CN107612172A - 电机绕组、电机及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种电机绕组、电机及风力发电机组。该电机绕组包括电机的转子绕组或电机的定子绕组，在所述转子绕组或所述定子绕组的多个绕组端部形成径向通风结构。本发明提供的电机绕组、电机及风力发电机组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

Description

电机绕组、电机及风力发电机组

技术领域

本发明实施例涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种电机绕组、电机及风力发电机组。

背景技术

现有技术中，风力发电机的热源及其冷却系统结构如图1所示，图中箭头方向代表冷却介质流体的流动方向，冷却介质流体经由闭式送风通道1沿定子径向方向流至定子的绕组端部3，受到绕组端部3的阻碍，绝大部分冷却介质流体会绕流绕组端部3流至定子4和转子5之间的气隙6，再经由绕组2和定子4的径向通风流道7、汇流通道8、热风引出汇流器9、间壁式换热器10、汇流器11和引风设备12流回闭式送风通道1。其中，以三相双层叠绕组为例，定子的绕组2的展开图如图2所示，多个绕组端部3形成疏密均匀的网格结构，迫使冷却介质流体绕流绕组端部3。

图3为现有技术的绕组的基本结构以及绕组与定子的嵌合结构示意图，如图3所示，绕组2的绕组中部17嵌入到设置在定子圆周上的绕组槽16中，绕组槽16的两侧为导磁部件15，绕组端部3为在定子轴向方向上向伸出定子端面的部分，绕组端部3最前端的转折部分为绕组鼻部13。

图4为现有技术的绕组的结构示意图，如图4所示，示出了三种不同形式的绕组的结构，每个绕组均包括嵌入到绕组槽中的绕组中部17和伸出绕组槽的绕组端部3，绕组端部3最前端的转折部分为绕组鼻部13。

图5为现有技术的气流穿过绕组端部的示意图，从图中可以看出，气流在穿过整齐排列的绕组端部3时，会受到绕组端部3阻挡，虽然在绕组2之间存在一定的缝隙，但是由于各个绕组之间呈倾斜状排列，因此，气流的方向与缝隙的方向并不是一致的，使得气流受到极大阻碍。而在实际应用中，绕组排布是非常密集，缝隙极小，图5只为了清楚地示出结构，而将缝隙清楚地体现出来。在实际的定子上，尤其是在经过浸完绝缘漆工艺之后，缝隙更加微小，对气流的阻挡会更加严重，气流几乎无法从绕组端部3之间的缝隙中穿过，必须从鼻部13两侧绕行，图5中下部的空心箭头代表气流，气流方向为沿着定子的径向方向，由于图中的仅截取了定子圆周部分的一小段，忽略定子径向方向的变化，示意气流方向的箭头方向一致，并大致垂直于定子圆周部分。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在如下缺陷：冷却介质流体受到绕组端部的阻碍，绕流绕组端部，会带来一系列问题，例如，1)使得冷却介质流体的流速大大降低，严重影响到对绕组热源的冷却效果和温升抑制水平；2)冷却介质流体撞击绕组端部，产生气动噪声；3)冷却介质流体因摩擦绕组端部接收加热，造成雍塞现象；4)容易出现卡门涡街现象，进而诱发涡激振动，一方面破坏绝缘结构(尤其是绕组端部的根部，出现开裂后导致进水和潮气的呼吸现象)，影响其使用寿命，另一方面产生涡激共振噪声。

发明内容

本发明实施例提供一种电机绕组、电机及风力发电机组，以减少电机绕组的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种电机绕组，所述电机绕组包括电机的转子绕组或电机的定子绕组，在所述转子绕组或所述定子绕组的多个绕组端部形成径向通风结构。

另一方面，本发明还提供一种电机，包括如上所述的电机绕组。

最后，本发明还提供一种风力发电机组，其包括上述的用于发电的电机。

本发明提供的电机绕组、电机及风力发电机组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了电机绕组的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术中风力发电机的热源及其冷却系统结构示意图；

图2为现有技术中风力发电机的定子的绕组的展开图；

图3为现有技术的绕组的基本结构以及绕组与定子的嵌合结构示意图；

图4为现有技术的绕组的结构示意图；

图5为现有技术的气流穿过绕组端部的示意图；

图6为风电场的气流环境示意图；

图7为翼型攻角示意图；

图8A至图8C为圆柱涡脱与雷诺数关系的示意图；

图9为采用本发明一实施例提供的电机绕组后的风力发电机的热源及其冷却系统结构示意图；

图10为本发明提供的电机绕组一个实施例的结构示意图；

图11为本发明提供的电机绕组又一个实施例的结构示意图一；

图12为本发明提供的电机绕组又一个实施例的结构示意图二；

图13为本发明提供的电机一个实施例的结构示意图；

图14为本发明提供的风力发电机组一个实施例的结构示意图。

附图标记说明：

1-闭式送风通道、2-绕组、3-绕组端部、4-定子、5-转子、6-气隙、7-径向通风流道、8-汇流通道、9-热风引出汇流器、10-间壁式换热器、11-汇流器、12-引风设备、13-绕组鼻部、14-径向通风结构、15-导磁部件、16-绕组槽、17-绕组中部、18-绕组端部的顶点、71-电机、72-电机绕组、81-风力发电机组、82-发电机。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在介绍本发明实施例的具体方案之前，先说明发明人对于本发明技术方案的技术研究思考。

