冷却系统、电机及风力发电机组的制作方法

本发明涉及冷却技术领域，特别是涉及一种冷却系统、电机及风力发电机组。

背景技术：

风力发电是最接近商业化的可再生能源技术之一，是可再生能源发展的重点。风力发电机组中的电机在运行过程中存在热损耗，其主要包括：电磁损耗，即绕组中由于欧姆阻抗产生的焦耳热，即铜损；铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗等，即铁耗；以及不可避免的杂散损耗；若为永磁电机，则还包括磁钢损耗。这些损耗使电机运行时释放出大量的热量，而这些热量不仅会对电机本身及其绝缘结构造成一定的冲击，导致缩短绝缘寿命甚至绝缘失效，还会导致电机的输出功率不断下降。

随着海上风力发电机组的快速发展，机组的单机容量不断增加，进而直接带来风力发电机机组损耗的不断提高，电机的冷却系统将占据更大的机舱空间。对于风沙较大或工作环境恶劣的工况，尤其对于海上盐雾环境，空-空冷却系统易造成发电机积尘及系统冷却风量降低，造成散热量不足，同时更易造成零部件的损坏及故障，降低整机寿命；采用水冷系统，为保证绕组温度限制、温升要求以及温度的均匀性，势必在电机内产生过多的回路及接头，同时紧凑的流道造成系统阻力增加，自耗电升高，考虑绕组端部及转子的冷却，还需独立配置风冷系统，造成冷却系统结构复杂，可靠性下降。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冷却系统、电机及风力发电机组，该冷却系统结构简单紧凑、占用空间小。

一方面，本发明实施例提出了一种冷却系统，应用于电机，该电机包括定子支架和转子支架，定子支架与转子支架动密封连接，以形成沿电机轴向两端的通风腔室，冷却系统包括：汇流腔室，沿定子支架的周向设置；至少一个容纳腔室，沿定子支架的周向间隔分布，至少一个容纳腔室位于汇流腔室的径向内侧且与汇流腔室连通；至少一个换热器，设置于容纳腔室内或者汇流腔室内；至少一个循环风机，循环风机具有进风口和出风口；其中，冷却空气通过循环风机的出风口进入电机轴向两端的通风腔室，冷却所述电机内的发热部件后，经由汇流腔室、换热器以及容纳腔室进入循环风机的进风口。

根据本发明实施例的一个方面，冷却系统还包括套管，套管沿轴向设置在汇流腔室内且贯穿定子支架，冷却空气流经套管进入与循环风机的出风口的轴向相对的通风腔室内。

根据本发明实施例的一个方面，定子支架包括沿轴向延伸的环形板，环形板)将定子支架沿径向分隔成汇流腔室和至少一个容纳腔室，环形板沿周向设置有至少一个通风孔，汇流腔室通过通风孔与容纳腔室连通。

根据本发明实施例的一个方面，定子支架还包括沿径向延伸且沿轴向相对布置的第一端板和第二端板，第一端板、第二端板以及环形板形成汇流腔室，套管贯穿第一端板与第二端板设置。

根据本发明实施例的一个方面，定子支架还包括位于第一端板和第二端板之间沿径向延伸且同轴设置的第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板位于第一端板和第二端板的径向内侧，第一隔板、第二隔板以及环形板形成容纳腔室。

根据本发明实施例的一个方面，换热器设置于容纳腔室内，循环风机设置于第一隔板的轴向外侧。

根据本发明实施例的一个方面，冷却系统还包括沿定子支架的周向间隔分布的至少一个固定支架，固定支架设置于第一隔板和第二隔板之间，换热器可拆卸地安装于固定支架上。

根据本发明实施例的一个方面，固定支架包括沿定子支架的径向延伸且沿定子支架的周向相对设置的第一板和第二板，以及连接第一板和第二板且沿定子支架的周向设置的第三板，第一板和第二板分别设置有沿轴向延伸的安装槽，换热器通过第一板的安装槽和第二板的安装槽可拆卸地安装于固定支架上。

