CN104600959A - 一种适用于液氢环境下的电机定子 - Google Patents

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Abstract

本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种适用于液氢环境下的电机定子；本发明提供一种用于液氢温度或介质下工作的适用于液氢环境下的电机定子；包括机壳（1）、定子组件（2）、端盖（3）、密封圈Ⅰ（4）、密封圈Ⅱ（5）、密封电连接器（6）、隔离套（7）、堵盖（8）、引线（12）及压接体（13）；所述机壳（1）为一端封死的中空圆柱形结构，右侧沿圆周方向分布两个圆柱形腔体，成90°夹角，一个用于密封安装电连接器（6），另一个作为二次灌封入口，上设有堵盖（8），定子组件（2）设于机壳（1）中空腔内，端盖（3）设于机壳（1）未封死一端；所述机壳内层沿圆周方向分布有5个圆弧形导流槽（11）和一个键（10）。

Description

一种适用于液氢环境下的电机定子
技术领域
本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种适用于液氢环境下的电机定子。
背景技术
新一代运载火箭氢氧发动机是以液氢和液氧为燃料，具备无毒、无污染、高性价比等优点。预冷是低温推进剂发动机发射前的一项重要环节，以往发动机采用的是排放预冷，循环预冷作为新技术首次应用于新一代运载火箭发动机。作为循环预冷的重要单机，循环泵和电机采用一体化结构，首次应用于我国运载火箭型号，也是新一代运载火箭重点攻关技术之一，具有较高的研究和应用价值。电机是循环泵的动力元件，驱动循环泵对发动机及其输送管路进行循环预冷，其转子长时间浸泡在液氢介质下，工作温度达-253℃。目前国内没有适用于液氢环境的电机产品。
电机主要包括定子和转子两大部分。定子结构设计需重点考虑以下几个方面：各部分结构及材料能够耐液氢温度且与液氢介质不发生反应；同时氢作为易燃易爆物质，接口部位需具有高密封性和防爆特性。这些因素直接影响着电机的安全性和可靠性。传统的常温电机定子从选材、装配工艺以及结构设计上都不适用于液氢介质。
本发明介绍了一种适用于液氢温度或介质下的电机定子。该定子其结构简单，绝缘等级高，密封性能好。定子在液氢介质下浸泡不低于48h后仍保持良好的电性能、绝缘和密封性能，且装配成整机后仍能在低温环境下负载累计运行不低于10h。
发明内容
本发明的目的，针对现有技术不足，提供一种用于液氢温度或介质下工作的适用于液氢环境下的电机定子。
本发明的技术方案是：
一种适用于液氢环境下的电机定子，包括机壳、定子组件、端盖、密封圈Ⅰ、密封圈Ⅱ、密封电连接器、隔离套、堵盖、引线及压接体；所述机壳为一端封死的中空圆柱形结构，右侧沿圆周方向分布两个圆柱形腔体，成90°夹角，一个用于密封安装电连接器，另一个作为二次灌封入口，上设有堵盖，定子组件设于机壳中空腔内，端盖设于机壳未封死一端；所述机壳内层沿圆周方向分布有5个圆弧形导流槽和一个键。
所述定子组件包括定子铁芯和三相绕组，三相绕组绕制在定子铁芯上的槽中；所述三相绕组采用专用耐电晕复合漆包线；定子组件沿轴向热套装入机壳，定子铁芯外圆与机壳腔体为过盈配合，并采用键进行连接固定。
所述密封电连接器包括密封电连接器壳体、插针及烧结玻璃，其中3根插针通过烧结玻璃固定在密封电连接器壳体中。
密封电连接器与密封圈Ⅰ安装在机壳上，定子组件的三相绕组通过引线与插针连接，引线与插针通过压接体压接而成。
所述隔离套插入定子铁芯内腔，与定子铁芯内孔为小间隙配合；所述隔离套与机壳接触部位为粘接；定子铁心与机壳采用两次灌封，灌封胶采用环氧树脂；灌封口伸出部位采用聚氨酯类胶体进行第三次灌封。
本发明的有益效果是：
1.密封电连接器不仅是传输电能的重要元器件，还是外部密封的重要环节之一该种电连接器采用玻璃烧结工艺，线簧孔连接方式。电连接器与机壳安装接口采用软铝密封圈，密封面板由金属插针和烧结玻璃组成，确保结合部位不泄露；
2.电机定子采用耐低温材料及工艺，同时对定子腔体进行灌封，胶体能够承受液氢温度冲击，不发生开裂、破碎现象；
3.非金属隔离套不影响电机磁路，能够减小涡流损耗，降低发热，提高效率。与常温电机相比，该种定子绝缘结构进一步提升了电机的绝缘性能。
附图说明
