專利名稱：旋轉式電力發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種諸如電力發電機的旋轉式電力發電機。特別地，本發明涉及大功率旋轉式電力發電機氣體直接冷卻形式的冷卻結構。
電力發電機，特別是透平電力發電機具有多個軸向布置的轉子繞組或沿軸向形成的線槽，其中布置有繞組。這些線槽具有一定的間隔地排列在轉子主體磁極部件兩側的轉子主體圓周面上，而且構成相同磁極的多個繞組同軸布置在磁極周圍。這些繞組由多匝繞組導線沿徑向層疊構成，并且匝間具有絕緣層。當電源從外部加在這些繞組上時，在各個磁極上就產生了電磁場。繞組借助轉子內的槽楔被堅固地固定在線槽內，使其不至于由于轉子旋轉產生的高離心加速度而沿繞組外徑方向飛離。另外，繞組借助設置的圓筒形護環固定，使其與繞組周邊部分接觸。
供電到繞組使繞組導線產生焦耳熱。繞組的絕緣層采用具備高耐熱性的材料，例如云母。但是，絕緣的允許溫度極限是130℃(B型絕緣材料)，或155℃(F型絕緣材料)。另外，由于溫升引起的繞組導線熱膨脹使繞組和轉子產生顯著變形，并且引起旋轉振動。因此，如JP-A-9-285052說明書中所述，采用了一種被稱為徑向流動冷卻系統的冷卻結構，以便用冷卻流體冷卻繞組，使其溫度不升高。在這種結構中，在線槽的底部設置了一個作為從繞組的一端的通風流道的副槽，還在徑向設置了一些流道，同時保持了匝間絕緣。在槽楔處設置了一個孔，以便此流道與轉子外徑側連通。需要的時候，在導線的縱向設置的具有冷卻流道的軸向流動冷卻流道可以和徑向流道組合在一起。采用這種方式，冷卻流體可以從副槽提供到在轉子繞組處形成的冷卻流道中，從而繞組的溫度可以借助強制冷卻轉子繞組被限制在預定溫度或更低。空氣和氫氣通常作為冷卻流體使用。原則上，除此之外的其它流體也可以使用，但是考慮到安全和方便因素，這兩種氣體使用得更頻繁。
但是，在上述現有技術中還存在一個問題，就是當冷卻流體從每個徑向流道的副槽擴散時產生的擴散通風阻力在每個副槽的軸向位置是不均勻的，這樣就產生了空氣分布的不均勻和轉子軸向位置的不均勻性。因此，近年來由于電力發電機緊湊性引起的熱負荷增加，整個轉子繞組的溫度就增加，而且溫度極限裕度降低。為此，需要在這個部分提供一種在這部分預防溫升的方法，同時還要保持槽端繞組的強度。然而，傳統上沒有考慮到解決這個問題的方法，而且僅有一種通過依據電力發電機體積，減少每電力發電機體積的輸出來獲得大容量，即增加電力發電機的尺寸并降低熱負荷，以保證輸出。
如果將冷卻流體由空氣變換為氫氣，即使采用傳統結構也可以滿意地降低轉子繞組的溫度。但是，整個電力發電機的結構必須整體密封，這樣就需要密封結構上的特殊技術。另外，采用空氣冷卻，還需要有控制氫氣純度的外圍裝置。這樣就存在一個缺點，即電力發電機設備的總體成本增加。還有一個問題是氫氣是極易爆炸的氣體，因此在包括透平機的易燃環境中必須極度小心。
如上所述，盡管上述現有技術能夠解決電力發電機的大容量問題，但是存在一個難題，即不能降低每電力輸出的單位價格。
本發明的一個目的是提供一種旋轉式電力發電機。由于采用不增加制造成本而改善這種旋轉式電力發電機的冷卻特性的空氣冷卻機械結構，這種發電機具有低成本和高可靠性。
