电机的冷却的制作方法

1.本公开涉及电机并且更具体地涉及用于冷却电机的装置、系统和方法。本公开还涉及包括这样的电机的风力涡轮并且尤其涉及包括用于冷却发电机转子的部分的冷却气体流的风力涡轮。


背景技术：

2.电机(例如马达和发电机)通常包括转子结构和定子结构。大型电气发电机可以是永磁激励发电机(pmg)或电激励同步发电机(eesg)。
3.这样的发电机例如可被使用在风力涡轮中、尤其在离岸风力涡轮中。
4.风力涡轮通常包括带有转子毂和多个叶片的转子。转子在风对叶片的影响下被置于旋转。转子轴的旋转直接驱动发电机转子(“直驱”)或者通过使用变速箱。这样的直驱风力涡轮发电机可具有例如6-10米(236-328英寸)的直径、例如2-3米(79-118英寸)的长度并且能以低速(例如在2至20rpm(转每分钟)的范围中)旋转。备选地，还可将永磁发电机或电激励同步发电机联结至变速箱，其将发电机的旋转速度增加到例如在50至500rpm之间或甚至更多。
5.电机包括转子，其相对于定子旋转。转子可以是内部结构而定子是外部结构。定子因此在该情况中包围转子。备选地，构造可与此相反，也就是说转子包围定子。
6.在永磁激励发电机(pmg)的情况中，永磁体(pm)通常被包括在转子中(尽管其备选地也可布置在定子结构中)，而绕组元件(例如线圈)常常被包括在定子中(尽管其备选地可布置在转子结构中)。永磁发电机通常被认为是可靠的并且比其它发电机类型需要更少的维护。
7.电激励同步发电机通常包括具有多个极靴和激励线圈的转子。在使用中，电流被施加至励磁线圈，其产生极的极性。相邻的极具有不同的磁极性。当转子旋转时，来自极靴的磁场被施加至定子的绕组在定子绕组中引起可变的磁通量，其在定子绕组中产生电压。在电激励同步发电机中，用于产生电力的磁场电气地来生成。因此，这样的发电机不需要使用包含稀土元素的永磁体。
8.冷却在电机中通常是重要的，因为主动元件(尤其线圈和/或磁体)在使用中加热。过高的温度可导致这些元件的失效和更低效的运行。
9.在径向机器中，在转子和定子之间可形成大致环形的空气缝隙。由于转子的运动，在空气缝隙中的空气到处运动。空气由此提供冷却效果。在带有相对高的扭矩密度(也就是说在相对小尺寸的电机中较高的扭矩)的电机中，由冷却空气提供的冷却可能不足够。
10.冷却较热的结构的一潜在有效的方式是通过使用将较冷的液体导引通过该结构的冷却通道。这可以是冷却定子的有效方式，但是因为旋转运动将液体冷却使用在转子中非常复杂。
11.可提供较冷的液体并且较冷的液体经过定子并且由此冷却定子。冷却液体本身加热。在经过定子之后，被加热的冷却液体需要被冷却。冷却液体可又在液体-液体或液体-空
气换热器中被冷却。
12.在这些电机中，为了提供转子的有效冷却，可设置附加的转子冷却系统，包括提供通过空气缝隙的冷却空气流的风扇或通风器。当冷却空气经过空气缝隙时，其将转子的主动元件冷却并且同时加热。被加热的冷却空气被排出或者需要又被冷却以来再循环。如果热空气被排出，还需要连续供应较冷的冷却空气。如果热空气被冷却，这可在空气-液体或空气-空气换热器中完成。
13.用于定子的冷却液体和转子的冷却空气两者的冷却最终意味着液冷的发电机需要具有引入定子中的液体冷却路径并且附加地需要外部换热器主要用于以到主动部分中的其相关联的液体和空气导管来冷却转子。该集成可相对复杂，特别是在紧凑的发电机、诸如使用在风力涡轮中的发电机中。
14.电机的尺寸及类型和这里所说明的潜在问题不限于在直驱离岸应用中的发电机并且甚至不限于仅风力涡轮的领域。相当尺寸的电机(其可遭受相同的问题并且/或者具有相同的复杂性)例如还可在蒸汽涡轮机和水力涡轮机中发现。


技术实现要素：

15.本公开提供系统和方法的示例，其至少部分解决前述缺点中的一些。
16.在第一方面，提供一种电机，其包括转子、定子和包含将冷却流体导引至定子的主动部分的定子冷却通道的定子冷却系统。电机还包括用于冷却转子的主动部分的转子冷却系统，其中，转子冷却系统构造用于提供转子冷却气体流。定子冷却通道构造用于冷却转子冷却气体流。