一、关于气流绕流电机端部及其空间面临的阻力、噪音、诱发振动的机理分析。

1、气流绕流圆柱塔筒研究

气流绕流圆柱是一个经典的流体力学问题，流体绕圆柱体流动时，过流断面收缩，流体流速沿程增加，压强沿程减小，由于流体粘性力的存在，就会在圆柱体横截面的流体与固体接触的周围发生流体边界层的分离现象。流场形成的圆柱绕流现象比较复杂，因此，对流体绕流圆柱研究具有重要的基础理论意义。研究流体绕流圆柱问题在工程实际中也具有非常重要的意义。如水流对桥墩、海上钻井平台支柱、海上输运管线、桩基码头等的作用领域，风对塔设备、化工塔设备，高空电缆等的作用领域，都有着重要的工程应用背景。因此，对圆柱气流绕流进行深入研究，对其流动机理进行分析，不仅具有理论意义，还有明显的社会经济效益。

2、边界层与边界层分离特征

边界层是考虑了物体表面对流体的粘性力而提出来的。当流体流经物体表面时，受到物体外形的扰动，在物体表面形成一层内部流体，这层流体内部粘滞力的作用对流体流动、耦合固体表面的作用起着至关重要的作用。直接和物体接触的流体流速为零(设物体不运动)，而离开物体表面法线方向不远的地方流体就有很大的流速，在物体表面的法线方向，流速的梯度变化很大。因此，法线高度方向不同高度层间的粘滞力是不可忽略的。在紧临物体表面(法线方向)的薄层(毫米级数量级)，粘滞力起重大作用的流体层称为边界层。通常，在远离这个边界层流体以外的地方，流体微团的运动是单纯为惯性力所控制的，粘滞力的作用可以不计。

下面结合图6对风电场的气流环境进行进一步分析。风电场自然环境上风向来流绕流塔筒外壁面时，在塔筒表面形成的边界层内空气流的压强、流速、以及流向都将会沿着塔筒壁从前至后的弯曲曲面发生很大变化，从而影响结构稳定。自然环境上风向空气流经塔筒壁形成的边界层的特征如图6所示，由于流动界面的变化，空气流的对塔筒壁面形成的压力大约在塔筒圆筒壁的前半部开始递降，而后在后半部又趋回升。特别要注意的是：壁面边界层内的空气流在持续向下游流动时，流体(空气流)的动能将逐渐变小，边界层内的速度较边界层外低，相应的边界层流体的动能也较小，由于流体动能的消耗，空气流在塔筒弯曲壁面上的速度梯度将在壁面的某一位置趋于零，如图6所示，其中虚线起点，这时塔筒壁面边界层内空气流停止向下游继续流动，并随即因沿着曲面向右(下游方向)流场出现，致使流体向与主流方向相反的方向流动，虚线在壁面上出现的起点称为绕流脱体的起点(或称边界层分离点)，自此边界层中出现逆主流流向的局部流动，流场局部形成漩涡，从而使正常边界层流动被破坏。脱体点(分离)的位置取决于雷诺数Re大小。雷诺数Re的计算公式如下：

式中，ρ-空气流密度，μ-空气流粘性系数，d-塔筒壁直径，u-空气流速。分离之后的流体流动有很大的垂直于主流的分速度。这里出现的流体流动边界层内外逆压梯度的存在是使边界层分离的必要条件。

3、卡门涡街现象

风力机中塔架振动在特定情况下，卡门涡街可以诱导塔架横向振动。因此，在一些规范中规定了与卡门涡街有关的载荷工况。

本发明实施例专门关注的是风力发电机组在在机组运行或停机过程处于空气流中，从机舱吊装完毕之后，就有可能发生与空气流耦合后的共振、卡门涡街破坏现象。因此，需要构建一种保护系统，在风电场建设过程预备安装在塔筒内部，增加改变塔筒周围原有的上风向空气流面对塔筒绕流形成的边界层、破坏塔筒高度方向脉动风力的相关性、改变相关长度的流体控制装备，在塔筒周围介入非自然力空气流流场控制装置，该系统造成对塔筒表面及其附近流场的控制，阻止塔筒后方背风侧两侧涡街现象的发生、阻止塔筒涡激响应、涡激响应的放大、抑制塔筒被诱发振动。

