用于增强转子空腔热传递的间隔块铲状结构制造技术

本发明专利技术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。（*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。专利技术概述本专利技术致力于上述需要，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，本专利技术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。因而本专利技术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。在本专利技术的一个实施例中，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。 附图说明本专利技术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专利技术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是一个局部截面图，表示按照本专利技术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，表示按照本专利技术的另一个实施例的间隔块的构型。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3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体冷却的电机，包括：具有本体部分的转子，所述转子具有轴向延伸的线圈和沿轴向延伸超过所述本体部分的至少一端的端匝，端匝限定了多个端绕组；设置在相邻的所述端匝之间的至少一个间隔块，从而在其间限定一个空腔；和至少一个间隔块的面向空腔的表面的径向内端邻接设置的至少一个铲状结构，用于截取和重新引导冷却剂流进入各个空腔。

【技术特征摘要】

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