CN103956883B - 一种风力发电机旋转冷却系统及包括该系统的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导风力发电机旋转冷却系统，其包括至少一个贴附布置于超导风力发电机的外转子的铁芯筒体外周壁上的换热单元，其中，换热单元包括过滤器，冷却风扇、换热器和换热器壳体，过滤器设置在换热器壳体端部，表面均布多个过滤孔，冷却风扇置于过滤器后端，并与换热器壳体内腔相通，换热器壳体轴向贴附在铁芯筒体外壁上，表面上开有多个散热孔，并可与铁芯筒体外壁上开设的通孔相通，并通过换热器壳体另一端的出口排出，实现对流冷却。本发明还公开了具有上述冷却系统的风力发电机。本发明可充分利用超导电机叶片旋转所引起的强迫通风，另外在一定程度上缩短了超导电机内的冷却路径，提高了超导电机冷却风扇的效率与整机的效率。

Description

一种风力发电机旋转冷却系统及包括该系统的风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机旋转冷却系统及包括该系统的风力发电机。

背景技术

电机（包括发电机和电动机）作为现代社会最重要的电气设备之一，承担着把机械能转换到电能，或把电能转换为机械能的重要职能，广泛地应用于国民经济的各个方面，是现代社会必不可少的设备。风能，作为可再生能源中很重要的一部分，受到了包括中国在内的世界各国的高度重视。在过去几年里，风力发电机的装机容量连续多年大比例增长，尤其在中国，风力发电已成为一个重要的可再生能源行业，其中风力发电机作为风力发电系统中关键的部件之一，其设计技术、生产工艺已成为世界各国竞争的技术制高点，尤其是直驱式风力发电机，其转速低，体积大，重量沉，成本高，研制高功率密度电机可以大幅度降低风力发电机的重量和成本，具有极大的社会经济效益。

超导发电机与常规发电机相比较具有极大的优越性：在相同的容量定额下，体积小、重量轻；损耗小、效率高；转子绕组采用超导线绕制，运行时，超导绕组电阻几乎为零，没有焦耳热损耗；系统稳定性提高；发电机输出功率范围增大；由于这些优点，超导发电机（SuperconductingGenerator）近年在风力发电等领域受到越来越多研究者的重视。这种具有超高的功率密度且机械结构简单的优点，有望得到大规模工程应用。

超导发电机的超导励磁绕组采用液氦或液氮进行冷却，通入电流后在气隙中产生很强的磁场。为防止热辐射减少漏热，超导同步发电机的转子多采用具有真空夹层的多层圆筒结构，转子内筒为冷却剂储槽，内筒外为超导绕组及其支撑、辐射热屏蔽筒及阻尼筒。其基本结构如图1（a）和图1（b）所示。

目前，为了提高电机的功率密度，在超导风力发电机中常采用外转子结构，而且超导风力发电机常采用旋转电枢式，以更好保护超导励磁绕组以减小其失超的可能性。即通常会在超导励磁绕组外周再增加普通绕组和铁芯，与超导励磁绕组一同组成旋转电枢，以进行工作。然而，这种高功率密度的超导发电机会使得电枢绕组中产生大量的铜耗和铜耗，如果不及时将其带走，其产生的高温将严重影响超导电机正常地运行。因此，必须对外周的绕组和铁芯进行冷却。

目前，对于外周的绕组和铁芯的冷却，目前的冷却存在多种方式：

（1）采用水内冷却结构：由于采用铁心结构而使铁耗大大减小，绕组铜耗成为了超导发电机的主要热源。虽然水内冷却技术效果好，但在旋转电枢式的超导发电机中，由于电枢绕组的旋转使得水内冷却技术需要结构相当复杂的旋转水密封装置，这在无疑中大大地减小了超导发电机的稳定性。

（2）采用强迫空冷却结构：采用强迫空冷却虽然不需使用旋转水密封装置，但却需要旋转空气密封装置以减小外界空气对超导电机内部的侵蚀。然而旋转空气密封装置需要润滑等同样使复杂超导发电机可靠性降低。

这些冷却方式都会存在冷却系统装置复杂，密封要求高的缺陷，在超导风力发电机上难以实施，而且，现有的这种冷却系统冷却效果也不尽如人意从而容易导致超导发电容易失超而影响正常运行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种超导风力发电机旋转冷却系统，用于对超导风力发电机的外转子进行冷却，旨在解决现有超导发电机冷却效果不好，冷却装置复杂的问题。

按照本发明的一个方面，通过一种超导风力发电机旋转冷却系统，用于对超导风力发电机的外转子进行冷却，其中，所述外转子包括铁芯和设置在铁芯上的绕组组成，所述铁芯由套装在超导励磁绕组外围的筒体和固定插装在筒体内周壁上的叠钢片形成，所述绕组设置在环形的叠钢片的凹槽中，其特征在于，该旋转冷却系统包括至少一个贴附布置于超导风力发电机的外转子的铁芯筒体外周壁上的换热单元，其中，

