CN110635625B - 风力发电机组、电磁装置及其铁心的换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机组、电磁装置及其铁心的换热装置，铁心的换热装置，包括用于紧固铁心的紧固件，所述紧固件设有沿其长度方向贯通的气流通孔，冷却气流能够穿过所述气流通孔，以冷却所述铁心。因此，冷却气流可通过紧固件的气流通孔与铁心接触或者靠近铁心，从而起到冷却换热的作用，改善现有冷却方案不够理想的现状，充分利用对铁心紧固的部件并构造自身具备冷却能力的紧固装置和冷却环境、使铁心的紧固件、铁心的定子支架成为热源的散热渠道。

Description

风力发电机组、电磁装置及其铁心的换热装置

技术领域

本发明涉及电磁装置冷却技术领域，具体涉及一种风力发电机组、电磁装置以及铁心的换热装置

背景技术

铁心是磁路的重要组成部分，在电机、变压器等电器部件上均有应用。以电机为例，定子铁心、转子铁心以及定子和转子之间的气隙组成电机的磁路。在感应电机中，定子铁心中的磁通为交变磁通，因而会产生铁心损耗，称铁损。铁损包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是由于铁心在交变磁化时磁分子取向不断发生变化而引起的能量损耗。涡流损耗是由于铁心在交变磁化时产生涡流并由涡流产生的电阻损耗。

磁滞损耗和涡流损耗均是电机热源的一部分，另一部分热源由电机绕组流过电流时产生。从传热学角度而言，以上所述的热源构成电机工作时的热源。

请参考图1-2，图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机布局示意图；图2为图1中间壁式换热器的结构分解原理图。

如图1所示，发电机500’的右侧连接叶轮600’，左侧设有机舱100’，机舱100’内设置间壁式换热器300’，具体设置在机舱300’的尾部。间壁式换热器300’的左侧设有内循环引风风机202’，内循环引风风机202’由内循环驱动电机201’驱动，还设有内循环气流引出输运管路400’，发电机500’产热后的热气流，经内循环引风风机202’作用，将沿内循环气流引出输运管路400’进入间壁式换热器300’的换热器芯体中。

间壁式换热器100’还设有外循环引风风机102’，外循环引风风机102’由外循环驱动电机101’驱动，外循环引风风机102’将自然环境空气流引入至间壁式换热器300’的换热芯体中(芯体薄板的两侧分别接触流动的内循环气流和外循环气流)，则换热后的外循环气流流出机舱100’，图1中示出连接外部的外循环风排出口103’。内循环气流冷却降温后被引出间壁式换热器300’，并经过通风机叶轮做功、增压、出口以360度扩散在机舱的尾部空间内。

图2中，在引入内循环气流时，间壁式换热器300’和内循环气流引出输运管路400’之间还设有内循环汇流腔体203’，上下均设有内循环气流汇流入口203a’。外循环引风风机102’与间壁式换热器300’之间设有外循环引风风机入口连接段104’，内循环引风风机202’与间壁式换热器300’之间设有内循环引风风机入口连接段204’。

图1中，发电机500’的壳体处设有冷却气流入口孔板500a’，可参考图3理解，图3为图1中冷却气流入口孔板500a’的示意图。

扩散在机舱300’内的内循环流体，借助机舱300’内部空间，经冷却气流入口孔板500a’的入口孔500b’节流后进入发电机500’内部，作为冷却气流再次使用。冷却气流入口孔板500a’属于节流件，非圆形孔板节流件造成的局部通流阻力更大。

请继续参考图4-6，图4为电机绕组及其铁磁部件组装后的示意图；图5为图3中绕组020置于开口槽010b内的局部示意图；图6为沿径向贯通的冷却通风沟040在电机铁心上形成的示意图；图7为发电机定子径向铁心内叠片间的冷却通风沟040和上述间壁式换热器300’配合的冷却气流流动输运路径示意图。

电机铁心包括多个由铁磁材料制造的叠片010，叠片010沿轴向叠置，最终形成铁心，并与铁心支架030紧固。各叠片010沿其周向设有多个沿径向延伸的齿部010a，各个齿部010a之间形成开口槽010b，叠片010沿着特定方向，如轴向叠加后，多个开口槽010b沿轴向叠加则形成轴向延伸的绕组槽010b’，绕组020可容纳于绕组槽010b’中。

大、中型水轮发电机大都采用径向通风系统。具体是在定子铁心段设计有一定数量的冷却通风沟040。形成冷却通风沟040的通风槽片由扇形冲片(多个扇形冲片围合可形成环形的上述的叠片010)、通风槽钢(图中未示出)、衬口环(图中未示出)形成。

扇形冲片材料一般为0.35～0.5mm厚的酸洗钢板。酸洗钢板表面要求平整、光滑、不得有氧化皮或其他污迹。扇形冲片需要与通风槽钢点焊，扇形冲片径向内端设有鸽尾槽，衬口环位于扇形冲片的鸽尾槽处。

如图6所示，叠片010叠置后，焊接有通风槽钢的位置，由于叠片010被通风槽钢撑开，会出现沿定子铁心径向延伸的通槽，即通风槽钢的位置形成径向的可用于冷却的冷却通风沟040。上述提到扩散在机舱100’尾部的降温冷却后的气流，经冷却气流入口孔板后，进入发电机500’内部，如图7所示，进入内部的冷却气流可经该径向贯通的冷却通风沟040进入铁心内部，将所产热量带走，并流向汇流通道070，继而进入热风引出汇流器050，在内循环引风风机202’的作用下，沿内循环气流引出输运管路400’进入间壁式换热器300’的换热器芯体中翅片构成的片间缝隙并沿着缝隙流动，重新进行接受换热器芯体内换热翅片另一侧的外循环冷却气流的冷却换热过程，并经汇流器060，依靠引风风机202’吸入引风风机202’叶轮并接受叶轮做功、升压、沿着叶轮径向，排出至机舱100’的尾部空间，然后再扩散，由于内循环引风风机202’的作用，给联结机舱的发电机的冷却气流入口孔板500a’的机舱300’侧造就了负压，内循环引风风机202’出口是正压，在正压与负压之间形成的压力差驱动作用下，机舱300’内大空间气流在于机舱300’内壁对流换热(随季节不同会出现向机舱300’内壁放热或被机舱300’内壁加热的不同情形)、同时与机舱300’内机器设备换热、与机舱300’内电气设备换热，最后经冷却气流入口孔板500a’重新进入发电机500’内，重复上述过程。即机舱100’内部形成内循环气流的闭式送风通道，如图7中的外围的箭头所示，形成环形的闭式送风通道。

然而，上述方案在冷却铁心时，效果依然不够理想。

发明内容

本发明提供一种电磁装置的铁心的换热装置，包括用于紧固铁心的紧固件，所述紧固件设置有沿其长度方向贯通的气流通孔，冷却气流能够穿过所述气流通孔，以冷却所述铁心。

可选地，所述换热装置包括气流管，所述气流管插入所述气流通孔；

所述气流管和所述气流通孔的孔壁之间形成间隙，冷却气流从所述气流管和所述间隙的一者流入，另一者流出；或，所述气流管为包括内管和外管的双层管，冷却气流从所述内管和所述外管的一者流入，另一者流出；或所述气流管包括两条并列的管腔，冷却气流从一个所述管腔输入，另一所述管腔输出。

可选地，所述气流管螺纹连接于所述紧固件的气流通孔的内壁。

可选地，所述紧固件包括固定所述铁心和铁心支架的第一铁心紧固件，以及轴向拉紧所述铁心的第二铁心紧固件，所述第一铁心紧固件和所述第二铁心紧固件中至少一者设有所述气流通孔。

可选地，冷气流从所述第二铁心紧固件的一端输入；或，所述铁心设有从所述第二铁心紧固件侧壁连通所述第二铁心紧固件内部的径向通道，所述冷气流通过所述径向通道输入所述第二铁心紧固件，并能够从所述径向通道流出。

可选地，所述换热装置还包括涡流分离器，所述涡流分离器包括喷管和涡流分离管，所述涡流分离管包括涡流室和分别位于所述涡流室两端的冷端管段和热端管段；所述喷管连通于所述涡流室，压缩气流经所述喷管形成螺旋气流且沿所述涡流室的切向流入；

所述冷端管段截面积小于所述涡流室截面积，所述热端管段截面积等于或大于所述涡流室截面积；

所述热端管段内设有具有阀口的阀门，所述阀门具有锥面，所述螺旋气流进入所述涡流分离管后，所述螺旋气流的外部气流向所述阀口流动并逐渐升温为热气流后沿所述阀口流出；所述螺旋气流的中部气流经所述阀门的锥面后反向回流而降温为冷气流，并从所述冷端管段流出，作为输送至所述气流通孔的冷却气流。

可选地，所述涡流室的一端设有通孔，所述冷端管段的管体连通于所述通孔；所述涡流室与所述热端管段一体等径设置。

可选地，所述阀门包括锥状的节流件，所述节流件的锥端朝向所述冷端管段，所述节流件位于所述热端管段的中部，所述节流件与所述热端管段的内壁之间形成的环形间隙为所述阀口；且，所述冷端管段的轴线与所述节流件的轴线重合。

