專利名稱：一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)及其工作方法,屬永磁電機(jī)和電機(jī)傳熱領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透平膨脹機(jī)具有尺寸小、質(zhì)量輕、壽命長維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)50年代開始就在制冷場合大量應(yīng)用。20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)促進(jìn)了透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)在能量回收方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，低速的發(fā)電機(jī)與高速的膨脹機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大，故障率高、維護(hù)成本高。近年來，隨著高速永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直接驅(qū)動(dòng)的透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)憑借其體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，日益引起廣大科研人員的重視，并獲得了小范圍的應(yīng)用。目前用于能量回收的膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)多采用R123(三氟二氯乙烷)等高溫工質(zhì)，入口溫度多在110攝氏度以上，給直驅(qū)式的電機(jī)散熱帶來了很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，永磁高速電機(jī)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(zhì)泄露，機(jī)殼需要加壓密封，這就加大了轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗。高速電機(jī)的溫升，尤其是轉(zhuǎn)子永磁體溫升對電機(jī)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(shù)小，工作溫度高，但價(jià)格昂貴。高速永磁電機(jī)廣泛采用定子水套/油套冷卻和轉(zhuǎn)子風(fēng)冷相結(jié)合的方法。但在直驅(qū)式的透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)充滿了加壓的氣態(tài)工質(zhì)，且循環(huán)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，不能引入空氣等雜質(zhì)，因此不能采用通風(fēng)的辦法對轉(zhuǎn)子進(jìn)行風(fēng)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(zhuǎn)子溫升。綜上所述，為有效改善直驅(qū)式透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻，必須對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是為提出一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。該種冷卻系統(tǒng)采用膨脹機(jī)的工質(zhì)作為冷卻介質(zhì)，可對電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行有效的冷卻而不將雜質(zhì)引入膨脹機(jī)工質(zhì)中。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，該透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)包括一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)回路，所述有機(jī)朗肯循環(huán)回路包括集液器，所述集液器出口依次通過循環(huán)泵和蒸發(fā)器與膨脹機(jī)進(jìn)口相連，膨脹機(jī)出口通過冷凝器與集液器進(jìn)口相連，所述蒸發(fā)器與熱源相連，所述冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，所述內(nèi)冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼上的噴口和泄壓孔，所述噴口外側(cè)設(shè)置內(nèi)冷卻通道液泵，所述外冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)的冷卻流道，以及設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)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(cè)設(shè)置外冷卻通道液泵；所述內(nèi)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(fā)器相連，所述流道出口與循環(huán)泵相連。
在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，所述冷卻流道設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁上。該透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的工作方法為:內(nèi)冷卻通道液泵將集液器中的液態(tài)工質(zhì)的泵入噴口，噴至發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部，液態(tài)工質(zhì)在吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔、泄壓閥通入與熱源相連的蒸發(fā)器中，然后與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口推動(dòng)葉輪做功，之后由膨脹機(jī)出口進(jìn)入冷凝器重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，最后回到集液器中；外冷卻通道液泵將集液器中的液態(tài)工質(zhì)的通過流道入口泵入冷卻流道，液態(tài)工質(zhì)在泵入冷卻流道內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機(jī)定子上的熱量，然后經(jīng)流道出口通入循環(huán)泵中，與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行氣化，氣體進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口推動(dòng)葉輪做功，之后由膨脹機(jī)出口進(jìn)入冷凝器重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，最后回到集液器中。