CN103280926A

CN103280926A - 一种夹壳式定子蒸发冷却装置

Info

Publication number: CN103280926A
Application number: CN2013101630047A
Authority: CN
Inventors: 郭卉; 闫静; 顾国彪; 田新东; 宋福川; 袁佳毅
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-09-04

Abstract

一种夹壳式定子蒸发冷却装置，出气口（6）位于所述空腔（4）的上方；集气管（8）连接空腔（4）和冷凝器（5）；冷凝器（5）固定于电机外壳外部空腔（4）上方的位置；回液管（9）连接空腔（4）和冷凝器（5）；回液口（7）位于空腔（4）上部，回液口（7）的位置高度低于出气口（6），高于空腔（4）内蒸发冷却介质的液面。冷凝器（5）中通入二次冷却介质。本发明应用于内转子电机时，内转子电机机壳包括电机外壳和电机内壳，电机内壳和电机外壳形成空腔（4）。本发明应用于外转子电机时，在电机定子内径以内的空间，贴近定子内壁处设置有两层壳，两层壳之间具有径向距离，所述的两层壳与电机端盖形成空腔（4）。

Description

一种夹壳式定子蒸发冷却装置

技术领域

本发明涉及一种夹壳式定子蒸发冷却装置。

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。目前，对电机定子铁心、绕组线圈及其固定部件的冷却，一般采用空冷、液冷两种方式。空气冷却利用空气流动带走各部件的损耗所产生的热量。其优点是：结构比较简单，方便可行，初投资和运行费用都较低。但是缺点是：其冷却效果受外界环境影响比较大，冷却效率不高，而不封闭的冷却空间极易收到风沙、潮气等的侵蚀；且被冷却对象温度分布不均匀，可能出现过热点，从而破坏绕组绝缘，影响电机使用寿命。液冷方式一般采用水作为冷却介质，冷却效果较好，但是采用水冷方式要面对的最大问题就是，一旦冷却水泄漏往往引起短路，造成重大损失，这是水冷机组安全运行中的一个重大隐患。因此，要求水路系统具有绝对良好的密封性能，或者需要加入复杂庞大的去离子水处理系统。另外，鉴于一些特殊的运行环境，倘若冬季要承受零下40℃的严寒，冷却水还必须加入防冻剂，而这种防冻剂对钢铁有腐蚀性。所以水冷机组的冷却通道必须采用特殊金属加工，或者进行防腐处理。

我国自主研发的蒸发冷却技术，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，其冷却效率高，冷却效果均匀全面。它采用高绝缘、低沸点、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。目前蒸发冷却技术的应用主要有两种形式：浸泡式、管道内冷式。中国发明专利01131397.8提出了一种汽轮发电机定子全浸式蒸发冷却自循环回路；中国发明专利200510086794.9提出了一种蒸发冷却风力发电机定子；均采用了浸泡式蒸发冷却技术。其基本原理为：在电机定子内圆和转子之间安装隔离套筒，套筒与电机两端端盖、电机机壳形成定子空腔。把冷却液体灌入电机定子腔体内，这样定子铁心、绕组全部浸泡在蒸发冷却介质中，然后利用液体介质气化吸热的原理来冷却电机。但以上专利所提供的定子腔体隔离套筒的制作和安装都具有一定的难度。首先需要考虑密封问题，其次套筒的选材也受到限制，如果采用金属，会产生大量的涡流，从而大大增加了电机的损耗，降低了电机效率。随着电机容量的不断增大，电机尺寸增加，套筒的制造难度也不断增大。

目前对浸泡式蒸发冷却技术的应用，一般采用的形式是在电机定子、电机转子之间的气隙间设置套筒。套筒占用了电机气隙空间，为电机设计带来了一定的影响。另外，套筒处于电机气隙中，身处电机磁场区域。因此，为了避免产生涡流损耗降低电机效率，对套筒的选材提出了特殊的要求，不能使用金属。并且，随着电机容量、尺寸的增加，套筒的制造、安装难度也不断增大。

发明内容

本发明的目的是克服现有浸泡式蒸发冷却装置使用套筒所带来的问题，提出一种夹壳式的定子蒸发冷却装置。

本发明采用浸泡式蒸发冷却方式。

本发明包括空腔、出气口、集气管、冷凝器、回液管和回液口。所述的空腔内充满蒸发冷却介质。所述的出气口位于所述空腔的上方，使积聚在空腔上方的两相蒸发冷却介质顺利通过集气管进入冷凝器。集气管连接空腔和冷凝器。冷凝器固定于电机外壳外部空腔上方的位置。回液管连接空腔和冷凝器。回液口位于空腔上部，但其位置高度低于出气口，高于空腔内蒸发冷却介质的液面，使液化后的蒸发冷却介质顺利流回空腔内。冷凝器中通入二次冷却介质，二次冷却介质可以为水、空气，或者其它介质。

本发明应用于内转子电机时，电机机壳包括电机外壳和电机内壳，电机内壳和电机外壳形成空腔。本发明应用于外转子电机时，在电机定子内径以内的空间，贴近定子内壁处设置两层具有一定径向距离的壳，由这两层壳与电机端盖形成空腔。

本发明工作原理为：电机定子铁心及绕组所产生的热量传递到给空腔内的蒸发冷却介质。液态蒸发冷却介质受热后温度不断上升，直至发生相变。汽化后的蒸发冷却介质上升，通过接口进入外设的冷凝器，与冷凝器中的二次冷却介质：水、或空气等进行热交换，进而冷凝为液体。液态的蒸发冷却介质通过接口流回空腔，如此形成自然循环，最终实现对电机定子部件的冷却。其中，以上所述电机内壳、电机外壳，或电机定子内径以内设置的两层壳，其壳壁可以为光滑壁面，也可人为改变其粗糙度以增强换热，例如：装有肋条的肋壁。

