專利名稱:外轉子水冷凸極同步電機的制作方法
本發(fā)明是一種水內冷凸極同步電機，包括水內冷凸極同步發(fā)電機和水內冷凸極同步電動機。
通常的中小型水輪發(fā)電機組都帶有一個相當龐大的飛輪，借助這一飛輪增加電機內轉子的轉動慣量，使電機穩(wěn)定運行。飛輪由兩個大型座式軸承座支撐。
為了增大發(fā)電機組的轉動慣量，在電機制造的發(fā)展過程中曾有人制成容量為數百千瓦級的立式外轉子水輪發(fā)電機及臥式外轉子發(fā)電機。這兩種外轉子發(fā)電機組不帶有飛輪，其冷卻方式采用風扇冷卻。由于僅用風冷，解決發(fā)電機的散熱問題較為麻煩。加上其中臥式外轉子發(fā)電機的內定子直接固定于埋在底座的笨重的懸臂梁上，其結構也顯得很不合理，同時，除了增大轉動慣量外并無其他優(yōu)點等因素，限制了外轉子發(fā)電機的推廣使用，所以在國際上至今使用外轉子發(fā)電機的為數甚少。而甚有發(fā)展前途的外轉子水冷同步電機至今無人研制過。
本發(fā)明的任務在于設計一種采用中國發(fā)明的電機水內冷技術，結構合理，具有實用價值的容量一般不超過800千瓦的中小型外轉子水冷凸極同步電機。
本發(fā)明的外轉子水冷凸極同步電機是充分論證了其制造和使用上的經濟性之后綜合各種同步電機的先進技術進行設計的。圖1為一個外轉子臥式水冷凸極電機的剖視圖。圖中1為主軸，2-支座，3-內定子套筒，4-內定子繞組，5-內定子，6-擋風板，7-激磁繞組，8-外轉子磁極，9-外轉子鋼圈，10-軸承，11-無刷勵磁裝置。這種電機的外轉子可由原先的飛輪改裝而成，外轉子的激磁繞組〔7〕可采用無刷勵磁。激磁繞組〔7〕的冷卻方式可根據電機容量的大小采用既有水冷又有風冷散熱或只用風冷散熱。
外轉子的激磁繞組〔7〕所用的導線可用矩形空心銅導線與實心鋁導線并聯后外加絕緣層的并聯導線。當電機的容量較小時可只用實心鋁導線。
當電機容量不超過200千瓦時，外轉子可只用風冷散熱，由于電機運行時磁極〔8〕的扇風作用，可使擋風板〔6〕中間空隙處自然進風，經過兩相鄰磁極〔8〕間的空間、電機氣隙，至靠近二極管一側的外轉子鋼圈〔9〕上一組徑向圓孔處出風。該組圓孔數可以是4個或6個或更多個。
當電機容量較大時，外轉子的激磁繞組〔7〕除上述自行通風冷卻外，需加外轉子水冷卻系統(tǒng)〔L1〕進行冷卻。這一水冷卻系統(tǒng)〔L1〕由主軸〔1〕非拖動端處所裝的進出水頭進水，流經裝在主軸〔1〕軸心處的進水管，流經近主軸〔1〕另一端的集水環(huán)，流經多根進水絕緣水管，流經多根并聯焊在激磁繞組〔7〕的空心銅導線上的進水銅導水管，流經激磁繞組〔7〕的空心銅導線，流經多根并聯焊接在激磁繞組〔7〕的空心銅導線上的出水銅導水管，流經多根并聯的出水絕緣水管，流經靠近進水集水環(huán)的出水集水環(huán)，流經主軸〔1〕軸心處的出水管，至進出水頭的出水口流出。
電機內定子〔5〕的三相繞組用空心銅導線繞成，銅導線可用正方形截面，每槽最好布置一上一下的兩根串聯空心銅導線，或二上二下地布置4根串聯空心銅導線，或更多的導線。但應使內定子繞組〔4〕的渦流效應引起的附加損耗不超過定子繞組基本銅耗的15%。必要時可采用長方形空心銅導線。此時導線的中空最小尺寸應不小于2.5毫米。內定子繞組〔4〕每極每相串聯的諸匝在拉型時即形成串聯以減少聯接繞組時的焊頭。
電機內定子繞組〔4〕的水冷卻，可從每相的中點進水，每相的兩端出水，或由三相的中點進水，從三個相端出水。電機內定子繞組〔4〕的通電通水方式可根據具體情況而定。