在本發(fā)明中，進(jìn)一步的，進(jìn)入至發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)腔和冷卻流道內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)之和占集液器中液態(tài)工質(zhì)總量的5%以下。有益效果:本發(fā)明中的冷卻系統(tǒng)是利用透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)，將一小部分工質(zhì)用作冷卻介質(zhì)，分別通入內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道內(nèi)，對電機(jī)定子進(jìn)行液冷，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，既實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)子冷卻，又保證了機(jī)殼的加壓密封。另外，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的廢熱也通過冷卻系統(tǒng)收集起來，加入了做功循環(huán)中，提高了系統(tǒng)的整體效率，降低了電機(jī)溫升，收到了關(guān)鍵的有益效果。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)的名稱為:1、膨脹機(jī)進(jìn)口，2、膨脹機(jī)出口，3、膨脹機(jī)葉輪，4、軸承，5、噴口，6、泄壓孔，7、流道入口，8、流道出口，9、冷卻流道，10、繞組端部，11、電機(jī)定子鐵心，12、永磁體，13、轉(zhuǎn)子護(hù)套，14、軸，15、發(fā)電機(jī)機(jī)殼，16、冷凝器，17、集液器，18、循環(huán)泵，19、泄壓閥，20、內(nèi)冷卻通道液泵，21、外冷卻通道液泵，22、熱源，23、蒸發(fā)器。
具體實(shí)施方式
:下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。如圖1所示，本實(shí)施例中，透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子由軸14、轉(zhuǎn)子護(hù)套13、沿直徑方向平行充磁的永磁體12組成，護(hù)套13和永磁體12之間，以及轉(zhuǎn)子護(hù)套13和軸14之間采用過盈配合。電機(jī)定子鐵心11采用0.2mm厚的娃鋼片疊壓而成,槽數(shù)為24,采用三相同心式繞組。透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)包括一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)回路，該機(jī)朗肯循環(huán)回路包括集液器17，所述集液器17出口依次通過循環(huán)泵18和蒸發(fā)器23與膨脹機(jī)進(jìn)口 I相連，膨脹機(jī)出口 2通過冷凝器16與集液器17進(jìn)口相連，蒸發(fā)器23與熱源22相連。集液器17中的液態(tài)工質(zhì)，如R123 (三氟二氯乙烷)、R245 (五氟丙烷)等，經(jīng)循環(huán)泵18通入與熱源22(如發(fā)動(dòng)機(jī))相連的蒸發(fā)器23，吸熱產(chǎn)生相變，變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝?，進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口 1，經(jīng)過膨脹機(jī)葉輪3，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，之后經(jīng)過膨脹機(jī)出口 2，排氣擴(kuò)壓后進(jìn)入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)，最后回到集液器17中，完成循環(huán)。本發(fā)明的透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道。內(nèi)冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼15上的噴口 5和泄壓孔6，噴口 5外側(cè)設(shè)置內(nèi)冷卻通道液泵20。外冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼15內(nèi)壁上的螺旋形的冷卻流道9，以及設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)殼15上的且分別與冷卻流道9的兩端相連的流道入口 7和流道出口 8，流道入口 7外側(cè)設(shè)置外冷卻通道液泵21。內(nèi)冷卻通道液泵20和外冷卻通道液泵21均與集液器17相連，泄壓孔6與蒸發(fā)器23相連，流道出口 8與循環(huán)泵18相連。本發(fā)明的透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的工作方法:內(nèi)冷卻通道液泵20將集液器17中的一小部分液態(tài)工質(zhì)的泵入噴口 5，噴至發(fā)電機(jī)機(jī)殼15內(nèi)腔，液態(tài)工質(zhì)在吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔6、泄壓閥19通入與熱源22相連的蒸發(fā)器23中，然后與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口 1推動(dòng)葉輪3做功，之后由膨脹機(jī)出口 2進(jìn)入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，最后回到集液器17中。另外，通過調(diào)節(jié)噴口 5的流量和閥門19，即可將機(jī)殼15內(nèi)的氣壓維持在一定水平，實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)輪背的密封。外冷卻通道液泵21將集液器17中的一小部分液態(tài)工質(zhì)的通過流道入口 7泵入冷卻流道9，液態(tài)工質(zhì)在泵入流道9內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機(jī)定子11上的熱量，然后經(jīng)流道出口 8通入循環(huán)泵18中，與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入蒸發(fā)器23進(jìn)行氣化，氣體進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口 I推動(dòng)葉輪3做功，之后由膨脹機(jī)出口 2進(jìn)入冷凝器16重新變?yōu)橐簯B(tài)，最后回到集液器17中。其中，進(jìn)入至發(fā)電機(jī)機(jī)殼15內(nèi)腔和冷卻流道9內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)之和占集液器17中液態(tài)工質(zhì)總量的5%以下，其他大部分液態(tài)工質(zhì)仍通過循環(huán)泵18吸收熱源22的熱量，膨脹做功。內(nèi)冷卻通道帶走的主要是繞組端部10的銅耗、轉(zhuǎn)子護(hù)套13和永磁體12內(nèi)的渦流損耗、軸承4上的部分機(jī)械損耗以及電機(jī)轉(zhuǎn)子表面的風(fēng)摩損耗所產(chǎn)生的熱量。外冷卻通道帶走的主要是電機(jī)定子鐵心11內(nèi)的損耗以及軸承4上的部分機(jī)械損耗所產(chǎn)生的熱量。