17.根据该方面，用于冷却转子的冷却气体流由冷却定子的相同的冷却系统来冷却。这可使冷却系统更有效且更易于集成。
18.如贯穿本公开所使用的主动部分可被视为在运行期间在电机中在磁场的产生和所造成的电流的产生中具有主动作用的元件。如这里所使用的主动部分可被视为包括例如永磁体、定子绕组、转子绕组、场绕组(field winding)和电枢绕组。术语“线圈”和“绕组”本文中可互换地来使用。
19.在另一方面，提供一种用于冷却电机的方法。该方法包括通过使液体经过定子中的冷却通道来冷却定子的部分和利用冷却气体流来冷却转子的部分。冷却气体流在被加热时被导引向定子中的冷却通道以冷却转子冷却气体流。
20.技术方案1. 一种电机(50)，其包括：转子(70)，定子(60)，定子冷却系统(80)，其包括将冷却液体导引至所述定子(60)的主动部分的定子冷却通道(66)，以及用于冷却所述转子(70)的主动部分的转子冷却系统(90)，其中，所述转子冷却系统(90)构造用于提供转子冷却气体流，其中，所述定子冷却通道(66)构造用于冷却所述转子冷却气体流。
21.技术方案2. 根据技术方案1的电机，其中，所述转子冷却系统(90)包括与所述定子冷却通道(66)接触的气体流通道(72)。
22.技术方案3. 根据技术方案1的电机，其中，所述定子(60)包括电气线圈(64)并且所述定子冷却通道(66)沿着所述电气线圈中的一个或更多个来设置，并且可选地其中，所述定子冷却通道(66)包围所述电气线圈(64)中的一个或更多个。
23.技术方案4. 根据技术方案3的电机，其中，所述定子(60)包括包围所述电气线圈(64)的冷却套，所述冷却套包括一个或更多个定子冷却通道。
24.技术方案5. 根据技术方案2至4中任一项的电机，其中，与所述定子冷却通道(66)接触的所述气体流通道(72)设置在所述定子(60)的相邻的电气线圈(64)之间。
25.技术方案6. 根据技术方案1的电机，其中，与所述定子冷却通道(66)接触的所述气体流通道(72)设置在定子芯中。
26.技术方案7. 根据技术方案1至6中任一项的电机，其中，所述转子冷却气体流(90)被提供通过在所述转子(70)与所述定子(60)之间的空气缝隙(55)。
27.技术方案8. 根据技术方案1至7中任一项的电机，其中，所述转子冷却系统包括从所述空气缝隙(55)上游与所述定子冷却通道(66)接触的一个或更多个气体流通道(72)。
28.技术方案9. 根据技术方案1至8中任一项的电机，其中，所述气体流通道(72)中的一个或更多个包括用于改变在空气流通道中的湍流的偏转器。
29.技术方案10. 根据技术方案1至9中任一项的电机，其还包括用于冷却被加热的冷却流体的液体-液体或液体-空气换热器。
30.技术方案11. 一种风力涡轮，其包括发电机，其中，所述发电机是根据技术方案1至10中任一项的电机。
31.技术方案12. 根据技术方案11的风力涡轮，其中，所述发电机是直驱永磁发电机。
32.技术方案13. 一种用于冷却电机(50)的方法，其包括：通过使液体经过在定子(60)中的冷却通道(66)来冷却所述定子(60)的部分，利用转子冷却气体流来冷却转子(70)的部分，以及将所述转子冷却气体流在被加热时引导至在所述定子(60)中的所述冷却通道(66)以使所述转子冷却气体流冷却下来。
33.技术方案14. 根据技术方案13的方法，其中，所述冷却气体流是冷却空气流。
34.技术方案15. 根据技术方案13或14的方法，其还包括将所述液体在经过在所述定子(60)中的所述冷却通道(66)之后冷却。
附图说明
35.接下来将参照附图来说明本公开的非限制性示例，其中：图1示出了根据一示例的风力涡轮的透视图；图2示出了根据一示例的风力涡轮的机舱的详细的内部视图；图3示意性地表示了用于冷却电机的方法；图4a至4d示意性地示出了在电机中的冷却系统的示例；图5示意性地示出了在电机中的冷却系统的结构细节；图6示意性地示出了用于冷却电机的另一示例；以及图7示意性地示出了用于冷却电机的又一的示例。
