CN101473514B - 冷却电机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

需要外部风扇而不是内部风扇以用于提供对于冷却慢速运转的电机例如灯泡式涡轮发电机所需要的空气循环。本发明涉及一种利用外部风扇(10)冷却电机(1)的设备和方法。在所述设备和方法中，冷却装置(12)布置在风扇(10)的压力侧或者抽吸侧，同时转子(3)和定子(4)布置在风扇(10)的抽吸侧。

Description

冷却电机的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于冷却电机的定子和转子的设备和方法，其中气态的冷却介质通过外部驱动风扇在通风回路中循环。
背景技术
在空气冷却发电机中，也就是，原则上按照冷却空气通过发电机的流动方向，基本上分为所称的前向流动冷却***和反向流动冷却***。在前向流动冷却中，冷的冷却空气利用风扇从热交换器中被抽出，并且被压缩分别通过转子、空气间隙然后通过定子，热的冷却空气在定子处被排出并且经由热交换器再循环。在反向流动冷却中，热的冷却空气从发电机中被抽出并被供给到热交换器，冷的冷却空气从那里分别流到转子、间隙、通过定子。
例如根据US 5633543A、US 5652469A、US6346753B1和EP 1006644A2，用于涡轮发电机的反向流动冷却***是已知的。JP 58123348公开了一种用于利用外部驱动风扇冷却电机的设备和方法。然而，这里冷却装置直接安装在定子上，使得某些部分的定子处于热空气区域，这会对定子和转子之间的空气间隙的宽度具有负面影响，这是因为定子的边缘区域的冷却尤其不好。
如上所述，反向流动冷却***的主要特征是：发电机抽吸冷却，利用风扇从发电机抽出热空气并且来自冷却器的冷空气被直接地供给到发电机定子的冷却通道。大多数情况下，该冷却器布置在风扇的压力侧，其优点在于风扇产生温度升高发生在冷却器进口前并且不引起预加热发电机。定子中的流动主要地直接从径向外部直接到内部并且一般地轴向地沿空气间隙被抽出，这是因为涡轮发电机一般地具有隐极转子。如果涡轮发电机高速运转，自通风风扇直接安装在转子轴上，并被该转子轴驱动，以产生冷却所需的流动。
在通常包括凸极的低速运转水轮发电机中，例如灯泡式水轮发电机，基本上只能够使用外部驱动风扇，即不安装在转子轴上的风扇，这是因为转子轴转速太低，其上安装的风扇不足以产生冷却空气流。具有两个旋转方向(例如，电动机-发电机)的水轮发电机还可以包括用于外部通风的第二种应用。
水轮发电机到目前为止仅可以使用前向流动冷却***，例如JP 06237554A2中所述，其中冷却器安装在抽吸侧并且发电机在风扇的压力侧，并且定子中流动基本上直接从径向里面到外面。当使用自通风***，前向流动冷却***在风扇的流入流出方面具有优点。流入基本不需要旋转，这有利于风扇的设计。旋转负荷流出产生转子的预旋转减弱因此在转子进口的压力损失减少(例如，极间隙进口)。
如果使用外部风扇替代自通风，这些优势大部分将失去。反向流动具有若干其他的缺点：在水轮发电机中，特别是凸极发电机，大部分的压力损失将发生在极间隙进口。该压力损失发生间隙区域的径向外面，而不是如在前向流动的情况下在轴端侧的径向中心。由于预计到主要的压力损失，因此需要更大功率的风扇，这反过来又会减少发电机的总效率。另外，根据风扇的布置，一些预旋转能保持在风扇的进口或者风扇进口流动能比对于前向流动的更复杂。同时风扇进风口复杂的流动要求使用引导装置或整流器，从而使冷却***设计更复杂。因此，水轮发电机迄今为止只使用反向流动冷却***，不使用前向流动。
发明内容
根据独立权利要求的本发明的主题，实现具有外部风扇的反向流动冷却***这种至今不被认可的解决方案，反驳了利用外部风扇时流行的偏见并取得了预料不到的效果，反向流动冷却***的可预见的不利因素并不象通常担心的严重，或者该不利因素被本申请所产生的有益因素极大的补偿。
