在面向線圈的表面中具有偏流槽道的電機線圈間隔塊的制作方法

專利名稱：在面向線圈的表面中具有偏流槽道的電機線圈間隔塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于通過攔截循環的冷卻劑流并將其重定向至相鄰的腔來增強電機轉子的冷卻的結構。
背景技術：
在諸如渦輪發電機的大型電機中，轉子包括沿其長度加工而成的槽，銅線圈放置 在這些槽中。這些線圈延伸到轉子本體外的部分稱為端部繞組。在轉子的端部繞組區域中， 線圈被間隔塊緊密地保持，取決于它們的位置，這些間隔塊又分為隔條、墊片和楔塊。電機的額定功率輸出常常由于對導電體絕緣材料施行的溫度限制而被提供通過 轉子磁場繞組的額外電流的能力所限制。因此，轉子繞組的有效冷卻對機器的輸出能力產 生直接貢獻。對于轉子端部繞組尤其如此，其中由于這些機器的典型結構而使直接強制冷 卻困難而昂貴。由于當前市場趨于需要效率更高、可靠性更高、成本更低、功率密度更高的 發電機，所以冷卻轉子端部繞組變成一個制約因素。為了冷卻端部繞組和線圈，循環的冷卻 劑流通過間隔塊與線圈之間的腔并進入線圈中的凹槽，凹槽始于這些腔并排出到煙道中。

發明內容
本公開的第一方面提供一種電機，包括具有多個相鄰的線圈的轉子；間隔塊，間 隔塊布置在相鄰的線圈之間以便限定與間隔塊相鄰并在互相相鄰的線圈之間的至少第一 腔；并且其中，間隔塊包括布置在間隔塊的面向線圈的表面中的槽道，用于將循環的冷卻劑
流攔截并重定向至第一腔。本公開的第二方面提供一種氣體冷卻式電機，包括具有軸和本體部分的轉子； 包括多個相鄰的線圈的轉子繞組，該多個相鄰的線圈包括布置在本體部分上的軸向延伸的 線圈和軸向延伸超出本體部分的至少一端的端帶，線圈和軸限定它們之間的環形區域；多 個間隔塊，多個間隔塊定位在相鄰的線圈之間，從而限定第一和第二腔，各腔向環形區域開 口并由相鄰的間隔塊和相鄰的線圈界定；并且其中，各間隔塊包括布置在間隔塊的面向線 圈的表面中的槽道，用于將循環的冷卻劑流攔截并重定向至第一腔。第三方面涉及一種用于氣體冷卻式電機的間隔塊，該間隔塊包括塊部件，用于 安裝在氣體冷卻式電機的轉子繞組的相鄰線圈之間，從而限定與塊部件相鄰的第一和第二 腔；以及布置在塊部件的面向線圈的表面中的槽道，用于將循環的冷卻劑流攔截并重定向 至第一腔。


圖1是定子與其成相對的面向關系的電機轉子的端部繞組的一部分的截面圖。圖2是沿著圖1的線2-2截取的電機轉子的俯視截面圖。圖3是顯示了流入和流經端部繞組腔的常規被動氣流的示意圖。圖4是顯示了包括根據本發明的實施例的間隔塊的氣體冷卻式電機的實施例的示意圖。圖5-10是根據本發明的間隔塊的實施例的放大透視圖。
標號列表10轉子；12定子；14本體部分；16轉子軸；18部分；20延伸的槽；22設置的線圈； 23延伸的線圈；24導體條；25電絕緣體；26楔形件；27端匝；28端部繞組；30保持環；32 定心環；34進氣通道；36環形區域；38冷卻槽道；40間隔塊；48端帶塊；50線圈側塊；52楔 塊；160第一腔；162第二腔；144槽道；140不同的槽道；146表面；148凹穴；170偏流結構；
具體實施例方式參照附圖，其中全部幾個圖中相同的參考標號指示相同的元件，圖1和2顯示了氣 體冷卻式電機的轉子10，該電機還包括圍繞轉子的定子12。轉子包括大致圓柱形本體部分 14，其居中地布置在轉子軸16上并具有軸向相對的端面，其中一個端面的一部分18在圖1 中示出。本體部分設置有多個周向隔開、軸向延伸的槽20，用于容納組成轉子繞組的同心地 設置的線圈22。為了清楚，僅示出了五個轉子線圈，盡管實踐中一般使用更多個線圈。特別地，構成轉子繞組的一部分的多個導體條24堆疊在各個槽中。