根据本发明实施例的一个方面，安装槽分别设置于第一板和第二板相对的一侧，换热器插入第一板和第二板的安装槽内。

根据本发明实施例的一个方面，安装槽分别设置于第一板和第二板相背的一侧，换热器插入固定支架的第一板的安装槽内和相邻的固定支架的第二板的安装槽内。

根据本发明实施例的一个方面，固定支架包括沿定子支架的周向设置的第三板、在第三板的周向两端沿径向延伸的第一槽形件以及与第一槽形件相对设置的第二槽形件，换热器通过第一槽形件和第二槽形件可拆卸地安装于固定支架上。

根据本发明实施例的一个方面，第一槽形件和第二槽形件相对于固定支架的第三板呈第一预定角度排布，使得换热器朝向第三板倾斜设置。

根据本发明实施例的一个方面，第一槽形件和第二槽形件相对于固定支架的第三板呈第二预定角度排布，使得换热器朝向相邻的固定支架的第三板倾斜设置。

根据本发明实施例的一个方面，套管具有热隔离设置的内壁和外壁。

根据本发明实施例的一个方面，第一隔板上开设有允许换热器穿过的检修口，第一隔板通过盖板密封地盖合于检修口。

另一方面，本发明实施例还提供了一种电机，其包括如前所述的任一种冷却系统。

另一方面，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括：机舱；如前所述的任一种电机，电机的冷却系统的循环风机设置在机舱一侧。

本发明实施例提供的冷却系统及电机，通过在定子支架的周向上设置汇流腔室、与汇流腔室连通的至少一个容纳腔室，并在汇流腔室或者至少一个容纳腔室内设置换热器，在定子支架的轴向上设置循环风机，在汇流腔室内设置沿自身轴向贯穿定子支架的套管，可以实现对电机内部的发热部件进行循环冷却，冷却系统整体结构简单紧凑、占用空间小，且散热均匀。另外，本发明实施例提供的风力发电机组，采用该电机，可以有效减小机舱的尺寸，进而减少整机成本及整机载荷，提高了风力发电机组的可靠性和可维护性。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的一种电机的冷却系统的局部结构示意图；

图2是图1中的电机的冷却系统沿轴向所示的局部结构示意图；

图3是沿图2中a-a方向所示的电机的冷却系统的剖视图；

图4是图1所示的冷却系统的局部分解结构示意图；

图5是图4所示的冷却系统的一种固定支架的结构示意图；

图6是图4所示的冷却系统的另一种固定支架的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种冷却系统的局部分解结构示意图；

图8是图7所示的冷却系统的一种固定支架的结构示意图；

图9是图7所示的冷却系统的另一种固定支架的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种电机的整体布局结构示意图。

其中：

1-主轴；1a-定子绕组；1b-定子铁芯；1c-气隙；1d-径向通道；10-定子支架；101-容纳腔室；102-汇流腔室；103-隔离腔室；11-第一端板；12-第二端板；13-第一隔板；131-检修口；14-第二隔板；15-环形板；16-套管；17-固定支架；171-第一板；172-第二板；173-第三板；174-安装槽；175-第一槽形件；176-第二槽形件；18-盖板；181-第一开口；182-第二开口；a-通风孔；

20-转子支架；2a-磁钢；21-通风腔室；

30-换热器；31-第一接头；32-第二接头；40-循环风机；401-外壳；402-风扇；403-马达；41-进风口；42-出风口；43-供风软管；50-供液管；60-回液管/回气管；

100-电机；200-轮毂；210-叶轮；300-机舱。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少区域的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了区域结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的电机及风力发电机组的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图10对本发明实施例的冷却系统、电机及风力发电机组进行详细描述。

请一并参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种冷却系统，应用于电机，电机包括定子支架10和转子支架20，定子支架10与转子支架20动密封连接，以形成沿电机轴向两端的通风腔室21。

电机可以是外转子、内定子结构，也可以是外定子、内转子结构。定子通过定子支架10固定于定轴上，转子通过转子支架20固定于动轴上，定轴和动轴之间通过轴承连接，并实现相对转动。定轴与动轴共同组成电机的主轴1。为了便于描述，本发明实施例以具有外转子、内定子结构的电机为例进行说明。

定子包括定子绕组1a和沿轴向间隔布置的多个定子铁芯1b，每相邻的两个定子铁芯1b之间形成有径向通道1d。每个定子铁芯1b包括轭部和与轭部一体成型的齿部(图中未示出)，定子绕组1a缠绕于齿部，定子通过轭部固定于定子支架10上。转子支架20上设置有磁钢2a，转子与定子之间沿径向形成有气隙1c。定子绕组1a、定子铁芯1b和磁钢2a均为发热部件。

