專利名稱：電機(jī)轉(zhuǎn)子的液體冷卻的制作方法
本申請(qǐng)涉及與此申請(qǐng)同時(shí)提交的、已共同轉(zhuǎn)讓的同時(shí)待決申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)07/539，829，該申請(qǐng)名稱為“電機(jī)的定子冷卻系統(tǒng)”(Stator Cooling System For Electrical Machinery)(G.E.公司擋案號(hào)為17TU-3333，律師事務(wù)所擋案號(hào)為839-68)，該申請(qǐng)的整個(gè)內(nèi)容通過(guò)引證請(qǐng)楚地結(jié)合在本申請(qǐng)內(nèi)。
本發(fā)明總的涉及諸如發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。更詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明涉及這類電機(jī)的轉(zhuǎn)子的液體冷卻的方法和裝置。
諸如發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是公知的，而且長(zhǎng)期以來(lái)是作為商品出售的。眾所周知，這類電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在能量損耗，這種能量損耗是由其各種電機(jī)構(gòu)件內(nèi)所產(chǎn)生的熱能或熱量表現(xiàn)出來(lái)的。對(duì)于這樣的電機(jī)的許多高功率、重負(fù)載的實(shí)施例，還需要積極地帶走這種熱量以保證正常工作。
最常見的情況是旋轉(zhuǎn)部件(即“轉(zhuǎn)子”部件)利用空氣或一些其它氣體進(jìn)行冷卻，因?yàn)榕溲b所需的氣體冷卻管道是比較簡(jiǎn)單的。但是，在高功率密度電機(jī)中，由于通向電機(jī)內(nèi)部的氣體冷卻管道以及通向熱交換器之類的外部氣體管道帶來(lái)很大的容積，這就損害了電機(jī)要求體積小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這樣，對(duì)許多電機(jī)(例如，高速發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī))來(lái)說(shuō)，用液體冷卻轉(zhuǎn)子部件是特別合適的。
由于發(fā)生的熱量大部分通常是由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)繞組導(dǎo)體的焦耳熱形成的，所以有些現(xiàn)有技術(shù)的方法采用直接設(shè)在一個(gè)或多個(gè)繞組導(dǎo)體內(nèi)的液體冷卻劑通道。但是，本專業(yè)技術(shù)的人員將會(huì)理解到，當(dāng)液體冷卻劑被引導(dǎo)跟電導(dǎo)體實(shí)體接觸時(shí)，則該液體冷卻劑必須起絕緣體的作用。例如，過(guò)去曾采用去離子水。然而，維持適當(dāng)?shù)娜ルx子水平的冷卻劑(例如水)供源所需要的相關(guān)輔助設(shè)備就會(huì)使這種方法顯著地喪失了吸引力。
另外的現(xiàn)有技術(shù)的方法是采用在繞組槽內(nèi)跟電導(dǎo)體進(jìn)行熱傳導(dǎo)、而同時(shí)仍然跟這些導(dǎo)體電絕緣的冷卻劑通道。例如，可將一冷卻管設(shè)置在繞組槽的底部并通過(guò)散布在繞組槽內(nèi)的絕緣導(dǎo)體內(nèi)和絕緣導(dǎo)體之間的各種傳熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱傳導(dǎo)。但是，本申請(qǐng)人所知的這種型式的現(xiàn)有技術(shù)的方法局限于采用液體軸承潤(rùn)滑劑作為冷卻劑材料(即，因?yàn)槔鋮s劑傳送通道要通過(guò)軸承潤(rùn)滑劑供給通道)。由于這種潤(rùn)滑油冷卻劑的熱性能不是最佳的，在這種先有技術(shù)例子中就需要在冷卻劑通道內(nèi)設(shè)置內(nèi)部傳熱片(這樣就增加了成本、復(fù)雜性、壓力降、空間系數(shù)等)。
當(dāng)然，除了磁場(chǎng)繞組的焦耳熱之外，還有各種熱源導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱，這也是人們公知的。例如，在轉(zhuǎn)子極體的磁路內(nèi)的感生渦流會(huì)使極體本身產(chǎn)生焦耳熱(這種極體通常具有一定的導(dǎo)電性，即使是僅在疊片轉(zhuǎn)子的單片疊片內(nèi)也是如此)。此外，如果轉(zhuǎn)子跟周圍大氣通氣，則在轉(zhuǎn)子的外表面上仍然會(huì)存在相當(dāng)大的風(fēng)阻或空氣摩擦熱源。
