一种凸极电机转子磁极线圈的冷却结构及方法与流程

本发明涉及磁极线圈冷却设计，尤其是涉及一种凸极电机转子磁极线圈的冷却结构及方法。

背景技术：

1、凸极电机因其结构简单、运行可靠，广泛应用于水轮发电、抽水蓄能及风力发电等领域。在风电领域，尤其是直驱或半直驱高速风力发电系统中，受机舱安装空间和成本的双重制约，电机设计趋向于小型化和高功率密度，这直接导致转子磁极线圈的单位体积发热量显著增加，冷却问题日益突出。能否高效带走转子磁极线圈损耗热量，直接决定了电流密度的选取上限与整体功率密度的提升空间，因此，如何有效改善转子磁极线圈冷却效果，已成为提升风电电机制造业竞争力的关键因素。

2、对于高速小尺寸凸极电机转子的结构，其通常由转轴、磁极、连接各个磁极的磁极线圈的转子引线、极间支撑等附件组成，磁极由磁极铁心、磁极线圈、绝缘件组成。现有技术中，转子磁极线圈的冷却主要采用极间通风方式，即向磁极极间通入冷却空气，冷却空气沿转子径向掠过磁极线圈位于极间区域的外侧表面，通过对流换热将热量带走后离开转子。该方式的冷却效果取决于风量大小、风速、空气温度等外在条件和磁极线圈发热损耗大小之外，最重要的是与转子磁极线圈与空气的热交换表面面积相关。其他条件一致，参与热交换表面积越大，冷却效果越好。

3、然而，在实际结构中，上述有效换热面积却受到严重的结构性限制。由于高速小尺寸凸极电机磁极极间需要布置大量磁极撑块，保证磁极线圈离心力的侧向分力，以防止磁极线圈外翻，这些磁极撑块占据了极间区域的大量空间，使得磁极线圈极间外表面参与热交换的表面积大幅缩减，散热能力严重受限。散热能力的不足直接限制了电流密度的选取上限，进而制约了功率密度的进一步提升。

4、又如，公开号为cn103715803a的中国专利文献，公开了一种凸极同步电机磁极绕组的冷却结构，其技术方案是在磁极线圈的载流排中部开设径向过流通道，以冷却线圈内部；同时，冷空气经导流块上的导风孔进入两磁极极间，对磁极线圈外表面进行冷却。然而，该方案中冷空气主要集中于磁极线圈的中部区域和极间的外侧表面，磁极线圈上与极身相邻的内侧表面未形成有效冷却，导致磁极线圈的冷却均匀性仍显不足。

5、因此，如何在确保磁极线圈具有足够抗离心力防外翻支撑的前提下，突破磁极撑块对散热面积的限制，提高磁极线圈的冷却均匀性，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供了一种凸极电机转子磁极线圈的冷却结构及方法，有效解决了磁极线圈冷却均匀性不足的技术问题，显著改善了磁极线圈的冷却效果。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种凸极电机转子磁极线圈的冷却结构，包括间隔固定在转子转轴上的磁极和磁极撑块，每个磁极包括至少一层固定缠绕在极身上的磁极线圈，各磁极线圈通过多个绝缘层分隔，且绝缘层与极靴之间固定有汇流板k4；沿转子转轴径向方向，每个绝缘层上均匀设置有多条能使冷空气直接冷却磁极线圈的风道，每层磁极线圈两侧的风道错位分布；风道的进风口与转子转轴上的进风段相通，风道的出风口分别通过汇流板k4和磁极撑块与外界相通，各风道配合对磁极线圈的两侧分区冷却。

4、所述磁极线圈为两层时，每个磁极包括固定缠绕在极身上的内层磁极线圈和外层磁极线圈，以极身为内，内层磁极线圈位于外层磁极线圈的内侧，且外层磁极线圈与磁极撑块相邻。

5、所述绝缘层包括若干绝缘板k1，各绝缘板k1抵接于内层磁极线圈与外层磁极线圈之间，分隔内层磁极线圈与外层磁极线圈的绝缘层上，其风道为冷却风道m，冷却风道m由相邻绝缘板k1之间的间隙构成，冷却风道m的进风口与进风段相通，出风口通过汇流板k4与外界相通。

6、所述绝缘层还包括若干绝缘板k2，各绝缘板k2抵接于内层磁极线圈与极身之间，分隔内层磁极线圈与极身的绝缘层上，其风道为冷却风道n，冷却风道n由相邻绝缘板k2之间的间隙构成，冷却风道n的进风口与进风段相通，出风口通过汇流板k4与外界相通。

