專利名稱：具有導(dǎo)流片的流通間隔塊和用于增加發(fā)電機(jī)端繞組冷卻的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于增加熱傳遞速率，特別是增加端繞組空腔的中心和拐角處的熱傳遞速率，從而增加在發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子端繞組中的整體冷卻效果的結(jié)構(gòu)和方法。
因?yàn)殡妼?dǎo)體絕緣的溫度限制，電機(jī)例如大的渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出額定值通常受到提供通過轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(xiàn)于電機(jī)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(jī)的典型的結(jié)構(gòu)，直接的強(qiáng)制的冷卻是困難而昂貴的。流行的市場(chǎng)趨勢(shì)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(jī)，轉(zhuǎn)子端部區(qū)域的冷卻成為一個(gè)限制因素。
渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由安裝在轉(zhuǎn)子槽中的同心的矩形線圈構(gòu)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(shè)置有支撐塊，以便保持相對(duì)位置并增加對(duì)于軸向負(fù)荷例如熱負(fù)荷的機(jī)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。主要的冷卻劑通道是軸向的，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(gòu)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(dòng)從端繞組的徑向下方進(jìn)入這些空腔(圖3)。該熱傳遞趨于較低。這是因?yàn)椋凑沼捎?jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算的一個(gè)旋轉(zhuǎn)端繞組空腔內(nèi)的流動(dòng)路線，冷卻劑流進(jìn)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(dāng)?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(dǎo)體中加工一個(gè)槽，或者形成通道，然后把氣體泵入電機(jī)的其它區(qū)域，以在銅導(dǎo)體內(nèi)直接產(chǎn)生冷卻通道，以及/或者(2)利用附加的導(dǎo)流片、流動(dòng)通道和泵吸元件產(chǎn)生具有相對(duì)高和相對(duì)低壓力的區(qū)域，以便迫使冷卻氣體通過導(dǎo)體表面上方。
一些系統(tǒng)在受高應(yīng)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(jī)械應(yīng)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(qiáng)迫的轉(zhuǎn)子端部冷卻方法，將對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)增加很大的復(fù)雜性和很高的成本。例如，必須加工或制造直接冷卻的導(dǎo)體，以便形成冷卻通道。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(qiáng)迫冷卻方案需要轉(zhuǎn)子端部區(qū)域被分成單獨(dú)的壓力區(qū)，需要增加許多導(dǎo)流板、流動(dòng)通道和泵吸元件，這又增加了復(fù)雜性和成本。
如果不使用這些強(qiáng)迫或直接冷卻方法，則轉(zhuǎn)子端繞組被被動(dòng)地冷卻。被動(dòng)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(dòng)冷卻有時(shí)也被稱為“自由對(duì)流”冷卻。
被動(dòng)冷卻具有復(fù)雜性和成本最小的優(yōu)點(diǎn)，雖然和直接與強(qiáng)迫冷卻的主動(dòng)系統(tǒng)相比其散熱能力減小。進(jìn)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(gè)開口排出，因?yàn)檫@些空腔是以不同的方式封閉的一般的空腔的4個(gè)“側(cè)壁”由同心導(dǎo)體和用于隔離導(dǎo)體的絕緣間隔塊構(gòu)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(gòu)成。冷卻氣體從導(dǎo)體和轉(zhuǎn)子心軸之間的環(huán)形空間進(jìn)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(jìn)入和離開這些空間。
