CN202475154U - 采用浸泡式蒸发冷却的电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种采用浸泡式蒸发冷却的电机，包括转子和环设在所述转子上的定子，所述定子密封设置在定子密封腔体内，所述定子密封腔体内充注有蒸发冷却介质，以相同电压等级和容量的风冷式电机为比照基准，定子主绝缘层的厚度减少50～60％；定子与转子之间的气隙不变；定子的铁心内径和外径均减小20～30％；定子槽的槽宽增加25～40％，槽高减小40～60％；转子的铁心内径不变；转子的转子导条的纵向截面积增大5.0～15％。本实用新型充分发挥了浸泡式蒸发冷却技术的优势，在相同电压等级和容量下，电机及各主要部件外形尺寸大大减小，降低了制造成本。

Description

采用浸泡式蒸发冷却的电机

技术领域

本实用新型涉及电机，具体涉及采用浸泡式蒸发冷却的电机。

背景技术

电动机是一种工业生产中常用的驱动设备。例如，在冶炼、矿山、机械加工等大工业生产中，经常采用异步电动机为泵类、风机类或者压缩机类设备提供动力。

目前，电动机主要采用电磁设计软件来进行优化设计，以达到提高其可靠性、降低生产成本的目的，而定子电流密度和气隙磁通密度是进行电磁设计的两个重要参数。

对于低电压的中小型电动机(如额定工作电压600伏以下的电动机)，需要的绝缘水平很低，定子不需要包主绝缘，因此，定子电流密度可以设计得大一些，最大可以取到6.5A/mm²(安培/平方毫米)。而对于高电压、大功率的大型电动机(如大型隔爆式异步电动机)则需要的绝缘水平较高，定子绕组上必须包一定厚度的主绝缘层(注：转子是导条，电动机运行时转子导条上承受的电压是很低的，不到10伏，所以，转子导条上不用任何绝缘材料。)以保证足够的电气绝缘强度，这样定子电流密度必须要调小，一般不超过2.5A/mm²。磁通密度是影响定子铁心发热的主要因素(电动机运行时，转子是旋转的，转子铁心损耗很小，可以忽略)。

另外，气隙磁通密度越大，定子铁心的单位体积损耗越大，发热就越严重。因此，对于高电压、大功率的大型电动机，需要选定合理的气隙磁通密度，以保证冷却系统能够带走这样大的电流密度在主绝缘层里所产生的热量，以及这样大的气隙磁通密度在铁心中引起的损耗热量。

目前，高电压、大功率电动机普遍采用的是通风冷却方式，这种冷却方式的散热能力很有限，因此气隙磁通密度一般较低，大致在0.6～0.64T(特斯拉)，电流密度一般为2～3A/mm²(安培/平方毫米)，据此得到的定子线圈最小主绝缘层为3.0mm(1万伏额定电压)左右，无法进行降低。

众所周知，新材料、新工艺的应用将会对产品和设计产生革命性的影响，该道理同样适用于电机领域。浸泡式蒸发冷却技术是由中国科学院电工研究所独创的一种新型的冷却技术，采用这种技术的电机，定子完全密封在定子密封腔体内，且被其内充放的低沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性质稳定的液态蒸发冷却介质浸泡。电机运行时，绕组、铁心、以及其它结构部件所产生的大量热量，使冷却介质液体温度升高，直至表面介质汽化，使发热部件得以充分冷却，又因沸腾换热期间沸腾工质的温度基本分布在饱和温度点附近，因此，介质浸泡的各个定子部位温度分布比较均匀，尤其是定子端部无局部过热点。

另外，蒸发冷却介质由于具有较高的绝缘性能，而为定子绕组提供了一个不同于其它冷却方式的气、液两相绝缘环境，充满在端部及槽间的工艺间隙内，改善了电场分布不均匀情况及局部放电产生的条件，提高了电晕起始电压，降低游离强度。

