CN1057552A - 电机定子的冷却系统 - Google Patents

Abstract

电力发电机、电动机之类的电机包括特别适用于 带走运转时在铁芯内产生热量的冷却系统。这冷却 系统最好包括多个插入铁芯叠片组的预定叠片间的、 最好由非磁性材料制成的导热叠片。导热叠片构成 一种优先固体导热通路，使在铁芯一区产生的热可传 到铁芯另一区。其导热率至少跟导热叠片是可比的 热收集器设在铁芯另一区以收集由导热叠片传来的 热。热收集器制有冷却剂通道，使在其内循环的冷却 剂液体将收集到的热量带走，从而将铁芯冷却。

Description

本申请可以视为涉及与此案同日提交的、题目为“电机转子的液体冷却”的本发明人的共同待决美国申请07/539，825（N  &  V档案号为839-70/GE公司档案号为17TU3334），该申请的全部内容通过引证清楚地结合到本申请内。

本发明一般地涉及电机、例如具有转子和定子的电力发电机、驱动电动机之类。更具体地说，本发明涉及专门适合于电机定子用的冷却系统，这种冷却系统使这种电机与具有类似的电磁构件的电机相比，能够在较低的额定温度下工作（从而能够在较高的功率密度下工作）。

旋转电机的电磁构件会产生热量，这些热量必须带走以保证电机正常工作。通常，较大的电机、诸如日用发电机或驱动电动机，都是通过将冷却剂流体导入电机定子内部来进行冷却。例如，已经采取通过将流体管道实际上装入电磁定子铁芯内并使冷却剂流体在管道内循环的方式、或者将冷却剂流体直接导入空心电导体内的方式以将冷却剂流体导入较大的电机的定子内。

较小型的电动机，诸如整数马力或分数马力电动机、或那些可以完全包封起来从而跟它们的使用环境隔离起来的较大规格的电动机，有时是让空气作为一种冷却剂流过电机外壳外面以从外部进行冷却。强制空气流流过电机外部外壳就要求有较大尺寸的空气通道，从而有碍于结构小型化。

一些可作为商品买得到的驱动机，诸如在本专利申请提交前一年多就已由通用电气公司出售的全密封式风扇冷却感应电动机，已经采用强制空气流流过电动机的外部的具有较低的热传导率的外壳以带走在内部产生的热。这些先前出售的电动机中有些也在定子铁芯内装有铜叠片以提供一条将热传导到电动机外部区域的通路。但是，正如在前面简要提到的，这些电机只配置具有较低热传导率的空气冷的外壳，因而不带有与这些铜叠片热连通的液冷的高导热率的热收集器。

用于高功率密度电机的合适的冷却系统的设计有其自身的有特别意义的问题。在这方面，通常希望有一种既要结构紧凑又要具有最大功率输出的高功率密度电机。为了将功率输出提高到最大限度，在过去已经利用了各种各样的技术，诸如通过提高磁通密度、提高导体对磁通的切割率（高频率）、和提高电流在导体中的流率等。可以理解到，所有这些技术都会在电机内部产生显著的热量，这些热量必须带走以保证正常工作。

在电机的尺寸与/或重量不是关键因素的那些情况下，总体电机结构的大部分可以用在冷却系统上（例如冷却管道和通道、外围支持设备、等等）而不会对该电机的工作特征产生有害影响。但是，在高功率密度电机中，必须将其内部构件的特定工作额定值提高到最大限度而将能用于带走热量的空间降低到最低限度。这样，需要占相当大的空间的冷却系统经常不能为高功率密度的电机所容许。这些对抗性的设计指标-即，提高功率密度/降低占用空间-在保持合理的构件使用寿命和热感生应力的容许温度方面也必须考虑。

前面所述以高速/高频发电机和由通用电气公司在本申请提交前一年多已出售的F-18型发电机为代表的高功率密度电机已经采用液冷的外部外壳以替代在定子内部的冷却剂流体通道。但是，这些现有技术发电机的电枢磁性铁芯和结构外壳的较差的热传导性能在电枢导体和冷却流体之间产生相当大的温差。这样，热传导路径限制了在一个给定的最大容许内部温率了的条件下能够带走的热量。其结果是冷却系统的低效率限制了可能实现的功率密度。