在通常的構(gòu)型中，在端部區(qū)域中的冷卻氣體不會(huì)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(dāng)流體借助于轉(zhuǎn)子和流體之間的相對(duì)速度的作用而被驅(qū)動(dòng)到空腔內(nèi)時(shí)，熱傳遞系數(shù)一般在間隔塊附近最高，這個(gè)位置是相對(duì)于流動(dòng)方向的下游，在此處流體以高的動(dòng)量進(jìn)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(jī)的額定容量，同時(shí)維持成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
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，其中在沿與自然發(fā)生的流路池(flow cell)相同的方向向其直接引入附加的冷卻氣流。這在圖4和圖5中示出。雖然這種方法通過提高環(huán)流池的強(qiáng)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)域仍然具有同樣低的熱傳遞。
發(fā)明概述上述的需要可通過本發(fā)明滿足，利用本發(fā)明能夠增強(qiáng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻，其中利用流通間隔塊較好地促進(jìn)在常規(guī)情況下缺乏冷卻的空腔中心和拐角處的流動(dòng)環(huán)流，因而增加了熱傳遞速率。本發(fā)明還涉及使用冷卻劑流導(dǎo)流片增加進(jìn)入冷卻空腔的氣流和從冷卻空腔排出的氣流。
因而，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種氣體冷卻的發(fā)電機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有軸向延伸的線圈，端繞組和至少一個(gè)位于相鄰的端繞組之間的間隔塊，從而限定和相鄰的端繞組之間的間隔塊相鄰的第一和第二空腔。至少一個(gè)間隔塊具有至少一個(gè)在其中限定的通道，用于提供第一和第二空腔之間通過所述間隔塊的冷卻氣流交流。在每個(gè)間隔塊中的通道的數(shù)量可以根據(jù)間隔塊的周向位置被合理地確定。
通過在相鄰的空腔之間提供流動(dòng)的冷卻氣體，所述流通通道改善由旋轉(zhuǎn)的端繞組產(chǎn)生的固有的氣流型式。這使得散熱能力增加，同時(shí)保持成本低、簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)。此外，這種改進(jìn)的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)將增加轉(zhuǎn)子的載流容量，從而提高發(fā)電機(jī)的輸出額定值。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特征，在間隔塊的上游側(cè)或者下游側(cè)或者上下游兩側(cè)提供導(dǎo)流片，在上游導(dǎo)流片的情況下，用于引導(dǎo)冷卻劑流體徑向向外地流入各自的冷卻空腔，或者在下游導(dǎo)流片的情況下，有利于環(huán)形區(qū)域內(nèi)的平滑且連續(xù)的回流。按照本發(fā)明的目前優(yōu)選實(shí)施例，流通通道和導(dǎo)流片二者的組合將促進(jìn)空腔內(nèi)的高動(dòng)量冷卻劑流，因而減少或消除特別是空腔的中心和拐角處的停滯或者低動(dòng)量的冷卻劑流的區(qū)域。


通過仔細(xì)研究下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所作的詳細(xì)說明，將會(huì)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(diǎn)，其中圖1是電機(jī)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(duì)關(guān)系設(shè)置的定子；圖2是沿圖1的線2-2取的電機(jī)轉(zhuǎn)子的截面頂視圖；圖3是表示氣流進(jìn)入并通過端繞組腔體的示意圖；圖4是按照在美國專利No.5644179中披露的發(fā)明的第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)子端匝部分的局部剖開的透視圖；圖5是按照在美國專利No.5644179中披露的發(fā)明的第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)子端匝部分的局部剖開的透視圖；圖6是轉(zhuǎn)子端繞組的局部截面圖，表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的具有流通通道和導(dǎo)流片的間隔塊。
