CN109417326B - 具有冷却通道间隔空间的水冷发电机带 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷发电机带，该水冷发电机带具有至少两个导体堆叠，导体堆叠被平行布置并且每个都具有多个导体，这些导体被布置为一个在另一个的上方并且借助于导体绝缘物而被彼此电绝缘，其中导体借助于固化树脂相对于彼此在几何学上被紧固，并且其中在导体堆叠之间设置间隔空间，其中布置用于输送冷却水的至少一个冷却通道。

Description

具有冷却通道间隔空间的水冷发电机带

技术领域

本发明涉及一种具有被平行布置的至少两个导体堆叠的水冷发电机带、一种具有多个这样的发电机带的电机、以及一种用于制造水冷发电机带的方法。

背景技术

电机（例如涡轮发电机）具有电导体绕组。导体绝缘物在电导体的周围封装电导体，以便使该电导体相对于周围环境、相对于电机的层叠铁芯和/或相对于绕组的相邻匝电绝缘。

对于已知的电机100，例如如图1所示，定子2中的层叠铁芯为定子铁芯4的形式，该定子铁芯4具有多个平行的凹部6（也被称为凹槽），这些平行的凹部6在圆周上均匀地分布，在每个凹部中，多个串联连接的发电机带110（在定子中被同义地称为定子带）容纳定子的电导体。这里，发电机带内的导体的一般布置会设置两个平行布置的导体堆叠12和14，每个导体堆叠具有多个导体条8，这些导体条被布置为一个在另一个的上方并且借助于导体绝缘物16而被逐个地绝缘。这些导体条通常具有例如边长比为五比一（长边比短边）的圆角矩形横截面18，并且这些导体条的长度是横截面尺寸的很多倍。在一般的构造中，各种导体堆叠的各个导体条8在串联连接的发电机带之间换位，即，导体条8在发电机带之间偏移，从而在两个发电机带之间的过渡处变换导体堆叠。

就像导体堆叠12和14一样，导体条8借助于固化树脂22相对于彼此被紧固，固化树脂22在组装期间已经借助于分隔板124而被引入导体堆叠之间。整个发电机带借助于主绝缘物26至少在该发电机带的圆周上相对于定子铁芯4电绝缘。

这样的发电机带110在定子铁芯中的布置意味着必须借助于冷却回路来耗散通过电感应而引入的热量。传统上，这通过利用用于引导冷却水的冷却通道120来替换在每个导体堆叠12和14中的、被布置为一个在另一个上方的导体8中的每第五个导体或者每第七个导体（为了便于说明，在图1中为每第四个导体）来完成。正如导体8一样，一般构造中的冷却通道也被换位和偏移。

在典型的已知发电机带110中，其中例如30个导体条分别在两个平行的导体堆叠12和14中被布置为一个在另一个的上方，因此情况是这样的，大约八个到十二个冷却水通道要被引导通过发电机带，并且要在发电机带的端侧分别被连接到电机100的水回路。

发明内容

本发明的目的是提供一种水冷发电机带，该发电机带在结构、制造和组装方面，特别是关于冷却水回路的集成而言是简单的。

该目的通过本文所述的发电机带来实现。

一种根据本发明的水冷发电机带具有至少两个导体堆叠，这些导体堆叠被平行布置并且每个导体堆叠具有多个导体，这些导体被布置为一个在另一个的上方并且借助于导体绝缘物而被彼此电绝缘。优选地，发电机带具有下列构造类型，在该构造类型中每个导体堆叠的各个绝缘导体借助于固化树脂相对于彼此在几何学上（即，在这些导体相对于彼此的位置中）被紧固，和/或这些导体堆叠本身借助于固化树脂相对于彼此在几何学上（即，在导体堆叠相对于彼此的位置中）被紧固，该固化树脂优选地至少部分地包围导体。根据本发明，一个间隔空间被设置在这些导体堆叠之间，在该间隔空间中布置有用于输送冷却水的至少一个冷却通道。

为了改善热量从导体堆叠的导体条到冷却通道的传递，冷却通道优选地具有高导热率的防水外部壳体，外部壳体的外侧与导体堆叠的导体（特别是导体的导体绝缘物）至少部分地接触。这样的接触应当理解为特别意指冷却通道的外部壳体与导体的绝缘物之间的直接面接触。优选地，导体绝缘物包括具有良好导热率的材料。

在这样的情况下，热量经由冷却通道而被从发电机带耗散，该冷却通道以这样的方式而在中心或者在中间被引导，其中两个导体堆叠被彼此间隔开足够的程度，使得具有冷却性能所需的足够的流量的冷却通道在被布置在两个导体堆叠之间的间隔空间中找到空间。

