CN105308832B

CN105308832B - 用于高效率机械的液体冷却的定子

Info

Publication number: CN105308832B
Application number: CN201480019567.1A
Authority: CN
Inventors: R.H.马文
Original assignee: LCDRIVES CORP
Current assignee: Koch Engineering Solutions Co ltd
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: EP2982023B8; EP3719963A1; EP2982023A1; EP2982023B1; US20200259399A1; CN112910182A; CN105308832A; US20140300220A1; EP2982023A4; US10770953B2; WO2014165440A1; US11245309B2

Abstract

一种用于电动机、发电机等的定子，其是使用乙二醇或相似的流体来液体冷却的，其中冷却直接应用于集中绕制或分布绕制构造的定子的绕组槽中。用于包括电动机、发电机等的旋转电机的定子采用各种类型的冷却，包括空气、液体和两相冷却。穿过机械中心吹送的空气已经是常规的标准，其中液体在高功率应用中变得更为普遍。

Description

用于高效率机械的液体冷却的定子

相关申请

本申请要求享有于2013年4月3日提交的美国专利申请序列号13/855,801的权益，该发明公开通过引用而全部结合在本文中。

技术领域

本发明大体涉及电动机和发电机，并且特别地涉及一种用于电动机或发电机的液体冷却的定子。

背景技术

用于包括电动机、发电机等的旋转电机的定子采用各种类型的冷却，包括空气、液体和两相冷却。穿过机械中心吹送的空气已经是常规的标准，其中液体在高功率应用中变得更为普遍。两相冷却由于成本和复杂性而没有发展成为主流。液体冷却优选地用于许多高功率应用，因为其生成了更紧凑的设计，并且适合于密封的壳体构造，而密封的壳体构造在许多环境中是优选的。

最常见的液体冷却设计使用缠绕在在定子组件外面周围的冷却套。这可参见题名为“LIQUID COOLED MOTOR AND ITS JACKET(液体冷却的电动机和其外套)”的美国专利5,448,118，其通过引用而结合在本文中。在该设计中存在铝挤压物，其包围定子的外面，并且具有供冷却流体经过的通道。该设计比空气更好地冷却了定子，但受到如下限制：i)在外套和定子之间的传导率，ii)定子叠片的不良传导率，iii)槽衬套的传导率，和iv)在绕组和槽衬套之间的不良传导率。

普遍使用的另一方法是使冷却流体经过定子叠片或进入到切入定子叠片的槽中。这些方法均具有相似但对冷却套设计并非严重的缺点。另外，其通常需要定子变得更大，以容纳磁性材料中的孔。

此外，一些技术涉及将流体直接喷涂到定子上，或者浸渍定子。这些具有过度复杂，或者在转子和定子之间具有流体引起的阻力的缺点。

存在至少有两种技术穿过绕组槽放置冷却歧管。这些中的一个是强制流体从导管的中心向下流动。在这种情况下，流体通常是非传导的油。这具有需要特殊的流体和一些复杂的制造方法以提供流体通道的缺点。对于10MW和以上范围内的极大功率，冷却介质时常是氢。其它技术穿过槽向下放置管道或容器，其里面具有冷却流体。这些通常还使用非传导的油，并在其末端具有对歧管的非传导的连接。在题名为“CONTROL OF WINDINGTEMPERATURES OF LIQUID COOLED GENERATORS(液体冷却的发电机的绕组温度控制)”的美国专利#3,112,415中可找到这样一个示例，其通过引用而结合在本文中。

