CN101227110A - 强制冷却型旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及强制冷却型旋转电机。本发明的目的在于提供一种接近设计的温度分布而能避免大型化的强制冷却型旋转电机。本发明的强制冷却型旋转电机，通过使用设有通风槽(11G)的楔(11B)和不设通风槽(11G)的楔(11A)以调节通过空气管道(13、13A、13B)的冷却气体的流量，由于能使供给到定子铁心(8)的温度低的部分的冷却气体积极地流通到温度高的部分，从而可以使定子铁心(8)的轴向温度分布均匀化。其结果，由于能使定子铁心(8)的轴向温度分布接近所设计的温度分布，因而可以得到不需要为了具有余量而使电机大型化的强制冷却型旋转电机。
Description
技术领域
本发明涉及例如为进行涡轮发电机或电动机等的旋转电机的内部机器的冷却，而以利用设置在旋转轴上的自冷风扇和另外设置的送风扇强制性地使冷却气体流通的方式构成的强制冷却型旋转电机，尤其涉及能很好地冷却暴露在变动磁场中而升温的定子铁心的强制冷却型旋转电机。
背景技术
通常，为冷却定子铁心并使定子铁心的轴向(硅钢片的叠层方向)的温度分布均匀化，如专利文献1-日本特开2006-109616号公报(图6及图7)所示，已经提出了在定子铁心的轴向设置了多个空气管道的强制冷却型旋转电机的方案。
这种强制冷却型旋转电机按照电机种类及构造，或者将相邻的空气管道间的铁心叠层压力做得相同并使空气管道的通风断面积变化，从而使定子铁心的轴向的温度分布均匀化；或者改变具有相同通风断面积的相邻的空气管道间的铁心叠层压力而使定子铁心的轴向温度分布均匀化。
如上所述，由于通过改变空气管道的断面积，或者改变空气管道间的铁心叠层压力而能将冷却气体极为平衡地分散到定子铁心的轴向，因而能在某种程度上使定子铁心的轴向的温度分布均匀化。
然而，即使在采取了这样的措施的强制冷却型旋转电机中，若进行实际电机组装后的通风试验，则由于冷却气体的循环流道的长度不同所引起的流道阻力的差异而达不到像当初设计那样的温度分布，能够得到满足的情况很少。因此，为了从当初起提高冷却能力，必须设计并使用具有余量的强制冷却型旋转电机，强制冷却型旋转电机的大型化则不可避免。
发明内容
本发明的目的在于提供一种接近设计的温度分布而能避免大型化的强制冷却型旋转电机。
本发明为实现上述目的，将强制冷却型旋转电机做成使用设有通风槽的楔和不设通风槽的楔以调节通过空气管道的冷却气体的流量。
这样，通过使用设有通风槽的楔和不设通风槽的楔，由于可以在定子铁心的温度低的部分所设置的通风管道(流道阻力小的循环流道内的空气管道)上使用没有通风槽的楔来限制流量，在将被限制的冷却气体向其它空气管道(流道阻力大的循环流道内的空气管道)通入的同时，在设置于定子铁心的温度高的部分的空气管道(流道阻力大的循环管道内的空气管道)上使用设有通风槽的楔来积极地使冷却气体流通，因而，可以使定子铁心的轴向温度分布均匀化。其结果，由于可以使定子铁心的轴向温度分布接近于已设计的温度分布，因而可以得到不需要为使冷却能力具有余量而使电机大型化的强制冷却型旋转电机。
附图说明
图1是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第一实施方式即强制冷却型涡轮发电机的定子铁心附近的简要纵剖侧视图。
图2是表示用于第一实施方式的楔之一的立体图。
图3是表示使用了图2的楔的定子的一部分的放大立体图。
图4是表示用于第一实施方式的楔的另一例的立体图。
图5是表示使用了图4的楔的定子的一部分的放大立体图。
图6是表示图1的强制冷却型涡轮发电机的外观的局部剖立体图。
图7是第一实施方式的定子铁心的轴向温度分布图。
图8是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第二实施方式的定子的纵剖正视图。
图9是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第三实施方式的定子的纵剖侧视图。
图10是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第四实施方式的定子的纵剖侧视图。
图11是表示本发明的强制冷却型旋转电机所使用的楔的变形例的立体图。