图1定子轴向剖面示意图
图2机壳外形示意图
图3定子组件轴向剖面示意图
图4机壳与定子组件径向剖面示意图
图5密封电连接器剖面示意图
图6密封电连接器安装示意图
图7隔离套外形示意图
图8定子灌封示意图
图中，1.机壳、2.定子组件、3.端盖、4.密封圈Ⅰ、5.密封圈Ⅱ、6.密封电连接器、7.隔离套、8.堵盖、9.灌封腔体、10.键、11.导流槽、12.引线、13.压接体、21.定子铁芯、22.三相绕组、61密封电连接器壳体、62.插针、63.烧结玻璃。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明提出的一种适用于液氢环境下的电机定子进行进一步的介绍：
如图2所示，机壳1为中空圆柱形结构，右侧沿圆周方向分布两个圆柱形腔体，成90°夹角，一个用于密封安装电连接器6，另一个作为二次灌封入口。
如图3所示，定子组件2采用耐低温绝缘材料和工艺。由于电机采用变频电源进行无传感器矢量控制，因此三相绕组22采用专用耐电晕复合漆包线，按照一定的规律绕制在定子铁芯21上的槽形中。如不采用变频电源控制，可选用耐低温的聚酰亚胺漆包线。电机槽绝缘、相间绝缘、层间绝缘、槽楔等材料均选用耐低温的聚酰亚胺类材料，浸渍漆选用无溶剂浸渍漆，浸漆工艺采用两遍真空压力浸漆和一遍普通浸漆，也可增加一遍普通浸漆。
如图4所示，将定子组件2沿轴向热套装入机壳1，定子铁芯21外圆与机壳1腔体为过盈配合，并采用键10进行连接固定。机壳1沿圆周方向分布有5个圆弧形导流槽11，便于灌封胶流动。
如图5所示，密封电连接器6由壳体61、插针62以及烧结玻璃63组成。
如图6所示，将密封电连接器6与密封圈Ⅰ4安装在机壳1上，定子组件2的三相绕组22通过引线12与插针62连接，引线与插针通过压接体13压接而成。
如图8所示，将隔离套7插入定子铁芯21内腔，隔离套7为圆柱形薄壁结构，如图7所示，选用耐低温非金属材料，如聚酰亚胺类、聚醚醚酮等材料，但不限于此，只要该材料能够耐低温冲击，不与液氢介质发生反应，且与灌封胶、机壳1材料线膨胀系数相近，且具有一定的冲击强度（一般≥78kJ/m2），都适用于本发明。隔离套7单边壁厚约为1mm，也可稍作减小，但不应过薄，需具有一定的强度（一般≥80MPa）。隔离套7外圆与定子铁芯21内孔为小间隙配合，防止安装隔离套时受力挤压破碎。安装过程中对隔离套7与机壳1接触部位进行涂胶，使两部分粘接牢固。
如图8所示，隔离套7固定后，按照图示位置放置，从上方进行首次灌封，使胶体顺着定子铁芯21齿槽及机壳1内壁上的导流槽11缓慢流入灌封腔体9，直至与隔离套7端面齐平，加热固化。固化后安装密封圈Ⅱ5和端盖3。更换摆放位置，将机壳1灌封口朝上，进行二次灌封，灌封胶采用环氧树脂类，加热固化。灌封口伸出部位采用韧性较强的聚氨酯类胶体进行第三次灌封。机壳1上的灌封口根部拐角处应留倒圆角（根据机壳1厚度确定），利于胶体流动。
如图1所示，灌封完毕后安装密封圈Ⅰ4和堵盖8，装配成电机定子。
定子密封结构。定子密封结构一般包括三个对外密封部位：机壳与端盖密封部位、机壳与密封电连接器密封部位以及机壳与堵盖密封部位。三个对外密封结构均采用软铝密封圈，也可选用其它耐低温密封材料。该种结构需在液氢温度下有效防止电机内部氢气外泄，经过48h液氢浸泡后进行氦质谱检漏，表压0.5MPa压力下漏率指标不大于10-5Pa·m3/s。
密封电连接器。密封电连接器不仅是传输电能的重要元器件，还是外部密封的重要环节之一。该种电连接器采用玻璃烧结工艺，线簧孔连接方式。电连接器与机壳安装接口采用软铝密封圈，密封面板由金属插针和烧结玻璃组成，确保结合部位不泄露，经过48h液氢浸泡后进行氦质谱检漏，表压0.5MPa压力下漏率指标不大于10-5Pa·m3/s。
定子绝缘结构。定子绝缘结构主要包括定子组件绝缘结构和定子灌封结构。电机定子采用耐低温材料及工艺，同时对定子腔体进行灌封，胶体能够承受液氢温度冲击，不发生开裂、破碎现象。它与定转子间安装的非金属隔离套紧密结合，形成一体，结构稳定。非金属隔离套不影响电机磁路，能够减小涡流损耗，降低发热，提高效率。与常温电机相比，该种定子绝缘结构进一步提升了电机的绝缘性能，在经过液氢48h浸泡后，用500V兆欧表测量三相绕组与壳体间绝缘电阻大于500MΩ。
采用此种定子结构的电机已通过了10h的液氢寿命运行试验，单次工作时间不低于3h。

