CN1298092C - 电机转子用的气体冷却端部绕组和端部绕组冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种气体冷却的电机，包括一个有一主体部分、沿轴向延伸的线圈、端部绕组的转子和多个设置在这些端部绕组之间的隔离块，使得在互相邻近的端部绕组和隔离块之间限定多个空腔。为了冷却这些端部绕组，至少一个隔离块具有一个沿径向延伸的导管，该导管有一个出口开孔，该出口开孔设置成大体上沿该相邻空腔的中心区的方向引导冷却气体流过其间。

Description

电机转子用的气体冷却端部绕组和端部绕组冷却方法

技术领域

本发明涉及一种结构和方法，用于通过引导多股冷却气体进入转子端部线圈之间的空腔空间以产生多个相互作用的循环小室和引导的气流喷射而增强发电机转子的冷却。

背景技术

由于施加在导电体绝缘层上的温度限制，电机(dynamoelectricmachime)如大型涡轮发电机的功率输出额定值常受提供通过转子磁场绕组的附加电流的能力的限制。因此，转子绕组的有效冷却直接有助于发电机的输出能力提高。这对于转子端部区域更是如此，因为，由于这些发电机的特有结构，这些区域直接的强制冷却很困难也很昂贵。因为占优势的市场趋势要求效率更高、可靠性更高、成本更低而功率密度更高的发电机，所以，转子端部区域的冷却成为一个限制因素。

涡轮发电机转子通常由安装在转子的槽中的同心长方形线圈组成。线圈的端部部分(通常称为端部绕组)超越转子主体的支架，它们通常由一个止动环(见图1)支承而克服转动力。在同心的线圈端部绕组之间断续地安置一些支承块，以保持相对位置和增加对轴向负载如热负载的机械稳定性(见图2)。此外，铜线圈沿径向受到在其外径上的止动环的限制，止动环抵消离心力。隔离块和止动环的存在造成暴露于铜线圈的多个冷却区域。主要冷却路径是在主轴和端部绕组底部之间沿轴向的。并且，在线圈之间由于线圈、支承块的限制表面和止动环结构的内表面而形成分立的空腔。端部绕组暴露于冷却剂，冷却剂由从端部绕组下方沿径向来的转动力驱动而进入这些空腔(见图3)。这种热传导往往是低的。这是因为，按照从计算流体动力分析法计算的在一个单独的转动的端部绕组空腔中的气流路线，冷却剂气流流入该空腔、通过主要循环区域和从空腔流出。通常，该循环导致低的热传导系数，特别是在靠近空腔中心处。因此，虽然这是一种端部绕组中排热的方法，但它的的效率相当低。

已经使用各种方案来规定附加的冷却气体通过转子端部区域的路线。所有这些冷却方案都依靠：(1)在铜导体中通过在导体中刻槽或形成通道来直接制造冷却通道，然后将气体泵抽到发电机的某些其它区域，和/或(2)利用添加挡板、气流通道和泵抽部件来产生压力相对较高或较低的区域，从而迫使冷却气体通过导体表面上方。

某些系统穿入高度受力的带有径向洞孔的转子止动环，以允许冷却气体沿转子端部绕组被直接泵抽和排入气体间隙，但是此类系统由于与止动环有关的高机械应力和疲劳寿命的考虑，用途只能有限。

如果使用传统的转子端部强制冷却方案，在转子结构上增加了相当大的复杂性和费用。例如，直接冷却导体必须机加工或制造成形成冷却通道。此外，必须提供出口管道，以便将气体排放到转子中的某个地方。该强制冷却方案要求将转子端部区域划分为分开的压力区，需要增加许多档板、气流通道和泵抽部件，这又一次增加了复杂性和费用。

如果不使用这些强制的或直接的冷却方案，那么转子端部绕组就被动冷却。被动冷却依赖于转子的离心力和转动力来在同心转子绕组之间形成的封闭的静止的端部空腔中循环气体。转子端部绕组的被动冷却有时候也称为“自由对流”冷却。

