CN103280928A - 一种机壳管道式定子蒸发冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种机壳管道式定子蒸发冷却装置，包括冷却回路（3）、集气管（5）、冷凝器（6）和回液管（7）；冷凝器（6）安装于电机上方；集气管（5）的一端接冷却管路（3）的出口，另一端与冷凝器（6）连通；回液管（7）的一端连接冷凝器（6），回液管（7）的另一端与冷却管路（3）的入口连接；所述的冷凝器（6）内部通入二次冷却介质；上述的部件构成自循环蒸发冷却回路。在回液管（7）和与冷却管路（3）之间接入泵（8），构成强迫循环蒸发冷却回路。所述的冷却管路（3）由多根冷却管路并联或串联构成。冷却管路（3）设置在电机机壳（4）的内壁或电机机壳4的外壁。冷却管路（3）还可设置在定子（1）的外圆周处的矩形的缺口处，设置在所述缺口处的冷却管路（3）外横截面形状为矩形。

Description

一种机壳管道式定子蒸发冷却装置

技术领域

本发明涉及一种定子蒸发冷却装置。

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。它的基本原理是：定子绕组采用空心导线，或者空、实导线组合构成，空心导线中流动着蒸发冷却介质。但是以上传统的管道内冷式蒸发冷却装置主要有两个方面的不足：一是空心导线设置在定子槽内，必然会占用槽内的空间，降低槽满率，尤其对槽数较多的电机，会使得电机的体积和用材增加；另一方面，每一个槽内都需要设置一根或多根空心导线，每根空心导线都需要通过电液分离接头与集气管、集液管相连，进而连入整个系统，这样必然会造成整个冷却系统管路、接头众多，不仅使得系统的结构复杂，而且也造成运行、维护的困难，降低了整个系统的可靠性。另外，从应用场合出发，由于冷却回路设置在定子绕组中，在一些应用场合中，这种冷却方式的冷却范围将有很大的局限性，冷却的效果也会受到影响。中国发明专利201110385743.1提出了一种定子蒸发冷却装置。它将蒸发冷却管路设置在定子铁心中，但是正因为如此，冷却管路处于磁场中，会产生涡流损耗，因此冷却管路的材料不能为金属，同样限制了应用。

目前针对管道内冷式蒸发冷却技术的应用，已有专利所提及到的形式主要包括两种：1、电机定子绕组由空心导线或者空心导线与实心导线的组合构成，其中空心导线内流动蒸发冷却介质；2、在电机定子铁心内部设置管路，空心管路内流动蒸发冷却介质。前者由于空心导线设置在定子槽内，占用了槽内空间，使得槽满率降低，对槽数较多的电机，会使得电机的体积和用材增加；而且空心导线作为定子绕组，需要电液分离接头才能与冷却系统连接，造成冷却系统管路、接头众多。而后者在定子铁心内设置管路，管路处于电机内部磁场中，倘若采用金属材料，会产生涡流损耗，降低电机效率。

发明内容

本发明的目的是现有管道内冷式蒸发冷却装置所存在的问题，提出一种新的冷却装置。

本发明装置采用管道内冷式蒸发冷却方式，根据应用条件的不同，本发明装置可以选择自循环方式或者强迫循环方式。

本发明装置中，自循环蒸发冷却回路的主要组成部件为冷却管路、集气管、回液管和冷凝器。集气管的一端连入冷凝器，集气管的另一端与冷却管路的出口相连；回液管的一端与冷却管路的入口相连，回液管的另一端连入冷凝器。

本发明装置中，强迫循环循环蒸发冷却回路的主要组成部件为冷却管路、集气管、回液管、冷凝器和泵；集气管的一端连入冷凝器，集气管的另一端与冷却管路的出口相连；回液管的一端连入冷凝器，回液管的另一端与泵的入口相连；泵的出口与冷却管路的入口相连。

