CN101682233B - 电机的空气清洁器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气清洁器(2)，其适用于对电机(1)进行冷却的强制空气开放式通气系统。空气清洁器(2)包括气室(12)，该气室具有第一端和与第一端相反的第二端，开放式通气系统在第一端处经由入口(16)从周围抽吸空气，并在第二端处经由第一出口(18)从气室(12)抽出空气。旋转装置(14)容纳在气室(12)内并且可以受驱动而围绕轴线(22)旋转，该轴线在气室(12)的第一端与第二端之间延伸。旋转装置在受驱动而旋转时向进入气室(12)的空气所包含的任意颗粒施加离心力，并且将这些颗粒从中心轴线(22)径向向外抛出。然后所述开放式通气系统的高速输出流经由至少一个第二出口(20)从气室(12)中抽出这些颗粒，所述至少一个第二出口(20)与旋转装置(14)的径向外缘相邻地形成。

Description

电机的空气清洁器

技术领域

本发明涉及空气冷却式电机。具体地，本发明提供用于开放通气式电机的改进型空气清洁装置。

背景技术

所有电机在其操作期间都会产生热量。因为过热会降低电机的操作效率甚至会造成损坏，因此这些热量对于操作是有害的。在极端的情况下，电机的过热会造成完全失灵。因此，所有的电机都需要冷却。在最简单的情况下，可以使小的低功率电机充分地与其周围环境热接触来进行冷却。然而，大多数电机需要更大程度的冷却并因而设置有合适的冷却系统。目前使用的冷却系统存在许多不同类型。例如，可以借助将液体冷却剂运送至热交换器的闭合回路或借助直接的气体冷却来将电机冷却。对任意电机而言，与其相结合的具体冷却系统取决于电机的尺寸、功率、构造、以及其它因素。

冷却系统不可避免地增加了电机的尺寸、重量和成本。对于需要制造得尤其小、轻且成本低的电机(例如，风力涡轮发电机)而言，冷却问题可能是特别的问题。在这种电机中，优选的是使冷却系统的尺寸和重量最小。因此，通常优选的是这种电机的冷却系统使用周围空气来冷却电机。这是因为这种系统不需要容纳大量沉重的液体冷却剂并使其循环流动，否则会显著地增加冷却系统的重量和尺寸。甚至更优选的是，在不使用体积大且沉重的热交换器的情况下使用周围空气直接冷却该电机。采用周围空气对电机进行直接冷却通常被称为开放式通气。

开放式通气是非常有效的电机冷却方法，这是因为不存在使电机的可用温升降低的中间热交换系统。然而，开放式通气系统在无一定形式的保护的情况下通常不能使用，这是因为用于冷却开放通气式电机的周围空气通常携带灰尘、湿气、盐和其它异物。如果周围空气确实包含大量气载颗粒，则在空气穿过开放式通气系统期间会对电机的露出部分造成重大的损害。该损害是与电机的露出部分碰撞的颗粒造成的。该问题因如下事实而复杂化：为了增加由开放式通气系统所提供的冷却程度，优选的是利用机械装置迫使冷却空气以相对较高的流速和/或压力穿过电机。这使得与电机的露出部分碰撞的颗粒所造成的损害变得更严重。因此，通常需要使开放式通气系统设置有用于从进入电机内的空气中移除至少一部分颗粒的装置。

目前，为了防止颗粒进入开放通气式大功率电机，通常将电机容纳在箱型外壳中。这些外壳允许电机经由流通流入室和流出室进行开放式通气。最常见的是美国国家电气制造商协会(NationalElectrical Manufacturers Association，NEMA)II型外壳。在这些外壳中，流入空气在进入电机之前在管道中被引导而经过至少三个90度方向改变并进入低流速气室。这具有如下效果：即，在空气进入电机本身之前将存在于流入空气中的气载颗粒的一部分分离出来。

虽然箱型外壳的确从流入空气中移除一部分颗粒，但是发现这些外壳在许多情况下是不够有效的。例如，在周围空气可能包含尤其大量的固体颗粒(尤其是沙子)的沙漠环境下，具有NEMA II型外壳的电机尤其会受到损害。此外，机械地提高空气流过箱型外壳的流速会降低从空气中移除颗粒的效率。箱型外壳还有如下问题：即从流过外壳的空气中移除的颗粒物质的聚积。这是因为外壳依赖方向的改变和低速气室以被动的方式清洁空气，并且不存在主动地将颗粒排回到周围空气中的方法，因此从空气中移除的较大一部分颗粒仅仅是聚积在外壳内。随着时间的流逝，这导致任意外壳的操作效率降低。这还意味着需要定期地清洁箱型外壳来移除聚积的颗粒。

