CN102217173A - 用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种转子，包括一种机轴（1），一组堆叠的磁性金属板（3）、一种经过所述金属板（3）组的交流电多相绕组、以及一种将欧诺个围绕着每个线圈头部的金属带（8，9）；在所述转子中，至少在线圈头部之一中，金属带（8，9）被分别分为至少两个部件，所述至少两个部件由一种预定的轴向距离（12）分开，由此限定了一种径向通道，其使得能实现在金属带（8，9）的相应部件之间的冷却空气的径向流。

Description

用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子

技术领域

本发明属于双馈发电机领域，特别是在用于风成应用的发电机转子部段中。

背景技术

在发电机中，重要的是：维持绕组低于由用在其制造过程中的绝缘类型所设定的一定的温度界限，以使得能实现关于发电的最佳性能。此外，必须考虑到，超过所述温度界限意味着：用以确定发电机中的地与其它相位之间绝缘性的所述材料的耐久性将会是非常少的，因为绝缘寿命与温度之间的比率遵循着一种对数规律。绝缘温度的10K的增加被认为是将其寿命减半。这意味着：小的温度变动将会意味着绝缘材料的使用寿命的重大减少。为此，当设计一种发电机（特别是一种具有交流电多相绕组的发电机，即今后的绕组）时，冷却是一项非常重要的任务，因为恰当的长期发电机寿命取决于冷却，同样地，有用能量也是这样，以从发电机进行能量提取。

发电机的冷却经由对流、传导和辐射现象而发生。这三种现象中，对流和传导在发电机冷却中是最重要的。

按照本发明之前的技术状况，最基本的发电机冷却模式是：

- 具有轴向孔的单回路：穿过转子和定子磁板中所制成的孔而建立一种单一冷却回路。不存在径向空气流动。由于一种单回路的存在，（在与冷的散热器交换之后的冷空气入口上的）冷侧以及（在收集发电机损失之后的受热空气出口上的）热侧是建立于发电机里面的。

- 具有径向通道的单回路：建立了一种单一冷却回路。在此情况下，空气流动在径向上使得能够实现冷却空气与绕组之间的接触。由于回路的存在，在发电机内建立起一种冷和热侧。

- 具有径向通道的双回路：建立起两个冷却回路。空气流是径向的，且在绕组与冷却空气流之间有接触。由于该两个回路的存在，使得热和冷侧之间的温度差最小化。

对具有针对应用的超过1MW的功率的发电机进行冷却，一般通过使用所述冷却径向通道布局来制成了一种单回路或双回路。最有效的冷却是使得空气直接地越过热的散热器，即，促进在发电机冷却过程中的对流。使用单回路冷却布局的主要问题在于，在发电机中获得的热量廓线代表了一种冷侧（在空气入口处）以及热侧（在空气出口处）。

在具有带径向通道的单一空气回路的发电机的设计中，空气进入发电机，冷却了位于冷侧（空气入口）上的线圈头部，且随后进入发电机机轴。存在着两种可能性：第一是十字轴，其上设置有堆叠板；第二是具有实体轴上的堆叠板。一旦空气在转子内，则其通过其自身旋转穿过为此目的创建的通道而被径向地喷射出，首先穿过发电机转子、随后穿过定子。在单回路径向通道发电机中，在转子的端部处需要一种关闭板以迫使整个空气流径向地跨过转子以及跨过定子的线圈头部，由此防止了流动的部分直接地离开发电机、而不穿过定子和冷却定子。

线圈头部受到离心力。为了防止它们的变形，它们具有一种固定系统，称为绷带。该绷带由一种始终沿着线圈头部装配的压缩带构成，防止了当旋转时由于离心力而导致线圈头部的变形。

这种绷带通常是由一种具有不佳的热传导的材料制成。冷却线圈头部的最大问题是由绷带形成的热障，从机械的观点而言，这同时是实质性的。

在用于德国专利DE10040232A1（SIEMENS AG）的应用中，提出了在堆叠板的端部处创建冷却径向通道。尽管在增加径向通道的数目时促进了发电机冷却，这没有解决线圈头部冷却问题，或在发电机的此区域中由绷带创建的热障的冷却问题。

因此，已经观察了对于此类发电机而言的现有技术的状态，并且已辨识出了主要问题的存在；所希望的目的是：以热的方式改善用于风成应用的发电机的转子绕组中的对于线圈头部的冷却。因而，本发明的目的是创建一种结构，其使得能够对转子线圈头部进行冷却以促进在此区域中创建径向空气循环。

