新型浸润式蒸发冷却电机定子三维温度场的研究

核心提示：　　蒸发冷却是一种用于中、大型电力设备散热的冷却方式，分管道内冷式及浸润式，前者多用于立式结构电机，后者多用于卧式结构电机。　　传统的冷却方式（空冷、氢冷、水冷），电机定子单纯由固态绝缘材料（主要是云

　　蒸发冷却是一种用于中、大型电力设备散热的冷却方式，分管道内冷式及浸润式，前者多用于立式结构电机，后者多用于卧式结构电机。

　　传统的冷却方式（空冷、氢冷、水冷），电机定子单纯由固态绝缘材料（主要是云母系列）组成主绝缘结构，并己形成常规系列制造标准，但对于浸润式蒸发冷却，带来一些不容回避的问题m.主要反应在蒸发冷却介质在实现常温下、自循环蒸发冷却的同时，提供了一个气、液两相状态的优质绝缘环境，对此常规的定子绝缘不仅严重阻断了冷却介质与发热体――裸导体直接传热的途径，而且对蒸发冷却介质，其厚度是多余的，应该大幅度减薄，为此，推出气、液、固三态绝缘材料所构成的新型卧式电机定子绝缘结构。其温度场分布等问题的研究属于国内外电机领域的学术空白，同时是确定该类型电机设计原则的重要依据。

　　本文以一台正在研制中的2500kW高功率密度、高速整流异步发电机作为研究目标。这台电机的定子为卧式结构，额定电压是710V，有两套绕组，一套用于输出电能，一套用于调节励磁，如此造成了定子侧的热负荷较一般异步机要高出许多倍，发热情况十分严重，而且电机将安装在船舱内，该项目负责单位对定子的局部最高运行温度（包括铜线内部）要求不超过75T：，所以，如何在有限的电机体积下控制住定子温升，成为该台机组设计的关键之一。设计单位经过几番技术方案的论证，决定采用目前冷却效果最好的浸润式蒸发冷却来带走定子的热量。

　　2新型绝缘结构及规范的方案蒸发冷却介质是F-113，其沸点适宜（常压下为47°C）、不燃不爆、无毒、化学性质稳定、液态击穿电压略高于变压器油，是良好的绝缘介质。针对这一固、液、气三相电绝缘体系，湘潭电机股份有限公司参照中科院电工所提供的经初步仿真计算的绝缘结构数据，制订了几种新型的定子绝缘结构及规范。其中比较理想的是：槽绝缘0.2mm厚，取消线圈绝缘，利用电磁线本身的绝缘，定子绝缘总厚度为。3125mm，所有定子铁心段之间的流液沟内的槽绝缘均去掉，只在铁心槽内布置槽绝缘，以强化线圈的散热效果。定子线圈的电磁线采用的是聚酰亚胺一氟树脂复合薄膜烧结线，薄膜厚度为。375mm，2/3叠包烧结，制成后的电磁线单边绝缘厚度是0.1125mm. 3蒸发冷却定子最热段三维温度场的仿真3.1定子温度场仿真的必要性这台电机额定电压低，功率密度大，但对定子的温度分布要求十分严格。所以，对上述定子绝缘结构方案的可行性，应主要考核定子在一定热负荷下局部最热段的温度分布情况，并以此确定定子绕组的载荷能力，即定子绕组的额定电流密度。由于实测定子内各点的温度分布是不可能的（如铁心与铜导线内部的温度），所以理论上正确计算定子温度分布就很重要。本文应用专门的电磁、热问题工作站计算软件一EMAS，对定子三维温度场进行仿真研究。、3.2定子最热段的计算模型浸润式蒸发冷却定子是将整个定￥密封在腔体内，被其内充放的液态蒸发冷却介质完全浸泡。定子的端部、铁心表面与蒸发冷却介质竟牙接触，热量很快被带走，所以定子中最热段应位于直线部分中心定子槽内的绕组中。据此，由电机定子结构的对称性，可取电机定子的半挡铁心、半个齿距和半个径向流液沟的铁心、槽和蒸发冷却介质作为三维温度场的计算区域。如所示。

　　定子槽内的上、下层线圈分别对应该电机定子侧的主绕组（输出电能）与辅助绕组（调节励磁），两者之间无电的联系，根据实际情况和传热学知识，作如下假设：a）定子绕组和铁心的最热段位于整个铁心的中部，中间截面是绝热面；定子中心段两侧的径向流液沟的中心截面是绝热面；由周向的对称性，槽中心面与齿中心面均是绝热面；由于定子绕组温升低，可以不考虑因温度变化所引起的电阻变化，即铜耗只随电负荷的变化而改变。

