CN101277035B - 旋转电机及其转子 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机的转子，包括圆柱形转子芯，多个沿转子轴向设置在转子芯的外围上的线圈槽，通过由绝缘材料层压多个励磁导体设置在线圈槽中的转子线圈，设置在线圈槽的开口端部以支撑转子线圈的转子楔，在线圈槽中形成从而经过转子线圈、转子楔和绝缘材料的线圈通风管道，以及设置在线圈槽的底部从而与转子芯末端和线圈通风管道相通的槽底沟。在这样的旋转电机的转子中，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道。每个槽底沟从转子线圈末端至最近的线圈通风管道的径向深度大于槽底沟在接近转子芯中心的部分的深度。

Description

旋转电机及其转子

技术领域

本发明涉及一种旋转电机，具体地配备有改进的转子冷却结构，用于减少转子的通风管道中的压力损失。

背景技术

图13至15示出了普通旋转电机例如涡轮发电机的转子结构，其中图13示出了转子芯的上部结构的剖视图，图14示出了图13中的线圈槽部分的放大图，以及图15示出了转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图。

参照图13，在转子芯1的周向方向上沿其轴向提供有多个线圈槽2，并且转子线圈4嵌在线圈槽2中。

如图13所示，将通过层压多个励磁导体11而形成的转子线圈4嵌在线圈槽2中。通过将转子楔6插入转子槽2的开口端部并且支撑转子线圈4而形成转子。另外，如图14所示，转子线圈4的从转子芯1的端部沿轴向突出的一部分由支撑环9从外部支持。

将绝缘材料5分别插入转子线圈4和转子芯1之间、转子线圈4和转子楔6之间以及转子线圈4和支撑环9之间，以确保转子线圈4的绝缘。另外，尽管没有具体地说明，但也将绝缘材料5分别插入励磁导体11之间。

此外，在线圈槽2中的转子内周侧上提供用于沿转子轴向分配冷却气体8的槽底沟3。在槽底沟3中，分配冷却气体8以冷却转子线圈4。

如图14所示，形成线圈通风管道7以将冷却气体8从转子芯1的端部引导进入槽底沟3并且在线圈槽2中从转子芯1的内径侧向外径侧分配引入的冷却气体8，槽底沟3从转子芯1的端部朝向转子芯1的中心部分。通过沿轴向设置线圈通风管道7而形成用于冷却转子线圈4的冷却气体8的通道，使得线圈通风管道7沿径向经过转子线圈4、绝缘材料5和转子楔6，并且与在转子芯1的整个长度上提供的槽底沟3相通。

如图15中的箭头所示，由于转子旋转的离心式风机效应而将冷却气体8从转子芯1的端部引导进入槽底沟3，向转子芯1的中心部分流动，并且随后向线圈通风管道7分流。

经过线圈通风管道7的冷却气体8冷却并吸收在转子线圈4中产生的热量，并且冷却气体8通过设置在转子楔6中的线圈通风管道7而向转子芯1的外径侧排出。

作为冷却具有用于引导冷却气体8的槽底沟3的转子线圈4的冷却方法，除了如图15所示的结构，已经公开了多种方法。例如，日本专利3564915公开了将线圈通风管道分成多个管道的方法，日本专利3736192公开了形成倾斜开口的方法，以及日本公开号为7-170683的未审专利申请公开了沿轴向通风的方法。

在上述旋转电机中，转子线圈4的温度上限由形成转子线圈4的绝缘材料的耐热性能严格地控制。因此，当由于近来旋转电机的单一容量增加使得转子线圈4的电流密度增加时，为了将线圈温度减至低于绝缘材料5的耐热温度的温度，必须增加转子的直径，增加芯的长度等等，从而通过将更多的励磁导体11插入转子中的线圈槽2而减少热容积。

另外，必须保持宽的通风面积用以增加冷却气体8并且提高冷却性能，这也增加了发电机的尺寸。

在配备有槽底沟3的通风和冷却系统中，在连接至槽底沟3的线圈通风管道7中的所有冷却气体8以聚集的形式从转子芯1端部的入口到芯的最末端侧的转子线圈通风管道7在每个槽底沟3中经过。因此，流动速度很快并且导致大的压力损失。因而，如果增加线圈通风管道7的管道截面面积或管道数量，就不可能保证用于冷却转子线圈4内部的冷却气体8的通风量。