通常还使用过滤器来清洁开放通气式电机中的流入空气。过滤器或者被孤立地使用而作为清洁空气的唯一方法，或者与其它空气清洁装置相结合。例如，过滤器通常设置在上述箱型外壳内。通常，过滤器包括简单网筛，网筛位于合适位置上从而使得进入开放式通气系统中的所有空气必须穿过至少一个过滤器。存在于流入空气中的大颗粒不能穿过一个或多个过滤器，从而防止大颗粒穿过整个电机。

一些电机可以具有多于一套过滤器。具体地说，一些电机可以具有开放式通气系统，该系统形成为：流入空气首先穿过设计成移除较大颗粒的相对粗粒过滤器，然后穿过一系列较精细的过滤器，各个精细的过滤器设计成与紧接前方的过滤器相比用于移除更小的颗粒。

在初期使用期间，过滤器相当有效地从进入开放式通气系统的空气中移除大颗粒。然而，过滤器的有效性随着时间的推移而劣化，尤其是在未进行定期维护的情况下更是如此。因为劣化的速率取决于包括存在于流入空气中的任何颗粒的数量和性质在内的外部因素，所以尤其难于预测劣化的速率。此外，一些过滤器，例如箱型外壳等，仅被动地从流入空气中移除颗粒。也就是说，被过滤器从流入空气中移除的相对较大一部分颗粒仅仅是聚积在开放式通气系统中。也很难使用过滤器从流入空气中移除极小颗粒，尤其是在开放式通气系统中利用高的空气流速和/或压力的情况下更是如此。

由于上述缺点，箱型外壳、或者过滤器、甚至两者的组合都不能提供可靠的方法在周围空气具有高的颗粒含量或者空气以高流速和/或压力穿过开放式通气系统的环境中移除气载颗粒。因此，需要从开放通气式电机的流入空气中移除颗粒的改进型空气清洁装置。需要将这种装置制造得小且重量轻，优选的是成本低。优选的是，任意这种装置都能够与现有常规外壳和开放式通气系统相结合。还优选的是，该装置能够与高流速和/或高压开放式通气系统使用并且用于空气可能包含大量颗粒的环境中。还期望的是，这种装置主动地从开放式通气系统中移除颗粒以防止这种颗粒在系统内聚积。

由于该需求，以前已经提出利用风扇或其它类似旋转装置所施加的离心力从进入开放式通气系统的空气中移除固体或液体颗粒。在JP 56125950中披露了这种装置的一个实例。在该装置中，允许空气从周围环境进入开放式通气系统中，存在于空气中的固体颗粒被移除，然后空气被引导到电机中。具体地说，允许空气经由形成于过滤器框架的前侧中部内的入口进入开放式通气系统。然后，流入空气进入圆锥形通道，流入空气在该圆锥形通道会受到旋转力。存在于流入空气中的固体颗粒沿着径向被向外抛至将圆锥形通道包围的集尘室中。然后，被清洁的空气穿过过滤器进入电机中。JP 56125950的开放式通气系统以这样的方式实现对流入空气的主动清洁。然而，该系统不排出从流入空气中移除的颗粒。相反，这些颗粒被收集在集尘室内。因此，需要定期地清空集尘室。

在GB 1106589中披露了设置有类似开放式通气系统的电机。在该系统中，空气被吸入形成于电机壳体的一端的室内。进入室内的空气立即受到风扇驱动而旋转，该风扇安装在电机的驱动轴上并且还用于将周围空气吸入开放式通气系统中。存在于流入空气中的固体颗粒因风扇所施加的离心力而被抛至室的径向外缘。然后，这些颗粒进入输出空气流而不流过电机。输出空气流仅形成于室的径向外缘处。因此允许大部分流入空气进入电机并围绕电机循环。GB 1106589的电机以这样的方式实现对流入空气的主动清洁。该电机还将从流入空气中清洁出的固体颗粒完全排出电机。这意味着所排出的颗粒不能在电机内聚积并降低操作效率或造成损坏。

GB1106589的开放式通气系统存在多种问题。首先，因为向流入空气提供离心力的风扇还用于将空气吸入到电机中，因此两个过程是不可分割的。这意味着，不可以根据需要独立地调节施加到流入空气上的离心力、以及吸入到电机内的空气的体积。此外，虽然从流入空气中移除的颗粒通常被抛向输出空气流，但是除了驱动轴风扇的离心力以外几乎或完全不存在将这些颗粒吸入到流出空气流中的主动力。因此，进入GB1106589的开放式通气系统中的相当大一部分固体颗粒可能不能从该系统中移除，并且会围绕电机循环。

由于上述问题，还未大规模地将利用离心力从流入空气中移除固体颗粒的开放式通气系统应用于电机。但是，多年之前该概念已为人所知。例如，早在1964年的GB 977042中已经披露了其基本概念。

