专利名称：油冷却的发电机的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种在发电机中使用的冷却对策。
背景技术：
发电机通常包括一个轴，该轴被驱动而旋转并携带多个磁极线圈和/或永久磁 铁。该发电机还可用于驱动诸如用于冷却该发电机或系统的其他构件的液压泵。该泵可连 通冷却油使其返回至该发电机，以将该发电机保持在理想的运行温度。用于分配冷却油的不同的冷却方案，可用于不同类型的发电机。例如，具有多于4 极的发电机具有大量的末端绕组区，可将冷却油喷射在其上，以从发电机移除热量。(即，冲 击冷却方案)。在具有4极或更少的极的发电机中，具有较少的线圈末端绕组区，因而冲击冷却 是无效的。在这种情况下，可使用流体冷却方案，在该方案中，线圈被包含在外壳体内并且 提供冷却油至该壳体的一端，以向外流动并随后围绕线圈流动。然而，流体冷却需要坚固的 壳体结构，以容纳由壳体内的冷却油流的离心力产生的相对高压。此外，对于具有短线圈长 度和大直径的发电机而言，该压力将更大并需要大且昂贵的容纳结构。
发明内容
用于发电机的示范的叠层包括具有包围外接开口的环形部分的转子叠层主体、相 对于开口中心从环形部分向外延伸的多个极部分以及邻接于多个极部分中的相应部分的 多个线圈绕组区域。环形部分包括在开口中心和多个线圈绕组区域中的至少一个之间延伸 的至少一个通道。用于发电机的示范的端板包括具有第一侧面和第二侧面的端板主体。第一侧面包 括绕着第一侧面而周向地间隔开的多个线圈末端绕组覆盖部以及在第一侧面和第二侧面 之间延伸并周向地位于其中两个线圈末端绕组覆盖部之间的至少一个流体排放出口。用于发电机的线圈绕组的示范的绝缘体包括伸长的绝缘主体，该绝缘主体具有包 围内部线圈绕组区域并跨越在开口末端之间的电绝缘材料。该伸长的绝缘主体包括位于开 口末端之间的流体进入孔。用于发电机的示范的转子轴包括第一轴，该第一轴具有包围空心内部的第一轴壁 并具有延伸穿过第一轴壁的第一流体排放孔。第二轴位于空心内部之内并与第一轴联接， 使得第一轴和第二轴能够共同旋转。第二轴包括第二轴壁和延伸穿过第二轴壁的第二流体 排放孔。第一排放孔和第二排放孔轴向地间隔开。在发电机中可包括叠层、转子轴、端板以及绝缘层，以用于将冷却流体连通至发电 机的线圈绕组。
通过以下详细地说明目前优选的实施例，本发明的各种特征和优势对于本领域的技术人员而言将变得清楚。伴随着该详细说明的附图可被简要地描述如下。图1显示了示范的发电机。图2显示了在发电机的转子芯中使用的示范的叠层。图3显示了在发电机的线圈绕组上使用的示范的绝缘体。图4A显示了发电机的端板的内表面的视图。图4B显示了发电机的端板的外表面的透视图。图4C显示了在发电机中使用的端板的侧视图。图5显示了通过该发电机的转子的冷却油的流。图6显示了位于发电机中的线圈绕组的端部上的冲击冷却发电机油流。
具体实施例方式图1显示了示范的发电机10的局部剖视图，其也被称为动力发电机。例如，发电 机10可以为高速、变频、4极的发电机，该发电机用于起动燃气涡轮机并在由涡轮机驱动时 产生电流。在所示的实施例中，发电机10包括在定子14附近转动的转子12或芯。励磁转 子16和永磁转子18以已知的方式提供控制和安全功能，而且与其自身的定子(未显示) 相关。转子12可在轴承20a和20b上旋转。发电机10的驱动输入部22包括用于选择性地驱动转子12的离合部件24。离合 部件24和驱动输入22的方面可在序列号为12/436159的共同未决的专利申请中找到，该 专利申请于2009年5月6日提交，题名为“高速发电机的解耦轴”。发电机10还可包括由 转子12驱动的转子齿轮(未显示)，该转子齿轮在序列号为12/436190的共同未决的申请 中被公开，该申请于2009年5月6日提交，题名为“发电机的转子齿轮”。示范的发电机10采用了用于保持所需的运行温度的双模冷却方案。该冷却方案 提供了穿过线圈绕组70的例如油的冷却流体流和位于线圈绕组70的末端区域上的冷却流 体的冲击流。如下所述，发电机10的构件被设计成向线圈绕组70的中心位置提供冷却流 体，以及位于线圈绕组70的末端的作为冲击流的冷却流体的喷射。