專利名稱：采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電機(jī)，具體涉及采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)是一種工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。例如，在冶煉、礦山、機(jī)械加工等大工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常采用異步電動(dòng)機(jī)為泵類、風(fēng)機(jī)類或者壓縮機(jī)類 設(shè)備提供動(dòng)力。目前，電動(dòng)機(jī)主要采用電磁設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高其可靠性、降低生產(chǎn)成本的目的，而定子電流密度和氣隙磁通密度是進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于低電壓的中小型電動(dòng)機(jī)(如額定工作電壓600伏以下的電動(dòng)機(jī))，需要的絕緣水平很低，定子不需要包主絕緣，因此，定子電流密度可以設(shè)計(jì)得大一些，最大可以取到6.5A/mm2(安培/平方毫米)。而對(duì)于高電壓、大功率的大型電動(dòng)機(jī)(如大型隔爆式異步電動(dòng)機(jī))則需要的絕緣水平較高，定子繞組上必須包一定厚度的主絕緣層(注轉(zhuǎn)子是導(dǎo)條，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上承受的電壓是很低的，不到10伏，所以，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上不用任何絕緣材料。)以保證足夠的電氣絕緣強(qiáng)度，這樣定子電流密度必須要調(diào)小，一般不超過2. 5A/mm2。磁通密度是影響定子鐵心發(fā)熱的主要因素(電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子鐵心損耗很小，可以忽略)。另外，氣隙磁通密度越大，定子鐵心的單位體積損耗越大，發(fā)熱就越嚴(yán)重。因此，對(duì)于高電壓、大功率的大型電動(dòng)機(jī)，需要選定合理的氣隙磁通密度，以保證冷卻系統(tǒng)能夠帶走這樣大的電流密度在主絕緣層里所產(chǎn)生的熱量，以及這樣大的氣隙磁通密度在鐵心中引起的損耗熱量。目前，高電壓、大功率電動(dòng)機(jī)普遍采用的是通風(fēng)冷卻方式，這種冷卻方式的散熱能力很有限，因此氣隙磁通密度一般較低，大致在O. 6 O. 64T(特斯拉)，電流密度一般為2 3A/mm2 (安培/平方毫米)，據(jù)此得到的定子線圈最小主絕緣層為3. Omm(I萬伏額定電壓)左右，無法進(jìn)行降低。眾所周知，新材料、新工藝的應(yīng)用將會(huì)對(duì)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的影響，該道理同樣適用于電機(jī)領(lǐng)域。浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)是由中國科學(xué)院電工研究所獨(dú)創(chuàng)的一種新型的冷卻技術(shù)，采用這種技術(shù)的電機(jī)，定子完全密封在定子密封腔體內(nèi)，且被其內(nèi)充放的低沸點(diǎn)、高絕緣、不燃燒、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)浸泡。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，繞組、鐵心、以及其它結(jié)構(gòu)部件所產(chǎn)生的大量熱量，使冷卻介質(zhì)液體溫度升高，直至表面介質(zhì)汽化，使發(fā)熱部件得以充分冷卻，又因沸騰換熱期間沸騰工質(zhì)的溫度基本分布在飽和溫度點(diǎn)附近，因此，介質(zhì)浸泡的各個(gè)定子部位溫度分布比較均勻，尤其是定子端部無局部過熱點(diǎn)。另外，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)由于具有較高的絕緣性能，而為定子繞組提供了一個(gè)不同于其它冷卻方式的氣、液兩相絕緣環(huán)境，充滿在端部及槽間的工藝間隙內(nèi)，改善了電場(chǎng)分布不均勻情況及局部放電產(chǎn)生的條件，提高了電暈起始電壓，降低游離強(qiáng)度。由于目前高壓、大功率電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法及計(jì)算程序針對(duì)的僅僅是風(fēng)冷卻常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于利用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)作為絕緣新材料的電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)有的電磁設(shè)計(jì)中參數(shù)的選擇并不適用，沒有發(fā)揮出浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。特別是定子絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行很大的改進(jìn)。