由于冷却通道的中心引导，当例如通过交错导体引导（versetzter Leiterführung）将发电机带连接到另一发电机带时，无需借助于复杂的偏移连接（可能也是交错的）来连接冷却通道。这样的偏移连接对于例如上文关于现有技术所描述的用于代替导体的冷却通道可能是必要的，并且需要价格昂贵的材料，例如，合适的V2A合金钢。根据本发明的中心冷却通道则不必以这样的方式被偏移。因此，其他更有益的材料可以被用于冷却通道的外部壳体，和/或在合适的情况下这些材料也可以被用于接口。

此外，根据本发明的发电机带在垂直堆叠方向上需要的设计高度较低，因为冷却通道不再需要导体堆叠中的例如每第五个位置至每第七个位置，这些位置转而可以由导体条占据。其结果是，可以减小所需的定子凹槽深度和/或所需的定子铁芯直径。

本发明当然也适用于具有被平行布置的三个或者更多个导体堆叠的发电机带，在这样的情况下，分别在各个相邻的导体堆叠之间设置单独的间隔空间，在该间隔空间中，布置有冷却通道（出于本发明的目的，也被称为“中心冷却通道”或者“中间冷却通道”）。

冷却通道的外部壳体的材料包括聚合物材料和/或非磁性金属材料，聚合物材料特别是纤维增强和/或耐磨的聚合物材料。举例来说，考虑以下材料：玻璃纤维增强聚合物、碳纤维增强聚合物、特氟隆、芳族聚酰胺、Kevlar、Modflon、聚酰亚胺、Nomex、不锈钢（诸如例如，V2A钢）和/或铝。

冷却通道的外部壳体包括电绝缘层。通过合适的几何配置，这允许有针对性地直接影响电机中的磁场，这在某些应用中可能是期望的。为此，如果合适的话，则铁磁材料也可以仅在某些区域中和/或以不同的重量比例而被使用。

在备选实施例中，冷却通道的外部壳体包括铁磁材料和弹性绝缘层。

优选地，冷却通道基本上沿着导体堆叠的整个堆叠高度延伸，以便促进热量均匀和充分的耗散。

高于导体堆叠的某个堆叠高度时，为了实现冷却水的均匀流动，将冷却通道至少分成各区域可能是有利的，以便促进热量的均匀耗散。为此，至少一个分隔带（在从一个外壁到另一个外壁的桥的意义上讲），特别是横向于垂直堆叠方向走向的至少一个分隔带，优选地被设置在冷却通道中，用于引导冷却通道中的冷却水流。

用于促进热量的均匀耗散的另一优选可能性可以是在间隔空间中的、一个在另一个的上方延伸的多个冷却通道的组合（优选地以堆叠的方式）。在这样的情况下，发电机带优选地具有多个冷却通道，这些冷却通道以这样的方式而被布置，使得这些冷却通道中的至少一个冷却通道基本上沿着导体堆叠的整个堆叠高度而被布置。

为了进一步减小相对于磁场的可实现的强度的所需空间，导体堆叠的导体具有带有矩形短边和矩形长边的矩形横截面，并且这些导体在其短边上与冷却通道的外部壳体接触。该矩形横截面通常形成有圆角边缘或者倒角边缘，因为这既便于各个导体的绝缘，也有利于制造。

在本发明的一个优选扩展方式中可以进一步改善从各个导体去除热量，该扩展方式是基于这样的圆角或者倒角形式的导体横截面。根据该扩展方式，中间空间被布置在冷却通道的外侧与导体堆叠中的一个导体堆叠的每两个相邻的导体之间，所述中间空间特别地由冷却通道的平面外侧和导体条来界定，这些导体条在其长边上彼此贴靠并且朝向短边被形成圆角或者倒角。根据该扩展方式，该中间空间至少部分地、特别优选地完全地填充有高导热率的填料。

即使当冷却通道被布置在矩形横截面的短边上并且同时具有圆角横截面时，这也改善了热量的耗散。在这样的情况下，只有短边的纵向范围的例如大约60％与冷却通道的外侧直接接触，这通过经由填料的“间接”热量传递来补偿，该填料被布置在中间空间中。

为了确保所使用的填料的高导热率，该填料包括热固性树脂，例如，环氧树脂，如果合适的话，该树脂可以与用于在几何学上紧固导体的树脂相对应。在本案所考虑的填料中，包括氧化铝材料、氮化硼材料和/或导热率大于30 W/mK的另一固体材料的平面颗粒和/或球形颗粒被混合到所述树脂中，并且优选地，基本上均匀地分布在所述树脂中。