本发明中的蒸发冷却介质具有高绝缘、低沸点、物化性能稳定等要求，满足环保要求，如可采用Fla、4310、AE3000等适合介质；另外，也可以采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，其中蒸发冷却介质与变压器油的混合比例不能低于建立蒸发冷却循环流量所需比例。

与常规的浸泡式蒸发冷却技术的应用不同，本发明利用电机内壳和电机外壳形成空腔，或利用定子内部两层壳体形成空腔，两种情况下作为被冷却对象的电机定子都不再直接浸泡在蒸发冷却介质中。定子铁心、绕组因损耗而产生的热量间接传递到蒸发冷却介质中。尽管采用间接冷却的方式，将损失一部分冷却效率，但是正因为冷却结构不再直接与被冷却对象直接接触，不需要隔离套筒，原理磁场。

本发明装置具有以下一些应用优势。

（1）本发明采用蒸发冷却技术，与水冷和空冷等方式相比，蒸发冷却技术选用沸点合适的冷却介质，利用潜热带走热量，更加安全可靠；

（2）常规的定子浸泡式蒸发冷却装置，需要定子隔离套筒，而为了避免金属材质会产生的涡流损耗，隔离套筒的选材有一定的局限性。与其相比，该装置的浸泡式蒸发冷却结构设在电机机壳中，不再需要隔离套筒，避免了套筒制造及安装中的困难。而且，以电机内壳、电机外壳隔离出空腔，远离磁场，因此电机内壳、外壳的选材也不再受限。

（3）不再需要于电机定子、电机转子之间设置套筒，即不再占用定、转子之间的气隙，有利于电机设计。

附图说明

图1为电机纵向剖面图；

图2为电机横向剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明内容做进一步说明。

本发明装置包括空腔4、冷凝器5、出气口6、回液口7、集气管8和回液管9。所述的空腔4内充满蒸发冷却介质。所述的出气口6位于所述空腔4的上方。集气管8连接空腔4和冷凝器5。冷凝器5固定于电机外壳外部空腔4上方的位置。回液管9连接空腔4和冷凝器5。回液口7位于空腔4上部，其位置高度低于出气口6，高于空腔4内蒸发冷却介质的液面。冷凝器5中通入二次冷却介质，二次冷却介质可以为水、空气，或者其它介质。

图1为本发明电机纵向剖面，图1所示为本发明在内转子电机应用的实施例。如图1所示，电机壳体包括电机外壳2与电机内壳3。电机外壳2和电机内壳3围成空腔4。

图2为本发明电机纵向剖面，图2所示为本结构在外转子电机应用的实施例。如图2所示，在电机定子内径以内的空间设置两层具有一定径向距离的壳10、11，其中壳10紧贴定子1内壁，壳10、11与电机端盖围成空腔4。

如图1、图2所示的空腔4内充满蒸发冷却介质。冷凝器5位于空腔4的上部，固定于电机外部。冷凝器5中通入二次冷却介质，二次冷却介质可以为水、空气，或者其它介质。在空腔4的上部设置出气口6，使积聚在空腔4上方的两相蒸发冷却介质顺利通过集气管8进入冷凝器5。集气管8的一端与出气口6相连，集气管8的另一端连入冷凝器5上部空间。在空腔4上部设置回液口7，回液口7的高度低于出气口6，高于空腔4内介质的液面，以使液化后的蒸发冷却介质顺利流回空腔4内。回液管9的一端与回液口7相连，回液管9的另一端连入冷凝器5底部空间。

本发明的工作原理及过程如下：当电机工作时，定子1铁心段及绕组会发热，热量传递给空腔4内的蒸发冷却介质。蒸发冷却介质吸收热量，温度不断上升，进而发生相变，汽化后形成气液两相。两相介质的密度小于液相介质，因而自然上升，聚集在冷凝器5下方的空腔内。通过与出气口6相连的集气管8，两相介质进入冷凝器5与二次冷却介质发生热交换，进而冷凝为液体。液体介质沿回液管9经过回液口7再流回空腔4内。从而形成自循环，周而复始，最终达到冷却电机定子部件的效果。

所述的电机内壳3、电机外壳2，或壳10、11的壳壁可以为光滑壁面，也可以人为地改变粗糙度，增大局部换热面积以增强换热，例如：可采用装有肋条的肋壁。

Claims

1.一种夹壳式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的定子蒸发冷却装置包括空腔（4）、出气口（6）、集气管（8）、冷凝器（5）、回液管（9）和回液口（7）；所述的空腔（4）内充满蒸发冷却介质；所述的出气口（6）位于所述空腔（4）的上方；集气管（8）连接空腔（4）和冷凝器（5）；冷凝器（5）固定于电机外壳外部空腔（4）上方的位置；回液管（9）连接空腔（4）和冷凝器（5）；回液口（7）位于空腔（4）上部，回液口（7）的位置高度低于出气口（6），高于空腔（4）内蒸发冷却介质的液面；冷凝器（5）中通入二次冷却介质。

2.按照权利要求1所述的夹壳式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的定子蒸发冷却装置应用于内转子电机时，内转子电机机壳包括电机外壳和电机内壳，电机内壳和电机外壳形成空腔（4）。

3.按照权利要求1所述的夹壳式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的定子蒸发冷却装置应用于外转子电机时，在电机定子内径以内的空间，贴近定子内壁处设置有两层壳，两层壳之间具有径向距离，所述的两层壳与电机端盖形成空腔（4）。