第1章　绪论

1.1　防爆电动机与蒸发冷却技术历史简介

人类在使用电动机从繁重的劳动中解放出来的过程中，面临各种复杂、险峻的工作环境，其中不乏充满粉尘、瓦斯、飞絮、燃油、燃气等易燃易爆物质的恶劣而危险工作环境，所以，在20世纪初，人类研制出了能够抵御这些易燃易爆物质的密封性电动机，即防爆电动机。从电动机整个发展历程来看，防爆电动机代表着一个国家先进的电动机设计与制造水平，最先制定出电动机防爆标准的，是德国工业界，从而奠定了以德国为代表的各种防爆型电动机欧洲系列，始终处于世界领先的地位。

我国从新中国成立初期比较薄弱的工业基础上起步，起点就定位在电动机的自主设计与生产能力上，经过30多年的发展壮大，于20世纪80年代可以完全独立制造出与当时国际水平相当的大型防爆电动机，并形成了YA与YB两大防爆系列产品。在接下来的30多年里，欧美等发达国家对电气设备的防爆问题都投入了很大的研究力量，每年都取得了可观的研究成果，具体到防爆电动机上，表现在动力学、燃烧学、电力电子技术、控制技术等方面的研究成果，他们的防爆电动机效率越来越高。而这期间，我国在防爆电动机设计方面却没有取得突破性进展，导致一直落后于德国等防爆电动机工业最发达的国家，主要的问题出现在两个方面。

①我国的电动机，包括防爆电动机，效率低。据统计，“九五”期间，我国在用电动机消耗的电能约占全国发电量的70%，其中防爆型电动机占比超过一半，是最大的耗能大户。所以，从国家“十五”规划开始，将电动机节能降耗列为重要的发展任务，展开了对全国各行各业在用电动机进行的更新换代，落实到防爆电动机上，监管部门主要对电动机绝缘、防护等级、定转子绕组的启动温升与应力、电动机整体的稳定温升等大幅度提高了要求，需要改进防爆电动机的绝缘与冷却。但是，从近十多年的改进效果来看，防爆电动机的绝缘结构、冷却结构设计似乎已经走到了极限，绝缘材料一律采用最高的F级（甚至H级）而温升采用较低的B级来计算，导致防爆电动机的体积较大、材料利用率低、性价比不高。究其原因，笔者认为，是常规绝缘结构与冷却结构，成为了防爆电动机进一步提高设计水平的瓶颈。

②我国的防爆电动机振动噪声等级居高不下，与最发达国家差距较大。防爆电动机目前基本上采用通风冷却，在电动机运行过程中，自身引起的振动会产生噪声及额外的损耗，风扇及气流运动摩擦会产生一定的机械损耗及较大的噪声，这些振动与噪声对周围环境造成严重的生态污染，同时对机械设备的运行造成明显的影响。举例来说，在防爆电动机使用最普遍的纺织行业里，大家都深有体会，一进入纺织车间，一阵阵巨大的嘈杂声音鼓噪耳膜，令人难以忍受，这种高分贝的噪声除了一部分来自于纺织机本体，更多是来自于驱动纺织机运行的防爆电动机；在大型露天矿山采掘工地，只要发动由防爆电动机驱动的铲车，整个工地噪声隆隆；在冶炼车间，只要启动鼓风机，因振动与强力风扇引起的刺耳噪声扑面而来，还会引起其周围设备的共振。所以，控制防爆电动机的振动与噪声也是我国整个电机行业发展不能回避的现实课题，刻不容缓。

既然常规或者传统的绝缘结构与冷却结构限制了防爆电动机制造水平的提高，广大工程技术人员与科研人员正想方设法利用新结构、新材料、新工艺进行改进性突破。在人们不断探索采用新的冷却介质、新材料、新工艺以提高效率、减振降噪的整个电机发展过程中，一种起初不被看好、却具备相当发展优势的新型冷却方式与绝缘结构悄然而稳步地成长壮大起来，这就是本书专门要研究的蒸发冷却结构，这种结构自提出以来，一直使用在大型水轮和汽轮发电机上，本书首次将其应用到防爆电动机上。

中国科学院电工研究所独立自主、坚持不懈地开创了蒸发冷却大型电力设备的新型冷却技术。从理论基础性公式推导与修正，到大量相关性试验的反复论证，都进行了充分必要而扎实的技术储备。自20世纪70年代以来，与我国产业部门合作，先后研制成功1.2MW、50MW蒸发冷却汽轮发电机和10MW、50MW、400MW蒸发冷却水轮发电机，以及实验室自用的蒸发冷却变压器，最令人瞩目的是在世界上最大的水电站，三峡电站，也有两台由我国自主研制成功的840MV·A蒸发冷却水轮发电机分别于2011年、2012年投入使用，这些电机经多年运行证明，各台机组均呈现出安全可靠、技术、效益优异、性能稳定、运行管理简便的特点，特别突出的是各台电机的定子绕组温升低且分布均匀，以出色业绩赢得了国内外电机界和电站业主的高度评价，从而奠定了蒸发冷却是继空冷、氢冷、水冷之后的又一种更为先进的大型电力设备的冷却方式的基础地位。在蒸发冷却电机，特别是蒸发冷却卧式电机产业化发展的过程中，研究人员发现蒸发冷却技术不仅可以降低电机的整个体积与损耗、提高功率密度、材料利用率与效率，而且还可以显著降低电机的振动噪声，最有说服力的例证是一台已经使用很长时间的船上驱动用蒸发冷却异步发电机，该电机的电流密度与磁通密度均为同类电机的最高值，使得该电机整体体积与占用空间是同类电机中的最小，进而可以很方便地安装在空间狭窄的船舱内，不仅如此，由于该电机的整个定子都浸泡在蒸发冷却密封腔体里，该电机运行时，蒸发冷却介质阻止了定子的各种振动，进而显著降低了噪声，使得该电机的振动噪声是同类电机中的最低与最优。这一现象说明，蒸发冷却技术不仅适用于解决大型或超大型发电设备的冷却问题，还可以利用其效率高、低振动噪声的优势解决驱动用电动机的能耗与振动噪声问题，而我国的防爆电动机目前正需要解决这两个问题，所以，完全有必要来研究如何将蒸发冷却技术应用到防爆电动机上，力争实现我国的防爆电动机制造水平赶超世界一流。

接下来面临的挑战是，蒸发冷却技术尽管已经成熟地应用到大型或超大型发电设备若干年了，但是，以防爆电动机为代表的驱动用电动机，从其内部的定、转子结构、工作原理、电磁场分布规律，到其外围机壳、机肋的冷却结构都与大型或超大型发电设备有很大差别，不能照搬已经取得实效的大型或超大型发电设备的蒸发冷却技术，必须重新研究设计蒸发冷却防爆电动机。这项研究工作涉及电磁学、传热学、流体力学、振动学等等多个学科，是多学科交叉的、学术价值高、研究难度大的学术问题，目前已经取得了阶段性成果。本书围绕这项研究工作详细阐述了研究内容及取得的研究成果，并介绍这些研究成果在实际的冶炼、采矿等工业生产中的应用。