仅利用端匝冲击冷却的 发电机可能具有多于4个的极以及约为0. 64的长度对直径的比例。仅利用流体冷却的发 电机可能具有少于4个的极以及约为1. 13的长度对直径的比例。然而，本公开的实施例的 4极发电机10可能有中间的长度对直径的比例，例如约为0. 77+/-0. 05。单独使用流体冷 却可能需要坚固的结构和增加的费用，而由于相对低的端匝面积，单独使用冲击冷却将可 能不提供足够的冷却。然而，发电机10的双模冷却方案提供了一种有效的、紧凑的冷却布 置。转子12包括多个堆叠的叠层30，该叠层安装成在转子轴组件32上转动。还参照 图2，该堆叠的叠层30包括至少一个叠层40，该叠层适合于连通来自转子轴组件32的冷却 流体。该叠层40可位于该堆叠的中心。作为备选，该叠层40可位于中心的一侧或另一侧， 或者多个叠层40可与不连通来自转子轴组件32的冷却流体的叠层一起使用。在本实施例 中，叠层40包括具有环形部分44的主体42，该环形部分44包围开口中心46。多个极部分 48a-d相对于该开口中心46而从环形部分44向外延伸。多个线圈绕组区域50定位成与多 个极部分48a-d邻接。环形部分44包括在开口中心46和相应的线圈绕组区域50之间延 伸的多个通道52。在该情况下，环形部分包括8个通道52 ；然而，可根据具体应用的需要而使用额外的通道52或较少的通道52。发电机包括通道52的数量对发电机10的极的数量 的比例。在该实施例中，比例是2，然而，通道的数量和极的数量可变化，使得比例在1和2 之间。各个通道包括开口端54a和54b、侧壁56以及底壁58。通道52可以均具有这样 一种轮廓或横截面，该轮廓或横截面具有弯曲的侧壁56和/或底壁58。各个通道52的顶 表面敞开，当叠层40堆叠于邻近的叠层时，形成了闭合的通道，且末端54a和54b打开。叠层40还包括减重开口 62。减重开口 62可与邻近的叠层的减重开口对齐。减重 开口 62可设计成叠层40和叠层30的堆叠保持所需级别的强度。线圈绕组70缠绕在叠层30的堆叠的极上，包括叠层40的极部分48a_d。在这种 情况下，各个线圈绕组70至少部分地被容纳于绝缘体72中。各个线圈绕组70可具有两个 绝缘体72，各自位于该绕组的每侧。还参照图3，绝缘体72通常是将线圈绕组70与发电机10中的金属结构绝缘的电 绝缘体。例如，绝缘体可由例如聚酰亚胺的聚合材料形成。绝缘体72包括伸长的绝缘主体 74，该绝缘主体通常包围内部线圈绕组区域76，线圈绕组70的至少一部分穿过该内部线圈 绕组区域而延伸。该伸长的绝缘主体74跨越在开口末端78a和78b之间，并包括位于开口 末端78a和78b之间的流体进入孔80。在本实施例中，该流体进入孔80位于伸长的绝缘主体74的长度的中间的三分之 一 79之内，以均勻地分配冷却流体。孔80沿着不平行于绝缘主体74的长度方向的方向81 伸长，其中，绝缘主体74跨越在开口端78a和78b之间。堆叠的叠层30和线圈绕组70安装成在转子轴组件32上进行旋转，该转子轴组件 包括联接在一起以共同旋转的内轴90和外轴92。内轴90联接于选择性地接合转子12的 离合部件24。外轴92包括空心的内部和至少一个孔94a，该孔通过叠层40的通道52而将 冷却油连通至线圈绕组70。在所示的实施例中，外轴92包括与叠层40的8个通道52轴向 地对齐的8个孔94a。外轴92还包括与孔94a轴向地间隔开的额外的孔94b。孔94b与线 圈绕组70的末端轴向地对齐，以提供冷却流体的冲击流，这将在下面详细地讨论。转子轴 组件32例如还可包括向轴承20a或20b供应冷却流体的其他孔。内轴90与用于连通来自液压泵等的冷却流体的流体输送管98连通，以冷却转子 12。转子轴组件32和流体输送管98的方面可在序列号为12/436161的共同未决的专利申 请中找到，该专利申请于2009年5月6日提交，题名为“具有改进的空心轴的发电机转子”。内轴90包括至少一个孔100a，该孔用于将从液体输送管98接收的冷却流体排放 至外轴92的空心的内部。内轴90还包括轴向地位于第一排放孔IOOa的下游的另一个排放 孔100b。