二、发明人在研究现有技术的过程中，针对本发明实施例要解决的问题思考

本发明技术方案专门关注的是风力发电机组在长期运行过程处于空气流中的现象研究。

1、电机绕组端部的功能还需要从最初的连接两个槽内有效长度的作用出发，在特定场合，绕组端部已经成为障碍，对冷却介质实施流体传输环节的障碍和较大阻力环节。流体传输绕流绕组端部的阻力已经影响到整个冷却系统最终对绕组热源的冷却效果和电机内部热源的温升抑制能力水平。对冷却系统流体传输最佳工作点的确定、落实、实施成为最大的障碍。或者讲，因为绕组端部的传统结构使得对整个绕组产热的对外换热都成为旋转电机制造工艺必须突破解决的障碍。

2、对于大型旋转电机，对绕组产热源实施强制对流换热，必须依靠大功率、大尺度(叶轮直径)流体机械(通风机)，相伴进行冷却介质的流体传输与空气流的风致噪声对自然环境生物的严重影响是生态法规所不允许的。

3、本领域研究人员在对绕组产热源实施强制对流换热时，惯性思维是借助大功率、高速率流体机械(通风机)克服冷却介质流体传输阻力去获得换热效果，换热的意义降低。还可以考虑的是不增加冷却介质流体传输动力源头功率，考虑长期运行使用，受装置成本和环境保护的要求，解决冷却介质流体传输过程通道中的内部矛盾，即发明人发现：在电机绕组端部经过的冷却介质在端部某些结构下产生较大的局部阻力和相应的动力噪声以及电机工作者传统学科划分被忽视的卡门涡街振动破坏绝缘结构(尤其是绕组端部的根部，出现开裂后导致进水和潮气的呼吸现象)的事实，况且本案专门关注的是风力发电机组在二十年使用寿命需要保证的长期运行过程处于空气流携带风霜雨雪多相流环境状态这些疲劳性隐患一直在风电领域长期存在，抑制这种结构关系可能发生与空气流耦合后的压力脉动、共振、卡门涡街破坏现象。

三、本发明实施例所应用的技术原理分析

1、技术术语说明

a、流固耦合力学：它是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solidinteraction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

b、卡门涡街现象：前面已经进行了说明，在此不再赘述。

c、湍流：湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动，而且有相对于流体总运动的反向运动，因而流体微团的轨迹极其紊乱，随时间变化很快。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递，其传递速率比层流高好几个数量级。

d、风力系数和攻角：

通常情况下，常把气动力分解到两个正交的方向上，其中一个方向平行于风向而另一个方向垂直于风向(对于湍流取平均风向)，这种坐标轴称为“风轴”。风工程中沿用航空学的“升力”和“阻力”概念来分别描述横风向和顺风向的力分量。

攻角(英文：Attack Angle)，有时也称迎角，为一流体力学名词。如图7所示，其为攻角原理示意图，对于翼形来说，攻角定义为翼弦与来流速度之间的夹角，抬头为正，低头为负。

e、气动外型(AerodynamicConfigurations)：指在气体介质中运动的物体为减少运动阻力，而采用的适合在该介质中运动的外形。气动外形主要是针对导弹、飞机等飞行器而提出的。具体是指在飞机、导弹在飞行状态下所受到的升力、阻力、力的方向、大小与其本身的截面、长度、推力、稳定性等会影响飞行物飞行的客观因素所组成的一个函数值，由这个函数值来决定飞行物的外形。

2、涡激共振噪声

浸没在流体中的电机绕组端部结构物，由于流体(如：电机内的的空气流)流经(或横掠)绕组端部结构的外表面时所产生的空气流旋涡从绕组端部(钝体)两侧交替脱落、离开绕组端部(钝体)表面导致的不平衡受力，将会在绕组端部(钝体)两侧漩涡脱落处产生一个指向该侧的横向力，交替的脱落旋涡以这种方式使绕组端部(钝体)结构作近似于简谐(正弦)横风向的强迫振动，称为涡激共振。

当绕组端部(钝体)结构物发生涡激共振时，作用于绕组端部(钝体)结构外表面上的涡激力(不平衡受力)近似为一个简谐力F(t)：

F(t)＝F₀sin(ωt)……………………………………式(2)

