专利名称：旋转发电机的风冷结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大容量气体直接冷却旋转发电机，更具体地涉及一种带有适于平衡温度分布的风冷结构的气体直接冷却旋转发电机。
在常规的旋转发电机中，如在日本实用新型的未审公开No.63-83960和No.63-172258中所描述的，从一个风扇排出的冷气体被允许流经一个转子和一个定子，被转子和定子加热的空气被气体冷却器冷却后再一次通向转子和定子。在定子框架上的多个主平板用作在机械上固定定子以及用作分隔风冷区的平板来改变径向风道的风冷方向。相邻主平板之间的部分是一个风冷区，在其中径向风道的风冷方向朝向相同。从风扇送过来的空气通过定子和转子间的一个空气隙在一个区中通过定子的径向风道，通过定子框架和定子之间的一个空间，最后流到气体冷却器。而且，冷却空气部分通过一个风冷通道，被导向另一个区，通过径向风道，流进空气隙，流入直接从风扇流入空气隙的空气中，它在另一个区中再一次通过径向风道，最后到达空气冷却器。
在上述的现有技术中，定子的风冷区由于下述原因被分成多个部分。也即是说，当发电容量的增加允许定子和转子增加轴向长度时，在由一个风冷区形成的被称为是单区的风冷中，通过每个径向风道的空气数量将变得不均匀，这样定子线圈的温度分布也变得非常不平均。这种不平均的产生是由于，当空气从空气隙被分流到每个径向风道或空气从每个径向风道流进空气隙时，由于空气流经空气隙时的流动速度，通过空气损失和静压被大大改变。
因此，定子的风冷区在轴向上被主平板分隔为多个分区，从风扇送来的空气被直接送到这些多个分区中，这样不均匀的气流分布就可以被解决。这种被称为多区的风冷结构的一个目的是解决温度分布不均匀，风冷通道或类似结构被用于此目的，而这又产生了一个问题，定子框架的结构变得复杂并且重量增大。这样发电机的外径加大，重量增大，发电机的造价也就不得不增加。
本发明的第一个目的是提供一个旋转发电机它带有一个风冷结构，尽管发电容量很大，发电机也是外径小，重量轻。
本发明的第二个目的是提供一个带有单区风冷结构的旋转发电机，这个结构具有很大的发电容量和适用于平衡气流分布和温度分布。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，所提供的旋转发电机包括一个用叠加硅钢片做成的定子；一个安置在定子内圆周中的转子；一个安置在定子外圆周上的定子框架；一个安装在定子框架上的外壳和一个支撑转子的轴承；一个安装在定子框架里的冷却器；一个固定在转子转轴上的风扇，定子的叠装是通过一个风道垫片进行的因而形成一个径向风道，定子包括一个楔子用以固定容纳在定子一个槽中的线圈，这个楔子带有将动态压力转变为静态压力的机构。
根据本发明的另一个方面，提供一个旋转发电机，定子是通过风道垫片叠装起来的从而形成径向风道，并且在定子的一个轴向长度以Lc确定时，径向风道被安置在从定子的两端为Lc/4的范围以内。
根据本发明的又一个方面，提供一个旋转发电机，其中用于将动态压力转变为静态压力的手段是在楔子上靠近径向风道安排的一个突起。根据本发明的一个进一步的方面，提供一个旋转发电机，其中将动态压力转变为静态压力的手段，是在楔子上相对于冷却空气流过定子和转子之间空气间隙的每个径向风道的一个受压侧表面上的突起或凹槽。根据本发明的一个再进一步的方面，提供一个旋转发电机，其中定子框架的形状做成为使径向风道的通风方向可以是从内直径朝向外直径，也可以是从外直径朝向内直径。
图1是根据本发明的一个实施例的一个涡轮发电机结构的透视图。
图2是一个气体涡轮发电机的垂直剖面图。
图3是一个定子的一个径向风道结构的平面视图。
图4是定子的径向风道结构的横向剖面图。
图5是一个定子楔子的透视图。
图6是一个不同的定子楔子的透视图。
图7是另一个不同的定子楔子的透视图。
图8是一个图表显示定子径向风道中沿一个轴向的空气速度的分布。
图9是一个图表显示定子径向风道中沿轴向的温度分布。
图10是一个图表显示冷却风道数量，定子芯厚度和风道垫片高度对线圈温度的影响。
