2.4　蒸發冷卻定子繞組直線部分的絕緣與傳熱

由2.2節中可以看出，如果定子仍然采用常規絕緣結構、絕緣厚度不改，僅僅采用對繞組外表進行浸潤式蒸發冷卻是行不通的，而常規的導線內直接冷卻結構是不得已而為之。若取消內冷，采用實心銅線作為載流體，必須重新設計蒸發冷卻下的定子絕緣。

設計一種絕緣結構，包括采用新材料，需要與冷卻緊密結合在一起考慮，二者相輔相成。對此，中國科學院電工研究所在20世紀70年代初期，曾做過不同絕緣材料對電機繞組蒸發冷卻過程強化的試驗，當時可用的蒸發冷卻介質只有F-11。過程詳見參考文獻［15］［16］，此處只做簡單介紹。

試驗設備如圖2-1所示，由蒸發器及冷凝器組成，蒸發器為一個?40× 5×170的有機玻璃管，中間沿軸線放置一個?18×160的試驗管，該管借助于均勻分布的、厚5mm的8個墊環支撐在蒸發器中間，并全浸在換熱介質F-11中，換熱介質的液位保持在連通管內能看見的位置即可，整個裝置是一個封閉性系統，并在期間產生換熱介質的自循環過程。試驗管被加熱后，將熱量傳遞給換熱介質F-11，使其呈蒸發沸騰狀態，F-11蒸氣穿過儲液槽和蒸氣連通管進入冷凝器。在冷凝器中，蒸氣與冷卻水管內的自來水進行熱交換、被冷凝成液體，然后又通過回液管回到了儲液槽進入了蒸發器，完成了換熱介質的整個循環過程。壓力表主要起對冷凝器內的氣壓監視的作用。試驗管是該試驗的主要熱源：在一根?18×2×160的紫銅管內埋兩只300W內熱式電烙鐵芯，這兩只鐵芯并聯，試驗過程中總加熱功率最大達到300W。在烙鐵芯兩端填上石棉線以起到絕熱的作用，然后焊上0.2mm的銅皮作為封頭。最后，兩端各澆上厚為20mm的環氧樹脂，以減少端部熱損失并同時起到電絕緣和固定引出線的作用，裝配后的試驗管結構示意圖見圖2-2。為了研究不同絕緣材料對沸騰換熱過程的影響，研究人員分別在銅管外壁以半疊繞的方式纏上白絲帶、玻璃絲帶，這兩種材料屬于具有毛細孔的絕緣材料，然后分別進行測量并與裸銅管測量的結果進行比較。上述試驗數據經過必要的計算與整理后列在表2-3中。

圖2-1　試驗設備本體示意圖

1—儲液槽；2—試驗管；3—蒸發器；4—蒸氣連通管；5—冷卻水管；6—冷凝器；7—壓力表；8—回液管；9—墊環

圖2-2　試驗管內部結構示意圖

1—環氧樹脂封頭；2—石棉繩封頭；3—銅皮封頭；4—加熱元件；5—銅管

表2-3　兩種不同絕緣材料對繞組蒸發冷卻過程強化的比較　　

從上表中可以看出，當熱負荷較低時，以低于15000W/m²為例，在繞組外面纏上白絲帶或玻璃絲帶都能對換熱起到強化作用，其中包玻璃絲帶比包白絲帶對換熱強化的效果更顯著；在熱負荷低于7000 W/m²時，包白絲帶管的換熱能力比裸銅管約提高41%，而包玻璃絲帶管的換熱能力比裸銅管約提高157%。說明在繞組外包具有毛細孔的絕緣材料，會強化對繞組的蒸發冷卻過程。另外，試驗過程中的細致觀察也完全說明了這一結果。試驗時，在同樣較低的熱負荷時，裸銅管只有個別汽化核心并產生直徑較大的氣泡，包上毛細材料后管上會明顯地出現較多的汽化核心，且氣泡脫離直徑小。可見，包有毛細材料的繞組外表有利于汽化核心的形成，減小氣泡脫離直徑，提高氣泡產生的頻率，進而強化了沸騰換熱。

該試驗的結論是：

◆對于蒸發冷卻而言，在電機繞組外面適當地纏上具有毛細結構的絕緣材料，會強化換熱過程。

◆由于電機繞組的熱流密度比試驗中所取的熱流密度低得多，這種強化過程將更為顯著。

◆銅線的絕緣層與冷卻介質的適當配合，不僅可以充當主絕緣，而且提高了傳熱效率。