可选地，所述换热装置还包括压气机，所述压气机向所述涡流分离器提供压缩气流。

可选地，所述换热装置还包括冷气流母管，所述涡流分离器的冷气流输入至所述冷气流母管，所述冷气流母管提供冷气流至多个所述紧固件。

可选地，所述换热装置还包括换热器；所述涡流分离器产生的部分冷气流作为冷却气流输入所述紧固件，部分冷气流进入所述换热器；与所述铁心换热后升温的气流，进入所述换热器，与所述涡流分离器产生的部分冷气流换热降温后重新进入所述压气机。

可选地，所述换热装置还包括热气流汇流管，冷却气流与所述铁心换热后升温的气流汇入所述热气流汇流管。

可选地，所述铁心绕置有绕组，所述换热装置还包括环形喷洒管，所述环形喷洒管插入于所有绕组的绕组鼻部，所述环形喷洒管沿其周向设有多个喷射孔，所述涡流分离器输出的所述冷气流或所述热气流输送至所述环形喷洒管内。

可选地，所述铁心绕置有绕组，所述换热装置还包括环形喷洒管，所述环形喷洒管环绕所有绕组的端部，所述环形喷洒管沿其周向设有多个喷射孔，所述环形喷洒管内输入有冷气流或热气流。

可选地，所述绕组的端部弯绕处形成绕组鼻部，所述环形喷洒管插入铁心一端的所有的所述绕组鼻部的穿孔内。

可选地，所述喷射孔设于所述环形喷洒管的内侧，或设于所述环形喷洒管的内侧和中部，所述环形喷洒管的外侧不设置喷射孔。

可选地，所述环形喷洒管内设有至少一个分流管，所述冷气流或所述热气流先进入所述分流管，所述分流管从两端喷射所述冷气流或所述热气流，以引导所述热气流或所述冷气流沿所述环形喷洒管的周向流动。

本发明还提供一种电磁装置，包括铁心，还包括如上述任一项所述的电磁装置的铁心的换热装置。

可选地，所述铁心包括层叠设置的多个叠片，所述叠片包括根部和沿所述根部外周分布的多个齿部，相邻所述齿部之间用于容纳绕组；

至少部分所述叠片的至少部分齿部，设有自所述齿部的径向外端面向内径向贯通的径向通槽，所述径向通槽具有两侧的槽侧壁，多个所述叠片的所述径向通槽叠置形成冷却散热通道。

可选地，所述径向通槽，还沿所述叠片的厚度方向贯通所述叠片，至少部分所述径向通槽还具有连接所述径向通槽两侧的槽侧壁的连接部。

可选地，所述连接部位于所述叠片的根部，位于所述径向通槽的顶部或底部。

可选地，至少部分所述叠片的至少部分齿部设有两个或两个以上的所述径向通槽，以在所述铁心的同一列齿部的同一轴向高度位置，叠置形成两个或两个以上的所述冷却散热通道。

可选地，一列所述齿部，形成多个沿轴向高度方向分布的所述冷却散热通道。

可选地，上、下相邻所述径向通槽的宽度尺寸不同，以使叠置形成的所述冷却散热通道的横截面呈圆形或椭圆形；所述径向通槽的侧槽壁的截面呈弧形。

可选地，所述电磁装置为电机或变压器、电抗器。

本发明还提供一种风力发电机组，包括发电机，发电机包括铁心，风力发电机组还包括上述任一项所述的电磁装置的铁心的换热装置。

可选地，穿过所述气流通孔以冷却所述铁心后的气流，输送至下述至少一者：

风力发电机组的间壁式换热器；

风力发电机组的偏航系统；

风力发电机组的的变桨系统；

风力发电机组中发电机的轴承冷却系统。

附图说明

图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机关节图；

图2为图1中的间壁式换热器的结构分解原理图；

图3为图1中的冷却气流入口孔板的示意图；

图4为电机绕组铁磁部件组装后的示意图；

图5为图4中绕组置于开口槽内的局部示意图；

图6为沿径向贯通的冷却通风沟在电机铁心上形成的示意图；

图7为发电机径向的冷却通风沟和上述间壁式换热器配合的冷却气流流动路径示意图；

图8为本发明所提发电机一种具体实施例的示意图，主要是发电机的轴向剖视视角，示出发电机的上半部分；

图9为图8的铁心通过第一铁心紧固件与铁心支架固定的示意图；

图10为图8中第一铁心紧固件向铁心输送冷却气流的示意图；

图11为由涡流分离器向两个第一铁心紧固件提供冷却气流的示意图；

图12为铁心的轴向剖视图，剖视出第二铁心紧固件，同样示出铁心的下半部分；

图13为图12中的A-A向剖视图；

图14为多个第二铁心紧固件的示意图；

图15为图11中的涡流分离器的原理图；

图16为图15中的喷管的截面图；

图17为图15中的涡流分离器内的内部流场图；

图18为自由涡流和强制涡流的对比示意图；

图19为图15中的涡流分离器内部工作过程的热力学温-熵(T-S)图；

图20为气源提供压缩气流的示意图；

图21为涡流分离器为第一铁心紧固件提供冷却气流的一种具体示意图；

图22为图8中环形喷洒管穿过部分绕组鼻部的示意图；

图23为环形喷洒管的示意图；

图24为本发明所提供铁心的单个叠片的示意图，仅示出一部分，呈扇形；

图25为图24中叠片的单个齿部的示意图；

图26为图25的俯视图；

图27为本发明所提供铁心第一实施例的原理示意图；

图28为图27中I部位单个冷却散热通道处的局部放大图；

图29为图28中以虚线的方式显示径向通槽叠置形成冷却散热通道20的原理图；

图30为叠片10单个齿部的示意图；

图31为绕组40置于槽内的视图；

图32为本发明所提供铁心第二实施例的原理示意图，仅示出叠片10的齿部101部分；

图33为图32中单个齿部位置处的示意图；

图34为本发明所提供铁心第三实施例的原理示意图

图35为本发明所提供铁心换热装置的总体原理示意图，视角为电机轴水平布置；

图36为图35的俯视图。

图1-7中，附图标记说明如下：

100’机舱、101’外循环驱动电机、102’外循环引风机、103’外循环风排出口、104’外循环引风机入口连接段、201’内循环驱动电机、202’内循环引风机、203’内循环汇流腔体、204’外循环引风机入口连接段；

300’间壁式换热器；400’内循环气流引出输送管；500’发电机、500a’冷却气流入口孔板、500b’入口孔；

600’叶轮；

010叠片、010a齿部、010b开口槽、010b’绕组槽；

030结构支架、040冷却通风沟、050热风引出汇流器、060汇流器、070汇流通道；

图8-36中，附图标记说明如下：

200发电机、201磁轭、202磁极、203绕组、203a绕组鼻部；

204铁心、204a叠片、204a1齿部、204a2根部、204a3鸠尾、204a4径向通槽、204a5开口槽、204a6连接部；

205冷却散热通道、206槽楔、207第一铁心紧固件、207a外管、207a’外螺纹、207b内管、208铁心支架、209齿压板、210第二铁心紧固件；

10涡流分离器、101涡流分离管、101a涡流室、101a1端板、101b热端管段、101c冷端管段、101d冷端、101e热端、102喷管、103节流件；

20环形喷洒管、20a分流管；

20b连接管、40冷气流母管、50热气流汇流管；

60空气过滤器、70压气机、701分流母管、702母管、703分支管、a气隙、80槽、90换热器。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图8，图8为本发明所提发电机200一种具体实施例的示意图，主要是发电机200的轴向剖视视角，示出发电机200的上半部分；图9为图8铁心204通过第一铁心紧固件207与铁心支架208固定的示意图；图10为图8中第一铁心紧固件207向铁心204输送冷却气流的示意图。

如图8所示，铁心204由叠片叠置形成，铁心204设有轴向贯通的槽80(示于图27、31)，绕组203置于其内，并在槽80内插入槽楔206，槽楔206位于绕组203的径向外侧，以限制绕组203脱离槽80。铁心204的径向内侧，设有与电机定轴固定的铁心支架208，铁心204通过第一铁心紧固件207与铁心支架208固定，第一铁心紧固件207具体可以是图8、9中所示的螺栓。

如图10所示，第一铁心紧固件207设有贯通其两端的气流通孔，两端即其轴向的两端，冷却气流能够穿过该气流通孔，从而到达铁心204的内部，起到冷却所述铁心204的作用。图10中，气流通孔轴向贯通第一铁心紧固件207，但应知，气流通孔贯通第一铁心紧固件207是达到输送冷却气流的目的，所以气流通孔只要贯通第一铁心紧固件207轴向的两端即可，不限于轴向贯通，即气流通孔的轴线不限于平行于第一铁心紧固件207的轴线。

冷却气流输入气流通孔的方式，具体可参考图11理解，图11为由涡流分离器10向两个第一铁心紧固件207提供冷却气流的示意图，涡流分离器10可以生成冷气流，具体原理在下文阐释，需要说明的是，冷却气流不限于由涡流分离器10提供，比如可以是来自于如背景技术所述的内循环气流或者其他方式形成的冷却气流。

