第1章　緒論

1.1　防爆電動(dòng)機(jī)與蒸發(fā)冷卻技術(shù)歷史簡(jiǎn)介

人類在使用電動(dòng)機(jī)從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)的過(guò)程中，面臨各種復(fù)雜、險(xiǎn)峻的工作環(huán)境，其中不乏充滿粉塵、瓦斯、飛絮、燃油、燃?xì)獾纫兹家妆镔|(zhì)的惡劣而危險(xiǎn)工作環(huán)境，所以，在20世紀(jì)初，人類研制出了能夠抵御這些易燃易爆物質(zhì)的密封性電動(dòng)機(jī)，即防爆電動(dòng)機(jī)。從電動(dòng)機(jī)整個(gè)發(fā)展歷程來(lái)看，防爆電動(dòng)機(jī)代表著一個(gè)國(guó)家先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平，最先制定出電動(dòng)機(jī)防爆標(biāo)準(zhǔn)的，是德國(guó)工業(yè)界，從而奠定了以德國(guó)為代表的各種防爆型電動(dòng)機(jī)歐洲系列，始終處于世界領(lǐng)先的地位。

我國(guó)從新中國(guó)成立初期比較薄弱的工業(yè)基礎(chǔ)上起步，起點(diǎn)就定位在電動(dòng)機(jī)的自主設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力上，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展壯大，于20世紀(jì)80年代可以完全獨(dú)立制造出與當(dāng)時(shí)國(guó)際水平相當(dāng)?shù)拇笮头辣妱?dòng)機(jī)，并形成了YA與YB兩大防爆系列產(chǎn)品。在接下來(lái)的30多年里，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電氣設(shè)備的防爆問(wèn)題都投入了很大的研究力量，每年都取得了可觀的研究成果，具體到防爆電動(dòng)機(jī)上，表現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)等方面的研究成果，他們的防爆電動(dòng)機(jī)效率越來(lái)越高。而這期間，我國(guó)在防爆電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面卻沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，導(dǎo)致一直落后于德國(guó)等防爆電動(dòng)機(jī)工業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家，主要的問(wèn)題出現(xiàn)在兩個(gè)方面。

①我國(guó)的電動(dòng)機(jī)，包括防爆電動(dòng)機(jī)，效率低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“九五”期間，我國(guó)在用電動(dòng)機(jī)消耗的電能約占全國(guó)發(fā)電量的70%，其中防爆型電動(dòng)機(jī)占比超過(guò)一半，是最大的耗能大戶。所以，從國(guó)家“十五”規(guī)劃開始，將電動(dòng)機(jī)節(jié)能降耗列為重要的發(fā)展任務(wù)，展開了對(duì)全國(guó)各行各業(yè)在用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行的更新?lián)Q代，落實(shí)到防爆電動(dòng)機(jī)上，監(jiān)管部門主要對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣、防護(hù)等級(jí)、定轉(zhuǎn)子繞組的啟動(dòng)溫升與應(yīng)力、電動(dòng)機(jī)整體的穩(wěn)定溫升等大幅度提高了要求，需要改進(jìn)防爆電動(dòng)機(jī)的絕緣與冷卻。但是，從近十多年的改進(jìn)效果來(lái)看，防爆電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎已經(jīng)走到了極限，絕緣材料一律采用最高的F級(jí)（甚至H級(jí)）而溫升采用較低的B級(jí)來(lái)計(jì)算，導(dǎo)致防爆電動(dòng)機(jī)的體積較大、材料利用率低、性價(jià)比不高。究其原因，筆者認(rèn)為，是常規(guī)絕緣結(jié)構(gòu)與冷卻結(jié)構(gòu)，成為了防爆電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水平的瓶頸。

②我國(guó)的防爆電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲等級(jí)居高不下，與最發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。防爆電動(dòng)機(jī)目前基本上采用通風(fēng)冷卻，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，自身引起的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲及額外的損耗，風(fēng)扇及氣流運(yùn)動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生一定的機(jī)械損耗及較大的噪聲，這些振動(dòng)與噪聲對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的生態(tài)污染，同時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行造成明顯的影響。舉例來(lái)說(shuō)，在防爆電動(dòng)機(jī)使用最普遍的紡織行業(yè)里，大家都深有體會(huì)，一進(jìn)入紡織車間，一陣陣巨大的嘈雜聲音鼓噪耳膜，令人難以忍受，這種高分貝的噪聲除了一部分來(lái)自于紡織機(jī)本體，更多是來(lái)自于驅(qū)動(dòng)紡織機(jī)運(yùn)行的防爆電動(dòng)機(jī)；在大型露天礦山采掘工地，只要發(fā)動(dòng)由防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏟車，整個(gè)工地噪聲隆隆；在冶煉車間，只要啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，因振動(dòng)與強(qiáng)力風(fēng)扇引起的刺耳噪聲撲面而來(lái)，還會(huì)引起其周圍設(shè)備的共振。所以，控制防爆電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲也是我國(guó)整個(gè)電機(jī)行業(yè)發(fā)展不能回避的現(xiàn)實(shí)課題，刻不容緩。