由于目前高压、大功率电动机的电磁设计方法及计算程序针对的仅仅是风冷却常规异步电动机。对于利用蒸发冷却介质作为绝缘新材料的电动机，现有的电磁设计中参数的选择并不适用，没有发挥出浸泡式蒸发冷却技术的优势。特别是定子绝缘结构的设计，需要进行很大的改进。

有鉴于此，亟需针对现有技术进行改进，以实现对采用浸泡式蒸发冷却的电机的结构优化，进一步提高其可靠性、降低生产成本，充分发挥浸泡式蒸发冷却技术的优势。

实用新型内容

针对上述缺陷，本实用新型解决的技术问题在于，提供一种采用浸泡式蒸发冷却的电机，用于充分发挥浸泡式蒸发冷却技术的优势，进一步提高高电压、大功率电机的工作可靠性，并降低生产成本。

本实用新型提供的采用浸泡式蒸发冷却的电机，包括转子和环设在所述转子上的定子，所述定子密封设置在定子密封腔体内，所述定子密封腔体内充注有蒸发冷却介质，所述定子上的每个定子槽内沿径向依次设置有多个线圈，每个所述线圈的侧面均包裹有匝间绝缘，所述匝间绝缘外包裹有定子主绝缘层，以相同电压等级和容量的风冷式电机为比照基准，所述定子主绝缘层的厚度减少50～60％；所述定子与所述转子之间的气隙不变；所述定子的铁心内径和外径均减小20～30％；所述定子槽的槽宽增加25～40％，槽高减小40～60％；所述转子的铁心内径不变；所述转子的转子导条的纵向截面积增大5.0～15％。

优选地，每一个所述定子槽内的多个所述线圈平均划分为上、下两层布置，且上、下层之间设有层间绝缘。

优选地，所述匝间绝缘的厚度为0.1～0.3mm。

优选地，所述电机的电压等级为10千伏、容量为1120～1800千瓦。

本实用新型提供的采用浸泡式蒸发冷却的电机，定子主绝缘层厚度相应地减少50～60％，定子的铁心内径和外径均减小20～30％，定子槽的槽宽增加25～40％，槽高减小40～60％，转子的转子导条的纵向截面积增大5.0～15％。充分利用了蒸发冷却介质的绝缘与传热性能，发挥了浸泡式蒸发冷却技术的优势，提高了电机的功率密度，使得在相同电压等级和容量下，优化后的电机及各主要部件外形尺寸大大减小，进而降低了电机的制造成本。

附图说明

图1是具体实施方式所述的采用浸泡式蒸发冷却的电动机结构示意图；

图2为具体实施方式所述的采用浸泡式蒸发冷却的电动机中定子槽内绝缘结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心在于提供一种采用浸泡式蒸发冷却的电机，充分利用了蒸发冷却介质的绝缘与传热性能，发挥了浸泡式蒸发冷却技术的优势，提高了电机的功率密度，使得在相同电压等级和容量下，优化后的电机及各主要部件外形尺寸大大减小，进而降低了电机的制造成本。下面结合说明书附图对本实用新型技术方案作出详细的说明。

不失一般性，本实施方式以异步电动机作为具体实施例进行说明。应当理解，基于本领域技术人员的一般常识，本实用新型提供的技术方案同样适用于采用浸泡式蒸发冷却的卧式电机。

图1示出了采用浸泡式蒸发冷却的电动机一种具体实施方式的结构示意图，如图1所示，本实用新型具体实施方式所述的采用浸泡式蒸发冷却的电机，包括转子1和环设在转子1上的定子2，定子2密封设置在定子密封腔体3内，定子密封腔体3内充注有蒸发冷却介质(图中以点填充的区域)。