这里先说明第一铁心紧固件207向铁心204的内壁输送冷却气流的过程。图11中，左侧的第一铁心紧固件207内插有气流管，为便于查阅气流管的结构，右侧仅示出第一铁心紧固件207内部的气流管，气流管插入第一铁心紧固件207的气流通孔内，气流管为双层管，包括嵌套的内管207b和外管207a。如图10、11所示，冷却气流从内管207b输入，冷却气流经内管207b流向铁心204内部，接触到铁心204并换热后，由于铁心204内部的空间限制(只能接触到第一铁心紧固件207插入至铁心204的位置)，换热升温后的气流需再流出，流出的气流可经外管207a流出，这样有利于气流的回收，以及冷却气流持续有效地输入。

再以图11为视角，当冷却气流达到内管207b的末端(图11中内管207b的上端)并从末端流出时，朝向铁心204进行换热冷却，换热后形成温升的气流再从外管207a输出，则内管207b的初始端和外管207a的末端对应，均处于图11中第一铁心紧固件207的下端，此时，外管207a内温升的气流和内管207b内的冷却气流会有一定的换热，这样，第一铁心紧固件207气流通孔内的气流输入端和靠近铁心204的另一端，不会有较大的温差，即限制图11中的上、下端的温差，从而有利于保护第一铁心紧固件207。可以理解，冷却气流也可以从外管207a输入，从内管207b输出，作用基本相同。

图11实施例中，在第一铁心紧固件207的气流通孔内插入气流管，形成输入和回流的通道，显然，第一铁心紧固件207也可以一体形成双通道结构，但由插入的气流管形成，在满足气流回收的前提下，第一铁心紧固件207并不需要设置出双通道，则不需要对第一铁心紧固件207作出过多的改造；而且，输送气流的通道出现腐蚀或者其他故障，即可从第一铁心紧固件207内将气流管取出进行维修或替换，而无需更换紧固铁心204用的第一铁心紧固件207，操作简便。

需要说明的是，双通道不限于上述所述的内层和外层通道，也可以是并列的两个通道，比如插入的气流管被轴向隔板分隔为两个并列的管腔，一者输入冷却气流，一者输出换热后温升的气流。

上述的气流管在插入第一铁心紧固件207的气流通孔时，可以使气流管与第一铁心紧固件207螺纹连接，如图11的右侧气流管所示，气流管的外管207a设有外螺纹207a’，第一铁心紧固件207气流通孔的内壁设置匹配的内螺纹。这样，气流管与第一铁心紧固件207贴合更为紧密，则不仅仅在气流管朝向铁心204的末端处换热，第一铁心紧固件207也可以得到降温，有利于维持第一铁心紧固件207附近的低温环境，相应也就更好地保持第一铁心紧固件207处铁心204位置的冷却效果。而且，螺纹连接使得气流管从第一铁心紧固件207上拆卸时更为便捷。

当然，气流管不限于双层管结构，气流管也可以是单层管，插入铁心204的气流通孔后，气流管和气流通孔的孔壁之间会形成间隙，该间隙为环形间隙，此时的环形间隙相当于上述所述的双层管中的外管207a。冷却气流可以从单层的气流管输入，再从环形间隙中流出。如前所述，冷却气流也可以从气流管与气流通孔内壁之间环形间隙流入，从单层的气流管内流出。但相较而言，上述双层管的气流管设置，便于气流管和第一铁心紧固件207的安装。

需要说明的是，上述将第一铁心紧固件207的气流通孔设置为双通道或者是在气流通道内插入气流管，是便于换热温升后的气流回流，保障冷却气流的持续输送，但显然，仅向第一铁心紧固件207内的气流通孔输入冷却气流的方式也可行，只是上述实施例的换热效率更高。

请继续参考图12、13，图12为铁心204的轴向剖视图，剖视出第二铁心紧固件210，同样示出铁心204的下半部分；图13为图12中A-A向剖视图。

上述实施例中描述的紧固件为紧固铁心204和铁心支架208的第一铁心紧固件207，紧固铁心204的紧固件还包括轴向拉紧铁心204的第二铁心紧固件210。如前所述，铁心204由多个叠片叠置形成，为了保证叠片能够紧密叠置，设置有第二铁心紧固件210，第二铁心紧固件210轴向贯穿所有的铁心204的叠片，如图9、12所示，铁心支架208固定有齿压板209，齿压板209位于铁心204轴向两端的叠片外表面，第二铁心紧固件210还轴向贯穿齿压板209，端部通过螺母旋紧，从而拉紧多个层叠的叠片。

本方案实施例中，第二铁心紧固件210同样可以设置气流通孔，以输入冷却气流，由于第二铁心紧固件210轴向贯穿铁心204，所以通入冷却气流的第二铁心紧固件210也可以与铁心204进行换热冷却。

如图14所示，图14为多个第二铁心紧固件210的示意图。铁心204会设置多个第二铁心紧固件210，进行拉紧，多个第二铁心紧固件210周向环形分布，当多个第二铁心紧固件210均通入冷却气流后，相当于在铁心204上开设有多个轴向贯通的冷却通道，从而使得铁心204能够得到较好的冷却。

第二铁心紧固件210中气流的输送、流出方式可以与图11所示的第一铁心紧固件207的方式一致。即第二铁心紧固件210的气流通孔中，也可插入单层或双层的气流管，以形成输入冷却气流的通道和换热温升后气流流出的通道，或者第二铁心紧固件210的气流通孔自身形成双通道结构。

与图11相似，冷却的气流可从第二铁心紧固件210的一端输入，再从该端输出。也可以如图12所示，自铁心204的内壁开设有向铁心204内部延伸，并连通第一铁心紧固件207内部气流通孔的第一径向通道，第一径向通道为双通道结构，则可以在铁心204的内侧设置产生冷却气流的冷源(具体是图12中的涡流分离器)，冷却气流可通过该第一径向通道输入，进入第二铁心紧固件210后，流向第二铁心紧固件210的两端，换热温升后再从两端流回至第一径向通道处，从第一径向通道的流体输出流道流出。

图12中，为了使得冷却气流能够流入第一径向通道，铁心支架208设有与第一径向通道贯通的第二径向通道，第二径向通道同样是双通道结构，冷源设于铁心支架208的内侧，冷却气流经第二径向通道、第一径向通道流入第二铁心紧固件210。

同样，第二铁心紧固件210可不形成双通道结构，直接向气流通孔输入冷却气流也可达到冷却铁心204的目的。而且，第二铁心紧固件210的两端均属于自由端，冷却气流从一端输入，另一端输出的方案也更易于实现。当然，基于避免第二铁心紧固件210两端温差偏大的目的，设置双通道为优选的方案。

以上描述的紧固件包括第一铁心紧固件207和第二铁心紧固件210，以作为冷却气流通入的载体，这样，冷却气流可通过紧固件的气流通孔与铁心204接触或者靠近铁心204，从而起到冷却换热的作用，改善现有冷却方案不够理想的现状。可以理解，以上以第一铁心紧固件207和第二铁心紧固件210为例进行说明，但紧固件不限于此，只要是与铁心204紧固的部件，具备设置气流通孔的条件，都可以用于通入冷却气流，以达到充分利用铁心204紧固的部件并构造自身具备冷却能力的紧固装置和冷却环境，使铁心204的紧固件以及定子支架均成为热源的散热渠道。

以上描述了冷却气流从第一铁心紧固件207流入至铁心204的位置进行冷却，以下将对冷却气流的来源作详细说明。

请继续参考图11，并结合图15-16理解，图15为图11中涡流分离器的原理图；图16为图15中喷管102的截面图。

图15中，涡流分离器10包括喷管102和涡流分离管101，喷管102连通于涡流分离管101的侧壁，涡流分离管101的内腔与喷管102正对的部分形成涡流室101a，涡流室101a的一端(图15中的左端)为冷端管段101c，另一端(图15中的右端)为热端管段101b，冷端管段101c的出口为输出冷气流的冷端101d，热端管段101b的出口为输出热气流的热端101e，涡流室101a的一端端板101a1设有通孔，这里定义为冷端孔板，冷端管段101c与该通孔连通，如图15所示，冷端管段101c是截面积小于涡流室101a的相对较细的细管段。而涡流室101a和热端管段101b是等径管段，二者可一体或分体设置，一体设置更为简单。

涡流分离器10的喷管102是将压缩气体的压力能转化为高速气流携带动能的能量转化部件，喷管102可包括进口段、主体段、出口段，出口段设有喷嘴，以喷出气流。气流经喷管102后可形成螺旋气流，如图16所示，喷管102内部设有旋流板，即喷管102的出口段为蜗壳，气流进入喷管102后可形成螺旋气流输出，喷管102要求切向连通涡流室101a，即喷随喷出的螺旋气流沿涡流分离管101的切向旋入涡流分离管101内。蜗壳可将气流均匀地分配到喷管102出口段的喷嘴处，且尽可能地减少能量损失，并保证蜗壳内圆上的气流流动是轴对称流动。

