CN1889333A - 蒸发冷却水下设备用电机 - Google Patents

Abstract

一种蒸发冷却水下设备用电机，其特征是整个定子置于由定子机壳〔80〕、端盖〔100〕、内套筒〔90〕组成的密闭定子空腔中，定子空腔中注入蒸发冷却介质。定子铁心〔70〕置于定子机壳〔80〕与内套筒〔90〕之间，定子机壳〔80〕内圆与定子铁心〔70〕外圆之间采用过盈配合，内套筒〔90〕外圆紧贴定子铁心〔70〕内圆，蒸发冷却介质在定子空腔中自由流动并深入到定子铁心〔70〕内部。定子绕组〔60〕、定子铁心〔70〕等发热部件产生的热量传给蒸发冷却介质，当蒸发冷却介质主体温度升高，达到对应压力下的饱和温度时，介质沸腾汽化，相变吸热。汽化过程中产生的蒸汽经由定子机壳〔80〕，与定子机壳〔80〕外的水发生热交换，冷凝液化，重新回到定子空腔中。

Description

蒸发冷却水下设备用电机

技术领域

本发明涉及水下设备用电机，特别涉及无冷凝器的蒸发冷却水下设备用电机。

背景技术

电机是一种机电能量转换机构，在机电能量转换的过程中不可避免地要产生损耗，主要有铁心损耗、绕组损耗、机械损耗等，这些损耗最终绝大部分转变为热量，使电机各部分的温度升高。电机冷却方式的选取是电机设计的一项重要内容。

水下设备用电机一般在水下工作，电机定子机壳完全处于水的包围中，电机内部由定子等发热部件产生的热量便通过定子机壳传递给定子机壳周围的水，定子机壳周围的水能均衡的将机壳表面的热量带走，从而达到冷却电机的效果。这便是水下设备用电机传统的冷却方式，这种冷却方式完全依靠天然的水来实现电机的自然冷却，不需要外加冷却方式，为方便起见，我们称这种冷却方式为水外冷。这种冷却方式结构简单、使用方便、不受条件影响、适用范围广，目前，水下设备用电机通常都采用这种冷却方方式。

但是，这种冷却方式有其自身无法克服的缺点。电机的主要发热部件是定子绕组和定子铁心，其中定子绕组产生的热量首先传给定子铁心，再由定子铁心经定子机壳传给冷却水，这样便造成定子铁心温度梯度大，定子铁心的温度分布不均匀；定子绕组端部由于完全暴露在空气中，没有与定子铁心接触，而空气的导热性能要比定子铁心差得多，所以这部分热量很难散出，停止工作时，定子绕组端部易形成冷凝水，破坏其端部绝缘，从而影响设备的使用寿命。

水下设备用电机现有的冷却方式限制了其功率密度的进一步提高，在要求高功率密度和高可靠性的领域，单单采用水外冷已不能满足要求。

发明内容

为获得更高的功率密度和更高的运行可靠性，本发明提出一种采用浸泡式蒸发冷却技术水下设备用电机，应用浸泡式蒸发冷却技术来实现水下设备用电机的冷却。本发明的电机定子等主要发热部件大部分都浸泡在蒸发冷却介质中，冷却均匀全面，不会出现局部过热，有效地克服了单纯采用水外冷带来的问题。在保证水外冷冷却效果的同时，充分发挥蒸发冷却技术的优势，将水外冷和蒸发冷却技术有机的结合起来。

本发明采用以下技术方案。

本发明采用浸泡式蒸发冷却技术实现定子的冷却。水下设备用电机在水下工作，定子机壳直接与水接触。本发明在电机定转子之间的气隙部分安装一个用绝缘材料或非导磁金属制成的内套筒，内套筒与其两端的端盖之间密封良好。定子铁心放置在定子机壳与内套筒之间，为了使定子铁心固定在内套筒和定子机壳之间，定子机壳内圆与定子铁心外圆之间采用过盈配合，内套筒外圆紧贴定子铁心内圆。由定子机壳、内套筒、端盖等构成一个密闭的定子空腔，定子空腔内注入蒸发冷却介质，在电机工作时全部定子绕组和大部分定子铁心均浸泡在冷却介质中。

