专利名称：发电机端部绕组冷却的增强的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种结构，用于通过铜端部匝和/或隔离块的表面轮廓加工来增强发电机转子的冷却。
由于施加在导电体绝缘层上的温度限制，电机如大型涡轮发电机的功率输出额定值常受提供通过转子磁场绕组的附加电流的能力的限制。因此，转子绕组的有效冷却直接有助于发电机的输出能力提高。这对于转子端部区域更是如此，因为，由于这些发电机的特有结构，这些区域直接的强制冷却很困难也很昂贵。因为占优势的市场趋势要求效率更高、可靠性更高、成本更低而功率密度更高的发电机，所以，转子端部区域的冷却成为一个限制因素。
涡轮发电机转子通常由安装在转子的槽中的同心长方形线圈组成。线圈的端部部分(通常称为端部绕组)超越转子主体的支架，它们通常由一个止动环(见
图1)支承而克服转动力。在同心的线圈端部绕组之间断续地安置一些支承块，以保持相对位置和增加对轴向负载如热负载的机械稳定性(见图2)。此外，铜线圈沿径向受到在其外径上的止动环的限制，止动环抵消离心力。隔离块和止动环的存在造成暴露于铜线圈的多个冷却区域。主要冷却路径是在主轴和端部绕组底部之间沿轴向的。并且，在线圈之间由线圈、支承块的限制表面和止动环结构的内表面限定分立的空腔。端部绕组暴露于冷却剂，冷却剂由从端部绕组下方沿径向来的转动力驱动而进入这些空腔(见图3)。这种热传导往往是低的。这是因为，按照从计算流体动力分析法计算的在一个单独的转动的端部绕组空腔中的气流路线，冷却剂气流流入该空腔、通过主要循环区域和从空腔流出。通常，该循环导致低的热传导系数，特别是在靠近空腔中心处。因此，虽然这是一种端部绕组中除热的方法，但它的效率相当低。
已经使用各种方案来规定附加的冷却气体通过转子端部区域的路线。所有这些冷却方案都依靠(1)在铜导体中通过在导体中刻槽或形成通道来直接制造冷却通道，然后将气体泵抽到发电机的某些其它区域，和/或(2)利用添加挡板、气流通道和泵抽部件来产生压力相对较高和较低的区域，从而迫使冷却气体通过导体表面上方。
某些系统穿入高度受力的带有径向洞孔的转子止动环，以允许冷却气体沿转子端部绕组被直接泵吸和排入气体间隙，但是此类系统由于与止动环有关的高机械应力和疲劳寿命的考虑，用途只能有限。
如果使用传统的转子端部强制冷却方案，在转子结构上增加了相当大的复杂性和费用。例如，直接冷却导体必须机加工或制造成形成冷却通道。此外，必须提供出口管道，以便将气体排放到转子中的某个地方。该强制冷却方案要求将转子端部区域划分为分开的压力区，需要增加许多挡板、气流通道和泵抽部件，这又一次增加了复杂性和费用。
如果不使用这些强制的或直接的冷却方案，那么转子端部绕组就被动冷却。被动冷却依赖于转子的离心力和转动力来在同心转子绕组之间限定的封闭的静止的端部空腔中循环气体。转子端部绕组的被动冷却有时候也称为“自由对流”冷却。
被动冷却的优点是复杂性和费用最小，虽然当与直接冷却和强制冷却的主动系统相比时排热能力减小。进入同心的转子绕组之间的空腔的任何冷却气体必须通过同一开孔流出，因为这些空腔是以别的方式封闭的—一个典型空腔的四个“侧壁”是由同心的导体和隔开导体的绝缘块限定的，而支承端部绕组抵抗转动的止动环形成“底”(径向向外)壁。冷却气体从导体和转子主轴之间的环形空间流入。空腔中的气体循环速度低，能够流入和离开这些空间的气体量有限，因此排热受到限制。
在通常的配置中，端部区域中的冷却气体还没有完全加速到转子速度，也就是，冷却气体以部分转子速度转动。因为流体是依靠转子和流体之间的相对速度撞击而被驱入一个空腔的，所以热传导系统通常在靠近相对于气流方向为下游的隔离块处达到最高—在该处流体带着高的动量进入而流体冷却剂是最冷的。在空腔周边的周围热传导系数通常也是高的。空腔中心受到最小的冷却。
增大被动冷却系统的排热能力将增大转子的气流携带能力，从而在保持低成本、简单和可靠的构造的同时增大发电机的额定功率容量。