图中，1-强制冷却型涡轮发电机，2-转轴，2F-风扇，3-转子，4-定子，5-轴承，6-端框，7-定子框，7H-外壳，8-定子铁心，8E-端压板，8P-组，9-绕组槽，9W-楔槽，10-定子绕组，11、11A、11B、11C-楔，11G-通风槽，12-管道衬垫，13、13A、13B-空气管道，14-隔壁，15A1、15A2、15B-通风区域。
具体实施方式
下面，根据图1-图6所示的强制冷却型涡轮发电机说明本发明的强制冷却型旋转电机的第一实施方式。此外，这里所示的强制冷却型涡轮发电机是不使用外部气体而使冷却气体在机内循环的强制冷却型涡轮发电机而不论冷却气体的种类。
强制冷却型涡轮发电机1如图1及图6所示，大体包括：形成于转轴2上的转子3，通过间隙G设置在该转子3的外周的定子4，通过轴承5支撑上述转轴2的端框6，固定在该端框6上并支撑上述定子4的定子框7，覆盖该定子框7并与上述端框6一起形成密闭构造的外壳7H。
如图1所示，在上述转轴2的将转子3夹在中间的两侧分别设有风扇2F，由这些风扇2F吹送的冷却气体被导入转子3和上述定子4之间的间隙G并供给到转子3的轴向中央部一侧。
虽然省略了图示，但上述转子3具有励磁铁心和卷绕在该励磁铁心上的励磁绕组，在周向构成了多个磁极。
上述定子4包括：在上述转轴2的方向将硅钢片叠层并用端压板8E将其叠层端夹紧而形成的定子铁心8；从该定子铁心8的内径一侧朝向外径一侧具有深度，且沿定子铁心8的整个叠层方向形成的同时，在周向以等间隔形成了多个的U字形的绕组槽9；插入在该绕组槽9中的定子绕组10；打入在上述绕组槽9的开口一侧所形成的楔槽9W中并固定上述绕组槽9内的定子绕组10的楔11。
上述定子铁心8为对其进行冷却，使管道衬垫12(图3)介于按规定片数叠层的硅钢片之间而形成从内径到外径的多个空气管道13。这些空气管道13以相同间隔形成，并且位于空气管道13间的硅钢片的叠层单位即组8P的厚度也分别以相同厚度形成。
再有，在上述定子铁心8的背面一侧(外径侧)交替地形成多个对每几个组设置隔壁14使冷却气体从内径一侧向外径一侧流通的通风区域15A1、15A2和使冷却气体从外径一侧向内径一侧流通的通风区域15B。
上述结构的强制冷却型涡轮发电机1的定子4的冷却是将由风扇2F加压的冷却气体导入转子3和定子4之间的间隙G，并向该间隙G的轴向中央一侧供给。并且，在与通风区域15A1、15A2相对的空气管道13中，冷却气体从内径一侧流向外径一侧并流到定子铁心8的背面一侧，并从该处经由未图示的冷却器而到达风扇2F。另一方面，在与通风区域15B相对的空气管道13中，将由风扇2F加压的冷却气体经未图示的空气管道引导到定子铁心8的背面一侧，并从该处即从管道13的外径一侧流向内径一侧，经由间隙G而到达相邻的通风区域15A1、15A2的空气管道13，再从该处的内径一侧流向外径一侧而到达定子铁心的背面一侧，再从该处经由未图示的冷却器而到达风扇2F。
虽然定子铁心8由于上述冷却气体的流通而被冷却，然而，在与靠近风扇2F的通风区域15A1相对的空气管道13中有大量的冷却气体流过，而在距风扇2F远的通风区域15A2、15B中有少量的冷却气体流过。换句话说，由于经由风扇2F及各空气管道13的冷却气体流过的冷却气体流道即循环流道的长度不同所引起的流道阻力之差使冷却气体的流通量产生差别。这种冷却气体的流通量的不均匀性导致冷却温度照样的不均匀。因此，与定子铁心8的轴向两端部比较，轴向中央部的温度上升变得显著，存在必须以该温度上升的最高值设计涡轮发电机的问题。
因此，在本实施方式中，用楔11来调节冷却气体的流通量的不均匀而使其均匀化。即，由于经由与靠近风扇2F的通风区域15A1相对的空气管道13的冷却气体的循环流道短而流道阻力小，因而大量的冷却气体流过空气管道13。因此，在与通风区域15A1相对的定子铁心8中，通过采用如图2所示的在全长范围具有相同梯形形状断面的楔11A，由于面向空气管道13的楔13A如图3所示成为阻力构件，因而，使流入空气管道13的冷却气体挤入而限制流通量。另一方面，由于经由与距风扇2F远的通风区域15A2、15B相对的空气管道13的冷却气体的循环流道长而流道阻力大，因而限制冷却气体的流通量。因此，在与通风区域15A2、15B相对的定子铁心8中如图4所示，通过在与空气管道13相对的位置采用设有通风槽11G的楔11B，则如图5所示，由于没有面对空气管道13的阻力构件，因而，可以增加在管道13中流入及流出的冷却气体的流通量。在本发明中，楔11A、11B则为本发明的使冷却气体流道的流道阻力平均化的流道阻力调整构件及使冷却气体流道的流通量平均化的流通量调整构件。