这些孔交错以减小轴应力。在本实施例中，内轴90包括6个孔IOOa和IOOb (显 示了 2个)，然而，内轴90可包括额外或更少的孔。转子轴组件32还包括向通道52提供流 的孔94a的数量对孔IOOa和IOOb的数量的比例。在一个实施例中，该比例在1和4之间。 在另一实施例中，该比例为2。 转子芯容纳于套筒110内，该转子芯包括叠层30的堆叠和线圈绕组70。例如，套 筒110通常为圆柱形并在各个末端被端板112以过盈配合的方式密封。参照图4A-C，各个 端板112提供了用于安装突舌(未显示)的多个周向的紧固件113b的位置，该突舌用于防 止套筒的轴向移动。作为一个实施例，该端板112可包括在序列号为12/436177的共同未
7决的申请中所找到的特征，该申请于2009年5月6日提交，题名为“用于高速发电机的端 板”。端板112通常为具有开口中心114的杯形，转子轴组件32穿过该开口中心114而 延伸。在这种情况下，端板112包括具有第一侧面118a和第二相对的侧面118b的端壁116。 第一侧面118a向内面向线圈绕组70的末端，而外侧面118b面向轴承20a和20b。第一侧面118a包括绕着第一侧面118a周向地间隔开的多个线圈末端绕组覆盖部 120。各个线圈末端绕组覆盖部120通常为平面状，并定位成轴向地紧靠其中一个线圈绕 组70的一端。在本实施例中，端板112包括也绕着端板112周向地间隔开的流体排放出口 122。各个流体排放出口 122周向地位于其中两个线圈末端绕组覆盖部120之间。流体排 放出口 122各自在第一和第二侧面118a和118b之间延伸。当组装于转子12中时，流体排 放出口 122可轴向地与位于线圈绕组70之间的锲子124(图1)对齐。流体排放出口 122 的径向位置有利于保持线圈绕组70淹没在冷却流体中，除了端匝之外。作为一个实施例， 锲子124可包括在序列号为12/411468的共同未决的专利申请中所找到的特征，该专利申 请于2009年5月26日提交，题名为“具有改进的锲子的发电机转子”。按照叠层40中的通道52的数量对其中一个端板120中的流体排放出口 122的数 量的比例来设计发电机10。在一个实施例中，该比例为1.5到4之间。在另一个实施例中， 该比例为2。各个流体排放出口 122在第一侧面118a和第二侧面118b之间延伸。端板112的 主体还包括一个环形凸缘126，该环形凸缘与流体排放出口 122轴向地间隔开并与其轴向 地对齐。因此，从流体排放出口 122排放的任何流体冲击到凸缘126的内表面128上并被 径向地向外引导。图5和图6显示了发电机10的部分，箭头150代表冷却流体的流。通过流体输送 管98以已知的方式向转子12供应冷却流体。冷却流体从流体输送管98喷射至内轴90的 内部。转子轴组件32的旋转所产生的离心力将流体径向地向外喷射至内轴90的壁的内径。 冷却流体流过内轴90的孔IOOa和IOOb而进入外轴92的内部。外轴92的旋转所产生的离心力驱动冷却流体穿过孔94a，进入叠层40的通道52， 穿过孔94b。流过孔94b的流体冲击至线圈绕组70的末端上。流过94a的流体进入通道 52，该通道在绝缘体72的流体进入孔80的附近排放。冷却流体流过流体进入孔80而进入 绝缘体72的内部。绝缘体72有利于将冷却流体保持在线圈绕组70内，因而冷却流体与线 圈绕组70直接接触。这种直接接触提供了更为有效的热传导，因而允许发电机可承受增加 的热损失，使得小的线材可用于线圈绕组70。进入线圈绕组70的冷却流体分开而流向线圈绕组70的各个末端。一旦处于末 端，则冷却流体必须转向并流向端板112的其中一个流体排放出口 122，其位于锲子124附 近。即，流体排放出口 122位于锲子124的上方、线圈绕组70之间，因而导致冷却流体从线 圈绕组70的末端转向，并行进一个周向距离，以从转子12流出。因此，发电机10的通道52 和绝缘体72通过包含通向线圈绕组70的流体而减小了泵送损失，该泵送损失通常随着冷 却流体的膜厚的平方的增加而增加。冲击至转子末端线圈94b的冷却流体还流经端匝绕组 束，并与来自冷却通道52的冷却流体相混合。在流过流体排放出口 122之后，流体冲击至凸缘126的内表面128上。凸缘126