由于冷端管段101c截面积较小，则对于进入涡流室101a内的螺旋气流而言，冷端101d孔板处的阻力较大，切向旋入涡流分离管101内的气流向反向的热端管段101b流动。这里，热端管段101b的截面积可以等于或大于涡流室101a的截面积，以保证螺旋气流会向热端管段101b的方向流动。

在热端管段101b内还设有具有锥面的阀门，具体如图15所示的锥状的节流件103，节流件103的锥端的朝向与螺旋气流流动方向相反，图15中螺旋气流从喷管102进入涡流分离管101后，自左向右螺线流动，流动至节流件103时，螺旋气流的外部气流可从阀门流出，即沿节流件103和涡流分离管101之间的环形间隙流出并升温为热气流，如图15所示，热气流从热端管段101b的热端101e流出。

而螺旋气流的中部气流会碰到节流件103，在与节流件103的锥面碰撞、引导后，会反向回旋流动，形成回流气流，在流动过程中，会逐渐降温，冷却气流的温度可大幅度降低，温度可降低至-50～10摄氏度。这里所述的外部气流和中部气流是相对于螺旋气流的中心线而言，靠近中心线附近的螺旋气流为中部气流，远离中心线靠近螺旋气流径向最外侧的气流，为外部气流。为保证螺旋气流向热端管段101b流动以及回流的行程，以形成热气流和冷气流，节流件103可设于热端管段101b的末端。

以上要求螺旋气流经阀门后可以形成反向流动的螺旋气流，所以设置锥状的节流件103，从回旋的螺旋气流的形成而言，阀门只要具有一定范围内的锥面即可，比如，是圆台状(即没有锥尖，而是锥形的一段)，或者是沿轴向剖开的半锥等。但可以理解，为了较好地形成雍塞效应，并能够较好地引导成回流的螺旋气流，优选的方案是将阀门设置呈图15所示的完整的锥形。另外，锥形的节流件103的轴线与冷端管段101c的轴线重合，这样在回流的螺旋气流旋向冷端管段101c，有利于气流的旋进，可减少能量损失。

可见，该涡流分离器10，可产生将同一股气流进行温度分离的分离效应，获得冷、热两股气流，且是两种温度高低十分悬殊的气流。该涡流分离器10是基于龙卷风的现象研发而成。

龙卷风是自然界中在特定大气条件下产生的强旋风现象，海洋中在特定条件下也会产生自水面向海底垂直传播的大洋旋涡。典型龙卷风的气流结构显示龙卷风中心是一个漏斗型或喇叭形的尖锥体。这个锥体是龙卷风的旋聚区，该锥体的旋向与外围充满尘土的上升的热气流的旋向相同，但中心锥体内气流的轴向流动方向与外围上升气流相反，呈现下降气流。在自然环境中实际跟踪测量一个龙卷风中心锥体冷气流的下降流速可达到17米/秒。当中心锥体的锥尖一旦触及发散时(相当于聚射)，龙卷风就会迅速强化，而且锥尖随之消失，变为截锥体。当外围热气流边旋转边上升，到达上层冷云层底面或同温层时，会立即呈现喇叭口型水平旋射发散并改变旋转方向反向旋转抛出。空气绕龙卷的轴快速旋转，受龙卷中心气压极度减小的吸引，在近地面几十米厚的薄层空气内，气流从四面八方被吸入涡旋的底部，并随即变为绕轴心高速向上旋转的涡流，所以龙卷中的风总是气旋性，其中心的气压比周围气压低百分之十，一般可低至400hPa，最低可达200hPa。龙卷风具有很大的吸吮作用，可把海水或湖水吸离海面或湖面，形成水柱，然后同云相接，俗称“龙取水”。

龙卷风的能量来源：一是龙卷风外围气流的热能，另一是涡心低压区的真空能。龙卷风外围气流的高温气体与龙卷风相互作用，使得热能转化为旋转动能，机理通过Crocco定理解释。Crocco定理是基于能量守恒的热力学第一定律在流体旋涡场中得出的。该定理定量表达了旋涡场中热力学焓的梯度、熵的梯度与涡流旋转强度的关系。大气中的温差及上下对流是龙卷风旋涡形成的前提条件，而使龙卷风旋涡得以增强的能量则来自周围的热能。龙卷风外围的上升热气流与旋涡中心的下降冷气流形成的热力学焓的梯度成为大气热能转化为漩涡流动动能的关键因素。在龙卷风依靠热能达到一定强度之后，进一步的强化则需要依靠涡心低压区的真空能。龙卷风中心的下锥体与外围气流同旋向。该锥体内的气流边旋转下降同时向中心聚集。当其向心加速度超过一定的临界值之后，径向聚集过程并在科氏力的作用下通过粘性扩散对径向外围气流产生加速旋转的作用。

即龙卷风存在总温分离现象，本实施例章提供的涡流分离器10就是比拟龙卷风，而设置喷管102将进入的压缩气流形成螺旋气流，可看作为小尺度的龙卷风的螺旋状流动，这样可以在涡流分离管101内模拟出龙卷风的总温分离，继而形成所需的热气流和冷气流。

以上是从自然界追寻本方案的机理，下面继续对涡流分离器10温度分离效应的原理进行说明。

请参考图17-18，图17为图15中涡流分离器10内的内部流场图；图18为自由涡流和强制涡流的对比示意图。

根据能量守恒法则，从涡流分离管101中流出的冷却气流、热气流的能量总和应等于进入涡流分离器10的喷管102内的压缩气体的能量(前提是涡流分离器10绝热良好)。因此，在涡流分离器10中必然存在能量再分配的过程，使一部分能量从冷却气流转移到热气流中。

首先，向喷管102提供压缩气体，后称为高压气体，可设置压气机70，由压气机70提供压缩气体，为避免提供的冷却气流影响发电机200的内部环境。

压缩气体的气流在涡流分离器10的喷管102中膨胀加速，在进入涡流分离管101的涡流室101a时速度可以接近音速，如果采用缩放型的喷管102，则速度会超过音速。由于气流在喷管102中迅速膨胀通过，可近似认为是一绝热过程，气流在喷管102出口喷嘴处的流速非常大，其相应的热力学温度将大大低于喷管102入口处的温度，即经过一次降温。

当气流切向进入涡流分离管101的涡流室101a后，会沿涡流室101a的内壁继续作螺线运动，形成高速的旋转气流，气流刚出喷管102时，存在V＝const或ω*r＝const，其中，V是气流切向速度，ω为角速度，此类旋转又称为自由涡流，如图18所示，图18示出自由涡流和强制涡流的切向速度、角速度的区别。此时气流在涡流室中的运动轨迹可以看作是沿着阿基米德螺线运动。下面分析冷却气流和热气流的形成过程。

热气流的形成：由于刚出喷管102的气流的流动是自由涡流，角速度沿着半径方向存在梯度，引起了气流径向层间的摩擦，使螺旋气流的外部气流的角速度逐渐升高，而螺旋气流的中部气流的角速度逐渐降低，但因流动很快，历经路程短，螺旋气流还没有达到完全的强制涡流，而是向其中心部分发展，螺旋气流的外部气流会在热端管段101b中沿着螺线运动，既具有旋转运动，又具有轴向运动，运动过程中外部气流与热端管段101b的内壁摩擦，外部气流的速度越来越低，温度逐渐升高，最终从节流件103和热端管段101b之间的环形空隙流出。通过调节节流件103和热端管段101b之间的间隙，可以调节冷、热气流的比例。

冷气流的形成：气流刚出喷管102属于自由涡流，在离心力的作用下，同时受到冷端管段101c的冷端101d孔板的阻隔，会贴近热端管段101b的内壁向节流件103处流动。在流动过程中，由于轴向速度的逐步耗散，此旋流运动至轴向某个位置时其轴向速度已经接近于零，可以定义为滞止点。此时，由于中部气流在滞止点处的聚集，压力不断上升，滞止点处的压力会高于冷端管段101c的出口处的冷端101d压力，便会在热端管段101b的中心区域产生反向的轴向运动，即从滞止点处开始出现回流气流，逐渐降温形成冷气流，即二次降温。在滞止点处，外部气流的总温比中部气流的总温高。此逆向流动在向冷端管段101c运动过程中，不断有外层的部分螺旋气流转向汇入，因而逐步壮大，在达到冷端101d孔板时其逆向流量达到最大。

如图17所示，在涡流分离管101的同一流道截面上，外部气流的最外层气流静压最大，而中部气流位于中心轴线上的最中心气流静压最小，在接近喷管102的喷嘴处的截面上，该截面的最大静压和最小静压的比值为最大，比值可达到1.5-2，静温则在涡流分离管101的壁面处最高，而在中心轴线上最低。

在任一流道截面上，任一点气流的切向速度都占主导地位。在喷管102的喷嘴附近，气流的径向速度和轴向速度都达到最大值，且沿着各自的方向逐渐减弱。

如前所述，气流离开喷嘴后沿着切向进入涡流分离管101内，分为两个区域，外部气流沿涡流分离管101内壁切向旋转趋于热端管段101b的热端101e出口，即外层区域的外部气流形成自由涡流。中部气流自设置节流件103的位置回流，受周围自由涡流的驱动，然后经过摩擦，气流如同刚体一样转动的内层区域(中部气流)会转变成或接近强制涡流。