本發(fā)明的詳細(xì)說明參看附圖，其中在所有的附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件，圖1和圖2表示氣冷電機(jī)的轉(zhuǎn)子10，所述電機(jī)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(shè)置在轉(zhuǎn)子軸16上，并具有軸向相對(duì)的端面，在圖1中示出了其中一個(gè)端面的一部分18。本體部分具有多個(gè)周向分開的軸向延伸的槽20，用于接收同心設(shè)置的線圈22，所述線圈構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組。為清楚起見，只示出了5個(gè)線圈，雖然實(shí)際上通常使用的比圖示的多一些。
具體地說，在每個(gè)槽中疊置有構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組一部分的若干個(gè)導(dǎo)體棒24。相鄰的導(dǎo)體棒由電絕緣層22分開。疊置的導(dǎo)體棒一般通過楔26(圖1)保持在槽中，并且由導(dǎo)電材料例如銅制成。導(dǎo)體棒24在本體部分的每個(gè)相對(duì)端利用端匝互連，所述端匝沿軸向延伸超過所述端面從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，在本體部分的每端圍繞端匝27設(shè)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(yīng)當(dāng)注意，固定環(huán)30和中心環(huán)32可以用現(xiàn)有技術(shù)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道34，并且端繞組28也和軸16分開，從而限定一個(gè)環(huán)形區(qū)域36。提供沿著槽20形成的若干個(gè)軸向冷卻通道38，這些通道通過環(huán)形區(qū)域36與氣體入口通道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(gè)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(xì)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(gè)徑向深度而進(jìn)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(gè)空腔。這些空腔在頂部以固定環(huán)30為邊界，而在4個(gè)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(gè)都通過環(huán)形區(qū)域36和氣體入口通道34呈流體連通。因而，通過氣體入口通道34進(jìn)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(jìn)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。
固有的泵吸作用和作用在旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)空腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)力產(chǎn)生一個(gè)大的單流環(huán)流池，如圖3示意地所示。這個(gè)單流環(huán)流池在空腔的周邊邊沿具有最高的速度，空腔的中央?yún)^(qū)域的固有的低的速度而使得中央?yún)^(qū)域不能受到足夠的冷卻。由圖3可以看出，拐角區(qū)域的大的區(qū)域也沒有充分冷卻，這是因?yàn)榱髀烦氐难h(huán)運(yùn)動(dòng)不能使冷流進(jìn)入這些拐角。
現(xiàn)在參看圖6，其中示出了轉(zhuǎn)子端繞組的局部截面圖，示出了端繞組空腔142、144、146、148，用箭頭X表示旋轉(zhuǎn)方向。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)間隔塊150、152、154、156、158具有至少一個(gè)流通通道160，162，164，166，168，170，172，174，176，178，180，182，184，186，用于在相鄰的冷卻空腔之間提供交換氣流，最好至少在冷卻空腔的中心和徑向的外側(cè)拐角區(qū)域，用于增強(qiáng)散熱。流通通道最好在相鄰的冷卻空腔的各個(gè)徑向中心部分之間延伸。另一個(gè)優(yōu)選的冷卻劑流動(dòng)的區(qū)域是間隔塊的徑向外端附近，用于在各個(gè)冷卻空腔的其它通常停滯的拐角區(qū)域之間交換氣流。
