推荐定子铁芯液冷系统的制作方法

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本发明涉及一种定子铁芯液冷系统,属于电机冷却技术领域。



背景技术:

利用空气对定、转子绕组以及铁芯表面进行冷却是电机的主流散热方式。在空气冷却能力达到极限的大容量电机中用氢气代替空气作为冷却介质能够在很大程度上提高冷却强度。可是氢气冷却的电机设计、安装和防爆技术均较为复杂。水内冷电机,特别是全水内冷电机的定转子绕组和定子铁芯都采用水内冷的方式,冷却效果优异,同时兼顾铁芯的高效散热。水内冷电机定转子绕组的运行温度不仅低而且均匀,然而其不可回避结构复杂、维护负担重、管路元件堵塞、水渗漏等问题。非纯净的水是导体,水渗漏造成的短路风险在所有电气设备中都是不容忽视的。

中国科学院电工研究所(后文简称“电工所”)研发的电机液冷技术利用冷却介质的相变潜热来吸收、转移热量,换热效率高于空冷、氢冷和水内冷却技术的对流换热方法,在保持内冷电机优点的同时,避免了水内冷电机的堵塞、渗漏风险。目前电机的定子绕组液冷技术已经成熟,转子液冷技术也有一定的技术储备,尚需要铁芯液冷技术来填补电机全液冷技术体系的空白。

传统电机中,只有类似于大型发电机这种大容量电机才需要对铁芯进行加强冷却。随着电机技术的进步,高功率密度的中小型电机对铁芯冷却同样表现出了一定需求。在铁芯冷却技术上,无论是是汽轮发电机还是水轮发电机,根据铁芯水冷却系统进出液口的排布方式,可以将其分为径向水冷却系统和轴向水冷却系统。径向水冷却系统指的是冷板比照定子扇形片的形状制成,分成若干片间隔迭压在铁芯中,进出液口沿铁芯外圆布置。轴向水冷却系统是指冷却水管沿轴向穿过定子铁芯对其进行冷却,进出水口位于铁芯的端部。

现有的定子铁芯水内冷系统存在以下缺点:

a现有的定子铁芯水内冷系统均需要水泵驱动进行强迫循环,水泵需要消耗额外的电能。

b为了保证足够的流速,管内水压较大,这就对循环管路各处的密封接头提出了很高的要求。

c一旦密封失效,水泄漏造成的短路风险又非常大。

d水内冷系统需要有水净化装置,否则水垢、杂质等容易堵塞管路,造成冷却系统失效。



技术实现要素:

针对上述现在技术中存在的问题与缺陷,本发明的目的在于提出基于相变换热的定子铁芯液冷系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

一种定子铁芯液冷系统,冷板或铁芯冷却管的一端连接出气通道,另一端连接回液通道,所述出气通道和回液通道之间设有冷凝器;铁芯产生的热量由冷板或铁芯冷却管内的冷却介质吸收,所述冷却介质吸热汽化穿过出气通道,在冷凝器中冷却凝结为液态,再通过回液通道流回冷板或铁芯冷却管内。

进一步的,所述冷板呈圆环形,沿铁芯径向布置,所述冷板的冷板壁面与相邻定子冲片贴紧。

进一步的,所述冷板内部为空腔结构,且所述冷板的一端设有用于与出气通道连接的出气口,另一端设有用于与回液通道连接的回液口,且所述出气口和回液口分别设有一个或多个。

进一步的,所述冷板由若干片扇形板拼接成圆环形,所述扇形板沿所述冷板的中心线呈对称分布,相邻扇形板通过板间连接管连接或在交界面处直接连通。

进一步的,当相邻扇形板在交界面处直接连通时,接缝处通过焊接、胶粘或挤压填料函的方式密封。

进一步的,所述冷板内设有加强筋。

进一步的,在铁芯内部沿其中心轴设置有一圈铁芯冷却管,所述铁芯冷却管为单层管式铁芯冷却管或双层同心套管式铁芯冷却管。

进一步的,所述铁芯冷却管为双层同心套管式铁芯冷却管时,所述回液通道套于所述出气通道内部,其中所述回液通道的出口端与所述出气通道的底部连通,所述回液通道的进口端连接冷凝器。

