一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统

1.本发明属于电机冷却领域，具体涉及了一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统。


背景技术：

2.高转矩密度、高功率密度电机因其体积小、重量轻、输出功率大等诸多优点，已逐渐成为发展的主流。然而，电机的高效散热问题是制约电机向高功率密度方向发展的关键技术之一。当散热能力不足时，电机的绕组温升过大，可能会引起绝缘层破损，永磁体退磁等问题。因此，提高电机运行过程中的散热能力，才能保证电机更加可靠高效的运行。
3.目前电机的冷却方式通常分为风冷和液冷。风冷散热主要适用于小功率的电机，对于高功率密度的电机，风冷方式的冷却效率较低，电机因过热会降低自身的效率和使用寿命。相较于风冷散热，利用冷却液进行热量交换的液冷方式，其散热效率更高。根据换热原理的差别，目前电机领域的液冷方式可以分为单相液冷和相变液冷(蒸发冷却)。单相液冷即以水、油、乙二醇混合液等为冷却液，基于比热换热原理实现热交换的电机冷却方式。相变液冷，也称为蒸发冷却，则是利用沸点合适的氟碳类冷却工质，基于相变换热原理通过冷却工质与电机的热量交换，实现电机的冷却。
4.与风冷和单相液冷相比，蒸发冷却方式利用相变换热原理进行热量交换，冷却工质汽化潜热大，所需工质流量较小，换热温度更加均匀。同时蒸发冷却工质具有高绝缘性、不燃不爆，可对电机的绕组和铁心进行直接冷却，大大提高了电机的散热性能，以及系统的可靠性和安全性。
5.蒸发冷却方式在电机领域的应用主要包括绕组内冷和全浸泡两种结构形式。绕组内冷结构，即在绕组内部设置管道，并在端部通过绝缘软管汇流，实现与外部冷却器的连接，构成密闭的冷却循环系统。内冷结构可实现电机绕组直接与冷却工质的热量交换，避免了绕组绝缘引起的传热温差，大大提高了绕组的冷却性能，但是由于内冷结构需要将每个绕组中的冷却管道与绝缘软管连接，导致接头众多，工艺较为复杂。因此绕组内冷结构多用于电机端部结构空间较大的大型水轮发电机。
6.全浸泡结构则是在电机气隙中设置一个塑料或玻璃钢绝缘套筒，通过端部密封环与定子机壳共同构成一个密闭腔体，并在密闭腔体内注入蒸发冷却工质，将电机定子绕组和铁心全部浸泡在液体中，实现电机定子的冷却。全浸泡结构简单、实施方便，对大中型电机的冷却均可实现，在汽轮发电机、风力发电机、推进电机中也有所应用。但是全浸泡结构相对于定子绕组属于表面冷却，即绕组导线产生的热量需要穿过绕组绝缘才能传至冷却工质，而电机绝缘的导热系数较低，绝缘层的传热热阻大，导致绕组导线与工质的温差较大，进而限制了绕组负荷能力的进一步提升。基于此，本发明提出了一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中的上述问题，即蒸发冷却内冷电机绕组端部和外部冷却系统连接复杂的问题，以及浸泡外冷电机主绝缘热导率较小导致的槽内绕组温升过大的问题，本发明提供了一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统。
8.本发明一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，包括机壳、绕组、主绝缘、冷凝器；
9.所述绕组包括槽内区域、端部区域、弧段区域，所述主绝缘包裹所述绕组的槽内区域、端部区域、弧段区域；
10.所述冷凝器通过端部冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组的端部区域和弧段区域，所述端部冷却系统设置在所述机壳上；
11.所述冷凝器通过槽内冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组槽内区域，所述槽内冷却系统设置在所述绕组的主绝缘上。
12.在一些优选的实施方式中，所述端部冷却系统包括入液口、出汽口、轴向通孔：
13.所述入液口和所述出汽口设置在所述机壳上，所述入液口和所述出汽口均通过管道与所述冷凝器密封固定；所述机壳的轴线与水平线存在夹角α，所述夹角α为0
°‑
90
°
中任意数值；
14.所述端部区域包括上端部区域和下端部区域，所述弧段区域包括上弧段区域和下弧段区域；
15.所述蒸发冷却工质由冷凝器驱动并通过管道和所述入液口流入至机壳内部，浸泡所述绕组的下端部区域和下弧段区域，所述蒸发冷却工质通过轴向通孔浸泡所述绕组的上端部区域和上弧段区域，所述轴向通孔轴向开设在定子铁心的轭部，所述定子铁心与所述机壳的内表面固定。
16.在一些优选的实施方式中，所述蒸发冷却工质从所述出汽口通过管道流出至冷凝器，所述冷凝器将蒸发冷却工质重新冷却成液态后再次通过管道流入入液口，形成自循环的蒸发冷却系统。
