CN114374287B - 一种凸极电机转子空内冷通风结构组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电机散热技术领域，尤其涉及一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，包括带有磁极安装段的实心转轴，磁极安装段呈正棱柱结构，磁极安装段的每个侧平面上分别设置有一个包括磁极铁芯和铜排层的磁极单元，磁极单元的迎风侧和背风侧分别设置有通风系统；通风系统包括轴向进风通道和若干个排风单元，排风单元包括开设于磁极铁芯上，并与轴向进风通道设置相通的若干垂向导风通道，每个垂向导风通道对应若干个开设于铜排层上的横向排风通道。本技术方案在无需转子支架和磁轭提供磁轭径向通风道的条件下，也能保证空气流过转子磁极线圈内部的合适通风量，并可有效提高转子磁极的散热效果，解决凸极调相机因磁极热负荷取值大带来的散热问题。

Description

一种凸极电机转子空内冷通风结构组件

技术领域

本发明属于发电机散热技术领域，尤其涉及一种凸极电机转子空内冷通风结构组件。

背景技术

调相机作为一种动态无功功率补偿装置，可根据系统需求自动快速调节无功功率，提升电力系统可靠性和稳定性。凸极调相机是一种调节无功功率的凸极电机，具备快速的无功响应速度是调相机需具备的一项重要特征，要提高其无功响应速度，需要提高凸极调相机磁极的电密和热负荷，但较高的磁极电密和热负荷会引起磁极温升过高。

常规凸极电机的磁极电密和热负荷取值较低，采用空气吹拂磁极外表面的方式来冷却，该冷却方式的磁极与空气换热发生在磁极线圈外侧表面，冷却效率不高。另外，磁极极间空隙的空气在惯性力作用下会贴向转子迎风侧表面流动，迎风面的冷却效果比背风面好，造成磁极背风面温度比迎风面高、磁极的表面温度分布不均的情况。

凸极电机转子磁极电密和热负荷增加后，仅靠空气表面冷却方式无法满足散热需求，技术上可以在空气表面冷却的基础上，通过增加空内冷实现磁极线圈的强化冷却。有关凸极电机转子空内冷技术的中国专利文献中，公开号CN205791875U，公开日2016年12月07日的专利文献公开了一种凸极电机磁极线圈内冷导风装置，包括转子支架、磁轭和若干磁极，磁极挂装在磁轭外表面，磁轭内表面与转子支架连接，所述磁轭片间形成径向通风道，磁极线圈每层载流排上或相邻载流排之间沿其宽度方向设有过流通道，过流通道与磁轭通风道连通形成磁极线圈内冷通风道，所述磁轭通风道中设置导风片，导风片将磁轭通风道外径出风口分为2～3个出风道，其中2个出风道分别与对应位置的磁极线圈内冷通风道的入口相邻。通过在磁轭通风道中设置导风片，将进入磁极线圈内冷通风道和磁极间的冷却气体的风路独立分开，增强了对磁极线圈的冷却效果。但该装置的适用范围具有局限性，即需要转子支架和磁轭等必要结构件提供通风所必须的离心压头和足够数量的磁轭径向通风道，保证空气流过转子磁极线圈内部的合适通风量；要求在磁轭通风道内安装导风片来具体调节转子迎背风侧的风量分配，对于没有转子支架和磁轭等结构特征的转子，该装置不再适用。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，可有效提高转子磁极的散热效果，为无转子支架的凸极电机转子提供了一种有效的空内冷结构，解决凸极调相机因磁极热负荷取值大带来的散热问题，为提高凸极调相机暂态无功响应速度创造了条件。

