CN114257009A - 具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于凸极电机冷却技术领域，具体涉及一种具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机。本发明旨在解决现有磁极线圈的冷却通风结构的冷却效果差的问题。为此目的，在本发明中磁极线圈的多个线匝中至少一个设置成通风匝，与通风匝的通风槽相邻的匝间绝缘将通风槽的开口遮蔽以形成的由进风槽口至出风槽口之间延伸的冷却风道。当凸极电机工作时，转子在旋转过程中形成的风流沿转子的径向流动并依次由支架、磁轭吹向磁极，然后进入磁极线圈与磁极铁芯之间的气隙，再经冷却风道的进风槽口进入通风槽，最后从出风槽口排出，从而通过对磁极线圈内部进行冷却，实现了提高磁极线圈的冷却效果的目的。

Description

具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机

技术领域

本发明属于凸极电机冷却技术领域，具体涉及一种具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机。

背景技术

凸极电机转子磁极上的主要结构部件包括磁极铁心、磁极压板和磁极线圈等。其中磁极线圈套于磁极铁心外，内部通有励磁电流。磁极铁心用于将磁极线圈产生的磁场增强，同时还对磁极线圈起到固定支撑作用。按制造方法不同，磁极线圈分为绕制式和焊接式。中小型电机的励磁线圈一般采用扁绕铜排制成。大型凸极同步电机的磁极线圈则采用焊接铜排的方式，其中每一匝都需要拼焊。

在凸极电机运行过程中，励磁线圈通电发热，温度升高。常规的凸极电机磁极冷却方式一般为空气冷却。冷却空气在转子旋转产生的风压头作用下，从转子支架经由磁轭吹向转子磁极，并在磁极线圈表面与磁极线圈发生热交换，将磁极线圈的热量带走，从而实现对磁极线圈的冷却。

但随着大型凸极电机单机容量的不断增加，其电磁负荷和热负荷也随之增加，但运行温度过高轻则降低绝缘寿命，重则可能烧毁绕组。另外由于发电机结构件受到的热应力增加，严重时甚至会威胁到机组的安全运行。如果沿用传统的通风冷却结构，由于其较低的冷却空气利用率，需要大幅增加冷却风量才能满足冷却需要。特别是在高海拔地区的应用，由于空气密度降低，循环风量需要进一步加大，对于自通风冷却结构而言，也意味着转子转速要加大。但风量的增加一方面会继续降低热交换效率，另一方面会引起通风损耗的大幅增加，限制了电机效率的进一步提升，因此必须采取有效的通风冷却措施来增加电机的散热能力。

换而言之，现有的冷却风道通常形成在磁极线圈的外表面，对磁极线圈的冷却效果有限，特别是对于大型凸极电机而言，其单机容量大，电磁负荷和热负荷高，对冷却效果提出了更高的要求，而现有的磁极冷却结构不能满足此类凸极电机的冷却要求。

相应地，本领域需要一种具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有磁极线圈的冷却通风结构的冷却效果差的问题，本发明提供了一种具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机。

一方面，本发明提供了一种具有内部冷却结构的磁极线圈，所述磁极线圈包括多个线匝以及在每相邻的两个所述线匝之间设置的匝间绝缘，多个所述线匝用于沿着转子的径向叠放并顺次串联在磁极铁芯的极身上；多个所述线匝中至少一个设置成通风匝；所述通风匝在其朝向和/或背向所述转子的转轴的第一侧壁上设置有通风槽，且在其朝向所述极身的第二侧壁上设置有与所述通风槽连通的进风槽口；所述通风匝在其背向所述极身的第三侧壁上设置有与所述通风槽连通的出风槽口；与所述通风匝的通风槽相邻的匝间绝缘将所述通风槽的开口遮蔽以形成由所述进风槽口至所述出风槽口之间延伸的冷却风道。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述进风槽口设置在所述第二侧壁沿其自身的长度方向的中部或者在其一端的设定距离位置。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述第二侧壁上沿其自身的长度方向设置有多个所述进风槽口，所述第三侧壁上设置有分别与多个所述进风槽口连通的多个所述出风槽口；所述第二侧壁上距离其自身的长度方向的第一端最近的进风槽口与连接在所述第一端的第三侧壁上距离所述极身最近的所述出风槽口之间形成有所述通风槽；多个所述进风槽口中距离所述第二侧壁在其自身的长度方向的第一端的距离越远的进风槽口对应的连接在所述第一端的第三侧壁上的所述出风槽口以及对应的所述冷却风道与所述极身的距离越远。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述磁极线圈的中部设置有一个所述通风匝；或者，所述磁极线圈中间隔设置有多个所述通风匝。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，一个所述进风槽口与一个所述出风槽口之间连通有多条所述通风槽。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述线匝由两根平行于所述转轴的轴向铜排以及两根垂直于所述转轴的周向铜排连接成矩形状。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述通风匝中轴向铜排上设置有沿其自身的长度方向延伸的所述通风槽，所述周向铜排上设置有与所述通风槽连通的出风槽口。

