CN115694071A - 电机的有源元件的冷却 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及电机、用于冷却电机的有源元件的冷却***和方法。更特别地，本公开内容涉及用于冷却风力涡轮(例如直接驱动的风力涡轮)的发电机的有源转子和/或定子元件的冷却***和方法。一种冷却方法包括通过电机的一个或多个初级入口向气隙供应冷却流体以用于冷却由气隙分离的电机的转子的多个有源元件和/或电机的定子的多个有源元件。该方法还包括反转冷却流体的流动方向，使得冷却流体通过一个或多个初级入口从电机中提取。

Description

电机的有源元件的冷却
技术领域
本公开内容涉及电机、用于冷却电机的有源(active)元件的冷却***和方法。更特别地，本公开内容涉及用于冷却风力涡轮(例如直接驱动的风力涡轮)的发电机的有源转子和/或定子元件的冷却***和方法。
背景技术
诸如马达和发电机的电机大体上包括转子结构和定子结构。大型发电机可为例如电励磁发电机或永磁励磁发电机(PMG)。电机的转子相对于定子旋转。转子可为内部结构，并且定子可为外部结构。因此，在该情况下，定子围绕(例如，径向地)转子。备选地，构造可为相反的，即转子围绕(例如，径向地)定子。
此类发电机可例如在风力涡轮中使用。风力涡轮大体上包括带有转子毂和多个叶片的转子。转子在风对叶片的影响下开始旋转。转子轴的旋转直接驱动发电机转子(“直接驱动”)或者通过使用齿轮箱来驱动。
直接驱动的风力涡轮发电机可具有例如6-10米(236-328英寸)的直径、例如2-3米(79-118英寸)的长度，并且可在例如在2-20 rpm(每分钟转数)的范围内的低速下旋转。备选地，发电机也可联接到齿轮箱，该齿轮箱将发电机的旋转速度增加到例如50至500 rpm之间或甚至更多。
在诸如直接驱动的风力涡轮的发电机的电机中，冷却大体上是重要的。特别地，转子和定子的有源元件(例如，永磁体和线圈)可能发热。有源转子元件和有源定子元件的温度上的增加可导致有源元件的失效，并且可降低发电机的效率。为了降低转子和定子的有源元件的温度，冷却流体可流过分离有源元件的气隙。冷却流体接触有源元件，并且从它们带走热量。可提供冷却***，用于引导冷却流体朝向和远离气隙，并且因此从转子和定子的有源元件移除热量。
此类冷却***可包括初级或“主”路径或回路。主回路可包括用于主流体的流体入口。主流体可从主流体入口运送到有源转子元件和有源定子元件。例如，空气可被导引到在有源转子元件和有源定子元件之间的气隙。在操作期间，有源元件加热，并且冷却流体(其也可为空气)也被加热。加热的主流体然后可向主流体出口被运送走。在一些示例中，主流体出口和入口可与风力涡轮的外部(例如，围绕机舱的空气)流体连通。例如，冷却***可包括扇，例如在机舱中，用于通过主流体入口从风力涡轮的外部引入空气。导管可将主回路流体从主冷却流体入口运送到发电机气隙，并且然后导管可将加热的主冷却流体从发电机气隙运送到流体出口。
在其它示例中，主流体入口和主流体出口可与热交换器流体连通。用于冷却流体的次级路径或回路可包括热交换器。热交换器可包括热交换器主冷却流体入口、热交换器主冷却流体出口、热交换器次级流体入口和热交换器次级流体出口。在发电机气隙中加热的主冷却流体(即，用于在气隙中冷却元件的流体，本文中大体上称为“冷却流体”)可通过热交换器主冷却流体入口被引导到热交换器中。次级流体(即，不直接冷却气隙中的元件而是用来冷却主冷却流体或“冷却流体”的流体)可通过热交换器次级流体入口引入热交换器中。次级流体可冷却主冷却流体。次级流体可通过热交换器次级出口从热交换器中移除，并且主流体可通过热交换器主出口从热交换器中移除。次级流体可例如为水或空气。导管可用来引导热交换器内部的加热的主冷却流体，并且然后一旦冷却下来，就从热交换器中引导出。然后，冷却的主冷却流体可再次朝向在转子和定子的有源元件之间的气隙被导引。
发明内容
在本公开内容的一个方面，提供了一种用于冷却电机的方法。该电机包括：转子，其包括多个有源转子元件；定子，其包括多个有源定子元件；以及气隙，其分离有源转子元件和有源定子元件。该方法包括使冷却流体通过电机的一个或多个初级入口供应到气隙以用于冷却转子的多个有源元件和/或定子的多个有源元件。该方法还包括反转冷却流体的流动方向，使得冷却流体通过初级入口中的一者或多者从电机中提取。
根据该方面，冷却流体可在一定量的时间内在第一方向上供应到气隙，并且然后冷却流体可在不同于第一方向(例如与其相反)的第二方向上供应到气隙。切换冷却流体的流动方向改变在气隙中的热量分布。当在第一方向上供应冷却流体时，当冷却流体的温度已增加时，首先接触冷却流体的有源元件比随后接触冷却流体的有源元件冷却得更多。当在第二(例如相反)方向上供应冷却流体时，以前冷却最少的有源元件现在可被更多地冷却，因为冷却流体在接触它们时可能更冷。同样地，以前冷却最多的有源元件现在可被更少地冷却，因为冷却流体在到达它们时可能已被加热。
因为热负荷可更多地分布在有源元件之间和/或有源元件可由于反转冷却流的方向来在较短的时间段期间保持在相对高的温度，有源元件的失效(例如，围绕有源元件的绝缘的失效)可推迟，并且甚至可消除(在电机的预期寿命内)。因此，可延长电机的使用寿命，并且减少修理的需要。有源元件的绝缘的寿命可增加约50%或更多，甚至约100%。例如，在一些示例中，用于直接驱动的风力涡轮(例如，用于发电机的定子)的线圈的绝缘的使用寿命可从约25年增加到约50年。
此外，当电机的转子在使用中旋转时，切换冷却流体的方向不仅可修改冷却流体被供应到气隙的方向(例如轴向)上的热分布，而且可修改在周向方向上的热分布。因此，有源元件的温度可在冷却流体被供应到气隙的方向(例如轴向)上以及在周向方向上改变。这可进一步有助于提高有源转子元件和/或有源定子元件的使用寿命。
此外，由于当反转冷却流体的方向时有源元件中的温度分布变化，并且因此热点的位置也变化，有源元件承受较高的温度可能是可接受的，因为它们将在较短的时间段内承受较高的温度。这可允许增加电机的功率输出。
