CN100397760C - 用于超导同步机械的反向流动定子通风系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同步机械(50)，包含：与定子冷却系统(75)耦合的转子(54)；定子(52)，围绕着转子并借助于转子和定子内表面之间的环形缝隙(88)与转子分离；以及一定子通风系统(82，108)，该系统与转子冷却系统分离且与转子冷却系统相独立。

Description

用于超导同步机械的反向流动定子通风系统

技术领域

本发明涉及带有冷却机器定子的反向流动通风系统的超导同步电力机械。

背景技术

在产生电的过程中，发电机产生的热必须从发电机中消散出去。发电机中产生的热量主要是由空气阻力、摩擦、电流流动和磁性结构中随时间变化的磁场引起的。当转子在发电机内高速旋转时会产生摩擦发热。同样，当电流通过转子和定子的线圈，且当这些线圈在发电机的磁场内相对另一个旋转时，也会产生热量。当磁场在可穿透材料例如同步发电机的定子铁心和转子磁极内随时间变化时，在磁回路内会产生损失。传统的发电机装配有使热量从定子和转子传递到发电机之外的冷却系统。

气体通风冷却系统已经在传统的同步机械例如没有采用过超导材料的发电机和马达中使用。这些气体通风系统与定子和转子的冷却紧密配合。通风系统利用迫使冷却空气通过转子和定子内的气体通道而冷却转子和定子。传统的通风系统采用冷却气体正向和反向流过定子和转子的方式。

在传统的同步机械例如同步发电机和马达中，气体冷却的机器的通风系统与定子和转子的冷却紧密配合。在正向流动通风方案的示意图(图1)中，冷却气体相继流过转子和定子的部分，在转子和定子的冷却系统之间产生一个紧密的耦合。在反向流动通风示意图(图2)中，冷却气体平行的流过定子和转子，随后在机械的气隙内混合，也产生一个定子和转子冷却的耦合。

因为转子和定子冷却的耦合，通风系统必须构造为能够对定子和转子提供足够的冷却。为了对转子进行冷却，在与定子冷却对应的传统的通风系统中不得不采取一些折衷方案，反之亦然。采用必须使转子和定子冷却的通风系统，使定子或转子的冷却最优化是很困难的。然而，通风系统已普遍应用于冷却大型工业和公共设施的发电机内的定子和转子。

在超导同步机械中，转子电场绕组在低温下、通过自身带有冷却回路的低温制冷系统工作。将冷的低温制冷剂通过传递连接供应到转子，从这里，制冷剂循环通过其吸收并带走热量的转子上的冷却回路，然后，通过传递耦合回到固定式冷却系统。该低温制冷系统对超导机械内的转子提供有效的冷却。

技术方案

用于超导转子的低温冷却系统不冷却定子。这种超导同步机械的定子需要一定子冷却系统。与传统的机械相反的是：定子和转子冷却系统在一单个通风系统内耦合，低温转子的冷却系统和气体冷却的定子可以完全无关。因此，定子冷却系统需要在带有超导转子的同步机械内冷却定子。

用于超导同步机械的定子通风系统已经有了较大发展。超导同步机械的定子利用反向通风系统冷却，在反向通风系统中，从气隙抽吸例如空气或者氢气等的冷却气体，并泵送通过扩散器、热交换器且通过定子铁心回到气隙。此外，传统的同步机械可以改型为带有超导转子，同时传统的通风系统可以改造为在此公开的通风系统的实施例。另一种定子通风结构遵循正向流动原理，其中，空气沿着与反向流动定子冷却系统相反的方向流过定子。

在一个实施例中，本发明是一同步机械，包含：转子，其与转子冷却系统耦合；定子，围绕着转子，并利用转子和定子内表面之间的环形间隙与转子分离；以及定子通风系统，该系统与转子冷却系统分离且与转子冷却系统独立。

在另一个实施例中，本发明是一超导电磁机械，包含：实心转子，带有低温冷却超导转子线圈绕组；定子，与所述转子同心且带有与所述超导转子线圈绕组磁性耦联的定子线圈，所述定子线圈围绕所述转子设置，所述定子带有从定子的外周边向定子的内周边延伸的冷却通道，所述内周边利用一环形气隙与转子分离；所述转子，带有供低温冷却流体流过的冷却通道；一定子通风系统，向所述定子的外周边和所述定子通道提供冷却气体。

在另一个实施例中，本发明是一种用于冷却超导电磁机械的方法，其中，超导电磁机械具有包括超导转子线圈绕组的实心转子、定子和定子通风系统，所述方法包括下列步骤：低温冷却转子线圈绕组与定子冷却无关；用流过定子的冷却气体冷却定子，并将从定子出来的冷却气体抽入定子和转子铁心之间的气隙，在该气隙处，冷却气体与任何转子冷却系统隔离。

