CN101841212B - 在面向线圈的表面中具有偏流槽道的电机线圈间隔块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，包括：具有多个相邻的线圈的转子(10)；间隔块，间隔块布置在相邻的线圈之间以便限定与间隔块相邻并在互相相邻的线圈之间的第一和第二腔；并且间隔块包括布置在间隔块的面向线圈的表面(146)中的槽道(144)，用于将循环的冷却剂流拦截并重定向至第一腔(160)。

Description

在面向线圈的表面中具有偏流槽道的电机线圈间隔块

技术领域

本发明涉及一种用于通过拦截循环的冷却剂流并将其重定向至相邻的腔来增强电机转子的冷却的结构。

背景技术

在诸如涡轮发电机的大型电机中，转子包括沿其长度加工而成的槽，铜线圈放置在这些槽中。这些线圈延伸到转子本体外的部分称为端部绕组。在转子的端部绕组区域中，线圈被间隔块紧密地保持，取决于它们的位置，这些间隔块又分为隔条、垫片和楔块。

电机的额定功率输出常常由于对导电体绝缘材料施行的温度限制而被提供通过转子磁场绕组的额外电流的能力所限制。因此，转子绕组的有效冷却对机器的输出能力产生直接贡献。对于转子端部绕组尤其如此，其中由于这些机器的典型结构而使直接强制冷却困难而昂贵。由于当前市场趋于需要效率更高、可靠性更高、成本更低、功率密度更高的发电机，所以冷却转子端部绕组变成一个制约因素。为了冷却端部绕组和线圈，循环的冷却剂流通过间隔块与线圈之间的腔并进入线圈中的凹槽，凹槽始于这些腔并排出到烟道中。

发明内容

本公开的第一方面提供一种电机，包括：具有多个相邻的线圈的转子；间隔块，间隔块布置在相邻的线圈之间以便限定与间隔块相邻并在互相相邻的线圈之间的至少第一腔；并且其中，间隔块包括布置在间隔块的面向线圈的表面中的槽道，用于将循环的冷却剂流拦截并重定向至第一腔。

本公开的第二方面提供一种气体冷却式电机，包括：具有轴和本体部分的转子；包括多个相邻的线圈的转子绕组，该多个相邻的线圈包括布置在本体部分上的轴向延伸的线圈和轴向延伸超出本体部分的至少一端的端带，线圈和轴限定它们之间的环形区域；多个间隔块，多个间隔块定位在相邻的线圈之间，从而限定第一和第二腔，各腔向环形区域开口并由相邻的间隔块和相邻的线圈界定；并且其中，各间隔块包括布置在间隔块的面向线圈的表面中的槽道，用于将循环的冷却剂流拦截并重定向至第一腔。

第三方面涉及一种用于气体冷却式电机的间隔块，该间隔块包括：块部件，用于安装在气体冷却式电机的转子绕组的相邻线圈之间，从而限定与块部件相邻的第一和第二腔；以及布置在块部件的面向线圈的表面中的槽道，用于将循环的冷却剂流拦截并重定向至第一腔。

附图说明

图1是定子与其成相对的面向关系的电机转子的端部绕组的一部分的截面图。

图2是沿着图1的线2-2截取的电机转子的俯视截面图。

图3是显示了流入和流经端部绕组腔的常规被动气流的示意图。

图4是显示了包括根据本发明的实施例的间隔块的气体冷却式电机的实施例的示意图。

图5-10是根据本发明的间隔块的实施例的放大透视图。

标号列表

10转子；12定子；14本体部分；16转子轴；18部分；20延伸的槽；22设置的线圈；23延伸的线圈；24导体条；25电绝缘体；26楔形件；27端匝；28端部绕组；30保持环；32定心环；34进气通道；36环形区域；38冷却槽道；40间隔块；48端带块；50线圈侧块；52楔块；160第一腔；162第二腔；144槽道；140不同的槽道；146表面；148凹穴；170偏流结构；