如同在下面要詳細(xì)說明的，所述通道從各個(gè)上游的相鄰空腔的下游側(cè)朝向各個(gè)下游的相鄰空腔的上游側(cè)延伸，因而提供用于使冷卻氣體可以在相鄰的空腔之間流動(dòng)的通道。因而，每個(gè)流通通道基本上橫向于其間隔塊的長度方向，即基本上是相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的周向。
由所示的實(shí)施例可見，每個(gè)間隔塊中的流通通道的優(yōu)選位置和數(shù)量取決于相對(duì)于端繞組的前端和后端的間隔塊的周向位置。由圖6還可以清楚地看出，流通通道的優(yōu)選方位也取決于所述周向位置。因而，在示出的實(shí)施例中，端繞組裝置的周向最外的間隔塊150、158分別包括第一和第二流通通道，一組是162、186，用于引導(dǎo)冷卻劑流朝向/離開而冷卻空腔142、148內(nèi)的大致徑向中心的部分，一組是160、184用于引導(dǎo)冷卻劑流朝向/離開相鄰的冷卻空腔142、148的徑向外側(cè)拐角區(qū)域。在圖6所示的實(shí)施例中，這些流通通道相對(duì)于各個(gè)間隔塊150、158的縱軸傾斜一個(gè)小于90度的角度，從而在前間隔塊150的情況下基本上沿圓周方向和徑向向外地引導(dǎo)氣流，在后間隔塊158的情況下基本上沿圓周方向和徑向向內(nèi)地引導(dǎo)氣流。
再次參見圖6的實(shí)施例，前間隔塊150下游的間隔塊152具有在其中通過的3個(gè)通道164、166、168，一個(gè)通道164使冷卻劑朝向空腔144的徑向外側(cè)拐角區(qū)域流動(dòng)，通道166、168被設(shè)置用于使冷卻劑離開/向著各個(gè)相鄰的空腔142、144的中心區(qū)域流動(dòng)。在這個(gè)例子中，第二間隔塊152的流通通道的方位基本上是轉(zhuǎn)子軸線的圓周方向，相對(duì)于間隔塊152的縱軸大約呈90度。此外，在所示的實(shí)施例中，上游導(dǎo)流片188，如在下面詳細(xì)說明的，被設(shè)置在間隔塊152的上游表面194上，用于使氣流從環(huán)形區(qū)域36偏轉(zhuǎn)進(jìn)入空腔142，從而增加其中的冷卻劑流。
下一個(gè)相鄰的、中部或中間的間隔塊154包括4個(gè)周向設(shè)置的流通通道170、172、174、176，其中的3個(gè)的位置基本上相應(yīng)于第二間隔塊的流通通道的位置，第四個(gè)周向流通通道176的位置靠近端繞組28的徑向內(nèi)部區(qū)域。在所述的實(shí)施例中，如在下面要詳細(xì)說明的，在中間間隔塊154的上游和下游表面196、198設(shè)置有上游和下游導(dǎo)流片188、190，并且徑向最內(nèi)的通道176被設(shè)置在導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)188、190的徑向外部區(qū)域的徑向外側(cè)。
所述的實(shí)施例中的下一個(gè)相鄰的、即第4個(gè)間隔塊156包括3個(gè)流通通道178、180、182，它們被設(shè)置在基本上和第二間隔塊152的流通通道相應(yīng)的徑向位置。在目前的優(yōu)選實(shí)施例中，這些通道基本上沿圓周方向設(shè)置，相對(duì)于間隔塊156的縱軸大約呈90度的角度。如在下面要詳細(xì)說明的，下游導(dǎo)流片190被設(shè)置在第四個(gè)間隔塊的下游表面200上，用于導(dǎo)向和引導(dǎo)氣流從通道182到達(dá)環(huán)形區(qū)域36，從而在下游的相鄰間隔塊158的下方和周圍流動(dòng)。
如上所述，為了增加進(jìn)入各個(gè)端繞組空腔的冷卻劑流，按照本發(fā)明的目前優(yōu)選實(shí)施例的另一個(gè)特征，至少一個(gè)間隔塊具有位于其向前的表面或上游表面上的導(dǎo)流片188，其位于上游相鄰空腔的下游側(cè)上，與/或?qū)Я髌?90，其位于其向后的表面或下游表面上，其位于下游相鄰空腔的上游側(cè)上，所述的方向是相對(duì)于經(jīng)過空腔底部的冷卻劑流的方向。所述導(dǎo)流片被提供在在各個(gè)間隔塊的徑向內(nèi)端。設(shè)置向前的或者上游的導(dǎo)流片188用于增加強(qiáng)迫進(jìn)入空腔的冷卻流體量，從而增加空腔內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)，從而增加各個(gè)空腔的散熱。在所示的實(shí)施例中，上游導(dǎo)流片從間隔塊沿上游方向延伸一定距離，該距離至少是各個(gè)空腔徑向內(nèi)端的周向尺寸的大約20％，最好是大約20-40％。此外，在所示的實(shí)施例中，導(dǎo)流片188向下延伸，即徑向向內(nèi)延伸，以至于占據(jù)限定于間隔塊和心軸16之間的間隙37的徑向尺寸的大約一半。