相鄰的導體條 24由電絕緣體25的層分開。堆疊的導體條通常由楔形件26 (圖1)保持在槽中并由諸如銅 的導電材料制成。在可稱為端帶區域的范圍內，導體條24通過線圈的端匝(end turn) 27在 本體部分的各相對端互相連接。線圈22包含包括軸向延伸的線圈23的線圈側部分并軸向 延伸超出端面至端帶區域。將軸向延伸的線圈23和端匝27總稱為端部繞組28。端匝27 還被電絕緣體層分開。特別參照圖1，保持環30在本體部分的各端布置在端匝周圍以克服離心力將端部 繞組28保持在適當位置。保持環30在一端固定在本體部分上并延伸出轉子軸16上方。 定心環32附接在保持環30的遠端上。應當注意的是，保持環30和定心環32能夠以如本 領域中公知的其它方式安裝。定心環32的內周邊緣與轉子軸16徑向隔開以便形成進氣通 道34，并且端部繞組28與轉子軸16隔開以便限定環形區域36。沿著槽20 (圖2)形成的 多個軸向冷卻槽道38設置成經由環形區域36與進氣通道34流體連通以向線圈22(圖2) 傳送冷卻氣體。轉到圖2，在轉子10(圖1)各端的端匝27可由多個墊片或間隔塊40周向和軸向 地分開。(為了清楚地示出，圖1中未示出間隔塊)。在間隔塊40布置在端匝27之間的情 況下，它們可稱為端帶塊48。此外，軸向延伸的線圈23可由多個間隔塊40周向地分開。在 此位置，間隔塊40可稱為線圈側塊50或本體楔塊52。術語“楔”可應用于這些塊是因為 它們可設置有楔形以適應于在此位置與線圈23相配合所需的弓形。在任何情況下，間隔塊 40為不論是在徑向延伸的線圈側部或是在端帶區域都定位在相鄰的線圈之間的空間中的 絕緣材料的長的塊部件。間隔塊40可延伸超出端帶部或線圈側部的全部徑向深度而進入 環形間隙36中。如圖4中最好地示出，在大多數情況下，布置在相鄰的線圈(不論是軸向延伸的線 圈23或是端帶27)之間的間隔塊140分別限定與間隔塊40相鄰并且在互相相鄰的線圈之 間的第一腔160和第二腔162。同心堆疊的端部繞組28 (圖3)之間的空間被劃分為腔42。 這些腔在頂部由保持環30界定，而在四側由相鄰的端帶27和相鄰的間隔塊48界定，如圖2所示。類似地，如圖2中最好地示出，徑向堆疊的軸向延伸線圈23之間的間隔塊40可劃 分為腔54、56。通常，如圖2中對最外面的線圈所示，布置在相鄰的線圈23之間的間隔塊 40 (本體楔塊52)僅限定與其相鄰的一個腔54，因為間隔塊被布置成直接抵接轉子齒29的 一端。腔54在底部由保持環30界定，而在四側由相鄰的線圈23和相鄰的間隔塊40 (線圈 側塊50和本體楔塊52)界定。然而，按照本發明的實施例，如圖2中對最里面的線圈所示， 也可存在間隔塊40 (本體楔塊52)不抵接在轉子齒29的一端上的腔56。腔56在頂部可由 保持環30 (或楔形件26 (圖1))界定，而在四側由相鄰的線圈23、相鄰的間隔塊40 (線圈間 隔塊50)和轉子齒29的一端界定。圖1顯示了該后一種情形。如圖1中最好地示出，各上述腔經由環形區域36與進氣通道34流體連通。經進 氣通道34進入端部繞組28與轉子軸16之間的環形區域36的一部分冷卻氣體因而進入腔 42、54、56，在其中循環，然后返回到端部繞組與轉子軸之間的環形區域36。氣流在圖1、3和 4中由箭頭示出。取決于冷卻劑流的方向，任何腔42、54和56可構成第一腔160或第二腔 162。作用在旋轉的發電機腔中的固有泵吸動作和旋轉力通常產生大的單個環流圈 (flow circulation cell)，如圖3中示意性地示出。該環流圈在腔的周緣附近表現出其最 高速度，由于腔的中心區域中的固有的低速度而導致中心區域不充分地冷卻。如圖3所示， 由于該流圈的圓周運動不將冷卻流帶入拐角，所以拐角區域的大面積也被不充分地冷卻。