美国专利No.5,644,179，其供参考而引用的公开内容，描述一种方法，用于通过提高大的单个气流循环小室的气流速度来增大热传导，提高气流速度的办法是将附加的冷却气流沿同一方向直接引入自然出来的气流小室。虽然该法通过增大循环小室的强度而增加空腔中的热传导，但转子空腔的中心区仍然保留低速度和因此造成的低的热传导。角落区域内仍然同样保持低的热传导。
发明概要本发明增大从磁场部绕组的铜端部匝来的热传导率，方法是采用能产生有利于冷却端部匝的气流结构的表面机加工或预先加工。改善该区域中端部匝的冷却将有利于增大指定发电机的功率输出额定值，导致在每千瓦小时的美元值基础上改善成本。因为在令人满意的最高温度约束方面端部绕组区域通常是起限制作用的，所以该区域的改善应当产生显著的操作效能优点。
热传导率是通过增大表面积、改善表面上的紊流混合和破坏边界层及随后的重新附着来提高的。按照本发明的第一实施例，与一个平面表面相比较，机加工至少一个铜端部匝来增大其表面积。这可以通过使表面粗糙如刻槽来完成。
按照本发明的第二实施例，端部匝的表面积是通过在转子的铜端部匝区段上形成小凹坑(类似于高尔夫球表面上设置的小凹坑)来增大的。这些凹坑提高热传导率3至4倍，而造成的磨擦特性增加和总压力损失可以忽略。
按照本发明的另一特点，除了改变铜端部匝本身以外或者并不改变它们，设置在铜端部匝之间的支承块或隔离块是改变的。按照一个示范实施例，在空腔下游侧上设置的隔离块表面上安置紊流器。更确切地说，每个转子隔离块制成带有粗糙部件。这些紊流器的作用是扰动气流，导致增大紊流和杂乱的混合。结果是提高总的热传导率。
在另一个实施例中，在空腔下游侧面上的隔离块表面上形成涡流发生器。更确切地说，例如，为了从通过隔离块的冷却气流产生相干的涡流结构，在隔离块上制造三角形区段。
附图简述结合附图，仔细研究本发明目前优选的示范性实施例的下列更详细的描述，将更完全地理解和评价本发明的上述和其它目的和优点，附图中
图1是一种电机转子的端部匝区域的一部分的横截面图，该转子有一个与其成对置面对关系的定子；图2是沿图1中2-2线截取的电机转子的顶视横截面图；图3是表示流入和通过端部绕组空腔的被动气流的简图；图4是按照本发明的一个实施例例示铜端部匝带有突出的槽以增大表面积的部分透视图；图5是按照本发明的另一个实施例表示端部匝带有凹坑以增大表面积的部分透视图；图6例示本发明的一个实施例中的在下游隔离块表面上设置的紊流器；图7是设置在图6实施例中的紊流器的立面图；图8是表示下游隔离块表面上的涡流发生器的端部匝区域的横截面图；图9是图8实施例的隔离块的透视图。
发明详述参照附图，其中同一标号表示所有各图中同一部件，图1和2表示一种气冷电机的转子10，其中也包括一个围绕转子的定子12。该转子包括一个中心安置在转子主轴16上的大致圆筒体部分14，它有沿轴向对置的两端面，其一个端面的一部分18示于图1。该圆筒体部分有多个环绕间隔的沿轴向延伸的槽20，用以容纳同心排列的线圈22，后者构成转子绕组。为清楚起见，图2中仅示出5个转子线圈，虽然实现上常使用更多个。
具体地说，在每个槽中叠置多个导杆24，它们构成转子绕组的一个部分。相邻的导杆由绝缘层22隔开。叠置的导杆通常由楔形物26(图1)保持在槽中，导杆用铜之类导电材料制成。导杆24在圆筒体部分的每个对置端部处通过端部匝27相互连接，后者沿轴向延伸越过端面而形成叠置的端部绕组28。这些端部匝也由绝缘层隔开。
具体地参照图1，在圆筒体部分的每个端部处的端部匝的周围设置一个止动环30，用于使端部绕组克服离心力保持就位。该止动环固定在圆筒体部分的一端处，并向外延伸到转子主轴16上方。一个定心环32附着在止动环30的远端上。应当注意到，止动环30和定心环32可以用别的方式安装，如该技术中已知的。定心环32的内周边沿径向与转子主轴16隔开，以形成一个气体入口通道34，而端部绕组28与主轴16隔开，以形成一个环形区36。多个沿槽20形成的轴向冷却通道38通过环形区36与气体入口通道34成流体连通，以便将冷却气体传递给线圈22。
