CN1889334A - 外水道式蒸发冷却卧式电机 - Google Patents

Abstract

一种外水道式蒸发冷却卧式电机，其特征在于定子机壳与前、后端盖〔120〕之间，内套筒〔110〕两端与前、后端盖〔120〕之间密封，构成密闭的定子空腔，将整个定子密封在定子空腔内，定子空腔内注入蒸发冷却介质。蒸发冷却介质在定子空腔内自由流动并能深入定子铁心内部。电机工作时，定子铁心〔80〕、定子绕组〔70〕等发热部件产生热量，传给蒸发冷却介质，蒸发冷却介质温度随之升高，当介质温度达到对应压力下的饱和温度时，定子空腔内的蒸发冷却介质汽化，相变吸热，产生蒸汽。蒸汽在定子空腔上部内水套圆筒内壁经流过外水道的二次冷却水冷凝后液化，在重力的作用下重新流回到定子空腔下部蒸发冷却介质中，形成无外动力定子蒸发冷却自循环。

Description

外水道式蒸发冷却卧式电机

技术领域

本发明涉及各种中小型卧式电机，特别涉及蒸发冷却卧式电机。

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变成热量，使电机的各部分温度升高。因此，中小型卧式电机的冷却方式的选取是电机设计的一项重要内容。

中小型卧式电机由于其功率较小，其冷却方式不像大型发电机那样复杂，目前以风冷占主导地位。其主要结构形式是自扇外吹冷式，轴向通风表面冷却，靠装在转轴上的外风扇，吹拂机座圆筒外表由散热筋与基座上、下、底板和左右侧板组成的风路，使气流经风路沿机座表面轴向流动，以提高电机表面的散热冷却效果。这种冷却方式及其冷却系统，简单可靠，使用方便，不受条件影响，适用范围较广，目前在一般工作条件下的中小型卧式电机上常采用这种冷却方式。

在一些特殊应用场合，如煤矿用的防爆电机，为了提高电机的工作性能和稳定性，采用了水外冷的冷却方式。水的导热系数大约是空气的20倍，利用水作为冷却介质，冷却效果会大大提高。冷却水道与电机定子机壳做成一体，其水道结构主要有：角式水腔、折弯式水腔、螺旋形立体水道等。水道设计合理的话，外水道中的水能均衡的将机座圆筒外表面的热量带走，其冷却效果大大优于风冷。

双水外冷电机(机壳水外冷+端盖水外冷或机壳水外冷+转轴水外冷)和三水外冷电机(机壳水外冷+端盖水外冷+转轴水外冷)也在一些文献中出现过。

但中小型卧式电机现有的冷却方法存在以下缺点：

i风冷方式增加了电机的通风系统，风摩损耗大，电机效率低；冷却不均匀，定子铁心、绕组等结构部件不能得到充分冷却，使得电机的功率密度降低、体积增大；噪音大，在一些要求低噪音的场合不能应用。

ii水外冷方式中，电机定子的主要发热部件是定子绕组和定子铁心，定子绕组产生的热量要先传给定子铁心，再由定子铁心经过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，而空气的导热性能比定子铁心相比差得多，所以这部分热量很难散出，停止工作时，定子绕组端部容易形成冷凝水，破坏其端部绝缘，从而影响设备的寿命。

常用的中小型卧式电机的冷却技术，从传热学角度看，都是利用流体本身的温度升高来冷却电机的，即依靠比热吸热的，它们的共同特点是温差大，冷却介质流量大，都需要消耗一定的外动力来推动介质循环。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种新的蒸发冷却卧式电机，采用浸泡式蒸发冷却技术实现中小型卧式电机的冷却。蒸发冷却技术是利用冷却介质液体汽化吸热的原理来冷却电机的，是一种高效的冷却方式，与传统冷却方式相比汽化潜热大、所需流量小、温差小、冷却均匀全面。相对于风冷而言，蒸发冷却介质沸腾时的沸腾换热系数要比单相流体的对流换热系数高出几倍甚至几十倍；相对于水冷而言，定子等发热部件大部分浸泡在冷却介质中，冷却均匀全面，不会出现局部过热。蒸发冷却介质吸收的热量又通过定子机壳的电机外水道冷却系统带出电机外。

