一种喷淋式电机定子蒸发冷却系统

摘要

一种喷淋式电机定子蒸发冷却系统，其定子密闭空间由定子机壳（1）、隔离套筒（3）、端部密封端盖（2）组成。其喷淋系统包括布置在定子铁心（7）背部、定子铁心（7）内、定子槽底副槽内和定子绕组（6）端部四周的液体分配器（801、802、803和804）和安装在其上的喷嘴（9）。外部强迫循环系统中的循环泵（10）从定子密闭空间底部抽取蒸发冷却介质，经过滤器（11）过滤之后，通过液体分配器（801、802、803和804）送入喷嘴（9）。雾化后的蒸发冷却介质直接喷向定子各发热部件。进行热交换之后的液体蒸发冷却介质流入定子密闭空间，汽化后的蒸发冷却介质进入定子机壳（1）顶部的冷凝器（12），经冷凝器（12）冷凝之后变为液体，流回到定子密闭空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机定子蒸发冷却系统

背景技术

随着电机容量的增加，发热量增加，电机的散热能力直接影响着电机的性能和寿命，这 就对电机的冷却系统提出更高的要求。蒸发冷却技术利用蒸发冷却介质汽化吸热的原理来冷 却电机。与传统的冷却方式相比，有着独特的优势。蒸发冷却技术利用汽化潜热吸热，冷却 效率高，冷却效果均匀全面。它采用高绝缘、沸点合适、不燃不爆、安全、稳定、无毒环保 的蒸发冷却介质，保证了电机的安全稳定运行。

目前，蒸发冷却技术应用于电机定子冷却共有两种常规形式：管道内冷式和全浸泡式。

管道内冷式蒸发冷却的常规应用方式是：定子绕组采用空心导线，或者空心导线与实心 导线组合的方式，空心导线内部流动着蒸发冷却介质。热量传递到空心导线内部，蒸发冷却 介质吸热汽化，在自身或者外在的循环动力的作用下，沿蒸发冷却回路进入到外部冷凝器， 经冷凝器冷凝后再回到空心导线内部继续下一次的循环，如此周而复始，达到冷却电机定子 的目的。中国专利01131399.4提出了水轮发电机定子绕组的蒸发冷却装置。中国专利 200710177555.3提出了一种内冷式自循环蒸发冷却风力发电机定子结构。这两者分别是上面 这种管道内冷式蒸发冷却技术在水轮发电机和风力发电机上的应用。中国专利 201110385743.1提出了一种定子蒸发冷却装置，提出在定子铁心内部布置空心管道，空心管 道与定子两侧安装的集液环和集汽环相连接，冷却介质在封闭管路内部循环。以上这几种内 冷式蒸发冷却方案最主要的不足有两方面：一方面定子绕组在端部发生扭转变形，定子绕组 内部布置的空心管道也要随之扭转，对于直径较小的定子加工难度较大，无法有效保障空心 管道内部的空心截面尺寸，影响内部蒸发冷却介质流动；另一方面由于电机定子绕组发热量 较大，因此需要在定子铁心或定子绕组内设置多根空心管道，封闭的内冷循环要求每根空心 管道都通过接头与集液管和集汽管相连，这样必然会造成整个冷却系统管路、接头众多，且 接头的位置多位于空间狭窄的定子绕组端部，系统的结构复杂且施工困难，而且也造成运行、 维护的困难，降低了整个系统的可靠性。

全浸泡式蒸发冷却的常规应用方式是：以定子机壳、隔离套筒和密封端盖组成封闭空间， 将定子铁心和定子绕组等发热部件全部浸泡在蒸发冷却介质中。蒸发冷却介质吸热汽化，蒸 汽上升进入到外部冷凝器，经冷凝器冷凝后变成液体再流回到封闭空间内部，达到冷却电机 定子的目的。中国专利200810114870.6提出了卧式全蒸发冷却电机。中国专利 200510086794.9提出了一种蒸发冷却风力发电机定子。这两者分别是上面全浸泡式蒸发冷却 技术在汽轮发电机和风力发电机上的应用。但是这种冷却方式的不足主要有两方面：一方面 是采用全浸泡式结构需要的蒸发冷却介质用量比较大，特别是端部发热部件所占据的空间较 小，但需要浪费很多蒸发冷却介质去进行填充。目前新型环保型的蒸发冷却介质价格较高， 采用全浸泡式结构的定子成本受制于高昂的蒸发冷却介质，严重地影响了电机的经济性；另 一方面，采用全浸泡式结构的定子内部密封空间充满了蒸发冷却介质，对隔离套筒的刚度和 密封结构的可靠性提出了较高的要求，尤其是隔离套筒为了保持足够的刚度，因此需要有一 定的径向厚度，电机气隙随之增大，给电机设计增加了难度，也提高了电机的成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有管道内冷式和全浸泡式蒸发冷却方式的不足，提供一种电机定 子喷淋式蒸发冷却系统。本发明电机定子铁心和定子绕组采用喷淋冷却，多余的蒸发冷却介 质和冷凝之后的蒸发冷却介质将直接保存在封闭空间内部。

