CN115053439A - 轴向磁通发电机冷却装置的增强 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种发电机，所述发电机包括至少一个环形定子，所述环形定子包括：具有内圆周和外圆周的环形板，一系列空心凸起从所述板的第一平面表面伸出并且排列为环绕在所述外圆周的内侧；以及多个线圈，每个线圈的位置设置成使得所述线圈的一部分围绕相关联的凸起，其中每个空心凸起在所述板的第二平面表面中具有相关联的凹槽；其中所述发电机被构造和设置成使得所述空心凸起的所述凹槽能接受冷却流体在所述凹槽中和所述凹槽内部周围引导和通过。

Description

轴向磁通发电机冷却装置的增强
技术领域
下面的发明涉及用于进一步促进轴向磁通发电机的定子内部所包含的定子线圈的冷却(特别是在本人的共同待决申请GB2,520,516和GB2538516中所述类型的发电机中使用的定子线圈的冷却)的装置。
背景技术
轴向磁通发电机，尤其是大直径和高输出的轴向磁通发电机，正在可再生能源应用中找到用途，尤其是将轴向风力涡轮机的转子所利用的机械能转换为电力。目前的设计能够将兆瓦级甚至多兆瓦级的机械能转化为电力。特别是所谓的直接驱动发电机正受到特别关注，其中发电机由涡轮机直接驱动，不需要齿轮箱。
然而，与所有的电机一样，发电行为本身产生热损失。目前为止，其中最突出的是电热损失。这些电热损失是由于发电机定子内部所包含的绕组(线圈)的I2R损失造成的。例如，在以90％的效率运行的5MW容量的大型发电机中，绕组损失导致的电热损失约为10％X5MW＝0.5MW。这就在耗散和传导这些大量不需要的热量方面带来了深刻的问题。
需要大容量的冷却装置来安全地将热量从定子线圈传送离开，以避免定子线圈过热和随之发生的包含定子线圈的整个定子架的变形和/或破坏。
因此，通常情况下，高性能发电机的性能是由这种冷却装置的实际有效程度决定或限制的，而不是由其他考虑因素例如机械能向电能的电磁转换率决定或限制的。因此，这种类型的发电机内部的冷却装置在发电机实现其最大输出能力以及安全运行方面起着至关重要的作用。用于进一步提高冷却速度的装置仍然是这种类型发电机的设计者的首要目标。
在本人的共同待决申请GB2,544,275(名称为“用于直接驱动发电机的冷却装置"，该申请的全部内容通过引用并入本文)中，描述了一种布置，其中空气被推动或引导或被推动和引导进入位于一个或多个环形定子中心的中心通风室，然后被转子分隔环中的板条引导，作为空气流在定子表面(以及事实上夹在它们中间的转子)上方径向外侧排出。因此，从围绕定子周向设置的线圈的面向外的表面轴向辐射的热量被径向跨过它们的所述空气流传送离开。
在本人的另一个共同待决申请GB18199265.5(该申请的全部内容通过引用并入本文)中，公开了进一步冷却装置，用于向这种线圈的周界侧表面提供强制冷却。
这两种冷却形式的组合是有效的，从而为线圈的前后表面以及侧面提供冷却。然而，还希望进一步增加冷却。
发明内容
本发明提供了一种环形定子，所述环形定子包括：
具有内圆周和外圆周的环形板，一系列空心凸起从所述板的第一平面表面伸出并且排列为环绕在所述外圆周的内侧；以及多个线圈，每个线圈的位置设置成使得所述线圈的一部分围绕相关联的凸起，其中每个空心凸起在所述板的第二平面表面中具有相关联的凹槽。
本发明提供了一种发电机，所述发电机包括至少一个环形定子，所述环形定子包括：具有内圆周和外圆周的环形板，一系列空心凸起从所述板的第一平面表面伸出并且排列为环绕在所述外圆周的内侧；以及多个线圈，每个线圈的位置设置成使得所述线圈的一部分围绕相关联的凸起，其中每个空心凸起在所述板的第二平面表面中具有相关联的凹槽；其中所述发电机被构造和设置成使得所述空心凸起的所述凹槽能接受冷却流体在所述凹槽中和所述凹槽内部周围引导和通过。
根据本发明，用于发电机的定子内部所包含的线圈的安装装置对于每个线圈包括空心凸起，所述线圈的(中心)部分位于所述空心凸起上，每个凸起的空心内部部分能接受冷却介质在所述空心内部部分中和所述空心内部部分内部周围引导和通过。
凸起的壁从而被冷却，并且通过围绕凸起安装的线圈的内壁的热传导，线圈也被冷却。因此，可选地，可以让本发明线圈的所有暴露的表面区域，包括其最里面的线匝被冷却。
优选地，冷却介质是空气。
根据本发明的第一方面，提供给凸起的冷却介质包括与径向推送跨过定子侧面以用于冷却定子侧面的冷却介质相同的冷却介质。