式中，ω(Re，St)为旋涡脱落的频率；

F₀为涡激力振幅值，F₀＝(ρU²/2)CD，

ρ为空气流密度，

U为空气流速，

C为绕组端部(钝体)结构截面的空气动力系数，

D为绕组端部(钝体)结构外表面被流体横掠时的特征尺度(障碍物面对迎流面的最大宽度)，这里是绕组端部(钝体)壁外径，

t为时间，

Re为雷诺数。

涡激力引起的绕组端部(钝体)结构横向振幅变化为A(t)：

式中：K为绕组端部(钝体)结构体系的刚度；

δ为对数衰减率(大约0.05)。

当风速达到一定合适的数值、并持续作用一段时间后，绕组端部(钝体)结构可能发生涡激共振，此时振动的振幅为A：

可以看出，当绕组端部(钝体)结构的截面尺寸已定，可提高阻尼来降低涡激共振振幅。

其中，St为斯脱罗哈数，计算公式如下：

该式描述了漩涡脱落频率、风速和绕组端部直径之间的关系。

式中：f为涡脱频率，Hz；

U为绕组端部(钝体)上风向来流风速；

D为绕组端部(钝体)的特征尺寸，这里为绕组端部的外径。

从振动形式上看，涡激共振是带有自激与强迫双重性质的振动。

3、绕组端部(钝体)圆柱体涡激共振的锁定现象

如图8A至图8C所示，其为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数关系的示意图，图中仅示例性的示出了Re﹤5时、5≤Re＜40时以及40≤Re﹤150时的情形。根据物体结构周围气流绕流模式的不同，将结构分为钝体和像飞行器的机翼或船帆这样的流线体。

当Re﹤5时，如图8A所示，流体流动将附着在圆柱体的整个表面上，即流动不分离。

5≤Re＜40时，如图8B所示，流动仍然是对称的，但出现了流动分离，在背风面形成两个对称排列的稳定漩涡，随着雷诺数的增大漩涡向外拉长，发生畸形。

40≤Re﹤150时，如图8C所示，从雷诺数Re＝40开始，漩涡将从圆柱体表面后方交替脱落，流入到圆柱体背后附近流体中形成剪切层，不稳定的剪切层很快卷成漩涡，向下游流动，形成卡门涡街。此时的漩涡脱落是规则的，且具有周期性。

150≤Re﹤300时，是从层流向紊流过渡的转变期，此时周期性的漩涡脱落被不规则的紊流所覆盖。

300≤Re﹤3×10⁵时，称为亚临界区，图未示出，圆柱体尾流在分离后主要表现为紊流尾流，漩涡脱落开始不规则，涡脱频率的周期可以大致定出，但涡脱时的干扰力将不再对称，而是随机的。

3×10⁵≤Re﹤3×10⁶时，称为超临界区，漩涡脱落点向后移动，已经无法辨认涡街，成了完全无周期的涡流。

3×10⁶≤Re，称为跨临界区，圆柱体后方尾流十分紊乱，但又呈现出有规律的漩涡脱落。

当均匀流流经(横掠、绕流)钝体(圆柱体)时，在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物(绕组端部表面接触面)产生一个周期性变化的作用力——涡激力，涡激力变化频率f_U为：

式中：D为断面的特征尺寸，这里可取迎风面的直径。

U为来流风速；

St为斯脱罗哈数。

被绕流的绕组端部(钝体)结构物与绕组槽内有效段落构成单自由端振动体系(即绕组端部的上端浸没在空气流中，绕组端部的所谓根部被固定在导磁部件形成的槽内)，当漩涡脱落频率与绕组端部结构物的某阶自振频率相一致时，绕组端部(钝体)表面受到的周期性的涡激力(不平衡力)将引起绕组端部(钝体)体系结构的涡激共振(vortex-inducedvibration)响应。

以上基于技术理论对于气流产生的各种现象进行分析，下面结合附图对本发明实施例电机绕组、电机及风力发电机组进行详细描述。

实施例一

本发明实施例的电机绕组包括电机的转子绕组或电机的定子绕组，在转子绕组或定子绕组的多个绕组端部形成径向通风结构。

下面以风力发电机的定子绕组为例进行说明。图9为采用本发明实施例提供的电机绕组后的风力发电机的热源及其冷却系统结构示意图。如图9所示，图中箭头方向代表冷却介质流体的流动方向，冷却介质流体经由闭式送风通道1沿定子径向方向流至定子的绕组端部3，由于多个绕组端部3形成径向通风结构，使得该部分的阻力大幅度降低，因此绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部3，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部3，从定子径向方向直接流至定子4和转子5之间的气隙6，再经由绕组2和定子4的径向通风流道7、汇流通道8、热风引出汇流器9、间壁式换热器10、汇流器11和引风设备12流回闭式送风通道1。

具体的，绕组端部3是指绕组2延伸出定子4的凹槽的部分。绕组2位于定子4的凹槽内的部分为有效部分，也是绕组2产热量最大的部分。

由于绕组端部3的径向通风结构对沿定子径向方向流动的冷却介质流体产生的阻力很小，因此冷却介质流体不再绕流绕组端部3，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部3，从定子径向方向直接流至定子4和转子5之间的气隙6，从而避免了冷却介质流体绕流绕组端部3带来的一系列问题，例如，1)冷却介质流体的流速不会大大降低，提升了对绕组2热源的冷却效果和温升抑制水平；2)冷却介质流体不再撞击绕组端部3，从而不会产生气动噪声；3)冷却介质流体不再摩擦绕组端部3，不再接收加热，从而不会造成雍塞现象；4)冷却介质流体不再绕流绕组端部3，因此不会出现卡门涡街现象，进而不会诱发涡激振动，破坏绝缘结构，也不会产生涡激共振噪声。