具体通过以下技术方案实现：

一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：包括实心转轴和磁极单元；所述实心转轴包括磁极安装段，且磁极安装段呈包含有至少四个侧平面的正棱柱结构，磁极安装段的每个侧平面上分别设置有一个磁极单元；磁极单元的迎风侧和背风侧相互平行，且分别垂直于所在的磁极安装段侧平面，磁极单元的迎风侧和背风侧分别设置有一个通风系统；所述磁极单元包括与磁极安装段直接连接的磁极铁芯，磁极铁芯上缠绕有作为磁极线圈的铜排层；所述通风系统包括轴向进风通道和若干个沿轴向进风通道延伸方向间隔设置的排风单元，轴向进风通道与电机转轴的中心轴相互平行；排风单元包括开设于磁极单元上的若干垂向导风通道，每个垂向导风通道对应若干个开设于铜排层上的横向排风通道；垂向导风通道与相应磁极单元所在的磁极安装段侧平面相互垂直，且垂向导风通道与所在通风系统的轴向排风通道设置相通；横向排风通道垂直于所在磁极单元的迎风侧和背风侧，且横向排风通道与对应垂向排风通道设置相通。

优选的，所述磁极铁芯与实心转轴一体设置。

优选的，所述磁极铁芯挂装于实心转轴的磁极安装段上。

优选的，所述轴向进风通道呈贯穿开设于实心转轴磁极安装段的侧平面上，并处于磁极单元的铜排层下方的进风槽体结构，且该进风槽体结构的横截面呈梯形、“V”字形、半圆形或矩形。

优选的，所述磁极铁芯上一体设置有帽檐结构，所述铜排层处于帽檐结构与所在磁极安装段的侧表面之间。

优选的，所述进风槽体结构为全程深度一致的光滑直通槽或全程深度分段递减的分段阶梯槽。

优选的，所述磁极单元背风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度，至少为磁极单元迎风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度的两倍。

优选的，垂向导风通道开设于磁极铁芯与铜排层之间。

优选的，所述横向排风通道由开设于铜排层中相邻两匝铜排上的缺口配合而成，且在一个排风单元中，相邻两个横向排风通道隔匝布置。

本技术方案带来的有益效果：

1）本技术方案通过设置独有的通风系统结构，打破了现有技术存在的局限性，在无需转子支架和磁轭等结构件提供磁轭径向通风道的条件下，也能保证空气流过转子磁极线圈内部的合适通风量，尤其适用于没有转子支架和磁轭等结构特征的转子。

2）本技术方案通过将轴向进风通道和垂向导风通道设置成相应的槽体结构，缩短冷却空气在通风系统中的流经路程，确保冷却空气快速到达磁极线圈，降低了冷却空气所流经路程的长度对最终散热效果造成的影响 ；另外，通过限定进风槽体结构（轴向进风通道）的横截面结构，降低了通风系统的加工难度。

3）本技术方案中，横向排风通道由开设于铜排层中相邻两匝铜排上的缺口配合而成，且在一个排风单元中，相邻两个横向排风通道隔匝布置，确保了铜排层中每匝铜排的连续性以及铜排层的牢固性。

4）本技术方案结构简单巧妙，易于加工，且制造成本低，相对于现有技术中通过安装导风片来调节风量分配，本技术方案具体通过限定磁极铁芯背风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度与迎风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度的关系，实现调节相应背风侧与迎风侧的风量分配比例，进一步增强了磁极线圈最高温度区域的冷却效果，有效降低了磁极线圈的最高温度和提高磁极线圈温度分布的均匀性。综上所述，本技术方案可有效解决凸极调相机因磁极热负荷取值大带来的散热问题，为提高凸极调相机暂态无功响应速度创造了条件。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：