因此，需要一种能够使电机的输出功率提高到最高限度而有助于电机小型化的冷却系统。

概括地说，本发明的对象是特别适合于诸如电力发电机、电动机之类的电机的定子的冷却系统，通过这种冷却系统使电磁定子铁芯在工作过程中所产生的热量能够有效地带走。本发明的冷却系统以实际上放置在电机的电磁铁芯内的、固体（很可能是非磁性的）的径向设置的热传导通路的形式实施在“低轮廓”结构中，也就是在占用最小空间的条件下实现其预期功能的结构。此外，这些固体径向冷却通路沿着电机的铁芯的纵向轴线相互间隔开设置并且跟具有与固体径向冷却通路基本上相同的热传导特性的流体冷却的热收集器热传导连通。

固体径向冷却通路由一种具有比形成电机的电磁定子铁芯的材料好得多的热传导特性的材料制成。例如，如果铁芯是由常规的磁性硅钢制成，则固体热传导通路就可由铜制成。但是，具体材料的选择，要取决于特定最终使用条件所要求的具体工作特性。这里所说的已足够令那些熟悉本专业技术的人员能够根据本发明来选择电磁定子铁芯和固体径向热传导通路的材料。

本发明的冷却系统最好是与具有许多同轴压紧地层叠的环形铁芯叠片的电磁铁芯结合使用[由于这些环形铁芯叠片是由较薄（例如厚度典型地约为0.014英寸的电磁性金属（例如硅钢）片材坯料采用冲床和冲模制造技术制出，它们在本专业的行话中有时候就称为“冲片”]。因此这些固体热传导通路就由许多同样构形的（例如同样的环状几何形状和厚度的）、但热传导性高得比较多的片状金属叠片构成，这些叠片设置在形成电磁定子铁芯的预先确定的相应的相邻铁芯叠片对之间。

热收集器最好以一个与热传导叠片的外周边边缘热传导接触的大致为管状的套筒的形式出现。对本发明来说，重要的是，这种热收集器是由具有与热传导叠片相比至少是可比的（或更好的）高热传导率的材料制成。最好的是，这种热收集器是由与热传导叠片同一种高热传导率的材料制成。此外，这种热收集器是由在热收集器内形成的通道内循环的冷却剂流体进行流体冷却的。

这样，这种热传导叠片就构成一个良好的热传导固体通路，从而在定子铁芯的一个（内部的）区域内所产生的热就可以传导到设置了热收集器的定子铁芯的另一个（外部的）区域内。这样，所传导的热就由热收集器有效地收集起来，因为热收集器和热传导叠片具有基本上相同的热传导特性。通过热收集器的冷却剂流体循环将从热收集器那里将收集到的热带走并从而冷却了电磁定子铁芯。

此外，热传导叠片与磁性铁芯叠片相比，相对来说是薄的。根据本发明，就是说热传导叠片是足够薄的，因此垂直于叠片平面的磁通将不会产生添加的热量。热传导叠片的厚度最好跟铁芯叠片的厚度同等级或相同（或小一些）。

因此，较薄的热传导叠片将使装有本发明的电机可以在高频电磁场下工作而不会产生显著的添加热量和功率损耗。也就是说，较薄的非磁性热传导叠片具有对在平行于叠片的平面内进入铁芯的磁通、也就是跨过转子和定子之间的空气隙的基本磁通来说是小截面的优点。在这些较薄的热传导叠片内产生的、主要是发生在靠近转子的这些叠片的最内侧边缘处的涡流和产生的添加热量将被减至最小，在此处磁通沿轴向分布穿过空气隙进入定子的磁性铁芯叠片。但是，一旦磁通进入磁性定子铁芯叠片内，它就会与非磁性热传导叠片相平行，这样就不会因此而产生更多的添加热量。

在对下面的详细描述进行细心研究之后，本发明的另外的方面和优点就更为清楚了。

下面将参照附图进行描述，在各个附图中同样的标号表示同样的结构元件，其中：

图1  是一个可采用本发明的冷却系统的有代表性的电力发电机的示意图;

图2  是图1所示的电力发电机所用定子的示意剖切透视图，特别示出本发明的冷却结构。

附图1  示意地示出一个可以有利地采用本发明的冷却结构的电力发电系统10。但是，应当理解到，图1所示的系统10只是代表一个可以体现本发明的冷却结构的电机的特别优选的结构形式。因此，本发明的冷却结构可以实施在实际上任何具有需要散热的转子和定子的电机、例如电驱动电动机之类的电机上。