既然常規(guī)或者傳統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)與冷卻結(jié)構(gòu)限制了防爆電動(dòng)機(jī)制造水平的提高，廣大工程技術(shù)人員與科研人員正想方設(shè)法利用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝進(jìn)行改進(jìn)性突破。在人們不斷探索采用新的冷卻介質(zhì)、新材料、新工藝以提高效率、減振降噪的整個(gè)電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，一種起初不被看好、卻具備相當(dāng)發(fā)展優(yōu)勢(shì)的新型冷卻方式與絕緣結(jié)構(gòu)悄然而穩(wěn)步地成長(zhǎng)壯大起來(lái)，這就是本書專門要研究的蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)自提出以來(lái)，一直使用在大型水輪和汽輪發(fā)電機(jī)上，本書首次將其應(yīng)用到防爆電動(dòng)機(jī)上。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所獨(dú)立自主、堅(jiān)持不懈地開創(chuàng)了蒸發(fā)冷卻大型電力設(shè)備的新型冷卻技術(shù)。從理論基礎(chǔ)性公式推導(dǎo)與修正，到大量相關(guān)性試驗(yàn)的反復(fù)論證，都進(jìn)行了充分必要而扎實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，與我國(guó)產(chǎn)業(yè)部門合作，先后研制成功1.2MW、50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)和10MW、50MW、400MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)，以及實(shí)驗(yàn)室自用的蒸發(fā)冷卻變壓器，最令人矚目的是在世界上最大的水電站，三峽電站，也有兩臺(tái)由我國(guó)自主研制成功的840MV·A蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)分別于2011年、2012年投入使用，這些電機(jī)經(jīng)多年運(yùn)行證明，各臺(tái)機(jī)組均呈現(xiàn)出安全可靠、技術(shù)、效益優(yōu)異、性能穩(wěn)定、運(yùn)行管理簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，特別突出的是各臺(tái)電機(jī)的定子繞組溫升低且分布均勻，以出色業(yè)績(jī)贏得了國(guó)內(nèi)外電機(jī)界和電站業(yè)主的高度評(píng)價(jià)，從而奠定了蒸發(fā)冷卻是繼空冷、氫冷、水冷之后的又一種更為先進(jìn)的大型電力設(shè)備的冷卻方式的基礎(chǔ)地位。在蒸發(fā)冷卻電機(jī)，特別是蒸發(fā)冷卻臥式電機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)不僅可以降低電機(jī)的整個(gè)體積與損耗、提高功率密度、材料利用率與效率，而且還可以顯著降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲，最有說(shuō)服力的例證是一臺(tái)已經(jīng)使用很長(zhǎng)時(shí)間的船上驅(qū)動(dòng)用蒸發(fā)冷卻異步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)的電流密度與磁通密度均為同類電機(jī)的最高值，使得該電機(jī)整體體積與占用空間是同類電機(jī)中的最小，進(jìn)而可以很方便地安裝在空間狹窄的船艙內(nèi)，不僅如此，由于該電機(jī)的整個(gè)定子都浸泡在蒸發(fā)冷卻密封腔體里，該電機(jī)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)阻止了定子的各種振動(dòng)，進(jìn)而顯著降低了噪聲，使得該電機(jī)的振動(dòng)噪聲是同類電機(jī)中的最低與最優(yōu)。這一現(xiàn)象說(shuō)明，蒸發(fā)冷卻技術(shù)不僅適用于解決大型或超大型發(fā)電設(shè)備的冷卻問(wèn)題，還可以利用其效率高、低振動(dòng)噪聲的優(yōu)勢(shì)解決驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的能耗與振動(dòng)噪聲問(wèn)題，而我國(guó)的防爆電動(dòng)機(jī)目前正需要解決這兩個(gè)問(wèn)題，所以，完全有必要來(lái)研究如何將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到防爆電動(dòng)機(jī)上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)我國(guó)的防爆電動(dòng)機(jī)制造水平趕超世界一流。

接下來(lái)面臨的挑戰(zhàn)是，蒸發(fā)冷卻技術(shù)盡管已經(jīng)成熟地應(yīng)用到大型或超大型發(fā)電設(shè)備若干年了，但是，以防爆電動(dòng)機(jī)為代表的驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)，從其內(nèi)部的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、工作原理、電磁場(chǎng)分布規(guī)律，到其外圍機(jī)殼、機(jī)肋的冷卻結(jié)構(gòu)都與大型或超大型發(fā)電設(shè)備有很大差別，不能照搬已經(jīng)取得實(shí)效的大型或超大型發(fā)電設(shè)備的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，必須重新研究設(shè)計(jì)蒸發(fā)冷卻防爆電動(dòng)機(jī)。這項(xiàng)研究工作涉及電磁學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、振動(dòng)學(xué)等等多個(gè)學(xué)科，是多學(xué)科交叉的、學(xué)術(shù)價(jià)值高、研究難度大的學(xué)術(shù)問(wèn)題，目前已經(jīng)取得了階段性成果。本書圍繞這項(xiàng)研究工作詳細(xì)闡述了研究?jī)?nèi)容及取得的研究成果，并介紹這些研究成果在實(shí)際的冶煉、采礦等工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。