36.在这些图中，相同的附图标记被用于指示匹配的元件。
具体实施方式
37.图1示出了风力涡轮160的一示例的透视图。如图所示，风力涡轮160包括从支撑表面150延伸的塔170、安装在塔170上的机舱161和联结至机舱161的转子115。转子115包括可旋转的毂110和联结至毂110且从其向外延伸的至少一个转子叶片120。例如，在所示出的实施例中，转子115包括三个转子叶片120。然而在一备选的实施例中，转子115可包括多于或少于三个转子叶片120。各转子叶片120可围绕毂110间隔开以有利于使转子115旋转以使能够将动能从风转换成可用的机械能并且接着成电能。例如，可将毂110可旋转地联结至位于机舱161内的电气发电机162(图2)以允许产生电能。
38.图2示出了图1的风力涡轮160的机舱161的一示例的简化的内部视图。如图所示，发电机162可置于机舱161内。通常可将发电机162联结至风力涡轮160的转子115用于从由转子115产生的旋转能产生电力。例如，转子115可包括主转子轴163，其联结至毂110用于随其旋转。发电机162那么可联结至转子轴163，使得转子轴163的旋转驱动发电机162。例如，在所示出的实施例中，发电机162包括通过变速箱164可旋转地联结至转子轴163的发电机轴166。
39.应注意的是，转子轴163、变速箱164和发电机162通常可通过位于风力涡轮塔170顶上的支撑框架或台板(bedplate)165支撑在机舱161内。
40.机舱161以这样的方式通过偏航系统20可旋转地联结至塔170，使得机舱161能够围绕偏航轴线ya旋转。偏航系统20包括偏航轴承，其具有构造成关于另一旋转的两个轴承部件。塔170联结至轴承部件中的一个并且机舱161的台板或支撑框架165联结至另一轴承部件。偏航系统20包括环形齿轮21和多个偏航驱动器22，其带有马达23、变速箱24和小齿轮25用于与环形齿轮21啮合用于使轴承部件中的一个关于另一个旋转。
41.叶片120联结至毂110，带有在叶片120与毂110之间的变桨轴承(pitch bearing)100。变桨轴承100包括内环和外环。风力涡轮叶片可附连在内轴承环处或在外轴承环处，而毂连接在另一个处。当变桨系统107被促动时，叶片120可执行关于毂110的相对旋转运动。内轴承环因此可执行关于外轴承环的旋转运动。图2的变桨系统107包括小齿轮108，其与设置在内轴承环上的环形齿轮109啮合以将风力涡轮叶片置于围绕变桨轴线pa的旋转中。
42.由发电机产生的能量可被传输至转换器(converter)，其使发电机的输出电力适配于电网的要求。电机可包括电气相、例如三个电气相。转换器可布置在机舱内或在塔内或外部。
43.图3示意性地表示了用于冷却电机的方法。
44.在本公开的一方面，提供一种用于冷却电机50的方法。该方法包括通过使液体80经过定子60中的冷却通道66来冷却定子的部分和利用冷却气体流90来冷却转子70的部分。冷却气体流90由在定子中的冷却通道66中的液体来冷却。
45.在图3中可见的是，较冷的液体设置在冷却通道66中并且当其经过定子时被加热。发生从定子至液体流80的热流。较冷的液体还处于与冷却空气流90的热交换关系中。被冷却的气体可沿着转子经过以冷却转子的主动部分，例如永磁体或线圈。尤其地，较冷的气体可经过在转子与定子之间的空气缝隙。
46.冷却气体可以是冷却空气，尽管可设想其它气体。贯穿本公开，通常将参考空气流，但是应清楚的是可使用其它气体。
47.当较冷的空气沿着转子经过时，空气加热，也就是说发生从转子的较热的部分向较冷的空气的热流。被加热的空气可再循环回到转子，但是就此其需要又被冷却。如在图3中可见，用于冷却定子的相同的冷却液体可被用于该目的。因此，可没有对转子冷却气体流的附加的主动冷却系统的任何需要。也就是说可没有在发电机外部的冷却器或换热器用于冷却转子冷却气体流。
48.冷却空气流可由一个或更多个风扇或通风器来驱动。为了向转子提供足够的质量空气流，可设置一个或更多个风扇。
