專利名稱：一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)及其工作方法,屬永磁電機和電機傳熱領域。
背景技術：
透平膨脹機具有尺寸小、質量輕、壽命長維護方便等優(yōu)點，20世紀50年代開始就在制冷場合大量應用。20世紀70年代的能源危機促進了透平膨脹機發(fā)電機在能量回收方面的應用。傳統(tǒng)上，低速的發(fā)電機與高速的膨脹機通過減速機構傳動，導致系統(tǒng)體積大，故障率高、維護成本高。近年來，隨著高速永磁電機技術的發(fā)展，直接驅動的透平膨脹機發(fā)電機憑借其體積小、成本低的優(yōu)點，日益引起廣大科研人員的重視，并獲得了小范圍的應用。目前用于能量回收的膨脹機發(fā)電機多采用R123(三氟二氯乙烷)等高溫工質，入口溫度多在110攝氏度以上，給直驅式的電機散熱帶來了很大的挑戰(zhàn)。同時，永磁高速電機功率密度大，體積小，這也意味著散熱面積小。此外，為防止輪背處的工質泄露，機殼需要加壓密封，這就加大了轉子風摩損耗。高速電機的溫升，尤其是轉子永磁體溫升對電機性能的影響很大，廣泛使用的釹鐵硼永磁體最高工作溫度僅為220攝氏度，且溫度每升高一度，永磁體矯頑力就要下降0.5%。釤鈷永磁體雖然溫度系數(shù)小，工作溫度高，但價格昂貴。高速永磁電機廣泛采用定子水套/油套冷卻和轉子風冷相結合的方法。但在直驅式的透平膨脹機永磁發(fā)電機系統(tǒng)中，發(fā)電機機殼內(nèi)充滿了加壓的氣態(tài)工質，且循環(huán)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，不能引入空氣等雜質，因此不能采用通風的辦法對轉子進行風冷。如果僅采用定子水套/油套冷卻，由于氣隙的存在，很難有效地降低轉子溫升。綜上所述，為有效改善直驅式透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻，必須對冷卻系統(tǒng)進行特殊的設計。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是為提出一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)。該種冷卻系統(tǒng)采用膨脹機的工質作為冷卻介質，可對電機定轉子進行有效的冷卻而不將雜質引入膨脹機工質中。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用了如下的技術方案:一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，該透平膨脹機永磁發(fā)電機包括一個有機朗肯循環(huán)回路，所述有機朗肯循環(huán)回路包括集液器，所述集液器出口依次通過循環(huán)泵和蒸發(fā)器與膨脹機進口相連，膨脹機出口通過冷凝器與集液器進口相連，所述蒸發(fā)器與熱源相連，所述冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，所述內(nèi)冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼上的噴口和泄壓孔，所述噴口外側設置內(nèi)冷卻通道液泵，所述外冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼內(nèi)的冷卻流道，以及設置發(fā)電機機殼上的且分別與所述冷卻流道的兩端相連的流道入口和流道出口，所述流道入口外側設置外冷卻通道液泵；所述內(nèi)冷卻通道液泵和外冷卻通道液泵均與集液 器相連，所述泄壓孔與蒸發(fā)器相連，所述流道出口與循環(huán)泵相連。
在本發(fā)明中，進一步的，所述冷卻流道設置在發(fā)電機機殼內(nèi)壁上。該透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)的工作方法為:內(nèi)冷卻通道液泵將集液器中的液態(tài)工質的泵入噴口，噴至發(fā)電機機殼內(nèi)部，液態(tài)工質在吸收發(fā)電機轉子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔、泄壓閥通入與熱源相連的蒸發(fā)器中，然后與有機朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質一起進入膨脹機進口推動葉輪做功，之后由膨脹機出口進入冷凝器重新變?yōu)橐簯B(tài)工質，最后回到集液器中；外冷卻通道液泵將集液器中的液態(tài)工質的通過流道入口泵入冷卻流道，液態(tài)工質在泵入冷卻流道內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機定子上的熱量，然后經(jīng)流道出口通入循環(huán)泵中，與有機朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質一起進入蒸發(fā)器進行氣化，氣體進入膨脹機進口推動葉輪做功，之后由膨脹機出口進入冷凝器重新變?yōu)橐簯B(tài)工質，最后回到集液器中。在本發(fā)明中，進一步的，進入至發(fā)電機機殼內(nèi)腔和冷卻流道內(nèi)的液態(tài)工質之和占集液器中液態(tài)工質總量的5%以下。有益效果:本發(fā)明中的冷卻系統(tǒng)是利用透平膨脹機永磁發(fā)電機的有機朗肯循環(huán)，將一小部分工質用作冷卻介質，分別通入內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道內(nèi)，對電機定子進行液冷，對轉子進行蒸發(fā)冷卻，既實現(xiàn)了電機的轉子冷卻，又保證了機殼的加壓密封。另外，發(fā)電機產(chǎn)生的廢熱也通過冷卻系統(tǒng)收集起來，加入了做功循環(huán)中，提高了系統(tǒng)的整體效率，降低了電機溫升，收到了關鍵的有益效果。