被动冷却的优点是复杂性和费用最小，虽然当与直接冷却和强制冷却的主动系统相比时排热能力减小。进入同心的转子绕组之间的空腔的任何冷却气体必须通过同一开孔流出，因为这些空腔是以别的方式封闭的—一个典型空腔的四个“侧壁”是由同心的导体和隔开导体的绝缘块形成的，而支承端部绕组抵抗转动的止动环形成“底”(径向向外)壁。冷却气体从导体和转子主轴之间的环形空间流入。空腔中的气体循环速度低，能够流入和离开这些空间的气体量有限，因此排热受到限制。

在通常的配置中，端部区域中的冷却气体还没有完全加速到转子速度，也就是，冷却气体以部分转子速度转动。因为流体是依靠转子和流体之间的相对速度撞击而被驱入一个空腔的，所以热传导系数通常在靠近相对于气流方向为下游的隔离块处达到最高—在该处流体带着高的动量进入而流体冷却剂是最冷的。在空腔周边的周围热传导系数通常也是高的。空腔中心受到最小的冷却。

增大被动冷却系统的排热能力将增大转子的气流携带能力，从而在保持低成本、简单和可靠的构造的同时增大发电机的额定功率容量。

美国专利No.5,644,179，其供参考而引用的公开内容描述一种方法，用于通过提高大的单个气流循环小室的气流速度来增大热传导，提高气流速度的办法是将附加的冷却气流沿同一方向直接引入自然出现的气流小室。这示于图4和5中。虽然该法通过增大循环小室的强度而增加空腔中的热传导，但转子空腔的中心区仍然保留低速度和因此造成的低的热传导。角落区域内仍然同样保持低的热传导。

发明内容

本文描述的发明克服了一个单独的大的循环小室在增大热传导方面所固有的困难。本发明不是像USP 5,644,179中描述的那样沿单个循环小室的方向喷射冷却气流，而是描述若干种产生多个穿入空腔中心区的循环小室的方法，由此在否则会没有冷却气流的区域内显著增大热传导。空腔的角落区域也得到同样的好处。

例如，本发明的端部绕组装置和方法通过产生多个循环小室和冷却射流大大提高了转子端部绕组空腔的所有区域中的热传导性能。通过消除转子冷却作用的孔区，显著地增加了冷却的全面有效性，由此增大了发电机的功率额定值。该系统费用低、易于安装而耐用，由此对一个复杂课题提供一种实用的解决方法，对功率发电机的市场销售能力作出贡献。

因此，本发明提供了一种气体冷却的电机，包括：一个具有主体部分的转子，所述转子具有一些沿轴向延伸的线圈和一些沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一端的端部绕组；多个设置在所述端部绕组之间的隔离块；多个被限定在互相邻近的端部绕组和隔离块之间的空腔；至少一个所述隔离块具有一个在其内限定的沿径向延伸的导管，所述导管在一个入口开孔和一个出口开孔之间延伸；以及其中，所述出口开孔设置在一个面对与其邻近的空腔的所述至少一个隔离块的表面中，所述出口开孔被限定在所述隔离块的一个中间区段中，从而大体上沿所述空腔的一个中心区域的方向喷出所述冷却气流，所述入口开孔是在所述至少一个隔离块的沿周边方向的表面上形成的。

本发明还提供了一种冷却电机内端部绕组的方法，该电机包括：一个具有主体部分、沿轴向延伸的线圈和沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一个端部的端部绕组的转子；多个设置在所述端部绕组之间的隔离块；以及多个被限定在互相邻近的端部绕组和隔离块之间的空腔；该方法包括：提供具有一个在其中限定的沿径向延伸的导管的至少一个所述隔离块，所述导管在一个入口开孔和一个出口开孔之间延伸，所述出口开孔设置在面对与其相邻的空腔的所述至少一个隔离块的一个表面中，所述出口开孔被限定在所述隔离块的一个中间区段中；以及转动所述转子，使得一个压头驱动一股冷却气体通过所述入口开孔进入所述沿径向延伸的导管和通过所述出口开孔进入一个相应的空腔，从而大体上沿所述空腔的中心区域喷出所述冷却气流，其特征在于，有多个出口开孔，至少一个所述出口开孔和所述转子轴线成小于90度的夹角被定向，从而使冷却气体撞击在一个与其相邻的端部绕组上。