在整个的该公开内容内，电机的初级入口(出口)可理解为在第一操作模式下用于冷却流体的到(从)电机的进入(离开)点。在第二操作模式下，初级入口(出口)可为用于冷却流体的电机的离开(进入)点。
如在整个的本公开内容内使用的，有源元件可被视为转子和/或定子的磁性有源和/或电气有源的元件。有源定子元件可例如为一个或多个永磁体、一个或多个永磁体模块、一个或多个线圈、或一个或多个线圈模块。有源转子元件同样可为一个或多个永磁体、一个或多个永磁体模块、一个或多个线圈、或一个或多个线圈模块。例如，有源定子元件可为线圈，并且有源转子元件可为永磁体模块。在其它示例中，有源定子元件和有源转子元件两者都可为线圈。
电机可为发电机，特别是用于风力涡轮的发电机，并且更特别地是用于直接驱动的风力涡轮的发电机。
在另一方面，提供了一种电机组件。该电机组件包括电机和流体连接到电机的冷却***。该电机包括：转子，其包括多个有源转子元件；定子，其包括多个有源定子元件；以及气隙，其分离有源转子元件和有源定子元件。冷却***包括：一个或多个进入冷却导管，其构造成引导冷却流体朝向气隙；以及一个或多个离开冷却导管，其构造成收集和引导在气隙中加热的冷却流体远离电机。冷却***构造成反转冷却流体的流动方向。
在又一个方面，提供了一种发电机组件。该发电机组件包括发电机和流体连接到发电机的冷却***。该发电机包括：转子，其包括多个有源转子元件；定子，其包括多个有源定子元件；以及气隙，其分离有源转子元件和有源定子元件。冷却***包括多个导管，所述多个导管构造成引导冷却流体朝向气隙并远离发电机。冷却***构造成在第一方向上和在不同于第一方向的第二方向上引导冷却流体，使得冷却流体在两个不同的方向上流过气隙。
技术方案1. 一种用于冷却电机的方法，所述电机包括：转子，所述转子包括多个有源转子元件；定子，所述定子包括多个有源定子元件；以及气隙，所述气隙分离所述有源转子元件和所述有源定子元件，所述方法包括：
使冷却流体通过所述电机的一个或多个初级入口供应到所述气隙以用于冷却所述转子的多个有源元件和/或所述多个有源元件；以及
反转所述冷却流体的流动方向，使得所述冷却流体通过所述初级入口中的一者或多者从所述电机中提取。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述冷却流体在第一时段期间在第一方向上供应，并且所述冷却流体在第二时段期间在第二方向上供应，所述第二方向与所述第一方向相反。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述第一方向和所述第二方向是基本上轴向的方向。
技术方案4. 根据技术方案1-3中任一个所述的方法，其中，反转包括反转一个或多个流体移位装置的旋转方向，导致所述冷却流体朝向所述气隙流动以用于冷却所述气隙。
技术方案5. 根据技术方案1-3中任一个所述的方法，其中，反转包括将用于引导所述冷却流体朝向所述气隙的一个或多个进入冷却导管与用于引导所述冷却流体远离所述气隙的一个或多个离开冷却导管选择性地流体连接。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，流体连接包括操作多个阀以用于重新引导所述冷却流体通过额外的冷却导管，所述额外的冷却导管将一个或多个进入冷却导管与一个或多个离开冷却导管连接。
技术方案7. 根据技术方案1-6中任一个所述的方法，其中，反转在所述电机的预期寿命期间仅执行一次。
技术方案8. 根据技术方案1-7中任一个所述的方法，其中，反转在一个或多个有源元件的预定温度阈值实现时或之后执行。
技术方案9. 根据技术方案1-8中任一个所述的方法，其中，所述冷却流体是空气。
技术方案10. 一种电机组件，所述电机组件包括电机和流体连接到所述电机的冷却***；
其中，所述电机包括：转子，所述转子包括多个有源转子元件；定子，所述定子包括多个有源定子元件；以及气隙，所述气隙分离所述有源转子元件和所述有源定子元件；
其中，所述冷却***包括：一个或多个进入冷却导管，其构造成引导冷却流体朝向所述气隙；以及一个或多个离开冷却导管，其构造成收集和引导在所述气隙中加热的所述冷却流体远离所述电机；并且
其中，所述冷却***构造成反转所述冷却流体的流动方向。
技术方案11. 根据技术方案10所述的组件，其中，所述冷却***还包括一个或多个冷却流体移位装置，所述一个或多个冷却流体移位装置构造成在两个相反的方向上旋转，以用于反转所述冷却流体的流动方向。
技术方案12. 根据技术方案11所述的组件，其中，所述一个或多个冷却流体移位装置是一个或多个扇。
技术方案13. 根据技术方案10所述的组件，其中，所述冷却***还包括一个或多个额外的导管，所述一个或多个额外的导管构造成选择性地流体连接一个或多个进入导管和一个或多个离开导管。
技术方案14. 根据技术方案13所述的组件，其中，所述冷却***还包括一个或多个阀，所述一个或多个阀构造成操作以用于允许或阻止所述冷却流体通过一个或多个额外的导管流动。
技术方案15. 根据技术方案10-14中任一个所述的组件，还包括：
一个或多个温度传感器，所述一个或多个温度传感器配置成测量一个或多个有源转子元件和/或有源定子元件的温度；
以及控制器，所述控制器配置成基于一个或多个温度传感器的温度测量值来指示改变所述冷却流体的流动方向。
附图说明
图1示意性地图示风力涡轮的一个示例的透视图；
图2图示风力涡轮的毂和机舱的示例；
图3示意性地图示用于冷却有源转子元件和有源定子元件的方法的示例的流程图；
图4A和图4B示意性地图示电机的示例的截面，其中冷却流体在两个不同方向上流过气隙；
图5A和图5B示意性地图示根据两个示例的流体连接到冷却***的电机的侧视图；
图6A和图6B示意性地图示根据另一个示例的流体连接到冷却***的电机的侧视图；以及
图7A和图7B示意性地图示有源转子元件或有源定子元件的温度随时间并取决于温度阈值的设置的演变。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例被提供作为本发明的解释，不是作为本发明的限制。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的此类修改和变型及它们的等同物。