作为本发明提供的上述磁极线圈的一种优选的技术方案，所述冷却风道的横截面形状为方形、梯形、半圆形和腰形中的任一种。

在另一方面，本发明提供了一种转子，该转子包括转轴、支架、磁轭、磁极铁芯和以上任一技术方案中所述的磁极线圈。

在又一方面，本发明提供了一种凸极电机，该凸极电机包括定子和以上任一技术方案中所述的转子。

在本发明提供的上述具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机中，该磁极线圈的多个线匝中至少一个设置成通风匝，该通风匝的第一侧壁上设置有通风槽，第二侧壁上设置有与通风槽连通的进风槽口，第三侧壁上设置有与通风槽连通的出风槽口；与通风匝的通风槽相邻的匝间绝缘的朝向通风槽的外壁将通风槽的开口遮蔽以形成由进风槽口至出风槽口之间延伸的冷却风道。当凸极电机工作时，转子在旋转过程中形成的风流沿转子的径向流动并依次由支架、磁轭吹向磁极，然后进入磁极线圈与磁极铁芯之间的气隙，再经冷却风道的进风槽口进入通风槽，最后从出风槽口排出，从而通过对磁极线圈内部进行冷却，实现了提高磁极线圈的冷却效果的目的。

此外，在本发明提供的上述具有内部冷却结构的磁极线圈、转子和凸极电机中，通风匝的第二侧壁上沿其自身的长度方向设置有多个进风槽口，第三侧壁上设置有分别与多个进风槽口连通的多个出风槽口；第二侧壁上距离其自身的长度方向的第一端最近的进风槽口与连接在该第一端的第三侧壁上距离极身最近的出风槽口之间形成有通风槽；多个进风槽口中距离第二侧壁在其自身的长度方向的第一端的距离越远的进风槽口对应的连接在该第一端的第三侧壁上的出风槽口以及对应的冷却风道与极身的距离越远。如此，通过该方式可以在一个通风匝上设置多个进风槽口以及与之对应的多个通风槽和出风槽口，并能够形成更多的冷却风道。冷却空气可以由一个通风匝的不同进风槽口分别进入多个冷却风道，使得单个通风匝与冷却空气的接触面积更多，从而进一步提高了磁极线圈的冷却效果。

附图说明

下面参照附图并结合来描述本发明的磁极线圈、转子和凸极电机。附图中：

图1为本实施例的转子的结构示意图；

图2为本实施例的磁极的结构示意图；

图3为本实施例的磁极线圈的结构示意图；

图4为本实施例的磁极线圈中通风匝与匝间绝缘配合的爆炸图；

图5为本实施例的通风匝的两个轴向铜排的第二侧壁上分别设置有两个进风槽口的结构示意图。

附图标记列表

1-磁极线圈；

11-通风匝；

111-第一侧壁；1111-通风槽；

112-第二侧壁；1121-进风槽口；

113-第三侧壁；1131-出风槽口；

114-第一接头；115-第二接头；

12-匝间绝缘；

2-磁极铁芯；

3-气隙；

4-转子；41-转轴；42-支架；43-磁轭。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，尽管说明书中是冷却风道来描述的，但是，本发明显然可以使用许多种的冷却风道，如方形冷却风道，但这里并不拘泥于方向冷却风道这一种冷却风道，也可以是梯形冷却风道、半圆形冷却风道等，只要该冷却风道能够实现对磁极通风冷却即可。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有磁极线圈的冷却通风结构的冷却效果差的问题，本实施例提供了一种如图2-5所示的具有内部冷却结构的磁极线圈1，以及如图1所示的应用了该磁极线圈1的转子4，并提供了一种凸极电机。

