CN104682591A - 具有改善的冷却的旋转机械 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于旋转机械的转子，且更具体地，本发明涉及转子的构件。本公开大体涉及旋转机械的改善的冷却构型。与通常已知的布置不同，本文中所提出的解决方案不将冷却剂流体引导到要求冷却的部件。而是，由转子磁极中的损耗所生成的热被传递到具有用于建立热交换的有利特性的部件。

Description

具有改善的冷却的旋转机械
技术领域
本公开涉及用于旋转机械的转子。更具体地，本发明涉及旋转机械的包括转子磁极的构件。
本公开大体涉及旋转机械的改善的冷却构造。
背景技术
现有技术电能转换依靠三相电力网，其利用处于50Hz或60Hz频率和范围从数百伏特到数十万伏的电压水平的交流电流(AC)。旋转机械能到电能的转换且反之分别通过发电机和通过马达来完成。这些旋转机械可分成异步和同步装置。
马达和发电机包括定子和转子。机械的转子在定子的定子孔内旋转。具有凸极的同步机械典型地通过转子磁极生成磁场，该转子磁极包括磁极芯，该磁极芯具有卷绕其的转子绕组。转子磁极的数量和定子磁场的频率限定了旋转机械的每分钟转数(rpm)。转子绕组的电阻导致其中的电阻损耗。总体上，在设计期间需要考虑这些损耗，且转子需要冷却。用于转子的冷却机构典型地依靠诸如水、氢或空气的冷却流体。本公开关注空气冷却转子。然而，本公开的教导也适用于其他类型的机械。
在空气冷却机械中，为热的形式的损耗必须通过对流来远离转子传递。通过对流的冷却效果取决于空气流量(单位时间的体积)、冷却剂的温度、和传热系数。在某些机械中，对需要冷却的所有区域供给冷却空气可具有挑战性。
如果转子内侧的区域未得到充分冷却，则机械可在该区域中局部地过热。
一般而言，通过对流的传热由以下公式确定：
Q = α • A • ΔT
其中：
Q指示单位时间的热流量[W];
α指示传热系数[W/m2. K]；
A指示可用于冷却的表面[m2]；并且
ΔT指示固体和流体温度之间的温差[K]。
可通过改变下列参数来影响通过对流的传热：
1. 传热系数α取决于冷却剂流体的流动特性(湍流)和散热表面的特性(粗糙度)。
2. 温差ΔT作为在散热表面与吸收为热的形式的损耗的冷却剂流体的温度之间的差异来计算。通过降低冷却剂流体的温度，散热表面的温度也将下降。典型地，流体的温度可通过增加单位时间的冷却剂体积通量来降低。备选地，入口处的冷却剂温度可下降。
3. 可添加冷却翅片以增大散热表面A。
常规设计最有效地利用这些参数，以试图实现最优结果。当设计者没有选择时，其可增加附加的冷却表面以降低温度。该技术还称为转子线圈的后通风，且典型地应用于凸极机械。转子线圈的后通风意思是指转子线圈的后部部件形成冷却回路的主动部件。然而，该措施很少应用，因为其涉及重大的设计变化，且尤其是机械的冷却构思的较大变化。此外，转子线圈的后通风经常与机械的其他机械要求冲突，尤其是由于必须提供用于冷却空气的附加管路。那些附加的管路易于损害机械的机械完整性。
因此，应当理解，优化这些参数可能是困难的，因为它们有时与其他设计参数冲突。增加体积流量例如对传热系数具有积极影响，但另一方面，更大的体积流量产生了更多的通风损耗。除了该冲突以外，几乎不可能改善机械的某些区域中的热状况。例如，因为空气路径基本阻塞，所以在两个磁极线圈支承件之间增加冷却空气量是非常困难的。如果此种状况发生，则有时改变冷却方案是一个机会。一种可能性是例如通常称为“背冷(back cooling)”的方案。在该情形下，通过在转子绕组与磁极体之间产生附加的空气路径来增加冷却表面。缺点是在该区域中存在灰尘积聚(从而增加短路的风险)和转子磁极芯弱化的危险。
本公开目的是满足上述需要且克服上述困难。
发明内容
根据优选实施例，本发明的目的是用于具有改善的冷却系统的旋转机械的转子磁极。