有鑒于此，亟需針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高其可靠性、降低生產(chǎn)成本，充分發(fā)揮浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述缺陷，本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題在于，提供一種采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，用于充分發(fā)揮浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高高電壓、大功率電機(jī)的工作可靠性，并降低生產(chǎn)成本。本實(shí)用新型提供的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子和環(huán)設(shè)在所述轉(zhuǎn)子上的定子，所述定子密封設(shè)置在定子密封腔體內(nèi)，所述定子密封腔體內(nèi)充注有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，所 述定子上的每個(gè)定子槽內(nèi)沿徑向依次設(shè)置有多個(gè)線圈，每個(gè)所述線圈的側(cè)面均包裹有匝間絕緣，所述匝間絕緣外包裹有定子主絕緣層，以相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)為比照基準(zhǔn)，所述定子主絕緣層的厚度減少50 60% ;所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間的氣隙不變；所述定子的鐵心內(nèi)徑和外徑均減小20 30% ;所述定子槽的槽寬增加25 40%，槽高減小40 60%;所述轉(zhuǎn)子的鐵心內(nèi)徑不變；所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的縱向截面積增大5. O 15%。優(yōu)選地，每一個(gè)所述定子槽內(nèi)的多個(gè)所述線圈平均劃分為上、下兩層布置，且上、下層之間設(shè)有層間絕緣。優(yōu)選地，所述匝間絕緣的厚度為O. I O. 3mm。優(yōu)選地，所述電機(jī)的電壓等級(jí)為10千伏、容量為1120 1800千瓦。本實(shí)用新型提供的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，定子主絕緣層厚度相應(yīng)地減少50 60%，定子的鐵心內(nèi)徑和外徑均減小20 30%，定子槽的槽寬增加25 40%，槽高減小40 60%，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的縱向截面積增大5. O 15%。充分利用了蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的絕緣與傳熱性能，發(fā)揮了浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了電機(jī)的功率密度，使得在相同電壓等級(jí)和容量下，優(yōu)化后的電機(jī)及各主要部件外形尺寸大大減小，進(jìn)而降低了電機(jī)的制造成本。

圖I是具體實(shí)施方式
所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為具體實(shí)施方式
所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電動(dòng)機(jī)中定子槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的核心在于提供一種采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，充分利用了蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的絕緣與傳熱性能，發(fā)揮了浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了電機(jī)的功率密度，使得在相同電壓等級(jí)和容量下，優(yōu)化后的電機(jī)及各主要部件外形尺寸大大減小，進(jìn)而降低了電機(jī)的制造成本。下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作出詳細(xì)的說明。不失一般性，本實(shí)施方式以異步電動(dòng)機(jī)作為具體實(shí)施例進(jìn)行說明。應(yīng)當(dāng)理解，基于本領(lǐng)域技術(shù)人員的一般常識(shí)，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案同樣適用于采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的臥式電機(jī)。圖I示出了采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電動(dòng)機(jī)一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖I所示，本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子I和環(huán)設(shè)在轉(zhuǎn)子I上的定子2，定子2密封設(shè)置在定子密封腔體3內(nèi)，定子密封腔體3內(nèi)充注有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)(圖中以點(diǎn)填充的區(qū)域)。定子2具有沿徑向均布設(shè)置的多個(gè)定子槽，且每個(gè)定子槽內(nèi)均設(shè)有兩個(gè)線圈邊，再參見圖2，圖2是具體實(shí)施方式