附图说明

结合附图，仔细研究本发明目前优选的示范性实施例的下列更详细的描述，将更完全地理解和评价本发明的上述和其它目的和优点，附图中：

图1是一种电机转子的端部匝数区域的一部分的横截面图，该转子与定子成而对面的关系；

图2是沿图1中2-2线截取的电机转子的顶视横截面图；

图3是表示流入和通过端部绕组空腔的被动气流的简图；

图4是按照美国专利No.5,644,179中公开的本发明第一实施例的转子端部匝数区域的一部分的部分省略透视图；

图5是表示美国专利No.5,644,179的本发明第二实施例的转子端部匝数区域的一部分的部分省略透视图；

图6是例示本发明的一个实施例中用于产生多个循环小室的装置和方法的部分横截面图；

图7是表示用于产生多个循环小室以增大热传导的另一装置和方法的部分横截面图；

图8是表示用于产生多股冷却气流以增大热传导的本发明又一实施例的部分横截面图；以及

图9是表示本发明又一实施例的沿图8中9-9线截取的视图。

具体实施方式

参照附图，其中同一标号表示所有各图中同一部件，图1和2表示一种气冷电机的转子10，其中也包括一个围绕转子的定子12。该转子包括一个中心安置在转子主轴16上的大致圆筒体部分14，它有沿轴向对置的两端面，其一个端面的一部分18示于图1。该圆筒体部分有多个环绕间隔的沿轴向延伸的槽20，用以容纳同心排列的线圈22，后者构成转子绕组。为清楚起见，仅示出5个转子线圈，虽然实际上常使用更多个。

具体地说，在每个槽中叠置多个导杆24，它们构成转子绕组的一个部分。相邻的导杆由绝缘层22隔开。叠置的导杆通常由楔形物26(图1)保持在槽中，导杆用铜之类导电材料制成。导杆24在圆筒体部分的每个对置端部处通过端部匝数27相互连接，后者沿轴向延伸越过端面而形成叠置的端部绕组28。这些端部匝数也由绝缘层隔开。

详细参照图1，在圆筒体部分的每个端部处的端部匝数的周围设置一个止动环30，用于使端部绕组克服离心力保持就位。该止动环固定在圆筒体部分的一端处，并向外延伸到转子主轴16上方。一个定心环32附着在止动环30的远端上。应当注意到，止动环30和定心环32可以用别的方式安装，如该技术中已知的。定心环32的内径沿径向与转子主轴16隔开，以形成一个气体入口通道34，而端部绕组28与主轴16隔开，以形成一个环形区36。多个沿槽20形成的轴向冷却通道38通过环形区36与气体入口通道34成流体连通，以便将冷却气体传递给线圈22。

转到图2，转子10的每个端部处的端部绕组28环绕地由多个间隔件或隔离块40沿轴向隔开。(为图示清楚起见，图1中未示出隔离块)。隔离块是长形的绝缘材料块，安置在相邻端部绕组28之间的空间内，延伸越过端部绕组的全径向深度而进入环形间隙36。因此，端部匝数(此后端部绕组)的同心叠置层之间的空间被分成一些空腔。这些空腔在顶部由止动环30限制，而在四面由相邻的端部绕组28和相邻的隔离块40限制。如图1中最清楚地看到的，这些空腔的每一个通过环形区36与气体入口通道34成流体连通。一部分通过气体入口通道34进入端部绕组28和转子主轴16之间的环形区36的冷却气体因而进入空腔42，在那里循环，然后返回到端部绕组和转子主轴之间的环形区36。空气流用图1和3中的箭头表示。

在转动发电机空腔中起作用的固有泵抽作用和转动力产生一个大的单个气流循环小室，如图3中简略表示的。这个气流循环小室在靠近空腔周边处呈现其最高速度，由于空腔中心区内固有的低速而给中心区留下不充分的冷却。如可以图3中所见，大面积的角落区域也冷却不充分，因为气流小室的循环运动并不将冷却气流带入角落。

