CN103222160B - 用于在机电设备中进行转子冷却的方法及装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于冷却例如风力涡轮发电机的机电设备中的转子的装置及方法。在该转子中可以形成多个流体冷却通道，这些流体冷却通道至少部分地由用于将多个磁体安装在该转子上的一个支撑构件来限定。冷却流体入口可以经过围绕该转子的定子。

Description

用于在机电设备中进行转子冷却的方法及装置

相关申请内容

本申请是于2010年9月23日提交的名为“用于冷却机电设备中转子的方法及装置”的美国临时申请号为61/385,667的一个正式案，通过引用将其全部内容结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及机电设备领域，例如风力发电机。具体而言，本发明的多个机电实施例是针对一种用于冷却永磁电动机或发电机的冷却系统及方法的。

背景

某些回转式机械，例如发电机和电动机，具有多个电磁活跃部分，以便根据设备的类型/用途而参与产生电力和/或扭矩。这些设备可以是非常大的，例如直径在米甚至几十米的数量级上。这类大型设备在其建造、运输以及安装过程中会出现很多问题，尤其是被建造在远离生产设施的地方时。这类大型设备在活动部分失效并需要更换时也会产生很多维修问题。适当的冷却是避免故障的一个因素。

永磁体（“PM”）机电设备利用永磁体将转动输入转化成电力或将电力输入转化成转动运动。一个实例是由风能发电的风力发电单元（WPU）。总体上，一个PM发电机或电动机有三个部件。第一个部件，一个定子，它是一个圆柱形壳体，该壳体包含多个在发电过程中保持不动的电气绕组。第二个部件，一个转子，它是一个可转动组件，该组件包含多个相对于定子旋转的永久磁体。转子与定子之间的相对运动产生一个运动磁场，该磁场在定子的电气绕组中引发一个电流，从而产生电力。第三个部件，例如一个轴，支撑组件或其他根据构型的安排，相对定子旋转地支撑转子，使得这两者能够相对彼此转动。

在操作中，磁场与电器绕组的这种相互作用会产生热量，而为了装置的征程运行必须控制这种热量。大型的PM设备会产生显著的热量，这些热量可能会难以控制或者需要复杂、主动式的冷却系统。

发明内容

在一个实现方式中，本披露是针对一种用于冷却电磁设备中的转子的方法。该方法包括引导冷却流体沿着转子支撑结构的支撑转子磁体的内表面而穿过该转子。

在另一个实现方式中，本披露是针对用于冷却电磁设备中的转子的系统。该系统包括：一个定子，该定子包括一个定子框架，该定子框架支撑多个定子芯和多个线圈；一个转子，该转子被安置为在该定子的内部旋转，该转子在一个转子支撑构件上承载着多个磁体；以及至少一条转子冷却流体通道，该至少一个转子冷却流体通道由该转子支撑构件至少部分地限定。

在又另一个实现方式中，本披露针对一种用于冷却电磁设备中的转子的系统。该系统包括：一个定子,该定子包括一个定子框架，该定子框架支撑多个定子芯和多个线圈；一个转子，该转子被安装用于在该定子的内部旋转，该转子在一个转子支撑构件上承载着多个磁体；该系统包括：至少一个转子冷却流体通道，该至少一个转子冷却流体通道由该转子支撑构件至少部分地限定；多个冷却片，这些冷却片被放置为沿着该转子支撑构件的内表面伸出进入至少一个冷却流体通道中；一个盖，该盖被安置在转子的前方，该盖限定了一个用于积聚冷却流体的空间，其中该转子冷却流体通道与该盖空间相连通以便从中接收冷却流体；一个冷却流体进入通道，该冷却流体流入通道至少部分地被限定在定子框架与多个定子芯之间，并且该进入通道与所述盖空间相连通;一个排风扇，该排风扇被安置在一个冷却流体出口，该冷却流体出口与该转子冷却通道相连通。