49.在一些示例中，该方法还可包括在经过在定子中的冷却通道之后冷却(在冷却通道66中的)液体。例如可将液体-液体或液体-空气换热器用于冷却被加热的液体。
50.用于冷却定子的部分的液体可以是水，但是还可以是任何其它适合于冷却的传热液体。
51.图4a至图4d示意性地示出了在电机50中的冷却系统的示例。图4a示出了电机50，其在一些示例中可以是电气发电机。发电机可以是永磁发电机并且更具体地可以是在风力涡轮中的直驱发电机。
52.在示例中，电气发电机包括转子(其构造成围绕旋转轴线旋转)70和径向包围转子的定子60。径向空气缝隙55布置在转子70与定子60之间。
53.本公开的不同方面因此将参考图4的示例来解释，在其中定子60围绕转子70径向布置。然而应清楚的是，当转子径向包围定子时并且还如果转子和定子轴向分离(也就是说设置有轴向空气缝隙)，相同的或相似的推论将适用。代替发电机，还可将相同的应用于马达。
54.参考图4b和图4c，可见的是，电机50包括转子70、定子60和包含将冷却流体导引至定子60的主动部分的定子冷却通道66的定子冷却系统80。电机50还包括用于冷却转子的主动部分的转子冷却系统90，其中，转子冷却系统构造成提供转子冷却气体流，其中，定子冷却通道66构造用于冷却转子冷却气体流。
55.在一些示例中，可将一个或更多个风扇或通风器用于提供转子冷却气体流。
56.在一些示例中，定子60可包括电气线圈64并且定子冷却通道沿着电气线圈64中的一个或更多个来设置，如在图4和图5的示例中所示。
57.在该特别的示例中，定子冷却通道66包围电气线圈64中的一个或更多个。定子包括包围电气线圈64的冷却套并且冷却套可包括一个或更多个定子冷却通道。
58.线圈64可围绕定子上的齿62来布置，齿形成定子芯。在两个相邻的线圈之间，可设置有多个气体冷却通道72。气体冷却通道72因此可处于与被用于冷却定子的液体直接热交换构造中。
59.用于冷却定子的液体可以是水。冷却气体流可以是冷却空气，但是可使用其它气体。
60.转子冷却空气流90可被提供通过在转子70与定子60之间的空气缝隙。冷却空气流90因此可流动并且与转子的主动部分(例如电气线圈或永磁体)接触。在该特别的示例中，主动部分可以是永磁体。
61.转子冷却系统可包括从空气缝隙55上游与定子冷却通道接触的一个或更多个空气流通道72。
62.在图4b和图4c的示例中，若干空气冷却通道72可径向彼此相叠地布置。其可由壁73分离。在空气冷却通道内，可设置以下选项中的任何以增加空气流与通道的侧壁的接触并且由此增加从冷却液体至空气流的热传递：粗糙部、涡旋发生器、挡板、偏转器叶片(deflector vane)等。在示例中，通道可包括翅片以增加换热表面。
63.图4d略微更详细地示意性地示出了冷却套、空气流通道和冷却液体通道的布置。定子芯(的一部分)以附图标记62来表示并且在附图标记64处可见包围芯的线圈的一半。绝缘部63包围电气线圈64。绝缘部不导电或者对其具有非常高的阻抗，但是优选地相对好地导热。护套66的一侧示出与绝缘部63接触。套66导引冷却液体80。
64.图5示意性地示出了在电机中的冷却系统的结构细节。在示出的示例中，电气线圈64可具有包围定子齿的大致长方形的形状。线圈可具有两个大致平行的且直的侧面，并且在任一端部处设置有弯曲的部分。在径向机器中，弯曲的端部部分设置在一轴向端部处和在相对的轴向端部处。
65.图5示出了线圈64的端部的部分视图。冷却套66(其可包括一个或更多个用于冷却液体的通道)是相对薄的伸长体，其与线圈64而或包围线圈64的绝缘部邻近布置。冷却套例如可由铝制成。
66.冷却套可由两个薄的金属板壁形成，其在板金属壁之间具有大致恒定的间距。
67.较冷的液体在入口67处进入冷却套66。液体当其沿着线圈流动时加热并且作为被加热的液体在出口69处离开冷却套。从液体出口69，可将冷却液体供应至用于降低冷却液体的温度的冷却系统，使得其又可被再循环。在示例中，可将液体-液体换热器用于冷却该冷却液体。可将任何适合的系统用于提供冷却液体或又将冷却液体冷却。在根据本公开的示例中，因为转子冷却气体流仅由定子冷却通道(主动)冷却，不需要用于将转子冷却气体流冷却的空气-液体或空气-空气换热器。定子冷却通道可构造(尺寸设定和形状设定和布置)成使得其冷却能力足以直接冷却定子并且间接冷却转子。