通过这种方式，径向推送的冷却介质方便地用于实现两种功能：既冷却定子的平面侧面，又冷却凸起本身。线圈的四个表面中的两个表面(即与定子的平面侧面相邻的线圈侧面)以及线圈的内部线匝因此被同一冷却介质冷却。
上述方面的组合是有效的，以确保凸起的内部被冷却介质有效地冷却，并因此将热量从安装在其凸起上的定子线圈的内部线匝传送离开。这对于确保防止“热点”特别重要，“热点”是电线圈一些部分，这些部分虽然经过了不充分的冷却，但可能局部变热，遭受损坏，并在此过程中破坏整个线圈的运行。
附图说明
现在将参照附图描述本发明，其中：
图1示出了本发明的定子的前视图；
图2详细示出了图1的单一线圈和凸起；
图3示出了定子的后视图，以及流过定子的空气流；
图4示出了将空气引导到凸起的腔中的方法；
图5a和图5b示出了凸起的另一个实施例的截面示意图。
图6以截面示出了包含气体冷却介质的直接驱动发电机；和
图7以截面示出了将冷却气体吹入发电机中的布置。
具体实施方式
参照图6，可以应用本发明的直接驱动发电机总体上以110标示。该发电机包括一系列环形转子111，这些环形转子被承载且安装在中心圆筒112上，以相对于夹在它们之间的固定定子115旋转。环形转子和固定定子是共轴的。使用机械装置(未显示)向圆筒/转子组件传递扭矩，以实现相对于定子115的所述旋转。每个转子111围绕其外表面承载以113和114示出的永磁体阵列。如图所示，相反的极横跨转子111之间的间隙彼此面对。定子各自围绕其周界承载以115a示出的线圈阵列。当在面对的磁铁113、114之间穿过的变化磁通线扫掠过定子线圈115a时，在定子线圈中产生电力。
对于某些应用，例如使用这种发电机将风能转化为电力，会发生非常大的热损失。举例来说，以95％的转换效率运行的八兆瓦发电机要在定子线圈15a绕组内耗散400,000瓦的热量。这种热量必须被系统地传送离开，特别是远离定子线圈15a，以避免出现热点以及随之发生的所述定子线圈15a的破坏。
现在再次参照图6说明如GB 2,544,275中所述的实现这一目的的方法。
每个转子111通过以116示出的中间环形套环在其任一侧上相对于转子111保持在位。这些中间环形套环抵靠转子111的径向内部区域安置。从一端到另一端纵向穿过转子111和套环16的牵引螺栓(未示出)将整个组件保持在一起。套环116以与转子111类似的方式同轴安装在中心圆筒112上并由中心圆筒承载。以箭头120示出的冷却气体(例如空气)被吹入(例如被推动或抽吸)到中心圆筒112中。中心圆筒112的远端被阻挡(未示出)，以防止气体逸出。转子111和定子15的冷却按照如下方式实现。
径向地穿过套环116且周向地围绕套环设置的气体通风口在制造时与沿着中心圆筒112定位的孔口对准。这提供了使中心圆筒112内的气体(例如在压力下)从中心圆筒112逸出并且进入间隙以经过转子111和定子115的面的直接路径，如图6中的小箭头所示。套环116的径向最外表面中的通风口的出口与定子线圈115a的一个或两个轴向端和/或永磁体113、114的一个或两个面向外的轴向端轴向对准。由于转子111的旋转，此逸出气体被有利地遍及定子115表面之上分布。气体最终从定子115表面和转子111表面之间的以118和119示出的间隙逸出。
这种布置对于包括相对较短的一系列成对的转子111和定子115(例如三对以下)的发电机来说是令人满意的。对于较长的一个系列，圆筒112内的气体压力自然地可以倾向于变得缩减，这是由于湍流和气体先前通过在前的通风口。
现在参照图7示出用于向发电机110提供冷却气体流的装置。支承转子(其中一个转子以145示出，以供参考)的圆筒112设置有(推动)风扇146，该(推动)风扇通过辅助电动马达147来皮带驱动。通过此方式，冷却气体被直接引入(推动)到由圆筒112形成的腔内。
优选地，且特别是对于长系列转子和定子发电机，通过使用两个(推动)风扇引入冷却气体，这些(推动)风扇被定位在圆筒112的每个端部处。通过此方式，双倍的气体体积被馈送到圆筒112内用于冷却目的。从两端馈送相等的气体进一步促进气体通过冷却通风口的均匀分布。
参照图1，环形定子10包括由例如板11形成的平面表面。预成型的凸起12环绕环形定子10的板的圆周。环形定子10具有内圆周和外圆周，在内圆周与外圆周之间形成凸起12。每个凸起12从板11的平面表面中的一个伸出。这些凸起12是空心的，也就是说，与每个凸起相关联的凹槽是在板11的平面表面中的另一个中形成的。