本发明实施例的电机绕组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了电机绕组的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

在绕组端部形成径向通风结构可以通过在绕组端部的顶点在转子或定子轴向上形成高度差来实现，也可以通过使绕组端部形成形状差异来实现，也可以通过这两种方式的结合来实现。

实施例二

图10为本发明提供的电机绕组一个实施例的结构示意图。本发明实施例的电机绕组描述了实施例一的电机绕组的一种具体实现方式。如图10所示，本发明实施例中，多个绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上存在高度差，以形成径向通风结构14。

具体的，图10中仍以三相双层叠绕组为例，给出了转子或定子的绕组2的展开图，其中实线代表绕组位于转子或定子的凹槽中的上元件边，虚线代表绕组位于转子或定子的凹槽中的下元件边。绕组端部的顶点18即绕组端部3离转子或定子最远的部分。与图2中多个绕组鼻部13的顶点在转子或定子轴向上的高度一致不同，图10中多个绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上高度不一致，存在高度差，从而形成疏密不均匀的网格结构，最稀疏的地方即形成径向通风结构14。

进一步的，同一线圈组的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上高度一致，不同线圈组的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度交替形成高度差。

具体的，在图10所示的三相双层叠绕组中，同一线圈组即同极同相的绕组构成一个线圈组，例如编号为1、2、3的绕组2为同一线圈组，编号为4、5、6的绕组2为同一线圈组，依此类推，每3个绕组为同一线圈组。同一线圈组的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上高度一致，例如同一线圈组中编号为1、2、3的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上高度一致。不同线圈组的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度交替形成高度差，例如在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度高于编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，编号为7、8、9的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度低于编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度。

进一步的，在转子或定子轴向上，在转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点18高于或者低于相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点18，在转子或定子的另一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点18低于或者高于相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点18。也就是说，在转子或定子轴向上的两侧，相邻两组线圈的高度差关系正好相反，通过这样交错设置的绕组结构，能够很方便地形成通风结构，而不需要对绕组的结构进行较大的改变。并且，上述的交错设置的绕组结构还可以采用长度基本相同，从而使得整个绕组构成的电磁回路较为均匀，不会影响发电性能。

具体的，例如在图10所示的三相双层叠绕组中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度高于相邻的编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，而在转子或定子的下侧，编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度低于相邻的编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度。

进一步的，在转子或定子轴向上，在转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点18与相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点18形成第一高度差，在转子或定子的另一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点18与相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点18形成与第一高度差相反的第二高度差。

具体的，例如在图10所示的三相双层叠绕组中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度高于编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，两者形成第一高度差假设为Δh1，而在转子或定子的下侧，编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度低于编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，两者形成第二高度差假设为-Δh2。高度差的正负只代表方向，根据在转子或定子轴向上，从转子或定子到绕组端部的顶点为正方向，则转子或定子的上侧，向上为正方向，编号为4、5、6的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度减去编号为1、2、3的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，得到的高度差为正值Δh1，而在转子或定子的下侧，向下为正方向，编号为4、5、6的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度减去编号为1、2、3的绕组端部的顶点18在转子或定子轴向上的高度，得到的高度差为负值-Δh2。

较为优选地，第一高度差和第二高度差的绝对值相等。即第一高度差Δh1的绝对值和第二高度差-Δh2的绝对值相等。

为了不破坏转子或定子的绕组2整体的电气参数(电阻、电感)以及为了保持多相线圈之间的平衡关系，通过使上述的第一高度差和第二高度差相等，能够使得各个绕组在整体上保持相同的长度，从而最大程度上保持现有绕组结构的电气特性。此外，图10中可以看出，相邻线圈组之间是上下交错设置的，可以使得各个绕组的长度和形状都相同，从而便于批量制造、加工以及装配。

本发明实施例的电机绕组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

实施例三

图11为本发明提供的电机绕组又一个实施例的结构示意图一，图12为本发明提供的电机绕组又一个实施例的结构示意图二。本发明实施例的电机绕组描述了实施例一的电机绕组的另一种具体实现方式。如图11、图12所示，本发明实施例中，多个绕组2的绕组端部3存在形状差异，以形成径向通风结构14。

具体的，图11、图12中仍以三相双层叠绕组为例，给出了转子或定子的绕组2的展开图，其中实线代表绕组位于转子或定子的凹槽中的上元件边，虚线代表绕组位于转子或定子的凹槽中的下元件边。与图2中多个绕组端部3形状一致均为三角形不同，图11、图12中多个绕组端部3形状不一致，存在形状差异，从而形成疏密不均匀的网格结构，最稀疏的地方即形成径向通风结构14。需要说明的是，图11和图12中，在存在形状差异的绕组端部3对应的绕组端部的顶点18的高度也存在一定的差异，这是在实际应用中较为优选的方式，即高度差异和形状差异相结合而形成径向通风结构14。本领域技术人员应该理解，从图11和图12可以看出，仅通过形状的差异也是可以形成径向通风结构14。

