CN115603492A - 凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其采用内充绝缘冷却介质的液盒与磁极线圈紧密贴合以吸收磁极线圈产生的热量，吸热后液盒内的冷却介质温度上升并流动到安装于转子支架内冷却器中释放热量，降温后的冷却介质再次流回磁极周围吸收热量，如此循环往复实现对转子磁极的高效散热。本发明既适用于立式电机，又适用于卧式电机。

Description

凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，具体涉及一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统。

背景技术

电机最主要的冷却方式是利用空气对定、转子绕组以及铁芯表面进行冷却，但是空气冷却的能力有限。氢气代替空气作为冷却介质能够在很大程度上提高冷却强度，可是密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的隐患。水内冷电机的冷却效果优异，大容量电机多采用水内冷的方式来提高容量极限。然而，水内冷电机不可回避结构复杂、维护负担重、管路元件堵塞、水渗漏等问题。水渗漏造成的短路风险在所有电气设备中都是不容忽视的。

中国科学院电工研究所(后文简称“电工所”)从1958年开始研究的电机蒸发冷却技术在保持内冷电机优点的同时避免了水内冷电机的堵塞、渗漏风险，利用冷却介质的相变潜热来吸收、转移热量。因为相变换热的换热效率高于对流换热，所以它的冷却效果要明显高于利用比热吸热进行换热的空冷、氢冷和水内冷却技术。

大容量凸极电机的转子每极容量大、散热困难。以水轮发电机为代表的这一类电机直径大，难以采用氢气冷却系统，水内冷系统是其目前的唯一选择。然而，转子高速旋转产生的离心力又对水内冷系统的可靠性提出极大挑战。

电工所在论文《自循环蒸发冷却水轮发电机》(廖少葆、顾国彪、李作之，《电工电能新技术》，1987年第3期)中，详细介绍了立式电机长管道冷却回路的内冷式转子蒸发冷却技术。这种技术采用空心导线绕制的磁极线圈。空心导线的进、出口通过管道连接在冷凝器出、进口上。冷凝器环绕在转轴上，通过轴边进水的方式为冷凝器提供冷却水。经过试验验证，该方案的循环状态正常，冷却效果很好。

专利号为CN201820906447.9的中国实用新型专利《一种立式电机的转子蒸发冷却装置》公开了一种应用于立式凸极电机的转子蒸发冷却系统。该系统采用盒式结构实现对磁极的浸泡冷却。

现有技术主要是采用空心导线的管道内冷系统以及采用盒式结构的浸泡式冷却系统。

管道内冷系统所必需的空闲导线较软，应用于转子圆周大线速度较大的大容量凸极电机上较难保证结构强度。

浸泡式冷却系统冷却效果好，但是其液盒不仅会增加极身高度，而且需要占用磁极在圆周方向的空间。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，以极身高度的少量增加换取更好的磁极冷却效果。技术方案由冷却器、连接管道、液盒、磁极线圈、磁极托板组成。冷却器挂载于转子支架上，冷却介质的循环通道各连接处均采用静密封方式，稳定可靠。由于转子旋转产生的离心力远大于重力，本发明的转子磁极贴壁式冷却方案既适用于立式电机，又适用于卧式电机。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

采用集成于磁极线圈中或者与磁极线圈相贴合的液盒作为一次冷源，构成贴壁式蒸发冷却系统。液盒是一种内充冷却介质的中空腔体，具有冷却介质的出入口。

磁极线圈通常由若干铜排沿转子径向堆叠拼焊而成，每四根铜排构成一匝，每一匝均有2根沿电机轴向布置的直线段铜排和2根沿圆周布置的端部铜排，两匝之间垫有绝缘材料。在磁极线圈的两端或一端有磁极托板构成磁极线圈的支撑紧固结构。磁极线圈是转子的主要热源，对其冷却要求液盒紧贴磁极线圈。

液盒的可选布置位置有：集成在磁极线圈内部；贴于磁极线圈一端或两端。

对于集成于磁极线圈内部的液盒，可采用与磁极线圈相同的导电材料制成，其轴向长度和宽度均与沿轴向布置的直线段铜排相同。在拼焊时，两个液盒与两根端部铜排拼焊为一匝。在液盒的端部开设冷却介质的进出口，与外部管道相连。液盒在磁极线圈中既是电荷的载流通道又是磁极线圈的冷源，可以冷却相邻的线匝。

对于贴于磁极线圈一端的液盒，可夹装在磁极线圈和磁极托板之间，也可以将磁极托板制成中空的结构实现液盒功能。

冷却器可安装在转子支架内部的空间中或者转子一端。为充分利用离心力促进冷却介质的循环，冷却器的安装形式可与转轴形成夹角，使冷却器的入口靠近转轴而出口靠近转子外圆。

冷却器通过管道与液盒相连。其中，液盒出口与冷却器入口之间的管道称为出气管，冷却器出口与液盒入口之间的管道称为回液管。根据转子结构设计的需求，可在转子上设置多个冷却器，液盒之间可以串联也可以并联。