更具體地說，每個(gè)上游導(dǎo)流片包括基本上連續(xù)的彎曲上表面202，其終止于間隙內(nèi)邊緣204。如圖所示，導(dǎo)流片的徑向內(nèi)邊緣，其沿著間隔塊的深度的至少一部分限定一個(gè)氣流截取線，在間隔塊的徑向內(nèi)表面下方延伸，使得截取并重新引導(dǎo)否則就要流到間隔塊和心軸16之間的間隙37的氣流。徑向內(nèi)邊緣204的導(dǎo)流片的下游表面206限定一個(gè)向各個(gè)間隔塊的徑向內(nèi)表面基本上逐漸過渡的部分。
為了沿著各個(gè)間隔塊導(dǎo)向并引導(dǎo)氣流進(jìn)入各個(gè)空腔，如冷卻劑流箭頭A所示，導(dǎo)流片188的彎曲的上表面202沿著各個(gè)間隔塊上游表面向上延伸一個(gè)大于導(dǎo)流片在間隔塊徑向內(nèi)表面下方延伸的距離。
在所示的實(shí)施例中，和上游導(dǎo)流片一樣，每個(gè)下游導(dǎo)流片190從間隔塊的表面沿下游方向至少延伸各個(gè)空腔徑向內(nèi)端的周向尺寸的大約20％，更好為大約20-40％。此外，在所示的實(shí)施例中，導(dǎo)流片190向下即徑向向內(nèi)朝向下游邊緣208延伸間隙37的徑向尺寸的大約一半，間隙37限定于間隔塊和心軸之間，從而導(dǎo)向并引導(dǎo)冷卻劑流到下游相鄰間隔塊的徑向內(nèi)端，并圍繞其和在其附近流動(dòng)，如冷卻劑流箭頭B所示。
在目前的優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)導(dǎo)流片188、190設(shè)置為跨過空腔的深度或軸向尺寸的相當(dāng)大部分，例如至少大約75％，最好是空腔深度的100％的數(shù)量級(jí)。不過，在另外的實(shí)施例中，每個(gè)導(dǎo)流片可以只延伸間隔塊的深度的一部分或者徑向的一部分，使得留下至少一個(gè)分流區(qū)域，用于使氣流流向下一個(gè)下游相鄰空腔。按照這另一種方案，部分深度導(dǎo)流片可被設(shè)置成從空腔的一個(gè)相鄰端繞組壁跨過空腔的部分深度，其和空腔的另一個(gè)端繞組壁相鄰，或者基本上在其相關(guān)的間隔塊的中心。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，提供單個(gè)導(dǎo)流片188、190，其跨過相關(guān)間隔塊的深度的至少大約一半。按照再一個(gè)實(shí)施例，可以設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)軸向排列的導(dǎo)流片，每個(gè)跨過空腔的周向尺寸或深度的一部分。用這種方式，提供至少一個(gè)分流區(qū)域，用于使氣流流向下一個(gè)下游相鄰空腔。
在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得冷卻氣體通過氣體入口34被吸入端繞組28和轉(zhuǎn)子軸16之間的環(huán)形區(qū)域。此時(shí)將出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)壓頭，其驅(qū)動(dòng)冷卻氣流朝向并沿著導(dǎo)流片188流動(dòng)。因而，參見圖6，冷卻氣體沿著間隔塊150的導(dǎo)流片188并沿著間隔塊的上游表面192流動(dòng)。至少一部分冷卻氣體流入限定在間隔塊150中的流通通道162、160。如上所述，在端繞組的間隔塊的這個(gè)最上游的流通通道被有利地設(shè)置為相對(duì)于間隔塊的縱軸成小于90度的角度，因此它們是傾斜的。這有利于氣流徑向向外流入下游相鄰空腔142。
除去通過間隔塊150內(nèi)的通道160、162進(jìn)入空腔142的冷卻劑流之外，冷卻劑流還從環(huán)形區(qū)域36被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入和引入空腔142，如其中的箭頭A所示。因?yàn)閷?dǎo)流片188截取否則可能繼續(xù)流入并經(jīng)過間隔塊152和心軸16之間的間隙37的氣流，所有通過各個(gè)空腔152的冷卻劑流被增加，從而增加熱傳遞。在所示的實(shí)施例中，來自通道160，162的冷卻劑流基本上沿周向流向間隔塊152，在那里其流入并通過通道164，166，168。如上所述，在所述的實(shí)施例中，間隔塊152具有3個(gè)流通通道，其中的兩個(gè)164，166用于接收來自空腔的中心區(qū)域和徑向外部區(qū)域的氣流，一個(gè)流通通道168被設(shè)置成可以接收來自空腔中心區(qū)域和徑向內(nèi)部區(qū)域的氣流。顯然，在示出的實(shí)施例中設(shè)置的基本上沿周向的氣流基本上消除了在常規(guī)的循環(huán)流中見到的缺乏冷卻劑氣體的空腔142的中心和拐角區(qū)域。
