CN102832726B - 一种混合型电机定子蒸发冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种混合型电机定子蒸发冷却系统，其定子密闭空间由定子机壳（1）、隔离套筒（3）、端部密封端盖（2）组成。定子铁心（6）内或定子绕组（8）直线段内部布设的空心管道（7）、端部喷淋系统、定子蒸发空间、冷凝器（16）和外部强迫循环系统，组成蒸发冷却回路。定子绕组（8）直线段产生的热量传递给空心管道（7）内部的蒸发冷却介质。多个喷嘴（10）安装在定子绕组（8）端部四周，蒸发冷却介质经过喷嘴（10）雾化后直接喷淋到定子绕组（8）的端部，吸收端部产生的热量。两部分蒸发冷却介质进行热交换之后的液体部分流入定子密闭空间，汽化后的蒸发冷却介质上升进入冷凝器（16），经过冷凝器（16）冷凝之后变为液体，流回到定子密闭空间。

Description

一种混合型电机定子蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及一种电机定子蒸发冷却系统

背景技术

随着电机容量的增加，发热量增加，电机的散热能力直接影响着电机的性能和寿命，这就对电机的冷却系统提出更高的要求。蒸发冷却技术利用蒸发冷却介质汽化吸热的原理来冷却电机。与传统的冷却方式相比，有着独特的优势。蒸发冷却技术利用汽化潜热吸热，冷却效率高，冷却效果均匀全面。它采用高绝缘、沸点合适、不燃不爆、安全、稳定、无毒环保的蒸发冷却介质，保证了电机的安全稳定运行。

目前，蒸发冷却技术应用于电机定子冷却共有两种常规形式：管道内冷式和全浸泡式。

管道内冷式蒸发冷却的常规应用方式是：定子绕组采用空心导线，或者空心导线与实心导线组合的方式，空心导线内部流动着蒸发冷却介质。热量传递到空心导线内部，蒸发冷却介质吸热汽化，在自身或者外在的循环动力的作用下，沿蒸发冷却回路进入到外部冷凝器，经冷凝器冷凝后再回到空心导线内部继续下一次的循环，如此周而复始，达到冷却电机定子的目的。中国专利01131399.4提出了水轮发电机定子绕组的蒸发冷却装置。中国专利200710177555.3提出了一种内冷式自循环蒸发冷却风力发电机定子结构。这两者分别是上面这种管道内冷式蒸发冷却技术在水轮发电机和风力发电机上的应用。中国专利201110385743.1提出了一种定子蒸发冷却装置，提出在定子铁心内部布置空心管道，空心管道与定子两侧安装的集液环和集汽环相连接，冷却介质在封闭管路内部循环。以上这几种内冷式蒸发冷却方案最主要的不足有两方面：一方面定子绕组在端部发生扭转变形，定子绕组内部布置的空心管道也要随之扭转，对于直径较小的定子加工难度较大，无法有效保障空心管道内部的空心截面尺寸，影响内部蒸发冷却介质流动；另一方面由于电机定子绕组发热量较大，因此需要在定子铁心或定子绕组内设置多根空心管道，封闭的内冷循环要求每根空心管道都通过接头与集液管和集汽管相连，这样必然会造成整个冷却系统管路、接头众多，且接头的位置多位于空间狭窄的定子绕组端部，系统的结构复杂且施工困难，而且也造成运行、维护的困难，降低了整个系统的可靠性。

全浸泡式蒸发冷却的常规应用方式是：以定子机壳、隔离套筒和密封端盖组成封闭空间，将定子铁心和定子绕组等发热部件全部浸泡在蒸发冷却介质中。蒸发冷却介质吸热汽化，蒸汽上升进入到外部冷凝器，经冷凝器冷凝后变成液体再流回到封闭空间内部，达到冷却电机定子的目的。中国专利200810114870.6提出了卧式全蒸发冷却电机。中国专利200510086794.9提出了一种蒸发冷却风力发电机定子。这两者分别是上面全浸泡式蒸发冷却技术在汽轮发电机和风力发电机上的应用。但是这种冷却方式的不足主要有两方面：一方面是采用全浸泡式结构需要的蒸发冷却介质用量比较大，特别是端部发热部件所占据的空间较小，但需要浪费很多蒸发冷却介质去进行填充。目前新型环保型的蒸发冷却介质价格较高，采用全浸泡式结构的定子成本受制于高昂的蒸发冷却介质，严重地影响了电机的经济性；另一方面，采用全浸泡式结构的定子内部密封空间充满了蒸发冷却介质，对隔离套筒的刚度和密封结构的可靠性提出了较高的要求，尤其是隔离套筒为了保持足够的刚度，因此需要有一定的径向厚度，电机气隙随之增大，给电机设计增加了难度，也提高了电机的成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有管道内冷式和全浸泡式蒸发冷却方式的不足，提供一种电机定子混合型蒸发冷却系统。本发明的电机定子绕组直线段采用管道内冷式，定子绕组的端部采用喷淋冷却，并采用隔离套筒与定子机壳形成封闭空间，多余的蒸发冷却介质和冷凝之后的蒸发冷却介质将直接保存在封闭空间内部。定子密闭空间内部蒸发冷却介质液面以上的空间为定子蒸发空间。