　　注：图中\为轴向齿、轭中心截面；为径向的槽中心截面：为径向的齿中心截面。

　　定子三维温度场的求解场域根据传热学理论，EMAS工作站将求解域内的温度场定解问题描述为矢量；为电、磁负荷对应的热负载矢量，包括涡流损耗及铜耗。

　　该数学模型考虑了辐射换热过程'即式（1）左侧的第二项。而本文的浸润式蒸发冷却定子完全浸泡在液态蒸发冷却介质里，其传热过程由导热、散热面表面的对流换热等构成的，不存在辐射换热过程，所以，在计算本文中温度场时忽略此项。

　　式（1）的定解条件除上述的绝热面以外，与蒸发冷却介质接触的面为沸热换热面，按传热学中的第三类边界条件处理，蒸发冷却介质区域面按等温边界条件处理。

　　3.3热源的计算和蒸发冷却介质温度的确定在求解区域内，热源是定子损耗，主要由铁心损耗（即铁耗包括涡流损耗、磁滞损耗）和电气损耗（即铜耗）组成。其中，磁滞损耗需要根据定子齿、轭内的最大磁密查铁心材料的磁化特性表，得到对应的单位重量的损耗系数，进而求得定子铁心内的磁滞损耗，以人为赋予热流密度的方式，加载到工作站计算模型中的外附加热负载矢量fV中；涡流损耗及铜耗则通过将相应的频域电磁场计算的边界条件加载到计算模型中，由工作站的电磁计算模块自动予以完成。EMAS工作站用矢电机的定子实际运行温度为50‘C，所以，本文在量磁位A作为涡流场边值方程的求解量见，对温度场仿真计算时，取该值会具有实际依据。

　　为磁场的正交对称线，在其上满足第二类齐次边界条件3/1/3/1=0；心5\为磁场的平行对称面，属第一类边界条件，A为定值；激励为定子主绕组及辅助绕组内的额定电流密度，沿定子轴向加载在这两个绕组区域内，计算频率取工频60Hz.在分析交流电磁场时，通常用复数形式建立数学模型，且场中线性媒质材料参数与场的频率有关D流、磁通密度、传导电流密度、电场强度、磁场强度；￡、//、分别代表介电常数、电导率和磁导率；《为频率。

　　根据流的广义概念，电磁场中感应的电流与磁流是若计及场中的激励源，则交流电磁场的复数模型为通过坡印廷矢量的复数形式，得到损耗功率项为由式（3）带入式（5）经整理后得到p成复相对介电强度张量；说复磁阻率张量；为角频率。

　　解得各场量后，EMAS工作站采用式（6）计算铁心及绕组内的涡流损耗和铜损耗，并加载至式（1）中的电、磁负荷对应的热负载矢量矩阵中。

　　蒸发冷却介质的饱和温度，由定子热负荷及其密封腔体内的压力决定，定子热负荷变化，引起腔体内压力发生相应改变，则介质的温度亦随之变化。上海西郊变电站50MW蒸发冷却汽轮发3.4换热系数和等效传导系数的确定沸腾换热受加热面的材料与表面状况、加热面的过热度、液体所在空间的压力以及液体的物性等诸多因数的影响，所以准确的沸腾换热系数几乎是不能得到的。在工程热问题的研究中，往往通过沸腾工质在各种物理状态下的大量的求解域中，含有多种绝缘材料，如槽绝缘、电磁线绝缘、绕组绝缘等，它们的几何尺寸相对于其它介质区域而言特别小，所以，为避免计算规模过大或单元尺寸相差过分悬殊，本文取等效传导系数来处理他们的传热计算31.通过传热学分析可知，等效的热传导系数为3.5定子温度场仿真目的及结果由于电机将应用在空间有限的船舱内，显著地减小发电机体积是该台机组设计的另一个关键之处。在电机设计中，提高定子的线负荷，即在一定的铜线材料下提高定子电流密度，可以减小电机的体积，但是同时又要保证电机在正常运行时，定子局部的温度不能超过75°C.所以合理确定这台发电机的定子额定电流密度，是本次温度场仿真的目的。经计算，最终确定定子侧（包括主、辅绕组）的额定电流密度不应超过7A/mm2，才能满足电机的设计与运行要求。电流密度分别为7A/mm2与llA/min2时定子的三维温度场的仿真结果示于中的（a）、（b）。中给出了电流密度为7A/mm2时定子绕组的线圈绝缘与层间绝缘中温度分布的局部放大图。