图1为本技术方案的轴视结构示意图；

图2为本技术方案的正面剖视结构示意图；

图3为磁极单元的径向剖视结构示意图；

图4为磁极单元的轴向部分剖视结构示意图；

图5为本技术方案一种基本结构的侧面部分剖视结构示意图；

图6为本技术方案一种优选结构的侧面部分剖视结构示意图；

图7为横向排风通道的结构示意图。

图中：

1、实心转轴；1.1、磁极安装段；1.1.1、侧平面；2、磁极单元；2.1、磁极铁芯；2.2、帽檐结构；2.3、铜排层；2.3.1、铜排； 3、轴向进风通道；4、排风单元；4.1、垂向导风通道；4.2、横向排风通道。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，包括实心转轴1和磁极单元2；实心转轴1包括磁极安装段1.1，且磁极安装段1.1呈包含有至少四个侧平面1.1.1的正棱柱结构，磁极安装段1.1的每个侧平面1.1.1上分别设置有一个磁极单元2；磁极单元2的迎风侧和背风侧相互平行，且分别垂直于所在的磁极安装段1.1侧平面1.1.1，磁极单元2的迎风侧和背风侧分别设置有一个通风系统；磁极单元2包括与磁极安装段1.1直接连接的磁极铁芯2.1，磁极铁芯2.1上缠绕有作为磁极线圈的铜排层2.3；通风系统包括轴向进风通道3和若干个沿轴向进风通道 3延伸方向间隔设置的排风单元4，其中，排风单元4主要分布于磁极线圈温度相对高的区域。轴向进风通道 3与电机转轴的中心轴相互平行；排风单元4包括开设于磁极单元2上的若干垂向导风通道4.1，每个垂向导风通道4.1对应若干个开设于铜排层2.3上的横向排风通道4.2，其中，垂向导风通道4.1和横向排风通道4.2的数量根据磁极线圈的长度以及所需的通风量来决定。垂向导风通道4.1与相应磁极单元2所在的磁极安装段1.1侧平面1.1.1相互垂直，且垂向导风通道4.1与所在通风系统的轴向排风通道设置相通；横向排风通道4.2垂直于所在磁极单元2的迎风侧和背风侧，且横向排风通道4.2与对应垂向排风通道设置相通。

其中，轴向进风通道 3可为贯穿实心转轴1磁极安装段1.1设置的穿孔结构，垂向导风通道4.1可设置于磁极铁芯2.1的内部，另外，可将磁极铁芯2.1与实心转轴1一体设置，减少通风系统中的结构间隙，严格管理冷却空气的流向，确保对磁极线圈的冷却效果。

本实施例在实际运用中，通过本技术方案特有的通风系统实现对电机转子的有效散热，具体的，针对每个磁极单元2，通风系统中设置于实心转轴1上的轴向进风通道 3、设置于磁极铁芯2.1上的垂向导风通道4.1和设置于铜排层2.3上的横向排风通道4.2配合构成了可靠的空内冷风通路，依靠电机中实心转轴1两端安装的风扇压头元件，以及实心转轴1旋转时，轴向进风通道 3到横向排风通道4.2的垂向（垂直于所在磁极安装段1.1侧平面1.1.1的方向）高度差产生的离心压头，驱动冷却空气从轴向进风通道 3流进，经过垂向导风通道4.1后，从横向排风通道4.2中流出，如此实现对磁极线圈的内部冷却。综上所述，本技术方案通过设置独有的通风系统结构，打破了现有技术存在的局限性，在无需转子支架和磁轭等结构件提供磁轭径向通风道的条件下，也能保证空气流过转子磁极线圈内部的合适通风量，尤其适用于没有转子支架和磁轭等结构特征的转子。

实施例2

本实施例公开一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，作为本技术方案一种优选的实施方案，包括实心转轴1和磁极单元2；实心转轴1包括磁极安装段1.1，且磁极安装段1.1呈包含有至少四个侧平面1.1.1的正棱柱结构，如图1和图2所示，可包含6个侧平面1.1.1，具体的，磁极安装段1.1的侧平面1.1.1数量可根据实心转轴1径向尺寸的增大而增加；磁极安装段1.1的每个侧平面1.1.1上分别设置有一个磁极单元2；磁极单元2的迎风侧和背风侧相互平行，且分别垂直于所在的磁极安装段1.1侧平面1.1.1，磁极单元2的迎风侧和背风侧分别设置有一个通风系统；磁极单元2包括与磁极安装段1.1直接连接的磁极铁芯2.1，磁极铁芯2.1上缠绕有作为磁极线圈的铜排层2.3，通风系统包括轴向进风通道 3和若干个沿轴向进风通道 3延伸方向间隔设置的排风单元4，轴向进风通道 3与电机转轴的中心轴相互平行；排风单元4包括开设于磁极单元2上的若干垂向导风通道4.1，每个垂向导风通道4.1对应若干个开设于铜排层2.3上的横向排风通道4.2；垂向导风通道4.1与相应磁极单元2所在的磁极安装段1.1侧平面1.1.1相互垂直，且垂向导风通道4.1与所在通风系统的轴向排风通道设置相通；横向排风通道4.2垂直于所在磁极单元2的迎风侧和背风侧，且横向排风通道4.2与对应垂向排风通道设置相通。