外部和中部两个区域的分界，即外部气流和回流的中部气流视冷流率的大小而定，从图17可看出冷、热气流的边界。在整个涡流分离管101的长度上，边界的界面一般位于距离中心轴线0.65-0.75R的范围内，即中部气流在径向上的流动范围，R为涡流分离管101的半径。从喷管102的喷嘴到节流件103之间的外部气流的轴向流动在半径0.65-1R之间的范围进行，即外部气流在径向上的流动范围。在内部区域，中部气流朝着相反的方向流动，流动正好从节流件103处开始。

中部气流的中心气流温度在节流件103处最高，反向流动逐渐降温，而到达冷端101d孔板处时最低。最大温差即出现在中心轴线方向，最高温度在节流件103对应的中心轴线处，最低温度在冷端101d孔板对应的中线轴线处。对于内层的中部气流而言，即冷气流，其静温在中心轴线处最低，在与外层气流的分界的界面处达到最高。

在涡流分离管101的流道的任一截面上，总温在接近涡流分离管101的内壁面处最高，在中心轴线上最低。在喷嘴处的流道截面，涡流分离管101的壁温和中心轴线温度之差达到最大值。

对于涡流分离器10的总温分离效应，可参考图19，图19为图15中涡流分离器10内部工作过程的热力学温-熵(T-S)分析图。从图19可看出，涡流分离器10的确将进入喷管102的压缩气流进行了温度分离。

图19中，点4为气体压缩前的状态，即进入压气机70前的状态。点4-5为气流的等熵压缩过程。点5-1为压缩气体的等压冷却过程。点1表示压缩气体进入涡流分离器10的喷管102前的状态，在理想条件下绝热膨胀到p₂压力，随之温度降低到T_s，即点2a状态。点2为涡流管流出的冷气流状态，其温度为T_c。点3为分离出的热气流状态，其温度为T_h。点1-2和点1-3为冷、热气流的分离过程。3-3′为热气流经过节流件103的节流过程，节流前后比焓值不变。

由于整个工作过程中，气流在喷管102中不可能作等熵膨胀。涡流室101a内外层气体之间的动能交换存在一定的损失，且涡流室101a内存在的向中心热传递过程，使气流在点1-2过程偏离绝热膨胀过程，造成涡流分离管101分离出来的冷气流温度T_c总高于绝热膨胀条件下的冷气流温度T_s。

再请看上述实施例中涡流分离器10的冷却效应和加热效应。

涡流分离管101在工作过程中使温度T₁的气体分离为温度为T_c的冷气流和温度为T_h的热气流。因此，ΔT_c＝T₁-T_c称作涡流分离管101的冷却效应，ΔT_h＝T_h-T₁被称作涡流管的加热效应。将ΔT_s＝T₁-T_s定义为等熵膨胀效应，以标志涡流分离管101的理论冷却效应。因此，涡流分离管101制冷的有效性用冷却效率η_c表示，即：

其中，p₁-涡流分离器10进口气流压力；p₂-气流在喷管102中膨胀进入涡流室101a后的压力；k-气体(如空气)的绝热指数。

另外，涡流分离器10在工作过程，存在流量及热量的平衡，如下：

若以q_m1、q_mc、q_mh分别表示进入涡流分离管101的高速气流、冷端101d的冷气流和热端101e的热气流的流量，则q_m1＝q_mc+q_mh。

若以h₁、h_c和h_h(KJ/Kg)分别表示它们的比焓，忽略气体流出时的动能，则q_m1h₁＝q_mch_c+q_mhh_h。

冷气流量比

气体焓值与温度对应关系h＝C_pT

得到：T₁＝μ_cT_c+(1-μ_c)T_hT

还可以得到涡流分离管101的制冷量，如下：

涡流分离管101制冷量Q₀(kW)为

Q₀＝q_mcc_p(T₁-T_c)＝μ_cq_m1c_pΔT_c

则每一千克冷气流的制冷量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制冷量q′₀可表示为：

再请看涡流分离管101的制热量Q_h(kW)：

Q_h＝q_mhc_p(T_h-T₁)＝(1-μ_c)q_m1c_pΔT_h

每一千克热气流的制热量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制热量可表示为：

上述的涡流分离管101的冷却效应ΔT_c＝T₁-T_c和单位制冷量q₀，与以下因素有关，即冷气流分量μ_c、喷管102的进口工作压力p₁、气流中的水汽含量。

冷气流分量μ_c，当冷气流分量值变化时，ΔT_c和q_o均有相应变化，而且在μ_c＝0～1的范围内有最大值存在。当μ_c＝0.3～0.35时，ΔT_c有最大值；而当μ_c＝0.6～0.7时，q_o达到最大值。同时，加热效应也随着μ_c变化而改变，当μ_c增大时ΔT_h不断增大，且无极限存在。

喷管102的进口工作压力p₁，当p₁增大时，ΔT_c和q_o均增大。但增大时ΔT_c的最大值向μ_c减小的方向移动，q_o的最大值则向μ_c增大的方向移动。

气体潮湿时，冷气流中水汽要凝结放热，故制冷温度上升，冷却效率降低；热气流温升减少，加热效应降低。

以上详细介绍了涡流分离器10的原理，可分离出热气流和冷气流，冷气流可作为上述的冷却气流，输入第一铁心紧固件207、第二铁心紧固件210，或者铁心204的其他紧固件位置，从而实现对铁心204的冷却。如图11所示，可配设多个涡流分离器，各涡流分离器对应一个第一铁心紧固件207，另外，还可设置热气流汇流管50，多个涡流分离器10生成的热气流可汇聚入热气流汇流管50内，作为热源使用。进入第一铁心紧固件207并到达铁心204内部而换热温升的气流在流出后也可作为热源使用，如图11标示的“转移热能、汇流”，该部分热气流也可汇入热气流汇流管50内。图12中，在铁心204的内侧设有涡流分离器10，也可以设置多个涡流分离器10，为每一个第二铁心紧固件210提供冷气流。

上述涡流分离器10生成的热气流，和/或冷却气流离开紧固件后温升的气流，可汇流、回流进入机舱内的间壁式换热器，进行换热后作为冷却气流使用，也可以将此类温度相对高的气流引入偏航系统、变桨系统，用于轴承润滑，冬季时候可以解冻、防冻；也可以将该类温度相对高的气流引入发电机轴承冷却系统，主要是在冬季，用于机组轴系在低温季节启动前的加热。

涡流分离器10的结构简单、节能，易于形成所需的冷却气流，满足铁心204的冷却需求。而且，本实施例中在小空间范围内即可布置出冷却气流的形成装置。此外，涡流分离器10可分离出热气流和冷气流，从而同时作为热源和能源使用，不需要同时配设热源和冷源，简化结构。

请继续参考图20，图20为气源提供压缩气流的示意图。

如上阐述，涡流分离器10生成冷气流和热气流，需要向其喷管102内输入压缩气流。如图20所示，可以设置气源和母管702、分流母管701，分流母管701呈环状，气源例如是压气机70，压气机70向母管702提供压缩气流，母管702通过多个分支管703(分支管703向整个分流母管701的周向分布，图21中仅示出右半部分的分支管703)将压缩气流均匀地输送至分流母管701，分流母管701再向多个涡流分离器10输送压缩气流，从而为多个沿周向环形布置的第一铁心紧固件207或第二铁心紧固件210输送冷气流。

请参考图21，图21为涡流分离器为第一铁心紧固件207提供冷却气流的一种具体示意图。

图21中，为第一铁心紧固件207提供冷却气流的冷源依然是涡流分离器。换热装置还包括换热器90，涡流分离器10产生的冷气流，主要进入作为冷却气流提供给第一铁心紧固件207的气流通孔内，具体是输入至图21中插入在气流通孔中的气流管的内管207b。涡流分离器产生的冷气流还有一分支进入换热器90，从第一铁心紧固件207流出的温升后的气流经换热器90时与该分支的冷气流进行换热，降温后的气流重新回到压气机70，与进入的空气进行混合，从而使得进入涡流分离器10的气流降温，继而使得分离出的冷气流能够更加低温。

此时，可以设置冷气流母管40，如图21所示，涡流分离器10形成的冷气流进入冷气流母管40内，从而为两个或两个以上的第一铁心紧固件207提供冷却气流。由于设置换热器90，涡流分离器10内生成的冷气流较为低温，可以满足两个或两个以上的第一铁心紧固件207的冷却需求。当然，即便不设置换热器90，一个涡流分离器10也可以为多于一个的第一铁心紧固件207提供冷却气流。可以理解，图21以第一铁心紧固件207为例进行说明，但对于第二铁心紧固件210显然是同样适用。图21中，在换热器90处换热后温升的气流可以回收后作为热源使用。

