用于增强转子空腔热传递的间隔块铲状结构

摘要

本发明提供了一种气体冷却的电机，其包括：转子(10)；具有轴向延伸的线圈(22)和同心的端绕组(28)的转子绕组；以及被设置在相邻的端绕组(28)之间的多个间隔块(140，240)，用于限定多个空腔(142，242)，每个空腔以相邻的间隔块(140，240)和相邻的端绕组(28)为边界。为了提高磁场端绕组区域的铜端匝(27)的热传递速度，设置至少一个铲状结构(156，256)，其和至少一个间隔块(140，240)的面向空腔的表面(144，244)的径向内端相邻，用于截取并重新引导冷却剂流进入各个空腔(142，242)。间隔块本身可以具有弯曲的上游和/或下游表面(244，262)，以利于循环冷却剂流。

说明书

发明背景

本发明涉及一种用于增强发电机转子的冷却的结构，其中通过把较大量的冷却剂流导入旋转的端绕组空腔来增加其中的热传递。

因为电导体绝缘的温度限制，电机例如大的涡轮发电机的功率输出额定值通常受到提供给转子磁场绕组的附加的电流的能力的限制。因此，转子绕组的有效的冷却直接贡献于电机的输出能力。转子端部的区域尤其如此，在转子端部区域，由于这些电机的典型的结构，直接的强制的冷却是困难而昂贵的。流行的市场趋势要求具有较低成本的高效率和高可靠性、高动率密度的发电机，转子端部区域的冷却成为一个限制因素。

涡轮发电机的转子一般由安装在转子槽中的同心的矩形线圈构成。线圈的端部(通常称为端绕组)处于转子主体的支撑之外，一般由固定环支撑着来抵抗旋转力(图1)。在同心线圈端绕组之间间隔地设置有支撑块，以便保持相对位置并增加对于轴向负荷例如热负荷的机械稳定性(图2)。此外，铜线圈由其外径上的固定环在径向约束，所述固定环克服离心力。间隔块和固定环的存在产生一些暴露于铜线圈的冷却剂区域。主要的冷却剂通路是轴向的，在轴和端绕组底部之间。此外，由线圈和块的约束表面以及固定环结构的内表面在线圈之间形成许多分离的空腔。端绕组暴露于冷却剂中，所述冷却剂被旋转力驱动从端绕组的径向下方被压入这些空腔(图3)。其中的热传递趋于较低。这是因为，按照由计算流体动力学分析计算的一个旋转端绕组空腔内的流动路线，冷却剂流进空腔，通过一次环流并离开空腔。一般地说，环流产生低的热传递系数，尤其是在空腔的拐角附近。因而，虽然这是一种在端绕组中的散热方法，但是效率相当低。

使用过许多试图使较多的冷却气流通过转子端部区域的方案。所有这些冷却方案都或者依靠(1)通过在导体中加工槽或形成通路来在铜导体中直接形成冷却通道，然后把气体泵入电机的一些其它区域，以及/或者(2)利用附加的导流片、流动通路和泵吸元件产生具有相对高和相对低压力的区域，以便迫使冷却气体通过导体表面上方。

一些系统在承受高应力的转子固定环中钻穿一些径向孔，以使冷却气体能够直接沿着转子端绕组泵入，并排放到气隙中，然而，考虑到固定环所受的高的机械应力和疲劳寿命，这种系统的使用受到限制。

如果使用常规的强迫的转子端部冷却方案，将给转子结构增加很大的复杂性和很高的成本。例如，必须加工或制造直接冷却的导体，以便形成冷却通路。此外，必须提供出气管，以便把气体排放到转子中所需的位置。强迫冷却方案需要转子端部区域被分成单独的压力区，需要增加许多导流片、流动通路和泵吸元件，这再次增加了复杂性和成本。

如果不使用这些强迫或直接冷却方案，则转子端绕组被被动地冷却。被动冷却依靠转子的离心力或旋转力来使气体在同心的转子绕组之间形成的不通的一端堵死的空腔内循环。转子端绕组的被动冷却有时也被称为“自然对流”冷却。

