电机冷却技术

电机冷却技术

哈尔滨大电机研究所刘维维

一、电机的发热

发电机作为一种能量转换机构，在工作过程中不可避免地要伴随能量的损耗。主要包括：（一）磁通变化时，在铁芯内部产生的损耗——铁心损耗；（二）电流流经定子绕组是产生的损耗——绕组损耗；（三）电机工作过程中轴承等部件摩擦产生的损耗——机械损耗及附加损耗。这些损耗绝大部分都以热量的形式散失的电机内部使其温度升高，最终导致电机效率降低、运行的经济性变差，使用寿命缩短。

在电机工作过程中表征其内部损耗的一个重要指标就是电机的温升，如何减少电机损耗，改善冷却条件使热量散发出去，将电机温升控制在一定范围内是一项必须给予高度重视的任务。为此，从事电机研究的工作人员对电机的冷却方式在进行着不断的改进，努力寻求更高效更合理的冷却技术。

二、电机的冷却方式

从现有的电机冷却系统来看，电机的冷却方式主要有气冷（空气冷却、氢气冷却）、气液冷以及液冷（冷却介质主要包括水、油、氟利昂等）几种。

一般来说，空气冷却主要应用于中小型电机，广泛应用于各种型号的水轮发电机，从微型水轮发电机到诸如委内瑞拉的724.5MW的巨型水轮发电机均采用空气冷却技术。在国内同样有许多空冷机组，如葛洲坝二江电站的170MW低水头电机。30年代末以前，几乎所有的汽轮发电机都是采用空气冷却的，直至目前为止，空气冷却在汽轮发电机的冷却中仍占重要地位。

氢气冷却最早是由美国通用公司在汽轮发电机上引入使用的，并且随着技术水平的提高逐渐在大容量的汽轮发电机上得到应用，同时，也从早期的仅限于绕组表面氢气冷却发展为定子氢内冷——氢气流过定子铜线中的空芯钢管带走热量，从而达到冷却的目的。目前，氢气冷却主要应用于500MW以下的汽轮发电机组。

气液冷主要是应用于气冷不能满足散热要求的场合，由于液体具有相对于气体更大的比热和导热系统这些特点，用液体（主要是水）来替代部分气体使得冷却效果大为提升。普遍采用的气液冷为水气冷却——空心的定子绕组采用液体

（水）冷却，转子采用空气冷却。

水冷却自上世纪五十年代开始，从最初的冷却电机定子绕组发展为冷却转子绕组，完成了电机冷却技术上的一次重要突破。这种冷却方式在早期的电机冷却研究中的功绩是有目共睹的，在我国，该冷却方式在汽轮发电机中用得最多，上世纪五十年代末，曾在短短的两年内我国完成了从12MW水冷式汽轮发电机到100MW机组的开发生产，而目前BBC、EEC等厂家生产的应用水冷的汽轮发电机组容量已经达到了1200MW。

三、电机的通风散热研究

通风冷却的分类方式有很多种，按冷却方式可分为（1）仅靠电机表面辐射和空气自然对流获得的冷却——自然冷却；（2）通过电机自身所驱动的风扇获得的冷却——自通风冷却；（3）通过独立驱动的风扇和鼓风机获得的冷却——强迫通风冷却；（4）冷却过程中，冷却空气由管道引入或排出的冷却——管道通风冷却。按冷却结构可以分为（1）冷却空气仅通过绕组、铁芯、机壳表面间接将热量带走的表面冷却（自冷式、自扇冷式和他扇冷式）和（2）冷却空气流过导体内部直接带走热量的内部冷却。从定子通风结构又分单风区，多风区，正向通风与逆向通风等不同结构。而转子绕组内冷通风结构则有气隙取气斜流通风，附槽进风的轴径向混合通风，附槽进风的全径向通风等方式。而在电机的各种通风散热中，蒸发冷却是一种值得关注的冷却方式。

蒸发冷却电机是基于沸腾换热机理，绝缘冷却介质依赖特定的冷却循环回路对电机发热体实现冷却的一种冷却方式。对于定子来说，整个定子完全封闭在机壳内腔体内，腔内的绕组，铁芯和所有发热部件被液态蒸发冷却介质充分全浸。定子腔内的冷却介质受热气化后，产生密度差，在重力的作用下，就会产生流动压头，含热两相介质克服定子腔中的阻力压降，上升到系统中压力较低的机座顶部冷凝器，与冷凝器中二次冷却水进行热交换后以液滴的形势下落，重返定子内，如此形成一个周而复始的蒸发冷却自循环过程。这种冷却方式是目前大容量机组所普遍采用的。对于转子来说，采用氢气冷却，冷却气体在外加高压风扇的作用下，由转子两端护环下进风孔进入导体轴向风道，经转子中部径向风道由槽楔上的出风孔排至气隙。

目前，电机内温度的计算有两个主要方法，等效热路法和温度场法，而温度

场法又分为等效热网络法和数值计算法，数值计算法主要指有限元法。等效热路法是利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有集中参数的热路来进行计算，把分布的真实热源和热阻用集中的热源和热阻代替，形成等效热路。等效热网络法是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行热分析的一种方法。它实质是把热路法的参数和热源进行局部分布参数化。有限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。有文章指出如果CFD 的精确度在装有精确测量仪器的模型试验中得到证实，那么CFD 作为电机优化设计的网络法的补充手段，是颇具价值的。它可做为一种独立的工具来计算流体、传热、温度甚至通风损耗。这种对流体和传热计算的新方法可优化电机几何结构，得到均匀的温度曲线，避免温度峰值过高缩短电机寿命。此外，用这种方法得出的结果可改善网络模型的假设，因此，这些方法可以互相补充。

纵观发电机的冷却技术，每种冷却方式都存在各自的优缺点，如何针对实际机组选择并优化冷却系统是我们研究中的重要问题。而在对发电机通风散热的研究中将计算流体力学（CFD）与网络法相结合是全面了解电机温度等参数的重要手段。