[发明专利]采用浸泡式蒸发冷却的电机及其结构优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机，具体涉及采用浸泡式蒸发冷却的电机及其结构优化方法。

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。

发明内容

针对上述缺陷，本发明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及其优化设计方法，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。

本发明提供的采用浸泡式蒸发冷却的电机的结构优化方法，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。

优选地，在所述组合计算中，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；

所述减小20～30％的比对基准为相同电压等级和容量的风冷式电机。