专利名称：用于电机的冷却元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电机的冷却元件，以及利用所述冷却元件来冷 却的电机的定子。
背景技术：
对电才几进行冷却以^更去除电才几内部生成的热。热大多是由于》兹 损耗和电阻损耗而在电机的有源部分(定子和转子)中生成。
当电流的 一部分转变为热时，电机绕组的电阻导体中产生铜损。 可变》兹通量导致电动机和发电机的铁质部分的铁损，包括涡流损耗
和磁滞损耗。
此外，在旋转电机中例如轴承或者转子表面上的紊流中会出现
机械损耗。
在产生的热能与从电机引走的热能达到平衡之前，必须将因此 在电机中产生的热损耗引走，以防止电机变热。
将电机设计为符合特定的绝缘等级。选择绕组绝缘以允许在所 选绝缘等级中获得合理寿命。如果由于过载或者冷却系统恶化使得 电机在过热条件下操作，则绝缘寿命将会迅速下降。
在低于1...2MW的小型电机中，空气通常用作冷却剂。在较大
型电机中，使用液体冷却剂；最常用的液体冷却剂是水。在许多装
置中，实际的冷却剂是使用水进行冷却的空气。
在液体冷却型电机中，冷却剂并不直接与被冷却部件接触。冷
却剂在封闭管道或者通道中被引入电机中，并在升温时从电机中移 出。冷却回路要么是闭路的，在这种情况下，被加热的冷却剂将在 流回电机之前在热交换器中被冷却，要么是开路的，在这种情况下， 加热的冷却剂将被从系统中移除。
4与在外表面上的空气冷却相比，液体冷却的热传递效率显著更 好。然而，液体冷却的缺点在于包括泄漏和腐蚀的风险以及复杂结 构，该复杂结构在制造技术方面而言是昂贵的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电机的冷却元件以及利用该冷 却元件冷却的电机定子。
在根据本发明的电机冷却元件中，电才几包括转子和定子。在该
电机中，定子的外表面被划分为等于定子长度的分区。冷却元件至 少包括两个模块，每个模块均包括与定子纵轴基本上平行的相邻的 管道，这些管道的端部使用连接部件彼此连接。冷却剂在相邻管道 中以相反的方向流动，并且该模块的宽度最多等于外表面分区的宽度。
在根据本发明的该电机定子中，定子的外表面被划分为与定子 长度相等的分区。该定子通过至少一个冷却元件^皮冷却。该冷却元 件包括至少两个模块。模块包括与定子的纵轴基本上平行的相邻的 管道，这些管道的端部使用连接部件彼此连接。冷却剂在相邻管道 内以相反方向流动。该模块的宽度最多等于外表面分区的宽度。该 模块定位在定子的外表面上。
该冷却元件可以在电4几内部方文置在定子的外表面上。该定子通
常包括薄钢片，这些钢片使用例如连接杆或者焊接彼此附接以形成
钢片叠。与定子外表面热传导接触地将冷却元件模块安装在钢片叠
的外表面上，该模块的底表面面向定子。这提供了从主要热源(定
子绕组)经过钢片叠到冷却元件的有效的热传递。热将从冷却元件
(模块的管道)传递到管道内部流动的冷却剂。在冷却元件中，冷 却剂并不与被冷却的部件直接接触。
当冷却元件与电机的生热部件直接接触时，可以比在外表面使 用空气冷却时取得更好的冷却效率。
在本发明的优选实施方式中，模块的底表面的形状跟随定子外表面的形状。定子通常是具有弯曲外表面的圆柱。通过弯曲冷却元 件及其模块或者对其施加压力以使其跟随定子外表面的曲线，可以 实现定子外表面到管道表面的最有效率的热传递。可以在冷却元件 的底表面和定子外表面之间涂敷导热膏，以便使气隙变窄从而增加 热传递效率。
根据本发明的实施方式，该模块可以具有偶数个管道。在这样 的模块中，所需的冷却剂连接被定位在定子的同一端部， 一个连接 用于使冷却剂流入到模块中，另 一连接用于返回冷却剂。
根据本发明的另一实施方式，冷却元件模块中的管道具有基本 上为四边形的截面，管道截面的最长边抵靠着模块的底表面。这将 会增加模块管道与定子外表面之间的接触表面。例如通过将管道滚 平，致使管道截面的宽度大于其高度，可以实现四边形形状。
根据本发明一些其他实施方式，冷却元件模块内的管道基本上 为三角形或者半圓形的，三角形管道的最长边和半圆形的直边抵靠 着该模块的底表面。