进一步的,当所述冷板沿铁芯径向设置在卧式电机中或当所述铁芯冷却管沿铁芯轴向设置在立式电机中时,所述液冷系统均为自循环液冷系统。

进一步的,当所述冷板沿铁芯径向设置在立式电机中或当所述铁芯冷却管沿铁芯轴向设置在卧式电机中时,所述回液通道上分别设有一台循环泵。

本发明的有益效果为:

(1)本发明所述定子铁芯液冷系统利用冷却介质的相变换热对目标设备进行冷却,换热效率高,温度控制均匀。

(2)本发明所述定子铁芯液冷系统的管路压力较低,大大降低了对循环管路的密封要求和机械强度要求,有利于降低密封难度、减轻设备重量、缩减设备成本。

(3)本发明采用液冷系统进行铁芯冷却,冷却介质绝缘、不燃,可以从根本上避免因冷却介质泄露而导致的短路、火灾等风险。

(4)定子铁芯径向自循环液冷系统和定子铁芯轴向自循环液冷系统的冷却介质循环无需循环泵的驱动,对热负荷的变化具有自适应的能力,有利于降低系统复杂度,提高系统可靠性;降低冷却系统能耗,提高整机效率。

(5)泵驱动的定子铁芯径向液冷系统和定子铁芯轴向液冷系统虽然增加了循环泵,但是对循环泵的功率要求较低,且提高了冷却系统的适应范围,有利于对安装在复杂环境下的电机进行冷却。

(6)定子铁芯径向液冷系统采用内部为空腔的冷板结构,过流截面大,即使冷却介质中掺杂一部分杂质,也不易堵塞,对铁芯的散热能力更加稳定可靠。

(7)定子铁芯径向液冷系统的冷板内部采用加强筋后,可以同时起到优化流场和加强机械强度的效果,有利于降低冷板重量、提高冷却效果。

附图说明

图1为卧式电机的定子铁芯径向自循环液冷系统示意图;

图2为圆环形冷板结构示意图;

图3为圆环形冷板剖面结构;

图4为扇形板拼接成冷板的第一种排布方式;

图5为扇形板拼接成冷板的第二种排布方式;

图6为扇形板拼接成冷板的第三种排布方式;

图7为扇形板拼接成冷板的第四种排布方式;

图8为相邻扇形板通过板间连接管连通的结构示意图;

图9为相邻扇形板在交界面处直接连通的结构示意图;

图10为在冷板内部设置加强筋结构示意图;

图11为立式电机的定子铁芯轴向自循环液冷系统示意图;

图12为采用双层同心套管式铁芯冷却管的立式电机的定子铁芯轴向自循环液冷系统示意图;

图13为泵驱动的定子铁芯径向液冷系统示意图;

图14为泵驱动的定子铁芯轴向液冷系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

本发明中相关术语解释如下:

空气冷却:利用空气作为冷却介质吹过定、转子绕组及铁芯表面进行换热,靠热传导及空气的比热吸热。

水内冷:定、转子绕组的内部直接流通通冷却水,靠热传导及水的比热吸热。

液冷:采用高绝缘、沸点适中的冷却介质,无毒、无污染、不腐蚀金属及电机的其他部件,具有良好的冷却能力及高绝缘、防火、灭弧性能,可抑制电气故障的发生。利用流体的汽化潜热换热效率高、绕组温升低、无局部过热。它克服了水内冷运行压力高、泄漏会造成严重损坏的本质弱点。由于其内冷方式省去了风扇,从而使风摩耗下降,总效率可提高0.1~0.2%。操作维护方便,节省材料,运行安全可靠。