现在参照图6，图中例示体现本发明的转子端部绕组的一个部分区段，表示空腔142，其转动方向用箭头X指示。在图6例示的实施例中，每个隔离块140设有一个内部冷却气流导管144，该导管在该实施例中有一个在相应空腔142的中心区处的隔离块中的排出孔或出口开孔146，使得冷却剂气流压空腔中产生一对相对转动的循环小室，从而在空腔的所有区域中形成提高的热传导，包括中心区和角落区域这两个通常设有冷却剂气流的区域。

每个冷却导管144沿隔离块140的长度安置，因此相对于转子轴线沿径向取向。该导管从端部绕组28的沿径向向内的或在绕组28下方的一个点延伸到端部绕组径向高度的大体中心处的一个点，因此形成一个通道，冷却气体可以通过该通道从端部绕组28和转子主轴16之间的环形区36流入空腔142。确切地说，每个导管144从位于隔离块140的径向向内端部附近的一个入口开孔150延伸到位于沿隔离块长度的大约半中间处的一个出口开孔146。入口开孔150设置在隔离块的一个沿周边取向的上游表面，以接受冷却气流。如图6中所见，在该示范性实施例中，该入口开孔设置在隔离块的在端部绕组下方延伸的部分上，从而与端部绕组28和转子主轴16之间的环形区域36成流体连通。该出口开孔146也设置在隔离块的一个沿周边取向的表面上，并与由隔离块限定的一个空腔142成流体连通。

冷却气流由因气体进入转子端部区域的相对速度造成的撞击压力和转子的离心泵抽而沿径向被驱动通过隔离块。如上所述，冷却剂气体被引导通过隔离块中的排出孔150进入相邻空腔的中心区。这个被引导的冷却剂射流在空腔中产生一对相对转动的循环小室。然后该对小室驱动附加的循环小室，在空腔的所有区域中提供增大的热传导，包括中心区和否则会没有冷却剂气流的空腔角落。该主要的冷却剂射流增加热传导性能，并如图所示从转动的空腔流出。

在操作中，转子的转动会使冷却气体被抽引通过气体入口通道34(图1)而进入端部绕组和转子主轴之间的环形区36(图6)。冷却气体受抽引通过入口开孔150进入导管144。导管144中的冷却气体从各自的出口开孔146排入相应的空腔。该出口开孔位于空腔的一个大约径向中间点处，使得冷却剂气流从块中的导管144被引入空腔142的中心区。这产生多个循环小室而不仅仅一个大的循环小室，在空腔的中心和空腔的所有其它区域形成增大的热传导。产生多个循环小室有利于从空腔的所有部分排热，包括中心区和先有技术的单个循环小室往往会旁路通过的角落区域。

图7表示本发明的另一个实施例，其中支承块将冷却射流从相对方向射入每个空腔，由此加强相对转动的小室和提供甚至更多的通过气流。更确切地说，图7表示转子端部绕组的一个部分区段，表示空腔242具有用箭头X指示的转动方向。在该实施例中，每个隔离块240设有一个内部冷却气体导管244，用于在空腔内部产生多个循环小室，以增大排热。像第一实施例的导管一样，每个冷却气体导管244相对于转子沿径向取向，并从端部绕组28沿径向内部或绕组28下方的一个点延伸到靠近隔离块中心区的一个点。这些导管因此提供通道，对于这些通道，冷却气体可以从端部绕组28和转子主轴16之间的环形区域36流入空腔242的中心区。确切地说，每个导管244从位于隔离块沿径向向内端部附近的一个入口开孔250延伸到位于靠近隔离块240的中心区和相应空腔的第一和第二出口开孔246、248。该入口开孔设置在隔离块的沿周边取向的表面上，以接受用箭头A指示的冷却剂气流。如图7中所见，入口开孔250设置在隔离块的在端部绕组28下方延伸的部分上，从而与端部绕组28和转子主轴16之间的环形区36成流体连通。如上所述，在该实施例中，设置第一和第二出口开孔246、248，一个设置在隔离块240的每个沿周边取向的表面上，因而与受隔离块限制的相应空腔242成流体连通。其次，在例示的实施例中，在径向导管244中设置一个隔板252，形成隔离块中沿周边相邻的第一和第二沿径向的导管通道部分254、256。如果认为需要或想要，该隔板可以延伸到用标号258标示的通道的周边部分中，使得冷却剂气流以大体相等的量合适地偏转到各自的通道部分254、256，从而流出各自的出口开孔246、248。冷却剂气流从空腔的两个周边侧面从有导管的隔离块240被引导到每个空腔242的中心区。这产生多个更强的循环小室，在空腔中心和空腔的所有其它区域形成增强的热传导。此外又一次，冷却剂气流由于撞击压力和离心泵抽而受到驱动流入有导管的隔离块。