根据本发明的另 一 实施方式，冷却元件模块的连接部件在径向 上弯曲，两个相邻连接部件在定子的径向中部分重叠。该连接部件 交替着向上和向下弯曲，并且这些连接部件互锁。这允许管道彼此 放置得更近，因为接合两个管道的连接部件的宽度没有设置管道的 最小距离。如果该模块的连接部件例如是弯曲管道，管道的最小弯 曲半径将不再设置管道间距的限制。密集的管道分布将会产生更加
有效的冷却；例如可以使用两个密集的转弯而不是使用 一个零星分
布的管道转弯。
作为泄漏保护，可以在管道的整个长度的周围安装泄漏捕获外 壳。该外壳基本上与模块管道的顶表面和底表面接触，以最小化所 需空间，并改善热传递能力。该捕获外壳收集从管道的直线部分泄 漏的任何水。
可以在冷却元件模块的连接部件与定子线圈端部之间安装泄漏 捕获池。泄漏捕获池安装在模块的连接部件与对于分区而言其中模块在垂直方向上比线圈端部高的线圏端部之间。当模块在垂直方向 上低于线圈端部时，仅需要捕获池来将水引导到一个位置。捕获池 可以连接到告警系统，水到达特定阈值将会触发告警。
冷却元件可以固定到定子的外表面。还可以使用其他装置来附 接该冷却元件，诸如利用框架板或者用于支撑定子的框架梁。例如， 可以在框架板和冷却元件之间安装一个或多个紧固元件。
优选地使冷却元件模块的连接部件对于空气循环开放。于是在 冷却元件中循环的冷却剂还会冷却电机内部的空气。如果需要空气 冷却例如用于冷却转子或者定子绕组的线圏端部，则液体冷却型冷
却元件因此也可以用作用于电才几的空气冷却的附加冷却i殳备。
与较早解决方案相比，利用本发明可以实现若干显著优点和提 高。该冷却元件具有泄漏保护和简单的结构，可以以具有成本效益
的方式来制造。
可以在冷却元件中^f吏用的冷却剂包4舌水和油。
对于安装在具有恶劣气候条件的恶劣地理位置的具有大直径的 风力电站发电机而言，根据本发明的定子是具有成本效益的选择。 由于模块化结构，该冷却元件易于服务或更换。可以一次在一个模 块中安装或者更换覆盖定子圆周的模块冷却元件。如果冷却元件故 障，不需要从定子的外表面中拆卸下整个冷却元件；而只需更换需
要维修的模块。
由于冷却元件不包括围绕定子整个外部圆周的一个固体件，所 以其易于处理。模块数量越大， 一个模块的外部尺寸越小。可以在 定子外表面的圆周的一个分区上安装一个或多个模块。小型模块更 易于运输和处理。
安装在各部分中的冷却元件的模块最终可以串联连接或者并联 连接，或者以串联和并联连接。当模块串联连接时，同一冷却剂流 经所有模块。当模块串联和并联连接时，该冷却元件包括多个模块。 多个模块中至少两个模块串联连接，并且多个模块中至少两个模块 并联连接。
7对于定子冷却有利的是，该冷却对于定子的整个外表面区域是 均匀的。那么进入该模块的冷却剂的温度和流量在模块之间将不会
显著不同。
该定子的外表面还应当均匀地以模块来覆盖，在外表面的每个 分区上至少一个模块。从制造技术方面讲，所有模块基本相似是有利的。
根据本发明的定子是具有简单结构和较结实框架的定子钢片 叠。利用直接安装在定子表面上的冷却元件能够实现有效的冷却。 与在定子铁心内构建有用于冷却空气流的径向管道的空气冷却型定 子相比，该定子的结构是简单的。
根据本发明的一个实施方式，使用连接杆来将定子的外表面分 成等于定子长度的分区。定子包括薄钢片。使用定子铁心长度的连 接杆将钢片扎紧成一 个定子铁心，该连接杆与铁心的轴平行地放置 在该铁心的外表面上，并且例如通过焊接固定到定子钢片和/或定子 端部压缩板。连接杆维持了定子铁心内的压缩力。在小型定子中， 可以存在例如六个均匀分布在定子外表面上的连接杆，将定子外表
面分为六个分区。在大型定子中，可以存在例如24个连接杆，从而 在外表面上形成24个分区。
根据本发明的另一实施方式，定子外表面通过使用定子的块结 构被划分成等于定子长度的分区，在这种情况下，定子外表面分区
的宽度等于定子块的宽度。
由于在运输、安装、制造或者其他这种处理中的限制，当定子 的直径大得不再可能或有利的以单件制造时，块结构可以用于该定 子。这些块使用诸如螺栓和螺母的连接装置彼此接合。定子块的数 量例如可以是12,每个块的宽度例如可以是1.3 m。
根据本发明的再一实施方式，使用两个冷却元件来冷却定子。 在定子的纵向方向中连续地放置冷却元件。因此，在外表面的一个 定子长度分区上将放置至少两个连续模块。
在下文中，将通过参考附图借助于特定实施方式来更加详细地
描述本发明。附图中
图la至图lc示出了冷却元件模块；
