CN110429764A - 一种滑环冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑环冷却系统，包括：壳体；进风口，其被配置为允许空气进入所述滑环冷却系统；进气风扇，其在空气流动路径上布置在进风口之后并且固定在滑环上，其中所述进气风扇被配置为通过进风口引入空气；导风罩，其在空气流动路径上布置在进气风扇之后，其中所述导风罩被构造为使得空气在导风罩中被偏转到聚风口；一个或多个聚风口，其在空气流动路径上布置在导风罩之后，其中所述聚风口被定向为使得由所述聚风口输出的空气能够流动到滑环；以及出风口，其在空气流动路径上布置在滑环之后并且被配置为允许空气离开所述滑环冷却系统。通过本发明，可以将滑环与其冷却系统较好地集成，从而降低设备体积并减小了设备的部件成本。

Description

一种滑环冷却系统

技术领域

本发明总的来说涉及风力发电机领域，具体而言，涉及一种滑环冷却系统。此外，本发明还涉及一种用于风力发电机的滑环系统、一种用于运行滑环冷却系统的方法、以及一种风力发电机。

背景技术

近年来，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。

风力发电机组里的发电机是将风能转换成电能的重要部件。目前，风力双馈发电机主要采用滑环系统实现转子向电网输送或吸收电能。由于滑环系统的碳刷与滑环之间存在相对滑动接触，而且发电机组的转动速度较快，因此在滑环上可能产生较大的摩擦热。此外，由于传输电能，在滑环还可能产生一定电阻热。滑环的散热的问题将直接影响滑环的性能和寿命以及风力发电机的运行安全。

目前，滑环的冷却系统设计与滑环的设计一般相互分离，这导致较大的空间和部件冗余，增大了设备体积和设备成本。

发明内容

本发明的任务是提供一种滑环冷却系统、一种用于风力发电机的滑环系统、一种用于运行滑环冷却系统的方法、以及一种风力发电机，通过本发明的装置和/或方法，可以将滑环与其冷却系统较好地集成，从而在保证散热效果的前提下，降低了设备体积并减小了设备的部件成本。

在本发明的第一方面，该任务通过一种滑环冷却系统来解决，该系统包括：

壳体，其被配置为容纳滑环以及所述冷却系统的组件；

进风口，其被配置为允许空气进入所述滑环冷却系统；

进气风扇，其在空气流动路径上布置在进风口之后并且固定在滑环上，使得所述进气风扇能够随滑环一起转动，其中所述进气风扇被配置为通过进风口引入空气；

导风罩，其在空气流动路径上布置在进气风扇之后，其中所述导风罩被构造为使得空气在导风罩中被偏转到聚风口；

一个或多个聚风口，其在空气流动路径上布置在导风罩之后，其中所述聚风口被定向为使得由所述聚风口输出的空气能够流动到滑环；以及

出风口，其在空气流动路径上布置在滑环之后并且被配置为允许空气离开所述滑环冷却系统。

在本发明的一个优选方案中规定，所述一个或多个聚风口包括3个聚风口，并且所述3个聚风口分别被定向到滑环的3个相之一。通过该优选方案，可以有针对性地冷却滑环的发热量大的3个相，由此提高冷却效果。在其它实施例中，可以设置更多或更少个聚风口，并且聚风口的定向可以不同，只要能够将空气输送到滑环即可。

在本发明的另一优选方案中规定，所述导风罩被构造为使得空气在导风罩中被偏转90°以上；和/或

所述出风口被定向为使得空气在滑环冷却系统中被偏转90°以上。

通过该优选方案，可以进一步折叠空气流动路径，从而实现紧凑化的冷却系统。在其它实施例中，可以根据实际需要设置非90°的偏转角度。在本发明中，“空气在某个装置中被偏转某个角度”是指，所述空气的空气流的(主要)流动方向在该装置中被偏转该角度，例如空气流在该装置的入口和出口处的流动方向之间的角度差为该角度。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述导风罩具有弧形转角。通过设置具有弧形转角的导风罩，可以减小导风罩转角处的空气阻力，由此提高空气的流速。在本发明的教导下，导风罩其它形状的转角也是可设想的、例如斜角形转角或者多边形转角。