图8表示本发明的一个实施例，其中多个排气孔对空腔的所有区域提供冷却剂气流，再一次通过克服由转动空腔内自然出现的单个大的循环小室所产生的固有的热传导困难而增大热传导。

更详细地说，图8表示一个显示周边相邻空腔342的转子端部绕组的部分区段，转动方向用箭头X指示。按照该实施例，每个隔离块340设有一个内部冷却导管344，用于引导冷却气流到空腔的大体上所有区域，以增大热传导。像第一和第二实施例的导管一样，每个冷却气体导管相对于转子沿径向取向，并从设置在端部绕组28径向内部或该绕组28下方的一个入口开孔350延伸。但是，与先有的实施例不同，该冷却气体导管延伸到靠近止动环30的一个点，而多个出口360、362、364被限定在沿冷却气体导管长度的间隔位置处。确切地说，每个导管从位于隔离块的径向内端附近的一个入口开孔350延伸到多个出口开孔，后者包括一个设置在沿隔离块340长度约三分之一处的第一出口开孔360、一个设置在沿出口的长度约三分之二处的第二出口开孔362和一个设置在邻近止动环30的第三出口开孔364。通过引导冷却剂气流通过多个排气孔，产生多股冷却气流而不是像先有技术的一个大的循环小室，由此在所有区域中提供更均匀的热传导，包括否则会缺乏冷却剂气流的中心区。

也应当注意到，虽然在图8的实施例中例示出三个排气孔，但按照该实施例，至少设置两个这样的排气孔，因此可以设置多于或少于图示的三个排气孔。如又一个类似于图7中例示的第二实施例的替代方案，可以设定多个排气孔，从隔离块的每个周边方向中的冷却导管延伸，以引导气流进入由隔离块限制的每个相应空腔，从而进一步保证冷却气流通过空腔的充分分配。

在图8的实施例中，排气孔或出口开孔360、362、364大体上沿周边引导冷却剂气流，因此设置在一个相对于转子轴线成约90度角的平面内。图9中示出的横截面图代表图8实施例的另一形式。图9表示对图8的多个冷却射流的改变和改进，办法是引导这些射流，使其直接撞击转动空腔的受热壁，由此甚至更加增大热传导。

因此，该实施例大体上对应于图8的实施例，不同的是隔离块440中的通道444的排气通道462(图9上仅示出其中一个)是倾斜的，使其被限定在一个相对于转子轴线成＜90度角的平面内，以使冷却射流直接撞击在端部绕组28上。从而增大热传导。这些排气通道可以引导冷却气体到沿轴向相邻的两个转子端部绕组之一上，或者是，一个或多个排气通道可以引导冷却射流向着一个沿轴向相邻的转子端部绕组，而一个或多个其它排气孔可以引导其相应的冷却射流向着限制空腔的两个转子端部绕组中的另一个。在另一方案中，沿周边相邻的隔离块可以引导冷却射流到相应变动的转子端部绕组上。从上述考虑显然可以采用冷却射流引导的气流的其它变换和复合。

如可从图2中看到的，端部绕组之间的空腔包括沿周边取向的或“端部条带状”空腔和轴向的线圈侧边空腔。应当注意到，虽然在图6-8中示出端部条带状空腔，但本发明同样适用于轴向的线圈侧边空腔。这些空腔之间的主要差别在于，轴向线圈侧边空腔的取向与转动方向横交，而端部条带状空腔的取向是沿转动方向的。这意味着，轴向速度分量和周边速度分量对空腔的关系是相反的，即周边速度分量垂直于空腔，而轴向速度分量平行于空腔。因此，在这样一种取向中，入口开孔和出口开孔的取向互相成90度，使得入口面对周边方向，而出口面对轴向。