被动冷却具有复杂程度和成本最低的优点，虽然和直接与强迫冷却的主动系统相比其散热能力减小。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个开口排出，因为这些空腔是以不同的方式封闭的，一般的空腔的4个“侧壁”由同心导体和用于隔离导体的绝缘块构成，空腔的“底”  (径向向外)壁由用于支撑端绕组抵抗转子的旋转力的固定环构成。冷却气体从导体和转子轴之间的环形空间进入。因而除去的热量受到气体在空腔内的低的循环速度的限制，并且只有有限数量的气体可以进入和离开这些空间。

在一种典型的构型中，在端部区域中的冷却气体不会被完全加速到转子的速度，即冷却气体以部分转子速度旋转。当流体借助于转子和流体之间的相对速度的影响而被驱动到空腔内时，热传递系数一般在间隔块附近最高，这个位置相对于流动方向是下游，在此处流体以高的动量进入，并且在此处流体冷却剂是最冷的。在空腔的周边附近一般也具有高的热传递系数。空腔的中心受到最小的冷却。

增加被动冷却系统的散热能力将增加转子的载流容量，从而提高发电机的额定容量，同时维持成本低、结构简单以及结构可靠等优点。

美国专利No.5644179披露了一种通过提高大的单流环流池的流速来提高热传递的方法，其是通过将额外的冷却气流直接引入自然出现的流路池(flow cell)中并沿着与其相同的方向引入。这在图4和图5中示出。虽然这种方法通过提高环流池的强度来增加空腔内的热传递，但是转子空腔的中心区域仍然具有低的流速，因此，仍然具有低的热传递。在拐角区域仍然具有同样低的热传递。

发明概述

本发明致力于上述需要，其中通过驱动更多的冷却气体进入同心端线圈匝之间形成的空腔，改善了被动冷却系统的散热能力，从而减少停滞的或低动量的气流区域，增加了热传递。更具体地说，本发明提供一种作为冷却剂流偏转器的铲状结构，用于增加进入冷却空腔的冷却剂流，因而增加热传递速度。

因而本发明的一个实施例提供一种电机转子，其具有轴向延伸的线圈和沿轴向延伸超过转子本体部分的至少一端的端匝，在同心的端匝之间，设置有一个或多个间隔块。在本发明的一个实施例中，至少一个间隔块并且最好至少是内部的间隔块具有铲状结构，该铲状结构限定于间隔块向前侧的径向的内端，用于截取冷却剂流体流并把冷却剂流体流沿径向向外引入各个冷却空腔。

在另一个实施例中，改变间隔块的轮廓，以限定一个基本上连续弯曲的周向表面，用于截取冷却剂流体流并把冷却剂流体流沿径向向外引入各个冷却空腔，并有利于冷却流通过各个相邻的空腔循环。

附图说明

本发明的这些和其它的目的和优点可以通过仔细研究下面结合附图的本发明的优选实施例的详细说明更充分地理解和认识，其中：

图1是电机转子的端匝区域的一部分的截面图，电机具有与端匝区域呈面对关系的定子；

图2是沿图1的线2-2取的电机转子的截面顶视图；

图3是表示气流进入并通过端绕组腔体的示意图；

图4是按照在美国专利No.5644179中披露的发明的第一实施例的转子端匝部分的局部剖开的透视图；

图5是按照在美国专利No.5644179中披露的发明的第二实施例的转子端匝部分的局部剖开的透视图；

图6是一个局部截面图，表示按照本发明的实施例的一种间隔块的构型；以及

图7是和图6类似的截面图，表示按照本发明的另一个实施例的间隔块的构型。

发明的详细说明

参看附图，其中在所有的附图中相同的标号表示相同的元件，图1和图2表示气冷电机的转子10，所述电机还包括包围着所述转子的定子12。所述转子包括基本上呈圆柱形的本体部分14，其被中心地设置在转子轴16上，并具有沿轴向相对的端面，在图1中示出了其中一个端面的一部分18。本体部分具有多个周向分开的轴向延伸的槽20，用于接收同心设置的线圈22，所述线圈构成转子绕组。为清楚起见，只示出了5个线圈，虽然实际上通常使用的比图示的多一些。

具体地说，在每个槽中叠置有构成转子绕组一部分的若干个导体棒24。相邻的导体棒由多个电绝缘22层分开。叠置的导体棒一般通过楔26(图1)保持在槽中，并且由导电材料例如铜制成。导体棒24在本体部分的每个相对端利用端匝27互连，所述端匝沿轴向延伸超过端面以形成叠置的端绕组28。端匝也被电绝缘层隔开。