為了實現上述目的，根據本發明，提供的旋轉式發電機的結構包括轉子；在轉子磁極部件兩側圓周方向間隔地排列在轉子圓周面上的軸向線槽；在線槽底部的副槽開口；相對于磁極同軸布置、在線槽外側擴展、并且在其上有交替層疊的導線絕緣材料的轉子繞組；在其中將轉子繞組固定到轉子線槽的槽楔；一個在轉子兩端線槽外部擴展的旋轉繞組旋轉軸周邊側的護環；以及插入槽楔間或護環間的絕緣塊，其中轉子繞組具有一些從副槽通到絕緣塊和槽楔的徑向通風流道，而且在徑向流道的內表面有一個凸部或肋。
本發明提供另一結構，其中，徑向流道的流道面積隨預定的間距變化，最大面積與最小面積的比值是2或更小。
本發明還提供另一種結構，其中，在構成上述徑向流道孔的內表面設置有凸部。
本發明又提供一種結構，其中，相對于冷卻流體的流動方向設置有帶凸部的縱向流道。
本發明進一步提供一種結構，其中，相對于導線縱向流道的冷卻流體的逆流方向具備帶V形尖端的凸部。
圖1是說明透平電力發電機結構的示意圖。
圖2是說明透平電力發電機轉子繞組端部結構的示意圖。
圖3是說明轉子繞組槽橫截面的透視圖。
圖4是說明轉子繞組導線和絕緣片結構的透視圖。
圖5是依據本發明一個實施例說明轉子繞組部分橫截面的圖。
圖6是依據本發明一個實施例說明通風阻力和散熱特性趨勢的圖。
圖7是依據本發明一個實施例說明徑向流道凸部高度和繞組溫度趨勢的圖。
圖8是使用本發明采用的徑向冷卻系統的轉子剖面結構圖。
圖9是說明本發明應用于以及本發明沒有應用于圖8所示轉子中的空氣分布趨勢圖。
圖10是本發明應用于以及本發明沒有應用于圖8所示轉子中的溫度分布趨勢圖。
圖11是說明依據圖4所示的本發明的制造方法的圖，其中圖11A表示沖壓穿孔狀態，圖11B表示孔周邊塑性變形狀態，以及圖11C表示凸部形成狀態。
圖12是依據本發明的另一個實施例說明轉子繞組的部分橫截面圖。
圖13是依據本發明的另一個實施例說明轉子繞組的部分橫截面圖。
圖14是依據本發明的另一個實施例說明轉子繞組的部分橫截面圖。
圖15是包括使用圖14的本發明的軸向流動通風冷卻系統的轉子剖面結構圖。
圖16是說明圖15所示轉子的一個槽橫截面圖。
圖17是說明制造圖14所示的繞組導線凸部的方法示例圖。
圖18是說明圖14所示的本發明的另一個實施例的圖。
圖19是說明制造圖18所示的繞組導線凸部的方法示例圖。
在說明本發明的實施例以前，說明透平電力發電機的簡要結構。圖1是使用本發明的空氣冷卻電力發電機例子的示意結構圖。但是，在這里所示的基本結構不依賴于冷卻流體類型。
在圖1中，轉子1由定子2內的軸承3可旋轉地支撐。在轉子1內，構成相同磁極的多個轉子繞組4同軸地布置在磁極周圍，并且被固定。施加在轉子繞組4上的離心力相對于軸向部件在轉子圓周表面上間隔形成的繞組槽處支持，并且由轉子端部周邊部分在護環5處穩固地支持。
在圖中，為了說明方便，盡管僅示出了提供電流到轉子的匯流環6的一側，但是還有相似的一側設置在透平側。線槽和轉子端的繞組形狀結構將在以后敘述。風扇7布置在護環5和一個軸承之間，以便于由空氣冷卻器8冷卻的空氣在電力發電機內部循環。布置有一個風道，使得風扇7提供的空氣可以提供到定子2和轉子1之間的空隙，稱之為氣隙9或定子繞組端。定子2由定子機座11支撐，而定子機座(未示出)牢固地固定在基底上。
圖2是說明轉子端繞組形狀的透視圖。在圖中，為說明方便，未示出護環。另外，在圖中提供了兩個磁極。在許多情況下，盡管一臺透平電力發電機采用兩個或四個磁極，但是根據使用和輸出情況磁極數不限于此。