17.在一些优选的实施方式中，所述定子铁心与转子铁心之间配置有密封套筒，所述转子铁心通过轴承安装在机壳上；
18.所述密封套筒通过内固定环和密封胶圈与内端盖卡接，所述内固定环与所述机壳的内表面固定，所述内端盖的两侧与对应的所述密封套筒的两侧轴向高度相同，所述内端盖与所述机壳的内表面固定。
19.在一些优选的实施方式中，所述槽内冷却系统包括管道孔、轴向管道：
20.所述管道孔在所述绕组的主绝缘上沿长度方向开设，所述轴向管道配置在所述管道孔内，所述轴向管道沿所述绕组的走向紧密贴合在绕组上，并延伸至所述绕组端部的弧段处；
21.所述轴向管道贴合在所述绕组的任意表面，所述轴向管道的两端与所述主绝缘上开设的通孔的两端密封固定。
22.在一些优选的实施方式中，所述蒸发冷却工质由所述入液口流入轴向管道后，经所述出汽口流出至所述冷凝器。
23.在一些优选的实施方式中，所述主绝缘与被包裹的所述绕组的槽内区域、端部区
域、弧段区域紧密贴合。
24.在一些优选的实施方式中，所述绕组通过槽楔固定在定子槽内，多个所述定子槽周向均匀开设在所述定子铁心的内圆周面上，所述主绝缘、所述槽楔、所述绕组和所述轴向管道占满整个定子槽。
25.在一些优选的实施方式中，所述蒸发冷却工质紧贴所述轴向管道和所述轴向通孔流动。
26.在一些优选的实施方式中，所述定子铁心轭部上周向均匀开设至少一个所述轴向通孔。
27.本发明的有益效果：
28.本发明通过在主绝缘内部紧贴绕组设置冷却轴向管道，和绕组端部环形浸没腔体相结合，使得热量直接由绕组传递给紧贴轴向管道里流动的蒸发冷却工质。槽内绕组的热传导路径减小，从而提高了电机的散热效率。此外，该系统省去了将冷却管道通过绝缘软管和外部冷却系统相连接的步骤，减少了整体结构的复杂性，提高了电机的安全性和可靠性。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1是一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统整体结构示意图；
31.图2是一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统去掉机壳后的电机结构示意图；
32.图3是图1的轴向剖面示意图；
33.图4为电机的绕组整体结构示意图；
34.图5为电机的绕组一端的局部放大图；
35.图6为电机的四种绕组及轴向管道截面图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
38.如图1-6所示，本发明提供一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，包括机壳1、绕组6、主绝缘8、冷凝器9；
39.所述绕组6包括槽内区域、端部区域、弧段区域，所述主绝缘8包裹所述绕组6的槽内区域、端部区域、弧段区域；
40.所述冷凝器9通过端部冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组6的端部区域和弧段区域，所述端部冷却系统设置在所述机壳1上；
41.所述冷凝器9通过槽内冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组6槽内区域，所述槽内冷却系统设置在所述绕组6的主绝缘8上。
42.参见图3、图4、图5，本发明将液态蒸发冷却工质由入液口11进入绕组端部环形腔体内，浸没绕组6的端部。端部腔体内的蒸发冷却工质一部分流过在主绝缘8内部紧贴绕组的轴向管道61，另一部分流过定子铁心2轭部的轴向通孔21。蒸发冷却工质吸收热量后，由气液两相的状态流入出汽口12，蒸发冷却工质气体进入外部冷凝器9后再以液态的形式重新流向入液口11，形成自循环的蒸发冷却系统。
43.通过在主绝缘8内部紧贴绕组6设置轴向管道61，和绕组6的端部环形浸没腔体相结合，使得热量直接由绕组6传递给紧贴轴向管道61里流动的蒸发冷却工质。槽内绕组6的热传导路径减小，从而提高了电机的散热效率。此外，该系统省去了将通过绝缘软管和外部冷却系统相连接的步骤，减少了整体结构的复杂性，提高了电机的安全性和可靠性。
44.优选的，参见图1、图3，所述端部冷却系统包括入液口11、出汽口12、轴向通孔21：
45.所述机壳1上设置有入液口11和出汽口12，所述入液口11和所述出汽口12均通过管道与所述冷凝器9密封固定；
46.所述端部区域包括上端部区域和下端部区域，所述弧段区域包括上弧段区域和下弧段区域；
47.所述蒸发冷却工质由冷凝器9驱动并通过管道和所述入液口11流入至机壳1内部，浸泡所述绕组6的下端部区域和下弧段区域，所述蒸发冷却工质通过轴向通孔21浸泡所述绕组6的上端部区域和上弧段区域，所述轴向通孔21轴向开设在定子铁心2的轭部，所述定子铁心2与所述机壳1的内表面固定。