换热单元包括过滤器，冷却风扇、换热器和换热器壳体，其中，过滤器设置在换热器壳体端部，表面均布多个过滤孔，用于风力发电机叶片旋转所引起的风通过该过滤器进入换热器壳体中，所述冷却风扇置于过滤器后端，并与换热器壳体内腔相通，用于将从过滤器进来的冷却风通过该冷却风扇吹入换热器壳体中以流动，所述换热器壳体轴向贴附在铁芯筒体外壁上，其与筒体外壁接触的壳体表面上开有多个散热孔，并可与铁芯筒体外壁上开设的通孔相通，以使得铁芯绕组内的热量能够与换热器壳体内腔中的冷却风流动，以进行热量交换，并通过换热器壳体另一端的出口排出，实现对流冷却。

作为本发明的改进，所述换热单元为多个，同心均匀布置在铁芯筒体外周壁上。

作为本发明的改进，所述换热器通过模块化方式置于换热壳体中，可方便从换热器壳体内腔中抽取。

作为本发明的改进，冷却风扇主要采用轴流式风扇，在同一个换热单元中，冷却风扇可以一个也可以多个。

作为本发明的改进，所述换热器中的空气与超导励磁绕组内的空气在换热器中相向而行进行流动或相互垂直进行流动。

作为本发明的改进，所述铁芯筒体为铸铁制成。

按照本发明的另一方面，提供一种具有上述旋转冷却系统的超导风力发电机。

总体而言，本发明的旋转冷却系统相对于现有技术，能充分利用超导电机叶片旋转所引起的强迫通风，另外在一定程度上缩短了超导电机内的冷却路径，提高了超导电机冷却风扇的效率与整机的效率。具体技术效果如下：

（1）采用多个与定子外壳同步旋转的散热单元，可以独立地对定子绕组进行冷却，无需严格的密封措施，结构简单，操作方便。

（2）过滤器处于迎风面，可以充分利用风力发电机的叶片旋转所引起的风，使其很大程度地吹入过滤器过滤，不仅在一定程度上减小换热器冷却风扇的功率，而且能大幅度地提高换热效果。

（3）可以减小风力发电机内风路的长度，即降低了超导电机内空气的沿程风阻，进一步地提高了冷却效率，

（4）换热器置入换热器壳体中，减少了换热器受风霜雪雨的伤害，增加换热器的使用年限，另外换热器可以从壳体侧面抽出与推入，便于换热器的安装与维修。

（5）换热壳体出风口呈下弯趋势结构，这样可以大大减小外界环境的影响。

附图说明

图1（a）是现有技术中的超导电机的径向结构示意图；

图1（b）是现有技术中的超导电机的轴向结构示意图；

图2是本发明实施例的风力发电机旋转冷却系统结构示意图；

图3（a）是本发明实施例的轴向通风孔型的超导电机转子旋转冷却系统结构示意图；

图3（b）是本发明实施例的径向通风孔型的超导电机转子旋转冷却系统结构示意图；

图4是本发明实施例的轴向通风型超导电机换热器部分的结构示意图；

图5（a）、（b）、（c）是本发明实施例的径向通风型超导电机换热器部分的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例的风力发电机旋转冷却系统，主要结构如图2所示。该超导风力发电机旋转冷却系统由若干个换热单元组成，其每个换热单元布置在风力发电机的铁芯筒体（即机壳）外周的表面上，具体是沿筒体外周轴向布置，均匀分布在筒体外周。

本实施例中，超导励磁绕组外周的铁芯优选是叠钢片，其通过紧固的方式设置在一优选是铸铁制成的筒体内壁面周向上，从而围成铁芯，筒体作为叠钢片的固定定位部件，铁芯可紧密固定并可随筒体旋转。相应地，绕组设置在围成环形的叠钢片的凹槽中并固定。

优选地，铸铁制成的筒体筒壁上开设有用于散热的多个通孔，以便于铁芯内外部的流通散热。

如图2所示，每个换热单元包括过滤器，冷却风扇、换热器和换热器壳体。其中，过滤器设置在换热器壳体端部，表面均布多个过滤孔，其处于迎风方向，以用于风力发电机叶片旋转所引起的风通过该过滤器进入换热器壳体中。冷却风扇置于过滤器后端，并与换热器壳体内腔相通，用于将从过滤器进来的冷却风通过该冷却风扇吹入换热器壳体中以流动。换热器壳体轴向贴附在铁芯筒体外壁上，其与筒体外壁接触的壳体表面上开有多个散热孔，并可与铁芯筒体外壁上开设的通孔相通，以使得铁芯绕组内的热量能够与换热器壳体内腔中的冷却风进行流动，以热量交换，并通过换热器壳体另一端的出口排出，实现对流冷却。

