CN108702076B - 用于直接驱动发电机的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种发电机(10)，包括：一系列间隔开的环形定子(15)，所述环形定子(15)被夹在一系列转子(11)之间，所述转子(11)各自被环形轴环(16)分隔，所述环形轴环(16)限定一个中心腔；至少一个冷却气体源，用于向所述中心腔供应气体；穿过所述环形轴环(16)的通风孔(23，24，25，26，27，28，31，32，33，34，35)，用于提供使冷却气体(20)从所述中心腔径向向外遍及所述转子(11)和所述环形定子(15)之上逸出的装置。

Description

用于直接驱动发电机的冷却装置
下面的发明涉及用于低速直接驱动发电机的冷却装置，特别是用于本申请人的公开号为GB2520516和申请号为GB201508568.1的共同未决专利申请中所公开的形式的直接驱动发电机的冷却装置。
直接驱动发电机通常用于在风力涡轮机中将风能转换为电力。就成本和效率而言，当前的趋势是使用越来越大的机器，例如具有高达八兆瓦(8兆瓦)的发电能力。这些发电机的预期转换效率水平在95％左右。因此，由风力涡轮机的叶轮提供给发电机的能量的19/20将被转换成电力并且被传输到本地电网，从而使1/20在发电机本身内作为热量耗散。
容易理解的是，在8MW发电机的情况下，即使是95％的转换效率，也会使8MW的1/20(即400,000瓦)被传送远离发电机的定子的绕组。这对发电机制造商以及容纳发电机的机舱的设计者提出了相当大的挑战。至关重要的是，将此热量均匀地传送离开，以避免出现热点的可能性，从而避免随之发生的这样的发电机的转子和/或定子的任何一个部分或多个部分的破坏。
在前面提及的本申请人的共同未决申请号GB201508568.1的发电机中，发电机的旋转部分包括一系列成一直线的环形磁体支承转子，所述转子在它们的内部区域中通过中间环形轴环(collar)彼此间隔开，且所述转子将一系列固定的环形线圈定子板夹在它们之间，在所述环形线圈定子板内嵌入定子线圈，每个定子线圈占据两个面对的转子之间的外部区域空间。在转子的面和夹在它们之间的定子的面之间存在空气间隙，该空气间隙的一个功能是确保两者之间的足够的机械空隙。转子和轴环机械地刚性地彼此链接，且来自风力涡轮机的叶轮的扭矩通过机械装置传达到此组件。
本发明提供了一种发电机，包括：一系列间隔开的环形定子，所述环形定子被夹在一系列转子之间，所述转子各自被环形轴环分隔，所述环形轴环限定一个中心腔；至少一个冷却气体源，用于向所述中心腔供应气体；穿过所述环形轴环的通风孔，用于提供使冷却气体从所述中心腔径向向外遍及所述转子和所述环形定子之上逸出的装置。
根据一个实施方案，通过一个或多个源在压力下将用于这种形式的发电机的冷却气体(例如空气)供应到中心腔内，所述中心腔在一系列环形转子内且被所述一系列环形转子限定，且通风孔被设置成穿过定位在转子之间的轴环，从而提供使冷却气体逸出的装置，所述冷却气体被迫使从所述轴环径向向外遍及所述转子和夹在所述转子之间的定子之上，其特征在于，所述通风孔的数目和/或孔径大小被选择为使得确保冷却气体大体上均匀分散遍及任何给定的一对转子以及遍及夹在该对转子之间的定子，不管该对转子以及相应的夹在该对转子之间的定子与所述一个或多个冷却气体源的空间间隔。
