專利名稱：用于增加發(fā)電機轉(zhuǎn)子端繞組冷卻的高熱導率的間隔塊的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于增強發(fā)電機轉(zhuǎn)子的冷卻的結(jié)構。
因為電導體絕緣的溫度限制，電機例如大的渦輪發(fā)電機的功率輸出額定值通常受到提供通過轉(zhuǎn)子磁場繞組的附加的電流的能力的限制。因此，轉(zhuǎn)子繞組的有效的冷卻直接貢獻于電機的輸出能力。轉(zhuǎn)子端部的區(qū)域尤其如此，在轉(zhuǎn)子端部區(qū)域，由于這些電機的典型的結(jié)構，直接的強制的冷卻是困難而昂貴的。流行的市場趨勢要求具有較低成本的高效率和高可靠性、高功率密度的發(fā)電機，轉(zhuǎn)子端部區(qū)域的冷卻成為一個限制因素。
渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一般由安裝在轉(zhuǎn)子槽中的同心的矩形線圈構成。處于轉(zhuǎn)子主體的支撐之外的線圈的端部(通常稱為端繞組)一般由固定環(huán)支撐著以反抗旋轉(zhuǎn)力(見圖1)。在同心線圈端繞組之間間隔地設置有支撐塊，以便保持相對位置并增加對于軸向負荷例如熱負荷的機械穩(wěn)定性(見圖2)。此外，銅線圈由其外徑上的固定環(huán)在徑向約束，所述固定環(huán)克服離心力。間隔塊和固定環(huán)的存在產(chǎn)生許多暴露于銅線圈的冷卻劑區(qū)域。主要的冷卻劑通路是軸向的，在心軸和端繞組底部之間。此外，由線圈和塊的邊界面以及固定環(huán)結(jié)構的內(nèi)表面在線圈之間形成許多分離的空腔。端繞組暴露于冷卻劑，所述冷卻劑被旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動從端繞組的徑向下方進入這些空腔(圖3)。該熱傳遞趨于較低。這是因為，按照由計算流體動力學分析計算的一個旋轉(zhuǎn)端繞組空腔內(nèi)的流動路線，冷卻劑流進入空腔，橫向通過基本環(huán)流并離開空腔。一般地說，環(huán)流引起低的熱傳遞系數(shù)，尤其是在空腔的拐角附近。因而，雖然這是一種在端繞組中的散熱方法，但是效率相當?shù)汀?br> 使用過許多試圖使額外的冷卻氣流通過轉(zhuǎn)子端部區(qū)域的方法。所有這些冷卻方法都或者依靠(1)通過在導體中加工一個槽，或者形成通道，然后把氣體泵入電機的其它區(qū)域，以在銅導體內(nèi)直接產(chǎn)生冷卻通道，以及/或者(2)利用附加的導流片、流動通道和泵吸元件產(chǎn)生具有相對高和相對低壓力的區(qū)域，以便迫使冷卻氣體通過導體表面上方。
一些系統(tǒng)在受高應力的轉(zhuǎn)子固定環(huán)中鉆穿一些徑向孔，以使冷卻氣體能夠直接沿著轉(zhuǎn)子端繞組泵入，并排放到氣隙中，然而，考慮到固定環(huán)所受的高的機械應力和疲勞壽命，這種系統(tǒng)的使用受到限制。
如果使用常規(guī)的強迫的轉(zhuǎn)子端部冷卻方法，將對轉(zhuǎn)子結(jié)構增加很大的復雜性和很高的成本。例如，必須加工或制造直接冷卻的導體，以便形成冷卻通路。此外，必須提供排氣管，以便把氣體排放到轉(zhuǎn)子中所需的位置。強迫冷卻方案需要轉(zhuǎn)子端部區(qū)域被分成單獨的壓力區(qū)，需要增加許多導流板、流動通道和泵吸元件，這又增加了復雜性和成本。
如果不使用這些強迫或直接冷卻方法，則轉(zhuǎn)子端繞組被被動地冷卻。被動冷卻依靠轉(zhuǎn)子的離心力或旋轉(zhuǎn)力，使氣體在同心的轉(zhuǎn)子繞組之間形成的不通的、一端堵死的空腔內(nèi)循環(huán)。轉(zhuǎn)子端繞組的被動冷卻有時也被稱為“自由對流”冷卻。