附图简要说明

为了展示本发明的目的，这些附图示出了本发明的一个或多个实施例的多个方面。然而，应该理解的是本发明不限于附图中所示的这些精确的安排和手段，在附图中：

图1A是一个WPU的前正视图；

图1B是一个WPU的侧面正视图；

图2是一个机舱的示意性截面图，该机舱包括多个发电机部件，该图展示了本发明的多个实施例；

图3是根据本发明的一个示例性实施例的如沿着图2的A-A线所观察的一个转子和定子的局部正视图；

图4是如沿着图3中B-B线所观察的转子和定子的部分截面视图；

图5是近似在图3的B-B线处用透视的方法观察到的本发明的一个替代性实施例的部分截面视图；并且

图6是根据本发明的另一个示例性实施例的转子的正视图，示出了不具有在位的气流盖。

详细说明

如可以看出，就转子在何处冷却以及如何冷却而言实现本披露的方法、系统、和装置的示例性实施例是不同的。在下文呈现多个具体的实例来展示本披露的宽度时，本领域普通技术人员应当认识到大量的变体。

仅为了展示的目的，本发明的实施例在此是通过参见WPU的多个实施例来描述的。本领域的普通技术人员应当认识到本申请的传授内容可以同样地应用到其他的PM设备上。如图1A和图1B所描绘的，WPU100具有一个由平面108支撑的塔架104、多个连接到轮毂116的翼面（“叶片”）112A-C、一台发电机120、以及一个机舱124。可以提供一个头锥体126。塔架104将叶片112A-C抬高到平面108上方的一个足够高度以接触气流，气流足够大并且持久从而转动叶片以便产生电力。虽然图1A和图1B中所描绘的实例具有三个叶片，但其他设计可以有更多的或更少的叶片。电力的产生是通过将一个转子经由轮毂和旋转的支撑结构（例如一个轴）而连接到多个叶片上，并使得转子与定子之间能够进行相对旋转而实现的。

如图2中示意性地所示，发电机120通常可被放置在机舱124的前部。如除了在此以其他方式描述之外，应用了本发明的系统的多个部件可以是常规的并且可以由本领域的普通技术人员来构形。发电机120一般包括定子130和转子134。该定子是被定子框架136围绕并由其支撑。如图2所展示的，发电机120的上半部分以截面图示出，而下半部分以正视图示出。由此，可以在顶部看到的是一个定子框架136的截面，而在该图的底部看到的是定子框架136的外表面。所展示的示例性实施例示出了一个安置在定子内部的转子。本领域普通技术人员应当认识到本发明可以同样被应用到其他构型中，例如转子在定子的外面旋转的“翻转（inside-out）”的设计。

在一个示例性实施例中，冷却空气入口140被安置在该机舱的外表面以便冷空气的进入，如箭头140A所指示。入口140与定子空气通道142相连通，并形成在定子框架136与定子芯之间，下面将会更详细地阐述。来自定子空气通道142的冷却空气流（总体上由箭头142A所指示）进入被头锥体126所限定的空间中。从这一点起，冷却空气被吸入转子空气通道144中，如箭头144A所指示。沿着磁体背面的冷却空气的流动会冷却该转子，如图3和图4中详细描述的。之后冷空气会穿过出口146流出，如箭头146A所指示。

一种用于辅助空气在所描述的冷却回路中流动的方法使用风扇148，将其定位于出口146处，以便通过转子空气通道144从头锥体126吸入空气。本领域普通技术人员可以基于此处所包含的传授内容来设计用于辅助这种气流的其他多种适合的方法。例如，该转子限定的结构或相邻的通气道144可以至少部分形成涡轮片式结构以便帮助强制空气通过该通道。也可以按如下所述的结合多个另外的替代性实施例来提供其他的空气通道。

参照图3和图4，可以认识本发明的一个示例性实施例的另外的细节。在图3中，在这种传统的设备中可以在定子130与转子134之间看到小的空气间隙150。在定子侧，如本领域的普通技术人员所了解的，从该空气间隙向外，该定子可以包括多个芯142和线圈154。在这些芯152的背面可以提供冷却装置156。芯152可以通过多个隔离件158而与定子框架136隔离开，并且可任选地被固定到该定子框架上以便限定其间的定子空气通道142。定子冷却装置156可以至少部分地被方便地安置在通道142中。在受让人共同未决的于2011年9月22日提交的美国专利申请序列号为13/240,768，标题为“具有模块化的有源线圈部分的机电回转式设备以及用于此类设备的模块（ELECTROMAGNETICROTARYMACHINESHAVINGMODULARACTIVE-COILPORTIONSANDMODULESFORSUCHMACHINES）”的申请中对一个定子的示例性配置进行了更详细的说明，并出于所有的目的以其全文通过引用结合于此。可替代地，如果提供多个分离的冷却装置（如装置156）用于定子冷却，希望的是经由适当设计的管道使在定子框架周围的冷却空气入口通向外部。