图11是一个图表显示冷却风道的数量和线圈温升之间的关系。
图12是一个图表显示用于一个单区风冷的最佳风道数的范围。
下面将参照图1-12描述本发明的一个实施例。
如图1所示，在一个使用空气作冷却气体或使用氢气达到需要的冷却能力的气冷发电机中，一个定子框架9被安置在一个圆柱形定子2的外周上，一个空气风道在这个定子框架9内形成。在定子框架9中一个主平板7被径向安排并固定住定子2。外壳10安装在定子框架9上并且安装在定子2的两端。一个转子1被支撑在这个外壳10中心上的轴承3上。在转子1中，多个形成相同磁极的线圈4(也称为磁场绕组4)被对中心地安装并固定在磁极周围。护圈5被沿圆周安装在转子1的两端从而承受和牢靠支持作用在转子1槽中安装的线圈4上的离心力。
如图2所示，空气风道在定子框架9中形成，而冷却器8安排在定子2的两侧。安置在定子框架9和它内部安装的侧壁之间的气流通道也在冷却器8的两侧形成。这个气流通道的一个出口的形状被作成使之朝向转子1和定子2之间的一个空间。固定在一个转子轴上的一个风扇6被安排在这个气流通道的出口。从风扇6送出的空气流经定子2和转子1之间的一个空气间隙12，通过径向安装在定子2上的一个径向风道14，流经定子框架9和定子2之间的空间，然后到达冷却器8。在这时，从风扇6排出的空气冷却了转子1和定子2，因此而变热的空气被冷却器8所冷却。
因此，冷却空气流经转子1和定子2之间被采用，使得它可以在定子2中从径向风道的内直径流向外直径。也就是说形成了被称为单区的风冷。即使在这个例子中使用了被称为前流型的风扇来压缩冷却空气到转子1和定子之间的空隙，以画出的风扇6来表示，本发明也可以使用被称为回流型的风扇来抽吸转子1和定子2之间空隙中的冷却空气。
在转子1线圈端上的磁场绕组4被外直径侧面上的压圈5所固定。磁场绕组4和压圈5被一个圆柱形护圈绝缘体(没有画出)相互绝缘。流经转子表面的涡流被收集起来从而使它可以被一个阻尼线圈(没有画出)循环。一个中心器(没有画出)安装在阻尼线圈外面。护圈绝缘体与转子1机体端部附近的一个滑移块(没有画出)接触。处于转子1轴向最外端的滑移块被作成使得它的高度可以是低的以便将槽中的绕组4和阻尼线圈相互绝缘。被称为一个槽片(没有画出)的绝缘体插在阻尼线圈和轴端的滑移块之间。多个沟槽在圆周上形成在转子1的机体上。磁场绕组4被容纳在这些沟槽中并被通过滑移块的楔子18所固定。
定子2是用硅钢片叠装而形成的。这些硅钢片是用下述方法叠装而成的。如图3所示，其中定子2的径向风道14在圆周上部分可视，定子芯15是由许多叠装的薄硅钢片组成的，径向风道被形成，一个大约5-10mm高度的风道垫片16以大约20-100mm的固定间距插在定子芯15之间。图3中的箭头指出了冷却气体的流向。一个定子线圈17被紧固地用楔子18固定在定子2的沟槽中。尽管沟槽的大小根据沟槽或类似结构的数量而变，这些沟槽大致上被设定为大约20-50mm宽和200-300mm高。定子线圈17的宽度是这样确定的，即在这个沟槽中留下一些容量以保证可操作性以及使沟槽不会在定子线圈17由于电磁力振动时损伤绝缘。一种非磁性材料如FRP被用来制作定子2的楔子18。由风扇6提供的冷却气体沿轴向流过转子1和定子2之间的间隙，它被适当地分开到径向风道14中去并以图4所示那样流经径向风道14，图4是沿图3中A-A线按箭头所指方向作出的。
如图5所示，楔子18被构造成相对于定子2的齿20低凹5-10mm。这个凹槽也作为冷却气体轴向流经的空隙。
在这个实施例中，一个凸起22被安置在与表面21大致相同的位置，流经径向风道14的冷却气体与之相撞。凸起22的形成使得它的高度可以等于齿20的高度，而且凸起22不会从齿20中突出。凸起22以这种不从齿20中突出的方式形成的原因如下。由于定子2的内直径被突出的尺寸显著减小，这种减小的内直径在装配发电机时会妨碍转子的插入。并且由于突出对轴向流经空气间隙的冷却气体23增加了阻力，所以突出是不可取的。除了如图5所示的矩形凸起，本发明也可以应用对流动是圆滑的凸起。带有至少一个尖锐边缘的凸起对于减小空气助力是不利的，因此希望凸起被倒角1-2mm或是圆滑的。对于凸起只要求是非磁性材料，应使用对热不敏感的材料使得它有机械强度和可以抗温升。与这个凸起22相冲撞的冷却气体的动态压力会部分转变成静态压力。因此在径向风道14的齿20的入口处压力会升高。结果是在径向风道14的出口和入口之间形成压力差，从而可以增加径向风道14中冷却气体的流速。