虽然本文中主要涉及用于直接驱动的风力涡轮的发电机，本发明可大体上应用于电机。
图1是风力涡轮10的示例的透视图。在示例中，风力涡轮10是水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。在示例中，风力涡轮10包括从在地面12上的支撑***14延伸的塔架15、安装在塔架15上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20并从毂20向外延伸。在示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可由管状钢制成，以在支撑***14和机舱16之间限定空腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选方案，该塔架可为混合塔架，其包括由混凝土制成的部分和管状钢部分。此外，塔架可为部分格构塔架或全格构塔架。风力涡轮10可放置于岸上和海上两者处。
转子叶片22围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18来使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。转子叶片22通过在多个负载转移区域26处将叶片根部部分24联接到毂20来配合到毂20。负载转移区域26可具有毂负载转移区域和叶片负载转移区域(图1中均未示出)。诱导至转子叶片22的负载经由负载转移区域26转移到毂20。
在示例中，转子叶片22可具有从约15米(m)至约90 m或更多的长度。转子叶片22可具有使得风力涡轮10能够如本文中所述起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的非限制性示例包括20 m或更短、37 m、48.7 m、50.2 m、52.2 m或大于91 m的长度。当风从风向28冲击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转并受到离心力时，转子叶片22也受到各种力和力矩。照此，转子叶片22可从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片22的桨距角(即确定转子叶片22相对于风向的取向的角度)可由变桨***32改变，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角向位置来控制由风力涡轮10产生的负载和功率。示出了转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨***32可特别改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片(的部分)的攻角减小，这有利于减小旋转速度和/或有利于转子18的失速。
在示例中，每个转子叶片22的叶片桨距由风力涡轮控制器36或变桨控制***80单独控制。备选地，所有转子叶片22的叶片桨距可由所述控制***同时控制。
此外，在示例中，随着风向28改变，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转，以相对于风向28定位转子叶片22。
在示例中，风力涡轮控制器36示出为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为在整个风力涡轮10内、在支撑***14上、在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式***。风力涡轮控制器36包括处理器40，处理器40配置成执行本文中描述的方法和/或步骤。此外，本文中描述的许多其它构件包括处理器。
如本文中使用的，术语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。应理解的是，处理器和/或控制***也可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
图2是风力涡轮10的一部分的放大截面图。在示例中，风力涡轮10包括机舱16和能够旋转地联接到机舱16的转子18。更特别地，转子18的毂20通过主轴44、齿轮箱46、高速轴48和联轴器50能够旋转地联接到定位在机舱16内的发电机42。在示例中，主轴44设置成至少部分与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过将转子18和主轴44的相对较慢的旋转移动转化为高速轴48的相对较快的旋转移动来驱动高速轴48。高速轴48借助于联轴器50连接到发电机42，用于产生电能。此外，变压器90和/或合适的电子设备、开关和/或逆变器可布置在机舱16中，以便将具有400 V至1000 V之间的电压的由发电机42生成的电能变换成具有中压(10-35 KV)的电能。所述电能经由功率线缆从机舱16传导到塔架15中。
齿轮箱46、发电机42和变压器90可由机舱16的主支撑结构框架支撑，该主支撑结构框架可选地实施为主框架52。齿轮箱46可包括通过一个或多个扭矩臂103连接到主框架52的齿轮箱壳体。在示例中，机舱16还包括主前支撑轴承60和主后支撑轴承62。此外，发电机42可通过脱离支撑装置54安装到主框架52，特别是为了防止发电机42的振动被引入到主框架52中，并因此导致噪声发射源。
可选地，主框架52构造成承载由转子18和机舱16的构件的重量以及由风和旋转负载所导致的整个负载，并且进一步将这些负载引入到风力涡轮10的塔架15中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联轴器50以及任何相关联的紧固、支撑和/或固定设备，包括但不限于支撑件52以及前支撑轴承60和后支撑轴承62，有时被称为传动系64。
在一些示例中，风力涡轮可为没有齿轮箱46的直接驱动的风力涡轮。在直接驱动的风力涡轮中，发电机42以与转子18相同的旋转速度操作。因此，它们大体上具有比具有齿轮箱46的风力涡轮中使用的发电机大得多的直径，以用于提供与具有齿轮箱的风力涡轮相似量的功率。
