3.5　定子大空間與復合式絕緣結構的傳熱規律

在類似于隔爆電動機這樣的臥式電機定子側，采用浸泡式相變冷卻的傳熱問題，主要應考慮定子鐵芯、繞組端部、繞組直線部分的傳熱等，定子鐵芯與繞組的端部因浸泡在大空間里，絕緣與傳熱空間大，不涉及復合式絕緣結構內的傳熱，而定子繞組直線部分則屬于典型的復合式絕緣結構的傳熱。所以，本章將定子的端部與直線部分分開來敘述。

3.5.1　定子鐵芯及繞組端部的傳熱

定子鐵芯、繞組端部以及其他與介質直接接觸面大、流道寬暢的部件，均屬于大容器內的飽和沸騰傳熱，此時液體主體溫度達到飽和溫度t_s，壁溫t_w高于飽和溫度，產生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由表面進入容器空間。

在飽和沸騰時，隨著壁面過熱度Δt=t_w-t_s的增高，會呈現不同的傳熱過程或稱傳熱區。壁面過熱度小時，沸騰尚未開始，傳熱服從于單相自然對流規律。從起始沸騰點開始，在加熱面的某些特定點上產生氣泡，這些特定點在傳熱學中通常稱為汽化核心。開始階段，汽化核心產生的氣泡彼此互不干擾，稱孤立氣泡區；隨著Δt進一步增加，汽化核心增加，氣泡互相影響，并會合成汽塊及汽柱。在這兩個區中，氣泡的擾動劇烈，換熱系數和熱流密度都急劇增大。由于汽化核心對換熱起著決定性影響，這兩區的沸騰統稱為核態沸騰（或稱泡狀沸騰）。核態沸騰有溫壓小、換熱強的特點。從峰值點進一步提高Δt，換熱規律出現異乎尋常的變化，熱流密度不僅不隨Δt的升高而提高，反而越來越低，這是因為氣泡匯聚覆蓋在加熱面上，而蒸氣排出過程則更趨于惡化。這種情況持續到最低熱流密度q_min為止，這就是傳熱學中所謂的過渡沸騰。采用沸騰傳熱進行冷卻，應避免進入過渡沸騰區。

雖然臥式電機定子內部的熱量分布不均勻，但從已經制成的幾臺臥式蒸發冷卻電機的試驗觀察看，主要以核態沸騰為主，呈現的是泡狀和沫狀沸騰，而過渡沸騰尚未見到，一般的壁面過熱度Δt很小，不超過5℃，說明電機內部的發熱十分適合于蒸發冷卻。因為鐵芯及端部發熱件的熱負荷較低，從已經制成的臥式蒸發冷卻電機運行時實測的溫度看，各處溫度基本接近，一般僅有幾度之差，說明定子端部及整體鐵芯的冷卻均相當好。

3.5.2　定子繞組直線部分的傳熱

定子繞組放置在鐵芯槽內，使其直線部位的流動傳熱情況較為復雜。傳統的環氧粉云母絕緣浸放在冷卻介質中，構成復合絕緣系統的傳熱問題，沸騰換熱過程主要發生在定子線棒與槽壁間的工藝間隙內及鐵芯段間的流液溝內。硅鋼片的槽壁屬于帶溝槽的粗糙表面，對在一定熱負荷范圍內的沸騰傳熱有強化作用。

根據傳熱學中復合壁導熱概念，可用等效熱導率表示復合絕緣系統的對周圍環境的換熱情況

　　        （3-10）

式中　b₁，λ₁——固體主絕緣層的單邊厚度及熱導率；

        b₂，λ₂——工藝間隙單邊厚度及冷卻介質的熱導率。

利用式3-10分別計算空冷與F-113蒸發冷卻的等效熱導率，然后對此進行比較，說明復合式絕緣結構的傳熱特點。

假定環氧粉云母帶的厚度取3.75mm，工藝間隙取0.2mm；環氧粉云母帶的熱導率為0.0025W/（cm·℃），即b₁=3.75mm，λ₁=0.0025W/（cm·℃），b₂=0.2mm。對于空氣，40℃時的熱導率為λ₂=0.00161W/（cm·℃）。對于F-113，應按工藝間隙內的沸騰換熱過程處理，根據牛頓公式

　　        （3-11）

式中，q為熱流密度；α為表面傳熱系數；δ₂為熱量傳導路徑長度， Δt為溫度降，可以求出工藝間隙內的F-113熱導率。

具體過程是，在這一傳熱過程中，因為溫度降Δt是在工藝間隙內的整個寬度上發生的，可以認為

　　        （3-12）

于是λ₂就是所求的工藝間隙內的熱導率。根據前人做過的F-113沸騰時的換熱曲線，取表面傳熱系數α=11×10^-2W/（cm²·℃），則代入式（3-13）中，可得

　　        （3-13）

因此，空冷絕緣系統等效熱導率為0.0013 W/（cm·℃），而由于F-113與環氧粉云母帶的熱導率接近，使得蒸發冷卻絕緣系統的等效熱導率為 0.0022 W/（cm·℃），這一計算結果與實驗數據基本對應。可見，經過粗略的計算分析，蒸發冷卻方式下氣、液、固三相絕緣系統比單純的傳統絕緣系統的傳熱效果提高了1.69倍。根據上述分析過程，如果減小固體絕緣層厚度或提高熱導率，這一提高倍數會更大。