如图所示，每个凸起12的前侧可选地由封闭面(板11上安装线圈的一侧)封闭，如影线所示。以13示出的定子线圈被放置在每个凸起12上(图1中只有一些线圈13被示出在位)，每个线圈的内侧与凸起的外壁接触或非常靠近(比如说是在制成线圈的金属线的直径范围内)。
通过以下方式完成定子的制造：将盖片13a放置在凸起和线圈上，然后注入树脂粘合剂，例如环氧树脂，以填充盖片13a与板11之间的所有空隙。盖片13a可以先粘附到凸起12的封闭面上，或者可以在注入树脂的同时将盖片13a夹在板11上。这确保了线圈13与将线圈夹在中间的板11和盖片13a之间，以及线圈13的内部线匝与线圈内的凸起12的壁之间的良好热接触。完成的定子横跨A-A线以14被示意性地描绘在侧视图中。
该树脂可以是高导热树脂和/或通常用于建造电动机和发电机的类型。例如，树脂可以是专门用于将热量传导出去而开发的工业类型，例如可从Wire Electric Supplies销售的Elan-tron
Figure BDA0003691375740000051
获得的EIP 4260。EIP4260是一种双组分的环氧树脂系统，其热导率为0.6-0.7W/mK(ASTM C518)。因此，在一个实施例中，线圈被嵌入具有至少0.5W/mK热导率的材料中。
图2更详细地示出了没有盖片13a的情况下安装在其凸起16上的一个单独线圈15。
参照图3a和图3b，以17和18示出了图1的定子10的后视图。
图6的发电机包括夹在一系列转子之间的一系列间隔开的环形定子10。转子各自由环形套环分隔开。形套环限定了中心腔。提供了用于向中心腔供应冷却气体至少一个冷却气体源。贯穿环形套环的通风口为冷却气体从中心腔径向向外流过转子的侧面和环形定子的侧面提供了出口途径。通过此方式，冷却流体19(优选是空气)流从定子中心沿着线圈的侧面(轴向端部)被径向向外推送，以达到冷却线圈外表面的目的，这在本人的共同待决申请GB2,544,275号中进行了公开。
根据本发明的另一方面，其上安装定子线圈的凸起是礼帽的形状，也就是说，凸起只有一侧是开放的，所述开放侧基本上与流过定子侧面且用于冷却定子侧面的冷却流体流成一直线。通过这种布置，径向穿过凸起的开放侧的定子侧面冷却介质打旋，而不会逸出到凸起内的凹槽中，从而更有效地冷却其侧面。凸起在板11的一侧凸出。在板11的另一侧(板11的后部)，凸起是空心的。也就是说，在板11的后侧存在凹槽。凹槽与每个线圈的中心部对准，而线圈是空的(线圈是环形形状)。在一个实施例中，由凸起17形成的凹槽的深度至少是相关联的线圈13在轴向方向上的宽度的一半。如箭头22所示，凸起的凹槽(即中空的内部)能接受冷却流体在凹槽中和凹槽内部周围引导和通过。在一个实施例中，发电机被组装成使得凹槽中没有发电机的其他部件，即凹槽是空的，以使冷却流体(例如空气)在凹槽中不受限制地流动。在一个实施例中，凸起12与板11是一体成型的。也就是说，板11被形成为在其中具有凸起12，例如，凸起12被冲压到平坦的环形板中或从平坦的环形板上凸出而形成。因此，每个凸起的封闭面与板11的厚度基本相同。
图5以截面示出了另一个实施例的凸起。这里，板11和盖片13a各自具有在其中形成的浅凸起。因此，从两侧都可以进行冷却。凸起的凹槽至少是相关联的线圈13在轴向方向上的宽度的三分之一。板11和盖片13a两者中的凸起都可以看出具有礼帽截面。板11和盖片13a可以是完全相同的。
参照图5、图5a和图5b，示出了一种进一步促进空气流动以冷却定子线圈内部的布置。如图5a所示，不是使用单个凸起来定位线圈，而是有两个对称的定子面24，在这两个定子面上形成凸起25，与图1中以12示出的凸起(基本上占据了整个线圈的深度)相比，基本为线圈的轴向深度的一半。定子线圈以26示意性地示出。
当两个半体被粘合在一起时，如图5b中以27所示，每个线圈都横跨两个半体凸起安置。通过此方式，以前径向行进跨过定子表面的冷却空气28和29，由于凸起的深度较小，现在可以被更有效地引导进入由四个凸起30、31、32和33形成的半腔中。因此，凸起的内部以及由凸起支承的线圈被更有效地冷却。
板11和/盖片13a可以是由玻璃纤维制成的。
每个凸起的开放侧表面20被设置成与定子的外表面21成一直线(共面)。这种布置允许冷却流体(以下称为空气)进入每个凸起内的中心腔，如22所示，并且在环绕凸起打旋的过程中，冷却凸起的周界，并因此促进热量通过它从线圈的内部线匝传递出来。