该设计将冷却歧管直接集成到定子槽中，靠近生成热量的导线。这适应了标准乙二醇冷却剂的用途，其在工业中是极其适宜的，并实现了非常紧凑的机械。

在其它申请中还显示了由相同发明人提出的新颖的冷却方法，例如由Marvin等人提交的题名为“LIQUID COOLED HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITHGLYCOL COOLING(利用乙二醇冷却的液冷式高效率永磁电机)”的第13548199号美国专利申请、题名为“LIQUID COOLED HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH IN SLOTGLYCOL COOLING(利用槽中乙二醇冷却的液冷式高效率永磁电机)”的第13548203号美国专利申请、题名为“HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH CONCENTRATEDWINDING AND DOUBLE COILS(具有集中绕组和双绕线圈的高效率永磁电机)”的第13548207号美国专利申请、和题名为“HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH LAYERFORM WINDING(具有层制绕组的高效率永磁电机)”的第13548208号美国专利申请，所有专利申请都是2012年7月13日提交的，其全部通过引用而结合在本文中。

最普遍的定子绕组类型是分布绕组。其中一种类型是整数槽绕组，其中每极每相的槽的数量是整数。这样一个示例是4极12槽3相电动机。每极每相的槽的数量是1，并因此是整数。这些绕组通常需要一些相对复杂的端匝，以正确绕制其导线。一种构造类型是菱形形式的绕组，其用于许多更大、更高电压且更为可靠的机械中。

当每极每相的槽的数量是小于一的分数时，另一绕组类型是集中绕组。这些还可被称为非重叠的集中绕组。它们具有降低了装置的内在效率的缺点，但使端匝变得非常简单，并可促成其它优点。集中绕组的一个示例是8极9槽3相电机。在这种情况下，每极每相的槽的数量是0.375。该构造的基本功率减少了5.5%。集中绕组可能是单层或双层设计。单层设计具有仅仅缠绕在交替的定子齿上，并仅仅应用于具有偶数定子槽/齿情景下的绕组。双层设计具有缠绕在每个定子齿上的绕纽。在该构造中存在缠绕定子各个齿的线圈，并且存在与槽相同数量的线圈。此外，各个槽具有穿过该槽的一个线圈的一半和另一线圈的一半，并且端匝是非常短的。理想地，端匝可能与定子齿的宽度一样短。

双层集中绕组具有缠绕在各个齿上的简单线圈的优点。对于外部转子构造，并利用相对开放的槽，这容许线圈进行的简单组装。对于更典型的内部转子构造，组装略为复杂些，因为即使带有相对开放的槽，开口也小于槽。如果槽的开口出于电动机性能原因而被做得更小，那么这会进一步复杂化。一种典型的减轻这个问题的方法是分开制作齿，从而能够1)将导线直接缠绕在齿上，或者或2)从外部使绕组滑动。在题名为“STATOR OF DYNAMO-ELECTRIC MACHINE(电动发电机的定子)”的美国专利5,583,387中显示了第一方法，其通过引用而结合在本文中。在题名为“SALIENT POLE CORE AND SALIENT POLE ELECTRONICALLYCOMMUTATED MOTOR(凸极铁芯和凸极电子整流换向电动机)”的美国专利4,712,035中显示了第二方法，其也通过引用而结合在本文中，但其是作为外部转子构造而显示。在题名为“CONCENTRATED WINDING MECHINE WITH MAGNETIC SLOT WEDGE(具有磁槽楔的集中绕组电机)”的美国专利8,129,880中显示了两种常规的方法，其通过引用而结合在本文中。任何具有单独齿的定子叠片设计的挑战是在结构上固定齿，因此使其不移动或断裂。即使小的齿的运动也可能造成噪声。第二挑战是以某种方式构造接头，从而不会显著地干扰穿过叠片的磁通量。如果接头制成无间隙，那么这可能不是个问题，但由于实际的制造公差和附接所需要特征，这是个主要考虑因素。

包括电动机、发电机等的旋转电机已采用构造定子绕组的各种方法。一些方法只适用于某些类型的定子绕组。

一种普通的方法是散嵌绕组。该方法可使用矩形或弧形的导线，但通常使用弧形的导线。这里绕组通过绕线机来放置，其中唯一的需求是使它们定位在正确的槽中。这是最容易的定子绕组方法，但导致了槽中最低数量的导体和因此最低的效率。该方法可供任何类型的定子绕组使用，包括集中绕组。