在本发明的一个优选方案中规定，所述进气风扇包括离心风扇。通过设置离心风扇，可以增大风压，从而提高空气流通速度。在其它实施例中，也可以设置轴流风扇以增大风量，而且由于离心风扇可以较大地改变空气流的方向，因此可以进一步折叠空气流动路径或风路。

在本发明的另一优选方案中规定，在所述聚风口的入口处布置有一个或多个弧形的导风弧板，其中所述导风弧板被配置为将空气引导到聚风口中。通过采用导风弧板，可以更好地将空气引导到聚风口，从而增加空气流量。

在本发明的一个扩展方案中规定，在进风口处布置有进风口栅格以用于保护进风口。通过该扩展方案，可以保护进风口以及滑环冷却系统免受异物损害。此外，在进风口处或空气流动路径上还可以布置过滤层等附加的防护或过滤装置。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于风力发电机的滑环系统来解决，该滑环系统包括：

滑环，其以可导电的方式且可转动的方式套接在发电机的发电机转轴上以便通过滑动接触输送电能或电信号；以及

根据本发明的滑环冷却系统。

在本发明的一个优选方案中规定，所述滑环以导热的方式套接在发电机的转轴上。例如，滑环和发电机转轴二者的接触面包括导热材料(优选同时导电)、如铜、银等。通过该优选方案，可以通过滑环冷却系统一并排出发电机转轴的废热。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述发电机为双馈发电机。发电机可以良好地适用于风力发电机，但是在其它实施例中，根据应用需求，其它发电机是可设想的。

在本发明的第三方面，该任务通过一种用于运行滑环冷却系统的方法来解决，该方法包括下列步骤：

由发动机转轴带动进气风扇转动以便通过进风口引入空气；

由导风罩将空气偏转到聚风口；

由聚风口将空气输送到滑环以冷却滑环；以及

由出风口将空气排出。

在本发明的优选方案中规定，导风罩偏转空气的偏转角度大于90°。

在本发明的第四方面，前述任务通过一种风力发电机来解决，该风力发电机具有根据本发明的滑环冷却系统。

本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明通过设置侧面位置处的进风口以及底面位置处的出风口、以及用于偏转空气的导风罩和聚风口，最大程度地折叠了空气流动路径(或称风路)，由此降低了滑环冷却系统的体积并同时保证了冷却效果；(2)通过由滑环带动风扇，免除了外接风扇或其它有源风机的使用，由此降低了制造成本以及风扇电机失效的风险；(3)使用多个导风口对滑环的各部分(各相)进行针对性冷却，使通风更均匀，避免相间滑环温差；(4)导风板的弧形造型和相互间距经过气动学优化设计，避免局部涡流损失；(5)在顶部使用聚风口，让周向上的空气聚集至滑环的相应位置、如单相两刷壁之间的环面，由此既增加了气体流速又能使气流直接作用关键散热部位。

附图说明

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的滑环冷却系统的示意图；

图2示出了根据本发明的滑环冷却系统的空气流动路径；

图3示出了根据本发明的滑环冷却系统的外观图；以及

图4示出了根据本发明的用于运行滑环冷却系统的方法流程。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。在此，本发明是以风力发电机为应用场合进行说明的，但是应当指出，本发明也可以应用于其它需要冷却滑环的场合。此外，尽管在本实施例中，各部件被示为通过螺栓连接的方式被连接或固定，但是在其它实施例中，可以采取其它连接或固定方式。

图1示出了根据本发明的滑环冷却系统100的示意图。

如图1所示，根据本发明的滑环冷却系统100具有下列部件(其中一些部件是可选的)：

·壳体107，其被配置为容纳滑环106以及所述冷却系统100的各组件。壳体107例如由塑料或金属制成。壳体107在此为滑环箱体。

·进风口101，其被配置为允许空气进入所述滑环冷却系统100。在进风口101处可选地布置有进风口栅格111以用于保护进风口101。进风口栅格111例如为网状或栅格状的防护网。此外，在进风口101处还可以布置其它防护或过滤装置、如用于过滤灰尘或脏污的初级过滤层。

