CN101711451B - 具有空气冷却系统的电机 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电机，包括具有定子绕组的定子、容纳所述定子的外壳、转子和具有大致为圆柱形的结构的空气隙。在定子芯上设置有多个周向分布的径向的第一冷却气体导管。冷却气体的喷射流被导引到末端绕组中的相对地远离所述定子芯的区域，以便实现对其的冲击冷却。冷却气体流被导引到所述末端绕组中的位于所述末端绕组的被冲击冷却的区域和所述定子芯的相应正面之间的部分。

Description

具有空气冷却系统的电机
技术领域
本发明涉及对电机的冷却，所述电机包括具有绕组的定子、转子和具有通常为圆柱形的结构的空气隙。
背景技术
电机需要冷却，以便去除由于该电机的损耗而产生的热量，以及确保该电机中的温度不会超过针对该电机的各个部分设置的最大设计温度。这些损耗主要是定子芯(stator core)的铁耗、绕组的铜耗、转子中的损耗、空气隙中的摩擦损耗和轴承损耗。如果超过绕组的最大设计温度，则存在绕组线的电气绝缘失效的风险。
与针对例如小于5,000min-1的更为普通的转速设计的电机相比，针对高转速设计的电机由于在更小的机器容积(machine volume)内产生损耗，而需要更为复杂的冷却系统。
从所述电机中高效地去除由于损耗产生的热量是重要的任务，因为热去除需要能量，并且因此是降低电机的整体效率的因素。高复杂度的冷却对电机的高整体效率作出有价值的贡献。
发明内容
本发明提供了一种电机，包括：
(a)定子，所述定子包括定子芯和定子绕组，所述定子绕组包括容纳在所述定子芯的空间中的第一绕组部分和作为第二绕组部分的末端绕组(endwinding)，所述末端绕组轴向地位于所述定子芯的第一正面和相对的第二正面之前；
(b)外壳，所述外壳容纳所述定子；
(c)转子，所述转子被可转动地支撑；
(d)空气隙，所述空气隙具有通常为圆柱形的结构；
(e)多个周向分布的第一冷却气体导管，所述第一冷却气体导管被放置在所述定子芯的第一正面和第二正面之间的位置上，并且在各自的外部进口和所述空气隙之间沿大致为径向的方向延伸；
(f)所述外壳包括多个第一孔，所述多个第一孔导引向(be directedtoward)位于所述定子芯的第一正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体的喷射流(jet)导引到(against)所述末端绕组，以进行对所述末端绕组的冲击冷却(impingement cooling)；
(g)所述外壳包括多个第二孔，所述多个第二孔导引向位于所述定子芯的第二正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体的喷射流导引到所述末端绕组，以进行对所述末端绕组的冲击冷却；
(h)所述外壳包括多个第三孔，所述多个第三孔导引向位于所述定子芯的第一正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体流导引通过所述末端绕组并到达所述转子中的位于所述末端绕组之后的部分；
(i)所述外壳包括多个第四孔，所述多个第四孔导引向位于所述定子芯的第二正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体流导引通过所述末端绕组并到达所述转子中的位于所述末端绕组之后的部分；
(k)以及下述中的至少之一
(k1)鼓风扇(blowing fan)，所述鼓风扇被操作来提供通过所述电机的冷却气体流，所述鼓风扇与所述第一冷却气体导管、所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔和所述第四孔进行冷却气体流连接；
(k2)或者吸风扇(sucking fan)，所述吸风扇被操作来提供通过所述电机的冷却气体流，所述吸风扇与所述电机中的接收从所述空气隙、所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔和所述第四孔排出的冷却气体的那些空间进行冷却气体流连接。
在从属权利要求2到24中示出了本发明的优选实施例。
本发明还提供均包括根据本发明的电机的透平压缩机和透平发电机。
本发明所提供的有益效果包括下述各项：
为所述末端绕组提供了非常强的冷却。利用冷却气体的冲击冷却喷射流来对所述末端绕组的轴向外部末端部分进行冷却，而利用冷却气体的低速流来对所述末端绕组的轴向内部部分进行冷却。这最适合于热量的分布和所述末端绕组的几何形状。
与传统冷却设计相比，本发明所提供的冷却的设计需要非常低的功率。
与以低于5,000min-1的转速工作的许多常规电机相比，本发明所提供的冷却的设计特别适合于以高转速工作的电机。