從圓周面外側看，護環5壓住從轉子1的槽到轉子端處凸出的轉子繞組4。從轉子1的轉子繞組4的圓周面處看，孔12是槽楔19的穿通孔，槽楔19支撐轉子繞組4抵抗離心力，孔12也是通過副槽和以后敘述的轉子圓周面徑向流道的排氣孔。箭頭101是一個軸向部分，在此處可以設置這種徑向流道。箭頭102是暴露在繞組槽外部的轉子繞組4的端部。加在兩者之間的箭頭103是一個繞組槽端。繞組槽端是將護環5固定到轉子1的部分，結構上還是一個在槽楔19處不能設置排氣孔的部分。
圖3是繞組槽剖面結構的透視圖，圖中示出了兩個槽。副槽15設置在容納轉子繞組4的線槽14的底部。這個副槽15起著轉子1的軸向通風流道的作用，用于從圖1所示的風扇7供氣。此副槽的寬度設置得比線槽14的寬度窄，以防止繞組導線16滑入副槽。轉子繞組4由繞組導線16徑向層疊而成，導線16具有多個在其上借助多次沖制的通風孔17。將在與繞組導線同樣位置沖制了孔的薄安裝片(未示出)加在這些繞組匝間。
圖4是說明繞組導線16和絕緣片34的部分透視圖。
作用在每個由繞組導線16和絕緣片34構成的轉子繞組4上的離心力借助絕緣塊18由槽楔19支持。轉子繞組4由絕緣塊18、槽絕緣體20、和由具有良好絕緣電阻特性的材料制造的墊片21支撐，并且與轉子1電氣絕緣。其中沿軸向導向副槽的冷卻流體供應到包括繞組導線16的通風孔、絕緣片34的孔、絕緣塊18和槽楔19的孔的徑向流道17中，以便冷卻轉子繞組4。
圖5示出依據本發明徑向流道的一個實施例。
在這個說明性的實施例中，在每根繞組導線16的內表面上設置有一個肋形的凸部22。凸部22在通風流道內的壁面中使氣流產生扭曲。壁面附近的氣流在肋形凸部22處被釋放，由此釋放的氣流粘附在肋后側的壁面上。這樣，在壁面附近的氣流扭曲強度增加，通風阻力和散熱增加。通風阻力和散熱是凸部高度“E=(WC-WR)/2”相對于凸部間距“P”的比值“E/P”的函數。此處，凸部的孔寬度相對于通風孔WC的孔寬度被定義為WR。
圖6是說明通風阻力和散熱相對于E/P的變化趨勢示意圖。
通風阻力23和散熱24隨著E/P的增加而增加。如果E/P過度增加，通風阻力23快速增加，而熱阻沒有增加這樣快。這是因為肋處的氣流釋放點和通風道壁面的氣流粘附點之間的距離大于凸部間距P，釋放的氣流幾乎粘附不到壁面上。
圖7是示出使用層疊導線時E/P和繞組溫度Tcoil之間的關系。
Tcoil可以用下列公式表示，式中繞組的熱比率定義為WTcoil=W/(p·Q·Cp)+W/(Aα)式中p代表冷卻流體密度；Q代表冷卻流體的流速；α代表通風流道內表面處的傳熱系數。第一項(W/(p·Q·Cp))是一個代表冷卻流體溫升的項；第二項(W/(Aα))是一個代表由于在通風流道內表面傳熱引起的冷卻流體溫升的項。在圖7中，前者用實線25表示，后者以實線26表示。E/P增加時，冷卻流體的流速隨著通風阻力的增加而降低，而且冷卻流體的溫度升高。另一方面，由于散熱引起的溫升隨著E/P的增加而降低。如果E/P過度增加，實質上它變得與E/P值沒有關系。繞組溫度Tcoil等于這些值的總和。由此，如實線27代示，Tcoil以預先確定的E/P設置到相對最小。因此，最好確定E/P，使Tcoil值變得相對最小。
圖8是表示采用本發明的旋轉式電力發電機轉子的軸向橫截面圖。
