[发明专利]具有改善的冷却的旋转机械

说明书

技术领域

本公开涉及用于旋转机械的转子。更具体地，本发明涉及旋转机械的包括转子磁极的构件。

本公开大体涉及旋转机械的改善的冷却构造。

背景技术

现有技术电能转换依靠三相电力网，其利用处于50Hz或60Hz频率和范围从数百伏特到数十万伏的电压水平的交流电流(AC)。旋转机械能到电能的转换且反之分别通过发电机和通过马达来完成。这些旋转机械可分成异步和同步装置。

马达和发电机包括定子和转子。机械的转子在定子的定子孔内旋转。具有凸极的同步机械典型地通过转子磁极生成磁场，该转子磁极包括磁极芯，该磁极芯具有卷绕其的转子绕组。转子磁极的数量和定子磁场的频率限定了旋转机械的每分钟转数(rpm)。转子绕组的电阻导致其中的电阻损耗。总体上，在设计期间需要考虑这些损耗，且转子需要冷却。用于转子的冷却机构典型地依靠诸如水、氢或空气的冷却流体。本公开关注空气冷却转子。然而，本公开的教导也适用于其他类型的机械。

在空气冷却机械中，为热的形式的损耗必须通过对流来远离转子传递。通过对流的冷却效果取决于空气流量(单位时间的体积)、冷却剂的温度、和传热系数。在某些机械中，对需要冷却的所有区域供给冷却空气可具有挑战性。

如果转子内侧的区域未得到充分冷却，则机械可在该区域中局部地过热。

一般而言，通过对流的传热由以下公式确定：

Q = α · A · ΔT

其中：

Q指示单位时间的热流量[W];

α指示传热系数[W/m2. K]；

A指示可用于冷却的表面[m²]；并且

ΔT指示固体和流体温度之间的温差[K]。

可通过改变下列参数来影响通过对流的传热：

1. 传热系数α取决于冷却剂流体的流动特性(湍流)和散热表面的特性(粗糙度)。

2. 温差ΔT作为在散热表面与吸收为热的形式的损耗的冷却剂流体的温度之间的差异来计算。通过降低冷却剂流体的温度，散热表面的温度也将下降。典型地，流体的温度可通过增加单位时间的冷却剂体积通量来降低。备选地，入口处的冷却剂温度可下降。

3. 可添加冷却翅片以增大散热表面A。

常规设计最有效地利用这些参数，以试图实现最优结果。当设计者没有选择时，其可增加附加的冷却表面以降低温度。该技术还称为转子线圈的后通风，且典型地应用于凸极机械。转子线圈的后通风意思是指转子线圈的后部部件形成冷却回路的主动部件。然而，该措施很少应用，因为其涉及重大的设计变化，且尤其是机械的冷却构思的较大变化。此外，转子线圈的后通风经常与机械的其他机械要求冲突，尤其是由于必须提供用于冷却空气的附加管路。那些附加的管路易于损害机械的机械完整性。

因此，应当理解，优化这些参数可能是困难的，因为它们有时与其他设计参数冲突。增加体积流量例如对传热系数具有积极影响，但另一方面，更大的体积流量产生了更多的通风损耗。除了该冲突以外，几乎不可能改善机械的某些区域中的热状况。例如，因为空气路径基本阻塞，所以在两个磁极线圈支承件之间增加冷却空气量是非常困难的。如果此种状况发生，则有时改变冷却方案是一个机会。一种可能性是例如通常称为“背冷(back cooling)”的方案。在该情形下，通过在转子绕组与磁极体之间产生附加的空气路径来增加冷却表面。缺点是在该区域中存在灰尘积聚(从而增加短路的风险)和转子磁极芯弱化的危险。

本公开目的是满足上述需要且克服上述困难。

发明内容

根据优选实施例，本发明的目的是用于具有改善的冷却系统的旋转机械的转子磁极。

与上述后通风不同，本文所提出的解决方案不将冷却剂流体引导到要求冷却的部件。而是，从转子磁极中的损耗而生成的热被传递到具有用于建立热交换的有利特性的部件。

该目的通过根据独立权利要求1的构件并且通过根据权利要求13的转子实现。

本发明的另一目的是提供用于发电的旋转机械，其中，改善了通过传导的传热。因此，本发明的旋转机械不会达到可损害其各种部件的温度峰值。

因此，根据各种优选实施例，根据本发明的旋转机械要求更少的冷却剂流体，且因此产生更低的通风损耗。

由于旋转机械的部件的更低温度，故旋转机械的使用寿命因此增加。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，本发明的前述目的和许多附带优势将变得更好了解，因而它们更容易理解，在附图中：

图1是根据现有技术的旋转机械100的截面的二维示意图；