核心提示：　　蒸發冷卻是一種用于中、大型電力設備散熱的冷卻方式，分管道內冷式及浸潤式，前者多用于立式結構電機，后者多用于臥式結構電機。　　傳統的冷卻方式（空冷、氫冷、水冷），電機定子單純由固態絕緣材料（主要是云

　　蒸發冷卻是一種用于中、大型電力設備散熱的冷卻方式，分管道內冷式及浸潤式，前者多用于立式結構電機，后者多用于臥式結構電機。

　　傳統的冷卻方式（空冷、氫冷、水冷），電機定子單純由固態絕緣材料（主要是云母系列）組成主絕緣結構，并己形成常規系列制造標準，但對于浸潤式蒸發冷卻，帶來一些不容回避的問題m.主要反應在蒸發冷卻介質在實現常溫下、自循環蒸發冷卻的同時，提供了一個氣、液兩相狀態的優質絕緣環境，對此常規的定子絕緣不僅嚴重阻斷了冷卻介質與發熱體――裸導體直接傳熱的途徑，而且對蒸發冷卻介質，其厚度是多余的，應該大幅度減薄，為此，推出氣、液、固三態絕緣材料所構成的新型臥式電機定子絕緣結構。其溫度場分布等問題的研究屬于國內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。

　　本文以一臺正在研制中的2500kW高功率密度、高速整流異步發電機作為研究目標。這臺電機的定子為臥式結構，額定電壓是710V，有兩套繞組，一套用于輸出電能，一套用于調節勵磁，如此造成了定子側的熱負荷較一般異步機要高出許多倍，發熱情況十分嚴重，而且電機將安裝在船艙內，該項目負責單位對定子的局部最高運行溫度（包括銅線內部）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冷卻來帶走定子的熱量。

　　2新型絕緣結構及規范的方案蒸發冷卻介質是F-113，其沸點適宜（常壓下為47°C）、不燃不爆、無毒、化學性質穩定、液態擊穿電壓略高于變壓器油，是良好的絕緣介質。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初步仿真計算的絕緣結構數據，制訂了幾種新型的定子絕緣結構及規范。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的槽絕緣均去掉，只在鐵心槽內布置槽絕緣，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線，薄膜厚度為。375mm，2/3疊包燒結，制成后的電磁線單邊絕緣厚度是0.1125mm. 3蒸發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，對上述定子絕緣結構方案的可行性，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。由于實測定子內各點的溫度分布是不可能的（如鐵心與銅導線內部的溫度），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冷卻定子是將整個定￥密封在腔體內，被其內充放的液態蒸發冷卻介質完全浸泡。定子的端部、鐵心表面與蒸發冷卻介質竟牙接觸，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的繞組中。據此，由電機定子結構的對稱性，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、槽和蒸發冷卻介質作為三維溫度場的計算區域。如所示。

　　定子槽內的上、下層線圈分別對應該電機定子側的主繞組（輸出電能）與輔助繞組（調節勵磁），兩者之間無電的聯系，根據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\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傳熱學理論，EMAS工作站將求解域內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。

　　該數學模型考慮了輻射換熱過程'即式（1）左側的第二項。而本文的浸潤式蒸發冷卻定子完全浸泡在液態蒸發冷卻介質里，其傳熱過程由導熱、散熱面表面的對流換熱等構成的，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，與蒸發冷卻介質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，蒸發冷卻介質區域面按等溫邊界條件處理。

　　3.3熱源的計算和蒸發冷卻介質溫度的確定在求解區域內，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，磁滯損耗需要根據定子齒、軛內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，進而求得定子鐵心內的磁滯損耗，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。

　　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的額定電流密度，沿定子軸向加載在這兩個繞組區域內，計算頻率取工頻60Hz.在分析交流電磁場時，通常用復數形式建立數學模型，且場中線性媒質材料參數與場的頻率有關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、電導率和磁導率；《為頻率。

　　根據流的廣義概念，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模型為通過坡印廷矢量的復數形式，得到損耗功率項為由式（3）帶入式（5）經整理后得到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。

　　蒸發冷卻介質的飽和溫度，由定子熱負荷及其密封腔體內的壓力決定，定子熱負荷變化，引起腔體內壓力發生相應改變，則介質的溫度亦隨之變化。上海西郊變電站50MW蒸發冷卻汽輪發3.4換熱系數和等效傳導系數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的影響，所以準確的沸騰換熱系數幾乎是不能得到的。在工程熱問題的研究中，往往通過沸騰工質在各種物理狀態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區域而言特別小，所以，為避免計算規模過大或單元尺寸相差過分懸殊，本文取等效傳導系數來處理他們的傳熱計算31.通過傳熱學分析可知，等效的熱傳導系數為3.5定子溫度場仿真目的及結果由于電機將應用在空間有限的船艙內，顯著地減小發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電機的定子額定電流密度，是本次溫度場仿真的目的。經計算，最終確定定子側（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，浸潤式蒸發冷卻定子的最熱段位于槽楔下的主繞組內，這是因為定子整體倒坐在密封腔體內，從篼到低依次為定子鐵心軛、齒浸泡在蒸發冷卻介質中，而槽楔底面與腔體壁緊4蒸發冷卻定子的模擬試驗及結果分析為確保定子絕緣結構設計的合理性、運行的可靠性，也為了驗證本文提交的溫度場仿真結論的正確性，湘潭電機股份有限公司采用兩個導線線規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，直至將整個定子模型完全浸泡。兩組不同線規的模擬線圈由導電螺桿引出接到兩個調壓器，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：同時調節兩個調壓器的輸入電流，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果列于表1中，同時列出了同一位置的仿真計算結果以作對比。由表可見，計算值與實測值的分布規律吻合，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，仿真結果有很大的價值。密接觸，冷卻介質無法進入其中的空間，槽楔下表2中列出了定子絕緣結構方案在不同過負與冷卻介質充分接觸，溫度最低。額定電流密度冷卻介質直接接觸，最大溫差出現在電流密度為為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可見，文中提出的用于浸潤式蒸發冷卻定子的絕律，與預期的定子最熱段的估計相符。緣結構及定子額定電流密度是合理、可行的。

　　的主繞組產生的熱量只能通過定子齒傳至其周圍的蒸發冷卻介質，而定子齒內的磁密大、本身的熱負荷較高，再加之定子繞組內電流的集膚效應，形成了槽楔下的主繞組內熱量集中的現象，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，荷情況下發熱的試驗結果。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，定子絕緣內的溫度均不超過75°C；除導線內部的銅以外，各處與冷卻介質的運行溫度比較，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額定負荷時絕緣結構溫度分布的對比編號絕緣內溫度測童繞組層間線圈絕緣內計算值/'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新型定子絕緣結構超載時的傳熱性能的試驗結果位置號電流密度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冷卻異步發電機定子絕緣結構進行了系統性研究，較為成功地解決了氣、液、固三相絕緣體系內定子溫度分布的確定問題，得到如下結論：浸潤式蒸發冷卻三維溫度場仿真計算的算法在工程誤差范圍內可靠，值得推廣。

　　對于浸潤式蒸發冷卻定子，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冷電機的水平，或更高。

　　新型的定子絕緣方案實現了預期的絕緣、傳熱效果，可以為將來同類型機組的定子絕緣結構的設計提供一些依據。