在圖中，左端代表轉子中心。冷卻空氣26經過槽15從一個進口部件軸向供給，并且擴散到多個徑向流道17中。在圖9和圖10中，示出在水平軸上從中心到端部的位置以及在縱向軸每個徑向流道17的空氣分布Q和導線溫度分布T。在從副槽15到徑向流道17擴散的過程中，出現擴散通風阻力，這個阻力是副槽15的流速與每個徑向流道17的流速之間比率的函數。其數量隨副槽15與每個徑向流道17的面積比變化。通常，中心部分數值小，而端部數值大。因此，徑向流道17的通風阻力與該徑向流道的軸向位置恒定無關的地方，就出現了中心部分溫度較低，而端部溫度較高的趨勢，如圖9中的實線28所示。
由此，如圖10中的實線30所示，中心部分的溫度較低，而端部溫度較高，這樣就引起了繞組溫度分布不均勻。為防止這種不均勻現象，可取的方法是改變E/P，由此抵消由于擴散引起的通風阻力。特別是使中心部分的E/P比端部的E/P大一些。通過這樣做，如圖9中的實線29所示，隨著通風阻力的增大，中心部分徑向流道的流速降低。另一方面，在端部的流速增大。E/P增加時，散熱增加到一定程度。因此，即使中心部分的流速降低，溫度也不升高。這樣，如圖10中的實線31所示，從中心部分到端部的溫度就能夠均勻化。
圖11給出圖4所示本發明繞組導線的制造方法。圖4所示的肋結構可以通過機械加工一個徑向流道17的孔來設置。但是，存在一個問題，即這樣的加工使制造成本過高。為解決這個問題，提供一種方法，其中可以采用圖4所示的本發明，其與傳統加工方法比較使制造成本變化。即，如圖11A所示，用小塊30沖出通風孔。然后，如圖11B所示，用帶有比一次沖出的孔大的凸部31的塊32壓制通風孔的邊緣。用這種方式，使導線孔周圍的通風孔在通風孔減小的方向塑性變形。在這樣的通風孔內部塑性變形的凸部構成圖4(圖11C)所示的肋。凸部的形狀不一定總是矩形的。如果E/P設置一個預定值就足夠了。在通風流道內的凸部不一定要在導線本身設置。
圖12示出每個構成一個凸部的導線之間絕緣體的另一個實施例。
在示意性實施例中，在導線之間起著絕緣體作用的絕緣片34的孔寬度WR制造得比每個導線的通風流道的孔寬度要小一些。采用這樣的結構，可以獲得類似圖4所示的有利效果。另外，還有一種有利的效果，即與其中在導線部分沖一個比在導線之間的絕緣體處的導線的孔要小一些的孔的方法設置凸部相同的效果。還有一種有利的效果，即可以不增加加工步驟制造絕緣體。
圖13給出了本發明的另一個實施例。在圖12中，導線之間的絕緣體的孔徑制造得比導線的孔徑要小一些。可是，在說明性的實施例中，臨近導線孔徑交替改變。用這種方式，實際上可以獲得與圖4等同的有利效果。當然，類似的效果可以通過改變臨近孔形狀的辦法獲得。
圖14示出本發明的另一個實施例。此圖是示出用于旋轉式電力發電機轉子中一根導線的流道截面圖，包括如圖15和圖16所示的導線軸向流動冷卻流道35。即在圖3所示的結構中，副槽設置在槽的底部，借助這個副槽部分在軸向形成流道。還有，在槽部分層疊導線部分處設置徑向流道。可是，在說明性實施例中，在導線的軸向設置軸向流動冷卻流道35，徑向流道17在導線中間設置。波形凸部36設置在流道內表面。圖17所示的凸部36可用凸塊壓入通風流道內表面形成。孔可以這樣壓制，這樣的孔的邊緣在相反的方向隆起，其相對氣流起著凸部的作用。這樣的凸部不一定總是垂直于氣流，也可以傾斜。
圖18給出相對氣流設置V形槽和凸部36的例子。這樣的槽和凸部可以用字組37的尖角切削通風流道內表面方便的形成。
圖19是切削剖面圖，示出縱向凸部傾斜于氣流的情形，借此方式可產生所謂的相對于氣流的縱向渦流。這樣，在通風阻力增加不顯著的條件下，可以獲得顯著的換熱效果。