在高功率密度的電機(jī)中，采用各種方法來(lái)把功率輸出提高到最大值。例如，可以提高磁通密度與/或提高磁通的切割率(例如通過(guò)較高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或較高的電頻率)。也可以提高在繞組導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)的電流的密度。但是，這樣的最大地利用材料和空間必然會(huì)加劇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部發(fā)熱。
由于轉(zhuǎn)子繞組的電絕緣要受到一個(gè)受限制的溫度額定值的限制，電機(jī)構(gòu)件的有效工作溫度通常要對(duì)電機(jī)的極限總功率額定值給定一個(gè)極限值。此外，在電機(jī)構(gòu)件中的熱感生應(yīng)力可以達(dá)到很嚴(yán)重的程度(當(dāng)工作溫度很高或者不均勻分布時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不平衡的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng))。
當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊性是一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)(通常是這樣)時(shí)，很明顯，只有很小的電機(jī)體積用于冷卻通道。然而在一般常規(guī)的電機(jī)設(shè)計(jì)中，特定的電機(jī)體積和重量不受嚴(yán)格限制，因而稍為大一些的氣體流管道和傳熱表面仍是容許的。這樣，絕大部分發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)采用空氣冷卻轉(zhuǎn)子，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和制造簡(jiǎn)單。在轉(zhuǎn)子需要更有效地冷卻時(shí)(例如，在大型發(fā)電廠公用發(fā)電機(jī)中)通常也可以采用環(huán)境空氣以外的其它氣體(例如氫氣)。
通常，設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是以最小數(shù)量的、布置得很好的最小尺寸的冷卻劑通道來(lái)提供足夠的冷卻能力以便充分地冷卻所有的轉(zhuǎn)子構(gòu)件。對(duì)于較高功率密度的電機(jī)，由于分布開的內(nèi)發(fā)熱源產(chǎn)生的較大的和更大量的熱，這就需要更有效地從所有構(gòu)件將熱帶走。這樣，液體冷卻帶來(lái)的較小體積的流動(dòng)區(qū)更具有吸引力。
前面已提到過(guò)，先前的高功率密度發(fā)電機(jī)已經(jīng)采用了液體冷卻轉(zhuǎn)子，但是，現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然具有相當(dāng)大的改進(jìn)余地，其原因上面都已提到過(guò)(包括對(duì)所采用的冷卻劑的選擇具有較大的靈活性，從而使冷卻劑可以根據(jù)熱特性、可資應(yīng)用性和特定應(yīng)用條件來(lái)進(jìn)行選擇)。
根據(jù)近期一系列的詳細(xì)熱性能計(jì)算，人們已發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子損耗中有比先前設(shè)想的為大的一部分實(shí)際上是磁極損耗(例如，跟繞組損耗相比)。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子極體的渦流損耗與/或風(fēng)阻損耗占轉(zhuǎn)子總損耗的相當(dāng)大的部分。這種損耗代表在轉(zhuǎn)子極體的徑向最外部分的發(fā)熱源。
關(guān)于這些研究，發(fā)明人也曾發(fā)現(xiàn)一種在電機(jī)的液體冷卻轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體冷卻劑通道和熱傳導(dǎo)通路的更為最佳化的結(jié)構(gòu)方案。
更詳細(xì)地說(shuō)，除了通常的主要跟轉(zhuǎn)子電繞組進(jìn)行熱傳導(dǎo)的液體冷卻通道之外，本發(fā)明提供了主要跟轉(zhuǎn)子極體進(jìn)行熱傳導(dǎo)的冷卻劑通道。這種添加的冷卻劑通道最佳地設(shè)置成使之也跟一些跟設(shè)置在繞組槽內(nèi)的冷卻劑通道距離較遠(yuǎn)的一些電導(dǎo)體進(jìn)行一些熱傳導(dǎo)(經(jīng)過(guò)磁極體本身)。這樣，由本發(fā)明提供的添加的冷卻劑通道不僅對(duì)較高的磁極損耗提供直接控制，它們還有助于更好地控制繞組損耗。通常，這種最佳位置設(shè)置在徑向上在轉(zhuǎn)子外表面和在繞組槽內(nèi)的冷卻劑通道的位置之間。