图2a至图2c示出了具有的管道数量增加的冷却元件模块； 图3示出了另一冷却元件的局部视图； 图4示出了再一示例的冷却元件的局部视图； 图5示出了电机定子中安装的图3的冷却元件； 图6示出了从电机侧面观察的、类似于图3所示安装在电机中 的冷却元件；
图7示出了类似于图3所示安装在电机中的冷却元件模块的透 视图8示出了并联连接的模块；
图9示出了串联和并联连接的模块；
图10示出了具有的管道截面为三角形的模块的截面视图11示出了具有的管道截面为半圆形的模块的截面视图。
具体实施例方式
图la以平面截面视图示出了冷却元件模块；图lb以横截面视图 示出了冷却元件模块；图lc以侧截面视图示出了冷却元件模块。该 图中的冷却元件1包括一个模块2。该模块2包括彼此平行的直的相
邻管道3a，管道的端部通过连接部件4a接合。例如水的冷却剂流的 方向Fd在连接部件4a中发生改变。冷却剂在相邻管道3a内以相反 方向Fd流动。
模块2具有偶数个管道3a。当模块安装在定子外表面以使得直 的管道3a基本平行于定子的纵轴时，用于冷却剂的连接5a、 5b定 位在定子的相同端部。该模块具有两个冷却剂连接， 一个连接5a用 于使冷却剂流入到模块2中， 一个连接5b用于返回冷却剂。
作为泄漏保护，可以在模块2的管道的3a整个长度的周围安装泄漏捕获外壳6。该外壳与模块管道3a的顶表面7和底表面8接触， 以最小化所需空间，并改善热传递能力。
图2示出了具有的管道数量增加的冷却元件模块，其中图2a以 平面截面视图示出了该冷却元件模块，图2b以横截面视图示出了该 冷却元件模块，以及图2c以侧截面视图示出了该冷却元件模块。冷 却元件模块1的连接部件4b相对于直线管道水平交替向上和向下弯 曲，并且这些连接部件互锁。两个相邻连接部件于是可以在定子的 径向上部分重叠Ov。弯曲连接部件4b允许管道3b相对于4皮此更加 接近的放置，因为取决于连接部件的重叠，对于两个连接部件宽度w 可以放置多于四个相邻管道。
优选地，连接部件4b是弯曲的，特别是如果该连接部件是弯曲 管道，因为管道的最小弯曲半径将不再设置对管道间距的限制。
图3是一个模块冷却元件2'的横截面图。在图3中，模块的底 表面8的形状跟随圆柱形定子的外表面的形状。通过弯曲冷却元件 及其模块或者对其施加压力以使其跟随定子外表面的形状，可以实 现从定子外表面到管道表面的最有效率的热传递。
图3包括对泄漏捕获外壳6的图示。如果捕获外壳6安装在模 块2，周围，则其底表面9的形状将会跟随圆柱形定子26的外表面的 形状。模块管道3a、 3b的顶表面7和底表面8与捕获外壳6的内表 面接触，捕获外壳底部的外表面9与定子的外表面14接触。装配有 泄漏捕获外壳的模块优选地被制造成使得管道和安装于其外表面上 的外壳可以形成为 一 个结构以便跟随定子表面的形状。
图4是其中管道横截面并非圓形形状的一个模块冷却元件2"的 局部图示。冷却元件模块管道3c的横截面基本上是具有四边10a-10d 的四边形。管道横截面的长边10c抵靠着模块2"的底表面9。这增 加了模块管道与定子外表面之间的接触表面。例如通过将管道滚平， 致使管道横截面的宽度1大于其长度h,可以实现四边形形状。
图5示出了在电才几25中安装的冷却元件。该冷却元件1在电枳^ 内部放置在定子26的外表面14上。在图5中，定子26包括固定到彼此的分离块13。该图仅仅示出了等于整个定子长度的一个块13。 对于包括块的定子，在每个块上放置至少一个冷却元件模块2。定子 块13由彼此上下堆叠且利用连接杆固定的带沟槽12的定子分段21 和框架结构制造。块13可以被制造为若干段宽；第一叠层可以例如 包括三个段，第二叠层包括半段、两个整段以及另一个半段。对于 每层，段之间的间隙的位置将与前一层的间隙位置不同。
定子26的最外部形成了定子背部11，在其中放置了绕组的定子 的内部部分中存在有沟槽12。 一个冷却元件模块2用于对定子块13 进行冷却。该模块2安装在定子背部11的外表面14上，与框架梁 15之间的外表面14接触。使用框架梁15来支撑定子块13使其抵靠 着框架板16。定子块13将定子外表面14分割成等于定子长度的分 区22a。外表面分区14的宽度Wu等于定子块13的宽度Ws。模块 2的宽度Wm比定子块的宽度Ws更窄。
如果模块2被捕获外壳6封闭，则模块2的管道3a-3e的顶表面 7和底表面8与捕获外壳6接触，该捕获外壳继而与定子外表面14 接触。这允许利用金属与金属接触的热传递。