冷却系统包括：汇流腔室102、至少一个容纳腔室101、至少一个换热器30和至少一个循环风机40。

汇流腔室102沿定子支架10的周向设置。

至少一个容纳腔室101沿定子支架10的周向间隔分布，至少一个容纳腔室101位于汇流腔室102的径向内侧且与汇流腔室102连通。

至少一个换热器30设置于容纳腔室101内或者汇流腔室102内，换热器30可以为空-空换热器，也可以为空-液换热器。可选地，换热器30为例如但不限于板翅式、管翅式、列管式的空-液换热器，换热器30内的冷却介质可以为液态介质或者相变介质，换热器30内的冷却介质通过位于定子支架10外侧的供液管50和回液/回气管60与外界冷却系统热交换，进而对电机进行循环冷却。

至少一个循环风机40具有进风口41和出风口42，可选地，循环风机40设置于定子支架10的轴向一端。其中，冷却空气通过循环风机40的出风口42进入电机轴向两端的通风腔室21，冷却电机内的发热部件后，经由汇流腔室102、换热器30以及容纳腔室101进入循环风机40的进风口41。

可选地，冷却系统还包括套管16，套管16沿轴向设置在汇流腔室102内，贯穿定子支架10，冷却空气流经套管16进入与循环风机40的出风口42轴向相对的通风腔室21内。

由此，冷却系统的冷却过程如下：冷却空气从换热器30经进风口41进入循环风机40中，并在循环风机40的负压作用下经过出风口42直接进入邻近一端的通风腔室21中，如图2中的箭头w1所示，其中，一部分冷却空气通过套管16进入电机另一端的通风腔室21内，如图2中的箭头w2所示。

进入电机100轴向两端的通风腔室21中的两部分冷却空气，分别对定子绕组1a的两个端部进行冷却，之后沿气隙1c流动，实现对磁钢2a、转子轭部及定子绕组1a的冷却。然后经过沿定子的轴向间隔分布的多个径向通道1d实现对定子绕组1a及定子轭部的冷却，经过径向通风道1d的冷却空气温度升高，高温的冷却空气在循环风机40的作用下，经由汇流腔室102、通风孔a进入容纳腔室101中，与换热器30进行热交换，如图2中的箭头w3所示。汇流腔室102和至少一个容纳腔室101可以在电机内形成有效的气流组织密封腔，建立合理的气流组织，实现定子绕组1a、定子铁芯1b及磁钢2a的有效散热。换热器30通过供液管50和回液管/回气管60与外界冷却系统连接，使得冷却空气温度下降，形成温度相对较低的气流，在循环风机40的作用下，再次进入到电机轴向两端的通风腔室21中，进行下一次气流组织的冷却循环。

由于循环风机40沿电机的轴向设置，出风口42朝向电机轴端的一个通风腔室21设置，以将来自换热器30的气流引导至该通风腔室21内，并通过设置于汇流腔室102内且沿自身轴向贯穿定子支架10的套管16将来自换热器30的气流引导至另一个通风腔室21内。通过循环风机40与定子支架10的有机结合，循环风机40上只需要设置一个出风口42即可，从而可以减小循环风机40的体积。

可选地，两个以上的循环风机40沿定子支架10的周向分布，相对于沿定子支架的轴向设置一个整体的循环风机而言，既可以达到同样的散热效果，同时也可以使电机的整体结构简单、紧凑、占用空间较小。

另外，换热器30的供液管50和回液管/回气管60位于容纳腔室101的外部，进一步简化了电机的内部结构，使电机的整体结构更加简单、紧凑、占用空间更小。

进一步可选地，冷却系统包括沿定子支架10的周向间隔设置的两个以上的容纳腔室101，相应地，两个以上的换热器30和循环风机40沿定子支架10的周向也均匀分布。由于电机轴向两端的通风腔室21具有足够大的容积，可以发挥静压腔的作用，使得定子绕组1a的端部具有均匀的冷却效果，同时确保沿轴向方向进入气隙1c的气流的均匀性，进入气隙1c的冷却空气沿气隙1c流动，同时流经定子绕组1a及定子铁芯1b的径向通风道1d进入到汇流腔室102内，汇流腔室102也具有足够大的容积，可以发挥静压腔的作用，从而确保气流沿整个周向空间内的均匀性，避免气流组织不均。