本发明的定子机壳主要由内外水套圆筒和端板等组成，内外水套圆筒组成电机外水道。电机外水道结构有多种形式外水道是本发明的冷却系统，其结构有多种形式，最简单的是直筒型水道，但是这种结构的水道易形成死水区，只是在一般工作条件下可以满足要求。

为了达到更好的冷却效果，常用以下两种水道结构：折弯式外水道和螺旋形立体外水道。

折弯式外水道：定子机壳由内外水套和端板焊接而成，在内水套圆筒外表面沿轴向铸出或焊上沿周向按一定数量均匀分割水腔的轴向筋条，然后与较薄的光滑外水套圆筒组合成水腔，而轴向筋条即内水腔壁又充当了内水套圆筒的散热筋，按要求使水道构成曲折迂回的回路，沿周围按一定数量均衡的分割水腔，内外水套圆筒两端用端板焊接密封，使冷却水流沿曲折迂回的水道循序前进，冷却电机定子。

螺旋形立体外水道：定子机壳由内水套圆筒、外水套圆筒焊接而成，内水套圆筒为较厚的钢板圆筒，在内水套圆筒外表面车出横截面相同的螺旋形沟槽，作为内水套圆筒的表面螺旋形立体外水道，其螺旋形沟槽截面近于正方形。螺旋形立体水道由内水套圆筒表面螺旋形沟槽与较薄的光滑的外水套圆筒配合组成，冷却水沿螺旋形立体水道流动，冷却电机定子，将电机产生的热量带出机外。

本发明针对中小型卧式电机，采用蒸发冷却技术，实现定子的冷却。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，在电机工作时处于定子空腔内的全部定子绕组和大部分定子铁心都浸泡在冷却介质中。一般情况下，中小型卧式电机只需用这一种冷却方式便可以满足要求，而不考虑转子的冷却，因为转子产生的热量很大一部分通过转轴和机壳传给冷却水，如果想进一步提高电机的冷却效果，转子也可以考虑采用风冷。

为了使冷却介质能够冷却定子铁心的中间部分，使定子铁心获得较好的冷却效果，定子铁心沿轴向分成若干叠片段，每段长20～50cm，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，只是沿槽周围外扩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。

本发明结构紧凑，蒸发冷却过程中不需要特定的冷凝器。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，在定子机壳上部的内壁和外水道中流过的水进行热交换，凝结为液体，顺机壳内壁流回液体介质中，如此循环往复，使电机定子的温度始终保持在介质蒸发点温度(一般为50～60℃左右)附近，由于电机定子各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外水道中的水，再由水带出机外，达到冷却电机的目的，在这一过程中外水道实际上起到了冷凝器的作用，可以将它称为等效冷凝器。

本发明采用非常紧凑的结构，利用浸泡式蒸发冷却技术实现各种形式的中小型卧式电机的冷却，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，电机的发热部件能够与冷却介质较好的进行热交换，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。本发明采用浸泡式蒸发冷却，冷却效果大大提高，利用电机的外水道取代了特定的冷凝器，大大的提高了电机的功率密度。

iii噪音小，效率高。本发明蒸发冷却相对于以往冷却方式，如风冷，省去了原来整个通风系统，大大地减少了原来的风摩损耗；由于采用了自循环结构，不需要外部循环动力，一方面提高了电机的效率，另一方面使电机的噪音大大降低。

iv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。

本发明的上述优点，使其在有防爆要求的防爆电机以及一般的民用电机领域具有很宽广的应用前景。

附图说明

图1是本发明的实施方式之一的结构示意图，图中外水道采用螺旋形立体水道。图中：10冷却介质入口、20进水口、30转子、40轴、50轴承、60冷却介质入口、70定子绕组、80定子铁心、90外水道、100出水口、110内套筒、120端盖。

图2为两种典型的水道结构及其水路的示意图，图2-A为折弯式水道及其水路，图2-B为螺旋形立体水道及其水路。图中：901外水套圆筒、902水腔(道)、903隔板、904内水套圆筒；901’外水套圆筒、902’螺旋式水道、903’内水套圆筒。