机舱16还可包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可用于使机舱16旋转，并且因此也使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的视角。
为了相对于风向28适当地定位机舱16，机舱16还可包括至少一个气象测量***，该***可包括风向标和风速计。气象测量***58可向风力涡轮控制器36提供信息，该信息可包括风向和/或风速。在示例中，变桨***32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动***68和至少一个传感器70。每个变桨驱动***68联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，用于沿着变桨轴线34调制转子叶片22的桨距角。图2中仅示出了三个变桨驱动***68中的一个。
在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，该变桨轴承72联接到毂20和相应的转子叶片22(图1中示出)，用于使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动***68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74将机械力施加到变桨驱动齿轮箱76。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78由变桨驱动齿轮箱76旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转导致变桨轴承72的旋转。
变桨驱动***68联接到风力涡轮控制器36，用于在从风力涡轮控制器36接收到一个或多个信号时调节转子叶片22的桨距角。在示例中，变桨驱动马达74是由电功率和/或液压***驱动的任何合适的马达，其使得变桨组件66能够如本文中所述起作用。备选地，变桨组件66可包括任何合适的结构、构造、布置和/或构件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的转动惯量和/或向风力涡轮10的构件供应能量的存储能量源(未示出)提取的能量所驱动。
变桨组件66还可包括一个或多个变桨控制***80，用于在特定的优先情况下和/或在转子18超速期间根据来自风力涡轮控制器36的控制信号来控制变桨驱动***68。在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制***80，该变桨控制***80通信地联接到相应的变桨驱动***68，用于独立于风力涡轮控制器36控制变桨驱动***68。在示例中，变桨控制***80联接到变桨驱动***68和传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36可控制变桨驱动***68来调节转子叶片22的桨距角。
根据实施例，例如包括电池和电容器的功率发电机84布置在毂20处或毂20内，并且联接到传感器70、变桨控制***80和变桨驱动***68，以向这些构件提供功率源。在示例中，功率发电机84在风力涡轮10的操作期间向变桨组件66提供持续的功率源。在备选实施例中，功率发电机84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间向变桨组件66提供功率。电功率损失事件可包括功率网损失或电压跌落、风力涡轮10的电气***的故障和/或风力涡轮控制器36的故障。在电功率损失事件期间，功率发电机84操作以向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66可在电功率损失事件期间操作。
在示例中，变桨驱动***68、传感器70、变桨控制***80、线缆和功率发电机84各自定位在由毂20的内表面88限定的空腔86中。在备选实施例中，所述构件相对于毂20的外表面定位，并且可直接地或间接地联接到外表面。
在本公开内容的一个方面，提供了一种用于冷却电机200的方法100。该方法在图3中描绘。电机200包括：转子210，其包括多个有源转子元件212；定子220，其包括多个有源定子元件222；以及气隙215，其分离有源转子元件212和有源定子元件222。
该方法包括：在框110处，使冷却流体140通过电机200的一个或多个初级入口236、256供应到气隙215，以用于冷却电机200的转子210的多个有源元件212和/或电机200的定子220的多个有源元件222。
电机200可为用于风力涡轮10的发电机，例如用于直接驱动的风力涡轮的发电机。图4A示出包括转子210和定子220的发电机200的示例的截面图。转子210构造成围绕旋转轴线205旋转。转子210包括转子边缘211和附接到转子边缘211的多个有源转子元件212。定子220包括定子边缘221和附接到定子边缘221的多个有源定子元件222。
转子210可包括驱动侧盖231和中心侧盖232。驱动侧盖231也可称为前侧盖231，并且可构造成面向风力涡轮毂20。即，发电机的驱动侧234可限定为在该情况下由风力涡轮的转子从其驱动发电机的一侧。在马达的情况下，马达的驱动侧可限定为马达在该处驱动机动化元件的一侧。发电机的非驱动侧235可与发电机的驱动侧相对。
如在该示例中可看到的，驱动侧盖231可主要在径向方向240和切向方向或周向方向242上延伸。驱动侧盖231可在轴向方向241上保护转子和定子的有源元件免受潮湿和风中的不希望的颗粒(诸如灰尘)的影响。中心侧盖232可包括转子边缘211，并且可主要在周向方向242上和在轴向方向241上延伸。转子还可包括非驱动侧盖233。非驱动侧盖233也可称为后侧盖233。中心侧盖232可在转子210的驱动侧盖231和非驱动侧盖233之间延伸。