本发明采用以下技术方案。

本发明由定子铁心内或定子绕组直线段内部布设的空心管道、端部喷淋系统、定子蒸发空间、冷凝器和外部强迫循环系统，组成蒸发冷却回路。冷凝器安装在定子机壳顶部。外部强迫循环系统设置在定子机壳外，该系统包括循环泵和过滤器等部件，循环泵的前端通过管路与定子密封空间的底部相连接，循环泵的后端通过管路连接过滤器，过滤器的后端通过管路连接液体分配器。液态的蒸发冷却介质保存在定子密封空间的底部，由循环泵抽出，经过过滤器过滤之后送入液体分配器，再由液体分配器分别分配到定子铁心内或定子绕组直线段内部布设的空心管道和端部喷淋系统。液态的蒸发冷却介质与发热部件进行热交换之后，一部分介质仍为液态，直接流回到定子密封空间的底部；另一部分介质受热蒸发变为汽态，经过定子蒸发空间上升进入冷凝器，冷凝之后变为液态，流回定子密封空间底部，构成了整个系统的蒸发冷却回路。

本发明在定子铁心的内圆处安装有非磁性隔离套筒，端部密封端盖安装在定子机壳和非磁性隔离套筒两端，压止环安装端部密封端盖外面。由定子机壳、隔离套筒和端部密封端盖组成一个封闭空间，定子铁心和定子绕组密封在这个封闭的定子密闭空间内。

定子绕组嵌入平行于电机轴线的电机定子铁心槽内。本发明在电机定子铁心或定子绕组直线段内部布置多根平行于电机轴线的空心管道，多根空心管道以电机轴线为中心轴向分布。空心管道安装在定子铁心内或定子绕组线棒内，也可以安装在定子绕组的匝间或者定子槽底的副槽内。空心管道的数目根据电机的尺寸和定子损耗而定。每一根空心管道的进液口和出液口分别位于电机定子的两侧。多根空心管道有两种不同的布置形式：第一种为同侧布置，即全部空心管道的进液口布置在电机定子的同一侧，出液口布置在电机定子另一侧；第二种为交错布置，即一部分空心管道的进液口和另一部分空心管道的出液口布置在电机定子的一侧，所述的进液口布置在电机定子一侧的这一部分空心管道的出液口和另一部分出液口布置在电机定子一侧的空心管道的进液口布置在电机定子的另一侧。

在电机定子端部设有一个或多个液体分配器。液体分配器为空心管状，其外形截面和内孔的截面可以是圆形，矩形或多边形，液体分配器上开有孔，液体分配器通过此开孔与空心管道的进液口相连接。液体分配器可以安装在定子机壳内定子铁心的两侧，也可以安装在定子机壳外。每根空心管道的进液口可以单独与液体分配器相连，也可以多根空心管道的进液口汇集在一起之后与液体分配器相连。

液体分配器与外部循环系统中的过滤器通过管路相连接，蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入液体分配器，再流入各空心管道，与电机定子的发热部件进行热交换后，液态的蒸发冷却介质从出液口直接排入定子密闭空间，也可以在出液口上安装喷嘴，将这部分液态蒸发冷却介质雾化后喷向定子绕组端部。空心管道内部吸热汽化后的蒸发冷却介质蒸汽从出液口排出后上升到冷凝器，经过冷凝器冷凝后的蒸发冷却介质转变为液体，流回到定子密闭空间的底部。

定子绕组端部的四周布置有喷淋系统，该喷淋系统由一个或多个液体分配器和安装在其上的多个喷嘴构成。液体分配器为空心管状，其外形截面和内孔的截面可以是圆形，矩形或多边形，液体分配器上开有孔，液体分配器通过此开孔与喷嘴相连接。液体分配器可以安装在定子机壳内定子铁心的两侧，也可以安装在定子机壳外。液体分配器与外部循环系统中的过滤器通过管路相连接，蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入液体分配器，再通过喷嘴雾化后直接喷淋到定子绕组的端部，吸收定子绕组端部产生的热量。残余的蒸发冷却介质液体流入定子密闭空间的底部，汽化后的蒸发冷却介质蒸汽上升进入冷凝器，经过冷凝器冷凝之后变为液体，流回到定子密闭空间的底部。

