核心提示：　　蒸發(fā)冷卻是一種用于中、大型電力設(shè)備散熱的冷卻方式，分管道內(nèi)冷式及浸潤式，前者多用于立式結(jié)構(gòu)電機(jī)，后者多用于臥式結(jié)構(gòu)電機(jī)。　　傳統(tǒng)的冷卻方式（空冷、氫冷、水冷），電機(jī)定子單純由固態(tài)絕緣材料（主要是云

　　蒸發(fā)冷卻是一種用于中、大型電力設(shè)備散熱的冷卻方式，分管道內(nèi)冷式及浸潤式，前者多用于立式結(jié)構(gòu)電機(jī)，后者多用于臥式結(jié)構(gòu)電機(jī)。

　　傳統(tǒng)的冷卻方式（空冷、氫冷、水冷），電機(jī)定子單純由固態(tài)絕緣材料（主要是云母系列）組成主絕緣結(jié)構(gòu)，并己形成常規(guī)系列制造標(biāo)準(zhǔn)，但對于浸潤式蒸發(fā)冷卻，帶來一些不容回避的問題m.主要反應(yīng)在蒸發(fā)冷卻介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)常溫下、自循環(huán)蒸發(fā)冷卻的同時(shí)，提供了一個(gè)氣、液兩相狀態(tài)的優(yōu)質(zhì)絕緣環(huán)境，對此常規(guī)的定子絕緣不僅嚴(yán)重阻斷了冷卻介質(zhì)與發(fā)熱體――裸導(dǎo)體直接傳熱的途徑，而且對蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，其厚度是多余的，應(yīng)該大幅度減薄，為此，推出氣、液、固三態(tài)絕緣材料所構(gòu)成的新型臥式電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)。其溫度場分布等問題的研究屬于國內(nèi)外電機(jī)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)空白，同時(shí)是確定該類型電機(jī)設(shè)計(jì)原則的重要依據(jù)。

　　本文以一臺(tái)正在研制中的2500kW高功率密度、高速整流異步發(fā)電機(jī)作為研究目標(biāo)。這臺(tái)電機(jī)的定子為臥式結(jié)構(gòu)，額定電壓是710V，有兩套繞組，一套用于輸出電能，一套用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁，如此造成了定子側(cè)的熱負(fù)荷較一般異步機(jī)要高出許多倍，發(fā)熱情況十分嚴(yán)重，而且電機(jī)將安裝在船艙內(nèi)，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位對定子的局部最高運(yùn)行溫度（包括銅線內(nèi)部）要求不超過75T：，所以，如何在有限的電機(jī)體積下控制住定子溫升，成為該臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。設(shè)計(jì)單位經(jīng)過幾番技術(shù)方案的論證，決定采用目前冷卻效果最好的浸潤式蒸發(fā)冷卻來帶走定子的熱量。

　　2新型絕緣結(jié)構(gòu)及規(guī)范的方案蒸發(fā)冷卻介質(zhì)是F-113，其沸點(diǎn)適宜（常壓下為47°C）、不燃不爆、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、液態(tài)擊穿電壓略高于變壓器油，是良好的絕緣介質(zhì)。針對這一固、液、氣三相電絕緣體系，湘潭電機(jī)股份有限公司參照中科院電工所提供的經(jīng)初步仿真計(jì)算的絕緣結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，制訂了幾種新型的定子絕緣結(jié)構(gòu)及規(guī)范。其中比較理想的是：槽絕緣0.2mm厚，取消線圈絕緣，利用電磁線本身的絕緣，定子絕緣總厚度為。3125mm，所有定子鐵心段之間的流液溝內(nèi)的槽絕緣均去掉，只在鐵心槽內(nèi)布置槽絕緣，以強(qiáng)化線圈的散熱效果。定子線圈的電磁線采用的是聚酰亞胺一氟樹脂復(fù)合薄膜燒結(jié)線，薄膜厚度為。375mm，2/3疊包燒結(jié)，制成后的電磁線單邊絕緣厚度是0.1125mm. 3蒸發(fā)冷卻定子最熱段三維溫度場的仿真3.1定子溫度場仿真的必要性這臺(tái)電機(jī)額定電壓低，功率密度大，但對定子的溫度分布要求十分嚴(yán)格。所以，對上述定子絕緣結(jié)構(gòu)方案的可行性，應(yīng)主要考核定子在一定熱負(fù)荷下局部最熱段的溫度分布情況，并以此確定定子繞組的載荷能力，即定子繞組的額定電流密度。由于實(shí)測定子內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布是不可能的（如鐵心與銅導(dǎo)線內(nèi)部的溫度），所以理論上正確計(jì)算定子溫度分布就很重要。本文應(yīng)用專門的電磁、熱問題工作站計(jì)算軟件一EMAS，對定子三維溫度場進(jìn)行仿真研究。、3.2定子最熱段的計(jì)算模型浸潤式蒸發(fā)冷卻定子是將整個(gè)定￥密封在腔體內(nèi)，被其內(nèi)充放的液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)完全浸泡。定子的端部、鐵心表面與蒸發(fā)冷卻介質(zhì)竟牙接觸，熱量很快被帶走，所以定子中最熱段應(yīng)位于直線部分中心定子槽內(nèi)的繞組中。據(jù)此，由電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的對稱性，可取電機(jī)定子的半擋鐵心、半個(gè)齒距和半個(gè)徑向流液溝的鐵心、槽和蒸發(fā)冷卻介質(zhì)作為三維溫度場的計(jì)算區(qū)域。如所示。