发明内容

本发明提供电机的强制空气开放式通气系统的空气清洁器，该开放式通气系统具有高速输出流，该空气清洁器包括气室，所述气室可以可选地包括第一端和与所述第一端相对的第二端。所述气室具有：至少一个入口(通常位于第一端)，开放式通气系统可以经由该入口从周围抽吸空气；至少一个第一出口(通常位于第二端)，所述开放式通气系统可以经由该出口从所述气室中抽出空气；旋转装置，其容纳在所述气室内并且可受驱动而围绕轴线旋转，其中，所述气室还包括至少一个第二出口，所述开放式通气系统的高速输出流可以经由该出口从所述气室中抽出空气。

本发明的空气清洁器以如下方式操作。允许包含待移除颗粒物质(例如，固体或液体颗粒)的空气从周围环境进入电机的开放式通气系统。然后，空气在第一端经由至少一个入口进入所述空气清洁器的气室。然后，旋转装置可以使气室中的空气以及悬浮在空气中的颗粒旋转而受到离心力，该离心力用于沿径向向外朝向空气清洁器的至少一个第二出口抛出空气。旋转装置所提供的离心力用于借助沉降过程分离出存在于空气中的任意颗粒。换句话说，旋转装置将经由至少一个入口进入气室的颗粒沿径向向外抛出，从而使气室中的位于旋转装置的轴线处或附近的空气基本上无颗粒，而位于旋转装置的径向外缘上或附近的空气包含浓度相对较高的颗粒。

强制空气开放式通气系统用于经由至少一个第一出口和至少一个第二出口从气室中抽出空气。空气受迫经过开放式通气系统的效果使得开放式通气系统直接从位于气室的第二端的至少一个第一出口抽出空气，然后经由高速输出流从开放式通气系统中排出空气。此外，高速输出流流过气室的至少一个第二出口的效果使得气室内的靠近至少一个第二出口的空气被抽出气室并汇入输出流，空气在此被排出开放式通气系统而不会先经过开放式通气系统。

重要的是，因为气室的至少一个第二出口优选地与旋转装置的径向外缘相邻地形成，所以进入气室的任意颗粒会被旋转装置的离心作用抛向至少一个第二出口。因此，这些颗粒经由至少一个第二出口被抽出气室并进入到高速输出流中，而不会经过开放式通气系统。因此，经由至少一个第一出口从气室中抽出并经过开放式通气系统的空气包含的颗粒数量比从周围环境进入气室的第一端的空气所包含的颗粒数量少得多。以这样的方式，本发明使得颗粒经过开放式通气系统对电机造成的损害量最小。

本发明的空气清洁器的具体优点在于被移除的颗粒不会留在开放式通气系统中，而是借助至少一个第二出口和高速输出流被主动地排出冷却系统。“伯努利效应”有助于从气室中排出颗粒从而减少了空气清洁器的堵塞。因此，颗粒在空气清洁器和开放式通气系统中的聚积都是可以忽略的。这与箱型外壳形成对比，箱型外壳在单独使用时通常会受到固体颗粒聚积的困扰。

优选地，本发明气室是大致筒形的，因而旋转装置的旋转轴线与气室的轴线同轴并且气室的筒形壁与气室的径向外缘相邻地形成。还优选的是气室的第一端和第二端与旋转装置的轴向端部相邻地形成。也就是说，优选的是气室紧密地围绕旋转装置形成。然而，气室的第一端和第二端不需要是封闭的。气室的大致整个第一端或第二端可以分别形成气室的至少一个第一入口或至少一个第一出口。紧密围绕旋转装置形成气室是优选的，这是因为这使气室的重量和体积最小化，在许多应用场合中这是重要的考虑因素。

优选的是，气室的至少一个入口形成为使空气在旋转装置的径向外缘处或附近进入气室的第一端。这保证了空气充分受旋转装置驱动而旋转从而受到较大的离心力。因为流入空气在旋转装置的径向外缘进入气室，因而不能仅仅是沿着旋转装置的轴线经过气室而不受到较大的旋转力，所以上述情况是优选的。

还优选的是，气室设置有单个圆锥形第一入口。例如，第一入口可以形成为使流入空气经由形成于入口的外部或上游端的圆形开口被吸入到圆锥形入口中，然后沿着形成于圆锥形入口内的圆锥形通道进行引导并经由环形开口进入气室，该环形开口形成于入口的下游端并且与旋转装置的径向外缘相邻地形成在气室的第一端。如果第一入口是圆锥形的，则优选的是该入口是旋转对称的并与旋转装置同轴。

通常优选的是，气室的至少一个第一出口形成于旋转装置的轴线上或附近。这是优选的，原因在于这有助于确保被引入气室并抛至气室径向外缘的任意颗粒不会经由至少一个第一出口抽出气室并因而经过开放式通气系统。例如，气室可以设置有大致圆形的单个第一出口，该第一出口形成于气室的第二端，与旋转装置同轴并且半径小于旋转装置的半径。