再次參看下一個(gè)下游相鄰空腔144，除去通過間隔塊152中的通道164，166，168進(jìn)入空腔的冷卻劑流之外，冷卻劑流還從環(huán)形區(qū)域36被驅(qū)動(dòng)和引入空腔144，如其中的箭頭A所示。因?yàn)閷?dǎo)流片188截取否則將會(huì)繼續(xù)流入在間隔塊154和心軸16之間的間隙37的氣流，使得通過各自的空腔的冷卻劑流增加，從而提高熱傳遞。同時(shí)，來自通道164，166，168的冷卻劑流在所述的實(shí)施例中基本上沿周向向著間隔塊154流動(dòng)，在那里其流入通道170，172，174，176。在這個(gè)實(shí)施例中，間隔塊154具有4個(gè)通道，一個(gè)通道170用于接收來自空腔的徑向外部區(qū)域的氣流，兩個(gè)通道172，174用于接收基本上來自空腔的中心區(qū)域的氣流，一個(gè)通道176被設(shè)置成用于接收來自空腔144的徑向內(nèi)部區(qū)域的氣流。
參看下一個(gè)下游相鄰空腔146，在所述的實(shí)施例中，冷卻劑流基本上被限制為通過間隔塊154中的通道170，172，174，176流入空腔中的冷卻劑流。在這個(gè)實(shí)施例中，下游間隔塊156具有3個(gè)通道178，180，182，一個(gè)通道178用于接收來自空腔的徑向外側(cè)區(qū)域的氣流，兩個(gè)通道180，182用于接收基本來自空腔146的中心區(qū)域的氣流。同樣，來自通道170，172和174的冷卻劑流在所述的實(shí)施例中基本上沿周向流向間隔塊，在那里其流入通道178，180，182。不過，在所述的實(shí)施例中，至少一部分來自徑向最內(nèi)側(cè)的通道176的冷卻劑流沿著下游導(dǎo)流片190流入環(huán)形區(qū)域，以便在間隔塊156的徑向內(nèi)端下面、周圍和附近流動(dòng)。
最后，參看下一個(gè)下游相鄰空腔148，在所述的實(shí)施例中，冷卻劑流基本上被限制于通過間隔塊156中的通道178，180，182流入空腔的冷卻劑流。在這個(gè)實(shí)施例中，如上所述，下游間隔塊158具有兩個(gè)斜的通道184，186，一個(gè)通道184用于接收來自空腔的徑向外部區(qū)域的氣流，一個(gè)通道186用于接收基本上來自空腔的中心區(qū)域的氣流。同樣，來自通道178，180的冷卻劑流在所述的實(shí)施例中基本上沿周向流向間隔塊158，在那里其流入并通過通道184，186。不過，在所述的實(shí)施例中，至少一部分來自通道182的冷卻劑流沿著下游導(dǎo)流片190流入環(huán)形區(qū)域36，以便在間隔塊158的徑向內(nèi)端下面、周圍和附近流動(dòng)。
如上所述，從通道184，186流出的氣流基本上沿著間隔塊158的下游表面210徑向向內(nèi)流動(dòng)，并沿著導(dǎo)流片190流入環(huán)形區(qū)域36中。
因而可以看出，利用流經(jīng)間隔塊150，152，154，156，158和導(dǎo)流片188，190的氣流的組合促使氣流流入空腔142，144，146，148，因而提供了增加的冷卻劑流，特別是對(duì)于通常缺乏冷卻劑流空腔區(qū)域，其中包括空腔的中心區(qū)域和徑向向外的區(qū)域。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前認(rèn)為是優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了說明，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所披露的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求書的范圍和構(gòu)思中的各種改型和等效的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種氣體冷卻的電機(jī)，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和沿軸向延伸超過所述本體部分14的至少一端18的端繞組28；被設(shè)置在相鄰的所述端繞組28之間的至少一個(gè)間隔塊150、152、154、156、158，從而限定和所述間隔塊相鄰的并處于彼此相鄰的端繞組之間的第一和第二空腔142、144、146、148；至少一個(gè)所述間隔塊具有限定于其中的通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184，186，所述通道在所述間隔塊的面向與之相鄰的所述第一空腔的第一表面192、194、196和所述間隔塊的面向與之相鄰的所述第二空腔的第二表面198、200、210之間延伸，從而提供在所述第一和第二空腔之間通過所述間隔塊的冷卻氣流交流。