另外，如果旋转电机的容量增加并且旋转电机的芯的长度增加，则槽底沟3沿轴向的长度增加，并且槽底沟3中的压力损失也增加。因此，冷却气体8很难流动。

特别地，在使用如冷却气体8的空气的空气冷却系统中，冷却气体8的热容量变小并且冷却气体8的温升变大。因此，必须尽可能多地保持冷却气体8。

在这些系统中，作为改进冷却性能的方法，如上述日本专利3564915中公开的方法，已经提出将线圈通风管道7分成多个管道以扩展传热面积的方法。然而，冷却气体8的数量增长率和线圈通风管道7的面积增长率的比值变小。因此，线圈通风管道7中的流动速度减小，并且传热效率减小，导致冷却性能恶化。

此外，通过在管道中划分线圈通风管道7，可以容易地产生线圈通风管道之间的流率分配，从而很可能局部地增加转子线圈4的温度。

作为其他方法或系统，例如，日本公开号为2001-178050的未审专利申请公开了将槽底沟3的流动通道的截面面积形成为当接近转子芯1的中心部分时变小，以防止转子芯1的中心部分的流率增加得高于所要求的。在该方法中，可以实现线圈温度的温度均匀化。然而，槽底沟3中的通风阻力增大。因此，冷却气体的总量减少并且转子线圈4的平均温度升高。

此外，例如，在日本公开号为11-150898的未审专利申请和日本公开号为2001-258190的未审专利申请中提出了一种通过减少槽底沟3中的入口损失而增加冷却气体8的通风量的方法。在这些方法中，当冷却气体8以大的流入角度流入以非常高的速度旋转的槽底沟3的开口时，产生的大压力损失减少。例如，将槽底沟3的入口部分形成为平滑的R形使得冷却气体容易流入，或者在转子芯1的端部外侧提供的转子轴10上形成用于引导冷却气体8的凹槽。

然而，由于相邻线圈槽2或槽底沟3的尺寸上的限制，当减少大流入角度的损失时，在槽底沟3内部转动和引导冷却气体8非常困难，并且因此，难以期望减少大压力损失的效果。

发明内容

考虑到上述现有技术的情况而设想本发明，并且本发明的一个目的是提供一种旋转电机，具体地配备有改进的转子，因此能够减少转子中的通风管道中的压力损失，从而有效地冷却转子线圈并且允许提供大的励磁电流值。

根据本发明可以实现上述和其他目的。

即，本发明是一种旋转电机的转子，包括：

圆柱形转子芯；

多个线圈槽，沿转子轴向设置在转子芯的外围上；

转子线圈，通过由绝缘材料层压多个励磁导体设置在线圈槽中；

转子楔，设置在线圈槽的开口端部以支撑转子线圈；

线圈通风管道，形成在线圈槽中从而经过转子线圈、转子楔和绝缘材料；以及

槽底沟，设置在线圈槽的底部从而与转子芯末端和线圈通风管道相通，

在这样的转子中，一方面，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，并且每个槽底沟从转子线圈末端至最近的线圈通风管道的径向深度大于槽底沟在接近转子芯中心的部分的深度。

本发明的另一方面，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，并且槽底沟的径向深度从设置在最近的线圈末端的线圈通风管道至线圈通风管道的位于接近转子芯中心的部分逐渐减小。

本发明的再一方面，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，并且在槽底沟的至少一侧沿转子轴向提供辅助流动通道，并且提供将辅助流动通道和槽底沟的至少一点连通的辅助连通通道。

本发明的再一方面，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，并且在从转子芯末端至线圈通风管道的最接近转子线圈末端的位置的范围内形成槽底沟，使得该槽的宽度大于位于另一个线圈通风管道位置处的槽的宽度。

本发明还提供了具有上述结构的转子的旋转电机。

根据具有上述特征结构的本发明的以上方面，可以提供一种旋转电机的转子，该转子可以减少转子中的通风管道中的压力损失，有效地冷却转子线圈，并且允许大的励磁电流值。

根据下列参照附图的描述将更加清楚本发明的性质和更多的性能特征。

附图说明

在附图中：

图1示出了依照本发明第一实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图；

图2示出了依照本发明第一实施方式的旋转电机的转子的改进形式的纵向剖视图；

图3示出了依照本发明第二实施方式的旋转电机的转子的线圈槽部分的放大剖视图；

图4示出了依照本发明第二实施方式的旋转电机的改进转子的线圈槽部分的放大剖视图；

图5示出了依照本发明第三实施方式的旋转电机的转子中靠近线圈槽部分的结构的剖视图；

图6示出了依照本发明第四实施方式的旋转电机的转子中靠近线圈槽部分的结构的剖视图；

图7示出了依照本发明第五实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图；

图8是沿图7中的VIII-VIII线的剖视图；

图9示出了依照本发明第五实施方式的改进形式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图；

图10是沿图9中的X-X线的剖视图；

图11示出了依照本发明第六实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图；

图12是沿图11中的XII-XII线的剖视图；

图13示出了已知旋转电机的转子芯的上部结构的剖视图；

图14示出了图13中的线圈槽部分的放大图；以及

图15示出了已知转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述旋转电机的转子的实施方式，在图中与图13至15的现有技术所示的相应的那些部分和元件使用相同的附图标记。