类似地，定子220可包括中心侧板262和非驱动侧板或后侧板263。在一些示例中，定子220可另外包括驱动侧板或前侧板(图中未示出)。定子220可固定地安装在发电机支撑件203上。转子210可能够旋转地安装在发电机支撑件203上，并且可操作地连接到毂20或风力涡轮转子的其它零件。转子231的驱动侧盖231可通过轴承201由发电机支撑件203支撑。如果转子210包括向上延伸到发电机支撑件203的非驱动侧盖233，轴承也可用来将非驱动侧盖233连结到支撑件203。发电机支撑件203可为风力涡轮框架，例如直接驱动的风力涡轮框架的前部部分。
在该示例中，冷却***可布置在发电机200的非驱动侧处，例如，在非驱动侧盖233处。例如，空气提取***和/或空气供应***可布置在发电机的非驱动侧235处。可看到，在该示例中，非驱动侧盖233径向地向内延伸，但不完全延伸直到接触发电机支撑件203。在设置在盖233和发电机支撑件203之间的径向空间237中，可布置用于供应和提取冷却流体(例如空气)的冷却空气导管。初级入口236和初级出口256可设置在转子的非驱动侧盖233和发电机支撑件203之间的空间237中。
在该示例中，气隙215是径向气隙，并且发电机200是径向发电机，但在其它示例中，发电机200可为具有轴向气隙的轴向发电机。在图3中，转子210围绕定子220。在其它示例中，定子可围绕转子。
图4A示意性地图示冷却流体140可在第一方向150上供应到气隙215，以用于冷却有源转子元件212和/或有源定子元件222。冷却流体140可例如通过在转子210的后侧盖233处的初级入口236引入发电机200中，然后通过定子220朝向转子前侧盖231，并且然后朝向气隙215导引。定子和转子的形状可已用来引导冷却流体140通过发电机200，或者一个或多个导管可用于引导冷却流体140通过发电机。
在该示例中，冷却流体140首先在发电机的驱动侧或前部区域160处或附近接触有源元件212、222，并且因为有源元件是热的，冷却流体的温度增加。冷却流体140然后朝向转子的后侧盖233前进。当到达在发电机的非驱动侧或后部区域165中的有源元件212、222时，冷却流体140已是温的，并且因此在后部区域165中的有源元件的温度可能不如在前部区域160中的有源元件的温度降低得多。因此，在后部区域165中可能产生热点，并且在该区域165中的有源元件可能比在前部区域160中的有源元件具有更高的过热和失效的风险。现在加热的冷却流体140可通过在转子210的后侧盖233处的初级出口256排出。
在图4A中以及在图4B中，用于冷却流体140的发电机的初级入口236和发电机的初级出口256示出为沿着径向方向240对齐。应注意的是，这仅是说明性的，并且冷却流体可通过其引入发电机200内部的初级入口236和冷却流体可通过其排出的初级出口256可不必在径向方向240上对齐。例如，用于冷却流体140的初级入口236和初级出口256可沿着周向242方向移位。此外，初级入口和初级出口可设置在间隙237中。例如，导管可在第一周向位置处通过空间237引导冷却流体140朝向发电机200的内部，并且另一个导管可在第二周向位置处通过间隙237引导加热的冷却流体140远离发电机。
图3的方法还包括：在框120处，反转冷却流体140的流动方向，使得冷却流体140通过初级入口236中的一者或多者(例如全部)从电机200中提取。
图4B示意性地图示这一点。冷却流体140现在通过在转子210的后侧盖233处的初级出口256进入发电机200，并朝向气隙215被引导。图4A中的转子或发电机初级入口236因此成为图4B中的出口236，并且图4A中的转子或发电机初级出口256因此成为图4B的操作模式下的入口256。因为流动方向已颠倒，冷却流体现在首先接触在后部区域165中的有源元件212、222，然后在其轴向地通过气隙前进时加热，并且然后接触在前部区域160中的有源元件。在该操作中，在后部区域165中的有源元件可比在前部区域160中的有源元件冷却得更多。因此，热点更有可能形成在前部区域160中。
当转子210旋转时，有源元件和气隙215的温度分布也可沿着周向方向242不均匀。如果冷却流反转，这也可影响沿着周向方向242的冷却。因此，哪个有源元件212、222冷却得更多和冷却得更少可沿着整个气隙(即在轴向方向241和周向方向242两者上)改变。因为具有最高温度的有源元件212、222由于冷却流体的流动的反转所改变，可减少并且可能地避免由于过热导致的失效。也可减少修理的需要。例如，有源元件的绝缘(例如电绝缘)可能不需要更换。此外，由于热点并不总是位于相同的位置中，有源元件212、222可经受更高的温度，并且可增加由发电机200产生的功率。因此，根据对电机200的要求，可实现延长有源元件212、222及其绝缘的可实现的寿命和增加功率输出的合适组合。
可使用任何合适的冷却流体140，并且特别地可使用不同的冷却气体。在一些示例中，空气被用作冷却流体。
在特定方向上供应冷却流体140的时间段可基本上等于或不同于在另一方向上供应冷却流体140的时间段。在第一时段期间，冷却流体140可通过气隙215从电机200的一个或多个初级入口236供应到电机200的一个或多个初级出口256。在第二时段期间，冷却流体140可通过气隙215从一个或多个初级出口256供应到一个或多个初级入口236。在一些示例中，第二时段可基本上等于第一时段。在其它示例中，第二时段可不同于第一时段。
如在图4A的示例中所图示，冷却流体140可在第一时段期间在第一方向150上供应到气隙215。并且如在图4B的示例中所图示，冷却流体140可在第二时段期间在第二方向155上供应到气隙215。第二方向155可与第一方向150相反。在一些示例中，第一方向150和第二方向155可为基本上轴向的方向241。
反转冷却流体140的方向可以多于一种方式执行。例如，如果一个或多个流体移位装置310用于导致或帮助冷却流体朝向气隙215流动以用于冷却有源元件，反转120可包括反转一个或多个流体移位装置310(例如，流体移位装置内部的一个或多个旋转元件)的旋转方向。流体移位装置310构造成在特定方向上驱动冷却流体410，例如通过在冷却流体的路径的两个点之间产生压力差，并且因此产生冷却流体将朝向其流动的具有较低压力的区域。流体移位装置310可例如是泵或扇。颠倒流体移位装置310的旋转方向可在风力涡轮10的维护或修理操作期间执行。例如，当更换流体移位装置的马达时，反转旋转方向可手动执行。