一个定子块可以在圆周方向上并排地或者在定子的纵向方向上 连续地具有一个或更多冷却元件模块。 一个模块的最大宽度是定子 块13的宽度。
冷却元件可以固定到定子26的外表面14。除了利用框架板16 或者框架梁15，还存在固定冷却元件的其他装置。例如，在框架板 和冷却元件之间可以安装一个或多个紧固元件17。
图6示出了从电机侧面观察的安装在电机25中的冷却元件。定 子26的整个长度L包括薄钢片。冷却元件1安装到定子铁心18的 外表面14上。在冷却元件模块1的连接部件4a、 4b与定子线圏端 部19之间安装泄漏捕获池20。
冷却元件模块1的连接部件4a、4b对于电机25的内部空气循环 是开放的，从而允许空气与连接部件之间直接接触。于是在冷却元 件中循环的冷却剂还会冷却电才几内部的空气。如果该电4几还具有空
ii气冷却，则冷却元件将会为空气冷却系统提供额外的冷却能力。在 电机中，空气冷却用于冷却转子损耗以及定子线圈端部，并且在非 永磁电机中，还用于冷却转子线圏端部。空气冷却通常是通过分离
图7示出了在电机25中安装的冷却元件模块2。定子外表面14 使用连接杆23被分成与定子长度相等的分区22b。包括钢片的定子 通过连接杆23结合在一起成为定子铁心18。连接杆23的长度等于 定子铁心18的长度L。连接杆23在定子铁心的纵向方向中放置在定 子铁心18的外部圆周表面14上，并且固定到钢片上和/或定子端部 上的压缩板24上。连接杆23维持了定子铁心18内的压缩力。冷却 元件模块2在圆周方向上彼此相邻地放置在两个连接杆23之间。
为了简化起见，图7仅仅示出了在电机25中安装的一个冷却元 件模块2。对于定子的冷却，优选的是，由定子冷却模块均匀地覆盖 定子的外表面14,且在定子外表面的每个分区22b上具有至少一个 模块。因此，该冷却元件围绕该定子的圆周表面。对于定子的均匀 冷却，串联连接所有的冷却元件模块2并不是优选的。例如，对于 两个模块式的冷却元件，图8示出的并联连接是优选的，对于第一 模块和第二模块二者而言提供了基本相等的冷却剂的温度。如果存 在若干模块，可以串联连接两个相邻模块，后面的两个也彼此串联， 并将这样产生的模块对并联连接(图9)。
图IO是其中管道横截面为三角形的一个模块的冷却元件2的局 部图示。该冷却元件模块管道3d的横截面基本上为三角形的。管道 截面的最长边抵靠着模块2"'的底表面9。
图11是其中管道横截面为半圆形的一个模块的冷却元件2的局 部图示。该冷却元件模块管道3e的横截面基本上为半圆形的。管道 横截面的平坦侧抵靠着模块2""的底表面9。
上面已经借助于特定实施例对本发明进行了描述。然而，不应 将这些描述看作是对专利保护范围的限制；本发明的实施方式可以 在下面的权利要求书的范围内改变。部件列表1冷却元件；2, 2', 2", 2'"， 2""模块；3a-3e管道； 4a-4b连接部件；5a, 5b连接；6泄漏捕获外壳；7顶表面；8 3a-3e 的底表面；9模块2、 2'、 2"、 2"'、 2""的底表面；10a-10d边；11定 子背部；12定子沟槽；13定子块；14定子外表面；15框架梁； 16框架板；17紧固元件；18定子铁心；19线圈端部；20泄漏捕 获池；21定子钢片分段；22a， 22b外表面分区；23连接杆；24压 缩板；25电机；26定子。Fd相对方向流；h管道高度；1管道宽 度；L定子长度；Ov重叠区域；w宽度；Wm模块宽度；Ws定 子块宽度；Wu外表面分区宽度。
权利要求
1.一种用于电机(25)的冷却元件，所述电机包括定子和转子，并且在该电机中定子(26)外表面(14)被划分成等于定子的长度(L)的分区(22a-22b)，其特征在于，所述冷却元件(1)包括至少两个模块(2)，所述模块(2)包括基本平行于定子纵轴的相邻的管道(3a-3e)，所述管道的端部通过连接部件(4a-4b)接合，所述冷却剂在相邻的管道中以相反方向(Fd)流动，模块(2)的宽度(Wm)至多等于外表面分区(22a-22b)的宽度(Wu)。
2. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于该模块(2)具 有顶表面(7)和底表面(8)，该模块的底表面(8)的形状跟随定 子外表面(14)的形状。
3. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述模块(2) 可以与定子(26)的外表面(14)热传导接触地安装。
4. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述模块(2) 具有偶数个管道(3a-3e)。
5. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述模块管 道(3a-3e)的横截面是四边形的、三角形的或者半圆形的，以及所 述管道的横截面(10a-10d)的最长边抵靠所述模块(2)的底表面(8)。
6. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述模块的 连接部件(4a-4b)在径向方向中^皮弯曲，以及两个相邻连接部件(4a-4b)在定子的径向方向中部分重叠。
7. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述模块(2) 并联连接。
8. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述冷却元 件包括多个模块(2),所述模块(2)中至少两个串联连接且所述 模块中至少两个并联连接。
9. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，存在针对管 道(3a-3e)的整个长度围绕所述模块(2)的泄漏捕获外壳(6),以及所述泄漏捕获外壳(6)基本上与所述模块(2)的顶表面(7) 和底表面(8 )接触。
10. 根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，在模块连接 部件(4a-4b)和定子线圈端部(19)之间存在泄漏捕获池(20)。
11. 一种用于电机(25)的定子(26),在该定子(26)中，外 表面(14)被划分为等于定子的长度(L)的分区(22a-22b),以 及该定子通过至少一个冷却元件(1 )来冷却，其特征在于，所述冷 却元件(1)包括至少两个模块(2)，所述模块(2)包括基本平行 于定子纵轴(L)的相邻的管道(3a-3e),所述管道的端部通过连接 部件(4a-4b)接合，所述冷却剂在相邻的管道中以相反方向(Fd) 流动，模块(2)的宽度(Wm)至多等于外表面分区(22a-22b)的 宽度(Wu),以及所述模块位于所述定子的外表面(14)上。
12. 根据权利要求11所述的定子，其特征在于，在定子外表面 的每个分区(22a-22b)上存在至少一个模块(2)。
13. 根据权利要求11所述的定子，其特征在于，所述定子外表 面(14)被使用连接杆(23)划分成等于定子的长度(L)的分区(22a-22b)。
14. 根据权利要求11所述的定子，其特征在于，所述定子外表 面(14)通过以块(13)来制造所述定子被划分成等于定子的长度(L)的分区(22a-22b)。
15. 根据权利要求11所述的定子，其特征在于，所述定子被支 撑抵靠着框架板(16),以及在框架板(16)和冷却元件(1 )之间 存在至少一个紧固元件(17)。
16. 根据权利要求11所述的定子，其特征在于，使用至少两个 冷却元件(1 )来冷却定子，以及所述冷却元件(1 )在定子的纵向 方向上连续安装。
全文摘要
本发明提供了一种用于电机的冷却元件和一种用于电机的定子。在根据本发明的电机冷却元件中，电机(25)包括转子和定子(26)。在该电机(25)中，定子的外表面(14)被划分为等于定子长度(L)的分区(22a-22b)。冷却元件(1)包括最少两个模块(2)，每个模块(2)包括与定子的纵轴基本上平行的相邻管道(3a-3e)，这些管道的端部使用连接部件(4a-4b)连接。冷却剂在相邻管道中以相反方向(F<sub>d</sub>)流动，并且该模块(2)的宽度最多等于外表面分区(22a-22b)的宽度(Wu)。
文档编号H02K9/197GK101562371SQ200910135118
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月20日 优先权日2008年4月18日
发明者J·芒特勒 申请人:Abb有限公司