与上述后通风不同，本文所提出的解决方案不将冷却剂流体引导到要求冷却的部件。而是，从转子磁极中的损耗而生成的热被传递到具有用于建立热交换的有利特性的部件。
该目的通过根据独立权利要求1的构件并且通过根据权利要求13的转子实现。
本发明的另一目的是提供用于发电的旋转机械，其中，改善了通过传导的传热。因此，本发明的旋转机械不会达到可损害其各种部件的温度峰值。
因此，根据各种优选实施例，根据本发明的旋转机械要求更少的冷却剂流体，且因此产生更低的通风损耗。
由于旋转机械的部件的更低温度，故旋转机械的使用寿命因此增加。
附图说明
通过结合附图参考以下详细描述，本发明的前述目的和许多附带优势将变得更好了解，因而它们更容易理解，在附图中：
图1是根据现有技术的旋转机械100的截面的二维示意图；
图2是根据本发明的旋转机械200的截面的二维示意图；
图3是根据本发明的构件的沿着径向平面的截面的视图；
图4是图3的构件的沿着切向平面的截面的视图。
具体实施方式
图1是根据现有技术的旋转机械100的二维示意图。旋转机械100包括通过空气间隙5分离的定子1和转子2。尤其地，附图示出旋转机械的沿着垂直于转子轴线的平面的视图。在附图的示例中，转子2包括大体以参考标号4指示的构件，该构件包括转子磁极4，转子磁极又包括磁极芯4a。在附图中还示出相邻构件4'，其包括转子磁极4，转子磁极4又包括磁极芯4b。
将理解，在转子2上存在的转子磁极的数量将根据所要求的机械的类型且因此根据所需的磁极的数量而变化。
还将理解，将公开为用于转子磁极(例如转子磁极4)的特征还将应用于转子磁极4'且大体上用于转子2的所有转子磁极。
现在将参考作为非限制示例的转子磁极4。
转子磁极4包括磁极芯4a和围绕其布置的转子线圈3a。类似地，转子磁极4'包括转子线圈3b。
总体上，转子线圈3a、3b形成转子绕组的部分。实现此种布置所需的技术知识对本领域技术人员是已知的，且因此将不进一步描述。
转子线圈3a以如下方式围绕磁极芯4a布置，即，形成线圈与芯之间的间隙。尤其地，在在此说明的示例中，磁极芯呈现蘑菇状形状，因此形成第一侧间隙7和第二上间隙8。
磁极芯与转子线圈之间间隙的形成通常是必需的，因为间隙的存在避免了磁极芯与线圈之间的直接接触，该直接接触可导致短路的发生。
出于该理由，根据现有技术，为绳索10形式的间隔器件布置在间隙7的底部处。除了避免技术问题以外，这种绳索的存在还提供在机械背侧上可能的污染的消除。在具有常规冷却的机械中，间隙7填充有空气。
对于第二上间隙8，绝缘凸缘13布置成其仅通过垂直于转子轴线的平面的截面可见。
通常，转子线圈的损耗中的大部分经由磁极间隙区域中的对流而耗散。损耗中的一些由通过绝缘框架13的传导传递到转子磁极芯，且最终经由空气间隙区域5中的对流而耗散。通过相同方式，损耗中的一些通过磁极线圈背侧上的间隙7而耗散。
通过第二上间隙8借助于绝缘框架13，和通过第一侧间隙7借助于包含在其中的空气在转子线圈3a与磁极芯4a之间耗散的损耗的量相对小，因为绝缘框架的材料(通常为HGW)且尤其是间隙中的空气(抽空的/停滞的)是非常差的热导体。
如已知的，由于绝缘材料的性质(Wiedemann-Franz定律)，绝缘凸缘13的导热系数非常低。
此外，通过空气间隙7发生的冷却比在转子和定子之间通过与空气间隙5直接接触的线圈3a和3b的表面11a、11b的冷却更低效。这是因为空气间隙7不是机械的冷却回路的一部分。
将热流分成三个途径(忽略轴侧)，能够如下文详述地扼要表示。为清楚起见，参考转子磁极4'作出以下方案，但是将理解以下解释将应用于转子的各磁极。
Q1指示从转子线圈通过外部表面11b的对流热流。通常，Q1是所有热流中的最大部分。Q2指示从转子线圈3b通过空气间隙到磁极芯4b的传导热流，而Q3表示通过绝缘凸缘发生的传导热流。Q2较小，且Q3接近零，因为热阻非常高。