本发明实施例提供的冷却系统，通过在电机的定子支架10的周向上设置汇流腔室102、与汇流腔室102连通的至少一个容纳腔室101，并在汇流腔室101或者至少一个容纳腔室102内设置换热器30，在定子支架10的轴向上设置循环风机40，在汇流腔室102内设置沿自身轴向贯穿定子支架10的套管16，可以实现对电机内部的发热部件进行循环冷却，冷却系统整体结构简单紧凑、占用空间小，且散热均匀。

下面结合附图进一步详细描述冷却系统的具体结构。

再次参阅图3，定子支架10包括沿轴向延伸的环形板15，环形板15将定子支架10沿径向分隔成汇流腔室102和至少一个容纳腔室101，环形板15沿周向设置有至少一个通风孔a，汇流腔室102通过通风孔a与容纳腔室101连通。

进一步地，定子支架10还包括沿径向延伸且沿轴向相对布置的第一端板11和第二端板12，第一端板11、第二端板12以及环形板15形成汇流腔室102，套管16贯穿第一端板11与第二端板12设置。

可选地，套管16具有热隔离设置的内壁和外壁，以使套管16内部的冷却空气在到达另一个通风腔室21之前不与套管16外部的气流进行热交换，从而可以避免冷却空气在热交换的过程中出现气流短路现象。

定子支架10还包括位于第一端板11和第二端板12之间沿径向延伸且同轴设置的第一隔板13和第二隔板14，第一隔板13和第二隔板14位于第一端板11和第二端板12的径向内侧，第一隔板13、第二隔板14以及环形板15形成容纳腔室101。

可选地，换热器30设置于容纳腔室101内，可选地，循环风机40设置于第一隔板13的轴向外侧。

进一步地，循环风机40包括外壳401和容纳于外壳401内的风扇402和马达403，马达403驱动风扇402转动，进风口41和出风口42分别设置于外壳401上。

另外，循环风机40的出风口42处设置有朝向邻近的通风腔室21延伸的供风软管43，以便于缓冲循环风机40产生的负压冷却气流对邻近的通风腔室21的振动冲击。

请一并参阅图4至图6，冷却系统还包括沿定子支架10的周向间隔分布的至少一个固定支架17，固定支架17设置于第一隔板13和第二隔板14之间，换热器30可拆卸地安装于固定支架17上。

固定支架17包括沿定子支架10的径向延伸且沿定子支架10的周向相对设置的第一板171和第二板172，以及连接第一板171和第二板172且沿定子支架10的周向设置的第三板173，第一板171和第二板172分别设置有沿轴向延伸的安装槽174，换热器30通过第一板171和第二板172上的安装槽174可拆卸地安装于固定支架17上。

如图5所示，在一些实施例中，安装槽174分别设置于第一板171和第二板172相对的一侧，换热器30插入第一板171和第二板172的安装槽174内。此时，环形板15、定子支架10、固定支架17和主轴1共同形成容纳腔室101，容纳腔室101在电机内形成有效的气流组织密封腔，可以防止通过通风孔a进入容纳腔室101的冷却空气在与换热器30进行热交换的过程中出现气流短路现象。

另外，当定子支架10沿自身周向设置有两个以上容纳腔室101时，两个以上的固定支架17沿定子支架10的周向间隔分布，每相邻的两个容纳腔室101之间通过固定支架17形成隔离腔室103，即，在环形板15的径向内侧，隔离腔室103与容纳腔室101沿定子支架10的周向交错设置。

由于汇流腔室102通过环形板15沿周向设置的通风孔a与各容纳腔室101内的换热器30的气流组织连通，并且汇流腔室102内的套管16与电机轴向两端的通风腔室21连通，因此，在任何一个循环风机40出现故障后，其它循环风机40仍然可以使故障循环风机40对应的换热器30处存在气流通过，从而能够同时兼顾到故障循环风机40所对应的定子绕组1a、定子铁芯1b及磁钢2a的散热需求，提高了电机的可靠性和容错性。