8由此直接将冷却流体向外径向地导出，然后冷却流体冲击至发电机10的定子14上(例如， 定子端匝)。所以，通过向外径向地喷射冷却流体，端板112还有利于冷却定子14的端匝。在所示的实施例中，流体排放出口 122设计成位于线圈绕组70的径向外表面和径 向内表面之间的径向距离处，以有利于排出冷却流体，保持线圈绕组70的末端暴露于冲击 流下，并提供来自离心力的足够的压力，以向着定子14喷射流体。所以，示范的转子12提 供了被包含的从线圈绕组70的中心流向线圈绕组70的末端的冷却油流，结合线圈绕组70 的末端的冲击喷射冷却来冷却转子12。尽管所示的实施例显示了特征的结合，但并不是需要结合所有的特征来实现本公 开的各种实施例的益处。换言之，根据本公开的实施例所设计的系统不一定必须包括任何 一幅图中所示所有的特征，或者图中示意性地所示的所有部分。而且，一个示范的实施例的 所选特征可能结合了其他示范的实施例的所选特征。以上描述仅是示范性的，不是对其性质的限制。未必脱离本公开的精髓的本领域 的技术人员可清楚已公开的实施例的变化和变型。仅可以通过研究所附的权利要求来确定 被赋予本公开的法律保护范围。
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权利要求
一种用于发电机的叠层，包括具有包围开口中心的环形部分的转子叠层主体、相对于所述开口中心从所述环形部分向外延伸的多个极部分以及邻接于所述多个极部分中的相应部分的多个线圈绕组区域，其中，所述环形部分包括在所述开口中心和所述多个线圈绕组区域中的至少一个之间延伸的至少一个通道。
2.根据权利要求1所述的叠层，其特征在于，所述至少一个通道包括开口末端、开口顶 部、侧壁以及底壁。
3.根据权利要求1所述的叠层，其特征在于，通道的数目对极部分的数目的比例为1-2。
4.根据权利要求3所述的叠层，其特征在于，所述比例为2。
5.根据权利要求1所述的叠层，其特征在于，所述至少一个通道包括具有弯曲壁的轮廓。
6.根据权利要求1所述的叠层，其特征在于，所述转子叠层主体包括减重开口。
7.一种用于发电机的端板，包括具有第一侧面和第二侧面的端板主体以及至少一个流体排放出口，所述第一侧面具有 绕着所述第一侧面而周向地间隔开的多个线圈末端绕组覆盖部，所述流体排放出口在所述 第一侧面和第二侧面之间延伸并周向地位于其中两个所述线圈末端绕组覆盖部之间。
8.根据权利要求7所述的端板，其特征在于，所述多个线圈末端绕组覆盖部均是平坦 的表面。
9.根据权利要求7所述的端板，其特征在于，所述至少一个流体排放出口延伸穿过所 述端板主体的凹陷表面。
10.根据权利要求7所述的端板，其特征在于，所述端板主体包括位于所述第二侧面的 环形凸缘，该环形凸缘与所述至少一个流体排放出口轴向地间隔开并与该至少一个流体排 放出口轴向地对齐。
11.一种用于发电机的线圈绕组的绝缘体，包括伸长的绝缘主体，该绝缘主体包括包围内部线圈绕组区域并跨越在开口末端之间的电 绝缘材料，所述伸长的绝缘主体包括位于所述开口末端之间的流体进入孔。
12.根据权利要求11所述的绝缘体，其特征在于，所述电绝缘材料包括聚酰亚胺。
13.根据权利要求11所述的绝缘体，其特征在于，所述流体进入孔在不平行于所述伸 长的绝缘主体的长度方向的方向上伸长。
14.根据权利要求11所述的绝缘体，其特征在于，所述流体进入孔位于所述伸长的绝 缘主体的长度的中间的三分之一之内。
15.一种用于发动机的转子轴，包括第一轴，具有包围空心内部的第一轴壁并具有延伸穿过所述第一轴壁的第一流体排放 孔；以及第二轴，位于所述空心内部之内，并与所述第一轴联接，使得所述第一轴和所述第二轴 能够共同旋转，所述第二轴具有第二轴壁和延伸穿过所述第二轴壁的第二流体排放孔，所 述第一排放孔和所述第二排放孔轴向地间隔开。
16.根据权利要求15所述的转子轴，其特征在于，所述第二轴包括轴向地间隔开的多个第二流体排放孔。