图6中所示例子是由在转轴方向呈锯齿状的楔子24形成的，这个例子很适于用切割与楔子24相同的材料来生产的情况。在这种情况下，考虑到流过空气的损失这一点锯齿形的边缘被打圆，如图5中所示的情况相同。
在图7所示的例子中，一个凹形面25形成在楔子18上。这种结构不需要改变楔子的高度并且适用于改善空气流在径向风道14中的分布。
如对图5所示例子说明的那样，上述例子中的凸起或凹下起到部分地将流径空气隙的冷却气体的动压转变为静压的作用。因此，凸起或凹下的高度可以设定为与从齿20的端面到楔子18的凹下相对应的高度。在图2所示的情况中，假设定子2的轴向长度被定为Lc从平衡空气流分布这一点来考虑，这个楔子应安置在从定子2的端部大约为Lc/4的范围内。而且，这个实施例的楔子18的凸起被定位得使它可以盖住径向风道14的齿20端部的横向间隙，因此它可以减少图2所示情况中靠近中心通过径向风道14的空气流。在这种情况下，这个实施例的楔子被用来定位凸起或凹下，从而使通过径向风道的空气流可以得到控制。
图8和图9显示现有技术和这个实施例之间在定子2的径向风道14中空气速度分布以及定子线圈17的温度分布上的比较。如从图8和图9中可见到的那样，在用数字26代表的现有技术中，在定子中心的空气速度非常地高，因此定子2的线圈温度被降低，同时正相反，在定子的边缘空气速度非常地低，因此定子2的线圈温度被升高。在另一方面，以数字27表示的这个实施例中，可以看到空气速度和温度的分布是相对均匀的。作为一个例子，定子线圈17的温度上限是100℃。在现有技术中，由于温度超过了这个温度上限，唯一可以减少热量值的办法就是减少发电的输出。但是，根据本实施例，由于温度在所有点上都没有超过这个温度限，具有相同结构的旋转发电机可以比常规旋转发电机输出更高的电力。
图10定性地表示冷却风道数量N，相邻径向风道之间放置的定子芯(也称为群组)的厚度Pt以及径向风道的风道垫片的高度Dh如何影响定子线圈的局部温升。在这种情况下，当一个参数改变时，其它的参数被固定不在这种情况下，当一个参数改变时，其它的参数被固定不变。例如，当冷却风道数N改变时，定子芯的厚度Pt和风道垫片高度Dh被固定。如从图10中可见，显示一种趋势，在其中当冷却风道数量N增加时，线圈温度增高的程度加大。这是由于冷却风道数N的增加造成每一个径向风道的轴向空气速度的非均匀分布从而产生一些热点。而且，当组群的厚度Pt越大时，线圈的温度升高越大。这是由于冷却表面，径向风道14表面和线圈4之间热传导距离的增加所引起的。风道垫片的高度Dh有一个最佳值。这是由以下因素引起的风道垫片高度过低会增加径向风道14的压力损失，通过空气的数量会减少，从而使冷却气体的温度在径向风道中大大增高。当风道垫片的高度Dh增加时，由于冷却气体温度的升高所造成的线圈温度升高被降低。然而，径向风道14的空气阻力被减小，使得冷却气体从定子2和转子1之间的空气隙12中被分开到径向风道14时由于分流造成的通过空气损失增加。因此，由于流速分布和温度分布变得很不均匀，热点就会产生。在这种情况下，线圈温度的增高主要由这三个参数之间的相互作用确定。
图11定性地表示当定子的轴向长度Lc固定并且冷却风道数目N改变时线圈温度的局部增高的最大值是怎样改变的。用数字26代表的实线表示现有技术，而用数字27代表的虚线表示本实施例。这个比较的表示是当轴向长度Lc为3000mm，4000mm和5000mm时。当轴向长度Lc为3000mm时，带有相对小容量的发电机被使用，由于小的热负荷温度在很小程度上增高，而且可以满足温升限度的冷却风道数目N的范围也很宽。当轴向长度Lc变长时，热负荷也变大而且线圈温度也大大增高。这一点也减小了可以满足温升限度的冷却风道数目N的范围。当轴向长度Lc为5000mm时，在现有技术中任何数目的冷却风道都不能满足线圈温度的限度。但是，在本实施例中，有可能减少流速的不均匀分布，这个不均匀分布在冷却风道的数目N很大时由于热点会造成线圈温度的升高。从而使线圈温度的增高被减少。因此，即使是以前不可能使用的很长的轴向长度Lc也可以被采用，单区风冷就可以被使用。