因此，通过此布置，使传递通过轴环中的通风孔的冷却气体向外通风经过所述转子的表面和所述定子的表面且遍及所述转子的表面和所述定子的表面之上，且如此做的气体的体积沿着所述一系列转子和定子的长度在任何地方都保持大体上恒定，其中所述轴环将所述转子分隔开。由于所述一系列转子相对于固定的定子的旋转，从所述轴环中的通风孔发出的气体射流实际上在径向和周向方向上成螺旋形地扫掠遍及所述定子的线圈之上，因此优化定子线圈的冷却和热量的耗散。
在优选的形式中，所述通风孔相对于所述轴环的实际半径成角度，从而帮助气体遍及定子线圈的螺旋经过，使得从所述通风孔发出的气体射流的相等且相反的作用至少帮助所述转子的旋转方向。
对于包括大量一系列转子(例如六个或更多个)的发电机，在优选布置中，迫使冷却气体从由所述转子限定的中心腔的各个端进入该中心腔内。通过此方式，不仅冷却气体的体积可以加倍，而且由此布置产生的转子腔内的增加的压力相应地升高，以帮助气体通过上述通风孔逸出。遍及更多个中心转子和定子之上的均匀分布由于冷却气体具有到达它们的较小距离而被进一步促进。
用于上述共同未决申请的发电机的构造方法是将一个或多个径向支撑构件固定到该发电机的转子，以向内朝向承载一个或多个中心轴承的壳体延伸，所述一个或多个中心轴承安装在一个中心轴上。这使得转子组件能够围绕所述中心轴旋转。
根据本发明的一个方面，用来将气体推进到所述中心腔内的源包括一个或多个风扇，所述风扇共用此中心轴，并且通过辅助电动马达使所述风扇旋转。
在替代布置中，所述径向支撑构件可以被永久地固定到所述轴，使得所述转子和轴一起旋转。所述轴由外部轴承支承。再次，冷却风扇可以共用此轴，以将气体推进到所述中心腔内。
对于非常大的发电机(其中气体冷却的有效性是完全必要的)，根据本发明的一个方面(除了气体入口端口以外)，整个发电机被大体上气密地密封在容器内，且通过一个或多个另外的冷却风扇从该容器抽出气体。
现在将参考附图描述本发明，在附图中：
图1以横截面示出了体现本发明的气体冷却装置的直接驱动发电机；
图2a和图2b分别以平面和以横截面更详细地示出了图1中所描绘的空气排出布置；
图3以横截面示出了冷却气体遍及发电机的转子和定子之上经过；
图4a以横截面示出了用于将冷却气体吹入发电机内的布置，且图4b示出了使气体的体积流动速率加倍的方法；
图5以横截面示出了容纳在容器内的直接驱动发电机，所述容器具有用于使冷却气体从该容器中离开的附加装置。
参考图1，能够应用本发明的直接驱动发电机总体上以10指示。该发电机包括一系列环形转子11，所述环形转子11被承载且被安装在中心圆筒12上，用于相对于夹在它们之间的固定定子15旋转。使用机械装置(未示出)将转矩传送到所述圆筒/转子组件，以实现相对于定子15的所述旋转。各个转子11围绕其外面承载一个永磁体阵列，所述永磁体阵列以13和14示出。相反的极横跨转子11之间的间隙彼此面对，如所示出的。所述定子各自围绕其周界承载一个线圈阵列，所述线圈阵列以15a示出。当在面对的磁体13、14之间经过的变化磁通量线扫掠过定子线圈15a时，在定子线圈15a中生成电力。
对于某些应用，例如使用这样的发电机将风能转换为电力，可能发生非常大的热损失。通过例示的方式，以95％转换效率运行的八兆瓦发电机将在定子线圈15a绕组内耗散400,000瓦的热量。此热量必须被系统化地传送离开，特别是远离定子线圈15a，以避免出现热点以及随之发生的所述定子线圈15a的破坏。
实现此的方法现在参考图1再次被例示。
通过中间环形轴环(所述中间环形轴环以16示出)将转子11各自在其任一侧上相对于转子11保持就位。这些中间环形轴环抵靠转子11的径向内部区域安置。从一端到另一端纵向穿过转子11和轴环16的牵引螺栓(未示出)将整个组件保持在一起。以与转子11类似的方式，轴环16被同轴地安装在中心圆筒12上并且通过中心圆筒12承载。冷却气体(例如空气)被吹入(例如被推动或被抽吸)到中心圆筒12内，所述冷却气体以20的箭头示出。中心圆筒12的远端被阻挡(未示出)，以防止气体逸出。转子11和定子15的冷却按照如下方式实现。