冷却器、液盒与管道共同构成闭合的循环回路，各部件相互之间相对静止，所需密封结构为静密封，可靠性高。

蒸发冷却介质在液盒内吸热，之后温度升高、密度减小，或者沸腾后形成气液两相流。吸热后的蒸发冷却介质沿出气管流动至冷却器中降温冷却和/或凝结为液态。降温后的液态蒸发冷却介质通过回液管补充回液盒中继续吸热。如此循环往复，实现磁极线圈的有效冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)贴壁式冷却系统通过液盒与磁极线圈直接接触来实现热传递，借助于相变换热的高换热系数，极大提高转子磁极的散热容量，使磁极线圈可承载更高电流密度所产生的热损耗，从而在不减小励磁电流的前提下降低磁极线圈高度，减小磁极的机械应力。

(2)液盒与磁极线圈直接焊接的布置方式保证了液盒的可靠固定，大平面接触的方式也有助于降低液盒在压紧时所承受的应力水平，工艺性好。

(3)液盒替代磁极托板的方式无需改变磁极线圈的传统工艺，制造和装配方便还能兼顾极靴冷却。

(4)冷却器的布置方式既充分利用转子的闲置空间，又利用离心加速度提供强劲的流动压头，有助于冷却系统的稳定循环。

(5)蒸发冷却介质循环相关的所有密封面均为静态密封，密封结构成熟可靠。

(6)蒸发冷却介质具有绝缘属性，即使泄露也不会造成短路风险。

(7)采用不需要循环泵的自循环蒸发冷却方式。系统控制简单，在热负荷变化时具有自适应能力。

附图说明

图1为本发明的转子贴壁式冷却系统整体结构示意图。其中：1-转轴；2-转子支架；3-磁极铁芯；4-磁极托板；5-磁极线圈；6冷却器；7-液盒；8-出气管；9-回液管；

图2为本发明的拼焊在磁极线圈内的液盒结构示意图。其中：10-液盒接口；

图3为本发明的液盒与磁极线圈拼焊方案示意图。其中：11-直线段铜排；12-端部铜排；

图4为本发明的环形液盒结构示意图；

图5为本发明的液盒夹装在磁极线圈与磁极托板之间的方案示意图，图中同时描述了液盒并联的布置方式；

图6为本发明的液盒替代磁极托板方案示意图，图中同时描述了每个液盒分别与1个冷却器沟通独立回路的布置方式；

图7为本发明的磁极线圈内液盒串联方案示意图，其中：13-串联管；

图8为本发明的磁极线圈内液盒并联方案示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统包括转轴1、转子支架2、磁极铁芯3、磁极托板4、磁极线圈5、冷却器6、液盒7、出气管8、回液管9。

所述转轴1、转子支架2、磁轭和磁极共同构成传统凸极电机的转子结构。转子支架2套于转轴1上。有的电机不设转轴，而是将转轴1和转子支架2合并为转子中心体。转子支架2内部在转轴1和磁轭之间有大闲置空间用于减重及导风。磁极铁芯3、磁极托板4和磁极线圈5共同组成磁极，并在磁轭的外圆周上均布。磁极线圈5嵌套于磁极铁芯3上，并通过磁极托板4压紧固定。

在采用贴壁式冷却系统的凸极电机转子中，结构有一定的改变。冷却器6被固定在所述转子支架2内部闲置空间中或者转子支架或者磁轭上方，随转子一起旋转。在磁极部分增设液盒7。液盒7是一个内充蒸发冷却介质密闭腔体。

所述出气管8的一端固定于液盒7的出气口，另一端固定于冷却器6的进气口。回液管9的一端固定于液盒7的回液口，另一端固定于冷却器6的出液口。冷却器6与液盒7通过出气管8和回液管9构成闭合的循环回路。蒸发冷却介质在回路中循环流动。在应用上，可以多个液盒7共用一台冷却器6组成并联结构，也可以每个液盒7连接一台冷却器6构成各自独立的小系统。

当电机运行时，磁极线圈5通电产生的热量传导给液盒7内的蒸发冷却介质。蒸发冷却介质的温度不断升高，当达到沸点时发生沸腾相变。相变产生的气态蒸发冷却介质经过出气管8进入冷却器6中冷却直至液化。冷凝而来的液态蒸发冷却介质经由回液管9流回液盒7中。如此就完成了一次循环。在电机运行的过程中，这个冷却循环周而复始地进行，保证了磁极线圈5在适宜温度下稳定地运行。

对于极数较多的转子，转子支架2内的空间较大，可以承载体积较大的冷却器6。这时可以采用电机内的循环空气为冷却器6的冷源。这种系统无需冷却水，彻底消除了水泄露的隐患。

对于极数较少而容量较大的转子，转子支架2内的闲置空间较小，只能采用体积紧凑的以冷却水为冷源的冷却器6。冷却水需要通过旋转接头引入冷却器中。冷却水的引入方法在双水内冷电机中早有应用。