【第一实施方式】

图1示出了依照本发明第一实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图。

参照图1，在转子芯1的周向方向上提供有多个线圈槽2，并且转子线圈4容纳在线圈槽2中。

通过层压多个励磁导体11而形成每个转子线圈4。通过将转子楔6插入转子槽2的开口端部而支撑转子线圈4。另外，从转子芯1突出的最外侧转子线圈4由环状支撑环9从外部支撑。

在线圈槽2中的转子内周侧上沿转子芯1的轴向提供槽底沟3。在槽底沟3中，分配冷却气体8以冷却由转子线圈4产生的焦耳热。

另外，在转子线圈4中，沿转子芯1的径向提供多个线圈通风管道7，使得线圈通风管道7经过转子线圈4、绝缘材料5和转子楔6。形成线圈通风管道7使其与沿转子芯1的整个长度提供的槽底沟3相通，并且通过在线圈通风管道7中分配被引入槽底沟3中的冷却气体8而冷却转子线圈4。

在第一实施方式中，形成槽底沟3使得槽底沟3从转子芯末端18至芯的最末端侧的转子线圈通风管道7a的深度大于槽底沟3接近转子芯1中心的深度。

在第一实施方式中，如上所述形成槽底沟3，并且因此，由于转子旋转的离心式风机效应而将冷却气体8从转子芯末端18引入槽底沟3，向转子芯1的中心部分流动，并且随后向线圈通风管道7分流。经过线圈通风管道7的冷却气体8冷却并吸收在转子线圈4中产生的热量，并且通过线圈通风管道7而从转子芯1的外径侧排出。

在从转子芯末端18到芯的最外端侧的转子线圈通风管道7a设置的槽底沟3中，所有冷却气体8以聚集的形式经过。然而，由于形成槽底沟3使得这部分的流动通道面积最大化，可以分配大量的冷却气体8。

转子旋转的离心式风机效应基本由转子芯1的外径和槽底沟3的半径位置之间的差决定。确定转子中的气流量使得转子中的压力损失与所述差相平衡。通常地，由于压力损失与流动速度的平方成比例地变化，当具有最快流动速度的部分的压力损失减少时，可以获得更大的改进效果。

在图1所示的结构中，十八个线圈通风管道从槽底沟3分支。通常地，在旋转电机中，当容量增加时，芯的长度增加并且线圈通风管道的数量增加。因而，线圈通风管道的流动通道面积总和变得大于槽底沟面积。因此，在转子的通风管道中具有最快流动速度的部分构成槽底沟，该槽底沟从转子芯末端18到芯的最末端侧的转子线圈通风管道7a地设置，并且所有冷却气体8在芯的最末端侧聚集。

在根据第一实施方式的旋转电机的转子中，通过增加冷却气体以最快的流动速度流动的部分的流动通道面积，可以有效地减少压力损失并且可以流入大量冷却气体。因此，可以实现能够有效地冷却转子线圈从而允许提供大的励磁电流值的旋转电机的转子。

在第一实施方式中，通过改变槽底沟3的深度而改变槽底沟的横截面积。然而，槽底沟3的宽度可以改变，或者深度和宽度都可以改变。另外，在第一实施方式中，将槽底沟从转子芯末端18到芯的最末端侧的转子线圈通风管道7a的深度形成为相同的深度。然而，深度可以从转子芯末端18部分地或者以多个级的形式改变，或者可以连续地改变。

此外，如图2所示，接近转子芯1中心的槽底沟3的横截面积可以向转子芯的中心连续地减少。另外，槽底沟3的宽度可以在转子芯内径侧变窄。

【第二实施方式】

将参照图3描述本发明的第二实施方式。与第一实施方式中相同的那些元件使用相同或相似的附图标记，并且省略对它们的描述。

图3示出了依照本发明第二实施方式的旋转电机的转子的线圈槽部分的放大剖视图。在图3中，由层压励磁导体11形成的转子线圈4通过绝缘材料5容纳在线圈槽2中。通过将转子楔6插入转子槽2的外径侧而将转子线圈4固定在转子槽2中。在绝缘材料5、转子线圈4和转子楔6中，形成沿线圈槽2的径向相通的线圈通风管道7，以使其沿转子线圈1的轴向经过。