为了使冷却介质能够冷却铁心的中间部分，使铁心获得较好的冷却效果，铁心沿轴向分成若干叠片段，每段长20～50cm左右，段间装有2～5mm宽的导液槽片形成径向导液槽。此外，定子铁心外圆周沿轴向加工一系列圆弧状或者近于矩形的槽，也可以事先做好这种形状的定子冲片然后叠压成型，称之为轴向导液槽。当向定子空腔中注入蒸发冷却介质时，蒸发冷却介质便会通过径向导液槽和轴向导液槽以及定子本身所具有的槽沿轴向和径向自由流动，短时间内便会布满整个定子并深入定子铁心内部，从而电机定子的主要发热部件包括定子铁心内部都能够得到充分的冷却。

本发明中的导液槽片由槽片和槽钢组成，槽钢通过点焊焊接在槽片上面。槽片可以由0.65～1mm厚的酸洗钢板冲制而成，它与定子冲片形状相同，沿定子槽周围外扩1～2mm。槽钢可以用Q235A条钢等拉制成形，也可以用非磁性钢制成，其高度和径向导液槽的宽度相同，通常可以取2mm，3mm，4mm不等，根据电机的容量可以选择不同的槽钢高度，即径向导液槽的宽度。

为了获得良好的密封性能，选取耐腐蚀、机械强度高、不导磁的金属或非金属材料(如玻璃钢、铝、不锈钢等)制成内套筒，厚度约1～2mm，内套筒置于电机定、转子之间的气隙中，与定子机壳、端盖等部件构成密封的定子空腔。为了达到较好的密封效果，内套筒两端要承受较大的压力，因此内套筒两端的厚度适当加大，在内套筒与两端端盖之间采用多层密封圈结构进行密封。如用金属材料套筒，可以与定子端盖、机壳进行焊接密封，形成密闭的定子空腔，密封效果更好。

本发明所用的蒸发冷却介质是高绝缘、低沸点、物化性能稳定、满足环保要求的蒸发冷却介质，如新氟碳化合物Fla、4310、3000等。常温下为液态，受热到50～60℃左右，吸热蒸发，变为气体。

本发明充分利用电机工作于水下的特殊工作条件，电机蒸发冷却过程中不需要另设冷凝器。蒸发冷却介质注入定子空腔中，使定子铁心、定子绕组等发热部件浸泡在蒸发冷却介质中，电机工作时，定子绕组和定子铁心等发热使介质沸腾，产生大量的蒸汽，介质蒸汽上升，在定子机壳上部内壁和定子机壳外的水进行热交换，凝结为液体，顺机壳内壁流回液体介质中，如此循环往复，使电机定子的温度保持在介质蒸发点温度(一般为50～60℃左右)附近，由于电机定子大部分都浸泡在液体蒸发冷却介质中，因此电机各部分温度非常均匀。由于蒸汽冷凝过程中需要一定的冷凝空间，所以蒸发冷却介质液面要比定子铁心顶部略低。电机运行过程中产生的大量热量通过定子机壳传给机壳周围的水，将热量带出机外，达到冷却电机的目的，在这一过程机壳周围的水便充当了二次冷却介质。

本发明具有非常明显的优点：

i冷却效果好。本发明使用低沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性能稳定的蒸发冷却介质，电机的发热部件能与冷却介质较好地进行热交换，使电机定子空腔中所有的发热部件尤其是定子槽部和绕组端部得到充分的冷却。冷却全面有效，温度分布均匀，有效地解决了以往冷却方式带来的局部过热和定子温度梯度大的问题。

ii功率密度高。本发明电机定子采用蒸发冷却技术，冷却效果非常好，蒸发冷却过程中不需要特定的冷凝器，水下设备用电机工作时机壳周围的水形成一个天然的冷凝器，因此电机功率密度将大大提高。

iii运行可靠性高。选用低沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性质稳定的蒸发冷却介质，大大提高了电机运行的可靠性。