本發(fā)明的示范實(shí)施例的總的結(jié)構(gòu)方案可以看作是在一個(gè)凸極交流電機(jī)的每個(gè)極級(jí)內(nèi)具有“兩路”冷卻劑流，(盡管本申請(qǐng)并不局限于此種特定的電機(jī)類型)。冷卻劑流的一“路”是通過(guò)線圈槽本身的常規(guī)“路”。磁場(chǎng)繞組的散熱通過(guò)設(shè)置在線圈導(dǎo)體之間并與冷卻劑通道接觸的高導(dǎo)熱傳熱片和楔塊而得到增強(qiáng)。冷卻劑的第二或折回“路”通過(guò)磁極體來(lái)散逸來(lái)自磁極外表面的熱(例如，由渦流損耗和風(fēng)阻損耗所產(chǎn)生的熱)。
如果用一個(gè)軸裝旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)(或勵(lì)磁機(jī))來(lái)給主旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)繞組供給勵(lì)磁功率，則本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)成同時(shí)冷卻該交流發(fā)電機(jī)。例如，該旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)可以裝到一個(gè)部份掏空的心軸上以使冷卻劑通過(guò)該部分心軸，(例如，在通向在轉(zhuǎn)子極體和繞組槽內(nèi)的冷卻劑通道的路徑中)。這樣，在旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱就可以優(yōu)先地徑向朝內(nèi)地傳導(dǎo)到該心軸并通過(guò)該心軸傳到冷卻劑通道。這樣的徑向朝內(nèi)的熱傳導(dǎo)通路可以通過(guò)裝設(shè)高導(dǎo)熱性能的端板以及分散插入在交流發(fā)電機(jī)的疊片磁芯內(nèi)的高導(dǎo)熱性能的非磁性疊片得以改進(jìn)。例如，在申請(qǐng)人的上述引證的共同待決的和相關(guān)的申請(qǐng)中請(qǐng)求保護(hù)的一些技術(shù)可以用于這個(gè)目的。
本發(fā)明提供了一種用于電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻裝置，這種冷卻裝置從所有已知的產(chǎn)生熱的構(gòu)件有效地帶走熱量，從而有助于保持更能接受的工作溫度(尤其在較高功率密度的電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中)。用于電機(jī)內(nèi)部的冷卻劑通道最好應(yīng)占用最小的體積(外部支持設(shè)備，例如熱交換器、泵、過(guò)濾器等也應(yīng)是這樣)。
冷卻劑的選擇最好是具有足夠的靈活性，使它可以只根據(jù)所要求的熱性能、可資應(yīng)用性和對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的適宜性來(lái)確定，這種選擇只受跟用在該系統(tǒng)中的流動(dòng)通道材料的總的相容性所限制(而不是由于任何跟電導(dǎo)體的電接觸或跟軸承潤(rùn)滑油之類的共同通路的原因)。
本發(fā)明給較高功率密度的電機(jī)提供了提高的熱性能、提高的可靠性和最小的復(fù)雜性。特定的應(yīng)用可以包括，例如船用發(fā)電機(jī)、航天用的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、浮動(dòng)工作平臺(tái)的發(fā)電機(jī)，或者任何要求具有最小的電機(jī)占空體積和重量而不損害可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合。
通過(guò)仔細(xì)研究下面的結(jié)合附圖對(duì)當(dāng)前優(yōu)選的示范實(shí)施例的詳細(xì)描述，將會(huì)對(duì)本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)有更完全的領(lǐng)會(huì)和理解，在附圖中

圖1示意地示出本發(fā)明的第一示范性實(shí)施例，其中，在轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)液體冷卻劑流道相互在徑向上偏置并與在一根部分掏空的中央心軸內(nèi)的、經(jīng)過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)液體傳送聯(lián)接裝置供給的液體冷卻劑供應(yīng)通道并聯(lián)流體連通;
圖2是另一個(gè)實(shí)施例的示意部分視圖，其中，在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)在徑向上偏置的液體冷卻劑通道串聯(lián)連接;
圖3A和圖3B分別是另一示范性實(shí)施例的俯視圖和側(cè)視圖，其中，液體冷卻劑流徑與經(jīng)過(guò)一個(gè)部分掏空的中央心軸和設(shè)置在與轉(zhuǎn)子主構(gòu)件的一端軸向間隔開的歧管系統(tǒng)構(gòu)成的冷卻劑輸入/輸出連接裝置(最好是處于任何勵(lì)磁機(jī)線圈構(gòu)件與轉(zhuǎn)子主構(gòu)件之間)串聯(lián)連接;