7、所述磁极撑块包括上段和下段，上段沿转子转轴的周向方向超出下段，所述汇流板k4抵接于极靴的底部，并沿转子转轴的周向方向超出极靴后与磁极撑块的上段相邻，且汇流板k4的底部同时抵接内层磁极线圈、外层磁极线圈、绝缘板k1和绝缘板k2。

8、所述汇流板k4上沿转子转轴周向方向开设有若干通风槽，并沿转子转轴径向方向开设有与冷却风道m和冷却风道n一一对应的通风孔，通风槽与通风孔相通，且汇流板k4在沿转子转轴的周向方向超出极靴时，每个通风槽均部分露出于极靴。

9、所述汇流板k4与磁极撑块的上段之间具有通风间隙。

10、所述绝缘层还包括绝缘板k3，绝缘板k3的外侧面抵接磁极撑块的下段，绝缘板k3的内侧面上设有若干竖向凸起，各竖向凸起抵接外层磁极线圈；分隔外层磁极线圈与磁极撑块的绝缘层上，其风道为冷却风道l，冷却风道l由相邻竖向凸起之间的间隙构成，冷却风道l的进风口与进风段相通，出风口通过磁极撑块与外界相通。

11、所述磁极撑块的上段上开设有与冷却风道l一一对应的槽孔。

12、所述竖向凸起凸出于绝缘板k3内侧面的厚度为15-30mm。

13、所述冷却风道l、冷却风道n和冷却风道m相互错位分布。

14、冷却结构还包括安装在磁极轴向两端并用于向进风段输送冷空气的轴流风机。

15、一种凸极电机转子磁极线圈的冷却方法，使用冷却结构控制轴流风机向进风段输送冷空气，冷空气经绝缘层上的风道分别对每层磁极线圈的两侧进行分区冷却，换热后的冷空气同时通过汇流板k4和磁极撑块排放至外界。

16、采用本发明的优点在于：

17、1、本发明中，首先，通过在每个绝缘层上均匀设置多条风道，并使每层磁极线圈两侧的风道错位分布，同时利用汇流板k4和磁极撑块分别作为出风通道，在确保磁极线圈具有足够抗离心力防外翻支撑的前提下，使得冷却风能够从每层磁极线圈的两侧同时介入冷却，有效克服了因磁极撑块遮挡导致极间散热面积不足的难题，显著提高了冷却的覆盖范围和均匀性，并大幅增加了磁极线圈的有效换热面积，提高了电流密度的选取上限，拓展了功率密度的提升空间。

18、其次，通过风道的进风口与转子转轴上的进风段相通，风道的出风口分别通过汇流板k4和磁极撑块与外界相通，明确了风道的进出路径，确保了磁极线圈冷却的可靠性。实现了对磁极线圈沿周向两侧的分区冷却，显著提高了冷却的覆盖范围和均匀性。

19、相比于现有技术中冷却风仅从极间区域沿径向掠过磁极线圈外侧表面的单一通风路径，有效避免了因磁极撑块占据极间空间导致外侧散热面积大幅缩减的局限，在同等风量下大幅增加了冷却风与线圈的有效换热面积，显著提升了冷却风的利用效率和磁极线圈的整体散热能力。

20、并且，与公开号为cn103715803a代表的现有技术相比，本发明克服了现有技术中冷空气仅集中于磁极线圈的中部区域和极间外侧表面，致使磁极线圈上与极身相邻的内侧表面无法获得有效冷却，也难以针对线圈两侧表面形成分区冷却的缺陷。由此，本发明的冷却结构有效解决了磁极线圈冷却均匀性不足的技术问题，显著改善了磁极线圈的冷却效果，提升了凸极电机转子结构的运行安全性与稳定性。

21、2、本发明中，通过将磁极线圈设置为内层磁极线圈和外层磁极线圈两层结构，并以极身为内侧进行内外层布置，使得每层磁极线圈均具有独立的冷却表面，为后续对内外层线圈分别实施分区冷却提供了结构基础。

22、3、本发明中，通过在内层磁极线圈与外层磁极线圈之间设置绝缘板k1，并由相邻绝缘板k1之间的间隙构成冷却风道m，使得内层磁极线圈的外侧和外层磁极线圈的内侧能够同时获得冷空气的流经，进一步提高了磁极线圈冷却的均匀性。

