CN102055282A - 用于冷却电机的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冷却电机的装置。所述电机（11）包括定子装置（20）和转子装置。定子装置（20）被安装在支撑结构（23）的外表面上。至少一个冷却通道（50、54）被设置在定子装置（20）和支撑结构（23）之间，使得所述冷却通道（50、54）被压在定子装置（20）和支撑结构（23）之间。

Description

用于冷却电机的装置

技术领域

本发明涉及用于冷却电机的装置。在优选构造中，其涉及冷却风力涡轮机中的发电机。

背景技术

电机需要冷却来耗散掉机器运转期间所产生的热。热是由欧姆阻抗、铁磁滞等产生的。

可以通过从机器内部到其表面的热传递来冷却小型电机。而这对于大型机器是不可行的，大型机器对于每单位的额定功率和生热具有相对小的表面。

当机器被安装在室内（在干燥气氛中）时，可以在无外壳的情况下运转机器。通过环境空气通过机器的循环来实现对机器的冷却。

如果电机被安装在严酷环境下，例如当发电机被用于近海（海上）风力涡轮机中时，电机需要被完全封装。含盐的环境空气不得被允许循环通过机器。对于此特殊情形，需要用于冷却的专用系统。

一种非常常见的冷却方法是在电机内部循环空气或其他气态介质，同时通过换热器来保持冷却介质冷却。当使用空气冷却时，用于大型电机（如风力涡轮发电机）的冷却系统是庞大且昂贵的。

如果使用液体冷却系统，则可以实现更加有成本效率的设计。不过，困难的是将其实现为耐用且有效的设计。原因在于多个冷却通道需要被整体形成到或附连到生热区域附近的发电机。

欧洲专利申请EP 08 018 802示出了一种发电机的冷却装置。该发电机包括定子，该定子具有多个堆叠的层压板。层压板在第一侧承载多个定子线圈，而定子线圈与发电机的转子相互作用。第一侧相对于在定子和转子之间的空气间隙。存在一种固定装置，其用于固定堆叠的层压板。固定装置位于层压板的第二侧，而这个第二侧相对于第一侧。如上所述，在定子线圈附近且在层压板内部产生热。为了传递热，固定装置被设计成用作冷却液的管。因此，产生的热通过热传导从定子线圈的金属绕组和层压板被传递到冷却介质。