圖4是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子本體的徑向截面，示出一個(gè)示范性兩路冷卻系統(tǒng);和圖5示出通過(guò)圖4所示的同一轉(zhuǎn)子本體的一個(gè)軸向截面，并示出兩路平行流結(jié)構(gòu)。
圖1示意地示出的液體冷卻裝置用于一個(gè)也具合適的定子結(jié)構(gòu)14和一中央驅(qū)動(dòng)心軸16的電機(jī)12(例如發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī))的轉(zhuǎn)子10。此處所描述的示范應(yīng)用涉及一種凸極型的高速、高功率密度轉(zhuǎn)子，但是此構(gòu)思并不局限于這一種結(jié)構(gòu)。
如果該電機(jī)是一個(gè)發(fā)電機(jī)，則它合適地沿圖1中由箭頭18示意地示出的方向來(lái)驅(qū)動(dòng)(例如由汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)加上合適的聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng))。如果采用軸裝交流發(fā)電機(jī)20(例如對(duì)轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)繞組供給勵(lì)磁功率)，它也可以由同一個(gè)液體流系統(tǒng)進(jìn)行冷卻(例如，通過(guò)徑向伸展的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)22將所產(chǎn)生的熱徑向向內(nèi)傳導(dǎo)到液體冷卻劑24流過(guò)的心軸18的部分掏空部分)。
在高速AC電機(jī)中，在幾個(gè)部分出現(xiàn)發(fā)熱源由在轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)繞組中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的焦耳熱;由電樞繞組感生的高頻諧波渦流在轉(zhuǎn)子表面上產(chǎn)生的熱;和由于轉(zhuǎn)子的高周邊速度引起的空氣摩擦發(fā)熱(例如，如果該電機(jī)跟周圍大氣相通的話)。此外，如上所述，如果采用交流發(fā)電機(jī)20，則該電機(jī)也是一個(gè)發(fā)熱源。液體冷卻劑24的冷卻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠從所有發(fā)熱源帶走熱量并在轉(zhuǎn)子的所有部分在其預(yù)期的高功率密度的運(yùn)作過(guò)程中保持可容許的工作溫度。
液體冷卻劑的固有熱特性允許液體冷卻劑的通道比氣體冷卻劑的通道小一些。同樣地，外部管道26和熱交換器、泵等28在一個(gè)全液體系統(tǒng)中占據(jù)較小的空間。如果液體冷卻劑不與外露的電導(dǎo)體(即沒(méi)有絕緣的部分)直接接觸，則液體冷卻劑的介電特性不會(huì)影響任何選擇標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果用水作為轉(zhuǎn)子的液體冷卻劑，它就不需要去離子。因此，設(shè)置去離子系統(tǒng)的空間和費(fèi)用都省下來(lái)了(例如，與在導(dǎo)體里通過(guò)的冷卻水必須采用去離子水的許多常規(guī)轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)相比較)。
圖1所示系統(tǒng)不僅將冷卻劑流體通道在電氣上與電導(dǎo)體隔離，而且還將它們與轉(zhuǎn)子潤(rùn)滑系統(tǒng)(即軸承油)隔離。因此，在圖1的示范實(shí)施例中的冷卻劑液體的選擇可以嚴(yán)格地根據(jù)特定應(yīng)用要求的熱性能和熱適應(yīng)性進(jìn)行。
對(duì)于變速的應(yīng)用場(chǎng)合，在外部泵送的冷卻劑流(例如，在合適的冷卻系統(tǒng)控制裝置32控制下的泵30)是特別有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)槠淞髀士梢栽谂c轉(zhuǎn)子速度基本上無(wú)關(guān)的條件下進(jìn)行控制(與自泵送氣冷轉(zhuǎn)子顯著不同)。
如圖1示意地示出，轉(zhuǎn)子10總體來(lái)說(shuō)是一個(gè)可圍繞著中心軸線40旋轉(zhuǎn)的、基本上是圓柱形的構(gòu)件。在此示范實(shí)施例中，軸向伸展的流體通道50、52主要是跟在繞組槽內(nèi)的繞組進(jìn)行熱傳導(dǎo)。在此示范實(shí)施例中，軸向伸展的液體冷卻劑通道60、62主要是與轉(zhuǎn)子10的磁極體進(jìn)行熱傳導(dǎo)。如圖1示意地示出，與磁極體進(jìn)行熱傳導(dǎo)的液體通道60、62典型地設(shè)置在相對(duì)于繞組槽液體冷卻劑通道50、52的徑向外側(cè)(例如，為了更好地與諸如渦流和風(fēng)阻損耗那樣的磁極損耗相適應(yīng))。