通常优选的是，气室的该或各个至少一个第二出口形成有：第一端或上游端，其与旋转装置的径向外缘相邻地形成于气室的壁上；第二端或下游端，其与高速输出流相邻地形成。因此，输出流流过该或各个至少一个第二出口的第二端附近的效果是在各个第二出口的整个长度上产生压差。也就是说，在开放式通气系统操作时，由于“伯努利效应”，各个第二出口的下游端的压力低于各个出口的上游端的压力。因此，空气将经由各个第二出口被抽出气室并进入高速输出流。本领域的技术人员将理解到，可以通过在高速输出流流过各个第二出口时使高速输出流的压力降低来提高该效应的程度。这可以通过如下步骤来实现，例如输出流流过的通道形成为紧接在空气流过各个第二出口之前减小横截面。

可以预测到，通常优选的是该或各个至少一个第二出口形成于气室的下侧。以这样的方式，借助旋转装置或仅仅是由于动能损耗而从空气中沉降的任意颗粒将降落到气室的底部，这些颗粒通过至少一个第二出口并借助高速输出流排出开放式通气系统。

还优选的是，使用离开开放式通气系统的热空气对空气清洁器的气室进行加热。这可以防止进入气室的空气中所包含的湿气在气室内凝结、与气室中的任意灰尘或其它可溶颗粒混合从而堵塞空气清洁器。

尽管如此，可以理解到应该根据具体预期用途对根据本发明的任意空气清洁器进行设计。可以改变的设计因素包括第一入口、第一出口和第二出口的数量以及它们的尺寸、形状和位置。还可以改变旋转装置的尺寸和性质。根据本发明的任意空气清洁器的优选设计使流过至少一个第一出口的干净空气最多，同时使从一个或多个第一出口漏出的脏空气最少。本领域的技术人员可以理解到，可以使用计算机分析工具来评估和改变根据本发明的任意设计。

本发明的空气清洁器可以在开放式通气系统中形成为使周围空气直接进入空气清洁器的至少一个第一入口，或首先经过开放式通气系统的预备部分。然而，通常优选的是，使开放式通气系统的任何预备部分的长度最小。这是因为经过该预备部分的空气还未被空气清洁器清洁因此可能包含大量颗粒。这些颗粒可能会对开放式通气系统的任何这些部分造成显著的损害。如果电机在下述环境(例如沙漠区域)下操作，则上述情况是尤其重要的：即由于周围空气的颗粒含量高而不能正常使用强制空气开放式通气系统，但是通过包括根据本发明的空气清洁器而可以使用上述系统。

开放式通气系统内的空气强制装置尤其容易受到与通过该系统的空气携带的颗粒碰撞所引起的破坏。因此，优选的是，如果本发明的空气清洁器设置在强制空气开放式通气系统内，则空气强制装置位于高压输出流处或附近但位于气室的至少一个第二出口之前。由于空气清洁器用于经由气室的至少一个第一出口从通过开放式通气系统的空气中移除颗粒并经由气室的至少一个第二出口将被移除的颗粒转向高速输出流，所以以这样的方式设置空气强制装置是优选的。因此，在这两个部位之间经过该开放式通气系统的颗粒的数量是可忽略的或至少极大地被降低，并且优选地在该区域内部设置空气强制装置。

优选的是本发明设置在具有空气强制装置的开放式通气系统内，该空气强制装置是大直径高压风扇。

此外，为了保护空气强制装置或由开放式通气系统来冷却的电机不受损害，通常优选地在开放式通气系统内另外设置保护装置。例如，在开放式通气系统中可以包括过滤器，并且这些过滤器可以用于备用保护手段来收集未被空气清洁器收集的任意较小颗粒。这种保护装置可以设置在开放式通气系统中以保证在空气穿过并冷却相关电机之前从穿过该系统的空气中移除颗粒。

为了进一步防止由穿过包括根据本发明的空气清洁器的开放式通气系统的颗粒所引起的损害，优选的是，对相关电机的内部部件进行保护。例如，可以将电机的绕组封闭起来，并且可以为其它内部部件提供防侵蚀保护措施。

本发明的旋转装置在操作时受驱动而旋转。这可以由多种不同的方法来实现。如果由开放式通气系统冷却的电机是旋转的电机，则空气清洁器的旋转装置可以直接形成在旋转电机的轴上从而受电机的旋转驱动。该构造保证在相关旋转电机操作时旋转装置总是旋转，因此空气清洁器一直都运转。此外，因为该旋转装置不需要独立的驱动机构，所以该构造可以使空气清洁器的重量最小化。然而，在一些情况下，该构造不是优选的，这是因为旋转装置的转速不一定与电机的转速相同。不能独立地调节以这种方式形成的开放式通气系统中的旋转装置施加到流入空气上的离心力。

