具有导流片的流通间隔块和用于增加发电机端绕组冷却的方法技术

本发明专利技术提供一种气体冷却的电机，其包括具有本体部分（１４）转子（１０），轴向延伸的线圈（２２），端绕组（２８），以及被设置在端绕组之间的多个间隔块（１５０、１５２、１５４、１５６、１５８），从而在彼此相邻的端绕组和间隔块之间限定出第一和第二空腔（１４２、１４４、１４６、１４８）。为了增强端绕组的冷却，所述间隔块（１５０、１５２、１５４、１５６、１５８）中至少一个具有通道（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、１８６），所述通道在第一和第二相邻空腔之间延伸，从而提供在第一和第二空腔之间通过间隔块的冷却气体交流。导流片（１８８、１９０）最好被靠近所述间隔块的面向空腔的一个表面或另一个表面或者两个表面的径向内端设置，用于把气流分别引入或引出第一和第二空腔。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种用于增加热传递速率，特别是增加端绕组空腔的中心和拐角处的热传递速率，从而增加在发电机和转子端绕组中的整体冷却效果的结构和方法。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通过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、高功率密度的发电机，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。处于转子主体的支撑之外的线圈的端部(通常称为端绕组)一般由固定环支撑着以反抗旋转力(见图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(见图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许多暴露于铜线圈的冷却剂区域。主要的冷却剂通道是轴向的，在心轴和端绕组底部之间。此外，由线圈和块的边界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，所述冷却剂被旋转力驱动从端绕组的径向下方进入这些空腔(图3)。该热传递趋于较低。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，冷却剂流进入空腔，横向通过基本环流并离开空腔。一般地说，环流引起低的热传递系数，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。使用过许多试图使额外的冷却气流通过转子端部区域的方法。所有这些冷却方法都或者依靠(1)通过在导体中加工一个槽，或者形成通道，然后把气体泵入电机的其它区域，以在铜导体内直接产生冷却通道，以及/或者(2)利用附加的导流片、流动通道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法，将对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，以便形成冷却通道。此外，必须提供排气管，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，需要增加许多导流板、流动通道和泵吸元件，这又增加了复杂性和成本。如果不使用这些强迫或直接冷却方法，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，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“自由对流”冷却。被动冷却具有复杂性和成本最小的优点，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间隔块构成，空腔的“底”(径向向外)壁由用于支撑端绕组反抗转子的旋转力的固定环构成。冷却气体从导体和转子心轴之间的环形空间进入。因而散热受到气体在空腔内的低的循环速度的限制，并且只有有限量的气体可以进入和离开这些空间。在通常的构型中，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作用而被驱动到空腔内时，热传递系数一般在间隔块附近最高，这个位置是相对于流动方向的下游，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。增加无源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，结构简单以及可靠性高等优点。美国专利No.5644179披露了一种通过提高大的单流环流池(circulation cell)的流速来提高热传递的方法，其中在沿与自然发生的流路池(flow cell)相同的方向向其直接引入附加的冷却气流。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。专利技术概述上述的需要可通过本专利技术满足，利用本专利技术能够增强发电机转子的冷却，其中利用流通间隔块较好地促进在常规情况下缺乏冷却的空腔中心和拐角处的流动环流，因而增加了热传递速率。本专利技术还涉及使用冷却剂流导流片增加进入冷却空腔的气流和从冷却空腔排出的气流。因而，按照本专利技术的一个实施例，提供一种气体冷却的发电机，其包括转子，所述转子具有轴向延伸的线圈，端绕组和至少一个位于相邻的端绕组之间的间隔块，从而限定和相邻的端绕组之间的间隔块相邻的第一和第二空腔。至少一个间隔块具有至少一个在其中限定的通道，用于提供第一和第二空腔之间通过所述间隔块的冷却气流交流。在每个间隔块中的通道的数量可以根据间隔块的周向位置被合理地确定。通过在相邻的空腔之间提供流动的冷却气体，所述流通通道改善由旋转的端绕组产生的固有的气流型式。这使得散热能力增加，同时保持成本低、简单和结构可靠等优点。此外，这种改进的被动冷却系统将增加转子的载流容量，从而提高发电机的输出额定值。按照本专利技术的另一个特征，在间隔块的上游侧或者下游侧或者上下游两侧提供导流片，在上游导流片的情况下，用于引导冷却剂流体径向向外地流入各自的冷却空腔，或者在下游导流片的情况下，有利于环形区域内的平滑且连续的回流。按照本专利技术的目前优选实施例，流通通道和导流片二者的组合将促进空腔内的高动量冷却剂流，因而减少或消除特别是空腔的中心和拐角处的停滞或者低动量的冷却剂流的区域。 附图说明通过仔细研究下面结合附图对本专利技术的优选实施例所作的详细说明，将会更加清楚地看出和充分地理解本专利技术的这些和其它的目的和优点，其中图1是电机转子的端匝区域的一部分的截面图，其具有和其呈面对关系设置的定子；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中披露的专利技术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中披露的专利技术的第二实施例的转子端匝部分的局部剖开的透视图；图6是转子端绕组的局部截面图，表示按照本专利技术的实施例的具有流通通道和导流片的间隔块。本专利技术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。相邻的导体棒由电绝缘层22分开。叠置的导体棒一般通过楔26(图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体冷却的电机，包括：具有本体部分１４的转子１０，所述转子具有轴向延伸的线圈２２和沿轴向延伸超过所述本体部分１４的至少一端１８的端绕组２８；被设置在相邻的所述端绕组２８之间的至少一个间隔块１５０、１５２、１５４、１５６、１５８， 从而限定和所述间隔块相邻的并处于彼此相邻的端绕组之间的第一和第二空腔１４２、１４４、１４６、１４８；至少一个所述间隔块具有限定于其中的通道１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１ ８４，１８６，所述通道在所述间隔块的面向与之相邻的所述第一空腔的第一表面１９２、１９４、１９６和所述间隔块的面向与之相邻的所述第二空腔的第二表面１９８、２００、２１０之间延伸，从而提供在所述第一和第二空腔之间通过所述间隔块的冷却气流交流。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WNO图恩布尔，TG维策尔，CL范德沃特，SA萨拉马，ED亚茨恩斯基，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]