另一普通的方法是菱形形式的绕组。该方法通常使用矩形导线，其中各种胶带定位在导体之间以分隔开电压显著不同的任何导体，并且线圈的形状是菱形形状。这对于更高电压的机械或倾向于部分放电的机械而言是耐用的绕组。由于线圈的制造和从内部将这些线圈放置于电机中的插入时间，这通常是劳动密集型的绕组。该劳动时间可通过从外部插入而得以改进，这是本专利中所公开的设计的其中一个目的。

电动机中并不常见的一种绕组类型是绕线架分层绕组，其用于某些类型的变压器、扼流器和感应器。该类型的绕组将导体放置在精确位置，以用于非常精确的导线堆叠。这可在小的区域中实现大量导体，以达到高效率。这通常并不用于分布式绕组，因为你不能用绕线架缠绕线圈并将其插入到定子组件中。这对于具有活动的齿的集中绕组是可行的。最常见的使用的导线是弧形导线，但使用方形或矩形导线也是可能的。利用矩形导线的分层绕组通常是平放的，并且以容易的方式进行缠绕。这促成了更简单的绕组，但这种绕组的一个缺点是由于槽漏泄引起的涡流损失可显著地更高。同样，矩形导线的定向可能对热性能具有影响，并且依赖于整个除热机制。

利用矩形导线的分层绕组可按边缘缠绕方式来完成(以艰难方式来缠绕)。这在题名为“DYNAMOELECTRIC FIELD ASSEMBLY AND WINDING THEREFOR(电动机现场装配和用于它的绕组)”的美国专利4,446,393中显示，其通过引用而结合在本文中。在该专利中，单层矩形导线用于各个槽中，并且是边缘缠绕的。该专利使用了可移除的齿和内部转子。于2010年3月18日提交的题名为“INSERTION OF PRE-FABRICATED CONCENTRATED WINDINGS INTOSTATOR SLOTS(插入至定子槽中的预制的集中绕组)”的第2010/0066198号美国专利申请也显示了单层矩形导线，但不使用可移除的齿，其通过引用而结合在本文中。边缘缠绕的线圈可能在导线中具有显著低的涡流损失。冷却可能依赖于整个冷却机制而更好或更坏。

发明内容

本文中描述的机械在其定子中并入若干种新颖的构造方法。关键是不同的方案来以经济高效的方案适应槽中的液体冷却。

优选的设计使用用于集中绕组电机的边缘形式缠绕的绕组或用于分布式绕组电机的菱形形式缠绕的绕组。优选的方案将冷却歧管放置在在两组绕组之间的槽的中心。在某些应用中，将至少一些冷却歧管放置在槽中不同的位置更有意义。这个总体方案确保了非常良好的热方案，其容许槽中较高的电流密度。槽中较高的电流密度容许旋转电机具有显著更高的整体扭矩密度。本文中描述的机械还容许例如乙二醇的传导流体的使用。

该构造使用金属容器，其包含用于高可靠性的液体冷却介质。这些金属容器被共同钎焊至歧管中，以将液体有效地引导至生成热量的地方。冷却歧管的具体的几何形状和连接性容许这被完成而没有对电机性能的损害效应。

整个方案促成了一种非常可靠、紧凑、有效且低成本的设计。

按照本发明的一个示例实施例，公开了一种旋转电机，其包括定子，定子具有沿周向间隔开的轴向延伸的齿的系列，齿限定在其之间沿周向间隔开的绕组槽的相似的系列。多个定子绕组分别至少部分地设置在槽中，绕组电连接以形成多个相，其中一个或更多个槽基本上所有时间都包含针对各个相相同大小的电流。提供了一种机构，其限定分别设置在槽中的多个细长的冷却剂通道；其中用于单相的包含在槽中的冷却剂通道的子集是偶数，并且对于冷却剂通道的该子集的一半，流体以一个方向流动，并且对于冷却剂通道的该子集的另一半以相反方向流动。整个机械中冷却剂通道中的至少两个是以并联流通地连接；并且冷却剂通道中的至少一个周向定位在两个绕组之间。