具体实施方式

参照附图，其中全部几个图中相同的参考标号指示相同的元件，图1和2显示了气体冷却式电机的转子10，该电机还包括围绕转子的定子12。转子包括大致圆柱形本体部分14，其居中地布置在转子轴16上并具有轴向相对的端面，其中一个端面的一部分18在图1中示出。本体部分设置有多个周向隔开、轴向延伸的槽20，用于容纳组成转子绕组的同心地设置的线圈22。为了清楚，仅示出了五个转子线圈，尽管实践中一般使用更多个线圈。

特别地，构成转子绕组的一部分的多个导体条24堆叠在各个槽中。相邻的导体条24由电绝缘体25的层分开。堆叠的导体条通常由楔形件26(图1)保持在槽中并由诸如铜的导电材料制成。在可称为端带区域的范围内，导体条24通过线圈的端匝(end turn)27在本体部分的各相对端互相连接。线圈22包含包括轴向延伸的线圈23的线圈侧部分并轴向延伸超出端面至端带区域。将轴向延伸的线圈23和端匝27总称为端部绕组28。端匝27还被电绝缘体层分开。

特别参照图1，保持环30在本体部分的各端布置在端匝周围以克服离心力将端部绕组28保持在适当位置。保持环30在一端固定在本体部分上并延伸出转子轴16上方。定心环32附接在保持环30的远端上。应当注意的是，保持环30和定心环32能够以如本领域中公知的其它方式安装。定心环32的内周边缘与转子轴16径向隔开以便形成进气通道34，并且端部绕组28与转子轴16隔开以便限定环形区域36。沿着槽20(图2)形成的多个轴向冷却槽道38设置成经由环形区域36与进气通道34流体连通以向线圈22(图2)传送冷却气体。

转到图2，在转子10(图1)各端的端匝27可由多个垫片或间隔块40周向和轴向地分开。(为了清楚地示出，图1中未示出间隔块)。在间隔块40布置在端匝27之间的情况下，它们可称为端带块48。此外，轴向延伸的线圈23可由多个间隔块40周向地分开。在此位置，间隔块40可称为线圈侧块50或本体楔块52。术语“楔”可应用于这些块是因为它们可设置有楔形以适应于在此位置与线圈23相配合所需的弓形。在任何情况下，间隔块40为不论是在径向延伸的线圈侧部或是在端带区域都定位在相邻的线圈之间的空间中的绝缘材料的长的块部件。间隔块40可延伸超出端带部或线圈侧部的全部径向深度而进入环形间隙36中。

如图4中最好地示出，在大多数情况下，布置在相邻的线圈(不论是轴向延伸的线圈23或是端带27)之间的间隔块140分别限定与间隔块140相邻并且在互相相邻的线圈之间的第一腔160和第二腔162。同心堆叠的端部绕组28(图3)之间的空间被划分为腔42。这些腔在顶部由保持环30界定，而在四侧由相邻的端带27和相邻的间隔块48界定，如图2所示。类似地，如图2中最好地示出，径向堆叠的轴向延伸线圈23之间的间隔块40可划分为腔54、56。通常，如图2中对最外面的线圈所示，布置在相邻的线圈23之间的间隔块40(本体楔块52)仅限定与其相邻的一个腔54，因为间隔块被布置成直接抵接转子齿29的一端。腔54在底部由保持环30界定，而在四侧由相邻的线圈23和相邻的间隔块40(线圈侧块50和本体楔块52)界定。然而，按照本发明的实施例，如图2中对最里面的线圈所示，也可存在间隔块40(本体楔块52)不抵接在转子齿29的一端上的腔56。腔56在顶部可由保持环30(或楔形件26(图1))界定，而在四侧由相邻的线圈23、相邻的间隔块40(线圈间隔块50)和转子齿29的一端界定。图1显示了该后一种情形。

如图1中最好地示出，各上述腔经由环形区域36与进气通道34流体连通。经进气通道34进入端部绕组28与转子轴16之间的环形区域36的一部分冷却气体因而进入腔42、54、56，在其中循环，然后返回到端部绕组与转子轴之间的环形区域36。气流在图1、3和4中由箭头示出。取决于冷却剂流的方向，任何腔42、54和56可构成第一腔160或第二腔162。