使用反向流动冷却特别地提供通过定子间隙中低的冷却空气温度例如低至20K更好的利用定子的可能，尽管在定子间隙的齿区域的热传导低。该方法能节省用于定子线棒的昂贵的铜材料，同时保持合适的温度水平。但是，在简单的情况下，特别是对于凸极电机，由于转子极区域的空气温度更高，极绕组需要更大的铜横截面，但是用于转子绕组的极铜材料比用于定子绕组的便宜。总之，这是反向流动冷却的第一个优点。另外，由于定子中的低空气温度，在相同的性能下可以减少定子铁，从而减少电机造价。如果电机的应用没有增加，产生低的定子温度，因此产生定子铁心切线应力降低，减少定子凹陷变形的风险。反向流动的进一步的优点是，空气间隙宽度的差别和冷热状态之间的励磁损失的差别减小，这是因为在前向流动冷却的情况下，转子发热小于定子，这样转子定子之间的温差比较大。
在凸极电机中，极间隙进口(径向外侧)的压力损失将大于公知的用于前向流动冷却***(极间隙进口在径向中心)的。尽管如此，该主要缺点也被上述提出的优点所补偿，这样具有外部风扇的反向流动冷却还能够用于凸极电机。
反向流动冷却***还提供用于冷却端部绕组的几个有利的选择：(1)利用从空气间隙和可能从极间隙轴向流出的热空气，其中一些该热空气进入端部绕组区域的径向外侧。(2)一些从冷却装置出来的冷空气能够直接地通过旁路供给定子绕组的端部绕组，这可以更好的冷却。(3)利用适当空气引导的端部绕组的串联通风，由此从空气间隙和可能从极间隙流出的冷却空气在端部绕组的上方被引导，这也可以减少旋转并改善风扇流出。
通过在转子中使用冷却介质能在其中流动的径向管道能够实现改善转子冷却或减少压力损失。
此外，特别是在灯泡式水轮机发电机中，引导冷却介质离开在定子和外壳之间的冷却装置到达定子间隙是有益的。这样，冷却介质将通过在发电机外壳外侧流动的冷的工作水进一步冷却，并且这可以允许减少冷却装置的尺寸。
如果外部风扇安能够布置在发电机的两侧，反向流动冷却具有两个冷却回路，每个覆盖发电机的轴向一半。在这种情况下，经常采用一种简单的方案用于引导流动经由端部绕组并实现两个目的：冷却端部绕组并校正气流。
附图说明
本发明将通过下述的示例性、说明性的而不是限制性的图1-6进一步描述，其中
图1示出了根据本发明的具有反向流动冷却的灯泡式水轮机发电机，
图2是在发电机中通过定子和具有凸极绕组的转子的横截面的部分，
图3到5是反向流动冷却的不同变形，以及
图6是又一个具有反向流动冷却的发电机类型的部分。
具体实施方式
以下使用凸极发电机为例描述本发明。图1示出公知的灯泡式水轮机的外壳2的一部分，其中布置发电机1。为此，转子3固定到在轴承中运行的轴7的一端，以便转子3和轴7一起旋转。在轴7另一端和外壳2外侧，安装有公知的涡轮(此处未示)，如转桨式水轮机，该涡轮驱动轴7并因此还驱动发电机1。
转子3包括轮毂辐条8，轮毂辐条8固定在轴7上，转子绕组5以公知的方式设置在轮毂辐条8上。灯泡式水轮机的发电机1典型地是慢速运行电机并具有带有凸极绕组的转子3，在图2中将进一步具体示出。
定子4在距外壳2一距离处固定到外壳2中的支承结构9，并且和转子3同轴。定子绕组具有轴向突起端部绕组6。
转子3和定子4按照传统和公知的方式构造和布置。因此，此处不详细说明。
考虑到电功率的消耗，发电机1必须通过合适的方式冷却，例如，利用空气冷却，如图1所示。这里，冷却空气借助于外壳2中的风扇10再循环，使得冷却空气被引导通过发电机的每个工作部分，即定子4、转子3、端部绕组，并且在此被加热以使所述部分同时被冷却。被加热了的冷却空气随后在冷却装置12例如热交换器中冷却。
根据本发明，此处介绍的用于冷却发电机1的装置包括风扇10，该风扇10是外部驱动的，也就是说，该风扇未安装在轴7上并且不由轴7直接驱动。风扇10能够由例如独立电动机驱动，该独立电动机此处没有单独示出。风扇10将从发电机区域通过抽吸通道14抽出热的冷却空气15，其中风扇10能够是例如径流风扇或轴流风扇。热的冷却空气15被风扇10以高速送往冷却装置12，并从冷却装置12以冷的冷却空气16排出。该冷的冷却空气16经由供给通道13供给定子4，在本示例中，供给通道13通过适当的结构元件9布置在外壳2和定子4之间。冷的冷却空气16将被挤压通过定子4的定子间隙28(也参见图2)，这意味着该冷的冷却空气从基本轴向偏转到基本上向内流。然而，还能想象，如果定子直接安装在外壳2的内壁上，冷的冷却空气16将通过定子4中的轴向通道被引导到定子间隙28。