可选的是，根据本发明的空气清洁器可以构造成旋转装置间接受相关电机的轴的旋转驱动。例如，该空气清洁器可以由驱动机构驱动，该驱动机构受电机的轴的旋转驱动但能够使旋转装置以与轴的转速不同的转速旋转。这种驱动机构可以构造为使旋转装置总是以与电机的轴的转速成固定比率的转速来运转。作为另一种选择，驱动机构使得能够基本上独立于轴的转速例如使用齿轮机构来控制旋转装置的转速。

作为另一种选择，根据本发明的空气清洁器可以构造成旋转装置受基本上独立于相关电机的驱动装置驱动。例如，旋转装置的旋转可以受单独的独立电动机驱动和控制。

优选的是，根据本发明的空气清洁器的旋转装置受驱动，从而可以独立于相关电机的操作来控制旋转装置的转速。这是因为可能期望在不改变电机的运转速度的情况下改变对进入开放式通气系统的空气进行清洁的程度。例如，优选的是，在流入空气量较大和/或流入空气的颗粒含量相对较高时旋转装置以较高的速度旋转，在流入空气的颗粒含量较低或可忽略时旋转装置仅低速旋转，或者可能完全不旋转。

如果独立于电机控制旋转装置，则可以由反馈系统来控制旋转装置的操作。可以由例如一个或多个传感器等传感装置来确定进入冷却系统的空气的特征，例如空气流速和颗粒含量。传感装置通过向控制单元提供反馈来控制旋转装置以适于空气条件的转速操作。传感器可以设置在围绕开放式通气系统的空气内，或者设置在空气清洁器或开放式通气系统内。这些传感器可以直接测量进入该系统的空气的特征，或者可以由离开该系统的空气的特征或电机本身的功率输出来间接地确定这些特征。

类似地，本领域的技术人员应该理解到，根据本发明的空气清洁器的空气强制装置还可以直接或间接地受相关电机驱动，或者可以独立于该电机受驱动。

优选地，可以独立地控制空气清洁器的旋转装置和相关联开放式通气系统的空气强制装置。旋转装置的转速通常与对进入开放式通气系统的空气提供的清洁程度成正比。空气强制装置控制空气经过开放式通气系统的速率，从而控制开放式通气系统所提供的冷却程度。因此，对两者彼此独立地进行控制通常是有益的。例如，在相对干净的环境下当相关联电机以最大速率或近似最大速率操作时，需要空气经由开放式通气系统高速循环以提供满意的冷却程度，但是由于周围环境干净而可能不需要操作空气清洁器。相反，在周围空气包含大量颗粒的环境下，即使仅需要通过开放式通气系统获得相对较低的冷却程度，也可能需要操作空气清洁器。

然而，应该理解到，虽然优选的是独立地控制空气清洁器的旋转装置和开放式通气系统的空气强制装置，但是包括根据本发明的空气清洁器的令人满意的开放式通气系统也可以构造成旋转装置和空气强制装置的控制是紧密相关的。例如，可以构造如下包括根据本发明的空气清洁器的令人满意的开放式通气系统，该系统的空气清洁器的旋转装置和空气强制装置均安装在相关联旋转电机的轴上。

本发明可以形成为如下的独立部件：该部件可以固定在单独的强制空气开放式通气系统上并从该系统上移除。作为另一种选择，本发明可以形成为强制空气开放式通气系统的一体部分。

本发明尤其适用于设置在用于冷却风力涡轮发电机的开放式通气系统内。

可以简单地对本发明的操作进行数学建模。非常近似地，当颗粒经由第一入口进入气室的第一端时，颗粒与旋转装置的轴线平行地前进。为了经由气室的至少一个第二出口将颗粒排出并使颗粒不直接通过气室，必须借助旋转装置使颗粒径向向外转向。也就是说，由旋转装置施加在颗粒上的离心力必须使颗粒从中心轴线沿径向向外转向并经由至少一个第二出口排出。然而，在气室内沿径向向内作用的空气速度压力将与离心力直接对立。因此，如果经由至少一个第二出口从空气清洁器中移除颗粒，则旋转装置的离心力必须超过径向向内的空气动力。