48.其中，参见图3，所述机壳1靠近电机两侧内端盖4的位置分别设置入液口11和出汽口12。所述机壳1的轴线与水平线存在夹角α，所述夹角α为0
°‑
90
°
中任意数值，优选为90
°
。
49.本发明通过将所述机壳1与水平线设置夹角的目的在于：由于现有技术中的电机的机壳的轴线均为水平设置的，本发明将电机整体旋转90
°
，使所述电机以及所述管道均为竖直的，也就是与水平面是垂直的，能够方便所述蒸发冷却工质转化为气态后及时从所述出汽口12排出，由此能够加快循环速度，提高冷却的效果。
50.其中，所述入液口11配置在所述出汽口12的下方，从而方便所述蒸发冷却工质的排出。
51.其中，所述轴向通孔21的数量，根据具体情况调整。
52.其中，所述蒸发冷却介质具有高绝缘性、不燃不爆，且对电机材料无任何腐蚀作用，可对电机绕组、铁心直接冷却。
53.优选的，参见图3，所述蒸发冷却工质从所述出汽口12通过管道流出至冷凝器9，所述冷凝器9将蒸发冷却工质重新冷却成液态后再次通过管道流入入液口11，形成自循环的蒸发冷却系统。
54.优选的，参见图2、图3，所述定子铁心2与转子铁心3之间配置有密封套筒7，所述转子铁心3通过轴承安装在机壳1上；
55.所述密封套筒7通过内固定环5和密封胶圈与内端盖4卡接，所述内固定环5与所述机壳1的内表面固定，所述内端盖4的两侧与对应的所述密封套筒7的两侧轴向高度相同，所述内端盖4与所述机壳1的内表面固定。
56.其中，如图3所示，密封套筒7两侧和对应的内端盖4两侧轴向平齐，由内固定环5配合密封胶圈将密封套筒7和内端盖4抵紧卡合，保证蒸发冷却工质不会从电机内端盖4周围
溢出。
57.优选的，参见图4、图5，所述槽内冷却系统包括管道孔、轴向管道61：
58.所述绕组6的主绝缘8上沿其长度方向开设有管道孔，所述管道孔内配置有轴向管道61，所述轴向管道61沿所述绕组6的走向紧密贴合在绕组6上，并延伸至所述绕组6端部的弧段处；
59.所述轴向管道61贴合在所述绕组6的任意表面，所述轴向管道61的两端与所述主绝缘8上开设的通孔的两端密封固定。
60.其中，参见图6，轴向管道61可贴合在绕组6的任意表面或置于中间，每根绕组6周围可紧贴一根管道或多根轴向管道61。轴向管道61的截面大小和数量随绕组6和定子铁心2的齿槽的结构配合而定。
61.更进一步地，轴向管道61贯穿于定子铁心2的两个端面，延伸至绕组6端部的弧段处，形成由绕组6一端至另一端的轴向冷却通道。
62.优选的，所述蒸发冷却工质由所述入液口11流入轴向管道61后，经所述出汽口12流出至所述冷凝器9。
63.其中，所述蒸发冷却工质流通于轴向管道61和轴向通孔21，与绕组6和定子铁心2发生对流换热。蒸发冷却工质温度升高，发生相变，部分工质汽化，气液两相混合工质的密度小于回液管中单相液体工质的密度，密度差在重力的作用下形成流动压头，使气液混合工质流向出汽口12。
64.优选的，所述主绝缘8与被包裹的所述绕组6的槽内区域、端部区域、弧段区域紧密贴合。
65.关于主绝缘的形状和结构，详细而言：
66.如图4所示，主绝缘8与绕组6的表面紧密贴合，槽内位置处在定子铁心2槽壁和绕组6之间，主要起绝缘作用。主绝缘材料为电工绝缘材料，电阻率高，可将电气设备中不同电位的带电导体隔离开来。
67.其中，所述定子铁心2与绕组6浸没于蒸发冷却工质中，形成定子全浸式蒸发冷却结构。
68.优选的，所述绕组6通过槽楔22固定在定子槽内，多个所述定子槽周向均匀开设在所述定子铁心2的内圆周面上，所述主绝缘8、所述槽楔22、所述绕组6和所述轴向管道61占满整个定子槽。
69.优选的，所述蒸发冷却工质紧贴所述轴向管道61和所述轴向通孔21流动。
70.优选的，所述定子铁心2轭部上周向均匀开设至少一个所述轴向通孔21。
71.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
72.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
73.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些
更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，包括机壳(1)、绕组(6)、主绝缘(8)、冷凝器(9)，其特征在于：所述绕组(6)包括槽内区域、端部区域、弧段区域，所述主绝缘(8)包裹所述绕组(6)的槽内区域、端部区域、弧段区域；所述冷凝器(9)通过端部冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组(6)的端部区域和弧段区域，所述端部冷却系统设置在所述机壳(1)上；所述冷凝器(9)通过槽内冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组(6)槽内区域，所述槽内冷却系统设置在所述绕组(6)的主绝缘(8)上。2.根据权利要求1所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述端部冷却系统包括入液口(11)、出汽口(12)、轴向通孔(21)：所述入液口(11)和所述出汽口(12)设置在所述机壳(1)上，所述入液口(11)和所述出汽口(12)均通过管道与所述冷凝器(9)密封固定，所述机壳(1)的轴线与水平线存在夹角α，所述夹角α为0
