，其特征在于所述蒸发冷却电机包括外蒸发冷却定子和封闭内循环蒸发冷却转子，所述外蒸发冷却定子包括定子铁心，定子绕组，所述定子铁心的外表面两边包裹由加压紧固钢板和加压紧固螺栓压紧的导热金属板，在所述导热金属板外面和所述紧固钢板间焊装金属管蒸发室，所述金属管蒸发室的下端并联至冷媒液体回流管的下端，上端并联至冷媒汽液分离室的上部，所述冷媒液体回流管的上端联至所述冷媒汽液分离室的底面，所述冷媒汽液分离室的上面有冷媒汽体上行管与冷凝器的上部联通，所述冷媒汽液分离室的下部有冷媒液体下行管与所述冷凝器下部联通；所述封闭内循环蒸发冷却转子线槽中有转子金属管蒸发室，所述封闭内循环蒸发冷却转子的一端装有中空封闭环状冷凝室，所述封闭环状冷凝室外装有圆盘状换热翅片，所述转子金属管蒸发室与所述封闭环状冷凝室用金属管连通；所述装有圆盘状换热翅片的封闭环状冷凝室被下箱体和上箱盖封闭，内部装有通过冷媒液体回流管和汽液两相流上行管于所述冷媒汽液分离室连通的蒸发冷却盘管，所述下箱体内充有换热液体；所述装有圆盘状换热翅片封闭环状冷凝室、下箱体和上箱盖、蒸发盘管组成所述内循环蒸发冷却转子的换热器；

2.根据权利要求1所述重力循环蒸发冷却电机，其特征在于所述导热金属板和所述金属管蒸发室是由性能好的金属制成如铜；

3.根据权利要求1所述重力循环蒸发冷却电机，其特征在于所述转子金属管蒸发室出口设有外转的回管，以保证蒸发室冷媒离心力小于1g低速电机的所述金属管蒸发室由下向上脱出液面后能存留一定的液体冷媒；

4.根据权利要求1所述重力循环蒸发冷却电机，其特征在于所述转子金属管蒸发室出口设有环形的储液室，以保证蒸发室冷媒离心力大于1g的高速电机工作过程中冷媒循环时，和长年工作中发生冷媒损失时，减小液面波动，保证所述转子金属管蒸发室总是处于半盈状态，即不烧干，也保留蒸发空间与所述转子封闭环状冷凝室相通。

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