在优选实施例中，所述冷却系统包括对所述定子芯外周的液体冷却，并且以所述液体冷却通道不干扰所述气体冷却流路径的方式，将这种液体冷却与本文所描述的所述冷却组合。
本发明的电机尽管其冷却系统非常复杂，但是这不意味着制造非常复杂或制造成本高。
在本发明的示例性实施例中，电机具有至少20000min-1的设计最大转速。
在本发明的示例性实施例中，设计最大转速为至少40000min-1。
在本发明的示例性实施例中，设计转子叶尖速度为至少200m/s。
在本发明的示例性实施例中，电机具有至少140kW的设计额定功率。
在本发明的示例性实施例中，设计额定功率为至少200kW。
在本发明的示例性实施例中，电机具有比它的额定功率的8％小的设计损耗。
在本发明的示例性实施例中，风扇具有比所述电机的额定功率的1.5％小的设计功率。
在本发明的示例性实施例中，定子绕组具有180℃的设计最大允许温度。
在本发明的示例性实施例中，电机被设计为使得冷却气体的总流量的至少60％通过所述第一孔和第二孔。
在本发明的示例性实施例中，冷却气体是空气。
附图说明
在下面参考附图阐述本发明的优选实施例和本发明的优选特征。附图是纵向截面图，并且以示意图的形式主要示出了透平压缩机的仅仅上半部分。
具体实施方式
附图中示出的透平压缩机2包括外壳4、容纳在外壳4中的定子6、延伸通过中空定子6的转子8、转子8的轴承10和12、以及安装在所述转子8上的两个压缩机叶轮14和16。
转子8例如是实心钢转子或具有带有薄铜套管的实心钢主体的转子。附图示出了两个主动径向磁性轴承10，以及在一个轴向侧处的主动轴向磁性轴承12。作为替换例，可以提供两个主动轴向磁性轴承。“主动磁性轴承”意味着这样的轴承，其中转子8相对于静止轴承10或12的位置被连续地感测，并且该轴承的磁力被连续地改变，以将所述转子保持在相对于所述轴承的位置位于预定的范围内。
定子6包括定子芯18和定子绕组20，所述定子芯18包括环状钢片组(stack)，所述定子绕组20由铜线形成。第一绕组部分被容纳在定子芯18中的槽状空间中，而第二绕组部分采用末端绕组22的形式。所述末端绕组22包括位于定子芯18的左手第一正面24之前的第一部分和位于定心芯18的右手正面26之前的第二部分。整个定子6通常相对于中间平面28对称，所述中间平面28相对于转子8的转动轴30垂直地延伸。在所述定子芯的轴向中点附近，存在多个周向分布(circumferentially distributed)的第一冷却气体导管21，所述多个第一冷却气体导管21沿着通常为径向的方向延伸。
定子6安装在外壳4中。外壳4的中心部分包围定子芯8，并且包括多个周向分布的第二冷却气体导管32，所述多个第二冷却气体导管32基本上沿轴向方向延伸。外壳4在定子芯18的第一正面24和第二正面26之外继续，并且在那里形成基本上为圆柱形的壁部分34，所述壁部分34在定子6的两侧环绕所述末端绕组22。每个壁部分34分别包括一行周向分布的第一孔36或第二孔38(马达的每个轴向侧一行)以及分别包括一行周向分布的第三孔40或第四孔42(马达的每个轴向侧一行)。所述第一孔36和第二孔38具有相对小的直径，例如5mm，而所述第三孔40和第四孔42具有较大的直径，例如15mm。
在右手侧，外壳4以这样的径向厚度在第二正面26之外继续，该径向厚度使得第二冷却气体导管32能够继续与所述末端绕组22的右手部分所具有的轴向长度近似相同的轴向长度。在左手侧，存在冷却气体环形通道44，该冷却气体环形通道的内径受限于壁部分34，并且与进口46和第二冷却气体导管32的左手末端进行冷却气体流连接。
如果需要，还可以在第二冷却气体导管32的右手末端部分设置冷却气体环形通道。
外壳4在左手侧继续，以安装轴向轴承12和多个径向轴承10之一。在右手侧，外壳4继续以安装两个径向轴承10中的另一个径向轴承。在左手侧，存在多个周向分布的第三冷却气体导管48，该第三冷却气体导管具有去往环形通道44的进口和去往径向轴承10的左手侧的空间的出气口。在右手侧，存在类似的多个第三冷却气体导管48，然而该多个第三冷却气体导管48具有开向多个第二冷却气体导管32中相应的第二冷却气体导管32并延伸到右手径向轴承10的右手侧的空间的进口。
示意性示出的鼓风扇50与环形通道44进行冷却气体流连接。
冷却气体的流动如下：
由鼓风扇50压入的冷却气体流入到环形通道44中，在第一流中，从所述环形通道44流入到第二冷却气体导管32，在第二流中，从所述第二冷却气体导管32流入到第一冷却气体导管21，以及作为第三流，从所述第二冷却气体导管32流入到第二孔38和第四孔42。另一方面，存在从所述环形通道44直接通过所述第一孔36和第三孔40的流，作为第四流。从第一冷却气体导管21出来的第二流在第一冷却气体导管处分流，并向左和向右流过所述空气隙52。