一个或多个冷却流体移位装置310可包括一个或多个叶轮。反转120可包括切换一个或多个叶轮的旋转方向。在一些示例中，叶轮可为双向的。流体移位装置310的马达可构造成使双向叶轮在两个相反的旋转方向上旋转。
图5A和图5B示意性地图示流体连接到电机200的冷却***300的两个示例的侧视图。在图5A中，进入导管320构造成使冷却流体140运送到发电机200，并且离开导管330构造成将加热的冷却流体140远离发电机200运送。一个或多个过滤器可布置在导管中以调节空气。进入导管320和离开导管330可例如将机舱16的外部与发电机200流体连接。每个导管320、330具有入口和出口。一个或多个冷却流体推进器310(例如一个或多个扇)构造成导致冷却流体140移动通过导管320、330，例如通过进入导管320朝向发电机200，并且通过离开导管330远离发电机320。一个或多个冷却流体推进器310构造成颠倒它们的旋转方向，使得冷却流体140在相反的方向上前进。例如，一个或多个扇叶轮的旋转可反转。因此，离开导管330成为进入导管，并且进入导管320成为离开导管。
一个或多个冷却流体移位装置310可与进入导管320和/或离开导管330一起布置。流体移位装置310可沿着导管320、330定位在任何合适的位置处，例如在导管320、330内部。根据流体移位装置310的类型，流体移位装置可放置在导管外部但与导管流体接触。注意到，到电机的“进入”点236和从电机的“离开”点256因此取决于流动方向，并且因此可随着时间变化，取决于冷却循环的配置。初级入口(用于第一或初级冷却流动方向)因此可成为在第二冷却流动方向上的出口。
在图5B中，冷却***300包括热交换器315，该热交换器315包括一个或多个热交换器流体移位装置310'，以用于驱动热交换器冷却流体145通过热交换器315，以用于冷却初级冷却流体140。在本文中，将流过气隙215的冷却流体140可称为主冷却流体，并且将流过热交换器315以用于冷却主冷却流体140的冷却流体145可称为次级冷却流体。热交换器可包括热交换器次级入口和热交换器次级出口，次级冷却流体分别通过它们引入热交换器315和从热交换器315移除。热交换器还包括热交换器主流体入口和热交换器主流体出口，主冷却流体140分别通过它们引入热交换器315和从热交换器315移除。
在一些示例中，热交换器315可包括一个或多个主流体置换装置310。即，代替将一个或多个主流体移位装置310布置在热交换器315的外部或除此之外，它们可与热交换器315一起布置，例如布置在热交换器315的内部。在这些示例中的一些中，与热交换器315一起布置的流体移位装置310(例如，在其中的诸如叶轮的旋转元件)的旋转方向可颠倒以切换主冷却流体140的方向。
类似于冷却流体移位装置310，在一些示例中，一个或多个热交换器流体移位装置310'可为泵或扇。流体移位装置310'(例如，在其中的诸如叶轮的旋转元件)的旋转方向可颠倒以切换次级冷却流体145的方向。
在其它示例中，反转120可包括将用于使冷却流体140朝向气隙215引导的一个或多个进入冷却导管320与用于使冷却流体140远离气隙215引导的一个或多个离开冷却导管330流体连接，使得冷却流体140的流动方向颠倒。
即，当在第一方向150上供应冷却流体140时，进入冷却导管320和离开冷却导管330可不直接(即，在其存在的情况下不通过电机200或热交换器315)和流体地连接。进入导管320仅引导冷却流体140朝向气隙215，并且离开导管330仅引导加热的冷却流体140远离气隙215。为了反转120冷却流体140的流动方向，可允许冷却流体140通过构造成流体连接进入导管320和离开导管330的额外的导管340的传送。
图6A和图6B示意性地示出诸如用于直接驱动的风力涡轮10的发电机的电机200和流体连接到电机200的冷却***300的侧视图。冷却***300可例如设置在机舱16中。冷却***300包括一个或多个进入导管320和一个或多个离开导管330。冷却流体140(例如空气)可朝向气隙215流过一个或多个进入导管320，其温度增加，并且然后由一个或多个离开导管330收集和流过所述离开导管330。如在图5A-6B中可看到的，冷却流体140可在某个周向位置处引入发电机200中并在另一个周向位置处被收集。
额外的导管340可选择性地将一个或多个进入导管320与一个或多个离开导管330流体连接。因此，冷却流体340的流动方向可反转。当冷却流体140在第一方向150上被供应到气隙215时，额外的导管340可被关闭，如在图6A中所示。
额外的冷却导管340可被打开以重新引导冷却流体140的流动。例如，反转120可包括操作多个阀350以用于重新引导冷却流体140通过额外的冷却导管340并颠倒它的流动方向。如在图6B中所图示，阀350已操作以用于改变冷却流体140的路线。一些阀350已操作以用于关闭进入导管320和离开导管330的一部分，并且一些阀350已操作以用于允许传送通过额外的导管340。在一些示例中，阀350可电操作，例如通过电动马达。
以该方式，当冷却流体140在第一方向上循环时(图6A)，冷却流体可在第一周向位置处引入发电机200中并在第二周向位置处被收集，并且当冷却流体的流动方向反转时(图6B)，冷却流体可在第二周向位置处引入发电机中并在第一周向位置处被收集。第一和第二周向位置可为不同的，如在这些图中那样。如例如参照图4所图示，到气隙和来自气隙的冷却流体的轨迹也可不同于这些不同的周向位置。特别地，冷却流体如何在轴向方向上穿过气隙可取决于冷却流体是根据图6A还是根据图6B供应。
图6A和图6B的冷却导管320、330可流体连接到围绕例如机舱16的周围空气，如关于图5A所解释的，或者流体连接到热交换器315，如关于图5B所解释的。