　　定子槽內(nèi)的上、下層線圈分別對應(yīng)該電機(jī)定子側(cè)的主繞組（輸出電能）與輔助繞組（調(diào)節(jié)勵(lì)磁），兩者之間無電的聯(lián)系，根據(jù)實(shí)際情況和傳熱學(xué)知識(shí)，作如下假設(shè)：a）定子繞組和鐵心的最熱段位于整個(gè)鐵心的中部，中間截面是絕熱面；定子中心段兩側(cè)的徑向流液溝的中心截面是絕熱面；由周向的對稱性，槽中心面與齒中心面均是絕熱面；由于定子繞組溫升低，可以不考慮因溫度變化所引起的電阻變化，即銅耗只隨電負(fù)荷的變化而改變。

　　注：圖中\(zhòng)為軸向齒、軛中心截面；為徑向的槽中心截面：為徑向的齒中心截面。

　　定子三維溫度場的求解場域根據(jù)傳熱學(xué)理論，EMAS工作站將求解域內(nèi)的溫度場定解問題描述為矢量；為電、磁負(fù)荷對應(yīng)的熱負(fù)載矢量，包括渦流損耗及銅耗。

　　該數(shù)學(xué)模型考慮了輻射換熱過程'即式（1）左側(cè)的第二項(xiàng)。而本文的浸潤式蒸發(fā)冷卻定子完全浸泡在液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)里，其傳熱過程由導(dǎo)熱、散熱面表面的對流換熱等構(gòu)成的，不存在輻射換熱過程，所以，在計(jì)算本文中溫度場時(shí)忽略此項(xiàng)。

　　式（1）的定解條件除上述的絕熱面以外，與蒸發(fā)冷卻介質(zhì)接觸的面為沸熱換熱面，按傳熱學(xué)中的第三類邊界條件處理，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)區(qū)域面按等溫邊界條件處理。

　　3.3熱源的計(jì)算和蒸發(fā)冷卻介質(zhì)溫度的確定在求解區(qū)域內(nèi)，熱源是定子損耗，主要由鐵心損耗（即鐵耗包括渦流損耗、磁滯損耗）和電氣損耗（即銅耗）組成。其中，磁滯損耗需要根據(jù)定子齒、軛內(nèi)的最大磁密查鐵心材料的磁化特性表，得到對應(yīng)的單位重量的損耗系數(shù)，進(jìn)而求得定子鐵心內(nèi)的磁滯損耗，以人為賦予熱流密度的方式，加載到工作站計(jì)算模型中的外附加熱負(fù)載矢量fV中；渦流損耗及銅耗則通過將相應(yīng)的頻域電磁場計(jì)算的邊界條件加載到計(jì)算模型中，由工作站的電磁計(jì)算模塊自動(dòng)予以完成。EMAS工作站用矢電機(jī)的定子實(shí)際運(yùn)行溫度為50‘C，所以，本文在量磁位A作為渦流場邊值方程的求解量見，對溫度場仿真計(jì)算時(shí)，取該值會(huì)具有實(shí)際依據(jù)。

　　為磁場的正交對稱線，在其上滿足第二類齊次邊界條件3/1/3/1=0；心5\為磁場的平行對稱面，屬第一類邊界條件，A為定值；激勵(lì)為定子主繞組及輔助繞組內(nèi)的額定電流密度，沿定子軸向加載在這兩個(gè)繞組區(qū)域內(nèi)，計(jì)算頻率取工頻60Hz.在分析交流電磁場時(shí)，通常用復(fù)數(shù)形式建立數(shù)學(xué)模型，且場中線性媒質(zhì)材料參數(shù)與場的頻率有關(guān)D流、磁通密度、傳導(dǎo)電流密度、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度；￡、//、分別代表介電常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率；《為頻率。