如圖1的示范實(shí)施例所示，軸向伸展的冷卻劑通道50、52通過(guò)徑向伸展的輸入/輸出通道70、72與軸向伸展的液體冷卻通道60、62流體并聯(lián)連通。這些連接通道70、72還與形成在驅(qū)動(dòng)心軸16的部分掏空部分內(nèi)的中央集中連接的液體通道液壓連通。
一股輸入液體冷卻劑流90(例如，來(lái)自受控泵30的輸出)按這樣的方式經(jīng)過(guò)一個(gè)常規(guī)的旋轉(zhuǎn)液體傳送聯(lián)接裝置80流入驅(qū)動(dòng)心軸16的右側(cè)部分內(nèi)。這個(gè)輸入流最終通過(guò)徑向伸展的輸入通道70流向軸向伸展的通道50、52和60、62的輸入側(cè)。然后這個(gè)并聯(lián)連接的和分隔開的流徑隨著通過(guò)徑向伸展的輸出通道72重新聚合，流入環(huán)狀空心心軸通道92內(nèi)，從而將輸出液體冷卻劑流92供到熱交換器28a和28b(跟另一種合適的冷卻介質(zhì)96進(jìn)行熱交換，這對(duì)本專業(yè)技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)是很清楚了解的)。
對(duì)一種如圖1所示的流過(guò)轉(zhuǎn)子主體的兩路冷卻劑流來(lái)說(shuō)，冷卻劑通道分布在線圈槽(磁場(chǎng)繞組熱在此處產(chǎn)生)和磁極體(高頻渦流發(fā)熱和風(fēng)阻損耗可以在此處從磁極面上帶走)之間。這種布置方案將冷卻劑通道放置在最靠近各種分立發(fā)熱源的部位，從而比起常規(guī)的、冷卻劑只流過(guò)線圈槽的單一冷卻通道結(jié)構(gòu)(例如，像現(xiàn)有技術(shù)中那樣)，大大降低了熱傳導(dǎo)溫度梯度。
在圖1的示例中，每個(gè)極槽有一個(gè)通道，并且有一個(gè)第二冷卻劑通道通過(guò)該同一級(jí)的磁極體(環(huán)繞著轉(zhuǎn)子10周向間隔開設(shè)置N個(gè)磁極，在每個(gè)相鄰間隔開設(shè)置的磁極體之間設(shè)有一個(gè)線圈繞組槽)。但是，在每個(gè)流“路”上也可以采用多個(gè)較小的和更立體化分布的通道。
流路安排可以采用圖1中所示的并聯(lián)連接的通道50和60?；蛘呷鐖D2所示，液體冷卻劑流路可以這樣來(lái)構(gòu)形，使兩通道通過(guò)在一個(gè)端部裝設(shè)一返回歧管連接裝置100形成串聯(lián)連接。在任一種情況中，在心軸16的驅(qū)動(dòng)端18的對(duì)面端采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)流體傳送聯(lián)接裝置80以將冷卻劑導(dǎo)入心軸的掏空端并在通過(guò)流體冷卻管路之后從轉(zhuǎn)子排放出去。
現(xiàn)在還應(yīng)理解到，根據(jù)特定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事先考慮到的發(fā)熱源和轉(zhuǎn)子熱點(diǎn)分布，流向可以顛倒過(guò)來(lái)或者從示范實(shí)施例所示的安排在空間上進(jìn)行偏置。
此外，如果采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)或勵(lì)磁機(jī)20，可以將它安裝在一個(gè)有冷卻劑流過(guò)其中的空心軸段上，因此被液體冷卻劑所冷卻(可以通過(guò)前面所述的合適的徑向伸展的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)使勵(lì)磁機(jī)的熱量向冷卻劑排出)。
在圖1中將軸向伸展的液體冷卻劑通道50、42和60、62連在一起的徑向伸展的通道70、72可以通過(guò)在實(shí)心轉(zhuǎn)子心軸上適當(dāng)?shù)劂@孔來(lái)形成(隨著將鉆出的孔進(jìn)行合適的端部堵塞，例如通過(guò)焊接)。如果需要(例如在層疊式轉(zhuǎn)子情況下)，可以將合適的管子嵌件裝入這樣的通道中。
如果不希望在轉(zhuǎn)子10本身上進(jìn)行徑向鉆孔，則可以采用圖3A和圖3B的實(shí)施例。此處軸向伸展的液體通道200和202(這些通道可以非常方便地鉆入轉(zhuǎn)子10內(nèi))通過(guò)在心軸16的被驅(qū)動(dòng)端的一個(gè)U形通道204進(jìn)行串聯(lián)連接。在這一結(jié)構(gòu)方案中，軸向伸展的通道的所有輸入/輸出流體連接裝置都可以設(shè)置在轉(zhuǎn)子10的主體的外部。
例如，如圖3A和圖3B中示意地所示，掏空心軸通道的連接裝置可以通過(guò)設(shè)置在勵(lì)磁機(jī)20和轉(zhuǎn)子10的一端之間的一個(gè)合適的歧管塊體204構(gòu)成。塊體204包括在串聯(lián)連接的軸向伸展的通道200、202的端部和各空心軸通道之間流體連通的各通道，這些通道又依次跟常規(guī)的旋轉(zhuǎn)液體傳送聯(lián)接裝置80(如在圖1的實(shí)施例中所示)流體連通。