所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電動(dòng)機(jī)中定子槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于高壓、大型異步電動(dòng)機(jī)，每個(gè)定子槽內(nèi)放置兩個(gè)定子線圈邊，并分為上、下兩層21、22，中間以層間絕緣23隔開，用槽楔24將兩個(gè)線圈邊22和線圈邊21牢固地壓進(jìn)定子槽21內(nèi)進(jìn)行可靠固定，每個(gè)線圈是由繞組構(gòu)成的，單個(gè)銅線(又稱為電磁線)從下至上
按第(I)、(2)、(3)......匝次序排列繞制而成，各匝間由匝間絕緣25隔開，匝間絕緣25的
厚度為O. I O. 3mm,然后在繞好的繞組上再包一層定子主絕緣層26，其中定子主絕緣層26在電機(jī)運(yùn)行過程中承擔(dān)主要的電氣絕緣強(qiáng)度。前已提到，對(duì)于采用空氣冷卻的電機(jī)，定子主絕緣層較厚，因此定子電流密度必須很低，從而導(dǎo)致電機(jī)使用較多的銅線、絕緣材料和鐵心等材料。本實(shí)用新型中，以相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)為比照基準(zhǔn)，定子主絕緣層厚度減少50 60% ;定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不變；定子的鐵心內(nèi)徑和外徑均減小20 30% ;定子槽的槽寬增加25 40%，槽高減小40 60% ;轉(zhuǎn)子的鐵心內(nèi)徑不變；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條截面積增大5. O 15%。對(duì)于一種采用浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)、電壓等級(jí)為10千伏、容量為1120 1800千瓦的大型隔爆式異步電動(dòng)機(jī)，其優(yōu)化后的主要部件同相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)相比，定子主絕緣層厚度減少50%，定子鐵心的外徑減小24.5%，定子鐵心的內(nèi)徑減小21. 5%，定子槽的槽寬增加30%、槽高減小48. 5%，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及轉(zhuǎn)子槽的截面積增大8. 8%?？梢姡?b>具體實(shí)施方式
提供的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的異步電動(dòng)機(jī)，同常規(guī)的相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)相比，體積減小了 44. 8 %，材料減少了 20 %以上，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩提高了 I. I %，效率提高了 7 %。下面再具體介紹采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。眾所周知，異步電動(dòng)機(jī)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高其主要技術(shù)性能和效率，降低制造成本與運(yùn)行成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要考量以下六個(gè)方面I、力能特性，主要是(I)電機(jī)的效率，即輸出的機(jī)械功率與輸入的電有功功率之比；(2)電機(jī)的功率因數(shù)，功率因數(shù)是衡量某用電設(shè)備使用效果的一項(xiàng)重要參數(shù)，其定義是交流電的有功功率與視在功率之比，功率因數(shù)越大越節(jié)約電力資源，電能的利用率越高。2、運(yùn)行性能，主要包括(I)起動(dòng)性能，由以下三個(gè)起動(dòng)因素組成，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因?yàn)殡姍C(jī)都是帶負(fù)載起動(dòng)，所以需要具備一定的起動(dòng)力矩；電機(jī)的起動(dòng)電流，電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子還沒轉(zhuǎn)起來，此時(shí)電機(jī)呈瞬間短路狀態(tài)，起動(dòng)電流是最大的，需要在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該電流值要加以限制，另外起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流成正比，所以為了保證足夠的起動(dòng)力矩，還需要策略調(diào)整起動(dòng)電流值；電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，是指電機(jī)剛起動(dòng)那一刻到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為止的整個(gè)過程經(jīng)歷的時(shí)間，與電機(jī)的慣性成正比、與電機(jī)的起動(dòng)力矩成反比。