这种装置具有缺点：其非常难以确保层压板和用于冷却的管之间的良好热接触。

在层压板和冷却通道之间的热膨胀会导致在层压板和冷却通道之间产生小的空气间隙，因此，不利地影响了热传递。

US 2007 024 132 A1描述了一种风力涡轮发电机。该发电机包括具有铁芯和多个定子绕组的定子。围绕发电机的纵轴线以周向隔开的方式安装绕组。

转子绕发电机的纵轴线旋转。转子包括联接到转子的多个磁性元件。磁性元件与定子绕组结合工作，从而通过定子绕组内的磁场来发电。

存在热导管组件，其热接合于定子和转子以便耗散所产生的热。非常难以将冷却导管设置在定子内部，特别是在生产设施中。

更加难以在维修情况下处理冷却装置。此外，难以将冷却通道定位在定子内部并且同时确保牢固且有效的热接触。

发明内容

因此，本发明的目标在于为电机，具体为风力涡轮发电机，提供一种改进的冷却装置。

通过权利要求1的特征来实现这个目标。在从属权利要求中描述了本发明的有利构造。

根据本发明的冷却装置包括定子装置和转子装置。

定子装置被安装在支撑结构的外表面上。至少一个冷却通道被设置在定子装置和支撑结构之间，使得冷却通道被压在定子装置和支撑结构之间。

优选地，定子装置和转子装置形成所谓的“外部转子-内部定子型”装置。在这种情况下，转子装置围绕定子设置，且转子装置绕定子装置的纵轴线旋转。

定子装置以径向方式被安装在支撑结构的外表面上。

优选地，支撑结构经由刚性连接被固定于发电机轴。

至少一个冷却通道被设置成使介质循环来冷却定子。

冷却通道被设置在定子装置和支撑结构之间，使得冷却通道被压抵于定子装置从而实现非常有效的热接触。

由于有效的热连接，所以实现了从定子装置到冷却通道的有效散热。

由于冷却通道被压抵于定子装置，所以最小化或者甚至避免了冷却通道和定子装置之间的空气气穴。

根据本发明并且参照上述已确认的技术，不再需要将冷却通道整体形成到定子装置中。因此降低了定子装置的复杂性。

优选地，电机是发电机，具体是风力涡轮机的发电机。优选地，发电机是具有在4至5米之间的典型直径的所谓“直接驱动发电机”。

优选地，定子装置以分段方式来构造，因此定子装置包含形成定子的多个定子区段。

优选地，电机的定子装置将具有圆筒形式。

成段的定子装置允许从电机拆下单个定子区段。这样，可以非常容易地通达到冷却通道，因为其位于被拆下的定子区段的下方。这对于维修而言是非常有利的。

优选地，各定子区段均具有至少一个冷却通道，该冷却通道被设计成冷却专门的定子区段。优选地，冷却通道被直接连接于指定的传热单元，从而减小了冷却通道的整体长度。

这允许在不需要拆卸整个电机的情况下维修和更换冷却通道的单个区段。

这对于风力涡轮机（特别是近海涡轮机）的发电机而言是非常重要的，因为那里的任何工作均是耗时、困难且昂贵的。

本发明允许在不需要例如起重机的其他外部工具的情况下维修和更换机舱内的冷却通道的零件。

定子装置和支撑结构之间的接触面积或体积优选地填充有导热材料。

这种材料可以是例如具有导热性质的导热膏或树脂。

这样，在支撑结构和定子装置之间实现了有效的热连接。

优选地，支撑结构应该由具有相对较高热容的材料制成，例如钢或铜。通过在所述体积内或所述接触面积处使用填充材料，可以容易地将发电机的温度保持在某个预定的低水平。

优选地，冷却通道被设计成冷却导管。这允许使用具有许多不同尺寸和材料的标准部件。

优选地，冷却通道应该由例如铜的金属制成，从而在冷却介质和定子之间设置有效的热桥。

也可以使用由塑料或类似材料制成的柔性导管。因为可以手工容易地成形和安装塑料导管，所以也可以简化规划的生产设施。此外，塑料导管的重量非常轻，并且其柔性有利于风力涡轮机中的发电机的良好技术方案，其中在该发电机中用于维修的空间是有限的。

优选地，冷却通道具有矩形横截面，其中矩形横截面的长边接触定子装置。因此，实现了更大的接触表面和更好的热连接。

优选地，多个冷却通道被平行对齐，以便它们相对于发电机的纵轴线轴向地穿过发电机。这扩大了冷却结构和定子装置之间用于冷却的接触面积。

优选地，第一冷却通道在发电机的第一端处具有用于冷却介质的入口，而第一冷却通道在发电机的第二端处具有用于冷却介质的出口。发电机的第一端相对于发电机的纵轴线与发电机的第二端相对。

第一冷却通道的出口被定位成邻近于第二冷却通道的入口，该第二冷却通道平行于第一冷却通道。相应地重复这种结构。

因此，实现了发电机的均匀冷却，因为冷却介质在定子装置的两端之间互换。因此，避免了发电机的一端比另一端更热。

附图说明

借助于一些附图更加详细地示出了本发明。

所示附图是示例并且不限制本发明装置的范围。

图1示出了风力涡轮机中的用作本发明装置的基础/支持物的部分。

图2示出了发电机的截面图，该发电机包含本发明的冷却装置。

图3和图4示出了发电机中由本发明装置冷却的部分。

图5和图6示出了发电机中由另一构造的本发明装置冷却的部分。

图7至图11示出了根据本发明的冷却装置的不同连接类型。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机中的用作本发明装置的基础的原理性部分。