虽然在图5A-6B中仅示出一个进入导管320和一个离开导管330，应注意的是，可提供多于一个进入导管320和多于一个离开导管330。例如，可提供四个进入导管320和四个离开导管330，进入导管320构造成使冷却流体运送到发电机200的不同周向部分，离开导管330构造成使冷却流体远离发电机200的不同周向部分运送。
反转120冷却流体140的方向可在发电机200的寿命期间执行至少一次。在一些示例中，反转120可在发电机200的预期使用寿命期间仅执行一次。即使冷却流体在电机的整个寿命内反转仅一次，它的性能和/或技术耐久性可改进。此类单次切换可例如在计划维修(大维修)的场合进行。在一些其它示例中，反转120可在发电机200的预期使用寿命期间执行两次或更多次。
在一些示例中，可监测一些有源元件212、222的温度。例如，可跟踪诸如线圈和/或线圈的绝缘的有源定子元件的温度。可设置温度阈值，并且反转120可在发电机200的一个或多个有源元件212、222的温度达到温度阈值时执行。当达到阈值时颠倒冷却流体的方向可有助于更好地控制沿有源元件和气隙215的温度分布。大体上，可监测一个或多个有源定子元件和/或一个或多个有源转子元件的温度。例如，可跟踪多个定子元件的温度。
在一些示例中，可提供控制器和一个或多个温度传感器。控制器可连接到一个或多个温度传感器，例如连接到两个或更多个温度传感器。控制器还可连接到一个或多个推进器310、310'，例如连接到多个扇，和/或连接到一个或多个阀350，例如连接到多个阀。当有源元件(或其绝缘材料)的温度达到预定阈值时，控制器可指示一个或多个推进器310、310'切换它们的旋转方向，或指示一个或多个阀350打开或关闭(例如，如果它们关闭，就打开，并且如果它们打开，就关闭)。
在一些示例中，考虑到可能的安全裕度，预定阈值可为由有源元件212、222在使用期间可实现的最高温度。在使用时，有源元件212、222或其绝缘的温度可增加，直到达到最高温度。如果有源元件在超过某个时间段期间保持在此类温度下，它们可能失效。因此，当实现此类温度时，反转120冷却流体的方向可冷却有源元件，并且可降低有源元件的热应力。
在一些其它示例中，预定阈值可为低于在使用期间最高可实现温度的温度。这两种情况的示例已在图7A中示意性地图示。该图示意性地表示作为时间t的函数的有源元件(例如线圈或线圈的绝缘)的温度TAE。整条线381表示不执行冷却流体的方向的反转120的情况。因此，有源元件的温度仅增加直到到达稳定期。虚线382表示当阈值对应于最高可实现温度360时并且当达到该阈值时执行反转120时有源元件或其绝缘的温度的演变。最后，虚线383表示当设置了低于阈值360的温度阈值365时有源元件或其绝缘的温度。阈值360、365可称为上温度阈值。
还可设置下温度预定阈值370，使得当达到上温度阈值360、365时以及当达到下温度阈值370时执行反转120。因此，有源元件的温度可保持在由上温度阈值和下温度阈值定界的某个温度范围内。
在一些示例中，代替在达到阈值温度360时反转120冷却流体140的流动方向，可在已达到阈值360之后的某个时间段380执行反转120。该选项在图7B中示意性地图示。
在一些示例中，可为一组有源元件设置温度阈值。例如，代替在已由一个有源元件实现阈值温度时反转120冷却流体140的流动，流动可在多于一个有源元件已达到阈值时反转。或者可为一组有源元件设置平均温度阈值，例如，可监测两个或更多个有源元件的温度，并且当两个或更多个有源元件的平均温度达到阈值时，采取行动。
在本公开内容的另一个方面，提供了一种电机组件400。该电机组件包括电机200和流体连接到电机200的冷却***300。电机200包括：转子210，其包括多个有源转子元件212；定子220，其包括多个有源定子元件220；以及气隙215，其分离有源转子元件212和有源定子元件222。冷却***300包括：一个或多个进入冷却导管320，其用于引导冷却流体140朝向气隙215；一个或多个离开冷却导管330，其用于收集和引导在气隙215中加热的冷却流体140远离电机200。冷却***300构造成反转冷却流体140的流动方向。因此，冷却流体可在两个不同的方向上(例如在两个相反的方向上)被供应到气隙215。
关于图3-7B的描述和解释可应用于冷却***300和电机200。
冷却***300可包括一个或多个冷却流体移位装置310、310'，该冷却流体移位装置310、310'构造成在两个相反的方向上旋转，以用于反转冷却流体的流动方向。一个或多个流体移位装置可布置有一个或多个进入导管320和/或一个或多个离开导管330。在一些示例中，推进器可为扇。冷却流体140可为空气。
冷却***300可包括一个或多个额外的导管340，该额外的导管340构造成以选择性的方式流体连接一个或多个进入导管320和一个或多个离开导管330，使得冷却流体140的流动方向颠倒。
冷却***300可包括一个或多个阀350，该一个或多个阀350构造成操作以用于重新引导冷却流体140的流动通过一个或多个额外的导管340，如关于图6A和图6B所解释的。一个或多个阀350可通过允许或阻止冷却流体通过额外的导管流动来调节冷却流体通过一个或多个额外的导管340的传送。阀350可根据需要打开和关闭。
电机组件400(例如电机200)还可包括一个或多个温度传感器，该温度传感器配置成测量一个或多个有源元件212、222或其绝缘的温度，如关于图7A和图7B所解释的。组件400(例如冷却***300)可包括控制器，该控制器配置成基于一个或多个温度传感器的温度测量值来指示改变冷却流体的流动方向。例如，控制器可指示一个或多个推进器310改变它们的旋转方向，或者可指示一个或多个阀致动器(例如电动马达)基于一个或多个温度传感器的一个或多个测量值来操作阀350。
电机200可为用于风力涡轮并且更特别地用于直接驱动的风力涡轮的发电机。电机组件400可为发电机组件，例如用于风力涡轮，并且更特别地用于直接驱动的风力涡轮。
可提供风力涡轮10，并且特别是包括发电机组件400的直接驱动的风力涡轮。