(2)最大轉(zhuǎn)矩，指異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩，表明了電機(jī)的帶負(fù)載能力及超載能力。(3)轉(zhuǎn)差率，指異步電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之差的相對(duì)值，是無量綱數(shù)，轉(zhuǎn)差率越小，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性越好，一般額定轉(zhuǎn)差率在O. Ol O. 001范圍左右。3、溫升情況，要求電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱與冷卻相平衡，損耗導(dǎo)致的熱量被及時(shí)帶出電機(jī)體外，總體溫度分布均勻。溫升主要指的是定子鐵心溫升、定子繞組溫升、轉(zhuǎn)子繞組溫升、軸承溫升等。4、有效材料用量與安裝尺寸，指制造電機(jī)需要的所有材料的投入，電機(jī)制成后的大小等。這與電機(jī)的成本有直接的關(guān)系，材料越省，電機(jī)的成本越低，越具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。5、安全可靠性，主要體現(xiàn)在⑴電機(jī)的絕緣性能；(2)超速與超載能力；(3)對(duì)粉塵、水、異物等的防護(hù)能力；(4)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，包括適應(yīng)氣候環(huán)境、電氣環(huán)境等；(5)使用期限與壽命等。電機(jī)的安全可靠性越高，維護(hù)成本越低。6、噪聲與振動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于鐵心勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生合理的低噪聲與振動(dòng)，另外還存 在由定轉(zhuǎn)子裝配時(shí)偏心或者不對(duì)稱、風(fēng)扇抽風(fēng)、通風(fēng)等引起的額外不合理的高噪聲與振動(dòng)等。這些都可以通過電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行一定程度的緩解。上述六個(gè)方面，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，往往相互牽制，即某一個(gè)參數(shù)如果調(diào)大了，可能電機(jī)的力能特性變好了，但是卻引起溫升或者運(yùn)行性能變差了，所以，往往需要設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌規(guī)劃，運(yùn)用必要的數(shù)學(xué)手段，得到最合理的組合方案。另外，對(duì)于這六個(gè)方面，優(yōu)化時(shí)不能面面俱到，要有所側(cè)重，否則這六個(gè)方面可能都不是最優(yōu)了，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還要針對(duì)電機(jī)在使用過程中所面臨的主要問題與薄弱點(diǎn)來形成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。目前，一般的電機(jī)制造企業(yè)都具有自己開發(fā)或者委托其他單位開發(fā)的電磁設(shè)計(jì)程序，可以進(jìn)行一定程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，易懂易學(xué)，使用很方便。例如對(duì)于一臺(tái)電壓等級(jí)為10千伏、容量為1120千瓦的大型隔爆式異步電動(dòng)機(jī)，常規(guī)設(shè)計(jì)是定子主絕緣層厚度3. 5mm,電流密度一般取2A/mm2，采用上述電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最小的定子主絕緣層厚度2. 95_，相應(yīng)的最大電流密度取為2. 89A/mm2，磁通密度取O. 61T。但是，上述優(yōu)化設(shè)計(jì)僅僅是針對(duì)風(fēng)冷式電機(jī)而進(jìn)行的。對(duì)于采用了浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的電機(jī)，現(xiàn)有的電磁設(shè)計(jì)程序并沒有充分考慮到蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的絕緣與傳熱性能對(duì)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響，因此，該程序中的一些主要參數(shù)需要較大修改后才能被使用，特別是定子絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前還沒有就利用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的獨(dú)特性能開展定子主絕緣減薄與提高電流密度的研究，主要原因有以下兩個(gè)方面，其一，蒸發(fā)冷卻電機(jī)目前基本上是大型或者超大型的水輪發(fā)電機(jī)或者汽輪發(fā)電機(jī)，電壓高達(dá)I. 5到2萬伏，電流高達(dá)幾千安培，在這種條件下，要減小定子主絕緣及電流密度是相當(dāng)困難的，可靠性不能完全保證。