2.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，所述通道162、166、168、172、174、180、182、186通過所述間隔塊150、152、154、156、158的徑向中間部分延伸，從而使冷卻氣體基本在所述第一和第二空腔的中央?yún)^(qū)域之間流動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，所述間隔塊的所述第一和第二表面192、194、196、198、200、210是所述間隔塊150、152、154、156、158各自的周向定向的表面。
4.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，還包括導(dǎo)流片188、190，它們被設(shè)置為鄰近所述第一和第二表面192、194、196、198、200、210的至少一個(gè)的徑向內(nèi)端，用于分別引導(dǎo)氣流流入或流出所述第一和第二空腔。
5.如權(quán)利要求4所述的電機(jī)，其特征在于，至少一個(gè)所述間隔塊154具有導(dǎo)流片188、190，它們被設(shè)置在間隔塊第一和第二表面196、198中各自一個(gè)上。
6.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述間隔塊150、152、154、156、158具有通過其中形成的所述通道。
7.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，具有通過所述間隔塊150、152、154、156、158限定的多個(gè)通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186，至少一個(gè)所述通道162、166、168、172、174、180、182、186使冷卻氣體基本在所述第一和第二空腔的中心區(qū)域之間流動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的電機(jī)，其特征在于，至少一個(gè)所述多個(gè)通道160、162、184、186相對(duì)于所述間隔塊150、158的縱軸以小于90度的角度傾斜。
9.一種氣體冷卻的電機(jī)，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(shè)置在所述本體部分14上并被隔開的軸向延伸的線圈22，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之間限定一個(gè)空間36；多個(gè)間隔塊150、152、154、156、158，它們被設(shè)置在所述端繞組28中相鄰的端繞組之間；限定在彼此相鄰的端繞組28和間隔塊150、152、154、156、158之間的多個(gè)空腔142、144、146、148；至少一個(gè)所述的間隔塊具有通過其中限定的通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186，所述通道在所述間隔塊的面向與之相鄰的所述第一空腔的第一表面192、194、196和所述間隔塊的面向與之相鄰的所述第二空腔的第二表面198、200、210之間延伸，從而提供在所述第一和第二空腔之間通過所述間隔塊的冷卻氣流交流。
10.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其特征在于，所述通道162、166、168、172、174、180、182、186通過所述間隔塊150、152、154、156、158的徑向中間部分延伸，從而使冷卻氣體基本在所述第一和第二空腔的中央?yún)^(qū)域之間流動(dòng)。
11.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，還包括導(dǎo)流片188、190，它們被靠近所述第一和第二表面192、194、196、198、200、210中至少一個(gè)的徑向內(nèi)端設(shè)置，用于分別引導(dǎo)氣流流入或流出所述第一和第二空腔。
12.如權(quán)利要求11所述的電機(jī)，其特征在于，至少一個(gè)所述間隔塊154具有導(dǎo)流片188、190，它們被設(shè)置在其第一和第二表面196，198中各自一個(gè)上。
13.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述間隔塊150、152、154、156、158具有通過其中形成的所述通道。
14.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其特征在于，具有通過所述間隔塊150、152、154、156、158限定的多個(gè)通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186，至少一個(gè)所述通道162、166、168、172、174、180、182、186使冷卻氣體基本在所述第一和第二空腔的中央?yún)^(qū)域之間流動(dòng)。