定子铁心或定子绕组的空心管道内冷系统中的液体分配器和定子绕组端部喷淋系统中的液体分配器，可以合并为一个液体分配器，也可以为分别设置。

蒸发冷却回路中流动着蒸发冷却介质。本发明所选用的蒸发冷却介质满足高绝缘、不燃不爆、沸点合适、稳定安全、无毒、环保的要求，也可以选用由变压器油等高绝缘、导热效果好的油类介质和蒸发冷却介质混合而成的液体。

本发明定子蒸发冷却装置，具有以下显著的特点：

（1）与常规全密闭循环管道内冷式相比较，本发明中定子铁心或定子绕组中设置的空心管道在定子一侧设置开放的出液口，在定子绕组端部布设的管道和接头数量减少，且系统中有密封隔离套筒将全部冷却介质密封在定子密闭空间内部，因此各管路和接头的密封性能和工艺难度要求也随之减低；

（2）与全浸泡式相比较，蒸发冷却介质的用量大大减小，定子内部密封空间只有底部留存有满足定子冷却和系统循环要求的少量介质，电机成本降低，经济性提高。同时由于定子密闭空间内部不再充满蒸发冷却介质，对隔离套筒的刚度要求降低，其径向厚度较全浸泡式中使用的隔离套筒也可以降低，有利于电机的设计。

附图说明

图1为电机纵向剖面展示的定子混合型蒸发冷却系统结构示意图；

图2为电机横向剖面展示的端部喷淋系统喷嘴布置示意图；

图3a为定子铁心横向剖面示意图；

图3b为定子槽横向剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明混合型电机定子蒸发冷却系统结构组成如图1所示。在电机定子铁心6的内圆处安装非磁性隔离套筒3，端部密封端盖2安装在定子机壳1和非磁性隔离套筒3两端，压止环4安装端部密封端盖2外面。定子机壳顶部安装有冷凝器16。蒸发冷却系统的强迫循环系统设置在定子机壳外，包括循环泵14和过滤器15等部件，循环泵14的前端通过管路与定子密封空间的底部相连接，循环泵14的后端通过管路连接过滤器15，过滤器15的后端通过管路连接液体分配器11和12。循环泵14从定子密闭空间的底部抽取液态的蒸发冷却介质送入过滤器15。经过过滤器15过滤之后的蒸发冷却介质进入液体分配器11和12，分配到定子铁心6或定子绕组8内布置的空心管道7和定子绕组8端部的喷淋系统中的喷嘴10。液态的蒸发冷却介质与发热部件进行热交换之后，一部分介质仍为液态，直接流回到定子密封空间的底部；另一部分介质受热蒸发变为汽态，经过定子密闭空间内部蒸发冷却介质液面以上的定子蒸发空间上升进入冷凝器16，冷凝之后变为液态，流回定子密封空间底部。

在实际应用中，循环泵14和过滤器15的数量可以根据具体的电机发热情况和蒸发冷却介质用量作相应的调整。冷凝器16可以根据具体应用情况选择风冷式、水冷式或其他冷却形式。

在电机定子铁心6和定子绕组8内部布置多根平行于电机轴线13的空心管道7，多根空心管道7以电机轴线13为中心轴向分布。空心管道701可以安装在定子铁心6内，如图3a所示。空心管道703也可以安装在定子槽内601的绕组线棒内。空心管道704也可以安装在定子绕组8的匝间。空心管道702也可以安装定子槽底的副槽602内。以上三种定子槽内空心管道的布置情况如图3b所示。以上定子铁心6和定子绕组8内部各种空心管道的设置方式，根据电机定子结构和定子损耗而定，可以同时设置，也可以选择若干种类型组合设置。每一根空心管道7的进液口9在电机定子6的一侧，空心管道7的出液口5在电机定子6的另一侧。多根空心管道7有两种不同的布置形式：第一种为同侧布置，即全部空心管道7的进液口9布置在电机定子6的同一侧，出液口布置在电机定子6另一侧；第二种为交错布置，即一部分空心管道7的进液口9和另一部分空心管道7的出液口5布置在电机定子6的一侧，所述的进液口9布置在电机定子6一侧的这一部分空心管道7的出液口5和另一部分出液口5布置在电机定子6一侧的空心管道的进液口9布置在电机定子6的另一侧。

在电机定子端部设有第一液体分配器11，每根空心管道7的进液口9与第一液体分配器相连11。第一液体分配器11为空心管状，第一液体分配器11上开有孔，第一液体分配器11通过此开孔与空心管道7的进液口相连接。第一液体分配器11与外部循环系统中的过滤器15通过管路相连接，蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入第一液体分配器11，再流入各空心管道7内。蒸发冷却介质与发热部件进行热交换后，液体部分从敞开的出液口5直接排入定子密闭空间，也可以在出液口上5安装喷嘴，将这部分液态蒸发冷却介质雾化后喷向定子绕组8端部。