利用第一孔36和第二孔38，形成冷却气体的喷射流，该喷射流被导引到所述末端绕组22中的比所述末端绕组22的剩余部分更加远离所述正面24、26的那些区域。所述冷却气体的喷射流在那些区域对所述末端绕组22进行冲击，并且所述喷射流通过冲击被分解为非常小量的气体。这导致对所述末端绕组22的那些区域进行非常强的冷却。
所述冷却气体以更加低的流速流过第三孔40和第四孔42。所述冷却气体流过所述末端绕组中的比在前一段中所描述的所述末端绕组22中的更远离区域更靠近正面24、26的那些区域。这些低速流可以通过从定子芯18的槽引出的线束之间的空隙，并且可以冷却位于所述末端绕组22之后的转子8的圆周的两个区域，并且可以对所述转子8的冷却作出实质的贡献。
被导引到径向轴承10的冷却气体流沿着朝向马达的轴中心的方向通过轴承10。在左手侧的情形下，该流还冷却轴向轴承10。
已经冷却定子芯18、空气隙22和末端绕组22的冷却气体22以两个流54离开外壳4，一个流在左手侧，以及一个流在右手侧。外壳4具有合适的基本上沿径向延伸的通道和两个包围环形通道56，以允许排出流(exitflow)54。已经冷却轴承10、12的冷却气体与这些排出流54结合。
外壳中安装定子芯18的部分在其外周设置有周向槽56，以及在其附近(therearound)设置有外套管58。按照这种方式，形成冷却液体外套管，其中比如水之类的冷却液体可以通过槽56循环。附图示出环形通道44位于第二冷却气体导管32的进气开口之前的左手侧。按照这种方式，环形通道44轴向地位于冷却液体外套管56、58的旁边，从而不需要冷却气体用来通过所述冷却液体外套管(cooling liquid jacket)的径向通路。不需要冷却液体外套管的本发明的实施例是可能的，并且在这种情形下，可以更为方便地将环形通道44基本放置在中间平面28的位置上，由此得到气体冷却系统的对称设计。要强调的是，可以利用多个第一冷却气体导管21组来替换一个第一冷却气体导管21组，其中，所述多个组中的每个组包括多个周向分布的导管21。所述多个组彼此之间具有轴向距离。
附图示出了第一压缩机叶轮14被安装在转子8的左手末端部分，以及第二压缩机叶轮16被安装在转子8的右手末端部分。要压缩的空气或其它气体首先通过第一压缩机叶轮14，随后通过中间冷却器，然后通过第二压缩机叶轮16。第一压缩机叶轮14被第一压缩机外壳(在图中仅仅示出了其一部分)包围，以及该第二压缩机叶轮16被第二压缩机外壳(在图中仅仅示出了其一部分)包围。
如果利用径向透平机叶轮来替换压缩机叶轮14、16，则提供了用于发电的透平发电机。要强调的是，本发明的马达可以用来驱动任意装备，并不受限于驱动压缩机的应用。这也适用于由任意驱动装备驱动的本发明的电流发生器。
如果利用吸取排出流54的吸风扇替换鼓风扇50，则提供了本发明的替换实施例。例如利用环形通道44，将新鲜冷却气体吸入到电机中。
仅仅是为了给出非限制性实例，给出了所测试的实施例的下述数据：附图中示意性示出的设计；马达的功率为300kW；转速为60,000min-1；由鼓风扇产生的压力增量为高于大气压2.5到3kPa；冷却空气的总流速为20到25m3/min；风扇的功耗为2到2.5kW；在末端绕组22和第一冷却气体导管21之间分流的气流的比率为大约80/20；已经通过马达的冷却空气的平均温度增量为大约50℃；环境气体温度为40℃；马达中的最大温度(该温度在末端绕组中)约为160℃；冷却外套管的水流速为大约0.2kg/s。
最优选的冷却气体是空气。马达可以配备有频率变换器。风扇可以由配备有频率变换器的电马达(electronic motor)驱动。

Claims (18)

1.一种电机，包括：
(a)定子，所述定子包括定子芯和定子绕组，所述定子绕组包括容纳在所述定子芯的空间中的第一绕组部分和作为第二绕组部分的末端绕组，所述末端绕组轴向地位于所述定子芯的第一正面和相对的第二正面之前；
(b)外壳，所述外壳容纳所述定子；
(c)转子，所述转子被可转动地支撑；
(d)空气隙，所述空气隙具有大致为圆柱形的结构；
(e)周向分布的多个第一冷却气体导管，所述多个第一冷却气体导管被放置在所述定子芯的第一和第二正面之间的位置处，并且在各自的外部进口和所述空气隙之间沿大致为径向的方向延伸；
(f)所述外壳包括多个第一孔，所述多个第一孔导引向位于所述定子芯的第一正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体的喷射流导引到所述末端绕组，以进行对所述末端绕组的冲击冷却；
(g)所述外壳包括多个第二孔，所述多个第二孔导引向位于所述定子芯的第二正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体的喷射流导引到所述末端绕组，以进行对所述末端绕组的冲击冷却；
(h)所述外壳包括多个第三孔，所述多个第三孔导引向位于所述定子芯的第一正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体流导引通过所述末端绕组并导引向位于所述末端绕组之后的所述转子的一部分；