请继续参考图8、12，并结合图22、23理解，图22为图8中环形喷洒管20穿过部分绕组鼻部203a的示意图；图23为环形喷洒管20的示意图。

从图8可看出，铁心204的绕组203在铁心204轴向的两端弯绕，形成图中所示出的绕组鼻部203a，沿铁心204的端部会环周分布多个绕组鼻部203a，图22中显示环周的一部分，图23中的环形喷洒管20穿过各绕组鼻部203a的穿孔。

环形喷洒管20沿其周向设有多个喷洒孔，上述的涡流分离器10输出的热气流可输出至环形喷洒管20，这样热气流可从喷洒孔流出，喷向绕组鼻部203a，从而起到冷却干燥的作用。不仅仅对于绕组鼻部203a本身而言具有干燥作用，更重要的是在绕组203端部制造出干燥的环境。如图8所示，铁心204的的槽80在置入绕组203后，还会轴向插入槽楔206，以防止绕组203径向脱离槽80，而进行绝缘浸渍工艺后，槽楔206、槽80、绕组203之间具有绝缘漆，在绕组203的端部制造出干燥的环境，也就有利于给此处绝缘漆提供干燥的环境，提高绝缘的性能。即，将热气流用于绕组203端部的根部与铁心204交界处的干燥。

当然，也可以向环形喷洒管20中输入涡流分离器10所制造的冷气流，从而在绕组203端部位置进行冷却，有利于绕组203、铁心204的散热。环形喷洒管20内的冷却气流可以直接来自于涡流分离器，也可以从第一铁心紧固件207的气流通孔中获得，如图8所示，环形喷洒器20通过连接管20b与第一铁心紧固件207内部的气流通孔连通。或者，环形喷洒器20的冷却气流可以采用其他方式获得，例如可以是如背景技术所述的内循环气流。

请继续查看图23，图23中右下方示出环形喷射管的A-A处截面视图。可见，环形喷洒管20的外侧为无孔曲面，即不设置喷射孔，喷射孔位于环形喷洒管20的内侧以及中部。冷气流或热气流进入环形喷洒管20后，在环形喷洒管20内的流动路径为弧形，会产生离心力，将喷射孔设于内侧以及中部，可防止气流在离心力作用下从外侧直接飞出，有利于在周向上的喷洒均匀。

进一步地，环形喷洒管20内可设有分流管20a，冷气流或热气流进入分流管20a后，从分流管20a的两端喷射。如图20所示，环形喷洒管20具体为圆形，涡流分离管101呈与环形喷洒管20内腔匹配的弧形段，这样，冷气流或热气流进入分流管20a后，从分流管20a的两端喷出，利于冷气流或热气流沿环形喷洒管20喷出后的均匀性。作为优选的方案，可以设置两个或两个以上的分流管20a，图20中，两个分流管20a沿环形分流管20a的中心线对称分布，也是有利于气流的喷射均匀。

以上所述的环形喷洒管20插入铁心204一端的所有绕组203的绕组鼻部203a的穿孔内，简单地实现了环形喷洒管20的安装，同时实现对绕组203端部位置的气流喷射。但可以理解，环形喷洒管20不限于穿过绕组鼻部203a的穿孔，绕组鼻部203a只是绕组203端部弯绕的位置，可知，环形喷洒管20设于绕组端部203a附近，都可以实现对绕组203端部位置进行气流的喷射。比如，设于绕组203端部的径向内侧或径向外侧或轴向外侧等(径向、轴向以铁心204为参照)，此时可设置安装环形喷洒管20的安装件。

关于铁心204的冷却，还可以做出进一步的改进。

如图24所示，图24为本发明所提供铁心204的单个叠片204a的示意图，仅示出一部分，呈扇形；图25为图24中叠片204a的单个齿部204a1的示意图；图26为图25的俯视图。

本实施例中，铁心204包括层叠设置的多个叠片204a，叠片204a包括根部204a2，叠片204a呈环形，包括环形的根部204a2，叠片204a还包括沿环形的根部204a2的外周分布的多个齿部204a1。叠片204a可以为整体式的环形，或者由多个单张扇形片拼接形成环形。叠片204a相邻的齿部204a1之间形成开口槽204a5，多个叠片204a叠置后，多个开口槽204a5相应叠置形成沿轴向延伸的通槽，作为槽80，用于容纳绕组203(图24中未示出，示于图31)。

齿部204a1的外端部形成鸠尾204a3，相邻两个204a3之间形成燕尾槽，如图24所示，鸠尾204a3即沿着径向从外向内大约呈倒梯形状，与齿部204a1主体部分形成一切口，一般也称为燕尾，则槽80在该位置处出现台阶，便于在该位置处沿轴向插入槽楔206(图中未示出)，槽楔206不会径向脱离，从而防止绕组203径向脱离，槽楔206充当堵头的基本、原始功能。

特别值得注意的是，本实施例中铁心204的至少部分叠片204a的至少部分齿部204a1，设有自齿部204a1的径向外端面，向内径向贯通的径向通槽204a4，如图24、25所示，由于径向通槽204a4的设置，叠片204a的齿部204a1形成分叉结构，区别于传统的叠片结构。需要说明的是，文中所述的径向均为铁心204的径向，也是电机的径向，轴向为铁心204的轴向、电机的轴向。

请继续参考图27，图27为本发明所提供铁心204第一实施例的原理示意图，仅示出叠片204a的齿部204a1部分(沿着定子径向外围正视冷却散热通道205的视角)，多个齿部204a1上下叠置，图27的上下高度的方向，即铁心204轴向，多个叠片204a齿部204a1对应地沿轴向叠加后，形成多个齿部204a1，图27中示出六个齿部204a1，相邻的齿部204a1之间为叠片204a形成的开口槽204a5叠置后形成的放置绕组203的凹槽30，用于容纳绕组40。

并请一并查看图28，图28为图27中I部位单个冷却散热通道205处的局部放大图，反映每层叠片204a尺寸在冷却散热通道205处的边界的变化；图29为图28中以虚线的方式显示径向通槽204a4叠置形成冷却散热通道205的原理图。

由于部分叠片204a设有径向通槽204a4，则该部分叠片204a在依序叠加后，相应位置的多个径向通槽204a4也沿轴向叠加，从而形成一通道，图28中显示自上向下的第N、N+1、N+2、N+3、N+4、N+5层叠片204a，以表达依次叠加含义，如图29所示，每一层叠片204a的径向通槽204a4均成为通道的一部分(通道的截面轮廓是依靠单张扇形片围成、或整张环形叠片204a在通道处断开特定弧度形成，不同层的叠片204a在通道沿着铁心204轴向断开特定弧度以形成圆形、椭圆形的通流截面)，径向通槽204a4径向贯通(垂直图28、29的纸面方向)，叠加形成的该通道显然也是径向贯通铁心204，所以该通道可作为冷却气流进入铁心204的冷却散热通道205。需要说明的是，文中所述的径向通槽204a4是指该通槽贯通叠片204a的径向两端，并不限定径向通槽204a4本身必须是与径向完全平行，径向通槽204a4的槽中线和径向可以平行，也可以偏离一定角度。

可见，本实施例方案以通过对至少部分叠片204a的改造，如图24所示，使其具有径向通槽204a4，不再是完整的齿部204a1(构建径向通风道的这些叠片沿着铁心204的圆周方向被断开、并断开特定的弧度，每层叠片断开的弧度不等，这样才能围成特定的通流截面，圆或椭圆)，从而通过堆叠即可形成所需的冷却散热通道205。如此，该铁心204结构不再需要焊接通风槽钢、衬口环等背景技术中所述的步骤，只是在叠加铁心204时，保证相应数量叠片204a的径向通槽204a4位置对应，叠加后能够形成冷却散热通道205即可，形成的过程实际上更为便利。

更为重要的是：撤去支撑用通风槽钢，大幅度降低了通道内流体介质传输换热过程的局部阻力损失，利于提高流速，强化通道壁面的对流换热。对于气流在通道内的强制对流传热，表面传热准则方程式：Nu_f＝0.023Re_f ^0.8Pr_f ^0.4，“Nu”为包含对流传热速率(h)的对流换热的努谢尔特数，“Re”为流体流态的雷诺数(正比流速)、“Pr”为流体的普朗特数。通常采用的支撑阻力件(通风槽钢)会导致通道流量降低，最终影响热源产热表面的换热速率降低φ＝hA(t_w-t_f)，t_w流道内铁心204表面绝缘物质的温度，t_f-冷却流体温度，A-流道内表面能够与冷却气流接触的表面面积。

尤为重要的是，由于本实施例方案中冷却散热通道205是由径向通槽204a4叠加形成的空间，而径向通槽204a4具有槽侧壁，形成的冷却散热通道205相应地具有圆周方向两侧的侧壁，如图30所述，图30为叠片204a单个齿部204a1的示意图，虚线框出的A部位即径向通槽204a4的槽侧壁(构成叠片204a的两侧壁面)，在叠加形成铁心204后，则多个A部位的槽侧壁叠加形成冷却散热通道205的侧壁。则当绕组203容纳于槽80后，绕组203的侧面与齿部204a1之间沿轴向始终存在约束。