在转子侧，多个磁体160可以用本领域内普遍已知的固定装置，或者通过如在代理人共同未决的申请中所描述的装置，该申请于2009年8月18日提交，其序列号为12/543,153，标题为在一个电磁设备中用于永久磁体附接的方法和装置（METHODANDAPPARATUSFORPERMANENTMAGNETATTACHMENTINANELECTROMECHANICALMACHINE），出于所有的目的以其全文通过引用结合于此。多个磁体160环圆周地安装在转子支撑构件162的外侧的周围。转子支撑构件162进而由前面板164和后面板166支撑。该前面板和后面板限定了用于通道144的多个错开的开口。通道144进一步由通道盖170来限定，该通道盖可以是一个金属板构件。转子支撑构件162与通道盖170之间的对应于转子空气通道144的空间可以环绕转子支撑构件162中的转子连续地延伸而没有任何间断或隔离。冷却空气流经该通道，沿着转子支撑构件的内部，可以通过在气隙中改善离开磁体的热传导来帮助转子冷却。在一个进一步的可替代的实施例中，如以上提及的，如所述的限定通道144的这些表面可以具有涡轮叶片型特征，以便帮助驱动气流通过该通道。

前面板164和后面板166由一系列网状构件168径向地支撑。网状构件可以形成为径向地源于轮毂116的展开式辐条。网状构件间的开口可以用旋转盖172关闭，该盖也可以是一个金属板或塑料构件。本领域普通技术人员可以基于在此所包含传授的内容挑选在此所述的实施例中的用于结构和机电构件的合适的材料。

本领域普通技术人员可以设计替代的气流通道来引导气流通过该冷却转子空气通道144。例如，可以在塔架104后的机舱124底部提供替代性空气入口180（见图2）。由此，冷却空气（如箭头180A所指示）可以被适当地引导至转子134的一个中心部分。一个中心空气通道182可以穿过旋转盖172中的多个开口而形成。然后，冷却空气（如箭头182A所指示）可以被引导居中地经过该转子并且进入头锥体126，在此冷却空气可以通过冷却通道144被引回，如前所述。在这样的一个实施例中，限定空气通道182的旋转盖172的多个部分可以形成具有用于产生合适气流的翼片状结构或者在其上增加用于产生合适的气流的翼片状结构。来自机舱124内部的冷空气也可以通过一个空心轴组件186如沿着箭头186A所指示的被引导到头锥体126。使用来自机舱内部的冷却空气的优点包括通过没有直接向外部开通而是经过发电机磁体和定子绕组从而避免污染。

在另一个示例性实施例中，可以在头锥体126中提供替代的空气入口184（见图2）。气流然后如箭头184A所指示被直接引入头锥体以供在冷却通道144中使用。再一次地，多个入口184周围的结构可以被配置为用来通过或不通过风扇148来产生增强的气流的翼片状结构。可以穿过多个间隙在开口处提供更多的空气入口，这些间隙通常存在于头锥体126与多个叶片112之间，在开口处叶片穿过头锥体和/或沿着头锥体126连接定子框架136的后沿。这些通常存在的空隙可以补充其他专门提供的空气入口，或其自身在没有提供额外的特殊结构的情况下提供足够的气流。

在另一个替代性实施例中，如图5所示，可以在转子支撑构件162内的通道144中安置多个冷却片190。冷却片190可以增加从转子到空气流动通道144的热传递（如箭头144A所指示）。在一个进一步的替代方案中，给转子支撑构件162提供了固定的前侧轮缘161及后则轮缘163（如图2中的实施例所示），而不是在气流通道144的前面板164和后面板166中提供多个开口。因此，替代地，气流被引导环绕前侧及后则轮缘的内沿，穿过这些轮缘与盖170之间的开口192和194。图5中的箭头144A展示了该气流的路径。

在一个进一步的实施例中，该转子结构可以被形成为一个铸造件（如图6中的转子134A所示）。通过将转子134A加工成铸造件，可以方便地在转子支撑构件162的内部提供冷却片190。然而，本领域的普通技术人员将认识到，可使用不同于铸造的加工技术，例如一个焊接组件来在转子支撑件的内部建造一个带有（或不带有）冷却片的转子。