图12是一个图表表示一个最佳冷却风道数N和轴向长度Lc的实例范围。用数字28表示的阴影部分是冷却风道最佳数N的范围。在图12中的这个情况下，Nmin是一条通过(Lc/2，Lc/N)＝(1000，48)和(Lc/2，Lc/N)＝(2700，60)点的直线，而Nmax是一条通过(Lc/2，Lc/N)＝(1000，10)和(Lc/2，Lc/N)＝(2700，60)的直线。因此，Nmin用以下公式(1)表示Lc/N＝(3/425)×(Lc/2)+40.94(1)Nmax用下列公式(2)表示Lc/N＝(1/34)×(Lc/2)-19.41 (2)在这种情况下，当发电机的轴向长度Lc确定后，定子的流经空气的温度分布被加以分析，最佳风道数目的映象可以如图12所示那样被形成，从而风道的数目N可以被找到。
当与上述的相反的流动型被采用时，虽然流动方向与在图5到图7中箭头所指的方向相反，但是不需要改变凸起或凹下的位置。在相反流动型中，利用凸起和凹下造成的流向改变引起的空气速度的局部增加所形成的静压减少的现象，在径向风道中通过的空气数量将增高。作为减少通过空气数量的手段，和正向流动型中一样，楔子的凸起或凹下被形成以便遮盖径向风道的齿端的横向空隙，这样通过的空气的数量可以被加以限制。
根据本发明，可以平衡单区风冷的旋转发电机定子的温度分布并且可以比现有技术输出更高的电能。即使本发明应用于有很长轴向长度的旋转发电机，线圈20温升也可以被减少。因此，就可以提供低成本高可靠性的旋转发电机。
权利要求
1.一种旋转发电机，包括一个用硅钢片叠装形成的定子；一个安装在所述定子内圆周中的转子；一个安装在所述定子外周边上的定子框架；一个固定在所述定子框架上并且带有一个支撑所述转子的轴承的端盖；一个安装在所述定子框架中的冷却器；以及一个固定在所述转子转轴上的风扇，其中所述的定子是通过一个风道垫片叠装起来的，从而形成一个径向风道，所述的定子包括一个楔子以便在所述定子的一个槽中固定一个线圈，所述的楔子带有将动态压力转变为静态压力的机构。
2.一种旋转发电机包括一个用硅钢片叠装形成的定子；一个安装在所述定子内圆周中的转子；一个安装在所述定子外周边上的定子框架；一个固定在所述定子框架上并且带有一个支撑所述转子的轴承的端盖；一个安装在所述定子框架中的冷却器；以及一个固定在所述转子转轴上的风扇，其中所述的定子是通过风道垫片叠装起来的，从而形成一个径向风道，并且当所述定子的轴向长度确定为Lc时，所述的径向风道被安置在从所述定子两端距离为Lc/4的范围内。
3.根据权利要求1的旋转发电机，其特征在于，所述的将动态压力转换为静态压力的机构是安排在所述楔子上靠近所述径向风道的一个凸起。
4.根据权利要求1的旋转发电机，其特征在于，所述的将动态压力转换成静态压力的机构是在所述楔子上相对于流经所述定子和所述转子之间空气间隙的冷却气体流的每个所述径向风道的受压侧表面上的凸起或凹下。
5.根据权利要求1到3中任何一个的旋转发电机，其特征在于，所述的定子框架的形状被作成为使得所述径向风道的风冷方向可以是从内直径朝向外直径的方向或者是从外直径朝向内直径的方向。
全文摘要
一个旋转发电机带有一个单区风冷结构具有高发电容量和适于平衡空气流分布和温度分布。这个旋转发电机包括一个转子,它在转动时保持与定子间有一个空气隙和一个定子,利用冷却气体流经许多径向风道冷却被楔子固定的线圈,其特征在于定子包括带有改变流经定子和转子间空气隙冷却气体流向的机构的楔子。
文档编号H02K9/04GK1199950SQ9810843
公开日1998年11月25日 申请日期1998年5月15日 优先权日1997年5月16日
发明者森英明, 宫川家导, 石原笃, 服部宪一 申请人:株式会社日立制作所