转到图2，转子10的每个端部处的端部绕组28环绕地由多个间隔件或隔离块40沿轴向隔开。(为图示清楚起见，图1中未示出隔离块。)隔离块是长形的绝缘材料块，安置在相邻端部绕组28之间的空间内，延伸越过端部绕组的全径向深度而进入环形间隙36。因此，端部匝27的同心叠置层之间的空间被分成空腔。这些空腔在顶部由止动环30限制，而在四面由相邻的端部绕组28和相邻的隔离块40限制，如图3中所示。如图1中最清楚地看到的，这些空腔的每一个通过环形区36与气体入口通道34成流体连通。一部分通过气体入口通道34进入端部绕组28和转子主轴16之间的环形区36的冷却气体因而进入空腔42，在那里循环，然后返回到端部绕组和转子主轴之间的环形区36。空气流用图1和3中的箭头表示。
在转动发电机空腔中起作用的固有泵抽作用和转动力产生一个大的单个气流循环小室，如图3中简略表示的。这个气流循环小室在靠近空腔周边处呈现其最高速度，通常由于空腔中心区内固有的低速而给中心区留下不充分的冷却。如可从图3中所见，大面积的角落区域也冷却不充分，因为气流小室的循环运动并不将冷却气流带入角落。
为了改善发电机区域端部绕组冷却效果，在本发明的一个实施例中，铜端部匝区段和/或机械隔离块被机加工或用其它方法将表面轮廓做成在其面对相邻的端部绕组空腔的一个表面上的非平面表面轮廓。这些表面变形提高紊流混合的水平，并破坏由沿表面移动的气流形成的热边界层。在每种情况下，相应的压力降将增大。但是，在冷却端部绕组区域中的收益通常产生全面的好处，它们超过增大空气阻力损失的代价。
例如，参照图4，限制冷却空腔的至少一个端部匝127的表面是至少一个机加工的或表面轮廓加工的，从而至少一个增大其表面积并产生紊流，从而改善热传导。
按照第一实施例，限制端部绕组128的端部匝127的暴露表面144、146是挤压的或机加工的，以增大其表面积。作为例子，可以通过机加工或挤压这些铜匝而限定沿端部匝127的至少一个暴露表面144、146的纵向延伸的至少一个槽148、150来增大表面积。
在另一个实施例中，如图5中所示，在限定转子端部绕组228的至少一个铜端部匝227的至少一个表面244、246中形成多个凹坑252。
可以理解，开槽和挖凹坑的实施例只不过是可以采用来改善热传导的表面轮廓加工的两个例子。实施上，可以采用增大表面积、改善表面上紊流混合和/或破坏边界层及随后重新附着的其它表面轮廓加工技术而并不偏离本发明。例如，可以形成其它形状的突出部或凹部。同时，表面轮廓加工不需要如例示的实施例所述。比如，作为另一个例子可以形成一个滚花状表面。
按照本发明的另一方面，如图6-9所示，在端部匝进行表面轮廓加工之外或作为其另一替代方法，至少设置在至少一些隔离块140的相应空腔142的下游一侧上的表面156(此后称作下游表面)进行轮廓加工，从而重新引导撞击于其上的气流。在一个目前优选的实施例中，隔离块的下游表面是通过在其上面形成至少一个气流破坏结构来进行轮廓加工的。在一个例子中，该气流破坏结构是设置在隔离块的下游表面上的紊流器158(为清楚起见，只图示一个产生紊流的隔离块)。每个紊流器158具有大体上长方形的而最好为正方形的垂直截面形状(图6)，并具有相对于转子的一个轴线倾斜的纵轴线(图7)。如上所述，可以在隔离块上设置紊流器，以代替由图4-5示范的表面机加工或轮廓加工，或作为其补充。
按照另一个例子，气流破裂结构是设置在至少某些隔离块240的表面256上的多个涡流发生器258，该表面256面向并位于对应空腔242的下游侧上。如图8中所示，每个涡流发生器258有一个大体上三角形的垂直截面，又如图9中所示，每个涡流发生器258的取向是使其纵轴线与转子10的轴线成倾斜。
虽然本发明是按照目前最实用最优选的实施例描述的，但可以理解，本发明并不限于已公开的实施例，相反，本发明预期包括处在后附的权利要求书的精神实质和范围内的各种修改和等价的配置。