尤其由图1可见，在本体部分的每端在端匝27周围设置有固定环30，用于固定端绕组以抵抗离心力。固定环被固定在本体部分的一端，并在转子轴16上方伸出。中心环32被固定到固定环30的末端。应当注意，固定环30和中心环32可以用现有技术中已知的其它方式安装。中心环32的内径和转子轴16沿径向分开，从而形成气体入口通路34，并且端绕组28也和轴16分开，从而限定一个环形区域36。提供沿着槽20形成的若干个轴向冷却通路38，这些通路通过环形区域36和气体入口通路34呈流体连通，从而向线圈22提供冷却气体。

参见图2，在转子10的每一端的端绕组28沿周向和径向由若干个隔离物或间隔块40分开。(为清楚起见，在图1中未示出间隔块)。所述间隔块是绝缘材料制成的细长的块体，位于相邻的端绕组28之间的间隔内，并延伸超过端绕组的整个径向深度而进入环形间隙36。因而，在端匝的同心叠置体(下文称为端绕组)之间的空间被分成多个空腔。这些空腔在顶部以固定环30为边界，而在4个侧部以相邻的端绕组28和相邻的间隔块40为边界。由图1可清楚地看出，这些空腔的每一个都通过环形区域36和气体入口通路34呈流体连通。因而，通过气体入口通路34进入端匝28和转子轴16之间的环形区域36的冷却气体的一部分进入空腔42，在其中循环，然后返回端绕组和转子轴之间的环形区域36。在图1和图3中由箭头表示气流。

固有的泵吸作用和作用在旋转的发电机空腔内的旋转力产生一个大的单流环流池，在图3示意地示出。这个单流环流池在空腔的周边边沿附近具有最高的速度，由于空腔的中央区域的固有的低的速度而使得中央区域不能受到足够的冷却。由图3可以看出，拐角区域的较大部分也没有充分冷却，这是因为流路池的环形运动不能使冷流进入这些拐角。

现在参看图6，其中示出了转子端绕组的一个局部截面图，表示端绕组空腔142，箭头X表示旋转的方向。为了增加进入各个端绕组空腔的冷却剂流，按照本发明的第一实施例，至少一个间隔块140具有铲状结构156，所述铲状结构位于相对于跨过空腔底部的冷却剂流的方向各个空腔的下游侧，由各个间隔块140的上游表面144限定，并处在各个间隔块的径向内端。提供铲状结构156为了增加被迫进入空腔的冷却流体的量，借以增加空腔内部的循环流，从而增加从各个空腔带走的热量。在所示的实施例中，铲状结构156从间隔块140沿上游方向延伸一个距离，所述距离至少大约为空腔径向内端的周向尺寸的20％，更好大约为20-40％。此外，在所示的实施例中，铲状结构156向下即沿径向向内延伸，使得大约占据间隔块和轴之间的间隙37的径向尺寸的一半。

更具体地说，每个铲状结构156包括基本上连续的弯曲的上表面148，其在径向内边沿150终止。如图所示，铲状结构156的径向内边沿150，其沿着间隔块的深度的至少一部分限定一个流截取线，在间隔块140的径向内表面152的下方延伸，以截取并重新引导否则便朝向间隔块140和轴16之间的气隙37的气流。径向内边沿150下游的铲状结构156的表面154限定一个向间隔块的径向内表面152的基本上逐渐过渡的部分，在图6所示的实施例中，其基本上是一种常规的构型。

为了引导并驱使气流进入空腔并沿着间隔块，铲状结构156的弯曲的上表面148沿着间隔块上游表面144向上延伸一个距离，所述距离大于铲状结构在间隔块径向内表面152下方延伸的距离。铲状结构可以沿着间隔块的基本上整个轴向延伸，或者形成一种截短的结构，或者形成一系列的截短的结构，使得只有气流的一部分被截取和偏转而通过空腔142循环，从而有利于流向下一个周向相邻的空腔，如箭头A所示。