外轉子水冷凸極同步電機的水冷卻網如圖2所示。圖中a為水泵，b-冷卻器，c-水箱，L1-外轉子水冷卻系統(tǒng)，L2-內定子水冷卻系統(tǒng)。水泵〔a〕可裝在主軸〔1〕的端部，由主軸〔1〕直接拖動。當主軸〔1〕轉速較低時，水泵〔a〕可裝在他處，由原動機拖動。由水泵〔a〕、內定子繞組〔4〕與激磁繞組〔7〕并聯成的機內水路、冷卻器〔b〕的中空銅管以及水箱〔c〕構成水冷卻網。當水泵〔a〕轉動時即從水箱〔c〕中吸出冷卻水，加壓后從水泵〔a〕打出后分為二路一路進入外轉子水冷卻系統(tǒng)〔L1〕，另一路進入內定子水冷卻系統(tǒng)〔L2〕;從〔L1〕及〔L2〕流出的水匯合后經過水冷卻器〔b〕的中空銅管回到水箱〔c〕之中完成一個循環(huán)。水泵不停轉動，冷卻水不斷地循環(huán)，完成了電機的散熱。電機水冷卻網中的水可用去離子水。冷卻器〔b〕夾套內的水可用大壩的水。
本發(fā)明的外轉子水冷凸極同步電機，可用作發(fā)電機，也可用作電動機，同已有的同步電機相比具有如下優(yōu)點1.與空氣冷卻的立式外轉子水輪發(fā)電機相比本發(fā)明采用水內冷技術，可節(jié)省原材料，減小尺寸;激磁繞組可采用鋁線，可節(jié)省銅材。同時可提高電機的效率1～4%，減少通風量，減少噪音，降低炎熱季節(jié)廠房中的溫度。
2.與空氣冷卻的一般臥式水輪發(fā)電機組相比，其優(yōu)點是可省去一個大飛輪和二個軸承座，節(jié)約了大量鋼材，顯著地減輕重量，減小機組軸向尺寸，利于運輸及縮小廠房面積，減輕吊車設備負荷等，對于邊遠地區(qū)及山區(qū)更為有利。
外轉子的空間較內轉子寬暢得多，可多布置激磁繞組而減少激磁損耗。激磁繞組可用鋁線或用部分鋁導線代替銅線。由于在長度相等的條件下，單位重量的鋁線的電阻比銅線電阻減少一半，因而可節(jié)省大量的銅材，還可減少激磁損耗，提高發(fā)電機的效率1～4%。
外轉子電機能提高定子硅鋼片的利用率。因為內轉子電機定子繞組只能布置在硅鋼圓片的內側，而外轉子電機定子繞組則布置在硅鋼圓片的外側。若兩種電機的定子齒槽深度，定子軛高相同，以及內外轉子布置定子繞組的硅鋼片的內外徑相同時，則外轉子電機的定子硅鋼片有較小的內徑，內轉子電機的定子硅鋼片有較大的外徑。因而，當定子硅鋼片的軸向長度相等時，外轉子電機的定子硅鋼片重量較小，可節(jié)省硅鋼片。在相同的磁密下，外轉子電機的軛部鐵耗也較小。
由于磁極、激磁繞組和阻尼繞組等在電機旋轉時所生的離心力都由外轉子的鋼圈來承擔。該鋼圈的機械強度較高，利于解決水輪發(fā)電機在承受飛逸轉速下的運轉考核問題。
由于采用了水冷，定子鐵心可不用通風槽，在同樣有效鐵心長度下，可多用硅鋼片，使每極磁通增大，從而可少用定、轉子繞組銅線，導線的通電損耗可相應減少。
一般低壓電機由于電流大，定子繞組常用細分并聯導線，用了很多股線絕緣，使槽滿率降低。本發(fā)明主要用于低壓電機，每槽有效串聯空心銅導線數一般為二根或四根，因而槽滿率較高，有利于提高電機的材料利用率，利于減少從定子鐵心到空心銅導線之間的熱阻，使定子鐵耗產生熱量大部分可由定子銅導線中的水流帶走。
本電機定子銅耗和鐵耗所生熱量可由水帶走。對于容量較大，激磁損耗也較大的電機，外轉子繞組也可用水內冷帶走其激磁損耗的熱量，可使電機通風量大為減少，可利用磁極本身的扇風作用來散熱，不需要專用的風扇，從而簡化電機的結構并減少通風噪音。
可降低炎夏時廠房中的溫度。
3.具有同現有的水內冷發(fā)電機共同的優(yōu)點。其冷卻方式各不相同。把水內冷技術用于中小型外轉子電機屬于國內外首創(chuàng)。
實施例容量為100千瓦，功率因數為0.8，線電壓為400伏，轉速為每分1000轉的外轉子水冷凸極同步發(fā)電機。