图1  所示的电力发电系统10一般包括有一个涡轮机部分12（该部分可以有利地由增压流体、例如蒸汽来提供动力）、一个齿轮箱装置14（它可以包括齿轮减速器和功率传递机构）、和一个电力发电机16（它响应性地产生电功率）。众所周知，电力发电机16包括一个转子20（经过轴21耦合到齿轮箱装置14以按预先选定的方向绕其纵向轴线22旋转，和一个环绕着转子20设置的定子24。

齿轮箱装置14不是绝对需要的，而且当发电机16属于高速/高频品种时，这个装置实际上是不希望要的。在这种情况下，发电机16最好直接耦合到涡轮12上。

热收集器26套装在电磁定子铁芯24上并在其内形成多个冷却剂流体通道28。这些通道28又与冷却剂进口30和冷却剂出口32流体连通，使冷却剂流体能够在通道28内循环，从而将传导到热收集器26上的热带走。为了增强发电机16的冷却，转子20也可以配置冷却剂流体的循环流动系统，如在上面引述的共同待决的美国专利申请（N  &  V挡案号为839-70/GE档案号为17TU3334）中所更详细地描述的。

图2  中示出定子24的更详细的部分剖视图。如图中所示，定子24包括一个许多相对于纵向轴线22（见图1）彼此邻接接触同轴层叠的铁芯叠片（其中一些在图2中以标号34表示）组成的电磁复合铁芯。根据本发明，具有相对较高热传导性能的叠片36（跟铁芯叠片34相比）按选定的轴向隔开的间隔（即沿轴线22）插入预先选定的相邻的铁芯叠片对34之间。

图2  所示的热传导叠片36基本上按等间隔插入在铁芯叠片34之间，例如每第n个铁芯叠片34之间插入一个热传导叠片36。但是，特别是在沿铁芯24的轴向长度上存在需要特殊冷却考虑的局部区域的情况下热传导叠片36也可以按不等间隔插入铁芯24内。此外，在需要特殊冷却情况下，可以在相邻铁芯叠片34之间插入多于一片的热传导板36以应需要。

用于一个给定的电机的热传导叠片36的总数是要达到所要求的电机工作特性的一个最佳数值选定的问题。例如，确定在复合定子铁芯24中，每9片由一片大约0.014英寸厚的硅钢片制成的铁芯叠片34便加入一片由一片大约0.014英寸厚的薄铜板制成的热传导片36（即10%铜热传导叠片/90%硅钢铁芯叠片），则复合铁芯24的热传导性将是单纯由硅钢铁芯叠片34构成的铁芯24的两倍（即，其热流阻力将减半）。

复合铁芯24（即，由电磁铁芯叠片34和具有较高热传导性的叠片36一起构成的铁芯）形成有许多面向转子20的纵向伸展的线圈槽40。线圈槽40容纳磁场线圈组件42a，42b及其所带的绝缘层。线圈组件42a、42b通过相应的横向楔块44保持在其应有位置上。

热收集器26必须具有至少跟热传导叠片36可相比的（或更好的）热传导性能。热收集器26最好是由跟在定子铁芯24内的热传导叠片36一样的具有相对较高的热传导性材料制成。例如，热传导叠片36和热收集器26都可以便利地用铜制成。或者，热收集器26和热传导叠层36可以用不同的材料制成，只要这些不同的材料具有基本上可相比的热传导特性（例如，分别由铝和铜制成）。特定材料的选择可以由熟悉本专业技术的人员根据所要求的热传导工作特性来进行。

热收集器26可以又被发电机16的外部结构外壳46包围着。在这方面，热收集器26将包括许多纵向间隔开的槽道，这些槽道跟外部结构外壳46共同形成相对于定子铁芯24周向地伸展的冷却剂流体通道28。或者冷却剂流体通道28可以全部形成在热收集器26内。

在复合定子铁芯24和热收集器26之间的热接触最好是通过过盈配合来实现。也就是把热收集器26的内径做成略小于复合定子铁芯24的外径。然后将热收集器26加热使之膨胀并套在铁芯24上。在冷却后，热收集器26的略小的内径将跟铁芯24内的热传导叠片36的最外边缘形成过盈配合。