风力涡轮机包含毂4、发电机11、负载/支承区段12、控制单元13、冷却设备单元14和端盖15。

毂4被用于承载风力涡轮机的转子叶片。负载/支承区段12被连接到塔2（这里没有具体示出）。

参考图1，图2示出了发电机11的截面图，其包含本发明的冷却装置。

发电机11包含轴21、输出转子22和内部定子。内部定子包含内部定子装置20。外部转子22绕旋转轴线A旋转。

轴21主要包含两个分离部分，即外部静止部分21A和内部旋转部分21B，这两部分经由轴承40连接。轴21的内部旋转部分21B由毂4的叶片驱动，因此绕旋转轴线A转动。

在图2的左手侧的第一转子端板41和在图2的右手侧的第二转子端板42被紧密固定到轴21的旋转部分21B。两个转子端板41、42均被连接到外部转子22。因此，构造出了定子装置的壳体。

第二转子端板42被附连到轴承40，这提供了到轴21的固定静止部分21A的松动连接。第一和第二转子端板41、42与外部转子22一同形成了定子装置的壳体。

定子装置22在这里由单个定子区段SS示出，该定子区段SS包括多个堆叠的层压板LP。定子装置20具有单个绕组43。绕组43由多个槽支撑。槽由堆叠的层压板LP提供。

在外部转子22和定子装置20之间存在空气间隙44。

管状圆筒被用作支撑结构23。提供支撑结构23来支撑定子装置20。

与整个发电机11结合，支撑结构23组装并支撑发电机11的所有所需定子区段SS。

优选地，在很大程度上，支撑结构23具有与定子区段SS的层压板LP的长度相等的长度。

作为定子装置20的一部分的定子区段SS被固定于支撑结构23的外表面45。

在支撑结构23的内表面46处，两个端板24、25被附连到端板24、25的圆形周边30。

端板24、25还经由内部周边32被附连于轴21的外部静止部分21A的外表面47。

轴21处于发电机11的中心并且绕旋转轴线A沿圆形方向旋转。

在这种构造中，端板24、25被固定于轴21的外部静止部分21A，以便它们不旋转。端板24、25本身形状类似于盘，具有小的高度和大的外半径。

对于具有2000mm空气间隙半径和200mm层压堆叠高度的发电机11而言，针对每个端板24、25，示例性值是高度为300mm或更高，从而获得必要的刚性。（这里的值是必要的还是我们更应当删除这一段？）。

至少一个冷却通道50被设置在支撑结构23和定子装置20之间。冷却管50被用于使得冷却介质循环从而从定子耗散热。

冷却通道50被设置在定子装置20和支撑结构23之间，使得冷却通道50被定子装置20压抵于支撑结构23（并且/或者反之亦然），从而在其间实现非常有效的热接触。

图3和图4示出了发电机11的由本发明装置所冷却的部分。

参考图1和图2，图3示出了发电机组件的区段。这里定子装置20被示出作为区段。这种成段的定子装置具有上文所述的优点。

参考图2，定子装置20的区段具有多个的堆叠层压板LP的槽，其用于支撑定子线圈的绕组43。

定子装置20的该区段由支撑结构23支撑。冷却通道50和多个横向位移杆52位于定子装置20的该区段和支撑结构23之间。

优选地，冷却通道50具有稍大于位移杆52直径的直径。直径之间的差应该近似0.5mm。

这允许当朝向支撑结构23紧固定子装置20的该区段时挤压冷却通道50。这样，实现了有效热接触，并且减少或者甚至消除部件20、23之间的空气气穴。

当定子装置20被紧固于支撑结构23的外表面45时，冷却通道50会稍稍变形。

图4以分解图的方式示出了图3的构造。

图5和图6示出了在发电机中由另一种构造的本发明装置所冷却的部分。

参考图3和图4，在这种优选构造中，冷却通道54呈现矩形横截面。

冷却通道54的横截面的长边被压抵于定子装置20和/或支撑结构23的外表面45。

参考图3和图4，这扩大了部件之间的接触表面。

定子装置20的所述区段由支撑结构23支撑。冷却通道54和多个横向位移杆52位于定子装置20的该区段和支撑结构23之间。

图6以分解图的方式示出了图5的构造。

图7至图11示出了根据本发明的冷却装置的不同连接类型。

参考图5和图6，图7示出了本发明的优选构造。

冷却通道54被设置在定子装置20（而该定子装置20包括堆叠的层压板LP）和支撑结构23的外表面45之间，使得冷却通道54被定子装置20压抵于支撑结构23和/或反之亦然。