如上所述，通过对每个与通风区域15A1、15A2、15B相对的空气管道13分开使用没有通风槽的楔11A和带通风槽11G的楔11B，则如图7所示，可以使冷却气体温度及定子铁心轴向的温度分布均匀化。
即，如图7所示，与冷却气体温度在定子铁心8的轴向中央部增高的现有例子B比较，本实施方式A通过使轴向两端部的温度上升而使轴向中央部的温度下降，可以基本上使温度均匀。其结果，若采用本实施方式a，与现有例子b比较，也可以使定子铁心8的轴向温度分布基本上均匀。此外，现有例子B、b属于为了使冷却气体的流通量均匀化而使空气管道的设置间隔为在轴向两端部较宽而在轴向中央部较窄的情况。并且，在现有例子中，通过将空气管道的间隔在轴向两端部设置得较宽，使得作为轴向两端部的硅钢片的叠层单位的组8P的厚度也增厚，其结果，由于该部分的温度上升与组厚度的平方成比例地上升，因而，如图7所示，定子铁心的轴向两端部的温度上升很显著。但是，本实施方式a由于组8P的厚度在定子铁心8的轴向范围为相同厚度，因而，可以达到如同冷却气体的温度分布的基本上均匀。
若采用本实施方式，由于能使冷却气体及定子铁心8的轴向温度分布基本上均匀，因而可以有效地抑制整体的温度上升，并且，由于没有突出的温度上升部位，因而也不必为使冷却能力具有余量而使涡轮发电机大型化。
然而，上述实施方式的例如，通过靠近风扇2F的通风区域15A1的空气管道13的冷却气体的循环流道虽为风扇2F-间隙G-空气管道13-定子铁心背面-风扇2F，但在到了定子铁心8的背面一侧的冷却气体全部为一个方向，例如向上方排出的场合，则冷却气体的循环流道长度在空气管道13的周向产生差异。即，即使在相同的空气管道13内，经由靠近排出侧一侧的冷却气体的循环流道与经由远离排出侧一侧的冷却气体的循环流道之间便产生循环流道长度的不同，当然，由于循环流道长的时候流道阻力增大，因而流过那里的冷却气体的流通量受到限制。
因此，本发明的强制冷却型旋转电机的第二实施方式如图8所示，在相同的空气管道13内，使带通风槽11G的楔11B面对冷却气体的循环流道变长一侧，而使在整个长度范围内具有相同梯形形状断面的楔11A面对循环流道变短的一侧。
即，在本实施方式中，当冷却气体的排出方向是定子铁心8的上方时，简单地在空气管道13的上半部分使用在全长范围内具有相同梯形形状断面的楔11A来限制冷却气体的流通量，而在空气管道13的下半部分使用带通风槽11G的楔11B来增加冷却气体的流通量，换言之，通过在空气管道13的上半部分增大流道阻力而在下半部分减小流道阻力，从而实现了冷却气体流通量的均匀化。
此外，在本实施方式中，虽然说明了使冷却气体从空气管道13的内径侧向外径侧流通的情况，但不言而喻，这也可以适用于冷却气体从空气管道13的外径侧向内径侧流通的情况。
这样，通过同时使用没有通风槽11G的楔11A和具有通风槽11G的楔11B来改变空气管道13的周向的流道阻力，其结果，通过使冷却气体在整个循环流道的流通量均匀化，可以实现定子铁心8的周向的温度分布的均匀化。
图9是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第三实施方式的图，其与第一及第二实施方式的不同点在于：在定子铁心8的轴向设有多个间隔不同的空气管道13A、13B。并且，作为空气管道13A、13B间的硅钢片的叠层单位的组8P的厚度分别为相同厚度这点上。
具体地，将定子铁心8的轴向两端部的通风区域15A1的空气管道13A的间隔做得较窄，而将作为定子铁心8的轴向中间部的通风区域15A2、15B的空气管道13B的间隔做得较宽。
通过采用这种结构，由于靠近风扇2F一侧的空气管道13A的流通面积缩小使得冷却气体的流道阻力增大，因此，减少冷却气体的流通量，能够使所减少的冷却气体在成为轴向中间部的管道13B中流通。再有，由于远离风扇2F的一侧的空气管道13B的流道面积扩大使得冷却气体的流道阻力变小，因而冷却气体的流通量增加。其结果，由于可以使靠近风扇2F一侧和远离风扇2F一侧的冷却气体的流通量均匀化，因而可以使定子铁心8的温度分布均匀化。
然而，在本实施方式中，虽然通过使空气管道13A、13B的间隔变化而使流道阻力变化，但由于进一步使用第一及第二实施方式的楔11A、11B，因而可以使在经由各空气管道13A、13B的整个循环流道中流通的冷却气体的流通量更加均匀化。