15.如權(quán)利要求14所述的電機(jī)，其特征在于，至少一個(gè)所述多個(gè)通道160、162、184、186相對(duì)所述間隔塊150、158的縱軸以小于90度的角度傾斜。
16.一種用于冷卻電機(jī)中的端繞組的方法，所述發(fā)電機(jī)包括具有本體部分14的轉(zhuǎn)子10，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的端繞組28；多個(gè)間隔塊150、152、154、156、158，它們被設(shè)置在所述端繞組之間；以及多個(gè)空腔142、144、146、148，它們被限定在彼此相鄰的端繞組和間隔塊之間；所述方法包括通過至少一個(gè)所述間隔塊提供至少一個(gè)通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186，所述通道在所述間隔塊的面向與其相鄰的第一空腔的第一表面和所述間隔塊的面向與其相鄰的第二空腔的第二表面之間延伸；使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得壓力差驅(qū)動(dòng)冷卻氣體進(jìn)入所述第一空腔，進(jìn)入所述通道，并進(jìn)入所述第二空腔，從而通過所述間隔塊提供所述第一和第二空腔之間的冷卻氣流交流。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述通道162、166、168、172、174、180、182、186通過所述間隔塊150、152、154、156、158的徑向中間部分延伸，從而在所述第一和第二空腔的中央?yún)^(qū)域之間提供所述冷卻氣流交流。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括導(dǎo)流片188、190，它們被鄰近所述第一和第二表面192、194、196、198、200、210中至少一個(gè)的徑向內(nèi)端設(shè)置，并且使冷卻氣體沿著所述導(dǎo)流片分別流入或流出所述第一和第二空腔。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述間隔塊154具有導(dǎo)流片188、190，它們被設(shè)置在其第一和第二表面196、198中各自一個(gè)上，并且還使冷卻氣流沿著所述第一表面上的導(dǎo)流片流入所述第一空腔，并且使冷卻氣體沿著所述第二表面上的所述導(dǎo)流片流出所述第二空腔。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，具有多個(gè)通過所述間隔塊150、152、154、156、158限定的多個(gè)通道160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186，其中冷卻氣體被通過所述通道引導(dǎo)到所述第二空腔的至少徑向外側(cè)區(qū)域和中心區(qū)域。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)通道160、162、184、186中至少一個(gè)相對(duì)于所述間隔塊的縱軸以小于90度的角度傾斜，從而將冷卻氣流以一定角度引導(dǎo)到所述第二空腔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣體冷卻的電機(jī)，其包括具有本體部分(14)轉(zhuǎn)子(10)，軸向延伸的線圈(22)，端繞組(28)，以及被設(shè)置在端繞組之間的多個(gè)間隔塊(150、152、154、156、158)，從而在彼此相鄰的端繞組和間隔塊之間限定出第一和第二空腔(142、144、146、148)。為了增強(qiáng)端繞組的冷卻，所述間隔塊(150、152、154、156、158)中至少一個(gè)具有通道(160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184、186)，所述通道在第一和第二相鄰空腔之間延伸，從而提供在第一和第二空腔之間通過間隔塊的冷卻氣體交流。導(dǎo)流片(188、190)最好被靠近所述間隔塊的面向空腔的一個(gè)表面或另一個(gè)表面或者兩個(gè)表面的徑向內(nèi)端設(shè)置，用于把氣流分別引入或引出第一和第二空腔。
文檔編號(hào)H02K3/34GK1448003SQ01805484
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2001年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者W·N·O·圖恩布爾, T·G·維策爾, C·L·范德沃特, S·A·薩拉馬, E·D·亞茨恩斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司