　　根據(jù)流的廣義概念，電磁場中感應(yīng)的電流與磁流是若計(jì)及場中的激勵(lì)源，則交流電磁場的復(fù)數(shù)模型為通過坡印廷矢量的復(fù)數(shù)形式，得到損耗功率項(xiàng)為由式（3）帶入式（5）經(jīng)整理后得到p成復(fù)相對介電強(qiáng)度張量；說復(fù)磁阻率張量；為角頻率。

　　解得各場量后，EMAS工作站采用式（6）計(jì)算鐵心及繞組內(nèi)的渦流損耗和銅損耗，并加載至式（1）中的電、磁負(fù)荷對應(yīng)的熱負(fù)載矢量矩陣中。

　　蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的飽和溫度，由定子熱負(fù)荷及其密封腔體內(nèi)的壓力決定，定子熱負(fù)荷變化，引起腔體內(nèi)壓力發(fā)生相應(yīng)改變，則介質(zhì)的溫度亦隨之變化。上海西郊變電站50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)3.4換熱系數(shù)和等效傳導(dǎo)系數(shù)的確定沸騰換熱受加熱面的材料與表面狀況、加熱面的過熱度、液體所在空間的壓力以及液體的物性等諸多因數(shù)的影響，所以準(zhǔn)確的沸騰換熱系數(shù)幾乎是不能得到的。在工程熱問題的研究中，往往通過沸騰工質(zhì)在各種物理狀態(tài)下的大量的求解域中，含有多種絕緣材料，如槽絕緣、電磁線絕緣、繞組絕緣等，它們的幾何尺寸相對于其它介質(zhì)區(qū)域而言特別小，所以，為避免計(jì)算規(guī)模過大或單元尺寸相差過分懸殊，本文取等效傳導(dǎo)系數(shù)來處理他們的傳熱計(jì)算31.通過傳熱學(xué)分析可知，等效的熱傳導(dǎo)系數(shù)為3.5定子溫度場仿真目的及結(jié)果由于電機(jī)將應(yīng)用在空間有限的船艙內(nèi)，顯著地減小發(fā)電機(jī)體積是該臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵之處。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，提高定子的線負(fù)荷，即在一定的銅線材料下提高定子電流密度，可以減小電機(jī)的體積，但是同時(shí)又要保證電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，定子局部的溫度不能超過75°C.所以合理確定這臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子額定電流密度，是本次溫度場仿真的目的。經(jīng)計(jì)算，最終確定定子側(cè)（包括主、輔繞組）的額定電流密度不應(yīng)超過7A/mm2，才能滿足電機(jī)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行要求。電流密度分別為7A/mm2與llA/min2時(shí)定子的三維溫度場的仿真結(jié)果示于中的（a）、（b）。中給出了電流密度為7A/mm2時(shí)定子繞組的線圈絕緣與層間絕緣中溫度分布的局部放大圖。

　　由上圖可見，浸潤式蒸發(fā)冷卻定子的最熱段位于槽楔下的主繞組內(nèi)，這是因?yàn)槎ㄗ诱w倒坐在密封腔體內(nèi)，從篼到低依次為定子鐵心軛、齒浸泡在蒸發(fā)冷卻介質(zhì)中，而槽楔底面與腔體壁緊4蒸發(fā)冷卻定子的模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析為確保定子絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、運(yùn)行的可靠性，也為了驗(yàn)證本文提交的溫度場仿真結(jié)論的正確性，湘潭電機(jī)股份有限公司采用兩個(gè)導(dǎo)線線規(guī)制造定子的兩套試驗(yàn)線圈，即主繞組和輔助繞組，將繞制完成的試驗(yàn)線圈下嵌到E型模擬鐵心的凹槽中，線圈層間墊以1mm厚的層間絕緣，然后用槽楔壓緊，E型模擬鐵心的凹槽尺寸完全按照實(shí)際機(jī)組的電磁方案中定子槽的設(shè)計(jì)尺度制成。在線圈的層間及線圈絕緣（或電磁線）與槽絕緣（或槽壁）之間埋設(shè)了測溫元件――熱電偶。