作用在颗粒上的离心力(以牛顿为单位)可以以下式来表示：

F₁＝Mω²R

其中，M＝颗粒的质量(kg)；

R＝颗粒距旋转装置的中心轴线的距离(m)；并且

ω＝旋转装置的转速(rad/sec)。

流体的速度压力(以帕为单位)可以以下式来表示：

P＝0.5ρv²

其中，ρ＝流体密度(kg/m³)；并且

v＝流体的径向流速(m/sec)。

因此，颗粒由于速度压力将受到如下向内的力(以牛顿为单位)：

F₂＝PA

其中，A＝颗粒的空气动力学表面积(m²)。

通常，示例性空气冷却旋转电机可以以1500rpm的转速操作，额定功率为5MW并且效率为97.8％。如果对该电机进行空气冷却，经过电机的空气的温升为45K被认为是可以接受的，从而电机需要大约2.4m³/sec的冷却空气流量。这种电机可以使用根据本发明的空气清洁器，直径为1m的气室容纳直径大致相同的旋转装置。

如果颗粒在气室的径向外缘处进入上述电机的空气清洁器，则受到如下的离心力：

$F_1={\left(\frac{2\mathrm{\π}1500}{60}\right)}^{2}0.5M=12300M$

气室内的球状颗粒如有如下的质量：

$M=\frac{4\mathrm{\π}}{3}{r}^3{\mathrm{\ρ}}_0$

其中，r＝颗粒的半径(以米为单位)；并且

ρ₀＝颗粒的密度(kg/m³)。

因此， $F_1=12300\frac{4\mathrm{\π}}{3}{r}^3{\mathrm{\ρ}}_0$

F₁＝51700r³ρ₀。

气室内的空气的平均径向流速取决于空气流过气室的流量以及至少一个第一出口的进气面积。具体地说，平均径向流速可以由下式表示：

$v=\frac{f}{a}$

其中，f＝空气流过气室的平均流量(m³/sec)；并且

a＝至少一个第一出口的平均进气面积(m²)。

优选地，使至少一个第一出口的进气面积最大以产生气室内的径向向内空气流速。例如，在气室半径为1m的上述电机内，至少一个第一出口的进气面积可以是0.8m²(即，a＝0.8)。空气密度非常接近1.2kg/m³，因此在上述电机的空气清洁器内：

$F_2=\frac{1}{2}1.2{\left(\frac{2.4}{0.8}\right)}^{2}A=\left(5.4\right)A$

如果颗粒是球状的，则空气动力学面积等于：

A＝πr²

并且：

F₂＝5.4(πr²)＝17.0r²

如果满足以下情况，则颗粒借助旋转装置而沿径向向外转向：

F₁＞F₂

51700r³ρ₀＞17.0r²

rρ₀＞3.3×10^-4

因此，进入气室的颗粒是否被旋转装置转向取决于颗粒的尺寸和密度。上述计算式表明，经过该特定空气清洁器的沙粒(密度2500kg/m³)的直径必须小于0.26μm才会不被旋转装置转向。类似地，水颗粒(密度1000kg/m³)的直径必须小于0.66μm才会不被旋转装置转向。

然而，应该理解到如上给出的计算式是经过高度简化的，并且是基于大量假设得到的。本领域的技术人员应该理解到需要详细的计算流体动力研究来使根据本发明的任意空气清洁器的设计最优。

附图说明

图1是包括根据本发明的空气清洁器并与电机一体形成的强制空气开放式通气系统的示意性剖视图；

图2是设置有强制空气开放式通气系统的电机的详细剖视图，该强制空气开放式通气系统包括根据本发明的空气清洁器的优选实施例；以及

图3是图2的开放式通气系统的一部分的局部剖视图，示出空气清洁器。

具体实施方式

可以参考图1来理解根据本发明的空气清洁器2的操作。该空气清洁器2形成开放式通气系统的一部分，该开放式通气系统是单向系统。也就是说，空气经由圆锥形入口16从周围环境进入该系统，穿过该系统并经由单个出口6流出。空气受位于出口6附近的大直径高压风扇8迫使而穿过开放式通气系统，并且被引导穿过该系统的管道10。在图1中以箭头表示空气流过开放式通气系统的方向。

空气清洁器2主要包括容纳空气旋转装置14的筒形气室12。气室12具有圆锥形入口16、第一出口18和第二出口20。旋转装置14受驱动而围绕中心轴线22旋转。入口16的下游端位于气室的第一端，第一出口18位于气室的第二端，中心轴线在气室的第一端与第二端之间延伸并与入口16和第一出口18大致同轴。第二出口20形成于气室12的位于第一入口16与第一出口18之间的壁上，该第二出口20背离中心轴线22沿着径向向外延伸并与旋转装置14的径向外缘相邻。第一出口18经由管道10的一部分延伸至形成于电机1上侧的过滤器外壳28。第二出口20延伸至开放式通气系统的位于风扇8之后以及出口6之前的部分。

在开放式通气系统操作时，风扇8用于将周围空气经由圆锥形入口16吸入到该系统中，从而将空气引导至气室12中。由于入口16是圆锥形的，因此空气在旋转装置14和气室的径向外缘处或附近进入气室12中。

