气体冷却的电机制造技术

一种气体冷却电机，包括一个转子１０、一个由沿轴向延伸的线圈２２和同心的端部绕组２８、１２８、２２８组成的转子绕组及多个隔离块４０、１４０、２４０，后者安置在相邻的端部绕组之间，从而限定多个空腔４２、１４２、２４２，每个空腔由相邻的隔离块和相邻的端部绕组定界。为了提高从磁场端部绕组区域的铜端部匝２７、１２７、２２７来的热传导率，端部绕组１２８、２２８的面对空腔的表面１４４、１４６、１５６、２４４、２４６、２５６和／或隔离块１４０、２４０有一非平面表面轮廓，以增大表面积，改善表面上的紊流混合，和／或使边界层破坏。（*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结构，用于通过铜端部匝和/或隔离块的表面轮廓加工来增强发电机转子的冷却。由于施加在导电体绝缘层上的温度限制，电机如大型涡轮发电机的功率输出额定值常受提供通过转子磁场绕组的附加电流的能力的限制。因此，转子绕组的有效冷却直接有助于发电机的输出能力提高。这对于转子端部区域更是如此，因为，由于这些发电机的特有结构，这些区域直接的强制冷却很困难也很昂贵。因为占优势的市场趋势要求效率更高、可靠性更高、成本更低而功率密度更高的发电机，所以，转子端部区域的冷却成为一个限制因素。涡轮发电机转子通常由安装在转子的槽中的同心长方形线圈组成。线圈的端部部分(通常称为端部绕组)超越转子主体的支架，它们通常由一个止动环(见附图说明图1)支承而克服转动力。在同心的线圈端部绕组之间断续地安置一些支承块，以保持相对位置和增加对轴向负载如热负载的机械稳定性(见图2)。此外，铜线圈沿径向受到在其外径上的止动环的限制，止动环抵消离心力。隔离块和止动环的存在造成暴露于铜线圈的多个冷却区域。主要冷却路径是在主轴和端部绕组底部之间沿轴向的。并且，在线圈之间由线圈、支承块的限制表面和止动环结构的内表面限定分立的空腔。端部绕组暴露于冷却剂，冷却剂由从端部绕组下方沿径向来的转动力驱动而进入这些空腔(见图3)。这种热传导往往是低的。这是因为，按照从计算流体动力分析法计算的在一个单独的转动的端部绕组空腔中的气流路线，冷却剂气流流入该空腔、通过主要循环区域和从空腔流出。通常，该循环导致低的热传导系数，特别是在靠近空腔中心处。因此，虽然这是一种端部绕组中除热的方法，但它的效率相当低。已经使用各种方案来规定附加的冷却气体通过转子端部区域的路线。所有这些冷却方案都依靠(1)在铜导体中通过在导体中刻槽或形成通道来直接制造冷却通道，然后将气体泵抽到发电机的某些其它区域，和/或(2)利用添加挡板、气流通道和泵抽部件来产生压力相对较高和较低的区域，从而迫使冷却气体通过导体表面上方。某些系统穿入高度受力的带有径向洞孔的转子止动环，以允许冷却气体沿转子端部绕组被直接泵吸和排入气体间隙，但是此类系统由于与止动环有关的高机械应力和疲劳寿命的考虑，用途只能有限。如果使用传统的转子端部强制冷却方案，在转子结构上增加了相当大的复杂性和费用。例如，直接冷却导体必须机加工或制造成形成冷却通道。此外，必须提供出口管道，以便将气体排放到转子中的某个地方。该强制冷却方案要求将转子端部区域划分为分开的压力区，需要增加许多挡板、气流通道和泵抽部件，这又一次增加了复杂性和费用。如果不使用这些强制的或直接的冷却方案，那么转子端部绕组就被动冷却。被动冷却依赖于转子的离心力和转动力来在同心转子绕组之间限定的封闭的静止的端部空腔中循环气体。转子端部绕组的被动冷却有时候也称为“自由对流”冷却。被动冷却的优点是复杂性和费用最小，虽然当与直接冷却和强制冷却的主动系统相比时排热能力减小。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开孔流出，因为这些空腔是以别的方式封闭的—一个典型空腔的四个“侧壁”是由同心的导体和隔开导体的绝缘块限定的，而支承端部绕组抵抗转动的止动环形成“底”(径向向外)壁。冷却气体从导体和转子主轴之间的环形空间流入。空腔中的气体循环速度低，能够流入和离开这些空间的气体量有限，因此排热受到限制。在通常的配置中，端部区域中的冷却气体还没有完全加速到转子速度，也就是，冷却气体以部分转子速度转动。因为流体是依靠转子和流体之间的相对速度撞击而被驱入一个空腔的，所以热传导系统通常在靠近相对于气流方向为下游的隔离块处达到最高—在该处流体带着高的动量进入而流体冷却剂是最冷的。