如以上说明的那样，采用本实施方式也可以起到与第一实施方式相同的效果。
图10是表示本发明的强制冷却型旋转电机的第四实施方式的图，其与图9所示的第三实施方式的不同点在于：将全部空气管道13的间隙尺寸做得相同，将与定子铁心8的轴向两端部的通风区域15A1相对的组8P1的厚度做得较厚，而将与通风区域15A2、15B相对的组8P2的厚度做得较薄这点上。换言之，在这种结构中，定子铁心8的轴向两端部的通风区域15A1的空气管道13的数量较少，而作为定子铁心8的轴向中间部的通风区域15A2、15B的空气管道13的数量较多。
这样，可以通过将作为定子铁心8的轴向中间部的通风区域15A2、15B的空气管道13的数量加多而增加冷却气体的流通量，从而限制定子铁心8的轴向两端部的通风区域15A1的空气管道13的冷却气体的流通量，其结果，可以使定子铁心8的轴向的温度分布均匀化。
此外，由于在本实施方式中也使用第一及第二实施方式的楔11A、11B，因而，因此，可以使在经由各空气管道13A、13B的整个循环流道中流过的冷却气体的流通量更加均匀化。
图11是所使用的楔的变形例，在上述的实施方式中，如图1所示，楔11A、11B的长度具有与各通风区域15A1、15A2、15B的长度大致相同的长度，对于每个通风区域15A1、15A2、15B分别使用楔11A、11B。
然而，例如，在图1中，在定子铁心8的轴向两端部的通风区域15A1的全部空气管道13采用相同断面形状的楔11A的情况下，在冷却气体的流通量产生差异的场合，也可以使用使具有相同断面形状的区间L1和具有通风槽11G的区间L2混合存在的长度为L的楔11C。再有，也可以在各通风区域15A1、15A2、15B内设置多个这样的长度为L的楔11C，相反，也可以将长度为L的楔11C横跨在通风区域15A1、15B之间以及通风区域15A2、15B之间设置。
如以上的说明，若采用本发明的各实施方式，由于根据循环流道的长度，换言之，根据循环流道的流道阻力调节了冷却气体在循环流道中的流道阻力，从而调节了通过空气管道的冷却气体的流通量，因而可以使定子铁心轴向的温度分布基本上均匀化。
然而，在以上的各实施方式中，作为强制冷却型旋转电机虽以强制冷却型涡轮发电机为一个例子进行了说明，但也可以适用于强制冷却型电动机。再有，在以上的各实施方式中，虽然说明的是使冷却气体在机内循环的强制冷却型旋转电机，但也可以适用于导入外部气体并将冷却后的废气排出机外的开放型的强制冷却型旋转电机。此外，在开放型的强制冷却型旋转电机中，由于在从导入外部气体用的风扇经由空气管道而到排气部的冷却气体的流道长度当然会存在差异，因而也可以采用本发明。再有，在上述实施方式中，即使冷却气体的流道阻力及流通量平均化，有时温度也不一定变得均匀。在这种情况下，通过在定子铁心上所设有的空气管道的面对转子的一侧，设置使插入到绕组槽内的定子绕组的温度平均化的流道阻力调整机构，则可以使定子铁心轴向的温度分布基本上均匀化。
Claims (16)
1.一种强制冷却型旋转电机，其结构为，具备形成于转轴上的转子和通过间隙设置在该转子外周的定子，该定子具有：沿上述转轴的长度方向叠层硅钢片而构成的定子铁心；插入在该定子铁心上所形成的绕组槽内的定子绕组；以及插入到上述绕组槽的开口部一侧并将上述定子绕组固定到上述绕组槽内的楔，上述定子铁心在硅钢片的叠层方向上形成多个空气管道并使冷却气体在这些空气管道中强制地流通，其特征在于：
在上述空气管道的面对上述转子一侧设有使经由上述各个空气管道的冷却气体流道的流道阻力平均化的流道阻力调整机构。
2.根据权利要求1所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流道阻力调整机构是在上述空气管道的面对上述转子一侧配置的形成有通风槽的楔和没有通风槽的楔。
3.根据权利要求2所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
形成有上述通风槽的楔配置在长的冷却气体流道内的空气管道上，没有通风槽的楔配置在短的冷却气体流道内的空气管道上。
4.根据权利要求1所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述转轴在上述转子的轴向两侧分别具有风扇。