本实施例提供磁极线圈1能够应用于如图1所示的转子4中，该转子4包括转轴41、支架42、磁轭43、磁极铁芯2以及本实施例作出改进的磁极线圈1。需要说明的是，关于本实施例提供的磁极线圈1的详细结构请参照下文的说明。如图1所示，在该转子4中，转轴41的环向周壁上连接有支架42，支架42的外端连接有与转轴41同轴的磁轭43，磁轭43上绕转子4的轴向连接有多个磁极铁芯2，每个磁极铁芯2的外部均有沿其轴向设置并套装于磁极铁芯2上的磁极线圈1。

此外，上述的转子4还能够用于凸极电机中，在一种凸极电机中，该凸极电机包括机座、端盖、定子和上述的转子4，机座的两端分别连接有一端盖，位于机座内的转子4的一端由一个端盖向外伸出，端盖对转子4起到支撑作用，定子连接在机座的内壁上，转子4转动设置在定子中间。

可以理解的是，本实施例中的凸极电机可以为发电机、电动机和调相机中的任一种。在凸极电机工作过程中，磁极线圈1通电之后产生旋转磁场作用于转子4形成磁电动力旋转扭矩，使转子4相对于定子作旋转运动，同时转子4转动时会产生沿背离转子4的径向向外的风流，即该风流依次由支架42、磁轭43吹向磁极，其中，该磁极指的是磁极铁芯2以及绕设在磁极铁芯2的极身上的磁极线圈1。

一方面，本实施例提供了一种磁极线圈1，如图2和图3所示，该磁极线圈1包括多个线匝以及在每相邻的两个线匝之间设置的匝间绝缘12，多个线匝用于沿着转子的径向叠放并顺次串联在磁极铁芯2的极身上；多个线匝中至少一个设置成通风匝11；该通风匝11在其朝向和/或背向转轴41的(或者说是转子4的轴线)的第一侧壁111上设置有通风槽1111 (如图2中沿X轴方向的箭头即示出了磁极铁芯2的极身的延伸方向)，如图4和图5所示，且通风匝在其朝向极身的第二侧壁112上设置有与通风槽 1111连通的进风槽口1121；通风匝11在其背向极身的第三侧壁113上设置有与通风槽1111连通的出风槽口1131；与通风匝11的通风槽1111相邻的匝间绝缘12将通风槽1111的开口遮蔽以形成由进风槽口1121至出风槽口1131之间延伸的冷却风道。即，该匝间绝缘12的朝向通风槽的外壁将通风槽1111的开口遮蔽。

示例性地，本实施例附图4和5中均是以一个通风匝11配合一个匝间绝缘12的为例进行说明的，该匝间绝缘12可以为树脂条、橡胶条以及棉纱条等，只要其具有绝缘功能以及能够将通风槽上的开口遮蔽即可。

本实施例的磁极线圈1可以为绕制式，也可以为焊接式。一般情况下，中小型凸极电机的磁极线圈1采用扁绕铜排制成，大型凸极同步电机的磁极线圈1则采用焊接铜排的方式，其中每一个线匝都需要拼焊。如图2至图5中示出的线匝均为矩形，且每个线匝由两根平行于转轴41的轴向铜排(即图中的长边铜排)以及两根垂直于转轴41的周向铜排(即图中的短边铜排)连接成矩形状，即由两根短边铜排和两根长边铜排拼焊而成，在图2至图5中，磁极线圈1也可以看成是由各铜排沿着磁极铁芯2的极身的周向螺旋式依次串联形成；且图中的通风匝11均是以在轴向铜排或称为长边铜排上设置通风槽为例进行说明的，该通风槽1111是平行于转子4的轴向的。

如图2至图5中示出的通风匝11中，通风匝11在其轴向铜排朝向和/或背向转子4的转轴41的一面设有通风槽1111，通风匝11在其轴向铜排朝向磁极铁芯2的极身一侧开有与通风槽连通进风槽口1121；通风匝11 的周向铜排在沿转子4轴向的端面处设置有与通风槽连通的出风槽口 1131，通风匝中轴向铜排与相邻的匝间绝缘12之间形成冷却风道。

其中，通风匝11中的轴向铜排上设置有沿其自身的长度方向延伸的通风槽1111，周向铜排上设置有与该通风槽连通的出风槽口1131。如此，能够缩短风流由进风槽口1121进入冷却风道至出风槽口1131之间的距离，有利于保证磁极线圈1的冷却效果。

如图4和图5所示，在矩形通风匝11中两个短边铜排或称为周向铜排中的一个断开并形成有第一接头114和第二接头115，以与其前后相邻的两个线匝串联，以此来形成磁极线圈1。