圖1是本發(fā)明實施例的示意圖。圖中各標號的名稱為:1、膨脹機進口，2、膨脹機出口，3、膨脹機葉輪，4、軸承，5、噴口，6、泄壓孔，7、流道入口，8、流道出口，9、冷卻流道，10、繞組端部，11、電機定子鐵心，12、永磁體，13、轉子護套，14、軸，15、發(fā)電機機殼，16、冷凝器，17、集液器，18、循環(huán)泵，19、泄壓閥，20、內(nèi)冷卻通道液泵，21、外冷卻通道液泵，22、熱源，23、蒸發(fā)器。
具體實施方式
:下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。如圖1所示，本實施例中，透平膨脹機永磁發(fā)電機的電機轉子由軸14、轉子護套13、沿直徑方向平行充磁的永磁體12組成，護套13和永磁體12之間，以及轉子護套13和軸14之間采用過盈配合。電機定子鐵心11采用0.2mm厚的娃鋼片疊壓而成,槽數(shù)為24,采用三相同心式繞組。透平膨脹機永磁發(fā)電機包括一個有機朗肯循環(huán)回路，該機朗肯循環(huán)回路包括集液器17，所述集液器17出口依次通過循環(huán)泵18和蒸發(fā)器23與膨脹機進口 I相連，膨脹機出口 2通過冷凝器16與集液器17進口相連，蒸發(fā)器23與熱源22相連。集液器17中的液態(tài)工質，如R123 (三氟二氯乙烷)、R245 (五氟丙烷)等，經(jīng)循環(huán)泵18通入與熱源22(如發(fā)動機)相連的蒸發(fā)器23，吸熱產(chǎn)生相變，變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝M入膨脹機進口 1，經(jīng)過膨脹機葉輪3，推動發(fā)電機發(fā)電，之后經(jīng)過膨脹機出口 2，排氣擴壓后進入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)，最后回到集液器17中，完成循環(huán)。本發(fā)明的透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道。內(nèi)冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼15上的噴口 5和泄壓孔6，噴口 5外側設置內(nèi)冷卻通道液泵20。外冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼15內(nèi)壁上的螺旋形的冷卻流道9，以及設置發(fā)電機機殼15上的且分別與冷卻流道9的兩端相連的流道入口 7和流道出口 8，流道入口 7外側設置外冷卻通道液泵21。內(nèi)冷卻通道液泵20和外冷卻通道液泵21均與集液器17相連，泄壓孔6與蒸發(fā)器23相連，流道出口 8與循環(huán)泵18相連。本發(fā)明的透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)的工作方法:內(nèi)冷卻通道液泵20將集液器17中的一小部分液態(tài)工質的泵入噴口 5，噴至發(fā)電機機殼15內(nèi)腔，液態(tài)工質在吸收發(fā)電機轉子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔6、泄壓閥19通入與熱源22相連的蒸發(fā)器23中，然后與有機朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質一起進入膨脹機進口 1推動葉輪3做功，之后由膨脹機出口 2進入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)工質，最后回到集液器17中。另外，通過調(diào)節(jié)噴口 5的流量和閥門19，即可將機殼15內(nèi)的氣壓維持在一定水平，實現(xiàn)膨脹機輪背的密封。外冷卻通道液泵21將集液器17中的一小部分液態(tài)工質的通過流道入口 7泵入冷卻流道9，液態(tài)工質在泵入流道9內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機定子11上的熱量，然后經(jīng)流道出口 8通入循環(huán)泵18中，與有機朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質一起進入蒸發(fā)器23進行氣化，氣體進入膨脹機進口 I推動葉輪3做功，之后由膨脹機出口 2進入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)，最后回到集液器17中。其中，進入至發(fā)電機機殼15內(nèi)腔和冷卻流道9內(nèi)的液態(tài)工質之和占集液器17中液態(tài)工質總量的5%以下，其他大部分液態(tài)工質仍通過循環(huán)泵18吸收熱源22的熱量，膨脹做功。內(nèi)冷卻通道帶走的主要是繞組端部10的銅耗、轉子護套13和永磁體12內(nèi)的渦流損耗、軸承4上的部分機械損耗以及電機轉子表面的風摩損耗所產(chǎn)生的熱量。外冷卻通道帶走的主要是電機定子鐵心11內(nèi)的損耗以及軸承4上的部分機械損耗所產(chǎn)生的熱量。