其中，为了便于加工，并尽可能的缩短冷却空气在通风系统中的流经路程，垂向导风通道4.1设置于磁极铁芯2.1与铜排层2.3之间，距离横向排风通道4.2足够近，具体的，可根据通风量大小在以下三种结构中选择任意一种： 1）在磁极铁芯2.1表面开设导风槽作为径向导风通道；2）在铜排层2.3的内侧开设导风槽作为径向导风通道；3）在磁极铁芯2.1表面和铜排层2.3的内侧分别设置导风槽，磁极铁芯2.1表面和铜排层2.3内内侧的导风槽配合构成径向导风通道。其中，铜排层2.3内侧易于加工，作为优选，将垂向导风通道4.1加工在铜排层2.3内侧。另外，轴向进风通道 3呈贯穿开设于实心转轴1磁极安装段1.1的侧平面1.1.1上，并处于磁极单元2的铜排层2.3下方的进风槽体结构，且该进风槽体结构的横截面呈梯形、“V”字形、半圆形或矩形，前述几种情况进风槽体结构，其槽口尺寸大于或等于槽底尺寸，便于与垂向导风通道4.1设置相通。

进一步的，磁极单元2采用T尾或鸽尾挂装于实心转轴1的磁极安装段1.1上，磁极铁芯2.1底部与侧平面1.1.1紧密接触，将轴向进风通道 3的表面进行密封覆盖，可防止进入磁极内部的空气逸出，形成良好的、密闭的进风条件。所述磁极铁芯2.1上一体设置有帽檐结构2.2，所述铜排层2.3处于帽檐结构2.2与所在磁极安装段1.1的侧表面之间，帽檐结构2.2可阻挡空气经过垂向导风通道4.1径向逸出，迫使空气只能流入横向排风通，形成完整的通风系统。

进一步的，考虑到磁极单元2迎风侧的散热条件比背风侧的好，磁极铁芯2.1背风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度应大于迎风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度，以达到合理分配横向（横向排风通道4.2的延伸方向）空气流量、增强磁极线圈背风侧空内冷效果的目的，作为优选，磁极单元2背风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度，至少为磁极单元2迎风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度的两倍。

进一步的，进风槽体结构为全程深度一致的光滑直通槽或全程深度分段递减的分段阶梯槽，轴向进风槽的结构可根据磁极线圈的长短和磁极线圈最高温度分布情况在光滑直通槽和分段阶梯槽中进行优选。如：对于磁极线圈长度较短，可考虑在1.5米以内，背风侧的轴向进风通道 3和迎风侧的轴向进风通道 3均加工为光滑直通槽，如图5所示。对于磁极线圈长度较长，可考虑在1.5米以上，背风侧的轴向进风通道 3和迎风侧的轴向进风通道 3均加工为分段阶梯槽，也就是在靠近进风通道入口的前段加工深度大于后段加工深度，如图6所示。这样有利于降低风道入口段的风阻，使更多风量进入磁极内部。

进一步的，排风单元4的数量也可根据磁极线圈的长短和磁极线圈最高温度分布情况来优选。由于磁极线圈的中部冷却效果较差，排风单元4主要集中分布在磁极中部附近，如图5所示。对于磁极线圈长度达2米以上的，除了集中分布在磁极中部附近外，磁极线圈中部以外区域可适量分散布置多处排风单元4，如图6所示，一般离中部距离越远，排风单元4的数量越少，以使磁极线圈在长度方向的温度均匀。

进一步的，为确保铜排层2.3中每匝铜排2.3.1的连续性和铜排层2.3的牢固性，横向排风通道4.2由开设于铜排层2.3中相邻两匝铜排2.3.1上的缺口配合而成，且在一个排风单元4中，相邻两个横向排风通道4.2隔匝布置。