在线圈槽2的内径侧上提供有槽底沟3，并且沿转子芯1的轴向提供辅助槽12，该辅助槽12的宽度小于槽底沟3的宽度。形成槽底沟3和辅助槽12使它们经过转子芯1并且与线圈通风管道7相通。

在第二实施方式中，通过在槽底沟3的内径侧形成辅助槽12而增加转子芯1中用于冷却气体8的流动通道的横截面积。因此，与第一实施方式的结构相比，大量的气体可以经过，并且可以设置允许提供大的励磁电流值的旋转电机的转子。

通常地，设计线圈槽2使其具有机械强度可能受限的最大尺寸。因此，如果简单地尝试延伸或扩展槽底沟3的深度或宽度，由于机械强度的缺乏，通常很难延伸尺寸或宽度。然而，在第二实施方式中，通过在槽底沟3的内径侧提供具有小于槽底沟3的宽度的辅助槽12，可以扩展用于冷却气体8的流动通道的横截面积，而不会导致机械强度缺乏。

在图3中，辅助槽12具有不变的宽度。然而，可以形成辅助槽12使其具有从内径侧向外径侧加宽的宽度。

在第二实施方式中，槽底沟3和辅助槽12沿转子芯1的轴向的整个表面彼此相通。然而，如图4所示，可以沿轴向形成与槽底沟3的底面间隔开的辅助流动通道13，并且可以提供沿辅助流动通道13的轴向的一部分与槽底沟3相通的辅助连通通道14，从而获得基本相同的效果。

【第三实施方式】

将参照图5描述本发明的第三实施方式。与上述第一和第二实施方式中相应的那些元件使用相同或相似的附图标记，并且在这里省略对它们的描述。

图5示出了依照本发明第三实施方式的旋转电机的转子中靠近线圈槽部分的结构的剖视图。

在第三实施方式中，在转子芯1的周向方向上提供的相邻槽底沟3和转子芯1的磁极部分19之间提供辅助流动通道13，使其沿着转子芯1的轴向延伸。另外，在辅助流动通道沿轴向的一部分处提供与槽底沟3相通的辅助连通通道14。其他结构与图1中所示的相同。

在第三实施方式中，在设置在周向方向上的相邻槽底沟3和磁极部分19之间设置辅助流动通道13。该第三实施方式可以基本实现与图4所示的第二实施方式相同的效果和优点。

在图5中，尽管辅助流动通道13设置在槽底沟3的侧面处，但它们可以设置在比槽底沟3更靠里的内径侧。

【第四实施方式】

下面将参照图6描述本发明的第四实施方式。与上述实施方式中相应的那些元件使用相同的附图标记，并且在这里省略相同的描述。

图6示出了依照本发明第四实施方式的旋转电机的转子中靠近线圈槽部分的结构的剖视图。

在图6中，在设置在转子芯1的周向方向上的相邻槽底沟3和磁极部分19之间提供辅助流动通道13。另外，提供辅助连通通道14使其仅与位于转子的旋转方向滞后侧的槽底沟3相通。其他结构与图5中所示的第三实施方式相同。

如上所述，在第四实施方式中，提供辅助连通通道14使其仅与槽底沟3相通，从而使被引入辅助流动通道13的冷却气体8沿与转子的旋转方向相反的方向流动。因此，可以减少当合并从辅助流动通道13经过辅助连通通道14的冷却气体8和槽底沟3中的冷却气体8时的压力损失。因此，可以提供能够有效地冷却转子线圈4并且允许提供大的励磁电流值的旋转电机的转子。

【第五实施方式】

下面将参照图7和8描述本发明的第五实施方式。与上述实施方式中相应的那些元件使用相同或相似的附图标记，并且在这里省略相同的描述。

图7示出了依照本发明第五实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图。图8是沿图7中的VIII-VIII线的剖视图。

在图8中，在相对于槽底沟3的转子旋转方向前侧的转子芯端部提供槽口(切口)15，并且在转子芯1的线圈槽2的内径侧设置在转子芯末端18侧的开口部分处。通过在转子芯末端18侧形成槽口15使得槽底沟3的横截面积变大。