以上已经披露并且在附图中展示了多个示例性实施方案。本领域的技术人员将理解的是可以对在此明确披露的内容进行不同的改变、省略和添加，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于冷却风力单元中的一个转子的方法，所述风力单元包括定子，该定子具有安置在其中的转子，该方法包括：

从安置在所述转子和所述定子后面的位置吸收冷却空气；

引导来自所述转子和所述定子后面的所述位置的所述冷却空气经过所述风力单元的第一部分、进入安置在所述转子和所述定子前方的空间；

重新引导来自所述空间的所述冷却空气向后沿着支撑转子磁体的一个转子支撑结构的内表面而经过该转子；以及

从安置在所述转子和所述定子后面的位置排出所述冷却空气。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述吸收包括从自所述排出的位置径向向外安置的入口吸入空气；

所述引导包括引导所述冷却空气向前经过所述定子中的通道；以及

所述重新引导冷却空气包括引导所述冷却空气穿过在所述转子支撑结构的径向向内的表面上形成的多个冷却片。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述引导包括将冷却空气引导经过一个头锥体。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述引导包括将冷却空气引导经过一个头锥体。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括将冷却空气积聚在所述转子和所述定子前方的所述空间中。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中该风力单元包括机舱，且其中：

所述吸收包括从安置在所述机舱的下部部分中的进口吸入空气；

所述引导包括引导所述冷却空气向前经过该转子的一个中心部分；并且

所述重新引导冷却空气是沿着从该中心部分径向向外的路径。

7.如权利要求5所述的方法，其中该风力单元包括机舱，且其中：

所述吸收包括从安置在所述机舱的下部部分中的进口吸入空气；

所述引导包括引导所述冷却空气向前经过该转子的一个中心部分；并且

所述重新引导冷却空气是沿着从该中心部分径向向外的路径。

8.一种用于冷却风力发电单元中的转子的系统，该系统包括：

一个定子，该定子包括一个定子框架，该定子框架支撑多个定子芯和多个线圈；

一个转子，该转子被安装为用于在该定子内旋转，所述转子在一个转子支撑构件上承载多个磁体；

壳体，该壳体包含所述转子和所述定子；

至少一个冷却空气入口和至少一个冷却空气出口，所述至少一个冷却空气入口和所述至少一个冷却空气出口中的每一个安置在所述壳体中所述转子和所述定子后面；

冷却空气路径，其在所述至少一个冷却空气入口和所述至少一个冷却空气出口之间连通，所述冷却空气路径配置为将冷却空气从所述至少一个冷却空气入口引导至所述转子和所述定子前方的位置，所述冷却空气路径包括沿所述转子的表面的至少部分地由所述转子支撑构件限定的用于将空气引导经过所述转子到达所述至少一个冷却空气出口的多个转子冷却空气通道；以及

沿着该转子支撑构件的内表面安置的多个冷却片，这些冷却片伸入所述转子冷却空气通道。

9.如权利要求8所述的系统，进一步包括安置在所述转子前方的一个盖，该盖限定了一个用于积聚冷却空气的盖空间，其中所述转子冷却空气通道与所述盖空间相连通以便从中接收冷却空气。

10.如权利要求9所述的系统，其中该盖还限定了与所述盖空间相连通的多个冷却空气进入口。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述冷却空气路径包括至少部分地被限定在所述定子框架与多个定子芯之间的一个冷却空气流入通道，所述流入通道在该盖空间与所述至少一个冷却空气入口之间连通。

12.如权利要求9所述的系统，其中所述冷却空气路径包括至少部分地由该转子的一个中心部分所限定的一个冷却空气流入通道，所述流入通道在所述盖空间与所述至少一个冷却空气入口之间连通。

13.如权利要求9所述的系统，其中所述冷却空气路径包括至少部分地由一个空心轴组件所限定的一个冷却空气流入通道，所述流入通道在所述盖空间与所述至少一个冷却空气入口之间连通。

14.如权利要求9所述的系统，还包括安置在所述至少一个冷却空气出口中的一个排风扇。

15.如权利要求14所述的系统，其中冷却空气路径包括冷却空气流入通道，所述冷却空气流入通道至少部分地经过该定子框架而在所述盖空间与所述至少一个冷却空气入口之间连通。