如图27、图31理解，图31为绕组203置于槽80内的视图。在冷却散热通道205的位置，冷却散热通道205的侧壁成为该位置处绕组203的绝缘保护层的约束，阻止绕组203表面的绝缘漆脱落，改善绝缘保护层在此处经受热胀冷缩后容易出现裂缝甚至断裂、遭受风霜雨雪、盐雾的侵蚀的破坏现象，有利于维持绕组203的工作性能。

而且，由于冷却散热通道205存在侧壁，该侧壁实际上是由齿部204a1除径向通槽204a4以外的实体部分叠加形成，相邻叠片204a之间不会出现断层，还具有相互连接的部位，相较于背景技术中通过通风槽钢近乎隔断上下叠片以形成冷却通风沟的方式，显然本实施例方案还具有减少漏磁通的功能。

以上所述的铁心204至少部分叠片204a设有径向通槽204a4，以在局部位置形成冷却散热通道205，图27中，铁心204的每列齿部204a1均由上至下设有多个冷却散热通道205，每列齿部204a1的最上方冷却散热通道205位于同一轴向高度，然后由上至下依序位于同一轴向高度，相当于设置多层冷却散热通道205。这样，对应于多层冷却散热通道205以外位置的部分叠片204a则不需要再设置径向通槽204a4。

当然，铁心204的所有的叠片204a都设置径向通槽204a4也可以，冷却散热通道205设置相对密集。铁心204的所有叠片204a都设置径向通槽204a4，但叠片204a只有部分齿部204a1设置径向通槽204a4，则形成的冷却散热通道205在周向、轴向上可以错开。即，由上至下依序位于不同的轴向高度、交错设置多层冷却散热通道205。

无论叠片204a是否均设置径向通槽204a4，均不限定单个叠片204a上设置径向通槽204a4的齿部204a1数量。叠片204a的至少部分齿部204a1设有上述径向通槽204a4即可，所有齿部204a1均设置径向通槽204a4时，可以在每列齿部204a1上形成冷却散热通道205。当然，即便叠片204a不是每个齿部204a1都形成径向通槽204a4，也可以在每一列齿部204a1上形成冷却散热通道205，如上所述的冷却散热通道205在周向、轴向错开。

可以理解，在特定轴向高度区段内的叠片204a，其各齿部204a1均设置相应形状的径向通槽204a4，以形成所需的冷却散热通道205，冷却散热通道205分布较为均匀，且在装配上更易于实施，不需要额外去调整叠片204a排列的周向位置。

请继续参考图24、26，叠片204a的径向通槽204a4还沿叠片204a的厚度方向贯通叠片204a，这里的厚度方向在装配后即铁心204的轴向。且至少部分径向通槽204a4还具有连接径向通槽204a4两侧槽侧壁的连接部204a6。从冷却散热通道205的构建来说，径向通槽204a4沿厚度方向可以全部贯通，不设置连接部204a6，以实现冷却散热通道205截面的最大化设计。这里设置连接部204a6的目的，是便于装配，因为径向通槽204a4沿厚度方向全部贯通，则叠片204a相当于在径向通槽204a4的位置断开，也可以设置连接部204a6，则可以保证叠片204a在圆周上的完整性，更易于叠片204a的叠放压紧的工艺控制。

如前所述，叠片204a一般也不是完整的圆形，而是由几组扇形片拼接形成，如果径向通槽204a4沿厚度方向全部贯通，且叠片204a的各齿部204a1均设有径向通槽204a4，则叠片204a会分成若干片，叠放压紧不具备优势，设置连接部204a6为更为优选的方案。这里，连接部204a6厚度尺寸上根据实际需要设计，在满足叠片204a或者扇形片(拼接形成叠片204a)一体式的前提下，应尽可能地小，以避免增加冷却气流流动的阻力。

上述的连接部204a6可以位于叠片204a的根部204a2，如图25所示，可使铁心204叠片204a构成的齿部204a1处形成一定截面积的通道，当冷却气流沿着铁心204径向从外向内(或称为向心)流动时，便于冷却气流的进入。而连接部204a6可位于径向通槽204a4的顶部或底部，便于加工，当然，连接部204a6位于齿部204a1位置也是可行的方案。

对于位于冷却散热通道205顶部或底部的叠片204a，径向通槽204a4可以具有完整的顶部或完整的底部，以作为冷却散热通道205的顶部和底部，此时的径向通槽204a4相应地沿厚度方向只贯通顶部或底部。当然，顶部、底部的叠片204a的径向通槽204a4也可以沿厚度方向全部贯通(或者仅预留连接部204a6)，冷却散热通道205的顶部和底部由未设置径向通槽204a4的完整的齿部204a1的顶面或底面形成。

请继续参考图32、33，图32为本发明所提供铁心204第二实施例的原理示意图，仅示出叠片204a的齿部204a1部分；图33为图32中单个齿部204a1位置处的示意图。与图27实施例相同，只是每列齿部204a1形成两列冷却散热通道205。

铁心204至少部分叠片204a的至少部分齿部204a1设有两个或多于两个的径向通槽204a4，如图33所示，叠片204a的一个齿部204a1设有两个径向通槽204a4(此时的齿部204a1类似于三叉戟的形状)，这样在与该齿部204a1位置的相同轴向高度位置，上下叠置多个同样单个齿部204a1设有两个径向通槽204a4的叠片204a，则可以叠置形成两个或多于两个的冷却散热通道205。这样，同一列齿部204a1可以构建更多数量的冷却散热通道205，使得冷却气流更为均匀地进入，增加与铁心204的接触面积，提升散热性能。同一列齿部204a1的冷却散热通道205列数可根据齿部204a1规格尺寸、通风冷却需求等参数合理设定，此处不作限定，一般1列或2列冷却散热通道205即可满足要求。

多个叠置的齿部204a1，即一列齿部204a1，可设有多个沿铁心204轴向高度方向分布的冷却散热通道205，如图27、32所示，一列齿部204a1的一列冷却散热通道205的数量为4，总数为8。这样可提高在轴向上冷却散热通道205分布的均匀性，增加换热面积，提升散热性能。此时，设置径向通槽204a4的叠片204a数量增加。当然，本实施例方案也不对单列齿部204a1的冷却散热通道205数量作任何限制。

如上所述，作为进一步的技术方案，上、下相邻径向通槽204a4的宽度尺寸可以设计为不同，以使叠置形成的冷却散热通道205的横截面呈椭圆形。如图29所示，第N+2和N+3层的径向通槽204a4宽度最大，从而形成上下两端相对较窄的椭圆形。

通过合理设计径向通槽204a4的宽度尺寸变化和形成冷却散热通道205的径向通槽204a4的数量，还可以形成如图32、34所示的圆形，图34为本发明所提供铁心204第三实施例的原理示意图，仅示出叠片204a的齿部204a1部分，图36与图27基本相同，只是冷却散热通道205截面分别为椭圆形和圆形。

径向通槽204a4的侧壁的截面具有一定弧度时，形成的冷却散热通道205的截面为相对标准的圆形或椭圆形；径向通槽204a4的侧壁为平面时，形成的冷却散热通道205的截面近似为圆形或椭圆形(冷却散热通道205的侧壁具有多个上下叠片204a堆叠时形成的台阶)。

可以理解，冷却散热通道205的截面形状并不限制，还可以是矩形、方形等，为矩形、方形时，不同层的叠片204a的径向通槽204a4的尺寸可以相同，便于加工和装配。但显然，上述形成圆形或椭圆形的方案，可以减小冷却气流的流动阻力，降低输运气流的沿程阻力损失，便于冷却气流流入和流出，减少能量损失。

冷却散热通道205的冷却气流也可以由如上所述的涡流分离器10提供，涡流分离器10的冷端管段101c可直接插入冷却散热通道205内，或者接头插入所述冷却散热通道205，可成为铁心204的一部分。如图10所示，冷却气流可径向向外地穿过冷却散热通道205，并到达铁心204和磁极202之间的间隙a。当然，冷却气流也可以如背景技术所述，是内循环气流经过机舱后进行换热后形成。

请继续参考图35、36，图35为本发明所提供铁心204换热装置的总体原理示意图，视角为电机轴水平布置；图36为图35的俯视图。

从图中可看出，本发明实施例为铁心204提供了多渠道的散热，在两端设有环形喷洒器20，在中部沿径向，设有第一铁心紧固件207形成的冷却通道和径向贯通铁心204的冷却散热通道205，在轴向，设有第二铁心紧固件210形成的冷却通道。以上任一冷却方式可以单独使用，或者两者叠加使用，但显然综合使用后，散热冷却效果最优。