本实施例的磁极线圈1中一般包含多个线匝，可以理解的是，磁极线圈1中沿着磁极铁芯2的极身的延伸方向的第一个线匝和最后一个线匝中必然有一个因缺乏与其相邻的一个匝间绝缘12，使得其即使设置通风槽1111也无法形成冷却风道，故其中有一个无需设置通风槽1111。除此之外，磁极线圈1的其他线匝均可以设置成通风匝11来提高磁极线圈 1的冷却效果。

作为本实施例提供的上述磁极线圈1的一种优选的实施方式，可以再磁极线圈1的中部设置有一个通风匝11；或者，也可以在磁极线圈 1中间隔设置有多个通风匝11。可以理解的是，通风匝11的数量增多可以在磁极线圈1的多层进行冷却，从而提高对磁极线圈1的冷却效果。

在本实施例提供的上述具有内部冷却结构的磁极线圈1、转子4和凸极电机中，该磁极线圈1的多个线匝中至少一个设置成通风匝11，该通风匝11的第一侧壁111上设置有通风槽1111，第二侧壁112上设置有与通风槽1111连通的进风槽口1121，第三侧壁113上设置有与通风槽1111 连通的出风槽口1131；与通风匝11相邻的匝间绝缘12的朝向通风槽的外壁将通风槽1111的开口遮蔽以形成由进风槽口1121至出风槽口1131之间延伸的冷却风道。当凸极电机工作时，转子4在旋转过程中形成的风流沿转子4的径向流动并依次由支架42、磁轭43吹向磁极，然后进入磁极线圈 1与磁极铁芯2之间的气隙3，再经冷却风道的进风槽口1121进入通风槽 1111，最后从出风槽口1131排出，从而通过对磁极线圈1内部进行冷却，实现了提高磁极线圈1的冷却效果的目的。

作为本实施例提供的上述磁极线圈1的一种优选的实施方式，如图4中，进风槽口1121是设置在第二侧壁112沿其自身的长度方向的中部，但在具体实施时，进风槽口1121可以设置在第二侧壁112沿其自身的长度方向的中部或者在其一端的设定距离位置。

在图4中可以看到，一个进风槽口1121与第一侧壁111上两侧的两条通风槽1111均连通，且每条通风槽1111均与其延伸方向上对应的第三侧壁113上的一个出风槽口1131连通。并且，在图4中均是在矩形通风匝11的两条长边上均设置这样的进风槽口1121、通风槽1111和出风槽口1131。可以理解的是，在短边铜排上也可以设置这样的进风槽口1121、通风槽1111和出风槽口1131，来实现对磁极线圈1进行冷却的目的。

此外，两条或者多条通风槽1111可以共用一个进风槽口1121 以及出风槽口1131，换而言之，一个进风槽口1121与一个出风槽口1131 之间可以连通有多条通风槽1111。

作为本实施例提供的上述磁极线圈1的一种优选的实施方式，如图5所示，在矩形通风匝11的两个长边上均设置有通风槽1111，在此处仅以其中一个长边铜排为例作示例性说明。

在图5所示的通风匝11中，在一个长边的第二侧壁112上设置有两个进风槽口1121，两个进风槽口1121分别通过位于其一侧的通风槽 1111与位于其一侧的第三侧壁113上的出风槽口1131连通。如此，通过增加进风槽口1121的数量，能够提高一个通风匝11上的通风量或者载流量，如此也能够进一步提高磁极线圈1的冷却效果。

可以理解的是，虽然附图5是以在矩形通风匝11的一个长边上设置两个进风槽口1121为例进行说明的，但是我们还可以在矩形通风匝11的一个长边上设置更多的进风槽口1121，以实现对磁极线圈1进行更好的冷却的目的。

具体地，第二侧壁112上沿其自身的长度方向设置有多个进风槽口1121，第三侧壁113上设置有分别与多个进风槽口1121连通的多个出风槽口1131；第二侧壁112上距离其自身的长度方向的第一端最近的进风槽口1121与连接在该第一端的第三侧壁113上距离磁极铁芯2的极身最近的出风槽口1131之间形成有通风槽1111；多个进风槽口1121中距离第二侧壁112在其自身的长度方向的第一端的距离越远的进风槽口1121对应的连接在该第一端的第三侧壁上的出风槽口1131以及对应的冷却风道与磁极铁芯2的极身的距离越远。