在圖4的示意剖視圖中，更細(xì)節(jié)地示出了一個(gè)典型的凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10。例如，N個(gè)周向間隔開設(shè)置的、導(dǎo)磁的極體300中的其中幾個(gè)被示出帶有插入設(shè)置的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)繞組線圈槽302。在圖4中可清楚地看出，軸向伸展的液體冷卻劑通道50設(shè)置在繞組槽302的徑向最內(nèi)端。跟通道50的熱傳導(dǎo)主要是由絕緣電導(dǎo)體繞組304通過(guò)導(dǎo)熱的(例如銅)傳熱片結(jié)構(gòu)306、308、310和312(包括一個(gè)壓配到軸向伸展的冷卻劑通道50的外面的管狀包裹構(gòu)件314)進(jìn)行的。導(dǎo)熱楔塊316和318(例如非導(dǎo)磁的鋁)也有助于保證在繞組槽302內(nèi)的絕緣電繞組304跟傳熱片306、308、310、312、314和流體通道50之間有良好的熱連接。
徑向伸展的輸入通道70也用虛線在圖4中示出(應(yīng)當(dāng)理解到，通道70的徑向外端-即在軸向伸展的冷卻劑通道60之外的部分-應(yīng)在鉆孔工序后進(jìn)行合適的堵塞)。如圖4所示，這些通道70經(jīng)過(guò)空心心軸16跟冷卻劑供給裝置連通。
如前所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)到相當(dāng)大一部分的熱是由在轉(zhuǎn)子周邊上(例如在圖4中的箭頭400所指的部位)的磁極損耗產(chǎn)生的。當(dāng)然也知道，顯著的發(fā)熱源是電繞組導(dǎo)體304產(chǎn)生的焦耳熱。通過(guò)合宜地在極體300內(nèi)設(shè)置添加液體通道60(這樣就首先與極體300進(jìn)行熱傳導(dǎo))，就可以有效地控制磁極損耗發(fā)熱源。與此同時(shí)，由于在徑向最外端的導(dǎo)體304不是緊密地與冷卻劑通道50相接合，還有一些熱從這些最外端導(dǎo)體經(jīng)過(guò)極體的側(cè)壁傳導(dǎo)到冷卻劑通道60。最好是將通道60最佳化地設(shè)置以使來(lái)自周邊400的熱和從相鄰繞組槽302進(jìn)入極體的熱的結(jié)合得到最大的復(fù)合熱傳導(dǎo)。
這樣，這圖4中所示，在其相關(guān)極體內(nèi)的冷卻劑通道60是用以消散來(lái)自轉(zhuǎn)子周邊400(例如高頻諧波電流和風(fēng)阻)的熱以及從磁場(chǎng)線圈304通過(guò)極體300的側(cè)表面?zhèn)鱽?lái)的熱。當(dāng)然，冷卻劑管50也是設(shè)置在線圈槽302內(nèi)，帶有裝在其上的306等的傳熱片組件以主要帶走磁場(chǎng)線圈304內(nèi)所產(chǎn)生的熱。
圖5中所示的軸向截面基本上自身能說(shuō)明問(wèn)題，圖中使用已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的標(biāo)號(hào)。可以看出，冷卻劑通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)流體傳送聯(lián)接裝置80進(jìn)入空心心軸16的非驅(qū)動(dòng)端，并分開到槽冷卻劑管50和極體通道60。在對(duì)面一端，冷卻劑流體重新進(jìn)入空心心軸16，各流路重新融合。在空心心軸內(nèi)部整個(gè)輸入和輸出流道90、94用本專業(yè)人員清楚的合適的液流分離裝置分開。
這樣，在圖5的示范實(shí)施例中，冷卻劑通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)流體傳送聯(lián)接裝置80進(jìn)入轉(zhuǎn)子，并沿軸向流經(jīng)空心心軸16流向冷卻劑歧管(例如徑向伸展的、并可能有些是軸向伸展的在內(nèi)部鉆出的輸入/輸出歧管通道70、72)。進(jìn)入流90通過(guò)裝設(shè)在空心心軸16內(nèi)的常規(guī)環(huán)形分流裝置跟出口流94分開。當(dāng)然，出口流通過(guò)共用流體傳送聯(lián)接裝置80排出。
對(duì)于示出的示范實(shí)施例，假定轉(zhuǎn)子可由一實(shí)心鍛件制成，而該鍛件又可以通過(guò)鉆孔直接形成極體流體通道。實(shí)心鍛件提供一個(gè)在發(fā)熱源與冷卻劑之間的固體的連續(xù)導(dǎo)熱通路。但是，諸如安裝在心軸上的磁性疊片結(jié)構(gòu)這樣的其它結(jié)構(gòu)也是可行的。對(duì)于疊片結(jié)構(gòu)，可將冷卻劑管插入極體內(nèi)的孔中以裝納冷卻劑流體。在任一種情況下，可以在軸上鉆出多組徑向孔以將流體引出進(jìn)入轉(zhuǎn)子本體并將其排出返回空心心軸內(nèi)。
在此示出的兩路流路系統(tǒng)和凸極結(jié)構(gòu)(例如，在本示例中設(shè)定每條“路”只有一條冷卻劑通道)中，所形成的冷卻劑通道的數(shù)目等于磁極N的數(shù)目加上線圈槽的數(shù)目(例如，N)。但是，已經(jīng)指出過(guò)，每個(gè)流“路”也可有多條通道。