从定子间隙28排出的加热的冷却空气17将偏转回到轴向并通过两侧和轴向的空气间隙23流向外面，在此过程中，冷却空气17a的这部分被进一步加热。在具有凸极绕组的转子中，从定子排出的冷却空气17还将被径向地挤压进入转子3的极间隙20，在此过程中，冷却空气17b的这部分将偏转回到轴向，进一步被加热并还在两侧被轴向地引导到外面。在相应的转子3、空气间隙23的轴向端上，将排出已经被进一步加热的冷却空气18。该冷却空气19的部分也例如经由合适的偏转板通过定子绕组24的端部绕组6的上方。总的加热的冷却空气15借助于风扇10再次通过抽吸被抽出，因此形成冷却空气回路。在这种情况下，第二发电机加热的冷却空气18一半经过轮毂辐条8中的适当的开口11。
流过定子4和具有凸极绕组的转子3的气流如图2所示。冷的冷却空气16径向地进入定子4的定子间隙28。如公知的，定子间隙28由在层叠的定子铁心25中的横杆26形成。冷却空气16径向地向内(参照图2中的箭头)流向定子绕组线棒24，定子绕组线棒24以传统的方式设置在凹槽中。现在已经被加热的冷却空气17径向地排出定子4，并且通过旋转的转子3使得该冷却空气17旋转。在一方面，该加热了的冷却空气17将通过空气间隙23被轴向地引导到外面。另一方面，冷却空气17贯穿极间隙20，极间隙20以公知的方式布置在转子绕组21之间，转子绕组21布置在具有凸极绕组的转子的转子铁22上，冷却空气17随后通过极间隙20被轴向地引导到外面。
如以下基于图3到5所描述的，自然可以对冷却回路做出一些变化。例如，转子3还可以有槽，其可以允许在轴向流动之外增加径向流动。在一方面，这种措施增加冷却效果，另外，径向地向外的冷却空气流31可以通过转子3(如图3所示)产生，这些冷却气流31通过转子3的极间隙20和/或通过空气间隙23作为轴向冷却气流30依次被轴向向外引导。另一方面，直接径向向内流动由于轴向流动减少将引起压力损失减少。另外，冷的冷却空气16可以直接从供给通道13分叉，并且该冷的冷却空气32可以被直接地引导到定子绕组24的端部绕组6，如图4所示，因此改善端部绕组6的冷却会成为可能。例如，在供给通道13中可提供必要的支流或支路，通过该支流或支路冷的冷却空气16被引导到端部绕组6。同样地，也可以在发电机1的每侧上提供外部风扇10，如通常用于两侧通风的那样，如图5所示。这产生两个独立的冷却回路，每个该冷却回路覆盖发电机1的一半，并且其中可预见一个冷却装置12用于一个回路或者一个联合冷却装置12用于两个冷却回路。可以想象，也可以做出这些变形的结合。
根据本发明，还可冷却除灯泡发电机类型以外的具有凸极绕组的发电机1，或具有凸极绕组的电动机，例如，如图6所示。冷却回路可和前述的相同，仅外部风扇和冷却器的布置不同，以便在这里实现电机的独立工作部分的串联(两侧)贯通流动。热的冷却空气15从布置在外壳的两侧的风扇10经由冷却装置12流到定子4。现在冷的冷却空气16将通过未清楚示出的定子间隙28在径向方向流动通过定子4。该加热的冷却空气17通过空气间隙23和极间隙20并进一步经由端部绕组6轴向地流到外面，接着被吸入风扇10。沿着端部绕组6的流动减少了在风扇抽吸区域15中的旋转。利用结构元件9，在发电机1完成适当的空气引导。
冷却装置12也可被布置在不同的位置，例如，如在立式发电机的情形中经常进行的那样，在定子外壳，或者如经常用于水平发电机那样，在发电机外壳外面的底座。
另外，自然还可能在外周上提供多个风扇：例如，对于小电机3个风扇，对于大电机多至12个或者更多个风扇。

Claims (14)

1.用于冷却电机(1)中的定子(4)和具有凸极绕组(5)的转子(3)的方法，其中气态的冷却介质借助于至少一个外部驱动风扇(10)在电机(1)中的回路中循环，热的冷却介质通过风扇(10)从电机(1)被抽出并被送到冷却装置(12)，在该冷却装置(12)热的冷却介质被冷却，并且，冷的冷却介质被引导到定子(4)并从此径向地向内通过定子铁心(25)的径向定子间隙(28)并被加热，并且，所述冷却介质的一部分通过定子(4)和转子(3)之间的空气间隙(23)被轴向地向外引导，并在此过程中被进一步加热，并且，从定子(4)排出的冷却介质的一部分被挤压进入转子(3)中的极间隙(20)并且通过所述极间隙(20)被轴向地向外供给，