定子2具有沿径向均布设置的多个定子槽，且每个定子槽内均设有两个线圈边，再参见图2，图2是具体实施方式所述的采用浸泡式蒸发冷却的电动机中定子槽内绝缘结构示意图。对于高压、大型异步电动机，每个定子槽内放置两个定子线圈边，并分为上、下两层21、22，中间以层间绝缘23隔开，用槽楔24将两个线圈边22和线圈边21牢固地压进定子槽21内进行可靠固定，每个线圈是由绕组构成的，单个铜线(又称为电磁线)从下至上按第(1)、(2)、(3)......匝次序排列绕制而成，各匝间由匝间绝缘25隔开，匝间绝缘25的厚度为0.1～0.3mm，然后在绕好的绕组上再包一层定子主绝缘层26，其中定子主绝缘层26在电机运行过程中承担主要的电气绝缘强度。前已提到，对于采用空气冷却的电机，定子主绝缘层较厚，因此定子电流密度必须很低，从而导致电机使用较多的铜线、绝缘材料和铁心等材料。

本实用新型中，以相同电压等级和容量的风冷式电机为比照基准，定子主绝缘层厚度减少50～60％；定子与转子之间的气隙不变；定子的铁心内径和外径均减小20～30％；定子槽的槽宽增加25～40％，槽高减小40～60％；转子的铁心内径不变；转子的转子导条截面积增大5.0～15％。

对于一种采用浸泡式蒸发冷却技术、电压等级为10千伏、容量为1120～1800千瓦的大型隔爆式异步电动机，其优化后的主要部件同相同电压等级和容量的风冷式电机相比，定子主绝缘层厚度减少50％，定子铁心的外径减小24.5％，定子铁心的内径减小21.5％，定子槽的槽宽增加30％、槽高减小48.5％，转子导条及转子槽的截面积增大8.8％。

可见，本具体实施方式提供的采用浸泡式蒸发冷却的异步电动机，同常规的相同电压等级和容量的风冷式电机相比，体积减小了44.8％，材料减少了20％以上，起动转矩与最大转矩提高了1.1％，效率提高了7％。

下面再具体介绍采用浸泡式蒸发冷却的电机的结构优化方法。

众所周知，异步电动机整体优化设计的目标是提高其主要技术性能和效率，降低制造成本与运行成本。优化设计时，主要考量以下六个方面：

1、力能特性，主要是(1)电机的效率，即输出的机械功率与输入的电有功功率之比；(2)电机的功率因数，功率因数是衡量某用电设备使用效果的一项重要参数，其定义是交流电的有功功率与视在功率之比，功率因数越大越节约电力资源，电能的利用率越高。

2、运行性能，主要包括(1)起动性能，由以下三个起动因素组成，电机的起动转矩，因为电机都是带负载起动，所以需要具备一定的起动力矩；电机的起动电流，电机起动时转子还没转起来，此时电机呈瞬间短路状态，起动电流是最大的，需要在电机设计时对该电流值要加以限制，另外起动转矩与起动电流成正比，所以为了保证足够的起动力矩，还需要策略调整起动电流值；电机的起动时间，是指电机刚起动那一刻到稳态运行为止的整个过程经历的时间，与电机的惯性成正比、与电机的起动力矩成反比。(2)最大转矩，指异步电动机产生的最大电磁转矩，表明了电机的带负载能力及超载能力。(3)转差率，指异步电动机中旋转磁场的转速与转子的转速之差的相对值，是无量纲数，转差率越小，电机运行的稳定性越好，一般额定转差率在0.01～0.001范围左右。

3、温升情况，要求电机运行时发热与冷却相平衡，损耗导致的热量被及时带出电机体外，总体温度分布均匀。温升主要指的是定子铁心温升、定子绕组温升、转子绕组温升、轴承温升等。

4、有效材料用量与安装尺寸，指制造电机需要的所有材料的投入，电机制成后的大小等。这与电机的成本有直接的关系，材料越省，电机的成本越低，越具备价格优势。

5、安全可靠性，主要体现在(1)电机的绝缘性能；(2)超速与超载能力；(3)对粉尘、水、异物等的防护能力；(4)对环境的适应能力，包括适应气候环境、电气环境等；(5)使用期限与寿命等。电机的安全可靠性越高，维护成本越低。