进一步的，同一线圈组的绕组端部3形状一致，不同线圈组的绕组端部3形状交替变化。

具体的，在图11、图12所示的三相双层叠绕组中，同一线圈组即同极同相的绕组构成一个线圈组，例如编号为1、2、3的绕组2为同一线圈组，编号为4、5、6的绕组2为同一线圈组，依此类推，每3个绕组为同一线圈组。同一线圈组的绕组端部3形状一致，例如图11、图12中，同一线圈组中编号为1、2、3的绕组端部3形状一致。不同线圈组的绕组端部3形状交替变化，例如图11中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为三角形。编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。编号为7、8、9的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为三角形。编号为10、11、12的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。例如图12中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为不规则三角形(不规则三角形的侧边为向内凹陷的圆弧形)。编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。编号为7、8、9的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为不规则三角形。编号为10、11、12的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。

进一步的，在转子或定子轴向上，在转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部3为第一形状，相邻两线圈组中的另一组线圈组的绕组端部3为与第一形状不同的第二形状，在转子或定子的另一侧，相邻两线圈组中的另一组线圈组的绕组端部3为第一形状，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部3为第二形状。进一步的，第一形状或者第二形状为：三角形或圆弧形或不规则三角形，不规则三角形的侧边为向内凹陷的圆弧形。

具体的，例如在图11所示的三相双层叠绕组中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为三角形，相邻的编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。而在转子或定子的下侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形，相邻的编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为三角形。例如图12中，在转子或定子轴向上，转子或定子的上侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为不规则三角形(不规则三角形的侧边为向内凹陷的圆弧形)。编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形。而在转子或定子的下侧，编号为1、2、3的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为圆弧形，相邻的编号为4、5、6的绕组2构成的线圈组中各绕组端部3形状一致，均为不规则三角形。

进一步的，多个绕组2的长度相同。

具体的，考虑到转子或定子的绕组2整体的电气参数(电阻、电感)多相需保持平衡，因此多个绕组2的长度需相同。

进一步的，多个绕组端部3在长度上存在差异，以形成径向通风结构14。

具体的，对于同一个绕组2而言，其两侧绕组端部3的长度可以是不对称的，即一侧绕组端部3的长度长一些，则另一侧绕组端部3的长度会短一些，从而在保证绕组2的整体长度不变的情况下，通过对绕组端部3的长度的调整来实现径向通风结构14。例如图10中编号为1的绕组2，其位于转子或定子上侧的绕组端部3的长度较短，而其位于转子或定子下侧的绕组端部3的长度较长，但该编号为1的绕组2的整体长度不变。

本发明实施例的电机绕组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

实施例四

图13为本发明提供的电机一个实施例的结构示意图。如图13所示，本发明实施例的电机71，包括上述任一实施例所示的电机绕组72。

进一步的，本发明实施例的电机71具体可以包括风力发电机组中的发电机。

本发明实施例的电机，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了电机的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

实施例五

图14为本发明提供的风力发电机组一个实施例的结构示意图。如图14所示，本发明实施例的风力发电机组81，包括上述实施例四所示的发电机82。

本发明实施例的风力发电机组，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了电机的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

实施例六

本发明实施例的电机的绕组冷却结构，包括铁心和多个绕组，铁心具有绕组槽，每个绕组包括位于绕组槽内的部分和在绕组槽外的绕组端部，多个绕组端部之间形成有供冷却气流沿电机的径向穿越绕组端部的气流穿越空间。

具体的，本发明实施例中的“气流穿越空间”与上述实施例中的“径向通风结构”，二者并不是孤立的，而是存在相应的内在联系或对应关系。该“径向通风结构”伴随着形成有“气流穿越空间”，该“径向通风结构”包含该“气流穿越空间”或者围成其部分边界。该“气流穿越空间”可以为图10所示的峡谷式的，或图11、图12所示的内部孔洞式的。该“径向通风结构”构成了该“气流穿越空间”的物理边界，即该“径向通风结构”限定了该“气流穿越空间”的范围。

进一步的，气流穿越空间沿电机的周向，在电机的铁心的轴向两端周期性形成。

进一步的，在电机的铁心的轴向第一端形成的多个气流穿越空间与在电机的铁心的轴向第二端形成的多个气流穿越空间，二者在电机的周向上彼此错开，并且二者在电机的周向上均匀布置。这有利于实现对电机发热部件在周向的对称、均匀、连续冷却效果。

进一步的，在气流穿越空间中的冷却气流的流量和流速高于在绕组端部中的未构成气流穿越空间的区域中的冷却气流的流量和流速。

进一步的，气流穿越空间沿电机的周向的最大尺寸大于同一线圈组中两个相邻绕组端部之间的周向间距。

进一步的，气流穿越空间，用于降低冷却气流遇到的流体传输阻力。

进一步的，气流穿越空间，用于在绕组端部构造冷却气流短路空间。

进一步的，在气流穿越空间的内部，阻碍冷却气流沿电机径向传输的障碍物被移除。这样冷却气流一般不容易在气流穿越空间内部绕流、分流、迂回，而是直接快速通过，提高冷却效率。