其特征在于，
从冷却装置(12)排出的冷却介质经由供给通道被供给到定子(4)；
所述电机(1)是灯泡式水轮机发电机；
来自所述冷却装置的冷却介质通过在所述定子和围绕所述发电机的外壳之间的通道被输送到定子间隙，使得冷却介质将通过在发电机外壳的外表面上流动的冷水被进一步冷却。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于从空气间隙(23)和从极间隙(20)轴向排出的冷却介质的一部分在定子(4)的端部绕组(6)的上方被引导。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于从空气间隙(23)和从极间隙(20)轴向排出的冷却介质在定子(4)的端部绕组(6)的上方被引导。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于从空气间隙(23)和从极间隙(20)轴向排出的冷却介质的一部分从转子(3)的一侧穿过在转子(3)的轮毂辐条(8)中的开口(11)到达转子(3)的另一侧。
5.根据权利要求要求1的方法，其特征在于通过定子间隙(28)排出的冷却介质的一部分被引导通过转子(3)中的径向通道。
6.根据权利要求1到5中的任一项的方法，其特征在于从冷却装置(12)排出的冷却介质的一部分被直接引导到定子绕组的端部绕组(6)。
7.根据权利要求1到5中的任一项的方法，其特征在于从冷却装置(12)排出的冷却介质被引导到电机(1)的定子(4)和外壳(2)之间的定子间隙(28)。
8.根据权利要求1到5中的任一项的方法，其特征在于从空气间隙(23)和从极间隙(20)排出的热的冷却介质被各个位于电机(1)的两侧上的至少一个外部驱动风扇(10)抽出。
9.用于冷却电机(1)中的定子(4)和具有凸极绕组(5)的转子(3)的设备，该设备具有：至少一个外部驱动风扇(10)，用于使气态的冷却介质在电机(1)的外壳(2)中的回路中循环；以及用于冷却热的冷却介质的冷却装置(12)，其中，所述冷却装置(12)安装在风扇(10)的压力侧或抽吸侧并且转子(3)和定子(4)在风扇(10)的抽吸侧，并且，风扇(10)抽出从定子(4)和转子(3)之间的空气间隙(23)轴向排出的热的冷却介质，并且，风扇(10)轴向地从所述转子(3)中的极间隙(20)抽出经由定子间隙(28)已经进入所述极间隙(20)的冷却介质，
其特征在于，
供给通道(13)设置在冷却装置(12)和定子(4)之间；
所述电机(1)是灯泡式水轮机发电机；
来自所述冷却装置的冷却介质通过在所述定子和围绕所述发电机的外壳之间的通道被输送到定子间隙，使得冷却介质将通过在发电机外壳的外表面上流动的冷水被进一步冷却。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于提供一介质，利用该介质来将从冷却装置(12)排出的冷的冷却介质直接引导到定子绕组的端部绕组(6)。
11.根据权利要求9或10的设备，其特征在于所述转子(3)中设有径向通道，冷却介质能够通过该径向通道流动。
12.根据权利要求9到10中的任一项的设备，其特征在于转子绕组(5)布置在转子(3)的轮毂辐条(8)上，并且，所述轮毂辐条(8)上设有可轴向流过的开口(11)。
13.根据权利要求9到10中的任一项的设备，其特征在于所述定子(4)径向地布置在距所述电机(1)的外壳(2)一段距离处，并且，冷却介质在定子(4)和外壳(2)之间流动。
14.根据权利要求9到10中的任一项的设备，其特征在于至少一个外部驱动风扇(10)设置在所述电机(1)的每一侧上。
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