卧式电机:电机正常运行时,其转轴与水平面平行。

立式电机:电机正常运行时,其转轴与水平面垂直。

本发明比照铁芯水冷却系统的结构分类方法将所述定子铁芯液冷系统分为定子铁芯径向液冷系统和轴向液冷系统两类结构,两类结构均可以实现自循环和强迫循环,对于卧式电机和立式电机均具有较好的适应性。

实施例1卧式电机的定子铁芯径向自循环液冷系统

对于卧式电机,采用定子铁芯径向液冷系统可实现自循环液冷,冷却介质的流动无需循环泵驱动,冷却系统结构简单且几乎不耗能。卧式电机的定子铁心径向自循环液冷系统循环方式如图1所示,图中用箭头表示冷却介质循环方向,其中,001-冷板,002-出气通道,003-冷凝器,004-回液通道,冷板001或铁芯冷却管的一端连接出气通道002,另一端连接回液通道004,所述出气通道002和回液通道004之间设有冷凝器003。电机运行时,铁心产生的热量穿过冷板001的壁面传导给冷板001中的冷却介质,冷却介质吸热汽化后,穿过冷板001上方的出气通道002,在冷凝器003中冷却凝结为液态,再通过回液通道004流回冷板001。

在实际应用中,对于直径较小的铁芯,可选用圆环形冷板;对于直径较大的铁芯,亦可由若干片扇形板拼为整圆。

圆环形冷板外形如图2所示,剖面图如图3所示。其中,0011-冷板壁面,0012-出气口,0013-回液口。冷板厚度、内外径、槽形及槽数等结构参数需根据具体铁芯进行设计,图中仅作示意。冷板内部为圆环形空腔,在冷板最高点和最低点,分别设置有出气口0012和回液口0013。冷板壁面0011与相邻定子冲片贴紧,以吸收定子铁芯的热量。图2中分别绘制了一个出气口0012和一个回液口0013用于示意,实际上出气口0012和回液口0013都可以设置多个且数量不必相等。

对于直径较大的定子铁心,整圆冷板加工制作较为困难,可以采用扇形板拼接为圆环。扇形板的尺寸不一定相等,但是相同规格冷板相对于出气口0012和回液口0013构成的中心线呈对称分布。由此构成的扇形片拼接方式很多,图4~图7分别给出了四种典型分布形式,其中0014为扇形板。图中,贯穿出气口0012与回液口0013的点划线为中心线,中心线两侧的扇形板数量和尺寸比例分配并无限定,图中仅做示意,以虚线表示相邻扇形板的交界线。图4的关键点在于扇形板相对于中心线并联,中心线每一侧的扇形板串联。图5的关键点在于冷却介质进入最下方共用的扇形板后,被均分到中心线两侧的扇形板中,在最后又汇集到最上方共用的扇形板。图6的关键点在于冷却介质分别进入相对于中心线对称分布的两块扇形板,在中心线两侧分别按串联形式向上流动,最后汇集到最上方共用的扇形板。图7的关键点在于冷却介质进入最下方共用的扇形板后,被均分到中心线两侧各自串联扇形板中,从中心线两侧的出气口0012分别流出。

扇形板的连接方式主要有两种,一种沿冷板外圆以管路连接,另一种是各扇形板在交界面处直接连通。

图8为扇形板通过板间连接管互通的结构示意图,其中0015-板间连接管。前后串联的两个扇形板在外圆上开有接口,通过板间连接管0015相互连通,以此实现冷却介质的连续流动。

图9为各扇形板在交界面处直接连通的结构示意图。相邻的扇形板在交界面处直接连通,接缝通过焊接、胶粘、挤压填料函等方式密封。

为了加强冷板的机械强度或者引导冷却介质顺畅循环,可以在冷板内设置加强筋。如图10所示,以圆环形冷板或扇形冷板的一段为例,其内部的加强筋可以是任意形状,如直线型、圆弧形、异形等。