所提出的定子冷却系统与超导转子的结构无关，并且可以同样应用到铁心和空心超导转子中。

附图说明

图1表示传统的正向流动冷却系统的发电机的四分之一截面的剖面示意图；

图2表示传统的反向流动冷却系统的发电机的四分之一截面的剖面示意图；

图3表示带有超导转子的同步电磁机械的示意图；

图4表示带有实心转子和封闭的通风系统的定子的超导发电机的四分之一截面的横截面示意图；

图5表示带有实心转子和敞开的定子通风系统的超导发电机的四分之一截面的横截面示意图。

具体实施方式

图1表示带有传统的正向流动通风系统10的传统发电机8，其中，冷气(箭头12)流过转子14和/或转子气隙16，然后通过定子18。冷却气体流过转子内的径向气体通道20并同样继续流过定子内类似的径向气体通道21，由此，在转子和定子冷却系统之间产生紧密配合。

当冷却气体流过转子时，转子内的热量传递给气体，例如气体的温度向着转子线圈的温度上升。流出转子已被加热的气体与直接进入气隙16的冷却气体混合并成为进入定子的冷却气体。混合的冷却气体在围绕转子的定子内表面进入定子通道21。当气体移动经过定子时，来自热定子线圈的热量被传递给冷却气体，并且在气体流出定子时，将该热量排出定子。

从定子的外周边，已加热的冷却气体通过围绕定子的环形气道22并且热气体直接进入热交换器。热气体在热交换器24内冷却，流过再循环气道26并通过一适当的放射式或轴流式风扇28泵送回转子和气隙内。利用转子的离心力，驱动冷却气体通过转子并进入气隙16。此外，流出风扇28的一些冷却气体直接冷却定子线圈绕组的末端线圈30。

图2示出一种传统的反向流动的通风系统32，其中，冷却气体平行地流过定子18和转子14。被加热的冷却气体流出转子和定子进入气隙16。从定子和转子出来的冷却气体在气隙内混合，其结果是使转子和定子的冷却系统耦合起来。

传统的电力机械8内的反向流动冷却，利用对定子铁心和转子入口设置进入通道，同时将冷气(箭头12)传递到定子18和转子14。从冷却器例如热交换器来的冷却气体流入定子铁心的外周边，该定子铁心包含控制气流通过定子铁心、进入气隙的隔板。冷气还从冷却器流入转子的端部，并基本通过冷却气体下切槽20，沿径向向外通过转子切槽20内的气流通道，到达发电机气隙16。一与转子固定的风扇28，使从气隙向冷却器的排气操作循环进行。

图2特别表示出带有传统反向流动通风冷却系统32的发电机8的横截面图。美国5,633,543号专利表示出一个示例性的反向流动通风系统。利用作用在通过转子通道20的气体上的离心力，将冷却气体的一部分气流抽入转子。冷却气体可以是空气、氢气或者一些其它的冷却气体。被加热的转子气体流出转子表面的气道，进入转子和定子之间的气隙16。安装在转子端部的旋转风扇28，从定子和转子之间的缝隙16抽出加热的气体，使气体进入外部气道扩散器34，该扩散器直接使气体进入使气体冷却的热交换器36。

在反向流动系统中，利用与转子内的流通路分离的通风流通路使定子18冷却。由热交换器36冷却的气体进入围绕定子的强制通风腔38。从热交换器来的冷却气体的一部分(箭头39)直接流向转子。冷却气体的一部分(箭头41)直接冷却定子端部线圈。

在定子强制通风腔38内，冷却气体通过腔内的隔板40(或者接近定子中心的直接向着定子)，且进入在定子的外周边表面开口的冷却气体通道21。当气流沿径向向内通过定子时，将来自定子线圈的热量传递给气体。热气体从定子流入气隙。转子风扇28从气隙16抽取被加热的气体并排出到外部气道34，进入热交换36。将来自热交换器的冷却气体从排气口排到围绕定子的强制通风腔38。

图3表示带有定子52和转子54的示例性同步发电机械50。当所表示的机械50是一个发电机时，其也可以被构造为一个电马达。在发电机内，转子包括配装在定子的圆柱形转子空腔56内部的场绕组线圈66。在转子的外周边和确定了容纳转子的圆柱形空腔56的定子的圆柱形表面之间形成一环形缝隙57。当转子在定子内转动时，由转子和转子线圈运动/旋转产生的磁场通过定子并在定子线圈60的绕组内产生电流而产生磁场。该电流由发电机作为电力输出。