假定冷却空气的体积流量固定，则在空气和固体之间将出现一定的温度梯度，以通过热流Q1传递损耗。
转子绕组的常规冷却具有其限制，因为绝缘凸缘和在线圈与磁极芯之间的空气间隙的有限热导性。
现在参考图2，其示出根据本发明的旋转机械200。
根据所提出的解决方案，上文讨论的分别存在于转子线圈3a、3b与磁极芯4a、4b之间的间隙7和8现在至少部分地填充有材料，该材料具有的导热系数大于当前在已知布置中使用的流体和/或材料(尤其是根据现有技术的空气和绝缘凸缘)的导热系数。
具体而言，填充间隙7的空气具有大致等于0.025 W/mK的导热系数，而用于绝缘凸缘的材料具有大致等于0.25 W/mK的导热系数。
第一侧间隙7可然后填充有材料9，材料9具有大致大于0.25 W/mK的指示值的导热系数。
而且，第二上间隙8也可填充有具有这种特性的材料。
现在参考与磁极芯4b关联地例示的方案(尽管以下应用于转子的各转子磁极)，在间隙7和/或8内，间隙填充有具有这种热传导特性的材料，使得路径Q2和/或Q3的热阻将导致Q1中更小的热流。
因此，由此实现冷却空气与固体之间的更低温度梯度，从而导致固体侧上的更低温度水平。然后通过使用更高热传导的材料来实现路径Q2和/或Q3的更低热阻。将理解具有这种特性的材料的选择还将满足电气要求。
出于完备性，包括关于通过传导的热流Q2和Q3的计算的一些基本信息：
其中：
＝热流量[W](待移除的损耗)
λ＝导热系数[W/mK]
A＝表面[m2]
ΔT＝温差[K](两个邻近固体之间或固体内的差异)
l＝厚度[m]
Rλ＝比热阻系数[K·m/W]
Rth＝绝对热阻系数[K/W]
Q1是对流热流，且因此通过在“背景技术”一章中所示的公式计算。
现在参考图3，其以其全部范围示出沿着磁极芯4a的关于旋转机械的旋转轴线a的径向平面的截面。间隙7和8的截面也可见。
图4示出磁极芯4a沿着旋转机械的轴向平面的截面。尤其地，可清楚地看出间隙7围绕磁极芯4a周围地移置。
根据本发明的优选实施例，材料9优选地仅沿着间隙7的当磁极芯安装在其中时与旋转机械的旋转轴a(在图3中描述)对准的两个相对侧30、40布置。
优选地，选定用于填充间隙7和/或8的材料可具有更高导热系数。尤其地，这种填充材料可具有等于或大于1 W/mK的系数。为了根据上述方案进一步增加热流，从而在线圈与磁极芯之间降低与Q1关联的更多对流热流，同时增加与Q2和Q3有关的传导热流，可选定特征为具有在20-80 W/mK的范围之间选定的系数的材料，以用于实现此种有利的技术效果。
在优选实施例中，材料可为高导热硅酮。硅酮配方可为室温硬化的或者其可在升高的温度下硬化。还有利的是使用为泡沫形式或者为片件形式的硅酮。
这种材料的示例可为导热的软硅酮膜KU-TCS，其由Kunze公司制造，以HEATPAD®的名称在市场上为人所知。这种材料因此为本领域技术人员已知，且因此其将不在本文中进一步描述。硅酮可以以板件或复合物的形式布置在间隙中。
尤其地，硅酮配方可以以树脂或胶的形式提供，且当仍为液体形式时在旋转机械的组装期间插入上述间隙中。在插入之后，硅酮固化且变成固体，该方式在转子线圈与磁极芯之间的间隙中实现了非常高效的填充操作，因此提供良好的传递过程。
备选地或附加地，插入间隙中的材料可为氧化铝和/或氮化铝，其可作为粉末或以板件的形式提供。使用包含溶解在硅酮基体中的氧化铝和/或氮化铝微粒的硅酮配方也是在技术上可行以及应设想到的。
尤其地，氧化铝和氮化铝是尤其优选的，因为它们的特征在于非常高的导热系数(在50–100W/mK的范围内)和非常好的电气绝缘性质。
将理解，根据特定使用情形，填充材料的不同组合可布置在间隙7、8之间。