在开放式通气系统操作期间，空气清洁器2的旋转装置14受驱动而旋转。旋转装置14的旋转产生施加到进入气室12的空气上的离心力。具体地说，该旋转将离心力施加到存在于被引入气室12的空气中的任意固体或液体颗粒或其它杂质颗粒上，并用于将这些颗粒从旋转装置14的中心轴线22沿径向向外抛出。以这样的方式保证进入气室12的颗粒保留在气室的径向外缘附近，靠近第二出口20并远离第一出口18。

利用风扇8的动作经由第一出口18和第二出口20从气室12中抽出空气。风扇8的动作经由第一出口18从气室12中直接抽出空气。由于第一出口18位于旋转装置14的中心轴线22上或附近，因此经由该第一出口从气室12中抽出的空气基本上是无颗粒的。以这样的方式，穿过电机1的空气比从周围进入开放式通气系统的空气干净得多。

经由第一出口18抽出的空气被管道10引导通过开放式通气系统。在经由第一出口18从气室12中抽出干净的空气之后，干净的空气通过管道10被引导至形成于电机1上侧的过滤器外壳28。过滤器外壳28容纳大型过滤器30，该大型过滤器从空气中移除未被空气清洁器2移除的任意颗粒。此外，如果空气清洁器2失灵，则过滤器30可以用作备用手段来保护电机1。过滤器30与空气流动方向成锐角地进行设置以使有效表面积最大。可从外部触及过滤器外壳28，因而如果需要的话可以容易地监视和更换过滤器30。监视颗粒在过滤器30上和周围的聚积可以提供空气清洁器2的运转的指示。例如，如果从空气中过滤出大量颗粒，则空气清洁器2可能没有充分地运转。

在通过过滤器外壳28之后，空气被引导经过电机1，如本领域技术人员所理解的那样，空气以常规的方式将电机冷却。作为防止清洁器2失灵的另一个备用手段，将电机1的绕组密封并为电机的其它内部部件提供防侵蚀保护措施。在穿过电机1并使电机冷却之后，空气经过大直径高压风扇8并作为高速输出流从开放式通气系统中排出。

大直径高压风扇8还间接地用于经由第二出口20从气室2中抽出空气。具体地说，风扇8产生高速输出流，由于伯努利效应，高速输出流流过第二出口20的下游端24的动作会在第二出口20的整个长度上产生压差。下游端24处的压力因该伯努利效应而降低，从而低于形成于气室12内的上游端26处的压力。该压差造成空气经由第二出口20被抽出气室12并进入高速输出流。因为第二出口20的第一端26与旋转装置14的径向外缘相邻地形成于气室12内，所以流入空气中的进入气室12并被抛至旋转装置14的径向外缘上的颗粒将被经由第二出口20从气室中抽出，从而可以由开放式通气系统的高速输出流将这些颗粒排出，这些颗粒将不经过电机1。

可以在图2和图3中看到本发明的优选实施例。该实施例的构造大致如上所述并如图1示意性地示出。因此，该优选实施例的特征采用相同的附图标记。然而，根据以下描述可以理解优选实施例的其它具体特征。

在优选实施例中，风力涡轮发电机1由包括根据本发明的空气清洁器2的开放式通气系统来冷却。该风力涡轮发电机1采用常规构造。

开放式通气系统的大直径高压风扇8和空气清洁器2的旋转装置14均安装在发电机1的轴32上。这保证在发电机运行时包括空气清洁器2的开放式通气系统也运转并总是可以充分地冷却发电机。该构造还保证旋转装置14和风扇8总是以与发电机1的轴的速度相同的速度旋转。

优选实施例的圆锥形入口16和气室12形成为使进入气室入口的空气必须经过旋转装置14。具体地说，气室12具有与气室的外壁36同心的中间壁34。中间壁34从气室的与圆锥形入口16相邻的第一端延伸气室的大约一半长度。中间壁34的以中心轴线22为中心的半径大致等于入口16的与气室相交处的半径，并且中间壁和入口在该相交处处结合。以这样的方式，进入气室12的空气必须经过形成于中间壁34与气室的外壁之间的环形通道。

旋转装置14沿着气室12的轴向长度形成并且包括可围绕气室的中心轴线旋转的多个叶片38。各个叶片38沿着轴向在气室12的长度上延伸，并且容纳在形成于气室的中间壁34与外壁36之间的环形通道中，该环形通道在叶片轴向长度的大约一半长度上形成。这样，在发电机1运转时，吸入到气室12中的空气必定受到旋转装置14的作用。

第二出口20形成于气室12的下侧从而使任意如下颗粒经过第二出口20到达气室并从开放式通气系统中排出，这些颗粒由于旋转装置14或仅仅是由于动能损耗而从空气中沉降并落入气室12的底部。