　　由上图可见，浸润式蒸发冷却定子的最热段位于槽楔下的主绕组内，这是因为定子整体倒坐在密封腔体内，从篼到低依次为定子铁心轭、齿浸泡在蒸发冷却介质中，而槽楔底面与腔体壁紧4蒸发冷却定子的模拟试验及结果分析为确保定子绝缘结构设计的合理性、运行的可靠性，也为了验证本文提交的温度场仿真结论的正确性，湘潭电机股份有限公司采用两个导线线规制造定子的两套试验线圈，即主绕组和辅助绕组，将绕制完成的试验线圈下嵌到E型模拟铁心的凹槽中，线圈层间垫以1mm厚的层间绝缘，然后用槽楔压紧，E型模拟铁心的凹槽尺寸完全按照实际机组的电磁方案中定子槽的设计尺度制成。在线圈的层间及线圈绝缘（或电磁线）与槽绝缘（或槽壁）之间埋设了测温元件――热电偶。

　　定子模型放进高压试验装置容器中，加以密封并抽真空，然后缓缓灌入F-113冷却介质，直至将整个定子模型完全浸泡。两组不同线规的模拟线圈由导电螺杆引出接到两个调压器，热电偶由法兰密封处引出至显示温度的标准仪表，连接测电流、电压的仪表。具体的试验过程实施如下：同时调节两个调压器的输入电流，使其输入到定子模拟线圈的电流密度达到7A/mm2，稳定lh，测出该电流密度下的各点温度。之后使定子模拟线圈的电流密度分别达到9A/mm2、11.5A/mm2、13A/mm2，稳定lh，测出对应的各点温度。

　　试验电流密度取7A/mm2时，将测得的模拟线圈中的温度结果列于表1中，同时列出了同一位置的仿真计算结果以作对比。由表可见，计算值与实测值的分布规律吻合，两者间的最大误差为20%，符合工程上热计算误差的要求，且实测值均小于计算值，所以，本文中采用的三维温度场的计算方法可行，仿真结果有很大的价值。密接触，冷却介质无法进入其中的空间，槽楔下表2中列出了定子绝缘结构方案在不同过负与冷却介质充分接触，温度最低。额定电流密度冷却介质直接接触，最大温差出现在电流密度为为7A/mm2时的定子最高温度是73.57°C，符合运13A/mm2时绕组层间与冷却介质之间，为9.4°C.行要求并留有一定余量。这一仿真的温度分布规可见，文中提出的用于浸润式蒸发冷却定子的绝律，与预期的定子最热段的估计相符。缘结构及定子额定电流密度是合理、可行的。

　　的主绕组产生的热量只能通过定子齿传至其周围的蒸发冷却介质，而定子齿内的磁密大、本身的热负荷较高，再加之定子绕组内电流的集肤效应，形成了槽楔下的主绕组内热量集中的现象，靠近定子铁轭的辅助绕组，相对主绕组而言热量传散得快，但因铜耗较铁耗大近8倍，所以它比定子齿部的温度高一些，定子铁心轭部热负荷相对小，荷情况下发热的试验结果。从中可见，定子模型在超过额定负荷（7A/mm2）的28.6%（9A/mm2）、64.3%（11.5A/mm2）、85.7%（13A/mm2）等情况下运行时，定子绝缘内的温度均不超过75°C；除导线内部的铜以外，各处与冷却介质的运行温度比较，温升不到10°C.线圈整体的温度分布比较均匀，由于无线圈绝缘，不存在绝缘层温降，电磁线与表1额定负荷时绝缘结构温度分布的对比编号绝缘内温度测童绕组层间线圈绝缘内计算值/'c实测值/°C相对误差/%计算值/X：实测值/X：相对误差/%计算值/r实测值/'c相对误差/%表2新型定子绝缘结构超载时的传热性能的试验结果位置号电流密度A/mm2绕组层间温度/"C电磁线绝缘外温度/'C液体温度rc 5结论本文通过三维温度场仿真计算、模型实验，对所提出的新型浸润式蒸发冷却异步发电机定子绝缘结构进行了系统性研究，较为成功地解决了气、液、固三相绝缘体系内定子温度分布的确定问题，得到如下结论：浸润式蒸发冷却三维温度场仿真计算的算法在工程误差范围内可靠，值得推广。

　　对于浸润式蒸发冷却定子，采用新型的定子绝缘方案，可以提高电流密度，使电机在运行可靠的前提下，大幅度减小其体积，电机材料的利用率可以提高到目前最高的水内冷电机的水平，或更高。

　　新型的定子绝缘方案实现了预期的绝缘、传热效果，可以为将来同类型机组的定子绝缘结构的设计提供一些依据。