·进气风扇102，其在空气流动路径上布置在进风口101之后并且固定在滑环106(或称为“滑环总成”或“滑环集合体”)上，使得所述进气风扇能够随滑环106一起转动，其中所述进气风扇102被配置为通过进风口引入空气。在此，空气流动路径是指空气在根据本发明的系统或装置内的路径，具体可参见图2。进气风扇102可以通过多种方式固定在滑环106上，例如通过焊接、铆接、粘接、螺栓连接、卡锁连接、一体化成形等。滑环106例如以可转动和可导电的方式套接在发电机转轴108上。滑环106优选地以传热的方式(例如二者的接触面包括导热材料)套接在发电机转轴108上，以便通过滑环冷却系统100排出发电机转轴108的废热。进气风扇101优选地包括离心风扇，通过设置离心风扇，可以增大风压，从而提高空气流通速度，而且由于离心风扇可以较大地改变空气流的方向(在此为改变90°)，因此可以进一步折叠空气流动路径(或称为“风路”)。在其它实施例中，也可以设置轴流风扇以增大风量。

·导风罩103，其在空气流动路径上布置在进气风扇102之后，其中所述导风罩103被构造为使得空气在导风罩103中被偏转到聚风口。导风罩103例如安装在壳体107(滑环箱体)的背板110上。在此，导风罩103被构造为包括弧形转角和直线形区段，由此可以以较小阻力引导空气的气流。在此，导风罩103被布置为垂直于进气风扇、尤其是离心风扇102的出风方向，使得空气流被偏转90°，由此较好地折叠风路。在本发明的教导下，其它偏转角度或者布置方式也是可设想的。

·一个或多个聚风口105，其在空气流动路径上布置在导风罩103之后，其中所述聚风口105被定向为使得由所述聚风口105输出的空气能够流动到滑环106。在本示例中，聚风口105包括3个聚风口，所述3个聚风口分别被定向到(对准)滑环106的3个相之一且垂直于导风罩103的长度方向。通过该设置，可以有针对性地冷却滑环106的发热量大的3个相，由此提高冷却效果，并且进一步折叠风路。在其它实施例中，可以设置更多或更少个聚风口105，并且聚风口105的定向可以不同于本示例，只要能够将空气输送到滑环即可。此外，在聚风口105的入口处可以布置有一个或多个弧形的导风弧板104，其中所述导风弧板被配置为将空气引导到聚风口中。导风弧板104例如为弯曲的板材，其布置在聚风口105的入口处并且板材的凹形面与空气的流动方向相对。通过采用导风弧板104，可以更好地将空气引导到聚风口105，从而增加空气流量。

·出风口109，其在空气流动路径上布置在滑环106之后并且被配置为允许空气离开所述滑环冷却系统100。在出风口109可以附加地布置离心风机，以增大风压。但是优选地不需要设置离心风机，因为在本发明中，由于在需要散热时，发电机转轴108必然处于高速旋转状态，因此发电机转轴108足以带动进气风扇102产生足够风压或风量，因此本发明可以基本上取消有源风扇的使用。例如，系统100的冷却能力与转速相对应，即与风力发电机的功率运行曲线匹配，由此实现自适应的散热。在额定转速下，转子电流最大，发热最大，这时冷却效果也最好。出风口109的出风方向或长度方向优选平行于聚风口105的长度方向或出风方向，以便保持风路通畅并使系统100紧凑化。