　　定子模型放進(jìn)高壓試驗(yàn)裝置容器中，加以密封并抽真空，然后緩緩灌入F-113冷卻介質(zhì)，直至將整個(gè)定子模型完全浸泡。兩組不同線規(guī)的模擬線圈由導(dǎo)電螺桿引出接到兩個(gè)調(diào)壓器，熱電偶由法蘭密封處引出至顯示溫度的標(biāo)準(zhǔn)儀表，連接測電流、電壓的儀表。具體的試驗(yàn)過程實(shí)施如下：同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)調(diào)壓器的輸入電流，使其輸入到定子模擬線圈的電流密度達(dá)到7A/mm2，穩(wěn)定lh，測出該電流密度下的各點(diǎn)溫度。之后使定子模擬線圈的電流密度分別達(dá)到9A/mm2、11.5A/mm2、13A/mm2，穩(wěn)定lh，測出對應(yīng)的各點(diǎn)溫度。

　　試驗(yàn)電流密度取7A/mm2時(shí)，將測得的模擬線圈中的溫度結(jié)果列于表1中，同時(shí)列出了同一位置的仿真計(jì)算結(jié)果以作對比。由表可見，計(jì)算值與實(shí)測值的分布規(guī)律吻合，兩者間的最大誤差為20%，符合工程上熱計(jì)算誤差的要求，且實(shí)測值均小于計(jì)算值，所以，本文中采用的三維溫度場的計(jì)算方法可行，仿真結(jié)果有很大的價(jià)值。密接觸，冷卻介質(zhì)無法進(jìn)入其中的空間，槽楔下表2中列出了定子絕緣結(jié)構(gòu)方案在不同過負(fù)與冷卻介質(zhì)充分接觸，溫度最低。額定電流密度冷卻介質(zhì)直接接觸，最大溫差出現(xiàn)在電流密度為為7A/mm2時(shí)的定子最高溫度是73.57°C，符合運(yùn)13A/mm2時(shí)繞組層間與冷卻介質(zhì)之間，為9.4°C.行要求并留有一定余量。這一仿真的溫度分布規(guī)可見，文中提出的用于浸潤式蒸發(fā)冷卻定子的絕律，與預(yù)期的定子最熱段的估計(jì)相符。緣結(jié)構(gòu)及定子額定電流密度是合理、可行的。

　　的主繞組產(chǎn)生的熱量只能通過定子齒傳至其周圍的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，而定子齒內(nèi)的磁密大、本身的熱負(fù)荷較高，再加之定子繞組內(nèi)電流的集膚效應(yīng)，形成了槽楔下的主繞組內(nèi)熱量集中的現(xiàn)象，靠近定子鐵軛的輔助繞組，相對主繞組而言熱量傳散得快，但因銅耗較鐵耗大近8倍，所以它比定子齒部的溫度高一些，定子鐵心軛部熱負(fù)荷相對小，荷情況下發(fā)熱的試驗(yàn)結(jié)果。從中可見，定子模型在超過額定負(fù)荷（7A/mm2）的28.6%（9A/mm2）、64.3%（11.5A/mm2）、85.7%（13A/mm2）等情況下運(yùn)行時(shí)，定子絕緣內(nèi)的溫度均不超過75°C；除導(dǎo)線內(nèi)部的銅以外，各處與冷卻介質(zhì)的運(yùn)行溫度比較，溫升不到10°C.線圈整體的溫度分布比較均勻，由于無線圈絕緣，不存在絕緣層溫降，電磁線與表1額定負(fù)荷時(shí)絕緣結(jié)構(gòu)溫度分布的對比編號(hào)絕緣內(nèi)溫度測童繞組層間線圈絕緣內(nèi)計(jì)算值/'c實(shí)測值/°C相對誤差/%計(jì)算值/X：實(shí)測值/X：相對誤差/%計(jì)算值/r實(shí)測值/'c相對誤差/%表2新型定子絕緣結(jié)構(gòu)超載時(shí)的傳熱性能的試驗(yàn)結(jié)果位置號(hào)電流密度A/mm2繞組層間溫度/"C電磁線絕緣外溫度/'C液體溫度rc 5結(jié)論本文通過三維溫度場仿真計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)，對所提出的新型浸潤式蒸發(fā)冷卻異步發(fā)電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，較為成功地解決了氣、液、固三相絕緣體系內(nèi)定子溫度分布的確定問題，得到如下結(jié)論：浸潤式蒸發(fā)冷卻三維溫度場仿真計(jì)算的算法在工程誤差范圍內(nèi)可靠，值得推廣。

　　對于浸潤式蒸發(fā)冷卻定子，采用新型的定子絕緣方案，可以提高電流密度，使電機(jī)在運(yùn)行可靠的前提下，大幅度減小其體積，電機(jī)材料的利用率可以提高到目前最高的水內(nèi)冷電機(jī)的水平，或更高。

　　新型的定子絕緣方案實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的絕緣、傳熱效果，可以為將來同類型機(jī)組的定子絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)。