被動冷卻具有復雜性和成本最小的優(yōu)點，雖然和直接與強迫冷卻的主動系統(tǒng)相比其散熱能力減小。進入同心的轉(zhuǎn)子繞組之間的空腔的任何冷卻氣體必須通過同一個開口排出，因為這些空腔是以不同的方式封閉的一般的空腔的4個“側(cè)壁”由同心導體和用于隔離導體的絕緣間隔塊構成，空腔的“底”(徑向向外)壁由用于支撐端繞組反抗轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力的固定環(huán)構成。冷卻氣體從導體和轉(zhuǎn)子心軸之間的環(huán)形空間進入。因而散熱受到氣體在空腔內(nèi)的低的循環(huán)速度的限制，并且只有有限量的氣體可以進入和離開這些空間。
在通常的構型中，在端部區(qū)域中的冷卻氣體不會被完全加速到轉(zhuǎn)子的速度，即冷卻氣體以部分轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)。當流體借助于轉(zhuǎn)子和流體之間的相對速度的作用而被驅(qū)動到空腔內(nèi)時，熱傳遞系數(shù)一般在間隔塊附近最高，這個位置是相對于流動方向的下游，在此處流體以高的動量進入，并且在此處流體冷卻劑是最冷的。在空腔的周邊附近一般也具有高的熱傳遞系數(shù)?？涨坏闹行氖艿阶钚〉睦鋮s。
增加無源冷卻系統(tǒng)的散熱能力將增加轉(zhuǎn)子的載流容量，從而提高發(fā)電機的額定容量，同時維持成本低，結(jié)構簡單以及可靠性高等優(yōu)點。
美國專利No.5644179披露了一種通過提高大的單流環(huán)流池(circulation cell)的流速來提高熱傳遞的方法，其中沿與自然發(fā)生的流路池(flow cell)相同的方向向其直接引入附加的冷卻流。雖然這種方法通過提高環(huán)流池的強度增加空腔內(nèi)的熱傳遞，但是轉(zhuǎn)子空腔的中心區(qū)域仍然具有低的流速，因此，仍然具有低的熱傳遞。在拐角區(qū)域仍然具有低的熱傳遞系數(shù)。
發(fā)明概述本發(fā)明增加從磁場端匝區(qū)域的銅端匝的熱傳遞速率，其中在發(fā)電機的端匝組件中使用了高熱導率的間隔塊，從而促使從空腔(包括拐角區(qū)域)較好地散熱，因而大大提高了當前存在的低的熱傳遞速率。改善在這個區(qū)域內(nèi)的端匝的冷卻將可以增加以給定電機的功率輸出額定值，而得到改進的成本基礎，從而降低每度電的成本。因為端繞組區(qū)域通常因為要滿足最大溫度限制而收到限制，在這個區(qū)域的改進應當具有大的性能優(yōu)點。
高熱導率的間隔塊或者由高熱導率的材料制成，或者用這種材料涂覆，以便通過增加可用于向循環(huán)的冷卻流體傳熱的表面積，利于從端匝向空腔內(nèi)的流體區(qū)域傳熱。最好是，間隔塊與/或其涂層也是高電阻材料。在另一種情況下，間隔塊或其涂層被合適的絕緣器分開，使得在處于不同的電位的線圈之間沒有直接的電通路。
因而，本發(fā)明在一種氣體冷卻的電機中實施，所述電機包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有軸向延伸的線圈和端匝，端匝限定多個端繞組，以及至少一個間隔塊，所述間隔塊位于相鄰的端繞組之間，從而在所述相鄰的端繞組之間限定一個空腔。所述間隔塊或者由具有高熱導率的材料制成，或者具有由高熱導率材料制成的表面層。


通過仔細研究下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例所作的詳細說明將會更加清楚地看出和充分地理解本發(fā)明的這些和其它的目的和優(yōu)點，其中圖1是電機轉(zhuǎn)子的端匝區(qū)域的一部分的截面圖，其具有和其呈面對關系設置的定子；圖2是沿圖1的線2-2取的電機轉(zhuǎn)子的截面頂視圖；圖3是表示氣流進入并通過端繞組腔體的示意圖；圖4是轉(zhuǎn)子端繞組的局部截面圖，表示按照本發(fā)明的實施例的高熱間隔塊；圖5是沿圖4的線I-I取的截面圖，表示本發(fā)明的第一實施例；