在本公开内容的另一个方面，提供了一种发电机组件。发电机组件400包括发电机200和流体连接到发电机200的冷却***300。发电机200包括：转子210，其包括多个有源转子元件212；定子220，其包括多个有源定子元件220；以及气隙215，其分离有源转子元件212和有源定子元件222。冷却***300包括多个导管320、330、340，所述导管320、330、340构造成在冷却流体140传送通过气隙215之后引导冷却流体140朝向气隙215和远离发电机200。冷却***300构造成选择性地在第一方向上或在不同于第一方向的第二方向上引导冷却流体140，使得冷却流体140在两个不同的方向上流过气隙215。
冷却***300可包括一个或多个双向扇310、310'，该双向扇310、310'构造成在第一方向和第二方向上引导冷却流体140。
冷却***300还可包括流体连接到多个导管320、330的热交换器315，该多个导管320、330构造成引导冷却流体140朝向和远离气隙215。包括所有扇的一个或多个双向扇310、310'可包括在热交换器315中。例如，用于推动冷却流体朝向和远离发电机的一个或多个双向扇可包括在热交换器315中。
冷却***300可包括多个阀350，该多个阀350构造成调节通过多个导管320、330、340的冷却流体140的流动，使得冷却流体140可在第一方向上和在第二方向上流动。
可提供风力涡轮10，并且特别是包括发电机组件400的直接驱动的风力涡轮。
关于图3-7B的描述和解释可应用于冷却***300和发电机200。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或***以及执行任何结合的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元件，此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。本领域普通技术人员可混合和匹配所描述的各种实施例的方面以及每个此类方面的其它已知等同物，以根据该申请的原理来构造额外的实施例和技术。如果与附图相关的附图标记被置于权利要求中的括号中，它们仅是为了试图增加权利要求的可理解性，且不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于冷却电机(200)的方法(100)，所述电机(200)包括：转子(210)，所述转子(210)包括多个有源转子元件(212)；定子(220)，所述定子(220)包括多个有源定子元件(222)；以及气隙(215)，所述气隙(215)分离所述有源转子元件(212)和所述有源定子元件(222)，所述方法(100)包括：
使冷却流体(140)通过所述电机(200)的一个或多个初级入口(236)供应(110)到所述气隙(215)以用于冷却所述转子(210)的多个有源元件(212)和/或所述多个有源元件(222)；以及
反转(120)所述冷却流体(140)的流动方向，使得所述冷却流体(140)通过所述初级入口(236)中的一者或多者从所述电机(200)中提取。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却流体(140)在第一时段期间在第一方向(150)上供应，并且所述冷却流体(140)在第二时段期间在第二方向(155)上供应，所述第二方向(155)与所述第一方向(151)相反。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一方向(150)和所述第二方向(155)是基本上轴向的方向(241)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，反转(120)包括反转一个或多个流体移位装置(310、310')的旋转方向，导致所述冷却流体(140)朝向所述气隙(215)流动以用于冷却所述气隙(215)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，反转(120)包括将用于引导所述冷却流体(140)朝向所述气隙(215)的一个或多个进入冷却导管(320)与用于引导所述冷却流体(140)远离所述气隙(215)的一个或多个离开冷却导管(330)选择性地流体连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，流体连接包括操作多个阀(350)以用于重新引导所述冷却流体(140)通过额外的冷却导管(340)，所述额外的冷却导管(340)将一个或多个进入冷却导管(320)与一个或多个离开冷却导管(330)连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，反转(120)在所述电机(200)的预期寿命期间仅执行一次。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，反转(120)在一个或多个有源元件的预定温度阈值(360、365、370)实现时或之后执行。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述冷却流体(140)是空气。
10.一种电机组件(400)，所述电机组件(400)包括电机(200)和流体连接到所述电机(200)的冷却***(300)；
其中，所述电机(200)包括：转子(210)，所述转子(210)包括多个有源转子元件(212)；定子(220)，所述定子(220)包括多个有源定子元件(222)；以及气隙(215)，所述气隙(215)分离所述有源转子元件(212)和所述有源定子元件(222)；
其中，所述冷却***(300)包括：一个或多个进入冷却导管(320)，其构造成引导冷却流体(140)朝向所述气隙(215)；以及一个或多个离开冷却导管(330)，其构造成收集和引导在所述气隙(215)中加热的所述冷却流体(140)远离所述电机(200)；并且
其中，所述冷却***(300)构造成反转所述冷却流体(140)的流动方向。
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