依據本發明，提供一種透平電力發電機，在不增加任何制造成本而由于轉子和定子發熱有溫升的情況下，可以以低成本給予透平電力發電機提供高可靠性和大功率。
權利要求
1．一種旋轉式電力發電機，包括轉子；在轉子磁極部件兩側圓周方向間隔排列在轉子圓周面上的軸向線槽；在線槽底部的副槽開口；相對于磁極同軸布置、凸出在線槽外部、并有在導線上交替層疊導線絕緣材料的轉子繞組；轉子繞組固定于轉子線槽內的槽楔；旋轉繞組的旋轉軸外圍側上的護環，護環延伸出轉子兩端線槽的外部；以及插在槽楔或護環之間的轉子繞組絕緣塊，轉子繞組具有從副槽通到絕緣塊和槽楔的多個徑向通風流道，其中相對于徑向流道中冷卻流體的流動方向在徑向流道的內表面處設置凸部或肋。
2．一種旋轉式電力發電機，包括轉子；在轉子磁極部件兩側圓周方向間隔排列在轉子圓周上的軸向線槽；在線槽底部的副槽開口；相對于磁極同軸布置、凸出在線槽外部、并有在導線上交替層疊絕緣材料的轉子繞組；轉子繞組固定于轉子線槽內的槽楔；旋轉繞組的旋轉軸外圍側上的護環，護環延伸出轉子兩端線槽的外部；插在槽楔或護環之間的轉子繞組絕緣塊，轉子繞組具有從副槽通到絕緣塊和槽楔的多個徑向通風流道，其中徑向流道的流道面積隨著預定的間距而變化，而且徑向流道的最大面積和最小面積的比值是2或更小。
3．如權利要求1所述的旋轉式電力發電機，其中在構成的徑向流道的孔內表面上設置有凸部。
4．如權利要求1所述的旋轉式電力發電機，其中導線絕緣材料的孔寬度比導線的孔寬度小。
5．如權利要求2所述的旋轉式電力發電機，其中臨近導線孔寬度交替改變。
6．如權利要求1所述的旋轉式電力發電機，其中離凸部或肋的徑向流道內表面的凸部高度在轉子中心較高，在轉子端部較低。
7．如權利要求1所述的旋轉式電力發電機，其中凸部或肋僅在轉子中心的徑向流道組處設置。
8．如權利要求1所述的旋轉式電力發電機，其中凸部或肋僅在徑向流道外徑側匝組處設置。
9．如權利要求3所述的旋轉式電力發電機，其中徑向流道沖制而成，然后，加壓使沖制的孔邊緣塑性變形。
10．一種旋轉式電力發電機的轉子，包括轉子；在轉子磁極部件兩側圓周方向間隔排列在轉子圓周上的軸向線槽；在線槽底部的副槽開口；相對于磁極同軸布置、凸出在線槽外部、并有在導線上交替層疊絕緣材料的轉子繞組；轉子繞組固定于轉子線槽內的槽楔；旋轉繞組的旋轉軸外圍側上的護環，護環延伸出轉子兩端線槽的外部；以及插在槽楔或護環之間的轉子繞組絕緣塊，轉子繞組具有通風流道，通風流道內多個縱向流道和徑向流道從轉子內徑側與絕緣塊和槽楔連通，而且縱向和徑向流道相互組合而成。其中，相對于冷卻流體的流動方向設置每個都具有凸部的縱向流道。
11．如權利要求10所述的旋轉式電力發電機，其中相對于冷卻流體的逆流方向設置具有V形尖端切削凸部的縱向流道。
全文摘要
提供一種透平電力發電機,具有轉子線槽和副槽;具有導線和在其上交替層疊絕緣材料的轉子繞組;槽楔;以及將副槽與槽楔的通孔連通的徑向通風流道。在該透平電力發電機中,在徑向通風流道的內表面設置有凸部,而且在旋轉軸向位置凸部的高度是變化的。據此,可以以低成本提供具有高冷卻性能和高可靠性的氣體冷卻型旋轉式透平電力發電機。
文檔編號H02K15/04GK1289167SQ0012641
公開日2001年3月28日 申請日期2000年8月30日 優先權日1999年9月17日
發明者森英明, 木枝茂和, 海保真行, 塩原亮一, 服部憲一 申請人:株式會社日立制作所