发明内容

为了实现这个目的并解决前述不便，本发明提出了一种用于风成应用的发电机转子，且冷却流经过至少一个线圈头部。这包括：一种机轴、至少一组堆叠磁性板、至少一个交流电多相绕组、以及一种在每个线圈头部上的多相绕组上方的绷带。其特征在于所述转子，因为在至少在第一线圈头部上，绷带分为两个分离部件，最小为一种轴向限定的距离，因而限定了一种径向路径，其创建了一种通道用于冷却相应的绷带部件之间的空气流动。

对于具有双层绕组的发电机，通常为绝缘材料限定了介于上层与下层之间的一种区域，并将其称作夹心层。在此情况下，本发明提出了这个区域或夹心层也被分为至少2个分离的部件以限定出朝着在至少一个转子线圈上的相应绷带部件的一种冷却流的路径。任选地，提出了一种径向路径，其由包括绷带的部件、以及限定出均匀尺寸的一种间隔的夹心层部件而形成。本发明使得能实现空气循环经过转子线圈头部，建立起一种新的冷却循环。因而，

- 将绷带分为若干独立部件使得能实现径向/轴向冷却空气路径经由对流而促进冷却，并改进在绕组线圈头部区域中的冷却。

- 当绝缘材料置于绕组上层与下层之间，并且称为夹心层时，其通常分为若干独立部件，其留下一种轴向分隔，使得冷却空气能够经过。

- 当（通常发生在发电机中用于应用时）线圈头部停靠在接合至转子机轴的支撑环上时，其配备有冷却空气入口，所以其允许冷却空气朝着线圈头部而通过。

当转子旋转时，导电材料（通常为铜）的线股组成了转子绕组，并且被径向地布置以充当一种离心扇，其创建了一种朝着转子的最外部部分的冷却空气的超压。当存在着一种朝着转子外部的空气路径时创建了一种空气流动，其在夹心层与绷带部件之间经过，有助于线圈头部冷却。尽管这种空气流动不是对发电机进行冷却的主要空气流动的部分，但其确实与后者相混合，所以形成这种流动的空气是冷空气。

形成线圈头部中的绕组部分的线股能被分组，所以它们的扇动作促进了径向空气流动。

通常，在用于应用的发电机转子中，堆叠的磁性板的组通过单独的锁定垫圈而被局限在两侧上，一种压缩环分别挤压在锁定垫圈上方，所以板组被轴向地固定。在此情况下，压缩环可装配有一种凹槽，所述凹槽允许径向空气流动。关于凹槽设计：将会在每种情况下针对冷却优化而选择狭槽的数目、形状和以及尺寸。在此情况下，接近于绷带和夹心层的部件必须具有这样的尺寸：其允许径向空气流动在穿过堆叠板上的压缩环的狭槽时经由介于锁定垫圈与所述近端部件之间的间隙而排出。这不应当仅允许在线圈头部处打开一种新的空气路径，而且也由于支撑环的凹槽，促进了这种径向流，从而甚至更多地改善了冷却。通过设计所述支撑环使得其充当一种离心扇，甚至可进一步促进这种径向流动。

在大多数风成发电机中，其冷却通常是一种单回路，利用空气来冷却了热侧上的线圈头部，所述空气已经越过了转子和定子，并且如此已吸收了某些发电机损失、并已被加热。另外，在此类发电机中非常常见的是：转子将要在其热侧上通过一种关闭板而关闭，在该处悬垂设置了线圈头部。在此情况下，对于将要达到热侧线圈头部的冷却空气，转子关闭板具有一些开口，能通过由此形成一种旁路而衍生得到去往热侧线圈头部的主要冷却空气流的部分。这种空气来自于热侧线圈头部，其尚未冷却发电机，并且因此是冷空气。开口可例如是径向地分布的圆形孔口。