17.根据权利要求15所述的转子轴，其特征在于，所述第一轴包括周向地间隔开并轴 向地对齐的多个第一流体排放孔。
18.一种用于发电机的转子，包括转子轴，包括第一轴，具有包围空心内部的第一轴壁并具有延伸穿过所述第一轴壁的 至少一个第一流体排放孔；以及第二轴，位于所述空心内部之内，并与所述第一轴联接，使 得所述第一轴和所述第二轴能够共同旋转，所述第二轴具有第二轴壁和延伸穿过所述第二 轴壁的至少一个第二流体排放孔，其中，所述至少一个第一排放孔和所述至少一个第二排 放孔轴向地间隔开；转子芯，包括堆叠在一起的多个叠层，所述多个叠层包括至少一个叠层，所述至少一个 叠层包括具有包围开口中心的环形部分的叠层主体、相对于所述开口中心从所述环形部 分向外延伸的多个极部分以及邻接于所述多个极部分中的相应部分的多个线圈绕组区域， 其中，所述环形部分包括在所述开口中心和所述多个开口线圈绕组区域中的至少一个之间 延伸的至少一个通道。
19.根据权利要求18所述的转子，其特征在于，所述通道的数目对所述极部分的数目 的第一比例为1-2。
20.一种用于发电机的转子，包括转子轴，包括第一轴，具有包围空心内部的第一轴壁并具有延伸穿过所述第一轴壁的 至少一个第一流体排放孔；以及第二轴，位于所述空心内部之内，并与所述第一轴联接，使 得所述第一轴和所述第二轴能够共同旋转，所述第二轴具有第二轴壁和延伸穿过所述第二 轴壁的至少一个第二流体排放孔，其中，所述至少一个第一排放孔和所述至少一个第二排 放孔轴向地间隔开；转子芯，包括堆叠在一起的多个叠层，所述多个叠层包括至少一个叠层，所述至少一个 叠层包括具有包围开口中心的环形部分的叠层主体、相对于所述开口中心从所述环形部 分向外延伸的多个极部分以及邻接于所述多个极部分中的相应部分的多个线圈绕组区域， 其中，所述环形部分包括在所述开口中心和所述多个开口线圈绕组区域中的至少一个之间 延伸的至少一个通道；缠绕在所述转子芯上的多个线圈绕组；多个绝缘体，各包括伸长的绝缘主体，该绝缘主体包括包围内部线圈绕组区域并跨越 在开口末端之间的电绝缘材料，其中，所述多个线圈绕组中的一个的至少一部分延伸穿过 该内部线圈绕组区域，所述伸长的绝缘主体包括位于所述开口末端之间的流体进入孔；以 及端板，固定在所述多个线圈绕组的一端的附近，所述端板包括具有第一侧面和第二侧 面的端板主体以及至少一个流体排放出口，所述第一侧面具有多个线圈末端绕组覆盖部， 所述多个线圈末端绕组覆盖部绕着所述第一侧面而周向地间隔开，使得各个线圈末端绕组 覆盖部邻接于所述多个线圈绕组中的一个的末端，所述至少一个流体排放出口周向地位于 其中两个所述线圈末端绕组覆盖部之间并在所述第一侧面和所述第二面之间延伸。
21.根据权利要求20所述的转子，其特征在于，所述叠层主体中的通道的数目对所述 端板的线圈末端绕组覆盖部的数目的比例为1-2。
22.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述比例为2。
23.根据权利要求20所述的转子，其特征在于，所述转子芯的长度对直径的比例约为 0. 72-0. 82。
全文摘要
本发明涉及油冷却的发电机。具体而言，用于发电机的转子可包括转子轴，该转子轴具有第一轴和位于第一轴内的第二轴。两个轴包括用于连通冷却流体穿过该发电机的排放孔。发电机的转子芯包括具有包围开口中心的环形部分的叠层、从环形部分向外延伸的多个极部分以及邻接于该极部分的线圈绕组区域。一个或多个通道在开口中心和线圈绕组区域之间延伸，以连通冷却流体。发电机的线圈绕组可至少部分地被容纳于绝缘体内。各个绝缘体包括了位于绝缘体末端之间的流体进入孔，以连通冷却流体。发电机的端板可包括用于连通从线圈绕组接受的冷却流体的流体排放出口。
文档编号H02K3/50GK101931281SQ20101021166
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者D·帕尔, G·C·小莱默斯, R·D·拉斯穆森, S·R·加农 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司