°‑
90
°
中任意数值；所述端部区域包括上端部区域和下端部区域，所述弧段区域包括上弧段区域和下弧段区域；所述蒸发冷却工质由冷凝器(9)驱动并通过管道和所述入液口(11)流入至机壳(1)内部，浸泡所述绕组(6)的下端部区域和下弧段区域，所述蒸发冷却工质通过轴向通孔(21)浸泡所述绕组(6)的上端部区域和上弧段区域，所述轴向通孔(21)轴向开设在定子铁心(2)的轭部，所述定子铁心(2)与所述机壳(1)的内表面固定。3.根据权利要求2所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述蒸发冷却工质从所述出汽口(12)通过管道流出至冷凝器(9)，所述冷凝器(9)将蒸发冷却工质重新冷却成液态后再次通过管道流入入液口(11)，形成自循环的蒸发冷却系统。4.根据权利要求3所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述定子铁心(2)与转子铁心(3)之间配置有密封套筒(7)，所述转子铁心(3)通过轴承安装在机壳(1)上；所述密封套筒(7)通过内固定环(5)和密封胶圈与内端盖(4)卡接，所述内固定环(5)与所述机壳(1)的内表面固定，所述内端盖(4)的两侧与对应的所述密封套筒(7)的两侧轴向高度相同，所述内端盖(4)与所述机壳(1)的内表面固定。5.根据权利要求4所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述槽内冷却系统包括管道孔、轴向管道(61)：所述管道孔在所述绕组(6)的主绝缘(8)上沿长度方向开设，所述轴向管道(61)配置在所述管道孔内，所述轴向管道(61)沿所述绕组(6)的走向紧密贴合在绕组(6)上，并延伸至所述绕组(6)端部的弧段处；所述轴向管道(61)贴合在所述绕组(6)的任意表面，所述轴向管道(61)的两端与所述
主绝缘(8)上开设的通孔的两端密封固定。6.根据权利要求5所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述蒸发冷却工质由所述入液口(11)流入轴向管道(61)后，经所述出汽口(12)流出至所述冷凝器(9)。7.根据权利要求6所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述主绝缘(8)与被包裹的所述绕组(6)的槽内区域、端部区域、弧段区域紧密贴合。8.根据权利要求7所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述绕组(6)通过槽楔(22)固定在定子槽内，多个所述定子槽周向均匀开设在所述定子铁心(2)的内圆周面上，所述主绝缘(8)、所述槽楔(22)、所述绕组(6)和所述轴向管道(61)占满整个定子槽。9.根据权利要求8所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述蒸发冷却工质紧贴所述轴向管道(61)和所述轴向通孔(21)流动。10.根据权利要求9所述的一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，其特征在于：所述定子铁心(2)轭部上周向均匀开设至少一个所述轴向通孔(21)。

技术总结
本发明属于电机冷却领域，具体涉及了一种绕组内冷与整体浸泡组合的蒸发冷却电机系统，旨在解决蒸发冷却内冷电机绕组端部和外部冷却系统连接复杂，以及电机主绝缘热导率较小导致槽内绕组温升变大的问题。本发明包括：机壳(1)、绕组(6)、主绝缘(8)、冷凝器(9)；所述冷凝器(9)通过端部冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组(6)的端部区域和弧段区域；所述冷凝器(9)通过槽内冷却系统将蒸发冷却工质输送至绕组(6)槽内区域。本发明通过轴向管道(61)和绕组(6)端部环形浸没腔体相结合，使得热量直接由绕组(6)传递给蒸发冷却工质。提高了电机的散热效率。减少了整体结构的复杂性，提高了电机的安全性和可靠性。的安全性和可靠性。的安全性和可靠性。


技术研发人员：熊斌 鲍炳炎 李祖明 阮琳
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/6