权利要求
1.一种气体冷却电机，包括一个具有主体部分的转子，所述转子具有一些沿轴向延伸的线圈和限定多个沿轴向延伸而超过所述主体部分的至少一个端部的端部绕组的一些端部匝；以及位于相邻的所述端部绕组之间从而在其间限定一个空腔的至少一个隔离块；其中，至少一个所述端部匝在其面对所述空腔的表面上有一非平面的表面。
2.权利要求1的电机，其特征在于，所述表面有至少一个在其中限定的槽。
3.权利要求1的电机，其特征在于，所述表面有至少一个在其中限定的凹坑。
4.权利要求1的电机，其特征在于，限制每个所述端部绕组的多个端部匝具有非平面的表面轮廓。
5.权利要求1的电机，其特征在于，所述隔离块在其面对所述空腔的一个表面上有一非平面的表面轮廓。
6.权利要求5的电机，其特征在于，所述隔离块表面有至少一个设置在其上面的气流破坏结构。
7.权利要求6的电机，其特征在于，所述气流破坏结构包括一个紊流器结构，其垂直截面大体上为长方形。
8.权利要求7的电机，其特征在于，所述紊流器结构设置成使其纵轴线跟所述转子轴线成大于零度的角度。
9.权利要求6的电机，其特征在于，所述气流破坏结构包括一个涡流产生结构，其垂直截面大体上为三角形。
10.权利要求9的电机，其特征在于，所述涡流产生结构设置成使其纵轴线跟所述转子轴线成大于零度的角度。
11.权利要求6的电机，其特征在于，所述气流破坏结构设置在所述隔离块的周边方向的表面上。
12.一种气体冷却的电机，包括一个有一主轴和一主体部分的转子；一个转子绕组，包括设置在所述主体部分上的沿轴向延伸的线圈和沿轴向延伸而越过所述主体部分的至少一个端部的间隔的同心端部绕组，所述端部绕组和所述主轴之间限定一个环形空间；以及安置在所述端部绕组的相邻端部绕组之间从而形成多个空腔的多个隔离块，每个空腔由相邻的隔离块和相邻的端部绕组定界并向所述环形空间敞开；其中，一个所述端部绕组和一个所述隔离块的至少一个的面对空腔的一个表面有一非平面的表面轮廓。
13.权利要求12的电机，其特征在于，多个所述端部绕组的每个的至少一个面对空腔的表面具有在其中限定的至少一个槽。
14.权利要求12的电机，其特征在于，多个所述端部绕组的每个的至少一个面对空腔的表面具有在其中限定的至少一个凹坑。
15.权利要求12的电机，其特征在于，多个所述隔离块的每个的至少一个面对空腔的表面具有设置在其上面的至少一个气流破坏结构。
16.权利要求15的电机，其特征在于，每个所述气流破坏结构包括一个紊流器结构，其垂直截面大体上为长方形。
17.权利要求16的电机，其特征在于，所述紊流器结构设置成使其纵轴线跟所述转子轴线成大于零度的角。
18.权利要求17的电机，其特征在于，所述气流破坏结构包括一个涡流产生结构，其垂直截面大体上为三角形。
19.权利要求18的电机，其特征在于，所述涡流产生结构设置成使其纵轴线跟所述转子轴线成大于零度的角。
20.权利要求15的电机，其特征在于，所述至少一个气流破坏结构设置在所述对应空腔下游侧上的所述隔离块的周边方向的表面上。
全文摘要
一种气体冷却电机，包括一个转子10、一个由沿轴向延伸的线圈22和同心的端部绕组28、128、228组成的转子绕组及多个隔离块40、140、240，后者安置在相邻的端部绕组之间，从而限定多个空腔42、142、242，每个空腔由相邻的隔离块和相邻的端部绕组定界。为了提高从磁场端部绕组区域的铜端部匝27、127、227来的热传导率，端部绕组128、228的面对空腔的表面144、146、156、244、246、256和/或隔离块140、240有一非平面表面轮廓，以增大表面积，改善表面上的紊流混合，和/或使边界层破坏。
文档编号H02K3/04GK1404646SQ01805200
公开日2003年3月19日 申请日期2001年11月30日 优先权日2000年12月19日
发明者C·L·范德沃尔特, T·G·维特泽尔, E·D·贾滋恩斯基, S·A·萨拉马赫, W·N·O·图恩布尔 申请人:通用电气公司