本装置中冷却管路的设置方式可以有多种：

在电机机壳的内壁或外壁上设置冷却管路；冷却管路的横截面可以是圆形、方形或者是半圆形等。冷却管路可以在电机机壳制造阶段直接铸成，从而成为电机机壳的一部分；也可以通过焊接等方式与电机机壳联接。

所述的冷却管路彼此之间的连接可以采用串联方式，也可以采用并联方式，也可分组以串、并联方式相结合的方式连入蒸发冷却回路中。

以上所述的冷却管路可以沿电机轴向排布，也可以与电机轴形成一定的夹角，倾斜布置。

冷却管路中流动着蒸发冷却介质，蒸发冷却介质吸收电机定子产生的热量，温度不断上升，进而发生相变。气液两相介质沿集气管进入冷凝器，与二次冷却介质：水、或空气等进行热交换，从而冷凝为液体。在重力的作用下，液态介质流将回冷却管路中，形成周而复始的自循环；在泵的驱动下，液态介质将流回泵，在泵的驱动下再次流入冷却管路，形成强迫循环。

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。

本发明定子蒸发冷却装置，具有以下显著的特点：

（1）本发明采用蒸发冷却技术，由于选用的蒸发冷却介质具有高绝缘、不燃不爆、安全、稳定、无毒环保等特点，避免了因为水冷机组因为水泄漏而发生各种事故的危险，可靠性更高。

（2）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，具有更高的冷却效率，更好的冷却效果；

（3）与传统的管道内冷式蒸发冷却方式相比，该装置的冷却管路不占用槽内空间，管路和接头的数量都大大减少。

（4）该装置的冷却管路的设置远离磁场，即使冷却管路采用金属材料，也不会产生涡流损耗，提高了效率。

附图说明

图1为自循环定子蒸发冷却装置示意图；

图2为强迫循环定子蒸发冷却装置示意图。

图3-图6为电机横向剖面展示的示图。

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。

本发明定子蒸发冷却装置有自循环和强迫循环两种实施方式。

图1所示为自循环方式的实施例。本发明自循环定子蒸发冷却装置包括冷却管路3、集气管5、冷凝器6和回液管7。为了实现自循环，冷凝器6安装于电机上方一定高度处；集气管5的一端接冷却管路3的出口，集气管5的另一端与冷凝器6连通；回液管7的一端连接冷凝器6，回液管7的另一端与冷却管路3的入口连接。所述的冷凝器6内部通入二次冷却介质，二次冷却介质可以为水、空气，或其他介质。

图2所示为强迫循环方式的实施例。本发明强迫循环定子蒸发冷却装置包括冷却管路3、集气管5、冷凝器6、回液管7和泵8。强迫循环方式不再受限于冷凝器高度，因此冷凝器可以安装于电机外部任意方便的位置。集气管5的一端连接冷却管路3的出口，集气管5的另一端与冷凝器6连通；回液管7的一端连接冷凝器6，回液管7的另一端与泵8的入口连接；泵8的出口与冷却管路3的入口相连。所述的冷凝器6内部通入二次冷却介质，二次冷却介质可以为水、空气，或其他介质。

冷却管路3可以由多根冷却管路并联或串联形成。

如图1所示，多根冷却管路并联的冷却管路3的入口分别连接回液管7的一端，多根冷却管路并联的冷却管路3的出口分别连接集气管5的一端。如图2所示，多根冷却管路串联的冷却管路3的入口与泵8的出口相连，多根冷却管路串联的冷却管路3的出口与集气管5的一端相连。并联方式并不只限于在自循环系统中使用；串联方式也并不只限于在强迫循环系统中使用。

图3-图6所示为冷却管路在电机中的不同设置位置与方式。1为电机定子，2为电机轴，3为冷却管路，4为电机机壳。

如图3、图4所示，在电机机壳4的内壁上设置冷却管路3，图3所示冷却管路3的横截面为矩形，图4所示冷却管路3的横截面为半圆形。如图5、图6所示，在电机机壳4的外壁上设置冷却管路3。图5所示冷却管路3的横截面为矩形，图6所示冷却管路3的横截面为半圆。以上所述冷却管路3的横截面还可以为圆形等任何合适的形状，而冷却管路3与电机机壳4的连接方式可以采用直接铸造形成、或是焊接等方式。