在線圈槽302中的冷卻劑通道由放置在槽302在徑向靠?jī)?nèi)的部分的管子50構(gòu)成。該管子跟冷卻劑歧管液壓連通，這些歧管可以是實(shí)心心軸的一個(gè)增大直徑的整體部分，在這部份上含有一組徑向的輸入和輸出孔(在轉(zhuǎn)子表面上鉆出的孔的所有最初是外露的端部可以隨后進(jìn)行焊封以形成流體通路)。冷卻劑管子50通過(guò)高導(dǎo)熱率的傳熱片306等跟在槽302里的磁場(chǎng)線圈304進(jìn)行熱傳導(dǎo)，這些傳熱片306等通過(guò)楔塊316、318(也是用諸如鋁這樣的高導(dǎo)熱率材料制成的)緊緊壓靠著絕緣磁場(chǎng)線圈導(dǎo)體。磁場(chǎng)線圈304是由每個(gè)導(dǎo)體上所帶的常規(guī)絕緣物進(jìn)行電絕緣的。如圖4所示，傳熱片組件緊密地環(huán)繞著冷卻劑管子50配裝著。
實(shí)心轉(zhuǎn)子鍛件的在磁極體300內(nèi)的冷卻劑通道60可以簡(jiǎn)單地由一個(gè)跟圖5所示的穿通空心軸中心孔的徑向鉆出的孔70、72相交的連續(xù)的鉆孔構(gòu)成。這些徑向和軸向的鉆孔的最外端在鉆孔之后都要堵死(如前面提到的)以便正確地形成最終的液體通道。軸向伸展的孔60的徑向位置可以進(jìn)行最佳化選定，使其盡可能靠近轉(zhuǎn)子周邊、從而將高頻渦流和風(fēng)阻所產(chǎn)生的熱以及從磁場(chǎng)線圈通過(guò)極體兩側(cè)橫向傳來(lái)的熱帶走。
磁場(chǎng)線圈導(dǎo)體都是由電絕緣物包圍著，這些絕緣物給工作溫度帶來(lái)一個(gè)熱極限。這樣，將線圈熱流通路對(duì)兩個(gè)冷卻劑通道流50、60會(huì)比單獨(dú)用任何一個(gè)單一通道更好地解除局部熱點(diǎn)并產(chǎn)生更均勻的溫度。
對(duì)于并聯(lián)流的實(shí)施，輸入和輸出歧管可設(shè)置在圖5所示的心軸的相對(duì)的端部。
對(duì)于串聯(lián)流的實(shí)施例(例如，圖3A和圖3B)，進(jìn)口和出口兩組孔可以在一個(gè)公共歧管204內(nèi)通過(guò)在其間設(shè)一合適的分流裝置以在軸向上錯(cuò)開設(shè)置。線圈槽管子50與形成連續(xù)流通道的冷卻劑歧管液壓連通。冷卻劑流在通過(guò)徑向進(jìn)入孔之后轉(zhuǎn)為軸向并進(jìn)入設(shè)置在每個(gè)線圈槽302內(nèi)的冷卻劑管子50。在此串聯(lián)流實(shí)施例中，冷卻劑流在從位于轉(zhuǎn)子10的本體的相對(duì)一端的管子排出來(lái)之后折回，并通過(guò)在極體300內(nèi)的通道60重新進(jìn)入一個(gè)第二路。
該折回結(jié)構(gòu)可以以很多種方式構(gòu)成。例如，軸向冷卻劑管子50、60可以稍微超出磁性轉(zhuǎn)子10的主體的長(zhǎng)度，在該處通過(guò)一個(gè)“U”形接頭形成一個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，從而導(dǎo)致冷卻劑流通過(guò)在磁極體300內(nèi)的一個(gè)軸向孔重新進(jìn)入轉(zhuǎn)子。進(jìn)口孔最初可以設(shè)置在磁場(chǎng)線圈的徑向下方(例如，在極體300的底部)以使之能接近轉(zhuǎn)子本體。通過(guò)簡(jiǎn)單的進(jìn)一步鉆孔(徑向與軸向的相交孔)，極體冷卻劑通道60可以在較大的半徑部位上制出以取得最佳化的取位。作為一個(gè)簡(jiǎn)單“U”形接頭連接裝置的替代方案，槽冷卻劑管子50的輸出可以接到一個(gè)除了不需要設(shè)置進(jìn)入心軸中心孔的徑向孔之外、跟接到輸入端的歧管一樣的類似的心軸輸出歧管上。這樣，冷卻劑流進(jìn)入歧管僅僅為了再導(dǎo)入排放管，使冷卻劑流折回到轉(zhuǎn)子10的本體內(nèi)。
雖然僅對(duì)本發(fā)明的少數(shù)幾個(gè)示范實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但熟悉本專業(yè)技術(shù)的人員將會(huì)理解到，可以對(duì)這些實(shí)施例做出許多變型和改進(jìn)，同時(shí)還保存著本發(fā)明的許多新穎的特征和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這些變型和改進(jìn)都應(yīng)包括在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)可圍繞一中心軸線旋轉(zhuǎn)并包括有N個(gè)沿周向間隔開設(shè)置的導(dǎo)磁極體的圓柱形轉(zhuǎn)子的電機(jī)，這些導(dǎo)磁極體在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于感生渦流而產(chǎn)生熱量，其特征在于所述電機(jī)包含有至少一個(gè)設(shè)置在至少一個(gè)所述極體內(nèi)部并與由渦流產(chǎn)生的所述熱進(jìn)行熱傳導(dǎo)的液體冷卻劑通道；和一個(gè)跟所述液體冷卻劑通道流體連通以在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將液體傳送到所述冷卻劑通道和從所述冷卻劑通道傳出的可旋轉(zhuǎn)液體傳送聯(lián)接裝置。