本发明采用以下技术方案。

本发明包括定子密封空间及安装其中的喷淋系统、外部强迫循环系统和冷凝器。由定子 机壳、隔离套筒和端部密封端盖组成定子密闭空间。定子铁心和定子绕组密封在所述的定子 密闭空间内。在定子密封空间内部安装有喷淋系统，所述的喷淋系统包括液体分配器和安装 在液体分配器上的喷嘴，液体分配器分别布置在定子铁心背部、定子铁心内、定子槽底副槽 内和定子绕组端部四周。定子密闭空间内部蒸发冷却介质液面以上空间为定子蒸发空间。外 部强迫循环系统设置在定子机壳外，该外部强迫循环系统包括循环泵和过滤器等部件。循环 泵的前端通过管路与定子密封空间的底部相连接，循环泵的后端通过管路连接过滤器，过滤 器的后端通过管路连接液体分配器。冷凝器安装在定子机壳顶部。液态的蒸发冷却介质保存 在定子密封空间的底部，由循环泵抽出，经过过滤器过滤之后送入液体分配器，经过喷嘴雾 化后直接喷向定子各发热部件。液态的蒸发冷却介质与发热部件进行热交换之后，一部分蒸 发冷却介质仍为液态，直接流回到定子密封空间的底部；另一部分蒸发冷却介质受热蒸发变 为汽态，经过定子蒸发空间上升进入冷凝器，冷凝之后变为液态，流回定子密封空间底部， 构成了整个系统的蒸发冷却回路。

本发明在定子铁心的内圆处安装有非磁性隔离套筒，端部密封端盖安装在定子机壳和非 磁性隔离套筒两端，端部密封端盖外面安装有压止环，用于固定和密封非磁性隔离套筒。由 定子机壳、隔离套筒和端部密封端盖组成一个封闭空间，定子铁心和定子绕组密封在这个封 闭的定子密闭空间内。

本发明在电机定子铁心背部、定子铁心内和定子槽底副槽内这三处布置的多根液体分配 器以电机轴线为中心轴向分布。定子绕组端部的四周布置的液体分配器以电机轴线为中心线 环形分布。液体分配器的数目根据电机的尺寸和定子损耗而定。液体分配器为空心管状，其 外形截面和内孔的截面可以是圆形，矩形或多边形，液体分配器上开有孔，液体分配器通过 此开孔与喷嘴相连接。定子绕组端部的四周布置的液体分配器可以安装在定子机壳内定子铁 心的两侧，也可以安装在定子机壳外。

液体分配器的前端通过管路与外部强迫循环系统中的过滤器相连，液体分配器的尾端封 闭。每根液体分配器可以单独通过管路与外部强迫循环系统相连，也可以多根液体分配器汇 集在一起之后通过管路与外部强迫循环系统相连。蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入液 体分配器，通过开孔进入喷嘴，由喷嘴雾化后直接喷向定子发热部件。进行热交换后，液态 的蒸发冷却介质直接排入定子密闭空间，吸热汽化后的蒸发冷却介质蒸汽经定子蒸发空间上 升到冷凝器，经过冷凝器冷凝后的蒸发冷却介质转变为液体，流回到定子密闭空间的底部。

蒸发冷却回路中流动着蒸发冷却介质。本发明所选用的蒸发冷却介质满足高绝缘、不燃 不爆、沸点合适、稳定安全、无毒、环保的要求，也可以选用由变压器油等高绝缘、导热效 果好的油类介质和蒸发冷却介质混合而成的液体。

本发明定子蒸发冷却装置，具有以下显著的特点：

（1）与常规全密闭循环管道内冷式相比较，布设的管道和接头数量减少，且系统中有 密封隔离套筒将全部冷却介质密封在定子密闭空间内部，因此各管路和接头的密封性能和工 艺难度要求也随之减低；