如图6所示，在一些实施例中，安装槽174分别设置于第一板171和第二板172相背的一侧，换热器30插入固定支架17的第一板171的安装槽174内和相邻的固定支架17的第二板172的安装槽174内。此时，环形板15、定子支架10、固定支架17的第一板171、相邻的固定支架17的第二板172和主轴1之间共同形成容纳腔室101，容纳腔室101在电机内形成有效的气流组织密封腔，可以防止通过通风孔a进入容纳腔室101的冷却空气在与换热器30进行热交换的过程中出现气流短路现象。

再次参阅图4，第一隔板13上开设有允许换热器30穿过的检修口131，第一隔板13通过盖板18密封地盖合于检修口131。换热器30上设置有第一接头31和第二接头32，盖板18上开设有第一开口181和第二开口182，第一接头31伸出第一开口181并与供液管50连接，第二接头32伸出第二开口182并与回液管/回气管60连接。

由此，一方面，固定支架17可以作为定子支架10的加强筋，提高了定子支架10的结构强度和刚度；第二方面，换热器30可拆卸地插入安装槽174内，并且第一隔板13上设置有相应的检修口131，在更换或者维修换热器30时，只需要拆卸盖板18，并沿轴向抽拉换热器30即可从检修口131处快速完成更换工作，提高了更换效率。

由于循环风机40设置于定子支架10的轴向外侧，当循环风机40需要更换时，可以直接将循环风机40从供风软管43处和第一隔板13上拆卸，不需要拆卸其它部件，提高了电机的可维护性。

请一并参阅图7至图9，本发明实施例还提供了另一种冷却系统，其与图1至图6所示的冷却系统的结构类似，不同之处在于固定支架17的结构及相应的换热器30的固定方式不同。

具体来说，如图7所示，固定支架17包括沿定子支架10的周向设置的第三板173、在第三板173的周向两端沿径向延伸的第一槽形件175以及与第一槽形件175沿径向相对设置的第二槽形件176，换热器30通过第一槽形件175和第二槽形件176可拆卸地安装于固定支架17上。

可选地，第一槽形件175和第二槽形件176的数量均为两个，固定支架17上可以设置两个换热器30，增加了换热总面积。

如图8所示，在一些实施例中，第一槽形件175和第二槽形件176相对于固定支架17的第三板173呈第一预定角度排布，使得换热器30朝向第三板173倾斜设置。环形板15、定子支架10、固定支架17的换热器30和主轴1共同形成容纳腔室101，容纳腔室101在电机内形成有效的气流组织密封腔，可以防止通过通风孔a进入容纳腔室101的冷却空气在与换热器30进行热交换的过程中出现气流短路现象。

如图9所示，在一些实施例中，第一槽形件175和第二槽形件176相对于固定支架17的第三板173呈第二预定角度排布，使得换热器30朝向相邻的固定支架17的第三板173倾斜设置。环形板15、定子支架10、相邻的固定支架17上的两个换热器30以及主轴1共同形成容纳腔室101，容纳腔室101在电机内形成有效的气流组织密封腔，可以防止通过通风孔a进入容纳腔室101的冷却空气在与换热器30进行热交换的过程中出现气流短路现象。

可选地，当每个容纳腔室101内设置两个换热器30时，第一隔板13上对应开设有两个检修口131，第一隔板13通过两个盖板18密封地盖合于检修口131。

需要说明的是，虽然以上为了方便描述，以电机为外转子、内定子结构作为示例对冷却系统进行了描述，但应理解的是，根据本发明的示例性实施例，上述冷却系统的工作原理同样适用于外定子、内转子结构的电机，相应的定子支架10和转子支架20作适应性修改即可。

参阅图10，本发明实施例还提供了一种电机，其包括如前所述的任一种冷却系统。该电机结构紧凑、占用空间小，且散热均匀。

另外，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，其包括机舱和如前所述的电机，电机的冷却系统的循环风机40设置在机舱一侧，便于后期安装、维护与更换。

本发明实施例提供的风力发电机组，采用如前所述的电机，可以有效减小机舱的尺寸，进而降低整机成本及整机载荷，提高了风力发电机组的可靠性和可维护性。

此外，根据以上所述的示例性实施例的电机可被应用到各种需要设置电机的设备中，例如但不限于风力发电机组。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。