按照所提出的结构，使得它们能够冷却沿径向和轴向穿过（一个或多个）线圈头部的流动。

随后，为了便利更好地理解本说明书的报告及其形成部分，附上了一系列附图来以非限制性的方式图解表示本发明。

附图说明

图1A、1B、1C：为用于一种与现有技术状态相对应的发电机的不同冷却回路替代物的局部示意性剖面；

图2为一种示意性示出根据本发明制成的一种转子的局部剖视图；

图3为一种示意性地示出图2中所示和制成的本发明的应用的局部剖视图，其是在一种具有单冷却回路的发电机的特定情况下；

图4为一种示意性地示出堆叠板组的压缩环的实施例的前视透视图；

图5为一种从后部看去的示意性地示出安装于转子机轴上的一种转子关闭元件的实施例的视图，用于图3中所示的其用途；

图6为一种从后部看去的示意性地示出安装于转子机轴上的一种转子关闭元件的实施例的视图，用于图3中所示的其用途；

在这些附图中出现的附图标记辨识出了下列元件：

1 转子机轴

2 转子肋

3 磁性板组

4 转子绕组

5 绕组板连接件

6 压缩环

6a 压缩环中的凹槽

7 支撑环

7a 轴向翼

7b 径向延伸

8 绷带（第一部分）

9 绷带（第二部分）

10 绝缘材料元件（夹心层-第一部分）

11 绝缘材料元件（夹心层-第二部分）

12 介于绷带部件之间的轴向距离

13 转子关闭部件

13a 轴向孔口

13b 环开口

14 锁定垫圈

15 定子。

具体实施方式

下面是基于先前评述的附图的对本发明的说明。

图1A、1B和1C示出了按照从具有常规转子的一种发电机的技术状态已知的替代物的冷却空气流。

图1A示出了一种单冷却回路，其经由安装于转子机轴（1）上的磁性板（3）中所制成的、并且穿过定子（15）的孔而建立。该处不存在径向空气流动。由于单回路的存在，在发电机中建立起一种冷侧（即，在与冷的部位点进行交换之后的冷空气入口相对应着的左侧上），以及建立起一种热侧（即，在与收集了发电机损失之后的热空气流动出口相对应着的右侧上）。

图1B示出了一种单冷却回路，其中空气流也径向地循环，使得能实现冷却空气与绕组（4）之间的接触。磁性板组（3）安装在机轴（3）的轴向肋（2）上，冷却空气流沿轴向由这些轴向肋（2）加以引导。正如在图1A中所示的单回路的情况下，在发电机里面建立起一种热侧和冷侧。

图1C示出了一种具有径向通道的双冷却回路。正如在所述附图中所示，两个冷却回路在径向上产生了各自的空气流动。因而，存在着介于绕组（4）与冷却空气流之间的接触，从而，由于存在着两个回路，作为一种优点的是：最小化了热侧与冷侧之间的温度差。

正如在图2所示的本发明的实施例中可见的，转子具有一种机轴（1），机轴（1）的周缘上带有肋（2），并且磁性板（3）的组被安置于单独的锁定垫圈（14）上，利用一种压缩环（6）而挤压抵靠着磁性板（3）的组，该压缩环将会在下面更详细地描述。双侧绕组（4）沿着磁性板（3）的组的狭槽而被插入，通常通过在导体材料（铜）中的线股而成形。不同绕组板的电连接是经由位于线圈头部的端部撒谎那个的连接件（5）而实现的。绷带（8，9）被安置于转子线圈头部的外侧上。正如可见的，绷带是由两个单独部件（8，9）而构成，第一或近端部件（9）对着压力垫圈（14）、并且第二或远端部件（8）位于线圈头部（4）的顶部自由端上，间隔开一段距线圈头部转子的轴向距离（4）的是所述夹心层（10，11）。与常规转子相反，根据本发明，其中夹心层（10，11）大致沿着线圈头部是连续的，夹心层（10，11）被分为两部分，留下一种使得冷空气能经过的轴向间隔。夹心层也包括一种第一或近端部件（11）和一种第二或远端部件（10），所述第一或近端部件对着压力垫圈（14）、所述第二或远端部件位于绕组（4）的自由端处。夹心层和绷带的近端部件（9，11）的相应位置是：在其与压力垫圈（14）之间限定了一种近端径向路径，冷却空气能穿过所述近端径向路径而流动。

也可示出：制成了线圈头部的支撑环（7），从而使得空气能穿过。在图2所示的实施例中，支撑环（7）被经由轴向翼（7a）而接合到堆叠板（3）的组的压缩环（6），冷却空气能在轴向翼（7a）之间流动。为了使得能实现朝着在绷带和夹心层的锁定垫圈（14）与近端部件（9，11）之间的径向路径的空气流动，压缩环（6）必须包括空气路径，例如，那些由图4中可见的凹槽（6a）所限定的空气路径。