如此，通过上述方式可以在一个通风匝11上设置多个进风槽口1121以及与之对应的多个通风槽1111和出风槽口1131，并能够形成更多的冷却风道。冷却空气可以由一个通风匝11的不同进风槽口1121分别进入多个冷却风道，使得单个通风匝11与冷却空气的接触面积更多，从而进一步提高了磁极线圈1的冷却效果。

需要说明的是，本实施例对冷却风道的横截面形状不作具体的限定或者要求，该通风槽1111或者冷却风道的横截面为方形、梯形、半圆形和腰形中的任一种。

在本实施例中，根据不同凸极电机对冷却需求的不同，可设置不同深度的通风槽1111、进风槽口1121以及出风槽口1131，但同时考虑磁极线圈1结构的要求，通风匝11上的通风槽1111的深度应小于通风匝 11自身的厚度。如此，通过设置不同深度的通风槽1111、进风槽口1121 以及出风槽口1131，一方面可以调节通风匝11中冷却风流的通过量，另一方面可以调节通风匝11与冷却风流的接触面积，从而实现不同的冷却效果。需要说明的是，各个通风匝11上通风槽1111的深度可以相同也可以不同。

在另一方面，本实施例提供了一种转子4，如图1所示，该转子4包括转轴41、支架42、磁轭43、磁极铁芯2以及如图2至图5所示的磁极线圈1。

在又一方面，本实施例提供了一种凸极电机，该凸极电机包括定子和的如图1所示的转子4。

需要说明的是，本实施例提供的转子4和凸极电机均是以使用上述提供的磁极线圈1为前提的。该凸极电机及转子4的结构请参考前述的说明，且不作具体的限定。只要该转子4或者凸极电机使用了上述实施例中的磁极线圈，其自然具有该磁极线圈所带来的冷却效果较好的优点。

当然，上述可以替换的实施方式之间、以及可以替换的实施方式和优选的实施方式之间还可以交叉配合使用，从而组合出新的实施方式以适用于更加具体的应用场景。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有内部冷却结构的磁极线圈，其特征在于，所述磁极线圈包括多个线匝以及在每相邻的两个所述线匝之间设置的匝间绝缘，多个所述线匝用于沿着转子的径向叠放并顺次串联在磁极铁芯的极身上；

多个所述线匝中至少一个设置成通风匝；所述通风匝在其朝向和/或背向所述转子的转轴的第一侧壁上设置有通风槽，且在其朝向所述极身的第二侧壁上设置有与所述通风槽连通的进风槽口；

所述通风匝在其背向所述极身的第三侧壁上设置有与所述通风槽连通的出风槽口；

与所述通风匝的通风槽相邻的匝间绝缘将所述通风槽的开口遮蔽以形成由所述进风槽口至所述出风槽口之间延伸的冷却风道。

2.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，所述进风槽口设置在所述第二侧壁沿其自身的长度方向的中部或者在其一端的设定距离位置。

3.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，

所述第二侧壁上沿其自身的长度方向设置有多个所述进风槽口，所述第三侧壁上设置有分别与多个所述进风槽口连通的多个所述出风槽口；

所述第二侧壁上距离其自身的长度方向的第一端最近的进风槽口与连接在所述第一端的第三侧壁上距离所述极身最近的所述出风槽口之间形成有所述通风槽；

多个所述进风槽口中距离所述第二侧壁在其自身的长度方向的第一端的距离越远的进风槽口对应的连接在所述第一端的第三侧壁上的所述出风槽口以及对应的所述冷却风道与所述极身的距离越远。

4.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，所述磁极线圈的中部设置有一个所述通风匝；或者，

所述磁极线圈中间隔设置有多个所述通风匝。

5.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，一个所述进风槽口与一个所述出风槽口之间连通有多条所述通风槽。

6.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，所述线匝由两根平行于所述转轴的轴向铜排以及两根垂直于转轴的周向铜排连接成矩形状。

7.根据权利要求6所述的磁极线圈，其特征在于，所述通风匝中的轴向铜排上设置有沿其自身的长度方向延伸的所述通风槽，所述周向铜排上设置有与所述通风槽连通的出风槽口。

8.根据权利要求1所述的磁极线圈，其特征在于，所述冷却风道的横截面形状为方形、梯形、半圆形和腰形中的任一种。

9.一种转子，其特征在于，所述转子包括转轴、支架、磁轭、磁极铁芯和权利要求1至8中任一项所述的磁极线圈。

10.一种凸极电机，其特征在于，所述凸极电机包括定子和权利要求9所述的转子。

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