图2示出了根据本发明的滑环冷却系统的空气流动路径，其中箭头表示空气的流动方向。

如图2所示，空气、尤其是低温空气首先通过设置在壳体的侧面处进风口101进入滑环冷却系统100。

然后，空气被离心风机102吸入并在向上偏转90°后进入导风罩103。

在导风罩103中，空气被向左偏转90°。

随后，空气在聚风口105中被向下偏转90°并输送到滑环106。在那里，空气对滑环106以及可选地对发电机转轴108(以及与滑环摩擦接触的导电碳刷)进行冷却。

最后，带有废热的空气通过长度方向与空气流动方向平行设置的出风口109排出滑环冷却系统100。

从上面可以看出，空气流动路径或风路被折叠，使得各段风路彼此紧挨，由此降低了滑环冷却系统100的尺寸。

本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明通过设置侧面位置处的进风口以及底面位置处的出风口、以及可偏转空气的导风罩和聚风口，最大程度地折叠了空气流动路径(或称风路)，由此降低了滑环冷却系统的体积并同时保证了冷却效果；(2)通过由滑环带动风扇，免除了外接风扇或其它有源风机的使用，由此降低了制造成本以及风扇电机失效的风险；(3)使用多个导风口对滑环的各部分(各相)进行针对性冷却，使通风更均匀，避免相间滑环温差；(4)导风板的弧形造型和相互间距经过气动学优化设计，避免局部涡流损失；(5)在顶部使用聚风口，让周向上的空气聚集至滑环的相应位置、如单相两刷壁之间的环面，由此既增加了气体流速又能使气流直接作用关键散热部位。

图3示出了根据本发明的滑环冷却系统100的外观图。

从图3中可以看出，根据本发明的滑环冷却系统100本身结构紧凑，且可以与滑环系统良好地集成，使得最终的产品具有紧凑的结构。

图4示出了根据本发明的用于运行滑环冷却系统的方法流程400。

在步骤402，由发动机转轴带动进气风扇转动以便通过进风口引入空气。在进气风扇为离心风扇的情况下，空气优选地被偏转90°。

在步骤404，由导风罩将空气偏转到聚风口。在此，空气优选地被偏转90°。

在步骤406，由聚风口将空气输送到滑环和/或发电机转轴。在此，空气优选地被偏转90°。

在步骤408，由出风口将空气排出。在此，空气优选地在直线路径上从聚风口的出口流动到出风口。

根据本发明的方法可以取消有源风扇的使用，同时最大化地折叠了风路，使得能够降低设备成本和空间成本。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (13)

1.一种滑环冷却系统，包括：

壳体，其被配置为容纳滑环以及所述冷却系统的组件；

进风口，其被配置为允许空气进入所述滑环冷却系统；

进气风扇，其在空气流动路径上布置在进风口之后并且固定在滑环上，使得所述进气风扇能够随滑环一起转动，其中所述进气风扇被配置为通过进风口引入空气；

导风罩，其在空气流动路径上布置在进气风扇之后，其中所述导风罩被构造为使得空气在导风罩中被偏转到聚风口；

一个或多个聚风口，其在空气流动路径上布置在导风罩之后，其中所述聚风口被定向为使得由所述聚风口输出的空气能够流动到滑环；以及

出风口，其在空气流动路径上布置在滑环之后并且被配置为允许空气离开所述滑环冷却系统。

2.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中所述一个或多个聚风口包括3个聚风口，并且所述3个聚风口分别被定向到滑环的3个相之一。

3.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中所述导风罩被构造为使得空气在导风罩中被偏转90°以上；和/或

所述出风口被定向为使得空气在滑环冷却系统中被偏转90°以上。

4.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中所述导风罩所述导风罩具有弧形转角。

5.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中所述进气风扇包括离心风扇。

6.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中在所述聚风口的入口处布置有一个或多个弧形的导风弧板，其中所述导风弧板被配置为将空气引导到聚风口中。

7.根据权利要求1所述的滑环冷却系统，其中在进风口处布置有进风口栅格以用于保护进风口。

8.一种用于风力发电机的滑环系统，包括：

滑环，其以可导电的方式且可转动的方式套接在发电机的发电机转轴上以便通过滑动接触输送电能或电信号；以及

根据权利要求1至7之一所述的滑环冷却系统。

9.根据权利要求8所述的滑环系统，其中所述滑环以导热的方式套接在发电机的发电机转轴上。

10.根据权利要求9所述的滑环系统，其中所述发电机为双馈发电机。

11.一种用于运行根据权利要求1至8之一所述的滑环冷却系统的方法，包括下列步骤：

由发动机转轴带动进气风扇转动以便通过进风口引入空气；

由导风罩将空气偏转到聚风口；

由聚风口将空气输送到滑环以冷却滑环；以及

由出风口将空气排出。

12.根据权利要求11所述的方法，其中导风罩偏转空气的偏转角度大于90°。

13.一种风力发电机，其具有根据权利要求1至8之一所述的滑环冷却系统。