优选地，发电机带具有两个端侧。为了使发电机带至电机的冷却水回路的连接尽可能简单，冷却通道可以借助于单个冷却水接口在所述端侧处分别连接到冷却水回路。

根据本发明的电机具有转子组件和定子组件，并且具有多个导体组，每个导体组具有串联连接的多个本发明的意义上的发电机带。通过使用这样的发电机带，可以实现例如电机的水回路的简单设计。

为此，电机优选地具有冷却水回路，该冷却水回路向导体组的所有发电机带供应冷却水。导体组可以被理解为特别意指被布置在定子铁芯的凹部中的所有发电机带的布置。

根据本发明的用于制造水冷发电机带的方法特别涉及用于本发明目的的发电机带，但是也涉及其他发电机带。该方法包括以下步骤：使用高导热率的填料在外侧上涂覆冷却通道；提供两个导体堆叠；将导体堆叠和经涂覆的冷却通道相对于彼此定位，使得导体堆叠的各个导体的导体绝缘物与填料之间存在接触；以及固化导体堆叠和冷却通道的组件，该组件以通过加热和/或施加压力这样的方式而被定位。

用填料预先涂覆冷却通道不需要使用所谓的“分隔板”，其中，在常规发电机的情况下，树脂被引入被平行布置的两个导体堆叠之间，因为冷却通道可以说被用作所述“分隔板”。可以以这样的方式组合传统制造步骤的“安装冷却通道”和“安装导体堆叠的分隔物（在分隔板处填充树脂）”，并且这显著简化了制造。

附图说明

结合以下示例性实施例的描述，本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚并且更易于理解，这些示例性实施例将结合附图进行更详细地解释，其中：

图1以剖视图示出了具有多个冷却通道的已知发电机带；

图2以剖视图示出了根据本发明的一个实施例的具有中心冷却通道的发电机带；以及

图3以平面图示出了如图2所示的具有冷却水连接的发电机带。

具体实施方式

图1图示了在本说明书的前言部分中提到的、处于其安装环境中（已知电机100的一部分）的已知发电机带110。这样的发电机带110制造复杂，并且由于导体堆叠12和14内的冷却通道120的布置，在垂直堆叠方向Z上具有高空间需求。

图2图示了根据本发明的一个实施例的电机1的一部分，这里是涡轮发电机的一部分，该部分具有带有单个中心冷却通道20的水冷发电机带10。

所图示的发电机带10具有至少两个平行布置的导体堆叠12和14，并且导体堆叠的导体（这里是导体条8）借助于导体绝缘物16而被彼此电隔离，该导体绝缘物16被布置在导体条8的圆周18上（分别在每个导体条上）。导体条8借助于固化树脂22以及借助于高导热率的固化的填料28相对于彼此在几何学上被紧固。间隔空间24被设置在导体堆叠12和14之间，在该间隔空间中布置有单独的冷却通道20，该冷却通道20沿着导体堆叠12和14的整个范围、相对于垂直堆叠方向Z延伸。

冷却通道20的外部壳体21的外侧与导体条8中的每个导体条的面向该外侧的短边30接触，直到由于导电条8的其他矩形横截面的圆角成形（圆角部分34）而不能直接接触为止。

在冷却通道20和每两个相邻的导体8之间，由于圆角部分34而形成每个中间空间36，在该示例性实施例中，高导热率的填料28被布置在该中间空间中，该填料具有固化树脂和分布在其中的导热颗粒。

尽管在导体条8的、与长边32相比较被形成为较短的短边30处具有圆角部分34，但是通过使用这样的填料28，确保了从导体条到冷却通道20并且因此到冷却水的充分的热量传递。

为了确保冷却水的均匀流动，特别是在整个堆叠高度上均匀吸收热量，在冷却通道中还设置两个分隔带38（也被称为桥），并且在示例性实施例中基本上沿着发电机带10的整个纵向范围X延伸（从图3中可以明显看出）。

在制造根据该示例性实施例的发电机带10期间，可以通过使用填料28来涂覆以供组装的冷却通道20来组合传统制造步骤的“安装冷却通道”和“安装导体堆叠的分隔物（分隔板处的树脂）”，使得填料28可以在与导体堆叠12、14组装之后并且在固化之前穿透到中间空间36中。

图3以平面图图示了如图2所示的示例性实施例，清楚的是，冷却通道20沿着发电机带10的整个纵向范围X延伸。此外，在发电机带10的第一端侧44上图示了到示意性地图示的冷却水回路40的单个冷却水接口42，与在不是以中心方式布置的冷却通道的情况下（例如，如图1所示）所需的多个接口相比较，所述冷却水接口可以更显著简单的方式而被配置。