在实践中，希望将尽可能多的空气偏转到凸起的腔中。图4中指示了这种方法，其中战略性地横跨腔定位的叶片23增加了腔内冷却空气的引导，因此更有利地冷却其内周界。凸起内的腔可以装配叶片，叶片的角度设置成进一步引导冷却介质通过并进入凸起内部和大致环绕凸起内部。通过此方式，气流被导向到凹槽的角落中，要不然的话气体会在角落停滞。在一个实施例中，叶片23从板11的平面表面的平面凸出，从而捕捉沿着平面表面流动并被偏转到由凸起形成的凹槽中的冷却流体。
在一个实施例中，凸起没有封闭面，或者封闭面中具有一个或多个开口。在一个实施例中，盖片13a中具有一个或多个开口，这些开口与凸起的开口或凸起的封闭面中的任何开口对准。这允许冷却流体从定子的一侧流到另一侧。
在一个实施例中，该至少一个环形定子具有至少一个冷却间隙，该冷却间隙用于冷却流体在环形定子内在多个线圈中的相邻线圈之间流动，该至少一个冷却间隙具有内圆周中的内开口和外圆周中的外开口，其方式基本如GB18199265.5所述。
在一个实施例案中，该至少一个冷却间隙容纳了用于输送冷却流体的密封通道。
在一个实施例中，密封通道由非磁性材料形成，该非磁性材料的热导率至少为0.5W/mK，优选至少为1W/mK，更优选至少为10W/mK。
许多的变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (12)

1.一种发电机，包括至少一个环形定子，所述环形定子包括：
具有内圆周和外圆周的环形板，一系列空心凸起从所述板的第一平面表面伸出并且排列为环绕在所述外圆周的内侧；以及
多个线圈，每个线圈的位置设置成使得所述线圈的一部分围绕相关联的凸起，
其中每个空心凸起在所述板的第二平面表面中具有相关联的凹槽；
其中所述发电机被构造和设置成使得所述空心凸起的所述凹槽能接受冷却流体在所述凹槽中和所述凹槽内部周围引导和通过。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述至少一个环形定子还包括盖片，所述线圈被夹在所述盖片与所述板之间。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其中所述线圈被嵌入具有至少0.5W/mK热导率的材料中。
4.根据权利要求1、2或3所述的发电机，其中所述凸起在截面上具有礼帽的形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机，其中所述凸起的所述凹槽的深度至少是所述线圈的轴向宽度的三分之一，优选是所述线圈的轴向宽度的一半。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发电机，其中所述至少一个环形定子还包括叶片，所述叶片可选地径向跨过所述凸起的开口侧，以将平行于所述板流动的冷却流体引导至相关联的空心凹槽中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电机，其中所述至少一个环形定子还包括至少一个冷却间隙，所述冷却间隙用于冷却流体在所述环形定子内在所述多个线圈中的相邻线圈之间流动，并且所述冷却间隙从所述内圆周延伸到所述外圆周。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发电机，其中每个环形定子的所述板和空心凸起是一体成型的。
9.根据任一项前述权利要求所述的发电机，包括：
一系列所述的至少一个环形定子，所述环形定子被相互间隔开，并且每个环形定子被夹在一系列转子中的两个转子之间，所述转子各自由环形套环分隔开，所述环形套环限定了中心腔；
至少一个冷却气体源，用于向所述中心腔供应冷却气体；
贯穿所述环形套环的通风口，用于为所述冷却气体从所述中心腔径向向外流过所述转子和所述环形定子提供出口途径。
10.根据权利要求9所述的发电机，其中所述通风口被构造和设置成使得在使用时来自所述通风口的所述冷却气体进入所述凹槽。
11.根据权利要求9或10所述的发电机，其中所述至少一个冷却气体源包括用于将冷却气体推入所述中心腔中的一个或多个风扇。
12.根据权利要求11的发电机，还包括中心轴，所述转子和所述环形套环被承载在所述中心轴上；并且
所述一个或多个风扇被安装在所述中心轴上。
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