6、噪声与振动，电机运行时，由于铁心励磁会产生合理的低噪声与振动，另外还存在由定转子装配时偏心或者不对称、风扇抽风、通风等引起的额外不合理的高噪声与振动等。这些都可以通过电机的优化设计进行一定程度的缓解。

上述六个方面，在进行优化设计时，往往相互牵制，即某一个参数如果调大了，可能电机的力能特性变好了，但是却引起温升或者运行性能变差了，所以，往往需要设计人员统筹规划，运用必要的数学手段，得到最合理的组合方案。另外，对于这六个方面，优化时不能面面俱到，要有所侧重，否则这六个方面可能都不是最优了，因此，优化设计时还要针对电机在使用过程中所面临的主要问题与薄弱点来形成优化设计方案。

目前，一般的电机制造企业都具有自己开发或者委托其他单位开发的电磁设计程序，可以进行一定程度的优化设计，已经是很成熟的技术，易懂易学，使用很方便。例如对于一台电压等级为10千伏、容量为1120千瓦的大型隔爆式异步电动机，常规设计是：定子主绝缘层厚度3.5mm，电流密度一般取2A/mm²，采用上述电磁设计程序进行优化设计后，最小的定子主绝缘层厚度2.95mm，相应的最大电流密度取为2.89A/mm²，磁通密度取0.61T。但是，上述优化设计仅仅是针对风冷式电机而进行的。对于采用了浸泡式蒸发冷却技术的电机，现有的电磁设计程序并没有充分考虑到蒸发冷却介质的绝缘与传热性能对电机优化设计的影响，因此，该程序中的一些主要参数需要较大修改后才能被使用，特别是定子绝缘结构的设计。目前还没有就利用蒸发冷却介质的独特性能开展定子主绝缘减薄与提高电流密度的研究，主要原因有以下两个方面，其一，蒸发冷却电机目前基本上是大型或者超大型的水轮发电机或者汽轮发电机，电压高达1.5到2万伏，电流高达几千安培，在这种条件下，要减小定子主绝缘及电流密度是相当困难的，可靠性不能完全保证。其二，目前国内大型或者超大型的水轮发电机或者汽轮发电机，均是由国有大型电机制造企业或者央企完成制造，制造一台这样的电机需要投入大量的国有资金，这些企业不愿意承担研发风险与责任，对于可靠性不高的技术，往往不感兴趣。所以，目前的卧式蒸发冷却电机，定子的绝缘结构还是采用常规绝缘结构，定转子的电负荷还是按照常规风冷却结构的电负荷来设计，这样没有充分挖掘出蒸发冷却本身的优势。

浸泡式蒸发冷却技术的冷却能力大约是空气通风冷却的十几倍，而且温度分布十分均匀，不会出现局部过热点。同时，蒸发冷却介质又是优良的液体绝缘材料，击穿电压略高于变压器油，兼备低沸点、不燃、不爆等性质，试验证明液态或汽液两相态的冷却介质击穿后，只要稍降低一点电压，就可以自行恢复绝缘性能，再击穿的电压值并无明显下降，除非在连续数十次击穿后，引起大量炭化，击穿电压值才逐渐降低，因此蒸发冷却介质能够承担较大的绝缘强度，优化电场分布。常规电机的定子铜导体包主绝缘的厚度，需要综合电机的额定电压等级、运行工况、使用条件、绝缘规范与工艺等诸多方面来确定，其中起决定性作用的是电压等级，按照各电压等级，电机制造厂制定出相应的定子主绝缘厚度的企业生产标准，当然这种标准是基于空气冷却，定子没有泡在绝缘介质里。定子主绝缘层越厚，发热的铜导体散热越差，内外的温度梯度越大，越不利于电机的长期稳定可靠运行。目前浸泡式蒸发冷却卧式电机，尽管定子泡在了绝缘介质里，但是主绝缘的厚度没有显著减小，仍沿用空气冷却下的绝缘厚度，另外，以往的异步电动机基本上采用空气冷却，电流密度按常规来取是合理的，现在，对于冷却效果很高的蒸发冷却而言，如果还沿用常规的电流密度，显然就大大浪费了蒸发冷却所带来的优势。