圖6是沿圖4的線I-I取的截面圖，表示本發(fā)明的第二實施例；圖7是沿圖4的線I-I取的截面圖，表示本發(fā)明的第三實施例。
本發(fā)明的詳細說明參看附圖，其中在所有的附圖中相同的標號表示相同的元件，圖1和圖2表示氣冷電機的轉(zhuǎn)子10，所述電機還包括包圍著所述轉(zhuǎn)子的定子12。所述轉(zhuǎn)子包括基本上呈圓柱形的本體部分14，其被中心地設置在轉(zhuǎn)子軸16上，并具有軸向相對的端面，在圖1中示出了其中一個端面的一部分18。本體部分具有多個周向分開的軸向延伸的槽20，用于接收同心設置的線圈22，所述線圈構成轉(zhuǎn)子繞組。為清楚起見，只示出了5個線圈，雖然實際上通常使用的比圖示的多一些。
具體地說，在每個槽中疊置有構成轉(zhuǎn)子繞組一部分的若干個導體棒24。相鄰的導體棒由電絕緣層22分開。疊置的導體棒一般通過楔26(圖1)保持在槽中，并且由導電材料例如銅制成。導體棒24在本體部分的每個相對端通過端匝27互連，所述端匝沿軸向延伸超過端面而形成疊置的端繞組28。端匝也被電絕緣層隔開。
尤其由圖1可見，在本體部分的每端在端匝27周圍設置有固定環(huán)30，用于反抗離心力而將端繞組固定。固定環(huán)被固定在本體部分的一端，并在轉(zhuǎn)子軸16上方伸出。中心環(huán)32被固定到固定環(huán)30的末端。應當注意，固定環(huán)30和中心環(huán)32可以用現(xiàn)有技術中已知的其它方式安裝。中心環(huán)32的內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子軸16沿徑向分開，從而形成氣體入口通路34，并且端繞組28也和軸16分開，從而限定一個環(huán)形區(qū)域36。提供沿著槽20形成的若干個軸向冷卻通道38，這些通道通過環(huán)形區(qū)域36和氣體入口通路34呈流體連通，從而向線圈22提供冷卻氣體。
參見圖2，在轉(zhuǎn)子10的每一端的端繞組28沿周向和徑向由若干個隔件或間隔塊40分開。(為清楚起見，在圖1中未示出間隔塊)。所述間隔塊是絕緣材料制成的細長的塊體，位于相鄰的端繞組28之間的間隔內(nèi)，并延伸超過端繞組的整個徑向深度而進入環(huán)形間隙36。因而，在端匝的同心疊置體(下文稱為端繞組)之間的空間被分成多個空腔。這些空腔在頂部以固定環(huán)30為邊界，而在4個側(cè)部以相鄰的端繞組28和相鄰的間隔塊40為邊界。由圖1可清楚地看出，這些空腔的每一個都通過環(huán)形區(qū)域36和氣體入口通路34呈流體連通。因而，通過氣體入口通路34進入端匝28和轉(zhuǎn)子軸16之間的環(huán)形區(qū)域36的冷卻氣體的一部分進入空腔42，在其中循環(huán)，然后返回端繞組和轉(zhuǎn)子軸之間的環(huán)形區(qū)域36。在圖1和圖3中由箭頭表示氣流。
現(xiàn)在參看圖4，其中示出了轉(zhuǎn)子端繞組的局部截面圖，用于表示端繞組的空腔42，其中利用箭頭X表示旋轉(zhuǎn)的方向。在本發(fā)明的實施例中，為了改善磁場端繞組的冷卻效果，至少一個最好每個間隔塊140，240，340由高熱導率和高電阻的材料制成，或者包括具有高熱導率和高電阻的材料制成的表面層。通過增加可用于向循環(huán)的冷卻流體進行熱傳遞的表面積，實施本發(fā)明的間隔塊140，240，340，它們和由端匝27/端繞組28限定的空腔壁接觸，將有利于熱能從那些壁傳遞給空腔142內(nèi)的流體區(qū)域。