图3为定子结构示意图。图中：801定子冲片、802导液槽片。

图4为定子冲片示意图。

图5为导液槽片示意图。图中：8021槽片、8022槽钢。A-A为一种槽钢结构截面，h为槽钢的高度。

图6为内套筒示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

本发明的具体实施方式之一如图1所示，图1为外水道式蒸发冷却电机结构示意图，图中最外部为电机机壳，电机机壳包括定子机壳和电机端盖120等。定子机壳主要由外水道90组成，外水道90由内水套圆筒903’和外水套圆筒901’等组成，其下部左端设有进水口20、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60、上部右端设有出水口100；在定子机壳内部中间位置安装定子铁心80，定子铁心80外圆与定子机壳内圆之间过盈配合，在定子铁心80的槽中嵌放定子绕组70；定子铁心80内圆和转子30外圆之间的电机气隙中，紧贴定子铁心80内圆安装内套筒110，内套筒110内圆与转子30外圆之间有一定间隙，保证电机转子30能正常转动；电机中间为电机转子部件，转子部件由电机转子30和电机轴40组成，电机两端安装电机端盖120，前、后电机端盖120经前、后轴承50对电机轴40构成支承，保证电机转子30的正常转动；定子机壳与前、后端盖120之间，内套筒110两端与前、后端盖120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。

定子机壳上的外水道有两种结构，如图2-A、图2-B所示。

图2-A为折弯式水道示意图，折弯式水道由外水套圆筒901、隔板903和内水套圆筒904组成。隔板903沿内水套圆筒904外圆周分布，每块隔板沿轴向交错焊接，构成折弯式水道902，水路示意图如2-A右图所示。

图2-B为螺旋式水道示意图，螺旋式水道从外至内由外水套圆筒901’及内水套圆筒903’组成，其螺旋形沟槽截面近于正方形。在内水套圆筒903’外表面圆周沿轴向加工螺旋式水道902’，水路示意图如2-B右图所示。

这两种水道结构无盲腔、死角，冷却水可以在水道中均匀流动，冷却效果好。

图3为定子铁心示意图。定子铁心80由定子冲片801和导液槽片802叠压而成。导液槽片802处于定子冲片801之间，将定子铁心80沿轴向分成若干定子铁心段，每段长20～50mm左右，从而沿轴向形成若干径向导液槽。沿定子铁心80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80内部。

图4为定子冲片801示意图。定子冲片801为厚度为0.5mm的硅钢片。

图5为导液槽片802示意图。导液槽片802由槽片8021与槽钢8022组成，槽片8021可由0.65～1mm厚的酸洗钢板冲制而成，它与定子冲片801的形状相同，沿定子槽周围外扩1～2mm，槽钢8022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8021的每个定子齿中间焊上一片槽钢8022，构成导液槽片。

图6为内套筒110示意图。内套筒110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60注入蒸发冷却介质，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80和定子绕组70等主要发热部件被冷却介质充分浸润。在蒸发冷却介质受热沸腾的过程中要产生大量的蒸汽，蒸汽上升到定子空腔上部，通过内水套圆筒903’与螺旋式水道902’中的水进行热交换，大量的热量被冷却水带出机外，而蒸汽自身被还原成液体流回到定子空腔下部液体蒸发冷却介质中，故冷却介质液面与内水套圆筒903’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、定子空腔内工作压力等有关，其确定原则是在达到冷却系统热量平衡时，冷却介质液面略高于定子绕组最高点，以避免定子绕组70出现局部过热。冷却水由进水口20流入、出水口100流出，为了达到较好的冷却效果，外水道90的水道结构采用螺旋式立体水道，无盲腔，死角。冷却水沿螺旋式水道902’以一定速度流过电机定子机壳，将电机产生的热量带出机外，从而达到冷却电机的目的。

电机运行时，定子铁心70、定子绕组80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，损耗热传递给冷却介质，冷却介质的温度随之升高，当介质的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。当壁面过热度比较小时，换热服从单相自然对流规律。随着壁面过热度的增加，液面上方便会产生大量的汽泡，在液体汽化产生气泡的过程中，大量的热量转化为汽化潜热，汽泡跃离液面之后，在浮力的作用下进入由液面和内水套圆筒903’上部内壁所形成的冷凝空间，汽态的冷却介质与螺旋式水道902’中的水通过内水套圆筒903’进行热交换——凝结换热，这些热量由螺旋式水道902’中流过的二次冷却介质——水带出机外。冷却介质经过凝结换热后，由汽态变成液态，成为附着在内水套圆筒903’上部内壁上的液膜，这些液膜达到一定的厚度时，就会脱离壁面，在重力的作用下重新回到定子空腔中，这样，便形成了无外动力定子蒸发冷却自循环。另外，由于定子铁心80外圆周与内水套圆筒903’内壁紧密接触，一部分热量便直接经由定子机壳由螺旋式水道902’中的水带出机外。