图3（特别是在第二端侧46处）未图示去往在合适的情况下被布置在正X方向上的其他发电机带的、任何导体接口或者任何冷却通道接口。然而，与根据现有技术的冷却通道接口相比较，至少这样的冷却通道接口可以同样以更显著简单的方式而被配置，举例来说，可以以类似于图3中所图示的冷却水接口42的方式而被配置。

Claims (13)

1.一种水冷发电机带（10），具有至少两个导体堆叠（12、14），所述至少两个导体堆叠（12、14）被平行布置，并且所述至少两个导体堆叠中的每个导体堆叠都具有多个导体（8），所述多个导体（8）被布置为一个在另一个的上方并且借助于导体绝缘物（16）而与彼此电绝缘，其中

所述导体借助于固化树脂相对于彼此在几何学上被紧固，并且其中一个间隔空间（24）被设置在所述导体堆叠之间，在所述间隔空间中布置有用于输送冷却水的至少一个冷却通道（20），其中所述冷却通道具有一个高导热率的外部壳体（21），所述外部壳体（21）的外侧与所述导体堆叠的导体的所述导体绝缘物至少部分地接触，并且所述冷却通道的所述外部壳体至少在某些区域中包括铁磁材料和电绝缘层，从而在包括所述发电机带的电机的操作期间通过所述铁磁材料实现磁场的针对性和直接的影响；

其中至少一个分隔带（38）被设置在所述冷却通道中，用于引导所述冷却通道中的冷却水流，所述至少一个分隔带横向于垂直堆叠方向走向。

2.根据权利要求1所述的发电机带，

其中所述冷却通道的所述外部壳体的材料包括聚合物材料和/或非磁性金属材料。

3.根据权利要求2所述的发电机带，

其中所述聚合物材料是纤维增强和/或耐磨的聚合物材料。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的发电机带，

其中所述冷却通道实质上沿着所述导体堆叠的整个堆叠高度（Z）延伸。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的发电机带，

具有多个冷却通道，所述多个冷却通道以这样的方式而被布置，使得所述冷却通道中的至少一个冷却通道实质上沿着所述导体堆叠的整个堆叠高度而被布置。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的发电机带，

其中所述导体堆叠的所述导体具有带有短边（30）和长边（32）的圆角矩形横截面或者倒角矩形横截面，并且所述导体堆叠的所述导体在其短边上与冷却通道的所述外部壳体接触。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的发电机带，

其中至少部分地填充有高导热率填料（28）的一个中间空间（36）被布置在所述冷却通道的所述外侧与所述导体堆叠中的一个导体堆叠的每两个相邻的导体之间。

8.根据权利要求7所述的发电机带，

其中所述高导热率的填料包括热固性树脂，在所述热固性树脂中布置有平面颗粒和/或球形颗粒，所述平面颗粒和/或球形颗粒包括氧化铝材料、氮化硼材料和/或导热率大于30 W/mK的另一固体材料。

9.根据权利要求8所述的发电机带，

其中在所述热固性树脂中以实质上均匀的方式分布有平面颗粒和/或球形颗粒。

10.根据权利要求1-3、8和9中的任一项所述的发电机带，

具有两个端侧（44、46），在所述两个端侧处，所述冷却通道能够分别借助于单个冷却水接口（42）而连接到冷却水回路（40）和/或连接到这个发电机带或者其他发电机带的另一冷却通道。

11.一种具有转子组件和定子组件的电机（1），

所述电机具有多个导体组，每个导体组具有串联连接的多个根据权利要求1-10中的任一项所述的发电机带（10）。

12.根据权利要求11所述的电机，

具有冷却水回路（40），所述冷却水回路（40）向一个导体组的所有或者至少一些发电机带（10）供应冷却水。

13.一种用于制造根据权利要求1-10中的一项所述的发电机带的方法，所述方法包括以下步骤：

- 利用高导热率的填料（28）在外侧上涂覆冷却通道（20），其中所述冷却通道具有高导热率的外部壳体（21），所述外部壳体（21）至少在某些区域中包括铁磁材料和电绝缘层，从而在包括所述发电机带的电机的操作期间通过所述铁磁材料实现磁场的针对性和直接的影响；

- 提供两个导体堆叠（12、14）；

- 将所述导体堆叠和所述经涂覆的冷却通道相对于彼此定位，使得所述导体堆叠的各个所述导体的所述导体绝缘物（16）与所述填料之间存在接触；

- 通过加热和/或施加压力来固化以这一方式定位的导体堆叠和冷却通道的组件。

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