在本發(fā)明的第一個示例的實施例中，如圖5所示，間隔塊140的尺寸和形狀基本上相應于常規(guī)的間隔塊40，但是由高熱導率的塑料材料制成，例如Konduit，一種熱塑合成材料，由LNP EngineeringPlastics of Exton，Pa提供。據(jù)報道Konduit的熱導率是一般的熱塑材料的許多倍。這使得熱量能夠從端繞組散出并被帶走。這種材料具有另一個有利的特性，即其具有低的熱脹系數(shù)(例如，參見http//www.manufacturingcenter.com/med/archives/0900/0900dd.asp)在本發(fā)明的第二個示例的實施例中，如圖6所示，間隔塊240包括具有厚且高熱導率的表面層246的高強度芯244。實心的芯244提供用于保持相鄰的端繞組28的端匝分開所需的強度。在另一方面，厚的表面層246提供增強的熱傳遞通道，以便實現(xiàn)較高的熱傳遞速率。在一個示例的實施例中，所述的芯由具有合適強度的材料制成，例如填充有環(huán)氧樹脂的纖維玻璃(G-10)，表面層是高熱導率泡沫材料的厚的覆層，例如高熱導率的碳泡沫材料。例如，Oak Ridge NationalLaboratory(ORNL)研制了一種用于制造極高的熱導率的碳泡沫材料的相當簡單的技術。(參見http//www.ms.ornl.gov/ott/ee09.htm)。因為據(jù)報道在相同的密度下，這種材料呈現(xiàn)的抗壓強度可以和Kevlar蜂窩結(jié)構合成物相比，所以在一些實施中，可以省略實心的芯244，使得整個間隔塊都由高熱導率的碳泡沫材料制成。
在第三個示例的實施例中，如圖7所示，間隔塊340和圖6的實施例的類似，其也由具有高熱導率的表面層346的芯344構成。在這個實施例中，間隔塊基體或芯344的尺寸、形狀和材料可以和常規(guī)的間隔塊40的相同。為了提供所需的高的熱導率從而利于熱傳遞，芯344涂覆有高熱導率材料的薄的表面層(或厚膜)346。提供所需的高熱導率的示范性薄膜材料包括鋁，銅，石墨，金，碳化硅，銠，銀，鎢，鋅，金剛石，鈹氧化物，氧化鎂，鉬，上面參照圖5所述類型的高熱導率的塑料材料，以及上面參照圖6所述類型的高熱導率的碳泡沫材料。
在厚膜覆層是高電阻材料的情況下，芯344可以由高熱導率的材料制成，例如金屬，以便進一步增加熱傳遞。在另一種情況下，不管厚膜涂層是否是高電阻材料，芯344可以由填充有纖維的環(huán)氧樹脂類材料制成，例如G-10。
如上所述，在一個優(yōu)選實施例中，間隔塊由具有高熱導率和高電阻的材料制成，或者被涂覆具有高熱導率和高電阻的材料。上述的一些適于厚膜覆層的材料具有高熱導率和低電阻。那些材料應當用于線圈之間的電位差沒有問題的情況下。如果不是這種情況，則這些材料不能使用，除非所述低電阻材料，不管是間隔塊還是表面層，被合適的絕緣物分開，例如G-10，使得在處于不同電位的線圈之間沒有直接的電通路。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前認為是優(yōu)選的實施例進行了說明，應當理解，本發(fā)明不限于所披露的實施例，而是相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權利要求書的范圍和構思中的各種改型和等效的布置。
權利要求
1.一種氣體冷卻的電機，包括具有本體部分14的轉(zhuǎn)子10，所述轉(zhuǎn)子具有軸向延伸的線圈22和端匝27，所述端匝沿軸向延伸超過所述本體部分14的至少一端18的多個端繞組28；被設置在相鄰的所述端繞組28之間從而在其間限定空腔142的至少一個間隔塊140、240、340，其中所述間隔塊140、240、340是由具有高熱導率的材料制成的，或者具有包括高熱導率的材料的表面層246、346。
2.如權利要求1所述的電機，其特征在于，所述間隔塊140、240、340是由具有高電阻的材料制成的，或者具有包括高電阻材料的表面層。