其二，目前國內(nèi)大型或者超大型的水輪發(fā)電機(jī)或者汽輪發(fā)電機(jī)，均是由國有大型電機(jī)制造企業(yè)或者央企完成制造，制造一臺(tái)這樣的電機(jī)需要投入大量的國有資金，這些企業(yè)不愿意承擔(dān)研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與責(zé)任，對(duì)于可靠性不高的技術(shù)，往往不感興趣。所以，目前的臥式蒸發(fā)冷卻電機(jī)，定子的絕緣結(jié)構(gòu)還是采用常規(guī)絕緣結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子的電負(fù)荷還是按照常規(guī)風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的電負(fù)荷來設(shè)計(jì)，這樣沒有充分挖掘出蒸發(fā)冷卻本身的優(yōu)勢(shì)。浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的冷卻能力大約是空氣通風(fēng)冷卻的十幾倍，而且溫度分布十分均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部過熱點(diǎn)。同時(shí)，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)又是優(yōu)良的液體絕緣材料，擊穿電壓略高于變壓器油，兼?zhèn)涞头悬c(diǎn)、不燃、不爆等性質(zhì)，試驗(yàn)證明液態(tài)或汽液兩相態(tài)的冷卻介質(zhì)擊穿后，只要稍降低一點(diǎn)電壓，就可以自行恢復(fù)絕緣性能，再擊穿的電壓值并無明顯下降，除非在連續(xù)數(shù)十次擊穿后，引起大量炭化，擊穿電壓值才逐漸降低，因此蒸發(fā)冷卻介質(zhì)能夠承擔(dān)較大的絕緣強(qiáng)度，優(yōu)化電場(chǎng)分布。常規(guī)電機(jī)的定子銅導(dǎo)體包主絕緣的厚度，需要綜合電機(jī)的額定電壓等級(jí)、運(yùn)行工況、使用條件、絕緣規(guī)范與工藝等諸多方面來確定，其中起決定性作用的是電壓等級(jí)，按照各電壓等級(jí)，電機(jī)制造廠制定出相應(yīng)的定子主絕緣厚度的企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然這種標(biāo)準(zhǔn)是基于空氣冷卻，定子沒有泡在絕緣介質(zhì)里。定子主絕緣層越厚，發(fā)熱的銅導(dǎo)體散熱越差，內(nèi)外的溫度梯度越大，越不利于電機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前浸泡式蒸發(fā)冷卻臥式電機(jī)，盡管定子泡在了絕緣介質(zhì)里，但是主絕緣的厚度沒有顯著減小，仍沿用空氣冷卻下的絕緣厚度，另外，以往的異步電動(dòng)機(jī)基本上采用空氣冷卻，電流密度按常規(guī)來取是合理的，現(xiàn)在，對(duì)于冷卻效果很高的蒸發(fā)冷卻而言，如果還沿用常規(guī)的電流密度，顯然就大大浪費(fèi)了蒸發(fā)冷卻所帶來的優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，在專門開展了浸泡式蒸發(fā)冷卻定子主絕緣局部放電試驗(yàn)的研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出浸泡在絕緣的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)中的定子，針對(duì)不同的電壓等級(jí)，需要包的定子主絕緣層厚度，試驗(yàn)研究的成果表明，在指定的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)中，定 替。定子主絕緣層減薄，一方面節(jié)約了昂貴的絕緣材料，更主要的是可以進(jìn)一步提高電流密度。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型提供的一種采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法仍沿用常規(guī)的異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序，增大或者調(diào)整其中的主要參數(shù)，提供出新的蒸發(fā)冷卻臥式電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新型電機(jī)。主要包括以下步驟以相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)為比照基準(zhǔn)，將定子主絕緣層的厚度相應(yīng)地減少50 60%，并將定子電流密度相應(yīng)地增大2 2. 5倍；以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)安全規(guī)范為條件，在上述定子主絕緣層厚度和定子電流密度的基礎(chǔ)上，根據(jù)各參數(shù)不同取值的組合計(jì)算結(jié)果，獲得采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)的各部件結(jié)構(gòu)的最小形狀數(shù)據(jù)；所述各參數(shù)包括氣隙磁通密度、定子繞組的匝數(shù)、定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑和外徑以及定子槽和轉(zhuǎn)子槽的高度和寬度。在上述組合計(jì)算中，以下各參數(shù)的選擇規(guī)則為定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不變；定子鐵心的內(nèi)徑和外徑分別按照減小20 30%進(jìn)行選擇；轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)徑不變；定子槽的槽寬按照增加25 40%進(jìn)行選擇,槽高按照減小40 60%進(jìn)行選擇；轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及轉(zhuǎn)子槽的縱向截面積按照增大5. O 15%進(jìn)行選擇；上述參數(shù)增加或減少的比對(duì)基準(zhǔn)為相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)。以本具體實(shí)施方式
中提供的一種電壓等級(jí)為10千伏、容量為1120千瓦的大型隔爆式異步電動(dòng)機(jī)為例，將定子主絕緣層的厚度相應(yīng)地減少50%，并將定子電流密度相應(yīng)地增大2倍，具體優(yōu)化方法為(I)、根據(jù)電流密度確定氣隙磁通密度與定子繞組的匝數(shù)。本實(shí)用新型中，利用常規(guī)的電磁設(shè)計(jì)程序?qū)Χㄗ鱼~損耗、鐵心損耗、功率因數(shù)等計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)增大后的電流密度確定將每個(gè)定子繞組的常規(guī)匝數(shù)減小I匝，氣隙磁通密度比常規(guī)的氣隙磁通密度稍有增加。(2)、確定定子電磁線的線規(guī)與定子槽的尺寸。由于每個(gè)定子繞組的匝數(shù)減小了1，則每個(gè)定子槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)減少2個(gè)，從而導(dǎo)致了功率因數(shù)可能下降，對(duì)此應(yīng)該增加定子和轉(zhuǎn)子的槽寬加以調(diào)節(jié)，定子的槽高應(yīng)盡量小，可以降低槽內(nèi)附加渦流損耗，還利于鐵心軛部的磁通分布。按照電壓、輸出功率、效率、功率因數(shù)等，估算出電機(jī)定子電流，再按照電流密度，計(jì)算出定子銅導(dǎo)體的截面，再根據(jù)這個(gè)截面查電機(jī)材料手冊(cè)中的電磁線線規(guī)，電磁線是由銅導(dǎo)體及其外表面的絕緣層組成，絕緣層很薄，為O. I O. 3mm之間，在電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)中，電磁線的絕緣層做匝間絕緣。一般一個(gè)銅導(dǎo)體截面對(duì)應(yīng)若干種電磁線線規(guī)，大型電機(jī)采用矩形銅導(dǎo)體，線規(guī)的規(guī)格按照高X寬排列，本實(shí)用新型選擇時(shí)，盡量選最寬的線規(guī)，這樣可以增加定子槽寬，同時(shí)線規(guī)的高就自然減小了，進(jìn)而減小定子槽的高度。定子主絕緣層是在定子繞組按一定匝數(shù)繞成后再包的絕緣層，所以，當(dāng)主絕緣厚度減薄近一半后，則定子槽的寬度也隨之減小，但對(duì)最終的定子槽寬的影響不大，定子槽的計(jì)算過程是線圈寬=B+匝間絕緣厚度+主絕緣厚度，線圈高=AX層數(shù)+匝間絕緣厚度+主絕緣厚度，槽寬=線圈寬+槽寬公差+裝配間隙+下線替紙，槽高=2X線圈高+槽高公差+裝配間隙+槽口 到槽底墊的距離+墊條總厚度，其中A為電磁線的高，B為電磁線的寬。最后本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的定子槽的槽寬比常規(guī)設(shè)計(jì)增加了 30%，槽高減小了 48.5%。(3)、根據(jù)(I)、⑵中的定子繞組匝數(shù)、氣隙磁通密度大小及定子槽尺寸(其中氣隙磁通密度=每個(gè)磁極的磁通/定子鐵心的內(nèi)表面積)，接下來確定定子鐵心的主要尺寸。鐵心是主要的磁路，其內(nèi)分布著磁通，鐵心齒部位于鐵心的內(nèi)表面的兩個(gè)槽之間，是磁通密度最大之處，鐵心軛部位于槽的底部到外表面之間的部分，是各極磁通匯集的地方，這兩部分的磁通密度要合理設(shè)計(jì)，否則嚴(yán)重影響到電機(jī)的運(yùn)行狀況，確定好這兩部分磁通密度，也就確定下了鐵心的內(nèi)外徑。經(jīng)過常規(guī)的電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行優(yōu)化組合、設(shè)計(jì)，確定的定子鐵心外徑比常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的定子鐵心減小了 24. 5%，鐵心內(nèi)徑減小了 21. 5%。定轉(zhuǎn)子之間氣隙沒變，仍沿用常規(guī)的尺寸。再根據(jù)定子鐵心尺寸、氣隙，確定轉(zhuǎn)子鐵心的外徑，比常規(guī)電機(jī)減小了 21.5%，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)軸不變，轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)徑不變。