作用在旋转的发电机腔中的固有泵吸动作和旋转力通常产生大的单个环流圈(flow circulation cell)，如图3中示意性地示出。该环流圈在腔的周缘附近表现出其最高速度，由于腔的中心区域中的固有的低速度而导致中心区域不充分地冷却。如图3所示，由于该流圈的圆周运动不将冷却流带入拐角，所以拐角区域的大面积也被不充分地冷却。

现参照图4，根据本发明的实施例，至少一个且优选地各个间隔块140包括布置在间隔块的面向线圈的表面146中的槽道144，用于将循环的冷却剂流拦截并重定向至与其相邻的第一腔。在图4中，间隔块140被示为处于腔42的底座的转子绕组组件的局部部分(即，端带27)中。类似地，间隔块140可如图2所示布置在轴向延伸的线圈23内。因而，间隔块140可布置在轴向延伸的线圈23和/或端带27中，如图1-2中最好地示出。从而，如文中所用，“面向线圈”可意味着面向轴向延伸的线圈23或端带27，总称为端部绕组28的线圈22。槽道144具有向线圈23或端带27开口的通口或槽，循环的冷却剂流可经其从一个位置移向第一腔160，因而改善腔之间的冷却剂流动，并且还提供轴向延伸的线圈23或端带27的表面的直接对流冷却。

图5-10显示了间隔块140的不同实施例并且尤其是可采用的不同槽道140的放大透视图。气流在图5-10中由箭头示出。如图4和图5所示，在一个实施例中，槽道144可从第二腔162(即，从第一腔160的间隔块140的另一侧的腔)拦截并重定向循环的冷却剂流。图6示出一个实施例，其中槽道144从第一腔160拦截并重定向循环的冷却剂流，即，槽道144从第一腔160取得冷却剂流并使其返回至第一腔内的不同位置。本实施例可应用于间隔块140仅具有一个与其相邻的腔的情况下。例如，如图2中对最外面的线圈所示，对于定位为直接抵接转子齿29的一端的本体楔块52(即，其中不存在腔56)，可出现这种情况。

图7示出了从转子10的轴16周围的环形区域36拦截并重定向循环的冷却剂流的槽道144。图8和9示出了除了从环形区域36取得冷却剂流以外还可从第二腔162拦截并重定向循环的冷却剂流的槽道144。也就是说，既可从环形区域36又可从第二腔162取得冷却剂流。

图10示出了从槽道面向的线圈22(轴向延伸的线圈23或端带27)拦截并重定向循环的冷却剂流的槽道144。在本实施例中，凹穴148可布置在与槽道流体连通的间隔块140的表面146中使得循环的冷却剂流可源自线圈或端部绕组。在这种情况下，线圈22在层间具有充分的间距以允许产生冷却剂流。

虽然已示出了槽道144的具体实施例，但要强调的是，槽道144可具有未明确示出的各种不同形状，并且所示的实施例可被结合以在本发明的范围内提供多种可能的槽道结构。

转到图5，在备选实施例中，任何上述间隔块140和槽道144构造也可采用面向第一腔160和/或第二腔162的偏流结构170。虽然以块形式示出，但偏流结构170可采用如例如在美国专利6465917或美国专利申请序列号12/431,054中所述的结构的形状，通过引用将它们各个结合于本文中。如参考专利和申请中所述，偏流结构170向相应腔的中心重新分配冷却剂流以增加那里的热传递系数。

术语“第一”、“第二”等在文中并不表示任何次序、数量或重要性，而是用来将一个元件与另一元件进行区分，且术语“一”和“一个”在文中并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个引用项。结合数量使用的修饰语“约”包含了述及的值并且具有上下文指定的含义，(例如，包括与具体数量的测量相关的误差度)。如文中所用，名词意图包括其修饰的项的单数或复数，从而包括一个或多个该项(例如，金属包括一种或多种金属)。文中公开的范围是包括性的并且可独立地结合(例如，“高达约25wt％或更具体地约5wt％至约20wt％”包括了端点以及“约5wt％至约25wt％”的范围的所有中间值等)。

虽然文中描述了各种实施例，但从本说明书应该理解的是，本领域技术人员可作出元件的各种结合、变型或改进，且它们在本发明的范围内。另外，可根据本发明的教导作出许多修改以适应具体情形或材料而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并不意图局限于作为为实施本发明而构想的最佳模式所公开的具体实施方式，而是将包括落在权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (18)