3.如權利要求1所述的電機，其特征在于，所述間隔塊140是由高熱導率的塑料材料制成的。
4.如權利要求1所述的電機，其特征在于，所述間隔塊240，340包括高強度的芯244、344，所述芯具有包括所述高熱導率的材料的表面層246、346。
5.如權利要求4所述的電機，其特征在于，所述表面層246包括高熱導率泡沫材料覆層。
6.如權利要求5所述的電機，其特征在于，所述表面層246包括高熱導率碳泡沫材料。
7.如權利要求4所述的電機，其特征在于，所述表面層346包括高熱導率材料膜。
8.如權利要求7所述的電機，其特征在于，所述高熱導率材料膜包括從以下的一組材料中選擇的材料鋁、銅、石墨、金、碳化硅、銠、銀、鎢、鋅、金剛石、鈹氧化物、氧化鎂、鉬、高熱導率塑料以及高熱導率碳泡沫材料。
9.如權利要求1所述的電機，其特征在于，具有多個間隔塊140、240、340，每個所述間隔塊是由具有高熱導率和高電阻的材料制成的，或者具有包括高熱導率和高電阻材料的表面層246，346。
10.一種氣體冷卻的電機，包括具有心軸16和本體部分14的轉(zhuǎn)子10；轉(zhuǎn)子繞組，其包括被設置在所述本體部分14上并被隔開的軸向延伸的線圈22，和沿軸向延伸超過所述本體部分14的至少一端18的同心的端繞組28，所述端繞組28和所述心軸16在其間限定一個環(huán)形空間36；被設置在相鄰的所述端繞組28之間從而限定多個空腔142的多個間隔塊140、240、340，每個空腔由相鄰的間隔塊和相鄰的端繞組限定，并朝向所述環(huán)形空間36開口；其中至少一個所述間隔塊140、240、340的面向空腔的表面是由具有高熱導率的材料制成的，或者具有包括高熱導率材料的表面層。
11.如權利要求10所述的電機，其特征在于，所述間隔塊140、240、340是由具有高電阻的材料制成的或者具有包括高電阻材料的表面層。
12.如權利要求10所述的電機，其特征在于，所述間隔塊140是由高熱導率的塑料材料制成的。
13.如權利要求10所述的電機，其特征在于，所述至少一個所述間隔塊包括高強度的芯244、344，所述芯具有包括所述高熱導率材料的表面層246、346。
14.如權利要求13所述的電機，其特征在于，所述表面層246包括高熱導率泡沫材料覆層。
15.如權利要求14所述的電機，其特征在于，所述表面層246包括高熱導率碳泡沫材料。
16.如權利要求13所述的電機，其特征在于，所述表面層346包括高熱導率材料膜。
17.如權利要求16所述的電機，其特征在于，所述高熱導率材料膜包括從以下的一組材料中選擇的材料鋁、銅、石墨、金、碳化硅，銠、銀、鎢、鋅、金剛石、鈹氧化物、氧化鎂、鉬、高熱導率的塑料以及高熱導率的碳泡沫材料。
18.如權利要求1所述的電機，其特征在于，所述多個間隔塊140、240、340是由具有高熱導率和高電阻的材料制成的，或者具有包括高熱導率和高電阻材料的表面層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣體冷卻的電機，所述電機包括轉(zhuǎn)子(10)，包括軸向延伸的線圈(22)和同心端繞組(28)的轉(zhuǎn)子繞組，以及多個間隔塊(140，240，340)，它們位于相鄰的端繞組(28)之間，從而限定多個空腔(142)，每個空腔由相鄰的間隔塊和相鄰的端繞組限定。為了從增加磁場端繞組區(qū)域的銅端匝的熱傳遞速率，一個或多個間隔塊是由高熱導率材料制成的，或者覆蓋有高熱導率材料，以改善從與之接合的端繞組的熱傳遞速率。
文檔編號H02K9/22GK1404647SQ01805482
公開日2003年3月19日 申請日期2001年12月7日 優(yōu)先權日2000年12月22日
發(fā)明者W·N·O·圖恩布爾, T·G·韋策爾, C·L·范德沃特, S·A·薩拉馬, E·D·亞茨恩斯基 申請人:通用電氣公司