上述過程為本發(fā)明實現(xiàn)過程中的一種，本領域技術人員在本發(fā)明基礎上進行的變化和替換，諸如改變轉子形式、更改軸承為磁懸浮軸承、采用U形流道代替螺旋形流道等，也包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，該透平膨脹機永磁發(fā)電機包括一個有機朗肯循環(huán)回路，所述有機朗肯循環(huán)回路包括集液器(17)，所述集液器(17)出口依次通過循環(huán)泵(18)和蒸發(fā)器(23)與膨脹機進口(I)相連，膨脹機出口(2)通過冷凝器(16)與集液器(17)進口相連，所述蒸發(fā)器(23)與熱源(22)相連，其特征在于:所述冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，所述內(nèi)冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼(15)上的噴口(5)和泄壓孔(6)，所述噴口(5)外側設置內(nèi)冷卻通道液泵(20)，所述外冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼(15)內(nèi)的冷卻流道(9)，以及設置發(fā)電機機殼(15)上的且分別與所述冷卻流道(9)的兩端相連的流道入口(7)和流道出口(8)，所述流道入口(7)外側設置外冷卻通道液泵(21);所述內(nèi)冷卻通道液泵(20)和外冷卻通道液泵(21)均與集液器(17)相連，所述泄壓孔(6)與蒸發(fā)器(23)相連，所述流道出口(8)與循環(huán)泵(18)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述冷卻流道(9)設置在發(fā)電機機殼(15)內(nèi)壁上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于: 內(nèi)冷卻通道液泵(20)將集液器(17)中的液態(tài)工質的泵入噴口(5)，噴至發(fā)電機機殼(15)內(nèi)部，液態(tài)工質在吸收發(fā)電機轉子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔(6)、泄壓閥(19)通入與熱源(22)相連的蒸發(fā)器(23)中，然后與有機朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質一起進入膨脹機進口(I)推動葉輪(3)做功，之后由膨脹機出口(2)進入冷凝器(16)重新變?yōu)橐簯B(tài)工質，最后回到集液器(17)中； 外冷卻通道液泵(21)將集液器(17)中的液態(tài)工質的通過流道入口(7)泵入冷卻流道(9),液態(tài)工質在泵入冷卻·流道(9)內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機定子(11)上的熱量，然后經(jīng)流道出口(8)通入循環(huán)泵(18)中，與有機朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質一起進入蒸發(fā)器(23)進行氣化，氣體進入膨脹機進口(I)推動葉輪(3)做功，之后由膨脹機出口(2)進入冷凝器(16)重新變?yōu)橐簯B(tài)工質，最后回到集液器(17)中。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:進入至發(fā)電機機殼(15)內(nèi)腔和冷卻流道(9)內(nèi)的液態(tài)工質之和占集液器(17)中液態(tài)工質總量的5%以下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透平膨脹機永磁發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)及其工作方法，冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，內(nèi)冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼上的噴口和泄壓孔，噴口外側設置內(nèi)冷卻通道液泵，外冷卻通道包括設置在發(fā)電機機殼內(nèi)的冷卻流道，以及設置發(fā)電機機殼上的且分別與所述冷卻流道的兩端相連的流道入口和流道出口，流道入口外側設置外冷卻通道液泵，冷卻系統(tǒng)利用透平膨脹機永磁發(fā)電機的有機朗肯循環(huán)，將一小部分工質用作冷卻介質，分別通入內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道內(nèi)，對電機定子進行液冷，對轉子進行蒸發(fā)冷卻，既實現(xiàn)了電機的轉子冷卻，又保證了機殼的加壓密封。
文檔編號H02K1/32GK103248150SQ201310207938
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月29日 優(yōu)先權日2013年5月29日
發(fā)明者黃允凱, 董劍寧, 金龍 申請人:東南大學