虽然本发明是按照目前最实用最优选的实施例描述的，但可以理解，本发明并不限于已公开的实施例，相反，本发明预期包括处在后附的权利要求书的精神实质和范围内的各种修改和等价的配置。

Claims (13)

1.一种气体冷却的电机，包括：

一个具有主体部分的转子，所述转子具有一些沿轴向延伸的线圈和一些沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一端的端部绕组；

多个设置在所述端部绕组之间的隔离块；

多个被限定在互相邻近的端部绕组和隔离块之间的空腔；

至少一个所述隔离块具有一个在其内限定的沿径向延伸的导管，所述导管在一个入口开孔和一个出口开孔之间延伸；以及

其中，所述出口开孔设置在一个面对与其邻近的空腔的所述至少一个隔离块的表面中，所述出口开孔被限定在所述隔离块的一个中间区段中，从而大体上沿所述空腔的一个中心区域的方向喷出所述冷却气流，所述入口开孔是在所述至少一个隔离块的沿周边方向的表面上形成的。

2.权利要求1的电机，其特征在于，所述入口开孔的位置邻近所述至少一个隔离块的径向内端。

3.权利要求1的电机，其特征在于，所述出口开孔是在所述至少一个隔离块的沿周边取向的表面上形成的。

4.权利要求1的电机，其特征在于，多个所述隔离块中的每个隔离块具有一个在其中形成的沿径向延伸的导管。

5.权利要求1的电机，其特征在于，有多个出口开孔，至少一个所述出口开孔大体上沿所述空腔的中心区域的方向喷出所述冷却气流。

6.权利要求1的电机，其特征在于，还包括：

所述转子还具有一主轴；

所述端部绕组和所述主轴限定一个在其间的空间；

所述隔离块的内部导管从所述端部绕组和所述主轴之间的所述空间延伸到一个位于相应的端部绕组之间的空腔；

以及

所述导管的出口开孔被设置在所述隔离块中，从而沿所述空腔的中心区域的方向喷出所述冷却气流。

7.权利要求6的电机，其特征在于，多个所述隔离块中的每个隔离块具有一个在其中形成的内部导管。

8.权利要求6的电机，其特征在于，有多个出口开孔，至少一个所述出口开孔大体上沿所述空腔的中心区域的方向喷出所述冷却气流。

9.权利要求8的电机，其特征在于，还包括一个围绕所述端部绕组设置的止动环，其中，所述内部导管从一个沿径向由所述端部绕组向内的点延伸到一个靠近所述止动环的点。

10.权利要求8的电机，其特征在于，至少一个所述出口开孔和所述转子轴线成小于90度的夹角度取向，从而使冷却气体撞击在一个与其相邻的端部绕组上。

11.一种冷却电机内端部绕组的方法，该电机包括：一个具有主体部分、沿轴向延伸的线圈和沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一个端部的端部绕组的转子；多个设置在所述端部绕组之间的隔离块；以及多个被限定在互相邻近的端部绕组和隔离块之间的空腔；该方法包括：

提供具有一个在其中限定的沿径向延伸的导管的至少一个所述隔离块，所述导管在一个入口开孔和一个出口开孔之间延伸，所述出口开孔设置在面对与其相邻的空腔的所述至少一个隔离块的一个表面中，所述出口开孔被限定在所述隔离块的一个中间区段中；以及

转动所述转子，使得一个压头驱动一股冷却气体通过所述入口开孔进入所述沿径向延伸的导管和通过所述出口开孔进入一个相应的空腔，从而大体上沿所述空腔的中心区域喷出所述冷却气流，

其特征在于，有多个出口开孔，至少一个所述出口开孔和所述转子轴线成小于90度的夹角被定向，从而使冷却气体撞击在一个与其相邻的端部绕组上。

12.一种如权利要求11中的方法，其特征在于，有多个出口开孔，由此冷却气体被引入所述至少一个隔离块的每个侧面上的空腔中。

13.一种如权利要求11中的方法，其特征在于，有多个出口开孔，由此冷却气体被引向所述空腔的径向外部、径向内部和中心区域。

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