实施例2立式电机的定子铁芯轴向自循环液冷系统

对立式电机,采用定子铁芯轴向液冷系统可实现自循环液冷,冷却介质的流动无需循环泵驱动,冷却系统结构简单且几乎不耗能。立式电机的定子铁心轴向自循环液冷系统循环方式如图11所示,图中用箭头表示冷却介质循环方向。其中,005-单层管式铁芯冷却管。单层管式铁芯冷却管005是无缝金属管,在定子铁芯内沿圆周布置。当单层管式铁芯冷却管005处于不同的径向位置时,根据设计需要可以包覆绝缘材料。电机运行时,铁心产生的热量穿过单层管式铁芯冷却管005的壁面传导给单层管式铁芯冷却管005中的冷却介质,冷却介质吸热气化后,穿过上方的出气通道002,在冷凝器003中冷却凝结为液态,再通过回液通道004流回单层管式铁芯冷却管005。

图11中所示的结构,单层管式铁芯冷却管005中的介质需要从铁芯的下端流入,上端流出。若单层管式铁芯冷却管005改为双层同心套管制成,则可以实现在铁芯的同一端出气和回液,具体如图12所示,其中双层同心套管式铁芯冷却管006。双层同心套管式铁芯冷却管006在定子铁芯内沿圆周布置。当双层同心套管式铁芯冷却管006处于不同的径向位置时,根据设计需要可以包覆绝缘材料。对于双层同心套管式铁芯冷却管006,所述回液通道004套于所述出气通道002内部,其中所述回液通道004的出口端与所述出气通道002的底部连通,所述回液通道004的进口端连接冷凝器003。电机运行时,铁心产生的热量穿过双层同心套管式铁芯冷却管006的外层壁面传导给内外层壁面之间的冷却介质,冷却介质吸热气化后,穿过上方的出气通道002,在冷凝器003中冷却凝结为液态,再通过回液通道004流回其中双层同心套管式铁芯冷却管006的内层壁面内。当冷却介质在双层同心套管式铁芯冷却管006的内层壁面内部向下流动时,通过内层壁面吸收内外层壁面之间的冷却介质的热量,提升一定的温度,在到达双层同心套管式铁芯冷却管006的最下方时补充入内外层壁面之间的空间。此时冷却介质已经提升一部分温度,可以迅速气化,实现高效的相变换热。

实施例3泵驱动的定子铁芯液冷系统

当电机小角度倾斜安装时,在一定角度内,无论是径向液冷系统还是轴向液冷系统,均可以通过自循环方式对铁芯进行冷却。但是当电机倾斜角度过大时、定子铁芯径向液冷系统应用于立式电机时、定子铁芯轴向液冷系统应用于卧式电机时,则需要循环泵驱动冷却介质克服流动阻力实现循环。包括以下两种情况:

(1)泵驱动的定子铁芯径向液冷系统

当电机立式安装或接近于立式倾斜安装且采用定子铁芯径向液冷系统时,液冷系统循环动力偏小,需要循环泵辅助运行。相对于定子铁芯径向自循环液冷系统,泵驱动的定子铁芯径向液冷系统只是在定子铁芯径向自循环液冷系统的回液通道004中串联一台循环泵驱动冷却工质按设计方向单向流动。因此,无论采用圆环形冷板还是扇形冷板,均可实现。以采用圆环形冷板的冷却系统为例,系统结构如图13所示,其中007-循环泵。

(2)泵驱动的定子铁芯轴向液冷系统

当电机卧式安装或接近于卧式倾斜安装且采用定子铁芯轴向液冷系统时,液冷系统循环动力偏小,需要循环泵辅助运行。相对于定子铁芯轴向自循环液冷系统,泵驱动的定子铁芯轴液冷系统只是在定子铁芯轴向自循环液冷系统的回液通道004中串联一台循环泵驱动冷却工质按设计方向单向流动。因此,无论采用单层管式铁芯冷却管005还是双层同心套管式铁芯冷却管006,均可实现。以采用单层管式铁芯冷却管005的冷却系统为例,系统结构如图14所示。