这种结构的蒸发冷却电机比一般的水冷或者风冷结构的电机功率密度大得多，因此，在定子腔内没有冷却介质或者发生冷却介质泄漏时严禁使用，避免烧坏电机。

本发明将两种冷却方式巧妙地结合在了一起，电机结构紧凑，省去了专用冷凝器，大大的减小了电机体积。本发明适用于异步电机、同步电机、永磁电机等各种中小型卧式电机。

Claims (4)

1、一种外水道式蒸发冷却卧式电机，包括电机机壳、定子部件和转子部件，电机机壳主要由定子机壳和电机端盖〔120〕等组成，定子机壳主要由外水道组成，其特征在于外水道〔90〕包括内水套圆筒〔903’〕、外水套圆筒〔901’〕和端板等；由外水道〔90〕下部左端设有进水口〔20〕、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〔60〕、上部右端设有出水口〔100〕；在定子机壳内部中间位置安装定子铁心〔80〕，定子铁心〔80〕外圆与定子机壳内圆之间过盈配合，在定子铁心〔80〕的槽中嵌放定子绕组〔70〕；定子铁心〔80〕内圆和转子〔30〕外圆之间的电机气隙中，紧贴定子铁心〔80〕内圆安装内套筒〔110〕，内套筒〔110〕内圆与转子〔30〕外圆之间有一定间隙，保证电机转子〔〕30能正常转动；电机中间的转子部件由电机转子〔30〕和电机轴〔40〕组成，电机两端安装电机端盖〔120〕，前、后电机端盖〔120〕经前、后轴承〔50〕对电机轴〔40〕构成支承，保证电机转子〔30〕的正常转动；定子机壳与前、后端盖〔120〕之间，内套筒〔110〕由非导磁金属或非金属材料制成，两端比中间略厚，其两端与前、后端盖〔120〕之间密封，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所述的外水道式蒸发冷却卧式电机，其特征在于定子铁心〔80〕由定子冲片〔801〕和导液槽片〔802〕叠压而成，导液槽片〔802〕均匀分布在定子冲片〔801〕之间，沿轴向形成若干个径向导液槽；导液槽片〔802〕均匀的分布在定子铁心〔80〕中间，定子铁心〔80〕沿轴向被分为若干个铁心段，每段铁心长20～50mm左右，每两个铁心段之间夹一片导液槽片〔802〕，形成一个径向导液槽；导液槽片〔802〕由槽片〔8021〕与槽钢〔8022〕组成，槽片〔8021〕与定子冲片〔801〕形状相同，沿定子槽周围外扩1～2mm，槽钢〔8022〕为条形，焊接在槽片〔8021〕的每个定子齿中间，槽钢〔8022〕的高度亦即径向导液槽的宽度；在定子铁心〔80〕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槽，形成轴向导液槽。

3、按照权利要求1所述的外水道式蒸发冷却卧式电机，其特征在于外水道〔90〕有折弯式水道和螺旋形立体水道两种结构：折弯式水道〔902〕由外水套圆筒〔901〕、隔板〔903〕和内水套圆〔904〕组成；隔板〔903〕沿内水套圆筒〔904〕外圆周分布，每块隔板沿轴向交错焊接，隔板〔903〕与外水套圆筒〔901〕组合成水腔，两端用端板密封；螺旋形立体水道从外至内由外水套圆筒〔901’〕及内水套圆筒〔903’〕焊接而成，在内水套圆筒〔903’〕外表面圆周沿轴向布置截面相同的螺旋形沟槽，螺旋形沟槽截面近于正方形，螺旋形沟槽与外水套圆筒〔901’〕配合形成螺旋式水道〔902’〕。

4、按照权利要求1、2或3所述的外水道式蒸发冷却卧式电机，其特征在于蒸发冷却介质通过定子铁心〔80〕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〔80〕内部，蒸发冷却介质液面比定子铁心〔80〕顶部略低。

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