转子54通常带有纵向延伸轴62和通常为实心的转子铁心64。实心转子铁心64具有高导磁性，通常由铁磁材料制成，例如铁。在低功率密度的超导机械中，转子铁心用来减少磁通势(MMF)，因此，使线圈绕组所需的超导(SC)线圈线的总量减少。

转子54支承至少一个纵向延伸的跑道形的高温超导(HTS)线圈绕组66。该HTS线圈绕组也可以是鞍形或者符合特殊HTS转子设计的其它形状。HTS线圈绕组利用从外部冷却流体源供应到转子的低温流体冷却。转子和其HTS线圈的冷却与发电机50的其它元件，例如定子52的冷却系统独立且隔离。

转子包括一收集器端轴68和一托着转子铁心64的驱动端轴70，该驱动端轴由轴承72支撑。端轴可以与外部装置连接。例如，收集器端轴68带有一连到用于冷却转子内SC线圈绕组的低温冷却流体源75的低温传递耦合件74。一示例性的低温冷却流体源在共同拥有和同样未决的美国专利(09/854,943号美国系列专利申请，2001年5月15日提交据我所知，后续的专利与由CRD申请的下述系列申请中的冷却系统有关：17GE-7154-用于带有高温超导场绕组的转子的低温冷却系统-Laskaris；17GE-7227-具有用于超导场绕组的开环短期冷却的低温冷却制冷系统及其方法-Wang，Laskaris，Ackermann；17GE-7228-用于带有高温超导场绕组转子的低温冷却制冷系统及其方法-Laskaris，Ackermann，Wang)，其发明名称为“用于带有高温超导场绕组的转子内的低温冷却制冷系统及其方法”，在美国专利中公开。

低温传递耦合件74包含与低温冷却流体源耦合的静止部分和向HTS线圈提供冷却流体的旋转部分。收集器端轴68还包括电连接到旋转的SC线圈绕组的收集器76。转子的驱动端轴70可以由动力涡轮连接件78驱动.

图4表示带有反向流动、通风定子冷却系统82的发电机50的四分之一断面图(见转子轴向中心线62和纵向中心线80)。冷却系统向定子提供冷却气体，例如周围空气或氢气。定子冷却系统与向转子提供低温冷却流体的低温冷却系统独立且隔离。

定子通风系统82包括与转子端轴(68和/或70)固定的冷却气体风扇84。风扇84和转子一起旋转，从转子和定子之间的环形气隙88抽出变热的冷却气体(箭头86)。从缝隙抽出的热气由风扇泵送，通过气体通道89进入围绕发电机定子延伸的外部气道强制通风腔/扩散器90。

强制通风腔气道90表示出来自通道89的高压力/速度气体并直接将变热的气体送到一个或者多个热交换器92。热交换器从气体抽取热量并冷却气体，这样使气体循环以冷却定子。来自热交换器的冷却气体进入围绕定子外周边的隔板腔94。隔板腔可以带有沿圆周围绕定子的外壁93并带有安装热交换器的开口。隔板腔可以包含与定子固定的环形壁96，将冷却气体分配到定子。隔板腔直接将冷却气体送到定子的外周边98。强制通风腔包含能把冷却气流最佳分配到定子上并进入定子冷却通道100的隔板。强制通风腔的外壁还可以包含一排气口102，该排气口从从隔板腔向定子端部和定子线圈106的末端线圈104上排放冷却气体103。

当冷却气体通过定子冷却通道100时，从定子线圈吸收热量。通道可以设置在定子内，使定子线圈的冷却达到最佳。例如，沿着定子轴和/或通道横断面的冷却通道设置的个数，可以选择为在定子内使冷却均匀分配或者其它使定子冷却最优化的方式。

变热的冷却气体从定子通道100流入气隙88。由风扇82抽取的冷却气体通过缝隙和通道82，然后，在通道内的冷却气体由热交换器92冷却并且循环返回，通过定子。通风系统82可以是一个封闭的气体系统，在该气体系统中，例如氢和空气等冷却气体循环通过定子、热交换器和强制通风系统，以冷却定子。

在用于带有超导转子的机械的封闭通风系统82中，例如空气或氢等冷却气体从热交换器(92)循环通过定子冷却通道100，从定子线圈、气隙88吸取热量到达轴向风扇84，并且返回热交换器。从热交换器出来的冷态冷却气体冷却定子铁心和定子绕组。定子末端绕组104和机械法兰之间的空间有一气流通道89，用来从风扇84向热交换器输送热气体。这一气体通道使带有两个流通路(见图2中的通道34和39)的传统机械的反向流动通风系统的复杂程度的简化。