23、4、本发明中，通过在内层磁极线圈与极身之间设置绝缘板k2，并由相邻绝缘板k2之间的间隙构成冷却风道n，使得内层磁极线圈的内侧表面能够被冷空气直接冷却，克服了现有技术中磁极线圈内侧表面因紧贴极身而无法散热的缺陷，进一步拓展了磁极线圈的有效换热面积，更进一步提高了磁极线圈冷却的均匀性。

24、5、本发明中，通过将磁极撑块设置为上段沿周向超出下段的结构，并使汇流板k4沿周向超出极靴后与磁极撑块的上段相邻，同时使汇流板k4的底部同时抵接内层磁极线圈、外层磁极线圈、绝缘板k1和绝缘板k2，既保证了汇流板k4对多层磁极线圈和绝缘层的压紧固定，又为汇流板k4的出风提供了周向的导出空间，有效实现了固定功能与通风功能的结构配合。

25、6、本发明中，通过在汇流板k4上设置相通的通风槽和通风孔，使冷却风在汇流板k4内部获得定向引导，形成有序的横向流动路径；同时，每个通风槽均部分露出于极靴，确保冷却风沿通风槽横向流动后能够直接、顺畅地排入外部空间，避免了出风受阻或回流的问题。该结构使得冷却风道m和冷却风道n的出风位置明确，确保了内层磁极线圈和外层磁极线圈的散热效果。

26、7、本发明中，通过在磁极撑块上段侧面与汇流板k4之间设置通风间隙，增加了冷却风道m、冷却风道n和冷却风道l在出风处的出风面积，使冷却风能够更顺畅地向外排出，避免了出风受阻导致的风量衰减，提升了整体通风散热效率。

27、8、本发明中，通过设置绝缘板k3，并在绝缘板k3的内侧面设置若干竖向凸起，由相邻竖向凸起之间的间隙构成冷却风道l，使得外层磁极线圈的外侧表面能够获得冷空气的直接冷却，克服了传统方案中外层磁极线圈外侧表面因紧邻磁极撑块而无法有效散热的缺陷，实现了对外层磁极线圈外侧的主动冷却，进一步提高了磁极线圈的有效换热面积。

28、9、本发明中，通过在磁极撑块的上段开设与冷却风道l一一对应的槽孔，使得经冷却风道l对外层磁极线圈外侧进行冷却后的气体能够通过槽孔直接排出至外界，形成了完整的进气—冷却—排气路径，确保了外层磁极线圈外侧冷却的可靠性。

29、10、本发明中，通过将竖向凸起凸出于绝缘板k3内侧面的厚度设计在15-30mm范围内，既保证了相邻竖向凸起之间形成的间隙具有足够的通风截面以形成稳定的冷却风道l，又兼顾了绝缘板k3的成型工艺性与结构可靠性。

30、若竖向凸起厚度小于15mm，导流作用将不足，冷却风在间隙内易产生紊流，难以形成稳定的冷却风道l；若厚度大于30mm，则竖向凸起过厚会侵占极身与外层磁极线圈之间的有效空间，影响内层磁极线圈与外层磁极线圈的装配，同时凸起根部在热压成型时易产生应力集中，影响绝缘板k3的长期结构可靠性。

31、11、本发明中，通过将冷却风道l、冷却风道n和冷却风道m在空间上相互错位分布，使得各路冷空气在流动过程中互不干涉，避免了相邻冷却风道之间的气流短路或串流现象，从而保证了各路冷却风道各自覆盖的冷却区域均能获得稳定、独立的冷空气供给，进一步提高了分区冷却的均匀性和可靠性。

32、12、本发明中，通过在磁极轴向两端安装轴流风机，并由轴流风机向进风段主动输送冷空气，为整个冷却结构提供了持续稳定的冷空气动力源，保证了各冷却风道在电机运行全工况下均能获得充足的冷却风量。

33、13、本发明的冷却方法中，通过使用上述冷却结构并控制轴流风机向进风段输送冷空气，使冷空气经绝缘层上的风道分别对每层磁极线圈的两侧进行分区冷却后，从汇流板k4和磁极撑块同时排放至外界，形成了多条并行且相互独立的冷却路径，各路径分别对应磁极线圈的不同表面和不同区域，实现了对磁极线圈的全方位、多路径并行冷却，在有限的空间内最大限度地利用了磁极线圈各表面的散热潜力，有效提升了转子磁极线圈的冷却效果和均匀性。