Claims (5)

1.一种适用于液氢环境下的电机定子，其特征在于：包括机壳（1）、定子组件（2）、端盖（3）、密封圈Ⅰ（4）、密封圈Ⅱ（5）、密封电连接器（6）、隔离套（7）、堵盖（8）、引线（12）及压接体（13）；所述机壳（1）为一端封死的中空圆柱形结构，右侧沿圆周方向分布两个圆柱形腔体，成90°夹角，一个用于密封安装电连接器（6），另一个作为二次灌封入口，上设有堵盖（8），定子组件（2）设于机壳（1）中空腔内，端盖（3）设于机壳（1）未封死一端；所述机壳内层沿圆周方向分布有5个圆弧形导流槽（11）和一个键（10）。
2.如权利要求1所述的一种适用于液氢环境下的电机定子，其特征在于：所述定子组件（2）包括定子铁芯（21）和三相绕组（22），三相绕组（22）绕制在定子铁芯（21）上的槽中；所述三相绕组（22）采用专用耐电晕复合漆包线；定子组件（2）沿轴向热套装入机壳（1），定子铁芯（21）外圆与机壳（1）腔体为过盈配合，并采用键（10）进行连接固定。
3.如权利要求1所述的一种适用于液氢环境下的电机定子，其特征在于：所述密封电连接器（6）包括密封电连接器壳体（61）、插针（62）及烧结玻璃（63），其中3根插针（62）通过烧结玻璃（63）固定在密封电连接器壳体（61）中。
4.如权利要求2或3所述的一种适用于液氢环境下的电机定子，其特征在于：密封电连接器（6）与密封圈Ⅰ（4）安装在机壳（1）上，定子组件（2）的三相绕组（22）通过引线（12）与插针（62）连接，引线（12）与插针（62）通过压接体（13）压接而成。
5.如权利要求1或2所述的一种适用于液氢环境下的电机定子，其特征在于：所述隔离套（7）插入定子铁芯（21）内腔，与定子铁芯（21）内孔为小间隙配合；所述隔离套（7）与机壳（1）接触部位为粘接；定子铁心（21）与机壳（1）采用两次灌封，灌封胶采用环氧树脂；灌封口伸出部位采用聚氨酯类胶体进行第三次灌封。
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