所示的旋转电机具有冷却剂通道，其由电传导材料构成。在一个示例中，冷却剂是液体。在一个公开的实施例中，冷却剂通道利用钎焊连接来附接，并且槽各自在一个方向上具有与相反方向行进的相同数量的冷却剂通道。在所示实施例的一个优选的布置中，冷却剂通道周向定位在(该所示实施例的)绕组和齿之间。根据实施例中的一个的特征，包括有定位在绕组和冷却剂通道之间的柔性绝缘层。在一个优选的实施例示例中，机械是分布式绕组电机。在另一实施例中，机械是集中式绕组电机。

在另一实施例示例中，冷却剂通道中的至少一些由多个通常邻近的结构形成，其仅仅在机械的一端处流通地连接。

根据一个示例的实施例，公开了一种用于建造定子组件的方法，定子组件包含槽内冷却歧管和可分开的齿。根据该方法，在第一步骤中，齿包括首先定子齿、槽内冷却歧管和绕组的组装，然后是在轴向方向上插入外部轭架组件的步骤，之后是固定标准齿的步骤。

通过阅读以下附图相伴的详细说明，本发明的额外的特征将变得显而易见，并且将获得更完整的理解。

附图说明

图1是用于分布式绕组电机的定子组件的三维视图，

图2是图1的定子组件的侧视图，

图3是图1和图2中所示的定子组件的截面图，

图4是图3中所示的定子组件的放大的详细截面图，

图5是用于集中式绕组电机的定子组件的三维视图，

图6是图5中所示的定子组件的横截面图，

图7是图6中所示的定子组件的放大的详细截面图，

图8是菱形线圈的三维视图，

图9是冷却系统的流体示意图。

具体实施方式

特别参照图1，显示了分布式绕组定子组件，其包含定子轭架1、定子线圈2、定子线圈3和定子叠片齿4。这里显示了两种不同的定子线圈2,3，这是因为它们不是均匀间隔开的，并因此具有略微不同的形状。为了适应机械的组件，线圈2,3至少在一个末端向内弯曲，如图2中所示，其中线圈末端2a，3a向内弯曲，并且线圈末端2b，3b以更常规的构造进行弯曲。在图3中可清晰地看出定子齿4和定子轭架1之间的接头。

在图4的横截面图中，线圈束可被视为5,6,7和8。这些线圈束中的每一个可由单匝至多匝的任何地方组成。导线是矩形形状，其中导线上的宽度尺寸是沿电机的周向方向。这与图4中所示线圈束上的狭窄尺寸是相同的方向。这可通过形成如图8中所示菱形形状的线圈来完成。该菱形形状线圈具有笔直区段38、销匝39a和39b、位于容易途径40上的弯曲部分以及位于艰难途径41上的弯曲部分。

如图4中所示，各个槽中的冷却歧管由4个冷却棒9,10,11和12组成，其通过铝挤压而制成，并因此是电传导的。铝用于简化制造，并且对槽歧管的附接可利用钎焊法来完成。优选地冷却下行至一个槽中，并且上行至相同冷却棒的另一槽中。冷却棒被绝缘体13,14和15分开，其由例如PPS的固体绝缘体制成。还有槽衬套19，其围绕着槽缠绕整个途径，带有由Nomex(高熔点芳香族聚酰胺)或相似物制成的重叠部分。位于冷却棒9,10,11,12和线圈束5,6之间的是绝缘体17，其优选地是热传导的电绝缘材料。此外，该材料优选地由可压缩的材料制成，以实现冷却棒和线圈束之间良好的热接触。适合该需求的一种材料是由ParkerChomerics(派克固美丽)以及其它厂商出售的填充硅胶的缝隙填充垫。如果需要额外的柔性来吸收公差，那么在线圈束5,6和槽衬套19之间或者备选地在槽衬套19和齿4之间可放置可压缩的垫片18。