以上所述冷却管路3中流动着蒸发冷却介质，冷却管路3之间可以采用串联方式，或者并联方式相互连接。冷却管路3可以沿电机轴2轴向布置，也可以与电机轴2形成一定的夹角，倾斜布置。因此，本发明蒸发冷却装置可以采用自循环方式，也可以强迫循环方式。

强迫循环方式下，其工作原理和工作过程为：电机运行过程中，定子1产生热量，冷却管路3中流动的冷却介质吸收热量，温度不断上升，进而发生相变，形成气液两相介质。两相介质沿集气管5上升，进入冷凝器6内，与冷凝器6内的二次冷却介质发生热交换。两相介质冷凝为液体，沿回液管7流回泵8中。然后再泵8的驱动下，液体介质再次流入冷却管路3中，继续再一次的循环，如此周而复始，最终达到冷却电机定子1的效果。

强迫循环方式下，其工作原理和工作过程为：电机运行过程中，定子1产生热量，冷却管路3中流动的冷却介质吸收热量，温度不断上升，进而发生相变，形成气液两相介质。两相介质沿集气管5上升，进入冷凝器6内，与冷凝器6内的二次冷却介质发生热交换。两相介质冷凝为液体，沿回液管7留回冷却管路3。集气管5内的两相介质与回液管7内的液相介质产生密度差，进而产生循环压头，形成周而复始的自循环，以冷却电机定子1。

本发明装置不限于图1、图2所示两种形式，多根冷却管路之间可以串联、或并联，也可以分组采用串、并联组合的方式。

本发明蒸发冷却装置或设置于电机定子外圆周处，或设置于电机机壳的内、外壁，均远离电机内部磁场。因此，即使冷却管路采用金属材料，也不会产生涡流损耗，从而提高了效率。不仅如此，与传统的管道内冷式蒸发冷却技术相比较，该发明装置中的冷却管路不占用槽内空间，而管路和接头的数量也都大大减少，具有一定的优势。

以上均以内转子电机的结构为例进行表述，但本发明装置同样适用于外转子电机。

Claims (6)

1.一种机壳管道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冷却管路（3）、集气管（5）、冷凝器（6）和回液管（7）；冷凝器（6）安装于电机上方；集气管（5）的一端接冷却管路（3）的出口，集气管（5）的另一端与冷凝器（6）连通；回液管（7）的一端连接冷凝器（6），回液管（7）的另一端与冷却管路（3）的入口连接；所述的冷凝器（6）内部通入二次冷却介质；所述的冷却回路（3）、集气管（5）、冷凝器（6）和回液管（7）构成自循环蒸发冷却回路。

2.一种机壳管道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冷却管路（3）、集气管（5）、冷凝器（6）、回液管（7）和泵（8）；集气管（5）的一端连接冷却管路（3）的出口，集气管（5）的另一端与冷凝器（6）连通；回液管（7）的一端连接冷凝器（6），回液管（7）的另一端与泵（8）的入口连接；泵（8）的出口与冷却管路（3）的入口相连；所述的冷凝器（6）内部通入二次冷却介质；所述的冷却管路（3）、集气管（5）、冷凝器（6）、回液管（7）和泵（8）构成强迫循环蒸发冷却回路。

3.按照权利要求1或2所述的一种机壳管道式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的冷却管路（3）由多根冷却管路并联或串联构成。

4.按照权利要求1或2所述的一种机壳管道式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的冷却管路（3）设置在电机机壳（4）的内壁或电机机壳（4）的外壁。

5.按照权利要求1或2所述的一种机壳管道式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的冷却管路（3）的横截面为矩形、半圆形或圆形。

6.按照权利要求1或2所述的一种机壳管道式定子蒸发冷却装置，其特征在于，所述的冷却管路（3）沿电机轴（2）的轴向布置，或与电机轴（2）形成一定的夹角，倾斜布置。

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