5.根据权利要求4所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流道阻力调整机构是在定子铁心的轴向中央部一侧的空气管道上配置的形成有通风槽的楔和在定子铁心的轴向两端部一侧配置的没有通风槽的楔。
6.一种强制冷却型旋转电机，其结构为，具备形成于转轴上的转子和通过间隙设置在该转子外周的定子，该定子具有：沿上述转轴的长度方向叠层硅钢片而构成的定子铁心；插入在该定子铁心上所形成的绕组槽内的定子绕组；以及插入到上述绕组槽的开口部一侧并将上述定子绕组固定到上述绕组槽内的楔，上述定子铁心在硅钢片的叠层方向上形成多个空气管道并使冷却气体在这些空气管道中强制地流通，其特征在于：
在上述空气管道的面对上述转子一侧设有使经由上述各个空气管道的冷却气体流道的流通量平均化的流通量调整机构。
7.根据权利要求6所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流通量调整机构是在上述空气管道的面对上述转子一侧配置的形成有通风槽的楔和没有通风槽的楔。
8.根据权利要求7所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
形成有上述通风槽的楔配置在长的冷却气体流道内的空气管道上，没有通风槽的楔配置在短的冷却气体流道内的空气管道上。
9.根据权利要求6所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述转轴在上述转子的轴向两侧分别具有风扇。
10.根据权利要求9所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流通量调整机构是在定子铁心的轴向中央部一侧的空气管道上配置的形成有通风槽的楔和在定子铁心的轴向两端部一侧配置的没有通风槽的楔。
11.一种强制冷却型旋转电机，其结构为，具备形成于转轴上的转子和通过间隙设置在该转子外周的定子，该定子具有：沿上述转轴的长度方向叠层硅钢片而构成的定子铁心；插入在该定子铁心上所形成的绕组槽内的定子绕组；以及插入到在上述绕组槽的开口部一侧所形成的楔槽中并将上述定子绕组固定到上述绕组槽内的楔，上述定子铁心在硅钢片的叠层方向上形成多个空气管道并使冷却气体在这些空气管道中强制地流通，其特征在于：
在沿叠层钢片的叠层方向以等间隔设置上述空气管道的同时，在上述定子铁心的外周一侧沿叠层钢片的叠层方向以等间隔设置多个隔壁而形成多个通风区间，使该通风区间中相邻的通风区间的冷却气体相互反向地流通，并且，在上述楔的与上述空气管道相对的位置上配置形成有通风槽的楔和没有通风槽的楔，在上述空气管道的面对上述转子一侧形成使经由上述各个通风区间的冷却气体流道的流道阻力平均化的流道阻力调整机构。
12.根据权利要求11所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流道阻力调整机构是在上述空气管道的面对上述转子一侧配置的形成有通风槽的楔和没有通风槽的楔。
13.根据权利要求12所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
形成有上述通风槽的楔配置在长的冷却气体流道内的空气管道上，没有通风槽的楔配置在短的冷却气体流道内的空气管道上。
14.根据权利要求11所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述转轴在上述转子的轴向两侧分别具有风扇。
15.根据权利要求14所述的强制冷却型旋转电机，其特征在于：
上述流道阻力调整机构是在定子铁心的轴向中央部一侧的空气管道上配置的形成有通风槽的楔和在定子铁心的轴向两端部一侧配置的没有通风槽的楔。
16.一种强制冷却型旋转电机，其结构为，具备形成于转轴上的转子和通过间隙设置在该转子外周的定子，该定子具有：沿上述转轴的长度方向叠层硅钢片而构成的定子铁心；插入在该定子铁心上所形成的绕组槽内的定子绕组；以及插入到上述绕组槽的开口部一侧并将上述定子绕组固定到上述绕组槽内的楔，上述定子铁心在硅钢片的叠层方向上形成多个空气管道并使冷却气体在这些空气管道中强制地流通，其特征在于：
在上述空气管道的面对上述转子一侧设有使插入到上述绕组槽内的定子绕组的温度平均化的流道阻力调整机构。
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