使气室12的第一出口18的面积最大化以使气室中的空气在径向向内方向上流速最小化。具体地说，第一出口18是形成于气室12的第二端上并与气室同轴的圆形开口。第一出口18的径向外缘从旋转装置14的叶片38的内缘沿径向向内形成为与叶片38的内缘相距较小的距离，以使经由第一出口排出气室12的颗粒的数量最小。空气在径向向内方向上的流速的最小化将使得空气在气室12内的速度压力最小化。如上所述，并且对本领域技术人员而言显而易见的是，因为空气的速度压力与旋转装置14的离心力相对立，所以使该速度压力最小化是重要的。

空气在经过第一出口18之后，将经过管道10到达过滤器外壳28。在空气经过发电机1并使其冷却之前，空气中的任意残留颗粒将被过滤器移除。然后空气在从开放式通气系统的出口6排出之前经过风扇8。

Claims (18)

1.一种电机的强制空气开放式通气系统，其包括空气强制装置和出口，所述空气强制装置位于所述电机的下游并产生高速输出流，所述高速输出流通过所述出口从所述强制空气开放式通气系统排出，

所述强制空气开放式通气系统还包括空气清洁器，所述空气清洁器包括：

气室，其具有至少一个入口，所述强制空气开放式通气系统的所述空气强制装置经由所述至少一个入口从周围吸入空气；

至少一个第一出口，所述强制空气开放式通气系统的所述空气强制装置经由所述至少一个第一出口从所述气室抽出基本上无颗粒的空气；

至少一个第二出口，所述强制空气开放式通气系统的所述高速输出流通过所述至少一个第二出口从所述气室抽出空气；以及

旋转装置，其容纳在所述气室内并且受驱动而围绕轴线旋转，以便向所述气室内的空气施加离心力，从而使所述气室内的任何颗粒被径向向外抛向所述至少一个第二出口；

其中，所述至少一个第一出口形成于所述旋转装置的轴线上或轴线附近；

所述至少一个第二出口具有上游端和下游端，所述上游端与所述旋转装置的径向外缘相邻地形成于所述气室的壁内，所述下游端通到所述强制空气开放式通气系统的位于所述空气强制装置之后但位于所述出口之前的部分处；

所述强制空气开放式通气系统的所述空气强制装置位于所述强制空气开放式通气系统的所述出口附近且位于所述至少一个第二出口的所述下游端之前，使得所述高速输出流流过所述至少一个第二出口的所述下游端的动作在所述至少一个第二出口的整个长度上产生压差，从而导致所述气室内的被所述旋转装置径向向外抛向所述至少一个第二出口的空气和任何颗粒被通过所述至少一个第二出口从所述气室抽出，并进入到将通过所述出口从所述强制空气开放式通气系统排出的高速输出流中；以及

所述强制空气开放式通气系统还包括过滤器，所述过滤器位于所述空气清洁器的下游且位于所述电机的上游，以便用于从空气中去除未被所述空气清洁器收集的任何颗粒。

2.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述至少一个第二出口与所述旋转装置的径向外缘相邻地形成。

3.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室是大致筒形的。

4.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室与所述旋转装置的轴线同轴。

5.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室具有大致筒形的壁，所述壁与所述旋转装置的径向外缘相邻地形成。

6.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室包括与所述旋转装置的轴向端部相邻的相对两端。

7.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室的至少一个第一入口与所述旋转装置的径向外缘相邻地形成。

8.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述气室的至少一个第一入口包括位于上游端的开口、大致圆锥形的内部通道、以及形成在下游端的环形开口。

9.根据权利要求8所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述至少一个第一入口是大致旋转对称的并且与所述旋转装置同轴。

10.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述至少一个第一出口具有大致圆形的横截面。

11.根据权利要求10所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述至少一个第一出口与所述旋转装置大致同轴，并且所述至少一个第一出口的半径比所述旋转装置的半径小。

12.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述至少一个第二出口形成于使用中的所述气室的下侧。

13.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，所述高速输出流在经过所述气室的所述至少一个第二出口时压力降低。

14.根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，所述空气强制装置位于所述高速输出流中或附近，并位于所述空气清洁器的所述至少一个第二出口之前。

15.根据权利要求14所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述空气强制装置是大直径高压风扇。

16.一种旋转电机，其结合有根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述空气清洁器的所述旋转装置受所述电机的旋转轴驱动。

17.一种旋转电机，其结合有根据权利要求1所述的强制空气开放式通气系统，其中，

所述空气清洁器的所述旋转装置受驱动机构驱动，从而所述旋转装置的操作基本上独立于所述电机的操作。

18.根据权利要求17所述的旋转电机，其中，

所述驱动机构的操作经由传感器的反馈来控制，所述传感器探测所述强制空气开放式通气系统的操作特性。

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