上述材料可因此插入间隙7和/或8中。以这种方式，可获得具有改善的热导性的绝缘凸缘。关于现有技术，为了有效地将侧间隙7和绝缘凸缘用于传热，更多的热可通过这些路径耗散。更少的热将然后不得不通过转子线圈的外表面11a、11b上的对流来耗散。因此，间隙7上或绝缘凸缘上的更小温差ΔT将足以耗散损耗。这意味着构成转子的部件将在更低温度下运行。机械部件的更低温度倾向于延长机械的有用使用寿命。
通过间隙7和通过绝缘凸缘的改善的传热还允许减少热传导和对流所涉及的表面。以该方式，热约束可放松，且机械可具有更紧凑的设计。
虽然已经结合优选实施例全面地描述了本发明，但是显而易见的是，修改可引入其范围内，而不考虑应用由这些实施例限制，而是由所附权利要求限制。

Claims (14)

1. 一种用于旋转机械(200)的构件(4)，包括转子磁极(4)，所述转子磁极(4)包括：
● 磁极芯(4a)；
● 转子线圈(3a)，其围绕所述磁极芯(4a)布置，其中，所述转子线圈(3a)与所述磁极芯(4a)分离，使得至少一个间隙(7、8)形成在所述转子线圈(3a)与所述磁极芯(4a)之间；
所述转子磁极(4)的特征在于，
所述至少一个间隙(7、8)至少部分地填充有材料(9)，所述材料(9)具有大致大于0.25 W/mK的导热系数。
2. 根据前述权利要求所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)的导热系数大致等于或大于1 W/mK。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)的导热系数具有包含在20-80 W/mK的范围内的值。
4. 根据权利要求1或2所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)的导热系数具有包含在50-100 W/mK的范围内的值。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的构件(4)，其特征在于，所述磁极芯(4a)是蘑菇形的，使得第一侧间隙(7)和第二上间隙(8)形成在所述磁极芯(4a)与所述转子线圈(3a)之间。
6. 根据前述权利要求所述的构件(4)，其特征在于，所述第一侧间隙(7)围绕所述磁极芯(4a)为周围的，所述材料(9)仅插入在所述周围间隙(7)的两个相对侧(30、40)内，填充有所述材料(9)的侧(30、40)当所述磁极芯(4a)安装在其中时与所述旋转机械的旋转轴线(a)对准。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)是高导热硅酮。
8. 根据权利要求1到6中的任一项所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)是氧化铝和/或氮化铝。
9. 根据权利要求7和8所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)是包括溶解在其中的氧化铝和/或氮化铝微粒的硅酮基体。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)具有布置在所述至少一个间隙(7、8)内的一个或更多个板的形式。
11. 根据权利要求8所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)为粉末或颗粒的形式。
12. 根据权利要求7或9所述的构件(4)，其特征在于，所述材料(9)为插入所述间隙(7、8)内的固结的胶或树脂的形式。
13. 一种用于旋转机械(200)的转子(20)，其特征在于，其包括根据前述权利要求中的任一项的至少一个构件(4)。
14. 一种旋转机械(200)，其特征在于，其包括根据前述权利要求的转子(20)。
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