本发明适用于各种水下工作的异步电机、同步电机、永磁电机等各种水下设备用电机。

附图说明

图1是本发明具体实施方式电机结构示意图。图中：10冷却介质出口、20转子、30轴、40轴承、50冷却介质入口、60定子绕组、70定子铁心、80定子机壳、90内套筒、100端盖。

图2是本发明定子结构示意图。图中：701定子冲片、702导液槽片。

图3是本发明定子冲片701结构示意图。

图4是本发明导液槽片702结构示意图。图中：7021槽片、7022槽钢。A-A为一种槽钢结构截面，h为槽钢高度。

图5是本发明内套筒示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的具体实施方式之一如图1所示。电机最外部为电机机壳，电机机壳包括定子机壳80和电机端盖100等，定子机壳80下部右端设有冷却介质出口10，上部左端设有冷却介质入口50；定子机壳80内圆中部安放定子铁心70，定子铁心70外圆与定子机壳80内圆之间过盈配合，定子铁心70的槽中嵌放定子绕组60；在定子铁心70内圆和转子20外圆之间的电机气隙中，紧贴定子铁心70内圆安装内套筒90，内套筒90内圆与转子20有一定间隙，保证电机转子20能正常转动；电机中间部分为电机转子部件，转子部件由电机转子20和电机轴30组成，电机两端安装电机端盖100，前、后电机端盖100经前、后轴承40对电机轴30构成支承，保证电机转子20的正常转动；定子机壳80与前、后端盖100之间，内套筒90两端与前、后端盖100之间用橡胶密封圈进行密封，构成密闭的定子空腔，定子空腔内充满蒸发冷却介质。

图2为定子铁心示意图。定子铁心70由定子冲片701和导液槽片702叠压而成。定子铁心70沿轴向分成若干定子铁心段，每段长20～50mm左右，定子铁心段由定子冲片701叠压而成，每两个铁心段之间叠压有导液槽片702，形成径向导液槽。沿定子铁心70外圆周加工一系列圆弧形或近于矩形的槽，形成轴向导液槽。冷却介质通过径向导液槽和轴向导液槽布满整个定子并能够深入到定子铁心70内部。

图3为定子冲片示意图。定子冲片701为厚度为0.5mm的硅钢片。

图4为导液槽片示意图。导液槽片702由槽片7021与槽钢7022组成，槽片7021可由0.65～1mm厚的酸洗钢板冲制而成，它与定子冲片701的形状相同，沿定子槽周围外扩1～2mm，槽钢7022可以用Q235A条钢等拉制成形，也可以用非磁性钢制成，A-A为一种槽钢结构的截面图，h为槽钢的高度亦即径向导液槽的宽度，根据电机的容量不同通常可以取2mm，3mm，4mm不等。用点焊机沿圆周方向在槽片7021的每个定子齿中间焊上一片槽钢7022，构成导液槽片。

图5为内套筒示意图。内套筒90由非导磁金属或非金属材料制成(铝、不锈钢、玻璃钢等)，两端比中间略厚，有利于进行两端密封。

如图1所示，通过冷却介质入口50注入蒸发冷却介质(Fla，4310，3000等)，蒸发冷却介质迅速通过由轴向导液槽和径向导液槽所形成的通路在定子空腔内自由流动，定子铁心70、定子绕组60等发热部件浸泡在蒸发冷却介质中，经过数分钟电机定子铁心70、定子绕组60等发热部件便会被冷却介质充分浸润。蒸发冷却介质沸腾的过程中产生大量蒸汽，这些蒸汽要经过冷凝作用才能被还原成液体流回到定子空腔中，故冷却介质液面与定子机壳80上部内壁之间要有一定的冷凝空间，液面的高度与冷却介质的种类、电机容量、冷却水流量、定子空腔工作压力等有关，总的原则是在达到冷却系统热量平衡时，介质液面应略高于定子绕组60最高点，以避免定子绕组60端部出现局部过热。

