2.4　蒸发冷却定子绕组直线部分的绝缘与传热

由2.2节中可以看出，如果定子仍然采用常规绝缘结构、绝缘厚度不改，仅仅采用对绕组外表进行浸润式蒸发冷却是行不通的，而常规的导线内直接冷却结构是不得已而为之。若取消内冷，采用实心铜线作为载流体，必须重新设计蒸发冷却下的定子绝缘。

设计一种绝缘结构，包括采用新材料，需要与冷却紧密结合在一起考虑，二者相辅相成。对此，中国科学院电工研究所在20世纪70年代初期，曾做过不同绝缘材料对电机绕组蒸发冷却过程强化的试验，当时可用的蒸发冷却介质只有F-11。过程详见参考文献［15］［16］，此处只做简单介绍。

试验设备如图2-1所示，由蒸发器及冷凝器组成，蒸发器为一个ϕ40× 5×170的有机玻璃管，中间沿轴线放置一个ϕ18×160的试验管，该管借助于均匀分布的、厚5mm的8个垫环支撑在蒸发器中间，并全浸在换热介质F-11中，换热介质的液位保持在连通管内能看见的位置即可，整个装置是一个封闭性系统，并在期间产生换热介质的自循环过程。试验管被加热后，将热量传递给换热介质F-11，使其呈蒸发沸腾状态，F-11蒸气穿过储液槽和蒸气连通管进入冷凝器。在冷凝器中，蒸气与冷却水管内的自来水进行热交换、被冷凝成液体，然后又通过回液管回到了储液槽进入了蒸发器，完成了换热介质的整个循环过程。压力表主要起对冷凝器内的气压监视的作用。试验管是该试验的主要热源：在一根ϕ18×2×160的紫铜管内埋两只300W内热式电烙铁芯，这两只铁芯并联，试验过程中总加热功率最大达到300W。在烙铁芯两端填上石棉线以起到绝热的作用，然后焊上0.2mm的铜皮作为封头。最后，两端各浇上厚为20mm的环氧树脂，以减少端部热损失并同时起到电绝缘和固定引出线的作用，装配后的试验管结构示意图见图2-2。为了研究不同绝缘材料对沸腾换热过程的影响，研究人员分别在铜管外壁以半叠绕的方式缠上白丝带、玻璃丝带，这两种材料属于具有毛细孔的绝缘材料，然后分别进行测量并与裸铜管测量的结果进行比较。上述试验数据经过必要的计算与整理后列在表2-3中。

图2-1　试验设备本体示意图

1—储液槽；2—试验管；3—蒸发器；4—蒸气连通管；5—冷却水管；6—冷凝器；7—压力表；8—回液管；9—垫环

图2-2　试验管内部结构示意图

1—环氧树脂封头；2—石棉绳封头；3—铜皮封头；4—加热元件；5—铜管

表2-3　两种不同绝缘材料对绕组蒸发冷却过程强化的比较　　

从上表中可以看出，当热负荷较低时，以低于15000W/m²为例，在绕组外面缠上白丝带或玻璃丝带都能对换热起到强化作用，其中包玻璃丝带比包白丝带对换热强化的效果更显著；在热负荷低于7000 W/m²时，包白丝带管的换热能力比裸铜管约提高41%，而包玻璃丝带管的换热能力比裸铜管约提高157%。说明在绕组外包具有毛细孔的绝缘材料，会强化对绕组的蒸发冷却过程。另外，试验过程中的细致观察也完全说明了这一结果。试验时，在同样较低的热负荷时，裸铜管只有个别汽化核心并产生直径较大的气泡，包上毛细材料后管上会明显地出现较多的汽化核心，且气泡脱离直径小。可见，包有毛细材料的绕组外表有利于汽化核心的形成，减小气泡脱离直径，提高气泡产生的频率，进而强化了沸腾换热。

该试验的结论是：

◆对于蒸发冷却而言，在电机绕组外面适当地缠上具有毛细结构的绝缘材料，会强化换热过程。

◆由于电机绕组的热流密度比试验中所取的热流密度低得多，这种强化过程将更为显著。

◆铜线的绝缘层与冷却介质的适当配合，不仅可以充当主绝缘，而且提高了传热效率。