定子绕组8端部空间有喷淋系统，该系统由液体分配器和安装在其上的多个喷嘴10构成。液体分配器为空心管状，其上开有孔，液体分配器通过此开孔与喷嘴相连接。液体分配器可以安装在定子机壳内定子铁心的两侧，也可以安装在定子机壳外。多个喷嘴10按照上下不同高度布置，如图2所示。第二液体分配器12与外部循环系统中的过滤器15通过管路相连接，蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入第二液体分配器12，再通过喷嘴10雾化后直接喷淋到定子绕组8的端部。

在实际应用中，第一液体分配器11和第二液体分配器12可以为同一个液体分配器，也可以为不同的液体分配器。液体分配器和喷嘴10的布置方式以及各连接管路和接头可以根据具体的电机结构作相应的调整。

蒸发冷却回路中流动着蒸发冷却介质。本发明所选用的蒸发冷却介质满足高绝缘、不燃不爆、沸点合适、稳定安全、无毒、环保的要求，也可以选用由变压器油等高绝缘、导热效果好的油类介质和蒸发冷却介质混合而成的液体。

Claims (6)

1.一种混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的蒸发冷却系统中，定子密闭空间由定子机壳(1)、非磁性隔离套筒(3)和端部密封端盖(2)组成；定子铁心和定子绕组密封在所述的定子密闭空间内；非磁性隔离套筒(3)安装在定子铁心(6)的内圆处；端部密封端盖(2)安装在定子机壳(1)和非磁性隔离套筒(3)的两端；压止环(4)安装在端部密封端盖(2)的外面；电机定子铁心(6)或定子绕组(8)直线段内部布置多根平行于电机轴线(13)的空心管道(7)；所述的空心管道(7)的出液口(5)敞开或安装有喷嘴；多根所述的空心管道(7)以电机轴线(13)为中心轴向分布，空心管道(7)安装在定子铁心(6)内或定子绕组(8)线棒内，或安装在定子绕组(8)的匝间或者定子槽底的副槽内；空心管道(7)的外形截面和内孔截面是圆形或多边形；每一根空心管道(7)的进液口(9)在电机定子的一侧，每一根空心管道(7)的出液口(5)在电机定子的另一侧；定子绕组(8)端部的四周布置有喷淋系统；冷凝器(16)位于定子机壳(1)顶部；外部强迫循环系统安装在定子机壳(1)外；定子密闭空间内部蒸发冷却介质液面以上空间为定子蒸发空间；所述的定子铁心(6)内或定子绕组(8)直线段内部布设的空心管道(7)、喷淋系统、定子蒸发空间、冷凝器(16)和外部强迫循环系统组成蒸发冷却回路。

2.按照权利要求1所述的混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的多根空心管道(7)有两种布置形式：第一种为同侧布置，即全部空心管道(7)的进液口(9)布置在电机定子(6)的同一侧，全部空心管道(7)的出液口(5)布置在电机定子(6)另一侧；第二种为交错布置，即一部分空心管道(7)的进液口(9)和另一部分空心管道(7)的出液口(5)布置在电机定子(6)的一侧，所述的进液口(9)布置在电机定子(6)一侧的这一部分空心管道(7)的出液口(5)和另一部分出液口(5)布置在电机定子(6)一侧的空心管道的进液口(9)布置在电机定子(6)的另一侧。

3.按照权利要求2所述的混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的空心管道(7)的进液口(9)通过第一液体分配器(11)上的开孔与第一液体分配器(11)连接；所述的第一液体分配器(11)安装在定子机壳(1)内或定子机壳(1)外；第一分配器(11)为空心管状，外形截面和内孔截面为圆形或多边形。

4.按照权利要求1所述的混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的喷淋系统由一个或多个液体分配器和安装在其上的多个喷嘴(10)构成，多个喷嘴(10)按照上下不同高度布置。

5.按照权利要求4所述的混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的喷淋系统中，第二液体分配器(12)为空心管状，第二液体分配器(12)的外形截面和内孔截面是圆形或多边形；第二液体分配器(12)通过其上的开孔与喷嘴(10)相连接；第二液体分配器(12)安装在定子机壳(1)内或安装在定子机壳(1)外。

6.按照权利要求3或5所述的混合型电机定子蒸发冷却系统，其特征在于，所述的第一液体分配器(11)和所述的第二液体分配器(12)在电机定子的同一侧合并为一个液体分配器，或者分别设置。