电机在水下工作时，定子铁心70、定子绕组60等发热部件产生损耗，这些损耗使发热部件本身温度升高，通过热交换，损耗热传递给蒸发冷却介质，当介质主体温度达到与工作压力相对应的饱和温度时，就开始沸腾。当壁面过热度较小时，换热服从单项自然对流规律。随着壁面过热度的增加，蒸发冷却介质液面上方便会出现大量的汽泡，在液体汽化产生汽泡过程中，发热部件产生的损耗热转化为汽化潜热，汽泡在自身的浮力的作用下进入由冷却介质液面和定子机壳80上部内壁所形成的冷凝空间，汽态的冷却介质与定子机壳80周围的水通过定子机壳80发生热交换——凝结换热，这些热量被定子机壳80周围的水带走，水是蒸发冷却过程中的二次冷却介质。冷却介质蒸汽经过凝结换热后，由汽态变为液态，成为附着在定子机壳80上部内壁上的液膜，这些液膜达到一定厚度时就会脱离壁面，在重力的作用下重新回到定子空腔中。如此往复循环，发热部件产生的热量便会源源不断地被带出机外，这样便形成了无冷凝器无外动力定子蒸发冷却自循环。另外，由于水包围了整个定子机壳80，而定子铁心70外圆与定子机壳80内圆过盈配合、紧密接触，一部分热量便会直接由定子铁心70传递给定子机壳80，再由水将热量带走。

本发明实现了水下设备用电机自然冷却(水外冷)和蒸发冷却的结合，充分利用了水下设备用电机工作于水下的特殊的工作条件，蒸发冷却过程中不需要冷凝器。本发明结构紧凑、功率密度高、可靠性高，可广泛应用于各种水下设备用电机。

Claims (3)

1、一种蒸发冷却水下设备用电机，主要包括定子机壳〔80〕、前、后电机端盖〔100〕、定子绕组〔60〕和定子铁心〔70〕组成的定子部件，由电机转子〔20〕和电机轴〔30〕组成的转子部件，其特征在于定子机壳〔80〕下部右端设有冷却介质出口〔10〕，上部左端设有冷却介质入口〔50〕；定子机壳〔80〕内圆中部安放定子铁心〔70〕，定子铁心〔70〕外圆与定子机壳〔80〕内圆之间过盈配合，定子铁心〔70〕的槽中嵌放定子绕组〔60〕；在定子铁心〔70〕内圆和转子〔20〕外圆之间的电机气隙中，紧贴定子铁心〔70〕内圆安装内套筒〔90〕，内套筒〔90〕由非导磁金属或非金属材料制成，两端比中间略厚；内套筒〔90〕内圆与转子〔20〕有一定间隙，保证电机转子〔20〕的正常转动；定子机壳〔80〕与前、后端盖〔100〕之间，内套筒〔90〕两端与前、后端盖〔100〕之间用橡胶密封圈进行密封，构成密闭的定子空腔，定子空腔内充满蒸发冷却介质。

2、按照权利要求1所述的蒸发冷却水下设备用电机，其特征在于定子铁心〔70〕由定子冲片〔701〕和导液槽片〔702〕叠压而成，定子铁心〔70〕沿轴向分成若干个铁心段，每段铁心长20～50mm左右，每两个铁心段之间叠压有导液槽片〔702〕，形成径向导液槽；导液槽片〔702〕由槽片〔7021〕与槽钢〔7022〕组成，槽片〔7021〕与定子冲片〔701〕形状相同，沿定子槽周围外扩1～2mm，槽钢〔7022〕为条形，通过点焊焊接在槽片〔7021〕的每个定子齿中间，槽钢〔7022〕的高度亦即径向导液槽的宽度；在定子铁心〔70〕外圆周上均匀分布一系列横截面为圆弧形或近于矩形的轴向导液槽。

3、按照权利要求1或2所述的蒸发冷却水下设备用电机，电机在水下作业时，整个定子机壳〔80〕和端盖〔100〕与水直接接触，其特征在于所述的蒸发冷却介质通过定子铁心〔70〕的轴向导液槽和径向导液槽布满整个定子表面并深入定子铁心〔70〕内部，蒸发冷却介质液面比定子铁心〔70〕顶部略低。

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