对此，本实用新型提供的技术方案，在专门开展了浸泡式蒸发冷却定子主绝缘局部放电试验的研究的基础上，总结出浸泡在绝缘的蒸发冷却介质中的定子，针对不同的电压等级，需要包的定子主绝缘层厚度，试验研究的成果表明，在指定的蒸发冷却介质中，定子主绝缘层厚度可以显著减小，减下的那部分绝缘厚度由蒸发冷却介质本身的绝缘来代替。定子主绝缘层减薄，一方面节约了昂贵的绝缘材料，更主要的是可以进一步提高电流密度。在此基础上，本实用新型提供的一种采用浸泡式蒸发冷却的电机，其结构优化方法仍沿用常规的异步电动机电磁设计程序，增大或者调整其中的主要参数，提供出新的蒸发冷却卧式电机优化设计方案及优化设计后的新型电机。

主要包括以下步骤：

以相同电压等级和容量的风冷式电机为比照基准，将定子主绝缘层的厚度相应地减少50～60％，并将定子电流密度相应地增大2～2.5倍；

以满足国家标准的电机安全规范为条件，在上述定子主绝缘层厚度和定子电流密度的基础上，根据各参数不同取值的组合计算结果，获得采用浸泡式蒸发冷却的电机的各部件结构的最小形状数据；

所述各参数包括气隙磁通密度、定子绕组的匝数、定子和转子的内径和外径以及定子槽和转子槽的高度和宽度。

在上述组合计算中，以下各参数的选择规则为：

定子与转子之间的气隙不变；

定子铁心的内径和外径分别按照减小20～30％进行选择；

转子铁心的内径不变；

定子槽的槽宽按照增加25～40％进行选择，槽高按照减小40～60％进行选择；

转子导条及转子槽的纵向截面积按照增大5.0～15％进行选择；

上述参数增加或减少的比对基准为相同电压等级和容量的风冷式电机。

以本具体实施方式中提供的一种电压等级为10千伏、容量为1120千瓦的大型隔爆式异步电动机为例，将定子主绝缘层的厚度相应地减少50％，并将定子电流密度相应地增大2倍，具体优化方法为：

(1)、根据电流密度确定气隙磁通密度与定子绕组的匝数。本实用新型中，利用常规的电磁设计程序对定子铜损耗、铁心损耗、功率因数等计算数据进行协调，根据增大后的电流密度确定将每个定子绕组的常规匝数减小1匝，气隙磁通密度比常规的气隙磁通密度稍有增加。

(2)、确定定子电磁线的线规与定子槽的尺寸。由于每个定子绕组的匝数减小了1，则每个定子槽内的导体数减少2个，从而导致了功率因数可能下降，对此应该增加定子和转子的槽宽加以调节，定子的槽高应尽量小，可以降低槽内附加涡流损耗，还利于铁心轭部的磁通分布。按照电压、输出功率、效率、功率因数等，估算出电机定子电流，再按照电流密度，计算出定子铜导体的截面，再根据这个截面查电机材料手册中的电磁线线规，电磁线是由铜导体及其外表面的绝缘层组成，绝缘层很薄，为0.1～0.3mm之间，在电机定子绝缘结构中，电磁线的绝缘层做匝间绝缘。一般一个铜导体截面对应若干种电磁线线规，大型电机采用矩形铜导体，线规的规格按照高X宽排列，本实用新型选择时，尽量选最宽的线规，这样可以增加定子槽宽，同时线规的高就自然减小了，进而减小定子槽的高度。定子主绝缘层是在定子绕组按一定匝数绕成后再包的绝缘层，所以，当主绝缘厚度减薄近一半后，则定子槽的宽度也随之减小，但对最终的定子槽宽的影响不大，定子槽的计算过程是：线圈宽＝B+匝间绝缘厚度+主绝缘厚度，线圈高＝A×层数+匝间绝缘厚度+主绝缘厚度，槽宽＝线圈宽+槽宽公差+装配间隙+下线替纸，槽高＝2×线圈高+槽高公差+装配间隙+槽口到槽底垫的距离+垫条总厚度，其中A为电磁线的高，B为电磁线的宽。最后本实用新型设计的定子槽的槽宽比常规设计增加了30％，槽高减小了48.5％。