上述過程為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程中的一種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上進(jìn)行的變化和替換，諸如改變轉(zhuǎn)子形式、更改軸承為磁懸浮軸承、采用U形流道代替螺旋形流道等，也包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，該透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)包括一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)回路，所述有機(jī)朗肯循環(huán)回路包括集液器(17)，所述集液器(17)出口依次通過循環(huán)泵(18)和蒸發(fā)器(23)與膨脹機(jī)進(jìn)口(I)相連，膨脹機(jī)出口(2)通過冷凝器(16)與集液器(17)進(jìn)口相連，所述蒸發(fā)器(23)與熱源(22)相連，其特征在于:所述冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，所述內(nèi)冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)上的噴口(5)和泄壓孔(6)，所述噴口(5)外側(cè)設(shè)置內(nèi)冷卻通道液泵(20)，所述外冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)內(nèi)的冷卻流道(9)，以及設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)上的且分別與所述冷卻流道(9)的兩端相連的流道入口(7)和流道出口(8)，所述流道入口(7)外側(cè)設(shè)置外冷卻通道液泵(21);所述內(nèi)冷卻通道液泵(20)和外冷卻通道液泵(21)均與集液器(17)相連，所述泄壓孔(6)與蒸發(fā)器(23)相連，所述流道出口(8)與循環(huán)泵(18)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述冷卻流道(9)設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)內(nèi)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于: 內(nèi)冷卻通道液泵(20)將集液器(17)中的液態(tài)工質(zhì)的泵入噴口(5)，噴至發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)內(nèi)部，液態(tài)工質(zhì)在吸收發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的熱量后氣化，氣體經(jīng)泄壓孔(6)、泄壓閥(19)通入與熱源(22)相連的蒸發(fā)器(23)中，然后與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的氣態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口(I)推動(dòng)葉輪(3)做功，之后由膨脹機(jī)出口(2)進(jìn)入冷凝器(16)重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，最后回到集液器(17)中； 外冷卻通道液泵(21)將集液器(17)中的液態(tài)工質(zhì)的通過流道入口(7)泵入冷卻流道(9),液態(tài)工質(zhì)在泵入冷卻·流道(9)內(nèi)通過對流換熱帶走發(fā)電機(jī)定子(11)上的熱量，然后經(jīng)流道出口(8)通入循環(huán)泵(18)中，與有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的液態(tài)工質(zhì)一起進(jìn)入蒸發(fā)器(23)進(jìn)行氣化，氣體進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)口(I)推動(dòng)葉輪(3)做功，之后由膨脹機(jī)出口(2)進(jìn)入冷凝器(16)重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，最后回到集液器(17)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:進(jìn)入至發(fā)電機(jī)機(jī)殼(15)內(nèi)腔和冷卻流道(9)內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)之和占集液器(17)中液態(tài)工質(zhì)總量的5%以下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)及其工作方法，冷卻系統(tǒng)包括內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道，內(nèi)冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼上的噴口和泄壓孔，噴口外側(cè)設(shè)置內(nèi)冷卻通道液泵，外冷卻通道包括設(shè)置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)的冷卻流道，以及設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)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，流道入口外側(cè)設(shè)置外冷卻通道液泵，冷卻系統(tǒng)利用透平膨脹機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)，將一小部分工質(zhì)用作冷卻介質(zhì)，分別通入內(nèi)冷卻通道和外冷卻通道內(nèi)，對電機(jī)定子進(jìn)行液冷，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，既實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)子冷卻，又保證了機(jī)殼的加壓密封。
文檔編號(hào)H02K1/32GK103248150SQ201310207938
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月29日
發(fā)明者黃允凱, 董劍寧, 金龍 申請人:東南大學(xué)