位移杆52限定定子装置20和支撑结构23之间的间隙。

具有螺纹的螺栓被用于将定子装置20紧固于支撑结构23。

位移杆52被焊接到定子装置20的层压板。

图8示出了本发明的一种构造，其中冷却通道54通过螺栓56被压抵于定子装置20，而螺栓56穿过支撑结构23。

这允许根据需要从发电机释放冷却通道54，从而冷却通道54可以被拉出以便维修或更换。

图9示出了本发明的一种构造，其中冷却通道54通过弹簧56被压抵于定子装置20。弹簧被保持在支撑结构23的外表面和定子装置20之间。

这允许根据需要从发电机释放冷却通道54，从而冷却通道54可以被拉出以便维修或更换。

图10示出了本发明的一种构造，其中冷却通道50被制备成被安装在定子装置20的沟槽58内。

沟槽58的半径大于冷却导管50的半径以使得当定子装置20被紧固于支撑结构23时冷却导管50会变形。

图11示出了本发明的一种构造，其中冷却通道50被设置在定子装置20的沟槽58内，因此获得有效的热连接。

Claims (16)

1. 一种用于冷却电机的装置：

其中所述电机（11）包括定子装置（20）和转子装置，

其中所述定子装置（20）被安装在支撑结构（23）的外表面上，

其特征在于

至少一个冷却通道（50、54）被设置在所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）之间，使得所述冷却通道（50、54）被压在所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）之间。

2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述定子装置（20）位于所述支撑结构（23）的外表面上从而形成闭合环形定子。

3. 根据权利要求1或2所述的装置，

其中所述定子装置（20）包含多个堆叠层压板，以及

其中所述堆叠层压板具有槽来承载定子绕组。

4. 根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的装置，

其中多个位移杆被连接于所述定子装置（20）以用于结构性目的，并且

其中所述位移杆包含被设计成连接所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）的装置。

5. 根据权利要求4所述的装置，其中所述冷却通道（50、54）被设置成邻近于所述位移杆，从而当使用所述位移杆手段来连接时所述冷却通道（50、54）被压在所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）之间。

6. 根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的装置，

其中所述冷却通道（50、54）和所述定子装置（20）之间的接触面积填充有导热材料，以及/或者

其中所述冷却通道（50、54）和所述支撑结构（23）之间的接触面积填充有导热材料，以及/或者

其中所述冷却通道（50、54）和所述定子装置（20）之间的体积填充有导热材料，而所述导热材料包围所述冷却通道（50、54）。

7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述导热材料是导热膏或树脂，其含有导热性质。

8. 根据权利要求4-7中任一项权利要求所述的装置，

其中所述位移杆的直径限定所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）之间的距离，

其中该距离小于所述冷却通道（50、54）的横截面尺寸，

允许将所述冷却通道（50、54）压在所述定子装置（20）和所述支撑结构（23）之间。

9. 根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的装置，其中当所述定子装置（20）被连接于所述支撑结构（23）时所述冷却通道会变形从而增加相邻表面之间的热接触。

10. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述冷却通道被弹簧元件压抵于所述定子装置，该弹簧元件被设置在所述冷却通道和所述支撑结构之间。

11. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中多个冷却通道平行对齐，以便它们沿所述电机的纵轴线穿过所述电机。

12. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的装置：

其中第一冷却通道在发电机的第一端处具有用于冷却介质的入口，

其中所述第一冷却通道在发电机的第二端处具有用于冷却介质的出口，

其中相对于所述发电机的纵轴线，所述发电机的第一端与所述发电机的第二端相对，

其中所述第一冷却通道的所述出口定位成邻近于第二冷却通道的入口，所述第二冷却通道平行于所述第一冷却通道。

13. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电机是外部转子-内部定子型的发电机。

14. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电机是风力涡轮机的直接驱动发电机。

15. 根据权利要求1所述的装置，其中所述定子装置包括形成所述定子的多个定子区段。

16. 根据前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述电机包括针对每个定子区段的单独冷却通道区段。

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