(3)、根据(1)、(2)中的定子绕组匝数、气隙磁通密度大小及定子槽尺寸(其中气隙磁通密度＝每个磁极的磁通/定子铁心的内表面积)，接下来确定定子铁心的主要尺寸。铁心是主要的磁路，其内分布着磁通，铁心齿部位于铁心的内表面的两个槽之间，是磁通密度最大之处，铁心轭部位于槽的底部到外表面之间的部分，是各极磁通汇集的地方，这两部分的磁通密度要合理设计，否则严重影响到电机的运行状况，确定好这两部分磁通密度，也就确定下了铁心的内外径。经过常规的电磁设计程序进行优化组合、设计，确定的定子铁心外径比常规优化设计的定子铁心减小了24.5％，铁心内径减小了21.5％。定转子之间气隙没变，仍沿用常规的尺寸。再根据定子铁心尺寸、气隙，确定转子铁心的外径，比常规电机减小了21.5％，为了保证电机转轴不变，转子铁心的内径不变。本实用新型主要根据转子槽内的转子导条上的铜损耗及输出的力矩来定，导条是铜导体做的，是转子电流的载体，用来产生并输出力矩，与转子槽的形状一致，因为转子仍采用空气冷却方式，所以应适当增大转子导条的截面，降低铜损耗，减小其发热量，另外转子导条容易断裂，也可以通过增加导条截面以增大其抵抗变形的强度。本实用新型将导条及转子槽的截面比常规设计增大了8.8％，相应的转子损耗比常规优化设计减小了26％。再增加就会导致铜材料增加过多以及起动转矩下降，性价比不合适。

经过(1)、(2)、(3)所述的优化过程，电机整体尺寸明显减小，经过计算体积减小了44.8％，制造材料用量明显减小，本实用新型最终设计的隔爆式大型异步电动机，材料比常规电机减少了20％以上，起动转矩与最大转矩提高了1.1％，效率提高了7％。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.采用浸泡式蒸发冷却的电机，包括转子和环设在所述转子上的定子，所述定子密封设置在定子密封腔体内，所述定子密封腔体内充注有蒸发冷却介质，所述定子上的每个定子槽内沿径向依次设置有两个线圈边，每个所述线圈边的铜导体均包裹有匝间绝缘，所述匝间绝缘外包裹有定子主绝缘层，其特征在于，

以相同电压等级和容量的风冷式电机为比照基准，所述定子主绝缘层的厚度减少50～60％；所述定子与所述转子之间的气隙不变；所述定子的铁心内径和外径均减小20～30％；所述定子槽的槽宽增加25～40％，槽高减小40～60％；所述转子的铁心内径不变；所述转子的转子导条的纵向截面积增大5.0～15％。

2.根据权利要求1所述的采用浸泡式蒸发冷却的电机，其特征在于，每一个所述定子槽内的两个所述线圈边平均划分为上、下两层布置，且上、下层之间设有层间绝缘。

3.根据权利要求2所述的采用浸泡式蒸发冷却的电机，其特征在于，所述匝间绝缘的厚度为0.1～0.3mm。

4.根据权利要求3所述的采用浸泡式蒸发冷却的电机，其特征在于，

所述电机的电压等级为10千伏、容量为1120～1800千瓦。

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