68.至线圈的电连接在该图中以附图标记75,77和79来表示。冷却空气可在电连接与水连接之间的空间中自由流动。
69.空气当其沿着冷却套流动时冷却下来并且较冷的(或更冷的)空气可向空气缝隙来导引。
70.即使在这些示例中示出了冷却套，应清楚的是，可设置任何类型的液体冷却主体，例如一个或更多个管道(pipe)、管筒(tube)，或者也可使用其它导管(conduit)。
71.图6示意性地示出了用于冷却电机的另一示例。电机可以是永磁发电机。永磁发电机可具有发电机转子70和发电机定子60。发电机转子70可承载多个(排的)永磁体74。在一些示例中，多个永磁体可被包括在永磁体模块中。这样的永磁体模块可在其基部处附连至转子边缘。
72.冷却气体(例如空气)流可沿着永磁体74流过空气缝隙。在一些示例中，空气缝隙可径向布置在转子与定子之间并且冷却空气流轴向横过空气缝隙。
73.在冷却气体流到达空气缝隙之前，其可已由在定子中的液体冷却通道冷却。在该特别的示例中，可设置单个换热器主体，其布置在电气线圈64之间。单个换热器主体100在与电气线圈的热交换中并且同时在与空气通道的热交换关系中将液体冷却通道结合。
74.图7示意性地示出了用于冷却电机的又一示例。在图4和图5的示例中，液体冷却通
道被示出与电气线圈直接接触并且尤其示出为包围电气线圈的冷却套。
75.在图7的示例中，液体冷却通道替代地可设置在定子60的另一部分中。尤其地，冷却通道可设置在定子芯62中、例如在定子齿的基部中。与定子冷却通道接触的空气流通道也可设置在定子芯62中。
76.在图7的示例中，空气流通道和定子冷却通道集成在单个换热器装置100中，其可集成在定子中。
77.在本公开的一方面，提供一种风力涡轮，其包括带有多个叶片的转子和与转子操作性连接的发电机。发电机可根据本文中所公开的示例中的任何。
78.根据一方面，发电机包括发电机转子和发电机定子和在发电机转子与发电机定子之间的空气缝隙。发电机还包括定子冷却系统(其包括带有冷却液体的定子冷却通道)和转子冷却系统(其包括风扇以提供通过空气缝隙的冷却空气流)。冷却空气流在流过空气缝隙之前位于与定子冷却通道的热交换布置中。
79.在一些示例中，定子包括多个电气线圈并且还包括包围电气线圈的冷却套。然而冷却套仅仅是集成液体冷却通道的一示例。
80.在一些示例中，冷却空气流通道可布置在冷却套之间。
81.在一些示例中，冷却空气流通道和定子冷却通道可集成在单个换热器装置中。在其它示例中，冷却空气流通道可形成冷却空气装置，其是分开的但是处于与定子冷却装置相接触。
82.在一些示例中，转子冷却系统可包括用于冷却空气的闭合循环。用于冷却空气的闭合循环可以是最有效的，因为将仅需要以连续的方式过滤少量吸入空气。与定子冷却通道的热交换可提供用于冷却空气的有效冷却。
83.该书面说明使用示例以公开本发明包括优选的实施例并且还使本领域技术人员能够实践本发明包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包括的方法。本发明的保护范围由权利要求来限定并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。这样的其它示例旨在权利要求的范围之内，如果其具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果其包括与权利要求的字面语言没什么实质性区别的等同的结构元件。由不同实施例所说明的方面、以及对于各个这样的方面其它已知的等同物可根据本技术的原理通过本领域技术人员来混合和匹配以构建附加的实施例和技术。如果与附图相关的附图标记置于权利要求中的括号中，其仅用于试图提高权利要求的可理解性而不应解释为限制权利要求的范围。