在空腔周边的周围热传导系数通常也是高的。空腔中心受到最小的冷却。增大被动冷却系统的排热能力将增大转子的气流携带能力，从而在保持低成本、简单和可靠的构造的同时增大发电机的额定功率容量。美国专利No.5,644,179，其供参考而引用的公开内容，描述一种方法，用于通过提高大的单个气流循环小室的气流速度来增大热传导，提高气流速度的办法是将附加的冷却气流沿同一方向直接引入自然出来的气流小室。虽然该法通过增大循环小室的强度而增加空腔中的热传导，但转子空腔的中心区仍然保留低速度和因此造成的低的热传导。角落区域内仍然同样保持低的热传导。专利技术概要本专利技术增大从磁场部绕组的铜端部匝来的热传导率，方法是采用能产生有利于冷却端部匝的气流结构的表面机加工或预先加工。改善该区域中端部匝的冷却将有利于增大指定发电机的功率输出额定值，导致在每千瓦小时的美元值基础上改善成本。因为在令人满意的最高温度约束方面端部绕组区域通常是起限制作用的，所以该区域的改善应当产生显著的操作效能优点。热传导率是通过增大表面积、改善表面上的紊流混合和破坏边界层及随后的重新附着来提高的。按照本专利技术的第一实施例，与一个平面表面相比较，机加工至少一个铜端部匝来增大其表面积。这可以通过使表面粗糙如刻槽来完成。按照本专利技术的第二实施例，端部匝的表面积是通过在转子的铜端部匝区段上形成小凹坑(类似于高尔夫球表面上设置的小凹坑)来增大的。这些凹坑提高热传导率3至4倍，而造成的磨擦特性增加和总压力损失可以忽略。按照本专利技术的另一特点，除了改变铜端部匝本身以外或者并不改变它们，设置在铜端部匝之间的支承块或隔离块是改变的。按照一个示范实施例，在空腔下游侧上设置的隔离块表面上安置紊流器。更确切地说，每个转子隔离块制成带有粗糙部件。这些紊流器的作用是扰动气流，导致增大紊流和杂乱的混合。结果是提高总的热传导率。在另一个实施例中，在空腔下游侧面上的隔离块表面上形成涡流发生器。更确切地说，例如，为了从通过隔离块的冷却气流产生相干的涡流结构，在隔离块上制造三角形区段。附图简述结合附图，仔细研究本专利技术目前优选的示范性实施例的下列更详细的描述，将更完全地理解和评价本专利技术的上述和其它目的和优点，附图中图1是一种电机转子的端部匝区域的一部分的横截面图，该转子有一个与其成对置面对关系的定子；图2是沿图1中2-2线截取的电机转子的顶视横截面图；图3是表示流入和通过端部绕组空腔的被动气流的简图；图4是按照本专利技术的一个实施例例示铜端部匝带有突出的槽以增大表面积的部分透视图；图5是按照本专利技术的另一个实施例表示端部匝带有凹坑以增大表面积的部分透视图；图6例示本专利技术的一个实施例中的在下游隔离块表面上设置的紊流器；图7是设置在图6实施例中的紊流器的立面图；图8是表示下游隔离块表面上的涡流发生器的端部匝区域的横截面图；图9是图8实施例的隔离块的透视图。专利技术详述参照附图，其中同一标号表示所有各图中同一部件，图1和2表示一种气冷电机的转子10，其中也包括一个围绕转子的定子12。该转子包括一个中心安置在转子主轴16上的大致圆筒体部分14，它有沿轴向对置的两端面，其一个端面的一部分18示于图1。该圆筒体部分有多个环绕间隔的沿轴向延伸的槽20，用以容纳同心排列的线圈22，后者构成转子绕组。为清楚起见，图2中仅示出5个转子线圈，虽然实现上常使用更多个。具体地说，在每个槽中叠置多个导杆24，它们构成转子绕组的一个部分。相邻的导杆由绝缘层22隔开。叠置的导杆通常由楔形物26(图1)保持在槽中，导杆用铜之类导电材料制成。导杆24在圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体冷却电机，包括： 一个具有主体部分的转子，所述转子具有一些沿轴向延伸的线圈和限定多个沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一个端部的端部绕组的一些端部匝；以及 位于相邻的所述端部绕组之间从而在其间限定一个空腔的至少一个隔离块； 其中，至少一个所述端部匝在其面对所述空腔的表面上有一非平面的表面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CL范德沃尔特，TG维特泽尔，ED贾滋恩斯基，SA萨拉马赫，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]