其內定子及外轉子的主要參數為內定子鐵心外徑為493毫米，內定子鐵心內徑為280毫米，內定子鐵心有效長度為220毫米;外轉子鋼圈外徑為900毫米，外轉子鋼圈內徑為780毫米，外轉子鋼圈軸向長度為380毫米;氣隙長度為2毫米。定子繞組空心銅線的尺寸為5.5×6.5-2.5×3.5毫米。
根據計算，所需材料為1.內定子用銅量為20.8公斤，2.外轉子激磁繞組用鋁量為36.53公斤，3.內定子鐵心硅鋼片重量為152公斤;其短路比為1.006;其效率為94%。
外轉子激磁繞組損耗為1.731千瓦，每個磁極損耗為0.2885千瓦，可由自行通風冷卻。
定子繞組水內冷可用軸上水泵作為水循環(huán)的動力。
權利要求
1.一種外轉子水冷凸極同步電機。其特征是該電機由含有一個用水冷卻的外轉子、一個用水冷卻的內定子[5]、以及一個水冷卻網構成。
2.按照權利要求
1所說的電機的外轉子，其特征是該外轉子含有一個水冷卻的激磁繞組〔7〕、一個自行通風系統(tǒng)和一個外轉子水冷卻系統(tǒng)〔L1〕。
3.按照權利要求
2所說的外轉子激磁繞組〔7〕，其特征是該激磁繞組〔7〕可用矩形空心銅導線與矩形實心鋁導線并聯后外加絕緣的導線繞制而成，也可用實心矩形絕緣鋁導線繞制。
4.按照權利要求
2所說的外轉子自行通風系統(tǒng)，其特征是該通風系統(tǒng)由于磁極〔8〕扇動提供風壓，由磁極〔8〕一側的擋風板〔6〕與內定子套筒〔3〕間的空隙進風，經過磁極〔8〕間隙和電機氣隙，至磁極〔8〕另一側分布在外轉子鋼圈〔9〕上n個徑向圓孔出風而形成。該圓孔數n可以是4，或者6，或者更多。
5.按權利要求
2所說的外轉子水冷卻系統(tǒng)〔L1〕，其特征是該系統(tǒng)〔L1〕內水流途徑為主軸〔1〕非拖動端的進出水頭的進水管進水，流經主軸〔1〕軸心處的進水管，流經主軸另一端處的進水集水環(huán)，流經多根并聯的進水絕緣水管，流經多根并聯焊在激磁繞組〔7〕的空心銅導線上的進水銅導水管，流經激磁繞組〔7〕的空心銅導線，流經多根并聯焊在激磁繞組〔7〕的空心銅導線上的出水銅導水管，流經多根并聯的出水絕緣水管，流經靠近進水集水環(huán)的出水集水環(huán)。流經主軸〔1〕軸心處的出水管，至進出水頭的出水口流出。
6.按照權利要求
1所說的電機內定子〔5〕，其特征在于內定子〔5〕采用兩端支撐法支撐及裝有一個水冷卻系統(tǒng)〔L2〕。
7.按照權利要求
6所說的內定子支撐方式，其特征是除利用內定子套筒〔3〕將一端固定于支座外，另一端通過軸承〔10〕支撐在電機主軸〔1〕上。
8.按照權利要求
6所說的內定子〔5〕的水冷卻系統(tǒng)〔L2〕，其特征是該系統(tǒng)內的冷卻水流經定子繞組〔4〕的中空銅導線。
9.按照權利要求
1所說的電機的水冷卻網，其特征是該水冷卻網由水泵〔a〕、外轉子水冷卻系統(tǒng)〔L1〕與內定子水冷卻系統(tǒng)〔L2〕并聯的水路、水冷卻器〔b〕的中空銅管以及水箱〔c〕等串聯組成。
10.按照權利要求
9所說的水泵〔a〕，其特征是水泵〔a〕可安裝在主軸〔1〕上，由主軸〔1〕直接拖動供水。
11.按照權利要求
10.所說的水，其特征是一般采用去離子水。
專利摘要
外轉子水冷凸極同步電機屬中小型水內冷電機。在中小型電機中采用外轉子結構和水內冷技術，結構緊湊、減輕重量、節(jié)約原材料，提高電機效率1-4％。
文檔編號H02K19/00GK85100560SQ85100560
公開日1986年8月27日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者鄭光華 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan