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

　　傳統(tǒng)的冷卻方式（空冷、氫冷、水冷），電機定子單純由固態(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)系列制造標準，但對于浸潤式蒸發(fā)冷卻，帶來一些不容回避的問題m.主要反應在蒸發(fā)冷卻介質(zhì)在實現(xiàn)常溫下、自循環(huán)蒸發(fā)冷卻的同時，提供了一個氣、液兩相狀態(tài)的優(yōu)質(zhì)絕緣環(huán)境，對此常規(guī)的定子絕緣不僅嚴重阻斷了冷卻介質(zhì)與發(fā)熱體――裸導體直接傳熱的途徑，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)外電機領域的學術空白，同時是確定該類型電機設計原則的重要依據(jù)。

　　本文以一臺正在研制中的2500kW高功率密度、高速整流異步發(fā)電機作為研究目標。這臺電機的定子為臥式結(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)勵磁，如此造成了定子側(cè)的熱負荷較一般異步機要高出許多倍，發(fā)熱情況十分嚴重，而且電機將安裝在船艙內(nèi)，該項目負責單位對定子的局部最高運行溫度（包括銅線內(nèi)部）要求不超過75T：，所以，如何在有限的電機體積下控制住定子溫升，成為該臺機組設計的關鍵之一。設計單位經(jīng)過幾番技術方案的論證，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，其沸點適宜（常壓下為47°C）、不燃不爆、無毒、化學性質(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，湘潭電機股份有限公司參照中科院電工所提供的經(jīng)初步仿真計算的絕緣結(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電機額定電壓低，功率密度大，但對定子的溫度分布要求十分嚴格。所以，對上述定子絕緣結(jié)構(gòu)方案的可行性，應主要考核定子在一定熱負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。由于實測定子內(nèi)各點的溫度分布是不可能的（如鐵心與銅導線內(nèi)部的溫度），所以理論上正確計算定子溫度分布就很重要。本文應用專門的電磁、熱問題工作站計算軟件一EMAS，對定子三維溫度場進行仿真研究。、3.2定子最熱段的計算模型浸潤式蒸發(fā)冷卻定子是將整個定￥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位于直線部分中心定子槽內(nèi)的繞組中。據(jù)此，由電機定子結(jié)構(gòu)的對稱性，可取電機定子的半擋鐵心、半個齒距和半個徑向流液溝的鐵心、槽和蒸發(fā)冷卻介質(zhì)作為三維溫度場的計算區(qū)域。如所示。

　　定子槽內(nèi)的上、下層線圈分別對應該電機定子側(cè)的主繞組（輸出電能）與輔助繞組（調(diào)節(jié)勵磁），兩者之間無電的聯(lián)系，根據(jù)實際情況和傳熱學知識，作如下假設：a）定子繞組和鐵心的最熱段位于整個鐵心的中部，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、磁負荷對應的熱負載矢量，包括渦流損耗及銅耗。

　　該數(shù)學模型考慮了輻射換熱過程'即式（1）左側(cè)的第二項。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，在計算本文中溫度場時忽略此項。

　　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，得到對應的單位重量的損耗系數(shù)，進而求得定子鐵心內(nèi)的磁滯損耗，以人為賦予熱流密度的方式，加載到工作站計算模型中的外附加熱負載矢量fV中；渦流損耗及銅耗則通過將相應的頻域電磁場計算的邊界條件加載到計算模型中，由工作站的電磁計算模塊自動予以完成。EMAS工作站用矢電機的定子實際運行溫度為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，對溫度場仿真計算時，取該值會具有實際依據(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繞組區(qū)域內(nèi)，計算頻率取工頻60Hz.在分析交流電磁場時，通常用復數(shù)形式建立數(shù)學模型，且場中線性媒質(zhì)材料參數(shù)與場的頻率有關D流、磁通密度、傳導電流密度、電場強度、磁場強度；￡、//、分別代表介電常數(shù)、電導率和磁導率；《為頻率。

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

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

　　蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的飽和溫度，由定子熱負荷及其密封腔體內(nèi)的壓力決定，定子熱負荷變化，引起腔體內(nèi)壓力發(fā)生相應改變，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，為避免計算規(guī)模過大或單元尺寸相差過分懸殊，本文取等效傳導系數(shù)來處理他們的傳熱計算31.通過傳熱學分析可知，等效的熱傳導系數(shù)為3.5定子溫度場仿真目的及結(jié)果由于電機將應用在空間有限的船艙內(nèi)，顯著地減小發(fā)電機體積是該臺機組設計的另一個關鍵之處。在電機設計中，提高定子的線負荷，即在一定的銅線材料下提高定子電流密度，可以減小電機的體積，但是同時又要保證電機在正常運行時，定子局部的溫度不能超過75°C.所以合理確定這臺發(fā)電機的定子額定電流密度，是本次溫度場仿真的目的。經(jīng)計算，最終確定定子側(cè)（包括主、輔繞組）的額定電流密度不應超過7A/mm2，才能滿足電機的設計與運行要求。電流密度分別為7A/mm2與llA/min2時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)，這是因為定子整體倒坐在密封腔體內(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及結(jié)果分析為確保定子絕緣結(jié)構(gòu)設計的合理性、運行的可靠性，也為了驗證本文提交的溫度場仿真結(jié)論的正確性，湘潭電機股份有限公司采用兩個導線線規(guī)制造定子的兩套試驗線圈，即主繞組和輔助繞組，將繞制完成的試驗線圈下嵌到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際機組的電磁方案中定子槽的設計尺度制成。在線圈的層間及線圈絕緣（或電磁線）與槽絕緣（或槽壁）之間埋設了測溫元件――熱電偶。

　　定子模型放進高壓試驗裝置容器中，加以密封并抽真空，然后緩緩灌入F-113冷卻介質(zhì)，直至將整個定子模型完全浸泡。兩組不同線規(guī)的模擬線圈由導電螺桿引出接到兩個調(diào)壓器，熱電偶由法蘭密封處引出至顯示溫度的標準儀表，連接測電流、電壓的儀表。具體的試驗過程實施如下：同時調(diào)節(jié)兩個調(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到7A/mm2，穩(wěn)定lh，測出該電流密度下的各點溫度。之后使定子模擬線圈的電流密度分別達到9A/mm2、11.5A/mm2、13A/mm2，穩(wěn)定lh，測出對應的各點溫度。

　　試驗電流密度取7A/mm2時，將測得的模擬線圈中的溫度結(jié)果列于表1中，同時列出了同一位置的仿真計算結(jié)果以作對比。由表可見，計算值與實測值的分布規(guī)律吻合，兩者間的最大誤差為20%，符合工程上熱計算誤差的要求，且實測值均小于計算值，所以，本文中采用的三維溫度場的計算方法可行，仿真結(jié)果有很大的價值。密接觸，冷卻介質(zhì)無法進入其中的空間，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時的定子最高溫度是73.57°C，符合運13A/mm2時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，與預期的定子最熱段的估計相符。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、本身的熱負荷較高，再加之定子繞組內(nèi)電流的集膚效應，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，定子鐵心軛部熱負荷相對小，荷情況下發(fā)熱的試驗結(jié)果。從中可見，定子模型在超過額定負荷（7A/mm2）的28.6%（9A/mm2）、64.3%（11.5A/mm2）、85.7%（13A/mm2）等情況下運行時，定子絕緣內(nèi)的溫度均不超過75°C；除導線內(nèi)部的銅以外，各處與冷卻介質(zhì)的運行溫度比較，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額定負荷時絕緣結(jié)構(gòu)溫度分布的對比編號絕緣內(nèi)溫度測童繞組層間線圈絕緣內(nèi)計算值/'c實測值/°C相對誤差/%計算值/X：實測值/X：相對誤差/%計算值/r實測值/'c相對誤差/%表2新型定子絕緣結(jié)構(gòu)超載時的傳熱性能的試驗結(jié)果位置號電流密度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算、模型實驗，對所提出的新型浸潤式蒸發(fā)冷卻異步發(fā)電機定子絕緣結(jié)構(gòu)進行了系統(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，使電機在運行可靠的前提下，大幅度減小其體積，電機材料的利用率可以提高到目前最高的水內(nèi)冷電機的水平，或更高。

　　新型的定子絕緣方案實現(xiàn)了預期的絕緣、傳熱效果，可以為將來同類型機組的定子絕緣結(jié)構(gòu)的設計提供一些依據(jù)。