径向地穿过轴环16且周向地围绕轴环16设置的气体通风孔在制造时与沿着中心圆筒12定位的孔口对准。这提供了使中心圆筒12内的气体(例如在压力下)从中心圆筒12逸出并且进入间隙以经过转子11和定子15的面的直接路径，如通过图1中的小箭头示出的。轴环11的径向最外表面中的通风孔的出口与定子线圈15a的一个或两个轴向端和/或永磁体13、14的一个或两个面向外的轴向端轴向对准。由于转子11的旋转，此逸出气体被有利地分布遍及定子15表面之上。该气体最终从定子15表面和转子11表面之间的间隙逸出，如以18和19示出的。
此布置对于包括相对短的一系列成对的转子11和定子15的发电机而言是令人满意的，例如三个或以下。对于较长的一个系列，圆筒12内的气体压力自然地可以倾向于变得缩减，这是由于湍流和气体先前通过在前的通风孔。
对于与大气压相比中心圆筒内的气体处于高压的情况，参考图2a例示了根据本发明的一种克服此问题的方法。在图1中以16示出且将转子11分隔的环形轴环再次在平面视图中以21、22和22a示出。径向地穿过这些轴环且周向地围绕这些轴环设置的多行通风孔以23至28示意性地示出。在左手轴环(即，最靠近冷却空气20源的那部分)的左手侧中的通风孔具有较小的直径，且通风孔的直径和/或数目随着它们距冷却气体源越远而逐渐增加(如再次示意性地示出的)，以补偿前述气体压力逐渐缩减。通过此方式，遍及转子11表面和夹在转子11之间的定子15之上、沿着整个系列的转子11和定子15实现冷却气体的大体上均匀的分布。换句话说，随着一行通风孔23-28定位得离冷却气体20源越远，该相应的一行通风孔23-28中的通风孔的横截面面积的总和越大。
对于由于在中心圆筒12内创建的负压(例如通过下文所描述的风扇54、55)造成气体传递通过中心圆筒12的情况，气体流动遍及转子11表面之上的均匀分布可以通过通风孔23-28的数目和/或孔径大小的不同分布来实现。例如，该数目和/或孔径大小将随着距风扇54、55的距离增加而增加。
现在参考图2b讨论通风孔的具体几何结构和设计。容纳通风孔的轴环中的一个的侧视图以30示出，且通风孔本身以31至35示出。可以看出，通风孔31-35与轴环30的实际半径不一致，而是代替地与轴环30的半径成一定角度安置。主要目的是使排出的气体在周向方向上且逆着旋转方向(如由图2b中顶部箭头示出的)从轴环30逸出，因此通过经过定子线圈15a的面并且遍及定子线圈15a的面之上的螺旋运动使冷却气体的运动偏置。次要目的(虽然较小)用于帮助轴环30的旋转运动，因此帮助在该轴环的任一侧上的转子11的旋转运动。由于气体逸出的角度，从而以由Hero发明的旋转蒸汽球的方式，所产生较小的推力矢量36添加到由外部和主要转矩提供者对转子系列的受迫旋转运动。
图2的螺旋冷却效果的更清楚的指示被示出在图3处。从通风孔发出的气体射流以37至41示出，且可以看到扫掠过安装在转子板44a上的永磁体42和嵌入在定子板(以44b示意性地示出)中的线圈43。
现在参考图4a示出了用于向发电机10提供冷却气体流的装置。支承转子(所述转子中的一个以45示出，以供参考)的圆筒12设置有(推动)风扇46，该(推动)风扇通过辅助电动马达47来皮带驱动。通过此方式，冷却气体被直接引入(推动)到由圆筒12形成的腔内。
