[發明專利]一種透平膨脹機永磁發電機的冷卻系統及其工作方法

有效

• 申請號: 201310207938.6
• 申請日: 2013-05-29
• 公開（公告）號: CN103248150A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 黃允凱;董劍寧;金龍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K1/20
• 分類號: H02K1/20;H02K1/32;H02K5/20
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明是一種透平膨脹機永磁發電機的冷卻系統及其工作方法，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電機在能量回收方面的應用。傳統上，低速的發電機與高速的膨脹機通過減速機構傳動，導致系統體積大，故障率高、維護成本高。近年來，隨著高速永磁電機技術的發展，直接驅動的透平膨脹機發電機憑借其體積小、成本低的優點，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。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電機系統中，發電機機殼內充滿了加壓的氣態工質，且循環系統為閉式系統，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電機的冷卻，必須對冷卻系統進行特殊的設計。

發明內容

發明目的：本發明的目的是為提出一種透平膨脹機永磁發電機的冷卻系統。該種冷卻系統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，本發明采用了如下的技術方案：

一種透平膨脹機永磁發電機的冷卻系統，該透平膨脹機永磁發電機包括一個有機朗肯循環回路，所述有機朗肯循環回路包括集液器，所述集液器出口依次通過循環泵和蒸發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，所述蒸發器與熱源相連，所述冷卻系統包括內冷卻通道和外冷卻通道，所述內冷卻通道包括設置在發電機機殼上的噴口和泄壓孔，所述噴口外側設置內冷卻通道液泵，所述外冷卻通道包括設置在發電機機殼內的冷卻流道，以及設置發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，所述泄壓孔與蒸發器相連，所述流道出口與循環泵相連。

在本發明中，進一步的，所述冷卻流道設置在發電機機殼內壁上。

該透平膨脹機永磁發電機的冷卻系統的工作方法為：

內冷卻通道液泵將集液器中的液態工質的泵入噴口，噴至發電機機殼內部，液態工質在吸收發電機轉子損耗產生的熱量后氣化，氣體經泄壓孔、泄壓閥通入與熱源相連的蒸發器中，然后與有機朗肯循環回路中的氣態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為液態工質，最后回到集液器中；

外冷卻通道液泵將集液器中的液態工質的通過流道入口泵入冷卻流道，液態工質在泵入冷卻流道內通過對流換熱帶走發電機定子上的熱量，然后經流道出口通入循環泵中，與有機朗肯循環回路中的液態工質一起進入蒸發器進行氣化，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為液態工質，最后回到集液器中。

在本發明中，進一步的，進入至發電機機殼內腔和冷卻流道內的液態工質之和占集液器中液態工質總量的5%以下。

有益效果：本發明中的冷卻系統是利用透平膨脹機永磁發電機的有機朗肯循環，將一小部分工質用作冷卻介質，分別通入內冷卻通道和外冷卻通道內，對電機定子進行液冷，對轉子進行蒸發冷卻，既實現了電機的轉子冷卻，又保證了機殼的加壓密封。另外，發電機產生的廢熱也通過冷卻系統收集起來，加入了做功循環中，提高了系統的整體效率，降低了電機溫升，收到了關鍵的有益效果。

附圖說明

圖1是本發明實施例的示意圖。