在目前的优选实施例中，提供一个铲状结构，其跨过空腔的深度或轴向尺寸的很大部分，例如至少大约为空腔深度的75％、更好为100％的数量级。不过，在另一个实施例中，每个铲状结构可以只延伸间隔块的部分深度或轴向的一部分，使得留下至少一个旁流区域，以使气流流到下一个下游相邻的空腔。按照这个另外的实施例，部分深度的铲状结构可被设置成从空腔的相邻的一个端绕组壁、空腔的相邻的另一个端绕组壁、或者与其相关的间隔块的大致中心，跨过空腔的部分深度。在一个示例的实施例中，提供一个铲状结构，其跨过相关的间隔块的深度的大约一半。按照另一个实施例，可以提供两个或多个轴向排列的铲状结构，每个跨过空腔的轴向尺寸或深度的一部分。用这种方式，可以提供至少一个旁流区域，使气流流到下一个下游相邻的空腔。

在工作时，转子的旋转使得冷却气体通过气体入口34被吸入端绕组28和转子轴16之间的环形区域36。此时存在一个动压头，其驱使冷却气体朝向并沿着被提供在空腔下游端的铲状结构156。冷却气体从此处被引导，沿着间隔块140的上游表面144，通过空腔142循环。因为铲状结构截取气流，否则它会继续流入并通过在间隔块140和轴16之间的间隙37，使得通过各个空腔的冷却气流增加，从而增加热传递。

在所示的实施例中，示出了5个间隔块，它们和各自的端绕组结构相关，并示出了本发明的铲状结构156，它们被提供在3个中间的间隔块140上。应当理解，铲状结构最好不提供在相对于冷却气流方向的端绕组装置第一间隔块的上游表面上，这是因为在其紧邻的上游没有设置循环气流空腔。也示出了最下游的间隔块，其没有铲状结构。不过，应当理解，如果需要，或者希望增加在其紧邻的上游限定的空腔中的冷却循环气流，铲状结构可以提供在这个端绕组的间隔块上。

参看图7，其中示出了本发明的另一个实施例。图7示出了间隔块240，其构型为可以截取和重新引导环形空腔内的冷却气流，并增加各个空腔内的循环气流。更具体地说，在图7的实施例中，铲状结构256和间隔块240制成一个整体，并且间隔块本身的轮廓使得气流容易通过空腔转移。

在所示的实施例中，空腔侧258总体上的特征为相对于冷却气流是空腔的下游侧，并由间隔块的上游表面244限定。空腔侧260总体上的特征为是空腔的上游侧，因而由设置在各个空腔的上游的间隔块的下游表面262限定。在图7的实施例中，间隔块240本身的轮廓使得气流沿着空腔的每个侧面容易转移。因而，间隔块240的径向中心区域264沿周向比间隔块的其余部分窄。减少间隔块的这个部分的尺寸以便限定总体上弯曲的上游表面244和下游表面262，使得空腔的环流阻力减小，使得气流更均匀，因而有利于较高的热转递。

第二实施例的操作基本上和第一实施例的相同，冷却气体在环形通路36中被驱动，当其被各个铲状结构256截取时，便以各个空腔242内的循环流的形式相对于转子轴线基本上径向向外地流动。如图所示，由各个间隔块240的上游壁244限定的空腔的下游侧258的弯曲部分引导气流在朝向固定环30的循环流通路内，向着下一个上游相邻的间隔块并且沿着制成一定形状的周向下游表面262流动。在所示的实施例中，间隔块的周向表面262基本上终止在端绕组结构的径向内端266附近，在此处气流重新进入端绕组28和轴16之间的环形通路36。

在图7所示的实施例中，和所示的端绕组28相关的5个间隔块中的3个被重新构型，以便增加循环冷却剂流和热传递。应当理解，最上游的间隔块的第一表面最好构型为不截取和重新引导冷却剂流，因为一般地说，没有在其紧邻的上游限定的冷却剂循环空腔。虽然图7中没有示出，可以使第一间隔块的下游表面62的构型为可以增加各个空腔内的循环流。类似地，虽然没有示出，最后的间隔块的上游表面44可以包括铲状结构，并且呈凹形弯曲，以便促进各个空腔中的增强的循环流。不过，其下游表面和循环的冷却剂流空腔无关，因此，不需要其表面重新构型，除非发现共同构型所有与端绕组28相关的间隔块可以节省和有其它利益。

虽然本发明结合目前认为是优选的实施例进行了说明，应当理解，本发明不限于所披露的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的构思和范围内的各种改型和等效的配置。