请在参考图8，上述实施例中，涡流分离10会分离出热气流，冷却气流在与铁心204换热后也会产生热气流，如图8中从气隙a处流出的气流，该类热气流可以通过管路接口流出，以输送至其他部件位置，比如输送至下述至少一者：叶片的前缘、叶片的后缘、轮毂、变桨轴承、机舱上部的测风支架、偏航轴承。偏航轴承设于发电机和机舱之间。对于热气流，可以输送到叶片内部前缘、叶片的后缘，以防止叶片结冰、结霜，具体可送到叶片的内部靠近前缘的内部腔体或外部，或者叶片的内部靠近后缘的内部腔体或外部。热气流还输送到机舱上部的测风支架，则可以起到干燥的作用，保持测风支架检测的灵敏度。而热气流也可以在风力发电机不工作时，输送到变桨轴承的外露表面和偏航轴承的内部、轮毂内空间或者其他部位，以起到干燥的作用，且不会增加热负荷。输送到轮毂内空间时，可设置气体滑环。可见，发电机200不再重复同时设置热源和冷源，一个装备同时发挥冷源和热源的双重作用，既是冷源，又是热源。

以上实施例中主要以发电机200的铁心204作为主要构件进行描述，可以理解，其他的电磁装置也可以采用上述各实施例的方案，比如电磁铁、变压器、电抗器、电机等，都有铁心结构，都可以利用各自的紧固件进行冷却气流的输送，也可以利用涡流分离器的冷气流和热气流，且可以利用铁心的叠片构建冷却通道，绕有绕组时，还可采用上述的环形喷洒管。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (26)

1.电磁装置的铁心(204)的换热装置，包括用于紧固铁心(204)的紧固件，其特征在于，所述紧固件设置有沿其长度方向贯通的气流通孔，冷却气流能够穿过所述气流通孔，以冷却所述铁心(204)；所述换热装置包括气流管，所述气流管插入所述气流通孔；

所述气流管和所述气流通孔的孔壁之间形成间隙，冷却气流从所述气流管和所述间隙的一者流入，另一者流出；或，所述气流管为包括内管(207b)和外管(207a)的双层管，冷却气流从所述内管(207b)和所述外管(207a)的一者流入，另一者流出；或所述气流管包括两条并列的管腔，冷却气流从一个所述管腔输入，另一所述管腔输出。

2.如权利要求1所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述气流管螺纹连接于所述紧固件的气流通孔的内壁。

3.如权利要求1所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述紧固件包括固定所述铁心(204)和铁心支架的第一铁心紧固件(207)，以及轴向拉紧所述铁心(204)的第二铁心紧固件(210)，所述第一铁心紧固件(207)和所述第二铁心紧固件(210)中至少一者设有所述气流通孔。

4.如权利要求3所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，冷气流从所述第二铁心紧固件(210)的一端输入；或，所述铁心(204)设有从所述第二铁心紧固件(210)侧壁连通所述第二铁心紧固件(210)内部的径向通道，所述冷气流通过所述径向通道输入所述第二铁心紧固件(210)，并能够从所述径向通道流出。

5.如权利要求1-4任一项所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述换热装置还包括涡流分离器(10)，所述涡流分离器(10)包括喷管(102)和涡流分离管(101)，所述涡流分离管(101)包括涡流室(101a)和分别位于所述涡流室(101a)两端的冷端管段(101c)和热端管段(101b)；所述喷管(102)连通于所述涡流室(101a)，压缩气流经所述喷管(102)形成螺旋气流且沿所述涡流室(101a)的切向流入；

所述冷端管段(101c)截面积小于所述涡流室(101a)截面积，所述热端管段(101b)截面积等于或大于所述涡流室(101a)截面积；

所述热端管段(101b)内设有具有阀口的阀门，所述阀门具有锥面，所述螺旋气流进入所述涡流分离管(101)后，所述螺旋气流的外部气流向所述阀口流动并逐渐升温为热气流后沿所述阀口流出；所述螺旋气流的中部气流经所述阀门的锥面后反向回流而降温为冷气流，并从所述冷端管段(101c)流出，作为输送至所述气流通孔的冷却气流。

6.如权利要求5所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述涡流室(101a)的一端设有通孔，所述冷端管段(101c)的管体连通于所述通孔；所述涡流室(101a)与所述热端管段(101b)一体等径设置。

7.如权利要求6所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述阀门包括锥状的节流件(103)，所述节流件(103)的锥端朝向所述冷端管段(101c)，所述节流件(103)位于所述热端管段(101b)的中部，所述节流件(103)与所述热端管段(101b)的内壁之间形成的环形间隙为所述阀口；且，所述冷端管段(101c)的轴线与所述节流件(103)的轴线重合。

8.如权利要求5所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述换热装置还包括压气机(70)，所述压气机(70)向所述涡流分离器(10)提供压缩气流。

9.如权利要求8所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述换热装置还包括冷气流母管，所述涡流分离器(10)的冷气流输入至所述冷气流母管，所述冷气流母管提供冷气流至多个所述紧固件。

10.如权利要求8所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述换热装置还包括换热器(90)；所述涡流分离器产生的部分冷气流作为冷却气流输入所述紧固件，部分冷气流进入所述换热器(90)；与所述铁心(204)换热后升温的气流，进入所述换热器(90)，与所述涡流分离器(90)产生的部分冷气流换热降温后重新进入所述压气机(70)。

11.如权利要求8所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述换热装置还包括热气流汇流管，冷却气流与所述铁心(204)换热后升温的气流汇入所述热气流汇流管。

12.如权利要求5所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述铁心(204)绕置有绕组，所述换热装置还包括环形喷洒管(20)，所述环形喷洒管(20)插入于所有绕组(203)的绕组鼻部(203a)，所述环形喷洒管(20)沿其周向设有多个喷射孔，所述涡流分离器(10)输出的所述冷气流或所述热气流输送至所述环形喷洒管(20)内。

13.如权利要求1-4任一项所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述铁心(204)绕置有绕组，所述换热装置还包括环形喷洒管(20)，所述环形喷洒管(20)环绕所有绕组(203)的端部，所述环形喷洒管(20)沿其周向设有多个喷射孔，所述环形喷洒管(20)内输入有冷气流或热气流。

14.如权利要求13所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述绕组(203)的端部弯绕处形成绕组鼻部(203a)，所述环形喷洒管(20)插入铁心(204)一端的所有的所述绕组鼻部(203a)的穿孔内。

15.如权利要求14所述的电磁装置的铁心的换热装置，其特征在于，所述喷射孔设于所述环形喷洒管(20)的内侧，或设于所述环形喷洒管(20)的内侧和中部，所述环形喷洒管(20)的外侧不设置喷射孔。

16.如权利要求15所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置，其特征在于，所述环形喷洒管(20)内设有至少一个分流管(20a)，所述冷气流或所述热气流先进入所述分流管(20a)，所述分流管(20a)从两端喷射所述冷气流或所述热气流，以引导所述热气流或所述冷气流沿所述环形喷洒管(20)的周向流动。

17.电磁装置，包括铁心(204)，其特征在于，还包括如权利要求1-15任一项所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置。

18.如权利要求17所述的电磁装置，其特征在于，其特征在于，所述铁心(204)包括层叠设置的多个叠片(204a)，所述叠片(204a)包括根部(204a2)和沿所述根部(204a2)外周分布的多个齿部(204a1)，相邻所述齿部(204a1)之间用于容纳绕组(203)；

至少部分所述叠片(204a)的至少部分齿部(204a1)，设有自所述齿部(204a1)的径向外端面向内径向贯通的径向通槽(204a4)，所述径向通槽(204a4)具有两侧的槽侧壁，多个所述叠片(204a)的所述径向通槽(204a4)叠置形成冷却散热通道(205)。

19.如权利要求18所述的电磁装置，其特征在于，所述径向通槽(204a4)，还沿所述叠片(204a)的厚度方向贯通所述叠片(204a)，至少部分所述径向通槽(204a4)还具有连接所述径向通槽(204a4)两侧的槽侧壁的连接部(102a)。

20.如权利要求19所述的电磁装置，其特征在于，所述连接部(204a6)位于所述叠片(204a)的根部(204a2)，位于所述径向通槽(204a4)的顶部或底部。

21.如权利要求18所述的电磁装置，其特征在于，至少部分所述叠片(204a)的至少部分齿部(204a1)设有两个或两个以上的所述径向通槽(204a4)，以在所述铁心的同一列齿部(204a1)的同一轴向高度位置，叠置形成两个或两个以上的所述冷却散热通道(205)。

22.如权利要求21所述的电磁装置，其特征在于，一列所述齿部(204a1)，形成多个沿轴向高度方向分布的所述冷却散热通道(205)。

23.如权利要求18所述的电磁装置，其特征在于，上、下相邻所述径向通槽(204a4)的宽度尺寸不同，以使叠置形成的所述冷却散热通道(205)的横截面呈圆形或椭圆形；所述径向通槽(204a4)的侧槽壁的截面呈弧形。

24.如权利要求17所述的电磁装置，其特征在于，所述电磁装置为电机或变压器、电抗器。

25.风力发电机组，包括发电机，发电机包括铁心，其特征在于，风力发电机组还包括权利要求1-16任一项所述的电磁装置的铁心(204)的换热装置。

26.如权利要求25所述的风力发电机组，其特征在于，穿过所述气流通孔以冷却所述铁心(204)后的气流，输送至下述至少一者：

风力发电机组的间壁式换热器；

风力发电机组的偏航系统；

风力发电机组的的变桨系统；

风力发电机组中发电机的轴承冷却系统。

Images