在使用中，在铁芯24的靠近转子20的内部区域内产生的热（例如，由线圈组件42a，42b所产生的热）将优先地朝着具有相对较高热量传导性能的叠片36传导。热量随着将径向传导通过叠片36并传到热收集器26上。由热收集器26收集到的热量接着又传递到在通道28内循环的冷却剂流体并被带走。这样，沿着固体的热传导通路36连续地优先传导到热收集器26上的热能将通过冷却剂流体被连续地带走。铁芯24就这样地被有效地冷却。

由于冷却剂流体跟载流线圈是在实际上隔离开的，具体的冷却剂流体的选择就根据方便性、可资应用性、热工作性能与/或与其接触的材料的相容性来决定。不过，冷却剂流体最好是液体，水是特别值得推荐的。

上面描述的本发明产生几个优点。例如，相对较高热传导性能的叠片36可以采用与制造铁芯叠片34相同的技术来制造，例如通过使用冲床和冲模组来对合适厚度的金属板材进行冲制、用激光或者用电火花加工来切割金属薄板坯件来制成。叠片34和36可以利用常规的铁芯装叠技术进行组装。因此，生产复合铁芯24并没有多少（即使是有的话）特殊措施要考虑，从而将成本降到最低。

虽然，本发明的冷却系统在上面具体联系跟一个电机（例如发电机16）的定子结合的使用来进行描述，但应当理解到，这种描述只代表本发明的一种特定的优选实施例。因此，如果认为合乎要求与/或需要的话，本发明的工作原理可实施在电机的转子上。

因此，尽管本发明结合目前认为是最可行的和优选的实施例进行了描述，但应当理解到本发明并不局限于所公开的实施例，与此相反，本发明的意图是要覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种改进型和相当的装置。

Claims (10)

1、一种电机，它包括一个转子、一个具有磁性铁芯的定子、和一个用于冷却所述定子的冷却系统，其特征在于所述冷却系统包含有：

构成多个沿所述铁芯的纵向轴线彼此隔开设置的、具有预先选定的热传导率的径向配置的固体的热传导通路以沿径向优先地将热从所述铁芯的内部区域传导到其外部区域的装置；

环绕着所述铁芯与所述外部区域热传导连通以收集通过所述固体热传导通路从所述铁芯的内部区域传导来的热的壳体装置；和

一种由上述壳体装置构成的、用于使冷却剂液体能够循环通过其间并带走所述收集到的热、从而使所述铁芯得到冷却的流体冷却剂通道。

2、按权利要求1所述的电机，其特征在于所述壳体装置具有与所述固体热传导通路的所述预先选定的热传导率相比是至少基本上可比的或更好的热传导率。

3、按权利要求1所述的电机，其特征在于所述磁性铁芯由许多由磁性材料制成的、同轴地层叠的铁芯叠片构成，所述固体热传导通路包括许多由具有所述预先选定的热传导率的材料制成的非磁性热传导叠片，所述热传导叠片插入在所述铁芯叠片组的预定的叠片之间。

4、按权利要求3所述的电机，其特征在于所述许多热传导叠片按相等间隔插入在所述铁芯叠片组的预定的叠片之间。

5、按权利要求3所述的电机，其特征在于所述许多热传导叠片按不等间隔插入在所述铁芯叠片组的预定的叠片之间。

6、按权利要求4或5所述的电机，其特征在于几个所述热传导叠片同轴地相互紧靠着设置并插入在所述铁芯叠片组的预定的叠片之间。

7、按权利要求1所述的电机，其特征在于所述固体热传导通路是非磁性的。

8、按权利要求1或7所述的电机，其特征在于每个所述固体热传导通路和所述壳体装置都是由同一种非磁性材料制成的。

9、一种冷却具有电磁铁芯的类型的电机的方法，它包括：

建立多个沿所述铁芯的纵向轴线彼此间隔开设置的并使热能够从铁芯的一个区域沿径向优先地传导到其另一区域的、具有预先选定的热传导率的径向配置的固体的热传导通路;

在铁芯和热收集器之间建立热传导连通以使沿所述固体热传导通路径向优先地传导的热收集在热收集器上;和

将冷却剂流体循环通过热收集器，以从热收集器那里带走收集到的热。

10、按权利要求9所述的方法，其特征在于它还包括制成由许多同轴地层叠的磁性铁芯叠片组成的电磁铁芯，并将许多建立所述固体热传导通路的非磁性热传导叠片插入在所述铁芯叠片组的预定叠片之间。

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