2.按權(quán)利要求1的電機(jī)，其特征在于每個(gè)極體包括有至少一個(gè)所述液體冷卻劑通道。
3.按權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子包括有一個(gè)設(shè)置在每個(gè)極體之間并從轉(zhuǎn)子的周邊徑向向內(nèi)伸展的磁場(chǎng)線圈繞組槽;和另一個(gè)設(shè)置在每個(gè)所述繞組槽內(nèi)并與也設(shè)置在其內(nèi)的電繞組進(jìn)行熱傳導(dǎo)的液體冷卻劑通道。
4.按權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子包括有一個(gè)構(gòu)成一對(duì)液體通道并在所述液體傳送聯(lián)接裝置的流體輸入/輸出口與所述液體冷卻劑通道的進(jìn)口/出口端之間通過(guò)所述各徑向伸展的流體連接通道流體連通的至少是部分空心的中央心軸。
5.按權(quán)利要求4的電機(jī)，其特征在于還包含有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)線圈勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)，此發(fā)電機(jī)裝在所述空心中央心軸上旋轉(zhuǎn)并與中央心軸進(jìn)行熱傳導(dǎo)以在冷卻劑流過(guò)其間時(shí)將從交流發(fā)電機(jī)發(fā)生的熱徑向傳送到空心中央心軸上。
6.一種冷卻一個(gè)電機(jī)的方法，這電機(jī)具有一個(gè)可圍繞一條中心軸線旋轉(zhuǎn)的并包括有N個(gè)沿圓周間隔開設(shè)置的、在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于感生渦流而產(chǎn)生熱量的導(dǎo)磁極體的圓柱形轉(zhuǎn)子，其特征在于所述方法包含在至少一條主要與所述極體和所述由渦流產(chǎn)生的熱進(jìn)行熱傳導(dǎo)的通道內(nèi)泵送液體冷卻劑，并將冷卻劑泵送通過(guò)該至少一條通道。
7.按權(quán)利要求6的方法，其特征在于冷卻劑被泵送通過(guò)在每個(gè)極體內(nèi)的通道。
8.按權(quán)利要求6的方法，其中轉(zhuǎn)子包括有一個(gè)設(shè)置在每個(gè)極體之間并從轉(zhuǎn)子周邊徑向向內(nèi)伸展的磁場(chǎng)線圈繞組槽，該方法還包含將所述液體冷卻劑泵送通過(guò)另一條設(shè)置在每個(gè)所述繞組槽的徑向最內(nèi)部分并主要與也是設(shè)置在該繞組槽內(nèi)的電繞組進(jìn)行熱傳導(dǎo)的通道。
9.按權(quán)利要求7的方法，其特征在于包括將所述冷卻劑并聯(lián)地泵送通過(guò)所述最先提到的液體冷卻劑通道和所述另一條液體冷卻劑通道。
10.按權(quán)利要求6的方法，其特征在于還包括將熱從旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)線圈勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)徑向傳送到一個(gè)空心中央心軸，并將所述泵送的液體冷卻劑流通過(guò)該中央心軸送入轉(zhuǎn)子內(nèi)的所述液體冷卻劑通道并從那里送出。
全文摘要
至少一個(gè)液體冷卻劑通道設(shè)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的至少一對(duì)極體內(nèi)。液體冷卻劑通道傳導(dǎo)由在轉(zhuǎn)子極體徑向最外部的渦流與/或風(fēng)阻產(chǎn)生的熱。一個(gè)旋轉(zhuǎn)液體傳送聯(lián)接裝置與液體通道流體連通，在電機(jī)工作過(guò)程中將液體冷卻劑傳入傳出冷卻劑通道。最好在轉(zhuǎn)子的N個(gè)周向隔開設(shè)置導(dǎo)磁極體中每個(gè)設(shè)一液體冷卻劑通道。最好也設(shè)置主要跟在典型轉(zhuǎn)子每一線圈槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行熱傳導(dǎo)并跟極體液體冷卻劑通道并聯(lián)或串聯(lián)流體連通的添加液體冷卻劑通道。
文檔編號(hào)H02K9/19GK1057551SQ9110398
公開日1992年1月1日 申請(qǐng)日期1991年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月15日
發(fā)明者埃米爾·D·扎津斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司