为了适应紧密定位在一起的齿顶23a,23b和适应线圈的简易插入，定子齿4被做成与定子轭架1分开的零件，因此线圈和冷却歧管可从外径装配。所示的齿附接配置由位于齿上的狭窄的悬壁梁组成，其利用楔体22a和22b径向向外拉伸，楔体通过绝缘体21而与定子电隔离。

对于分布式绕组定子组件而言，具有可分开的齿是不常见的。通常绕组从内部穿过宽的齿顶缝隙插入。用于该分布式绕组定子的优选的装配方案是将齿4、绕组4,5,6,7、冷却歧管9,10,11,12和各种绝缘体17,18,19放置到装配夹具中。该装配将发生在比最终尺寸稍微更大的直径下，以适应公差和装配间隙。夹具将带来比最终直径略小的直径，从而将可压缩的部件17,18压缩在槽中。然后在组件上轴向插入定子轭架1。夹具然后容许直径向外增加，从而使可压缩的部件17,18在槽中膨胀。现在可安装楔体22和相关联的绝缘体21，以将齿4牵引到最终位置。现在组件准备用环氧树脂进行真空压力浸渗(VPI)。

图9显示了用于6槽3相机械的流体示意图，其中槽歧管A定位在相A中，槽歧管B定位在相B中，并且槽歧管C定位在相C中。各个相组成了绕组，其在各个相中都具有相同的电流。多个绕组可串联或并联连接，并且在各个绕组中仍具有基本相同的电流。在三相机械中，相通常在以Y字形或Δ形构造连接，其不影响设计。

如图9中所示，对于各个槽具有两个冷却棒，各个槽带有其自身的转向。该图还显示了串联流通的各个槽中的两个冷却棒，但备选地它们可并联或部分地并联和串联地连接。该图显示了并联流通的槽歧管中的每一个，但备选地它们可串联地或部分并联和串联地连接。图3中用于定子的示意图看起来更是相同的，除了对于各个槽将具有12个槽和4个冷却棒之外。图9显示了在一端处所有的流体的相互连接。备选地，一些流体连接可在相反的末端进行，但各个相中向上流动的通道数量必须等于各个相中向下流动的通道数量。在各个冷却剂回路中流动的介质优选地是乙二醇和水的50%的混合物，因此液体不会在寒冷的温度下结冰。

在图5中的备选构造显示为集中式绕组定子的三维视图。定子轭架24、定子齿25和绕组26实现了该集中式绕组构造。图6显示了横截面图，其更好地显示了定子轭架24和定子齿25。在图7中更好地显示了绕组的横截面图，在该图中显示了线圈束28,19,30,31，其包括单个绕组。该构造显示了位于绕组之间的槽中间的冷却棒32和33以及位于齿25和绕组之间的冷却棒34,35,36,37。备选的构造可能只有这些冷却棒中的一些，在各个绕组中具有或少或多的线圈束，或者是分布式绕组解决方案。导线是矩形形状，其中导线上的宽度尺寸位于机械的周向方向。这与图7中所示的线圈束上的狭窄尺寸是相同的方向。

虽然已经在某种特殊程度上描述了本发明，但是应该理解本领域中的技术人员可做出各种改变而不脱离在所附文件中要求保护的精神或范围。

Claims

1.一种旋转电机，包括：

定子，其具有定子轭架和沿周向间隔开的沿轴向延伸的齿的系列，所述齿在其之间限定沿周向间隔开的绕组槽，其中所述齿被做成与所述定子轭架分开的零件，并且经由齿附接配置附接至所述定子轭架；

多个定子绕组，其至少部分地设置在各个绕组槽中，所述绕组电连接以形成多个相，其中一个或更多个槽所有时间都包含对于各个相相同大小的电流量，至少一个定子绕组包括矩形导线，所述矩形导线具有沿周向方向的宽尺寸和沿径向方向的窄尺寸；