换热器通过模块化方式置于换热壳体中，可方便从换热器壳体内腔中抽取，这样一方面可以便于安装与维护，另一方面可以很好地保护壳体。换热器壳体侧面用螺栓紧固，便于安装。

对于本发明中风力发电机旋转冷却系统中的过滤器，其形状不限于上述实施例的形状，过滤器在迎风面的可以更大些，这样可以更好利用风力发电机叶片旋转所引起的风。过滤器另外一个主要功能是过滤掉外界环境中的灰尘，防止其进入换热器。

冷却风扇主要采用轴流式风扇，在同一个换热单元中，冷却风扇可以一个也可以多个，另外若有多个冷却风扇在一个换热单元中，其布置不限。由于可以充分迎风优势，在满足电机冷却条件下减小冷却风扇的功率与体积。

换热器置入换热器壳体中，换热器壳体通过螺栓或其他坚固方式与风力发电机机壳紧密连接，这样无论在风力发电机内部采用何种通风方式（径向，轴向，混合通风等），风力发电机的铁心与绕组都得到充分地冷却。

另外在换热单元的出风口，其换热壳体结构呈下弯的趋势，这样可以大大减小外界环境的影响。

换热器置入换热壳体里面，换热器的内部通风结构可以根据电机内部铁心通风的分布改变而改变，如图4和图5所示。

本发明中，将冷却系统分成若干个换热单元均匀分布在转子表面上，随转子一起旋转构成转子旋转冷却系统，不仅省了转子旋转冷却系统的旋转密封装置，而且使电机温升分布均匀，提高了超导风力发电机的可靠性。

本发明中，过滤器，冷却风扇与换热器分布在转子圆周表面并处于同一线上（如图2），其中过滤器处于迎风面，这样可以充分利用风力发电机的叶片旋转所引起的风，使其很大程度地吹入过滤器过滤。不仅在一定程度上减小换热器冷却风扇的功率，而且能大幅度地提高换热效果。

本发明中，转子旋转冷却系统在很大程度上减小风力发电机内风路的长度，即降低了超导电机内空气的沿程风阻，进一步地提高了冷却效率，（如图3所示）。另外换热器中的空气与电机内的空气在换热器中相向而行（轴向通风型）或相互垂直（径向通风型），这样可以很大程度地冷却电机内的空气。

本发明中，换热器置入换热器壳体中，减少了换热器受风霜雪雨的伤害，增加换热器的使用年限。换热器基座与超导电机机壳利用螺栓固定，（如图5所示），另外换热器可以从壳体侧面抽出与推入，便于换热器的安装与维修。

本发明中，换热壳体出风口呈下弯趋势结构，这样可以大大减小外界环境的影响。

本发明采用转子旋转冷却系统结构以后，能充分利用超导电机叶片旋转所引起的强迫通风，另外在一定程度上缩短了超导电机内的冷却路径，提高了超导电机冷却风扇的效率与整机的效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超导风力发电机旋转冷却系统，用于对超导风力发电机的外转子进行冷却，其中，所述外转子包括铁芯和设置在铁芯上的绕组，所述铁芯由套装在超导励磁绕组外围的筒体和固定插装在筒体内周壁上的叠钢片形成，所述绕组设置在环形的叠钢片的凹槽中，其特征在于，该旋转冷却系统包括至少一个贴附布置于超导风力发电机的外转子的铁芯筒体外壁上的换热单元，其中，

所述换热单元包括过滤器，冷却风扇、换热器和换热器壳体，其中，过滤器设置在换热器壳体端部，表面均布多个过滤孔，风力发电机叶片旋转所引起的风能够通过该过滤器进入换热器壳体中，所述冷却风扇置于过滤器后端，并与换热器壳体内腔相通，用于将从过滤器进来的冷却风通过该冷却风扇吹入换热器壳体中以流动，所述换热器壳体轴向贴附在铁芯筒体外壁上，其与筒体外壁接触的壳体表面上开有多个散热孔，并能够与铁芯筒体外壁上开设的通孔相通，以使得铁芯绕组内的热量能够与换热器壳体内腔中的冷却风流动，以进行热量交换，并通过换热器壳体另一端的出口排出，实现对流冷却。

2.根据权利要求1所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，所述换热单元为多个，同心均匀布置在铁芯筒体外壁上。

3.根据权利要求1所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，所述换热器通过模块化方式置于换热壳体中，可方便从换热器壳体内腔中抽取。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，冷却风扇主要采用轴流式风扇，在同一个换热单元中，冷却风扇可以一个也可以多个。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，所述换热器中的空气与超导励磁绕组内的空气在换热器中相向而行进行流动或相互垂直进行流动。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，所述铁芯筒体为铸铁制成。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种超导风力发电机旋转冷却系统，其中，所述换热器壳体侧面通过螺栓与铁芯筒体外壁紧固。

8.一种具有权利要求1-7中任一项所述的旋转冷却系统的超导风力发电机。