综上,本发明所述液冷系统采用绝缘、不燃的液冷介质,相比于水内冷系统,无需设置水净化设备,结构简单;即使冷却介质存在一点泄露,也不会引起短路、火灾等风险。另外,对于卧式电机采用定子铁芯径向液冷系统、立式电机采用定子铁芯轴向冷却系统,都可以实现自循环,无需循环泵。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征:

1.定子铁芯液冷系统,其特征在于,冷板(001)或铁芯冷却管的一端连接出气通道(002),另一端连接回液通道(004),所述出气通道(002)和回液通道(004)之间设有冷凝器(003);铁芯产生的热量由冷板(001)或铁芯冷却管内的冷却介质吸收,所述冷却介质吸热汽化穿过出气通道(002),在冷凝器(003)中冷却凝结为液态,再通过回液通道(004)流回冷板(001)或铁芯冷却管内。

2.根据权利要求1所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,所述冷板(001)呈圆环形,沿铁芯径向布置,所述冷板(001)的冷板壁面(0011)与相邻定子冲片贴紧。

3.根据权利要求1所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,所述冷板(001)内部为空腔结构,且所述冷板(001)的一端设有用于与出气通道(002)连接的出气口(0012),另一端设有用于与回液通道(004)连接的回液口(0013),且所述出气口(0012)和回液口(0013)分别设有一个或多个。

4.根据权利要求2所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,所述冷板(001)由若干片扇形板拼接成圆环形,所述扇形板沿所述冷板(001)的中心线呈对称分布,相邻扇形板通过板间连接管(0015)连接或在交界面处直接连通。

5.根据权利要求4所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,当相邻扇形板在交界面处直接连通时,接缝处通过焊接、胶粘或挤压填料函的方式密封。

6.根据权利要求2所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,所述冷板(001)内部设有加强筋。

7.根据权利要求1所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,在铁芯内部沿其中心轴设置有一圈铁芯冷却管,所述铁芯冷却管为单层管式铁芯冷却管(005)或双层同心套管式铁芯冷却管(006)。

8.根据权利要求7所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,所述铁芯冷却管为双层同心套管式铁芯冷却管(006)时,所述回液通道(004)套于所述出气通道(002)内部,其中所述回液通道(004)的出口端与所述出气通道(002)的底部连通,所述回液通道(004)的进口端连接冷凝器(003)。

9.根据权利要求1所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,当所述冷板(001)沿铁芯径向设置在卧式电机中或当所述铁芯冷却管沿铁芯轴向设置在立式电机中时,所述液冷系统均为自循环液冷系统。

10.根据权利要求1所述的定子铁芯液冷系统,其特征在于,当所述冷板(001)沿铁芯径向设置在立式电机中或当所述铁芯冷却管沿铁芯轴向设置在卧式电机中时,所述回液通道(004)上分别设有一台循环泵(007)。

技术总结
本发明涉及一种定子铁芯液冷系统,属于电机冷却技术领域。所述液冷系统包括:冷板或铁芯冷却管的一端连接出气通道,另一端连接回液通道,所述出气通道和回液通道之间设有冷凝器;铁芯产生的热量由冷板或铁芯冷却管内的冷却介质吸收,所述冷却介质吸热汽化穿过出气通道,在冷凝器中冷却凝结为液态,再通过回液通道流回冷板或铁芯冷却管内。本发明所述定子铁芯液冷系统利用冷却介质的相变换热对目标设备进行冷却,换热效率高,温度控制均匀。

技术研发人员:阮琳;王宇
受保护的技术使用者:中国科学院电工研究所
技术研发日:2020.03.30
技术公布日:2020.06.26

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