多个细长的冷却剂通道，该通道设置在各个绕组槽中；

其中包含在所述槽中的用于单相的所述冷却剂通道的子集是偶数，并且流体对于冷却剂通道的所述子集的一半以一个方向流动，并且对于冷却剂通道的所述子集的另一半以相反方向流动；

其中不同绕组槽中的所述冷却剂通道均未彼此串联地流动地连接；以及

所述冷却剂通道中的至少一个沿周向定位在相同槽的两个绕组之间。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道由电传导材料构成。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂是液体。

4.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道使用钎焊连接来附接至歧管。

5.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述槽各自具有在一个方向上延伸的与在相反方向上延伸的相同数量的冷却剂通道。

6.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道中的至少一个沿周向定位在所述绕组中的一个和所述齿中的一个之间。

7.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，还包括位于所述绕组中的一个和所述冷却剂通道中的一个之间的柔性的绝缘层。

8.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机是分布式绕组电机。

9.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机是集中式绕组电机。

10.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道中的至少两个具有彼此不同的轴向横截面。

11.根据权利要求10所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道是彼此径向对准的，并且在大小上沿径向向外的方向增加。

12.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，还包括槽歧管，其与各个齿相关联且流体地连接两个绕组槽中的所述冷却剂通道。

13.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，各个绕组槽中的所述冷却剂通道流体地连接至与各个绕组槽相关联的流体入口和流体出口。

14.根据权利要求13所述的旋转电机，其特征在于，所述绕组槽的所述流体入口彼此并联流动地连接，并且所述绕组槽的所述流体出口彼此并联流动地连接，所述流体入口位于所述电机的与所述流体出口相同的端部处。

15.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述齿附接配置由位于所述齿上的悬壁梁组成，其利用楔体径向向外拉伸。

16.一种旋转电机，包括：

定子，其具有定子轭架和沿周向间隔开的沿轴向延伸的齿的系列，所述齿在其之间限定沿周向间隔开的绕组槽，其中所述齿被做成与所述定子轭架分开的零件，并且经由齿附接配置附接至所述定子轭架，至少一个定子绕组包括矩形导线，所述矩形导线具有沿周向方向的宽尺寸和沿径向方向的窄尺寸；

多个定子绕组，其至少部分地设置在各个绕组槽中且分布式缠绕地在所述齿周围，所述绕组电连接以形成多个相，其中一个或更多个槽所有时间都包含对于各个相相同大小的电流量；

多个细长的冷却剂通道，该通道设置在各个绕组槽中；

所述冷却剂通道中的至少一些由多个邻近的结构来形成，该结构只在所述旋转电机的一端处流动地连接。

17.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道中的至少一个沿周向定位在相同的槽中的两个绕组之间。

18.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道由电传导材料构成。

19.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂是液体。

20.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道使用钎焊连接来附接至歧管。

21.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述槽各自具有在一个方向上延伸的与在相反方向上延伸的相同数量的冷却剂通道。

22.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道中的至少一个沿周向定位在所述绕组中的一个和所述齿中的一个之间。

23.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，还包括位于所述绕组中的一个和所述冷却剂通道中的一个之间的柔性的绝缘层。

24.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道中的至少两个具有彼此不同的轴向横截面。

25.根据权利要求24所述的旋转电机，其特征在于，所述冷却剂通道是彼此径向对准的，并且在大小上以径向向外的方向增加。

26.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于，所述齿附接配置由位于所述齿上的悬壁梁组成，其利用楔体径向向外拉伸。

27.一种旋转电机，包括：

多个定子绕组，其至少部分地设置在各个绕组槽中，所述绕组电连接以形成多个相；

偶数个细长的冷却剂通道，该通道沿周向设置在所述绕组槽中的两个绕组之间的至少一个绕组槽中，流体对于所述冷却剂通道的一半以一个方向流动，并且对于所述冷却剂通道的另一半以相反方向流动；以及

可压缩的导热的绝缘垫片，其在所述冷却剂通道与所述绕组之间位于各个槽中，

其中不同绕组槽中的所述冷却剂通道均未彼此串联地流动地连接。