进一步的，气流穿越空间的范围，由至少三个相邻的绕组端部所界定。

本发明实施例的电机的绕组冷却结构，通过在多个绕组端部形成径向通风结构，使得绝大部分冷却介质流体不再绕流绕组端部，而是通过阻力很小的径向通风结构直接穿过绕组端部，从转子或定子径向方向直接流至定子和转子之间的气隙，减少了电机的绕组端部对冷却介质流体的阻碍，解决了冷却介质流体绕流绕组端部带来的一系列问题。

下面再对本发明实施例的整体上解决的技术问题和技术效果从技术理论角度进行说明：

1、整体上，本发明实施例针对电机绕组端部基于流体力学冷却介质传输和气动声学降低噪声的相互协同性处理考虑，产生了一种同时解决大幅度降低流体传输过程阻力和流体传输噪声降低的实际问题，相应的，在传统绕组端部构造了轴向无障碍传输空间，获得冷却介质传输轴向重新自动分流(即：由传统穿越绕组端部间隙、绕流绕组端部的事实自动调整为大部分流体自动流经无障碍的穿越空间)、流场重新分布(即：流体传输用的冷却介质大部分流经无障碍空间)的结果，流体传输阻力降低，流体传输获得需要的流体流量的原动力降低，原动力(通风机，如离心风机、轴流风机，风扇转速和叶轮直径得到降低，相应地产生的噪音得到降低)，这是希望产生的效果之一。

2、流体力学冷却介质传输和气动声学降低噪声的相互协同性在于：流体传输用的冷却介质大部分流经无障碍空间后带来的效果是：少部分流体冷却介质绕流绕组端部，流场重新分布后绕流绕组的冷却介质数量大幅度变少，按照基本的流体力学原理(流体流动的连续性原理)，相应的，绕流绕组空间区域的流体流速大幅度降低，流体撞击绕组的能耗降低，流体紊流程度大幅度降低，气动噪声强度大幅度降低，这是希望产生的效果之二。

3、关键的是大部分气流没有再绕流(高密度包裹)绕组端部，也就是没有在途经端部空间过程再接受加热，降低了气流摩擦绕组端部造成的壅塞现象；避免大部分气流在绕流过程再接受加热造成气流的壅塞现象。这里，传统技术现状在事实上会出现双重叠加的壅塞现象。壅塞现象同时会造成流体传输的原动力被迫增加，这是不希望产生的结果。

4、绕组端部形成的新结构，多个通透的、孔洞式空间对气流通过没有任何障碍，局部阻力的大幅度降低(即：绕流部分空间的流速、流量均降低和减少)，带来整个流体传输的系统阻力降低，对原动力要求也降低，噪声降低的效果。对电机热源冷却这个不可回避的客观事实，绕组端部形成的新结构——多个通透的、孔洞式空间会对绕组电磁转换有效段落产热自动带来换热速率的提升，形成更高的抑制温升的潜在能力。换热效果的自动提升与系统噪声(包括局部噪声)的降低，协同在端部空间借助绕组端部形状的改变获得解决(即：系统特征)。

5、绕组端部在流体传输的湍流产生的气动力作用下，自然会诱发振动，形成噪声源。上风向来流绕流绕组端部，经过绕组端部形成的新结构——多个通透的、孔洞式空间自动分流，流过更多流量，绕流部分空间的流速U、流量均降低和减少，抑制或阻止了边界层分离绕组端部表面，可以降低涡激共振振幅A。

综上所述，本发明实施例的技术方案，使得绕组端部气流穿越获得减阻力与降噪同时受益。用于通流换热、降噪的电机绕组端部空间、电机绕组端部结构及其形成的气流穿越空间，为穿越绕组端部的气流构建无障碍空间的同时，穿越气流产生的噪音得到大幅度削减。更为重要的是：电机热源冷却过程中，气流传输过程中一个较大的阻力环节的阻力被新的构造“短路”了，于是，在流体输运源头不变的情况下，获得流速的提高，获得对电机内部热源的更高速率的冷却效果，抑制了热源的温升，保护了绝缘结构、抑制了绕组端部与导磁部件之间的电气绝缘结构的破坏，保证使用寿命。如果绕组产生的大量聚集热量不被及时传导带走，会导致高分子绝缘材料老化、强度降低，最终会导致绝缘材料失效，而在导磁部件中产生超标的泄露电流等风险。而本发明实施例的技术方案，多个绕组端部形成了冷却气流易于或接近零阻力地沿电机径向翻越绕组端部的气流穿越空间，增大了冷却气流在该无障碍气流径向穿越空间内的流量，并且加速了冷却换热速率，改善了绕组冷却效果，在有效冷却了绕组的同时也间接地冷却和保护了绕组周围的绝缘结构，使其成为有效的连续导热介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (25)