优选地，且特别是对于长系列转子和定子发电机，通过使用两个(推动)风扇引入冷却气体，所述(推动)风扇被定位在圆筒12的各个端处，如在图4b中以50和51示出的。通过此方式，双倍的气体体积被馈送到圆筒12内用于冷却目的。从两端馈送相等的气体进一步促进气体通过冷却通风孔的均匀分布。
作为增强冷却气体通过发电机10的又一方式，该发电机10可以被封装在一个容器(该容器图5中以52示意性地示出)内。因此，该发电机被大体上气密地安装在壳体内。气体被抽吸，然后通过(推动)风扇53(且可选地，也是在相对端处各具有一个，如参考图4b所描述的)被推进到圆筒12内，和/或然后已经传递遍及转子11和定子15之上，通过抽吸风扇54和55穿过该容器内的一个或多个另外的孔口被抽吸离开容器52。不管是与通风孔23-28和31-35的数目和/或孔径大小沿着设备的轴向长度变化进行组合，还是不与通风孔23-28和31-35的数目和/或孔径大小沿着设备的轴向长度变化进行组合，风扇54、55可以被定位成与实现遍及定子15中的每个之上的大体上相等的冷却。单个抽吸风扇54或多个抽吸风扇54、55可以与推动风扇50、51组合地设置，或可以在不存在推动风扇50、51时设置。风扇54、55的作用提供了总体增强的气体流动，如果既使用用于推动气体的风扇54、55又使用用于拉动气体的风扇54、55，则可以实现甚至进一步增强的气体流动。
在一个实施方案中，所述冷却气体是空气。空气可以是来自发电机周围的环境的空气。
许多变化对于本领域技术人员而言将是明显的。

Claims (7)

1.一种发电机，包括：
一系列间隔开的环形定子，所述环形定子被夹在一系列转子之间，所述转子各自被环形轴环分隔，所述环形轴环限定一个中心腔；
至少一个冷却气体源，用于向所述中心腔供应气体；
穿过所述环形轴环的通风孔，用于提供使冷却气体从所述中心腔径向向外遍及所述转子和所述环形定子之上逸出的装置；以及
一个中心轴，在所述中心轴上承载所述转子和环形轴环，其中：
所述冷却气体源包括一个或多个通过辅助电动马达旋转的风扇；以及
所述一个或多个风扇被安装在所述中心轴上。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述通风孔的数目和/或孔径大小被选择为使得确保冷却气体大体上均匀分散遍及任何给定的一对转子和夹在该对转子之间的定子之上，不管该对转子和相应的夹在该对转子之间的定子与所述至少一个冷却气体源的空间分隔。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其中所述通风孔相对于所述轴环的实际半径成角度，以在使用中帮助所述冷却气体在与所述轴环的旋转方向相反的螺旋方向上分散。
4.根据权利要求1或2所述的发电机，其中相应的环形轴环的径向外表面中的每个通风孔的出口与相应的环形定子的一个或两个轴向端轴向对准和/或与相应的转子的轴向端轴向对准。
5.根据权利要求1或2所述的发电机，其中所述发电机被大体上气密地安装在一个壳体内，在所述壳体中存在专门允许吸入冷却气体的一个或多个孔口，且在所述壳体中存在用于允许冷却气体逸出的一个或多个另外的孔口。
6.根据权利要求5所述的发电机，其中所述至少一个冷却气体源包括用于促进所述冷却气体穿过所述一个或多个另外的孔口受迫抽出的装置。
7.根据权利要求6所述的发电机，其中所述用于促进所述冷却气体受迫抽出的装置包括用于将气体抽吸出所述壳体的一个或多个风扇。
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