在转子芯末端18处的槽底沟3的入口侧，冷却气体8通过转子的旋转以大的流入角度流入。因此，在各个通道入口处产生向旋转方向滞后侧偏斜的流动速度分配。在第五实施方式中，通过在转子的旋转方向前侧开槽拐角部分，冷却气体8变得更容易流入，并且另外，可以扩展每个通道的流动通道面积，从而可以减少该部分的压力损失，并且可以提供能够有效地冷却转子线圈4并且允许提供大的励磁电流值的旋转电机的转子。

在第五实施方式中，在转子芯末端18侧的开口部分提供槽口15，从而增加槽底沟3位于转子芯末端18侧的横截面积。然而，如图9和沿图9中的X-X线的剖视图的图10所示，可以在槽底沟3的开口处的转子旋转方向滞后侧的转子芯末端18处提供突出部分16。

【第六实施方式】

下面将参照图11和12描述本发明的第六实施方式。与上述实施方式中相应的那些元件使用相同或相似的附图标记，并且在这里省略相同的描述。

图11示出了依照本发明第六实施方式的旋转电机的转子沿轴向的一侧结构的纵向剖视图。图12是沿图11中的XII-XII线的剖视图。如图12所示，在第六实施方式中，为相邻的槽底沟3形成辅助连通通道17，其从转子的旋转方向前侧上的槽底沟3a通至滞后侧的槽底沟3b。

在转子芯末端18处的槽底沟3的入口周围部分，冷却气体8通过转子的旋转以大的流入角度流入。因此，在每个通道入口处产生向旋转方向滞后侧偏斜的流动速度分配。在第六实施方式中，通过提供与相对于槽底沟3b在转子旋转方向前侧上的槽底沟3a相通的辅助连通通道17，流入位于转子旋转方向前侧上的槽底沟3a的冷却气体8经过辅助连通通道17并且更容易流入滞后侧上的槽底沟3b。因此，可以减少压力损失，并且可以提供能够有效地冷却转子线圈4并且允许提供大的励磁电流值的旋转电机的转子。

尽管在上文中描述了旋转电机的转子的多种实施方式，但这些转子可以优选地应用于具有除普通装置中的转子以外的结构元件的旋转电机，并且因此，这样的旋转电机也在本发明的范围之内。

值得注意的是，本发明不限于所描述的实施方式，并且只要不背离所附权利要求的范围，可以进行许多其他的变化和改进。

Claims (5)

1.一种旋转电机的转子，包括：

圆柱形转子芯；

多个线圈槽，沿转子轴向设置在转子芯的外围上；

转子线圈，由层压多个励磁导体而形成，通过绝缘材料设置在线圈槽中；

转子楔，设置在线圈槽的开口端部以支撑转子线圈；以及

线圈通风管道，形成在线圈槽中从而贯穿转子线圈、转子楔和绝缘材料，

槽底沟，设置在线圈槽的底部从而与转子芯末端和线圈通风管道相通，

其中，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，

并且每个槽底沟从转子芯末端至最近的线圈通风管道的径向深度大于槽底沟在接近转子芯中心的部分的径向深度；

其中在槽底沟的底部沿转子轴向形成辅助槽，槽底沟和所述辅助槽沿转子轴向的整个表面彼此相通。

2.一种旋转电机的转子，包括：

圆柱形转子芯；

多个线圈槽，沿转子轴向设置在转子芯的外围上；

转子线圈，由层压多个励磁导体而形成，通过绝缘材料设置在线圈槽中；

转子楔，设置在线圈槽的开口端部以支撑转子线圈；以及

线圈通风管道，形成在线圈槽中从而贯穿转子线圈、转子楔和绝缘材料，

槽底沟，设置在线圈槽的底部从而与转子芯末端和线圈通风管道相通，

其中，线圈槽、槽底沟和线圈通风管道构成用于分配冷却气体从而冷却转子线圈的冷却气体通道，

并且槽底沟的径向深度从离转子芯末端最近的线圈通风管道至位于接近转子芯中心部分的线圈通风管道逐渐减小；

其中在槽底沟的底部沿转子轴向形成辅助槽，槽底沟和所述辅助槽沿转子轴向的整个表面彼此相通。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其中通过在线圈槽的底部沿转子轴向提供凹槽而形成槽底沟。

4.根据权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其中相对于转子芯形成从旋转方向滞后侧向前侧延伸的突出部，该突出部位于槽底沟的转子芯末端开口部分的宽度方向侧表面上。

5.一种旋转电机，包括根据权利要求1～4中的任何一个所述的转子。

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