本技术方案结构简单巧妙，易于加工，且制造成本低，不仅通过设置独有的通风系统结构，打破了现有技术存在的局限性，在无需转子支架和磁轭等结构件提供磁轭径向通风道的条件下，也能保证空气流过转子磁极线圈内部的合适通风量，而且相对于现有技术中通过安装导风片来调节风量分配，本技术方案具体通过限定磁极铁芯2.1背风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度与迎风侧对应通风系统中的轴向进风槽深度的关系，实现调节相应背风侧与迎风侧的风量分配比例，同时合理布置排风单元4的数量，进一步增强了磁极线圈最高温度区域的冷却效果，有效降低了磁极线圈的最高温度和提高磁极线圈温度分布的均匀性。综上所述，本技术方案可有效解决凸极调相机因磁极热负荷取值大带来的散热问题，为提高凸极调相机暂态无功响应速度创造了条件，也为其它应用场合的凸极电机提供了一条解决磁极散热的技术途径。

Claims (7)

1.一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：包括实心转轴（1）和磁极单元（2）；

所述实心转轴（1）包括磁极安装段（1.1），且磁极安装段（1.1）呈包含有至少四个侧平面（1.1.1）的正棱柱结构，磁极安装段（1.1）的每个侧平面（1.1.1）上分别设置有一个磁极单元（2）；磁极单元（2）的迎风侧和背风侧相互平行，且分别垂直于所在的磁极安装段（1.1）侧平面（1.1.1）；磁极单元（2）的迎风侧和背风侧分别设置有一个通风系统；

所述磁极单元（2）包括与磁极安装段（1.1）直接连接的磁极铁芯（2.1），磁极铁芯（2.1）上缠绕有作为磁极线圈的铜排层（2.3）；

所述通风系统包括轴向进风通道（ 3）和若干个沿轴向进风通道（ 3）延伸方向间隔设置的排风单元（4）；轴向进风通道（ 3）与电机转轴的中心轴相互平行，轴向进风通道（ 3）呈贯穿开设于实心转轴（1）磁极安装段（1.1）的侧平面（1.1.1）上，并处于磁极单元（2）的铜排层（2.3）下方的进风槽体结构，且该进风槽体结构的横截面呈梯形、“V”字形、半圆形或矩形；所述磁极单元（2）背风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度，至少为磁极单元（2）迎风侧对应通风系统中的进风槽体结构深度的两倍；排风单元（4）包括开设于磁极单元（2）上的若干垂向导风通道（4.1），每个垂向导风通道（4.1）对应若干个开设于铜排层（2.3）上的横向排风通道（4.2）；垂向导风通道（4.1）与相应磁极单元（2）所在的磁极安装段（1.1）侧平面（1.1.1）相互垂直，且垂向导风通道（4.1）与所在通风系统的轴向排风通道设置相通；横向排风通道（4.2）垂直于所在磁极单元（2）的迎风侧和背风侧，且横向排风通道（4.2）与对应垂向排风通道设置相通。

2.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述磁极铁芯（2.1）与实心转轴（1）一体设置。

3.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述磁极铁芯（2.1）挂装于实心转轴（1）的磁极安装段（1.1）上。

4.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述磁极铁芯（2.1）上一体设置有帽檐结构（2.2），所述铜排层（2.3）处于帽檐结构（2.2）与所在磁极安装段（1.1）的侧表面之间。

5.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述进风槽体结构为全程深度一致的光滑直通槽或全程深度分段递减的分段阶梯槽。

6.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述垂向导风通道（4.1）开设于磁极铁芯（2.1）与铜排层（2.3）之间。

7.如权利要求1所述一种凸极电机转子空内冷通风结构组件，其特征在于：所述横向排风通道（4.2）由开设于铜排层（2.3）中相邻两匝铜排（2.3.1）上的缺口配合而成，且在一个排风单元（4）中，相邻两个横向排风通道（4.2）隔匝布置。