1.一种电机绕组，其特征在于，所述电机绕组包括电机的转子绕组或电机的定子绕组，在所述转子绕组或所述定子绕组的多个绕组端部形成径向通风结构。

2.根据权利要求1所述的电机绕组，其特征在于，所述绕组包括嵌入到转子或定子的绕组槽中的绕组中部和在轴向方向上伸出所述转子或定子端面的绕组端部，所述绕组端部的顶点在转子或定子轴向上存在高度差，以形成所述径向通风结构。

3.根据权利要求1所述的电机绕组，其特征在于，所述绕组包括嵌入到转子或定子的绕组槽中的绕组中部和在轴向方向上伸出所述转子或定子端面的绕组端部，所述多个绕组端部存在形状差异，以形成所述径向通风结构。

4.根据权利要求1所述的电机绕组，其特征在于，所述绕组包括嵌入到转子或定子的绕组槽中的绕组中部和在轴向方向上伸出所述转子或定子端面的绕组端部，所述绕组端部的顶点在转子或定子轴向上存在高度差并且所述多个绕组端部存在形状差异，以形成所述径向通风结构。

5.根据权利要求2所述的电机绕组，其特征在于，同一线圈组的绕组端部的顶点在转子或定子轴向上高度一致，不同线圈组的绕组端部的顶点在转子或定子轴向上的高度交替形成高度差。

6.根据权利要求5所述的电机绕组，其特征在于，在转子或定子轴向上，在所述转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点高于或者低于相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点，在所述转子或定子的另一侧，所述相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点低于或者高于所述相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点。

7.根据权利要求6所述的电机绕组，其特征在于，在转子或定子轴向上，在所述转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点与相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点形成第一高度差，在所述转子或定子的另一侧，所述相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部的顶点与所述相邻的另一线圈组的绕组端部的顶点形成与所述第一高度差相反的第二高度差。

8.根据权利要求7所述的电机绕组，其特征在于，所述第一高度差和所述第二高度差的绝对值相等。

9.根据权利要求3所述的电机绕组，其特征在于，同一线圈组的绕组端部形状一致，不同线圈组的绕组端部形状交替变化。

10.根据权利要求9所述的电机绕组，其特征在于，在转子或定子轴向上，在所述转子或定子的一侧，相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部为第一形状，所述相邻两线圈组中的另一组线圈组的绕组端部为与第一形状不同的第二形状，在所述转子或定子的另一侧，所述相邻两线圈组中的另一组线圈组的绕组端部为第一形状，所述相邻两线圈组中一组线圈组的绕组端部为第二形状。

11.根据权利要求10所述的电机绕组，其特征在于，所述第一形状或者第二形状为：三角形或圆弧形或不规则三角形，所述不规则三角形的侧边为向内凹陷的圆弧形。

12.根据权利要求1至11任一所述的电机绕组，其特征在于，所述多个绕组的长度相同。

13.根据权利要求12所述的电机绕组，其特征在于，所述多个绕组端部在长度上存在差异，以形成所述径向通风结构。

14.一种电机，其特征在于，包括如权利要求1至13任一所述的电机绕组。

15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，所述电机包括风力发电机组中的发电机。

16.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求15所述的发电机。

17.一种电机的绕组冷却结构，包括铁心和多个绕组，所述铁心具有绕组槽，每个绕组包括位于所述绕组槽内的部分和在所述绕组槽外的绕组端部，其特征在于，

多个所述绕组端部之间形成有供冷却气流沿电机的径向穿越所述绕组端部的气流穿越空间。

18.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，所述气流穿越空间沿所述电机的周向，在所述电机的铁心的轴向两端周期性形成。

19.根据权利要求18所述的绕组冷却结构，其特征在于，在所述电机的铁心的轴向第一端形成的多个气流穿越空间与在所述电机的铁心的轴向第二端形成的多个气流穿越空间，二者在电机的周向上彼此错开，并且二者在电机的周向上均匀布置。

20.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，在所述气流穿越空间中的冷却气流的流量和流速高于在所述绕组端部中的未构成所述气流穿越空间的区域中的冷却气流的流量和流速。

21.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，所述气流穿越空间沿电机的周向的最大尺寸大于同一线圈组中两个相邻绕组端部之间的周向间距。

22.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，所述气流穿越空间，用于降低冷却气流遇到的流体传输阻力。

23.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，所述气流穿越空间，用于在所述绕组端部构造冷却气流短路空间。

24.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，在所述气流穿越空间的内部，阻碍所述冷却气流沿电机径向传输的障碍物被移除。

25.根据权利要求17所述的绕组冷却结构，其特征在于，所述气流穿越空间的范围，由至少三个相邻的绕组端部所界定。