第1章　緒論

1.1　防爆電動機與蒸發冷卻技術歷史簡介

人類在使用電動機從繁重的勞動中解放出來的過程中，面臨各種復雜、險峻的工作環境，其中不乏充滿粉塵、瓦斯、飛絮、燃油、燃氣等易燃易爆物質的惡劣而危險工作環境，所以，在20世紀初，人類研制出了能夠抵御這些易燃易爆物質的密封性電動機，即防爆電動機。從電動機整個發展歷程來看，防爆電動機代表著一個國家先進的電動機設計與制造水平，最先制定出電動機防爆標準的，是德國工業界，從而奠定了以德國為代表的各種防爆型電動機歐洲系列，始終處于世界領先的地位。

我國從新中國成立初期比較薄弱的工業基礎上起步，起點就定位在電動機的自主設計與生產能力上，經過30多年的發展壯大，于20世紀80年代可以完全獨立制造出與當時國際水平相當的大型防爆電動機，并形成了YA與YB兩大防爆系列產品。在接下來的30多年里，歐美等發達國家對電氣設備的防爆問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，具體到防爆電動機上，表現在動力學、燃燒學、電力電子技術、控制技術等方面的研究成果，他們的防爆電動機效率越來越高。而這期間，我國在防爆電動機設計方面卻沒有取得突破性進展，導致一直落后于德國等防爆電動機工業最發達的國家，主要的問題出現在兩個方面。

①我國的電動機，包括防爆電動機，效率低。據統計，“九五”期間，我國在用電動機消耗的電能約占全國發電量的70%，其中防爆型電動機占比超過一半，是最大的耗能大戶。所以，從國家“十五”規劃開始，將電動機節能降耗列為重要的發展任務，展開了對全國各行各業在用電動機進行的更新換代，落實到防爆電動機上，監管部門主要對電動機絕緣、防護等級、定轉子繞組的啟動溫升與應力、電動機整體的穩定溫升等大幅度提高了要求，需要改進防爆電動機的絕緣與冷卻。但是，從近十多年的改進效果來看，防爆電動機的絕緣結構、冷卻結構設計似乎已經走到了極限，絕緣材料一律采用最高的F級（甚至H級）而溫升采用較低的B級來計算，導致防爆電動機的體積較大、材料利用率低、性價比不高。究其原因，筆者認為，是常規絕緣結構與冷卻結構，成為了防爆電動機進一步提高設計水平的瓶頸。

②我國的防爆電動機振動噪聲等級居高不下，與最發達國家差距較大。防爆電動機目前基本上采用通風冷卻，在電動機運行過程中，自身引起的振動會產生噪聲及額外的損耗，風扇及氣流運動摩擦會產生一定的機械損耗及較大的噪聲，這些振動與噪聲對周圍環境造成嚴重的生態污染，同時對機械設備的運行造成明顯的影響。舉例來說，在防爆電動機使用最普遍的紡織行業里，大家都深有體會，一進入紡織車間，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自于紡織機本體，更多是來自于驅動紡織機運行的防爆電動機；在大型露天礦山采掘工地，只要發動由防爆電動機驅動的鏟車，整個工地噪聲隆隆；在冶煉車間，只要啟動鼓風機，因振動與強力風扇引起的刺耳噪聲撲面而來，還會引起其周圍設備的共振。所以，控制防爆電動機的振動與噪聲也是我國整個電機行業發展不能回避的現實課題，刻不容緩。

既然常規或者傳統的絕緣結構與冷卻結構限制了防爆電動機制造水平的提高，廣大工程技術人員與科研人員正想方設法利用新結構、新材料、新工藝進行改進性突破。在人們不斷探索采用新的冷卻介質、新材料、新工藝以提高效率、減振降噪的整個電機發展過程中，一種起初不被看好、卻具備相當發展優勢的新型冷卻方式與絕緣結構悄然而穩步地成長壯大起來，這就是本書專門要研究的蒸發冷卻結構，這種結構自提出以來，一直使用在大型水輪和汽輪發電機上，本書首次將其應用到防爆電動機上。

中國科學院電工研究所獨立自主、堅持不懈地開創了蒸發冷卻大型電力設備的新型冷卻技術。從理論基礎性公式推導與修正，到大量相關性試驗的反復論證，都進行了充分必要而扎實的技術儲備。自20世紀70年代以來，與我國產業部門合作，先后研制成功1.2MW、50MW蒸發冷卻汽輪發電機和10MW、50MW、400MW蒸發冷卻水輪發電機，以及實驗室自用的蒸發冷卻變壓器，最令人矚目的是在世界上最大的水電站，三峽電站，也有兩臺由我國自主研制成功的840MV·A蒸發冷卻水輪發電機分別于2011年、2012年投入使用，這些電機經多年運行證明，各臺機組均呈現出安全可靠、技術、效益優異、性能穩定、運行管理簡便的特點，特別突出的是各臺電機的定子繞組溫升低且分布均勻，以出色業績贏得了國內外電機界和電站業主的高度評價，從而奠定了蒸發冷卻是繼空冷、氫冷、水冷之后的又一種更為先進的大型電力設備的冷卻方式的基礎地位。在蒸發冷卻電機，特別是蒸發冷卻臥式電機產業化發展的過程中，研究人員發現蒸發冷卻技術不僅可以降低電機的整個體積與損耗、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的振動噪聲，最有說服力的例證是一臺已經使用很長時間的船上驅動用蒸發冷卻異步發電機，該電機的電流密度與磁通密度均為同類電機的最高值，使得該電機整體體積與占用空間是同類電機中的最小，進而可以很方便地安裝在空間狹窄的船艙內，不僅如此，由于該電機的整個定子都浸泡在蒸發冷卻密封腔體里，該電機運行時，蒸發冷卻介質阻止了定子的各種振動，進而顯著降低了噪聲，使得該電機的振動噪聲是同類電機中的最低與最優。這一現象說明，蒸發冷卻技術不僅適用于解決大型或超大型發電設備的冷卻問題，還可以利用其效率高、低振動噪聲的優勢解決驅動用電動機的能耗與振動噪聲問題，而我國的防爆電動機目前正需要解決這兩個問題，所以，完全有必要來研究如何將蒸發冷卻技術應用到防爆電動機上，力爭實現我國的防爆電動機制造水平趕超世界一流。

接下來面臨的挑戰是，蒸發冷卻技術盡管已經成熟地應用到大型或超大型發電設備若干年了，但是，以防爆電動機為代表的驅動用電動機，從其內部的定、轉子結構、工作原理、電磁場分布規律，到其外圍機殼、機肋的冷卻結構都與大型或超大型發電設備有很大差別，不能照搬已經取得實效的大型或超大型發電設備的蒸發冷卻技術，必須重新研究設計蒸發冷卻防爆電動機。這項研究工作涉及電磁學、傳熱學、流體力學、振動學等等多個學科，是多學科交叉的、學術價值高、研究難度大的學術問題，目前已經取得了階段性成果。本書圍繞這項研究工作詳細闡述了研究內容及取得的研究成果，并介紹這些研究成果在實際的冶煉、采礦等工業生產中的應用。