（2）与全浸泡式相比较，蒸发冷却介质的用量大大减小，定子内部密封空间只有底部 留存有满足定子冷却和系统循环要求的少量介质，电机成本降低，经济性提高。同时由于定 子密闭空间内部不再充满蒸发冷却介质，对隔离套筒的刚度要求降低，其径向厚度较全浸泡 式中使用的隔离套筒也可以降低，有利于电机的设计。

附图说明

图1为电机纵向剖面展示的定子喷淋蒸发冷却系统结构示意图；

图2为电机在定子铁心段横向剖面示意图；

图3为电机在定子绕组端部横向剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明喷淋式蒸发冷却系统结构组成如图1所示。在定子铁心7的内圆处安装非磁性隔 离套筒3，端部密封端盖2安装在定子机壳1和非磁性隔离套筒3两端，压止环4安装端部 密封端盖2外面。定子机壳1顶部安装有冷凝器12。蒸发冷却系统的强迫循环系统设置在定 子机壳1外，包括循环泵10和过滤器11等部件，循环泵10的前端通过管路与定子密封空 间的底部相连接，循环泵10的后端通过管路连接过滤器11，过滤器11的后端通过管路连 接各液体分配器。循环泵10从定子密闭空间的底部抽取液态的蒸发冷却介质送入过滤器11。 经过过滤器11过滤之后的蒸发冷却介质进入各液体分配器，由喷嘴9雾化后直接喷向各发 热部件。液态的蒸发冷却介质与发热部件进行热交换之后，一部分介质仍为液态，直接流回 到定子密封空间的底部；另一部分介质受热蒸发变为汽态，经过定子蒸发空间上升进入冷凝 器12，冷凝之后变为液态，流回定子密封空间底部。

在实际应用中，循环泵10和过滤器11的数量可以根据具体的电机发热情况和蒸发冷却 介质用量作相应的调整。冷凝器12可以根据具体应用情况选择风冷式、水冷式或其他冷却 形式。

电机定子铁心7背部、定子铁心7内和定子槽底副槽701内布置多根平行于电机轴线5 的液体分配器，多根液体分配器以电机轴线5为中心轴向分布。液体分配器804可以安装在 定子铁心7背部。液体分配器802也可以在安装在定子铁心7上的孔内部。液体分配器801 也可以安装在定子槽底副槽701内，以上三种液体分配器的布置情况如图2所示。以上各种 液体分配器的设置方式，根据电机定子结构和定子损耗而定，可以同时设置，也可以选择若 干种类型组合设置。液体分配器为空心管状，其上沿电机轴向开有孔，液体分配器通过此开 孔与喷嘴9相连接。多个喷嘴9在轴向方向间隔布置，两个喷嘴9之间的轴向间距是等间距 或不等间距，同一个径向截面上可以安装多个喷嘴9。安装在电机定子铁心7背部、定子铁 心7内和定子槽底副槽701内的液体分配器，受空间限制也可以不安装喷嘴9。液态的蒸发 冷却介质从液体分配器的开孔直接喷向发热部件。

安装在定子绕组6端部四周的液体分配器804数量至少为两个，即保证定子两侧中每一 侧至少有一个液体分配器804。液体分配器804为空心管状，可以安装在定子机壳1内部定 子铁心7的两侧，也可以安装在定子机壳1外。多个喷嘴9按照上下不同高度布置，如图3 所示。

液体分配器801、802、803和804的前端通过管路与外部强迫循环系统中的过滤器11 相连，尾端封闭。蒸发冷却介质从外部强迫循环系统进入液体分配器，再通过喷嘴9雾化后 直接喷淋到各发热部件上。每根液体分配器可以单独通过管路与外部强迫循环系统相连，也 可以多根液体分配器汇集在一起之后通过管路与外部强迫循环系统相连。

在实际应用中，液体分配器801、802、803和804和喷嘴9的布置方式以及各连接管路 和接头可以根据具体的电机结构作相应的调整。

蒸发冷却回路中流动着蒸发冷却介质。本发明所选用的蒸发冷却介质满足高绝缘、不燃 不爆、沸点合适、稳定安全、无毒、环保的要求，也可以选用由变压器油等高绝缘、导热效 果好的油类介质和蒸发冷却介质混合而成的液体。