1.一种电机，包括：

具有多个相邻的线圈的转子；

环形区域，其定位在所述转子的轴周围并且在所述多个相邻的线圈的径向内部；和

间隔块，所述间隔块布置在所述多个相邻的线圈中的两个之间以便限定与所述间隔块相邻并在两个相邻的线圈之间的至少第一腔；

其中，所述间隔块包括在所述环形区域中的流体开口和布置在所述间隔块的面向线圈的表面中的槽道，用于经由所述流体开口拦截自所述环形区域的冷却剂流并且至少部分地将所述冷却剂流径向地重定向至所述第一腔，所述槽道在所述第一腔中从所述流体开口到第二开口逐渐变窄。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述槽道从所述第一腔的第一部分拦截并重定向所述冷却剂流到所述第一腔的第二部分内。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述槽道进一步从第二腔拦截并重定向第二冷却剂流，所述第二腔与所述间隔块相邻并且在互相相邻的线圈之间。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述槽道在靠近所述槽道面向的线圈处拦截并重定向所述冷却剂流的一部分。

5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述电机还包括布置在所述间隔块的表面中并与所述槽道流体连通的凹穴。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述槽道由间隔块限定为基本上的三面形。

7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子包括本体部分，并且所述多个线圈中的各个包括轴向延伸的线圈和端匝，所述端匝限定轴向延伸超出所述本体部分的至少一端的多个端部绕组。

8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述槽道具有基本上非均匀的截面。

9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机还包括布置在所述槽道的径向外侧在所述间隔块的至少一个面向腔的表面上的至少一个偏流结构。

10.一种气体冷却式电机，包括：

具有轴和本体部分的转子；

包括多个相邻的线圈的转子绕组，所述多个相邻的线圈包括布置在所述本体部分上的轴向延伸的线圈和轴向延伸超出所述本体部分的至少一端的端带，所述线圈和所述轴限定了它们之间的环形区域；和

定位在所述转子的轴向延伸的线圈侧部分在相邻组的所述线圈之间从而限定第一腔和第二腔的多个间隔块，各个腔向所述环形区域开口并由相邻的间隔块和相邻的线圈界定；

其中，各个间隔块包括在所述环形区域中的流体开口和布置在所述间隔块的面向线圈的表面中的槽道，用于经由所述流体开口拦截自所述环形区域的冷却剂流并且将所述冷却剂流重定向至所述第一腔，所述槽道在所述第一腔中从所述流体开口到第二开口逐渐变窄。

11.根据权利要求10所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述槽道从所述第一腔的第一部分拦截并重定向所述冷却剂流至所述第一腔的第二部分内。

12.根据权利要求10所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述槽道还从所述第二腔拦截并重定向第二冷却剂流。

13.根据权利要求10所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述槽道在靠近所述槽道面向的线圈处拦截并重定向所述冷却剂流的一部分。

14.根据权利要求13所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述气体冷却式电机还包括布置在所述间隔块的表面中并与所述槽道流体连通的凹穴。

15.根据权利要求10所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述气体冷却式电机还包括布置在所述槽道的径向外侧在所述间隔块的至少一个面向腔的表面上的至少一个偏流器。

16.根据权利要求10所述的气体冷却式电机，其特征在于，所述槽道具有非均匀的截面。

17.一种用于气体冷却式电机的间隔块，所述间隔块包括：

块部件，所述块部件用于安装在所述气体冷却式电机的转子绕组的相邻的线圈之间，从而限定与所述块部件相邻的第一腔和第二腔；以及

布置在所述块部件的面向线圈的表面中的槽道，用于拦截自定位在所述转子绕组的周围的环形区域的冷却剂流并且将所述冷却剂流重定向至所述第一腔，所述槽道在所述第一腔中从所述环形区域中的第一开口到第二开口逐渐变窄。

18.根据权利要求17所述的间隔块，其特征在于，所述槽道进一步从第二腔拦截并重定向第二冷却剂流至所述第一腔，所述第二腔与所述间隔块相邻。

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