[发明专利]一种风力发电机旋转冷却系统及包括该系统的风力发电机

说明书

技术领域

本发明属于风力发电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机旋转冷却系统及包括该系统的风力发电机。

背景技术

电机（包括发电机和电动机）作为现代社会最重要的电气设备之一，承担着把机械能转换到电能，或把电能转换为机械能的重要职能，广泛地应用于国民经济的各个方面，是现代社会必不可少的设备。风能，作为可再生能源中很重要的一部分，受到了包括中国在内的世界各国的高度重视。在过去几年里，风力发电机的装机容量连续多年大比例增长，尤其在中国，风力发电已成为一个重要的可再生能源行业，其中风力发电机作为风力发电系统中关键的部件之一，其设计技术、生产工艺已成为世界各国竞争的技术制高点，尤其是直驱式风力发电机，其转速低，体积大，重量沉，成本高，研制高功率密度电机可以大幅度降低风力发电机的重量和成本，具有极大的社会经济效益。

超导发电机与常规发电机相比较具有极大的优越性：在相同的容量定额下，体积小、重量轻；损耗小、效率高；转子绕组采用超导线绕制，运行时，超导绕组电阻几乎为零，没有焦耳热损耗；系统稳定性提高；发电机输出功率范围增大；由于这些优点，超导发电机（Superconducting Generator）近年在风力发电等领域受到越来越多研究者的重视。这种具有超高的功率密度且机械结构简单的优点，有望得到大规模工程应用。

超导发电机的超导励磁绕组采用液氦或液氮进行冷却，通入电流后在气隙中产生很强的磁场。为防止热辐射减少漏热，超导同步发电机的转子多采用具有真空夹层的多层圆筒结构，转子内筒为冷却剂储槽，内筒外为超导绕组及其支撑、辐射热屏蔽筒及阻尼筒。其基本结构如图1（a）和图1（b）所示。

目前，为了提高电机的功率密度，在超导风力发电机中常采用外转子结构，而且超导风力发电机常采用旋转电枢式，以更好保护超导励磁绕组以减小其失超的可能性。即通常会在超导励磁绕组外周再增加普通绕组和铁芯，与超导励磁绕组一同组成旋转电枢，以进行工作。然而，这种高功率密度的超导发电机会使得电枢绕组中产生大量的铜耗和铜耗，如果不及时将其带走，其产生的高温将严重影响超导电机正常地运行。因此，必须对外周的绕组和铁芯进行冷却。

目前，对于外周的绕组和铁芯的冷却，目前的冷却存在多种方式：

（1）采用水内冷却结构：由于采用铁心结构而使铁耗大大减小，绕组铜耗成为了超导发电机的主要热源。虽然水内冷却技术效果好，但在旋转电枢式的超导发电机中，由于电枢绕组的旋转使得水内冷却技术需要结构相当复杂的旋转水密封装置，这在无疑中大大地减小了超导发电机的稳定性。

（2）采用强迫空冷却结构：采用强迫空冷却虽然不需使用旋转水密封装置，但却需要旋转空气密封装置以减小外界空气对超导电机内部的侵蚀。然而旋转空气密封装置需要润滑等同样使复杂超导发电机可靠性降低。

这些冷却方式都会存在冷却系统装置复杂，密封要求高的缺陷，在超导风力发电机上难以实施，而且，现有的这种冷却系统冷却效果也不尽如人意从而容易导致超导发电容易失超而影响正常运行。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种超导风力发电机旋转冷却系统，用于对超导风力发电机的外转子进行冷却，旨在解决现有超导发电机冷却效果不好，冷却装置复杂的问题。

按照本发明的一个方面，通过一种超导风力发电机旋转冷却系统，用于对超导风力发电机的外转子进行冷却，其中，所述外转子包括铁芯和设置在铁芯上的绕组组成，所述铁芯由套装在超导励磁绕组外围的筒体和固定插装在筒体内周壁上的叠钢片形成，所述绕组设置在环形的叠钢片的凹槽中，其特征在于，该旋转冷却系统包括至少一个贴附布置于超导风力发电机的外转子的铁芯筒体外周壁上的换热单元，其中，

换热单元包括过滤器，冷却风扇、换热器和换热器壳体，其中，过滤器设置在换热器壳体端部，表面均布多个过滤孔，用于风力发电机叶片旋转所引起的风通过该过滤器进入换热器壳体中，所述冷却风扇置于过滤器后端，并与换热器壳体内腔相通，用于将从过滤器进来的冷却风通过该冷却风扇吹入换热器壳体中以流动，所述换热器壳体轴向贴附在铁芯筒体外壁上，其与筒体外壁接触的壳体表面上开有多个散热孔，并可与铁芯筒体外壁上开设的通孔相通，以使得铁芯绕组内的热量能够与换热器壳体内腔中的冷却风流动，以进行热量交换，并通过换热器壳体另一端的出口排出，实现对流冷却。

作为本发明的改进，所述换热单元为多个，同心均匀布置在铁芯筒体外周壁上。

作为本发明的改进，所述换热器通过模块化方式置于换热壳体中，可方便从换热器壳体内腔中抽取。