(i)所述外壳包括多个第四孔，所述多个第四孔导引向位于所述定子芯的第二正面之前的所述末端绕组，以将冷却气体流导引通过所述末端绕组并导引向位于所述末端绕组之后的所述转子的一部分；
(j)所述第一孔和第二孔的直径小于所述第三孔和第四孔的直径；
(k)以及下列各项中的至少一项：
(k1)鼓风扇，所述鼓风扇可被操作来提供通过所述电机的冷却气体流，所述鼓风扇与所述第一冷却气体导管、所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔和所述第四孔处于冷却气体流连接；
(k2)或者吸风扇，所述吸风扇可被操作来提供通过所述电机的冷却气体流，所述吸风扇与所述电机中的接收从所述空气隙、所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔和所述第四孔排出的冷却气体的那些空间处于冷却气体流连接，
其中
-所述第一孔是周向分布的，且被布置为与所述定子芯的第一正面相距一距离；和/或
-所述第二孔是周向分布的，且被布置为与所述定子芯的第二正面相距一距离；和/或
-所述第三孔是周向分布的，且被布置为与所述第一孔相比，与所述定子芯的第一正面相距更短的距离；和/或
-所述第四孔是周向分布的，且被布置为与所述第二孔相比，与所述定子芯的第二正面相距更短的距离。
2.如权利要求1所述的电机，
其中，所有所述第一冷却气体导管被大致布置在共同平面上，所述共同平面相对于所述转子的转动轴垂直地延伸。
3.如权利要求1所述的电机，
其中，存在至少两组所述第一冷却气体导管，在每组中，所述第一冷却气体导管被大致布置在共同平面上，所述共同平面相对于所述转子的转动轴垂直地延伸。
4.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
其中，所述定子绕组和所述第一到第四孔是相对于中间平面大致为对称的设计，所述中间平面相对于所述转子的转动轴垂直地延伸。
5.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
包括多个周向分布的第二冷却气体导管，所述第二冷却气体导管沿大致为轴向的方向延伸，所述第一冷却气体导管的外部进口开口到相应的第二冷却气体导管中。
6.如权利要求5所述的电机，
包括冷却气体环形通道，所述冷却气体环形通道与所述第一冷却气体导管的外部进口或与所述第二冷却气体导管处于冷却气体流连接。
7.如权利要求6所述的电机，
其中，所述冷却气体环形通道被布置在所述定子芯的第一正面或第二正面处。
8.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
其中，所述鼓风扇或吸风扇偏离所述定子芯的中间平面放置，所述定子芯的中间平面相对于所述转子的转动轴垂直地延伸。
9.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
其中，所述定子芯包括冷却液体外套管。
10.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
包括至少一个磁性轴向轴承和两个磁性径向轴承。
11.如权利要求10所述的电机，
包括多个周向分布的第三冷却气体导管，所述第三冷却气体导管与所述鼓风扇或吸风扇处于冷却气体流连接，以向所述磁性轴承供应冷却气体。
12.如权利要求1到3中的任何一项所述的电机，
其中，所述电机是具有无绕组转子的异步电马达或异步电流发生器。
13.一种透平压缩机单元，包括如权利要求1到12中的任何一项所述的电机作为马达、和被安装到所述马达的转子上的至少一个压缩机叶轮。
14.如权利要求13所述的透平压缩机单元，
包括第一径向压缩机叶轮和第二径向压缩机叶轮，所述第一径向压缩机叶轮被安装到所述转子的第一末端部分，所述第二径向压缩机叶轮被安装到所述转子的相对的第二末端部分。
15.如权利要求14所述的透平压缩机单元，
被设计为使得要被压缩的空气首先通过所述第一径向压缩机叶轮，随后被冷却，然后通过所述径向第二压缩机叶轮。
16.一种透平发电机单元，包括如权利要求1到12中的任何一项所述的电机作为电流发生器、和被安装到所述电流发生器的转子上的至少一个透平机叶轮。
17.如权利要求16所述的透平发电机单元，
包括第一径向透平机叶轮和第二径向透平机叶轮，所述第一径向透平机叶轮被安装到所述转子的第一末端部分，所述第二径向透平机叶轮被安装到所述转子的相对的第二末端部分。
18.如权利要求17所述的透平发电机单元，
被设计为使得气体流首先通过所述第一径向透平机叶轮，然后通过所述第二径向透平机叶轮。
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