本實(shí)用新型主要根據(jù)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上的銅損耗及輸出的力矩來定，導(dǎo)條是銅導(dǎo)體做的，是轉(zhuǎn)子電流的載體，用來產(chǎn)生并輸出力矩，與轉(zhuǎn)子槽的形狀一致，因?yàn)檗D(zhuǎn)子仍采用空氣冷卻方式，所以應(yīng)適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的截面，降低銅損耗，減小其發(fā)熱量，另外轉(zhuǎn)子導(dǎo)條容易斷裂，也可以通過增加導(dǎo)條截面以增大其抵抗變形的強(qiáng)度。本實(shí)用新型將導(dǎo)條及轉(zhuǎn)子槽的截面比常規(guī)設(shè)計(jì)增大了 8.8%，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子損耗比常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)減小了 26%。再增加就會(huì)導(dǎo)致銅材料增加過多以及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，性價(jià)比不合適。經(jīng)過(I)、⑵、(3)所述的優(yōu)化過程，電機(jī)整體尺寸明顯減小，經(jīng)過計(jì)算體積減小了 44. 8%，制造材料用量明顯減小，本實(shí)用新型最終設(shè)計(jì)的隔爆式大型異步電動(dòng)機(jī)，材料比常規(guī)電機(jī)減少了 20%以上，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩提高了 I. I %，效率提高了 7 %。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子和環(huán)設(shè)在所述轉(zhuǎn)子上的定子，所述定子密封設(shè)置在定子密封腔體內(nèi)，所述定子密封腔體內(nèi)充注有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，所述定子上的每個(gè)定子槽內(nèi)沿徑向依次設(shè)置有兩個(gè)線圈邊，每個(gè)所述線圈邊的銅導(dǎo)體均包裹有匝間絕緣，所述匝間絕緣外包裹有定子主絕緣層，其特征在于， 以相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)為比照基準(zhǔn)，所述定子主絕緣層的厚度減少50 60%;所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間的氣隙不變；所述定子的鐵心內(nèi)徑和外徑均減小20 30% ;所述定子槽的槽寬增加25 40%，槽高減小40 60% ;所述轉(zhuǎn)子的鐵心內(nèi)徑不變；所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的縱向截面積增大5. 0 15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，其特征在于，每一個(gè)所述定子槽內(nèi)的兩個(gè)所述線圈邊平均劃分為上、下兩層布置，且上、下層之間設(shè)有層間絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，其特征在于，所述匝間絕緣的厚度為0. I 0. 3_。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，其特征在于， 所述電機(jī)的電壓等級(jí)為10千伏、容量為1120 1800千瓦。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種采用浸泡式蒸發(fā)冷卻的電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子和環(huán)設(shè)在所述轉(zhuǎn)子上的定子，所述定子密封設(shè)置在定子密封腔體內(nèi)，所述定子密封腔體內(nèi)充注有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，以相同電壓等級(jí)和容量的風(fēng)冷式電機(jī)為比照基準(zhǔn)，定子主絕緣層的厚度減少50～60％；定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不變；定子的鐵心內(nèi)徑和外徑均減小20～30％；定子槽的槽寬增加25～40％，槽高減小40～60％；轉(zhuǎn)子的鐵心內(nèi)徑不變；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的縱向截面積增大5.0～15％。本實(shí)用新型充分發(fā)揮了浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在相同電壓等級(jí)和容量下，電機(jī)及各主要部件外形尺寸大大減小，降低了制造成本。
文檔編號(hào)H02K9/20GK202475154SQ20122009347
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者欒茹, 肖富凱 申請(qǐng)人:中冶京誠(湘潭)重工設(shè)備有限公司, 欒茹, 肖富凱