3.5　定子大空间与复合式绝缘结构的传热规律

在类似于隔爆电动机这样的卧式电机定子侧，采用浸泡式相变冷却的传热问题，主要应考虑定子铁芯、绕组端部、绕组直线部分的传热等，定子铁芯与绕组的端部因浸泡在大空间里，绝缘与传热空间大，不涉及复合式绝缘结构内的传热，而定子绕组直线部分则属于典型的复合式绝缘结构的传热。所以，本章将定子的端部与直线部分分开来叙述。

3.5.1　定子铁芯及绕组端部的传热

定子铁芯、绕组端部以及其他与介质直接接触面大、流道宽畅的部件，均属于大容器内的饱和沸腾传热，此时液体主体温度达到饱和温度t_s，壁温t_w高于饱和温度，产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器空间。

在饱和沸腾时，随着壁面过热度Δt=t_w-t_s的增高，会呈现不同的传热过程或称传热区。壁面过热度小时，沸腾尚未开始，传热服从于单相自然对流规律。从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点上产生气泡，这些特定点在传热学中通常称为汽化核心。开始阶段，汽化核心产生的气泡彼此互不干扰，称孤立气泡区；随着Δt进一步增加，汽化核心增加，气泡互相影响，并会合成汽块及汽柱。在这两个区中，气泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。核态沸腾有温压小、换热强的特点。从峰值点进一步提高Δt，换热规律出现异乎寻常的变化，热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越低，这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸气排出过程则更趋于恶化。这种情况持续到最低热流密度q_min为止，这就是传热学中所谓的过渡沸腾。采用沸腾传热进行冷却，应避免进入过渡沸腾区。

虽然卧式电机定子内部的热量分布不均匀，但从已经制成的几台卧式蒸发冷却电机的试验观察看，主要以核态沸腾为主，呈现的是泡状和沫状沸腾，而过渡沸腾尚未见到，一般的壁面过热度Δt很小，不超过5℃，说明电机内部的发热十分适合于蒸发冷却。因为铁芯及端部发热件的热负荷较低，从已经制成的卧式蒸发冷却电机运行时实测的温度看，各处温度基本接近，一般仅有几度之差，说明定子端部及整体铁芯的冷却均相当好。

3.5.2　定子绕组直线部分的传热

定子绕组放置在铁芯槽内，使其直线部位的流动传热情况较为复杂。传统的环氧粉云母绝缘浸放在冷却介质中，构成复合绝缘系统的传热问题，沸腾换热过程主要发生在定子线棒与槽壁间的工艺间隙内及铁芯段间的流液沟内。硅钢片的槽壁属于带沟槽的粗糙表面，对在一定热负荷范围内的沸腾传热有强化作用。

根据传热学中复合壁导热概念，可用等效热导率表示复合绝缘系统的对周围环境的换热情况

　　        （3-10）

式中　b₁，λ₁——固体主绝缘层的单边厚度及热导率；

        b₂，λ₂——工艺间隙单边厚度及冷却介质的热导率。

利用式3-10分别计算空冷与F-113蒸发冷却的等效热导率，然后对此进行比较，说明复合式绝缘结构的传热特点。

假定环氧粉云母带的厚度取3.75mm，工艺间隙取0.2mm；环氧粉云母带的热导率为0.0025W/（cm·℃），即b₁=3.75mm，λ₁=0.0025W/（cm·℃），b₂=0.2mm。对于空气，40℃时的热导率为λ₂=0.00161W/（cm·℃）。对于F-113，应按工艺间隙内的沸腾换热过程处理，根据牛顿公式

　　        （3-11）

式中，q为热流密度；α为表面传热系数；δ₂为热量传导路径长度， Δt为温度降，可以求出工艺间隙内的F-113热导率。

具体过程是，在这一传热过程中，因为温度降Δt是在工艺间隙内的整个宽度上发生的，可以认为

　　        （3-12）

于是λ₂就是所求的工艺间隙内的热导率。根据前人做过的F-113沸腾时的换热曲线，取表面传热系数α=11×10^-2W/（cm²·℃），则代入式（3-13）中，可得

　　        （3-13）

因此，空冷绝缘系统等效热导率为0.0013 W/（cm·℃），而由于F-113与环氧粉云母带的热导率接近，使得蒸发冷却绝缘系统的等效热导率为 0.0022 W/（cm·℃），这一计算结果与实验数据基本对应。可见，经过粗略的计算分析，蒸发冷却方式下气、液、固三相绝缘系统比单纯的传统绝缘系统的传热效果提高了1.69倍。根据上述分析过程，如果减小固体绝缘层厚度或提高热导率，这一提高倍数会更大。