定子冷却系统还应用于传统的转子由超导转子取代的同步机械中。在这种情况下，原始机械的正向或反向流动通风系统可以转化为图3、4或5所示的反向流动系统。

图5表示一开路反向流动通风系统108，其中，从外部气源例如周围空气(箭头110)抽取冷却气体、通过入口112。进入的冷却气体通过隔板腔94、定子通道100、气隙88和风扇84，与封闭通风系统82内的冷却气体的流动相同。风扇使热气从气隙中流出并且提供通过开口112和定子抽取空气的驱动力。在开路系统中，使空气通过入口抽入机械，并且通过排气道114返回大气中。因此，在开环系统内不需要热交换器和其它通道。

图4和5所示的通风系统可以应用到带有超导(SC)转子和装有多相AC绕组的定子的多相交流(AC)机械中。

虽然已经结合目前最实际和最优选的实施例对本发明进行了说明，可以理解，本发明不仅仅局限于已公开的实施例，相反，本发明意在覆盖所附权利要求书的构思和范围内的各种改进和等效装置。

Claims (13)

1.一种超导电磁机械(50)，包括：

实心转子(64)，该转子带有一低温冷却超导转子线圈绕组(66)；

定子(52)，该定子与所述转子同轴且带有与所述超导转子线圈绕组磁性耦合的定子线圈(106)，所述定子线圈围绕所述转子设置，并且所述定子有从定子的外周边(48)向定子内周边(56)延伸的冷却通道(100)，所述内周边由环形气隙(88)与转子分离；

所述转子带有供低温冷却流体流过的冷却通道；

所述实心转子和所述定子之间的环形气隙，其中所述环形气隙具有至少一个包括冷却气体通道端口的横向开口，并且所述环形气隙基本沿着所述转子的长度开口；

定子通风系统(82，94)，其向所述定子的外周边和所述定子的通道(100)提供冷却气体，其中基本所有的所述冷却气体流经所述环形气隙和所述冷却气体通道端口，其中所述通风系统还包括与所述定子的所述外周边邻接的多个隔板腔，其中所述隔板腔包括第一腔和第二腔，该第一腔具有向冷却气体源开口的外冷却气体入口端口，而且该第一腔带有沿圆周围绕定子的外壁并带有安装热交换器的开口，第二腔具有向所述第一腔开口的冷却气体入口端口，并且所述第一腔和所述第二腔的每个具有通向所述定子的冷却气体出口。

2.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：冷却气体(86)在朝着环形气隙(88)敝开的所述冷却气体通道端口处从定子排出。

3.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：所述通风系统(82，94)还包括热交换器(92)。

4.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：包含转子冷却系统，所述转子冷却系统向所述线圈绕组(66)提供低温冷却流体。

5.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：该机械是电磁发电机。

6.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：该机械是马达。

7.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：所述通风系统是一个反向流动通风系统。

8.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：所述通风系统是一个闭路系统，在该闭路系统中，冷却气体通过定子和气体流通路内的热交换器(92)循环。

9.根据权利要求1所述的超导电磁机械，其特征是：所述定子冷却通道与所述定子线圈相邻且垂直。

10.一种冷却超导电磁机械(50)的方法，其中，超导电磁机械带有包括超导转子线圈绕组(66)的实心转子(64)和定子以及定子通风系统(82，94)，所述方法包括下述步骤：

a.低温冷却转子线圈绕组；

b.用流过定子的冷却气体冷却定子，其中所述冷却气体从多个隔板腔进入所述定子的外周边，其中，第一隔板腔具有向冷却气体源开口的具有冷却气体入口端口，而且该第一隔板腔带有沿圆周围绕定子的外壁并带有安装热交换器的开口，第二隔板腔具有朝向所述第一隔板腔开口的入口端口；

c.从定子基本抽出所有的冷却气体进入定子和转子铁心之间的气隙(88)，其中冷却气体流经所述气隙而不流经所述转子铁心。

11.如权利要求10所述的冷却方法，其中，所述冷却气体通过定子冷却气体通道流入到所述定子的外周边中并且出去进入到所述气隙中。

12.如权利要求10所述的冷却方法，其中所述冷却气体通过风扇从所述气隙中抽出并且排出到所述机械之外。

13.如权利要求10所述的冷却方法，其中所述冷却气体通过风扇从所述气隙中抽出，并被导引到所述热交换器中，所述方法还包括通过热交换器从所述冷却气体中吸收热量并使所述冷却气体通过所述定子和所述热交换器循环。

Images