为充分利用离心力，以密度差驱动冷却系统循环；

将冷却器6倾斜安装，使其下端向转子外圆倾斜、上端向转子轴心倾斜。

所述液盒7可以在磁极中有多种集成方案。

如图2所示，可以采用磁极线圈的导电材料制作液盒7，并将其与磁极线圈的其他载流铜排焊接在一起，构成线匝的一部分。在液盒2的两端预留液盒接口10，供蒸发冷却介质流通。在液盒2与其他铜排拼焊的部分可预留异形嵌套结构，以增加磁极线圈的结构强度。

如图3所示，可以将采用磁极线圈的导电材料制作的液盒7与磁极线圈其他的端部铜排12焊接在一起，代替部分直线段铜排11构成电荷的载流通道。根据电机的热设计需求，液盒7在磁极线圈内可布置于每一匝内，也可以间隔数个直线段铜排11布置一个液盒7。

如图4所示，液盒7也可以制作成整环形状，以夹装在磁极线圈5和磁极托板4之间或者直接代替磁极托板4的功能。与图2所示液盒结构不同，本图所示的液盒可以兼顾磁极线圈的整个端部平面。

如图5所示，在磁极线圈5的两端，与两个磁极托板之间，分别布置有一个液盒7。这2个液盒7并联布置。管路在转子的两端分别实现蒸发冷却介质的分流和汇流。

如图6所示，将磁极中原有的磁极托板4改制成图4所示的环形液盒7。每个液盒都单独与一个冷却器6构成闭合回路，互不干扰。

如图7所示，在磁极线圈中，可在每个有液盒7的线匝中只布置一个线匝，但是相邻的有液盒7的线匝将液盒7分别布置于磁极的两侧。将这些液盒7通过串联管13首尾相接、顺次串联起来，利用不同匝中的液盒7在转子径向的高度差，就能形成连续的螺旋上升管道。这种布置能够在每个磁极中使用多个液盒7时，只留出一对接口与冷却器6相连。

如图8所示，每个磁极线圈5有7匝，其中液盒7间隔布置在其中的3匝。在应用中，磁极线圈5的匝数和液盒6的数量并不局限于此。这些液盒7处于并联的方式。

需要指出的是，图5-8分别用不同位置的液盒7构成不同的串、并联通道，但它们的拓扑是可以互相借用的。

实施例：

如图8所示，电机转子磁极上的磁极线圈5有7匝，其中的3匝内拼焊有液盒7。当电机运行时，磁极线圈5通电产生的热量传导给液盒7内的蒸发冷却介质。蒸发冷却介质的温度不断升高，当达到沸点时发生沸腾相变。相变产生的气态蒸发冷却介质流出液盒7后，在出气管8中汇聚在一起进入冷却器6中冷却至液态。冷凝而来的液态蒸发冷却介质经由回液管9分流至各个液盒7中。如此就完成了一次循环。在电机运行的过程中，这个冷却循环周而复始地进行，保证了磁极线圈5在适宜温度下稳定地运行。

本系统的特点是与蒸发冷却介质循环相关的所有密封面均为静态密封，密封结构成熟可靠。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：包括转轴、转子支架、磁极铁芯、磁极线圈、冷却器、液盒、磁极托板、出气管和回液管；所述转轴、转子支架、磁轭和磁极共同构成凸极电机的转子结构；所述磁极铁芯和磁极线圈共同组成磁极，并在磁轭的外圆周上均布；所述磁极线圈嵌套于磁极铁芯上，并通过磁极托板固定；所述冷却器被固定在所述转子支架内部的闲置空间中或者磁轭的上方，随转子一起旋转；所述出气管的一端固定于液盒的出气口，另一端固定于冷却器的进气口；回液管的一端固定于液盒的回液口，另一端固定于冷却器的出液口。

2.根据权利要求1所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述液盒是内充蒸发冷却介质的密闭腔体。

3.根据权利要求1所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述液盒与磁极线圈其他部分的铜排焊接在一起，以代替磁极线圈中沿轴向排布的部分铜排。

4.根据权利要求3所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：在磁极线圈中，液盒可以布置于每一匝中，也可以间隔数匝布置两个。

5.根据权利要求3所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：单个磁极线圈中的液盒可以并联也可以通过管道顺次串联。

6.根据权利要求1所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述液盒可作为单独实体夹装于磁极线圈的匝间或者磁极线圈于磁极托板之间。

7.根据权利要求1所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述液盒可制作成磁极托板的形状，代替磁极托板的支撑功能。

8.根据权利要求1所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：多个液盒共用一台冷却器组成并联结构，或每个液盒均连接一台冷却器。

9.根据权利要求8所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述冷却器的冷源为冷却水或凸极电机内的循环空气。

10.根据权利要求8所述的一种凸极电机的转子磁极贴壁式冷却系统，其特征在于：所述冷却器可通过倾斜安装，使其下端向转子外圆倾斜、上端向转子轴心倾斜。

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