显然，绷带（8，9）和夹心层（10，11）的单独部件的数目可以是分别大于二的。

图3示出了在图2中所示的转子应用于一种具有单冷却回路的发电机。在此情况下，转子具有在闭合体中制成的一种开口。可以看到，转子的热侧上的绕组头部（4）代表了与冷侧相同的元件，但是对称地布置为一种镜像。为了使得能实现对热侧线圈头部的冷却，存在着一种具有开口的关闭板（13），冷却空气能够穿过开口流到热侧绕组线圈头部（4）。图5和6示出了可如何在转子关闭板（13）中制成孔的特定方法。因而，例如在图5所示的实施例中，开口13a是在转子机轴（1）肋（2）之间径向分布的轴向孔口；而在图6中，开口（13b）在介于所示肋（2）之间的环方向上。

应提及的是，图3中所示的转子略微不同于图2的转子，因为其支撑环（7）不是接合到压缩环、而是经由径向延伸（7b）而直接地接合到转子机轴（1）肋（2），出于明显的原因，一种径向冷却空气流能经过径向延伸（7b）之间。

单冷却回路（A，B，C，D）也在图2和3中加以描述，因而示出了在相应实施例中的冷却空气流。图2仅示出了在转子冷侧上的回路，而图3示出了图2的实施例的应用，称为单循环系统，即，与在图1B中所示相类似的一种循环系统。然而，显然图2的实施例也可以应用于一种于图1C所示相类似的循环系统，以由此具有一种双回路，其中空气沿着两个不同路径流动，在发电机中创建两条空气回路，所以存在着通往转子的两个不同入口，对应于一种对称配置、而没有介于发电机两侧之间的热量差。

具体地返回到图2和3所示，可见回路A（图2）是发电机的主要冷却回路。此回路是经由发电机定子和冷却器（未示出）而穿过转子的回路。

在单回路的配置中，空气仅沿着发电机转子中的一个路径流动。因此，在所产生的冷却中是对称的，这是因为一侧比另一侧更热。即便如此，重要的是强调如下内容：产生了对于绕组线圈头部的更好冷却，因为正如将继续进一步解释的，两侧上的冷却空气经过各自的绷带（8，9）与夹心层（10，11）部分；同样地，经过介于锁定垫圈与绷带和夹心层的相应近端部件（9，11）之间的路径。回路B（图2）经过介于锁定垫圈（14）与堆叠板的组的压缩环（6）之间。这种空气被转子绕组线股（14）和压缩环本身（6）所驱动，其应具有如图4所示的凹槽（6a），其充当了在此回路中的促进空气循环的一种扇。

由于绷带（8，9）和夹心层（10，11）的参与，则回路C（图2）是在径向上穿过转子线圈（4）而建立的；并且回路C主动地参与到对区域的冷却中。

由于绷带（8，9）和夹心层（10，11）的参与，则回路D（图2）是穿过转子线圈（4）而建立的；并且存在着一种间隙，从而这种空气能沿轴向穿过转子绕组线股而循环。

Claims (4)

1. 用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子，其包括：一种机轴（1）、至少一组堆叠的磁性板（3）、至少一种交流电多相绕组（4）、至少一种绷带（8，9），所述绷带在每个线圈头部中围绕着多相绕组（4）的外侧；其特征在于，至少在一个线圈头部上，绷带（8，9）由一种确定的轴向距离（12）分为至少两个独立的部件，因而限定出一个径向路径，使得能实现在绷带（8，9）的相应部分之间的一种冷却空气流。

2. 根据权利要求1所述的用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子，其特征在于，至少第二线圈头部包括一种转子关闭部件（13），其防止空气从转子离开而不经过转子的径向通道，并且所述转子关闭部件（13）设有至少一个开口（13a，13b）用于一种制冷空气流路径。

3. 根据权利要求2所述的用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子，其特征在于，开口（13b）处于转子关闭部件（13）中，布置成在转子机轴（1）的转子肋（2）之间呈环状对齐，并且在径向上与转子机轴分离开。

4. 根据权利要求1或2所述的用于风成应用的、且在至少一个线圈头部中具有冷却流的发电机转子，其特征在于，转子绕组（4）包括分组线股的组，以便使得在径向上穿过转子和定子的制冷空气流的路径（A，B，C，D）最大化。

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