現參照圖4，根據本發明的實施例，至少一個且優選地各個間隔塊140包括布置在 間隔塊的面向線圈的表面146中的槽道144，用于將循環的冷卻劑流攔截并重定向至與其 相鄰的第一腔。在圖4中，間隔塊140被示為處于腔42的底座的轉子繞組組件的局部部分 (艮P，端帶27)中。類似地，間隔塊140可如圖2所示布置在軸向延伸的線圈23內。因而， 間隔塊140可布置在軸向延伸的線圈23和/或端帶27中，如圖1-2中最好地示出。從而， 如文中所用，“面向線圈”可意味著面向軸向延伸的線圈23或端帶27，總稱為端部繞組28的 線圈22。槽道144具有向線圈23或端帶27開口的通口或槽，循環的冷卻劑流可經其從一 個位置移向第一腔160，因而改善腔之間的冷卻劑流動，并且還提供軸向延伸的線圈23或 端帶27的表面的直接對流冷卻。圖5-10顯示了間隔塊140的不同實施例并且尤其是可采用的不同槽道140的放 大透視圖。氣流在圖5-10中由箭頭示出。如圖4和圖5所示，在一個實施例中，槽道144可 從第二腔162(即，從第一腔160的間隔塊140的另一側的腔)攔截并重定向循環的冷卻劑 流。圖6示出一個實施例，其中槽道144從第一腔160攔截并重定向循環的冷卻劑流，即， 槽道144從第一腔160取得冷卻劑流并使其返回至第一腔內的不同位置。本實施例可應用 于間隔塊140僅具有一個與其相鄰的腔的情況下。例如，如圖2中對最外面的線圈所示，對 于定位為直接抵接轉子齒29的一端的本體楔塊52 (即，其中不存在腔56)，可出現這種情 況。圖7示出了從轉子10的軸16周圍的環形區域36攔截并重定向循環的冷卻劑流 的槽道144。圖8和9示出了除了從環形區域36取得冷卻劑流以外還可從第二腔162攔截 并重定向循環的冷卻劑流的槽道144。也就是說，既可從環形區域36又可從第二腔162取 得冷卻劑流。圖10示出了從槽道面向的線圈22(軸向延伸的線圈23或端帶27)攔截并重定向循環的冷卻劑流的槽道144。在本實施例中，凹穴148可布置在與槽道流體連通的間隔塊 140的表面146中使得循環的冷卻劑流可源自線圈或端部繞組。在這種情況下，線圈22在 層間具有充分的間距以允許產生冷卻劑流。
雖然已示出了槽道144的具體實施例，但要強調的是，槽道144可具有未明確示出 的各種不同形狀，并且所示的實施例可被結合以在本發明的范圍內提供多種可能的槽道結 構。轉到圖5，在備選實施例中，任何上述間隔塊140和槽道144構造也可采用面向第 一腔160和/或第二腔162的偏流結構170。雖然以塊形式示出，但偏流結構170可采用如 例如在美國專利6465917或GE內部美國專利申請案號226955中所述的結構的形狀，通過 引用將它們各個結合于本文中。如參考專利和申請中所述，偏流結構170向相應腔的中心 重新分配冷卻劑流以增加那里的熱傳遞系數。術語“第一”、“第二”等在文中并不表示任何次序、數量或重要性，而是用來將一個 元件與另一元件進行區分，且術語“一”和“一個”在文中并不表示數量的限制，而是表示存 在至少一個引用項。結合數量使用的修飾語“約”包含了述及的值并且具有上下文指定的 含義，(例如，包括與具體數量的測量相關的誤差度)。如文中所用，名詞意圖包括其修飾 的項的單數或復數，從而包括一個或多個該項(例如，金屬包括一種或多種金屬)。文中公 開的范圍是包括性的并且可獨立地結合(例如，“高達約25wt%或更具體地約5wt%至約 20wt%”包括了端點以及“約5wt%至約25wt%”的范圍的所有中間值等)。雖然文中描述了各種實施例，但從本說明書應該理解的是，本領域技術人員可作 出元件的各種結合、變型或改進，且它們在本發明的范圍內。另外，可根據本發明的教導作 出許多修改以適應具體情形或材料而不脫離本發明的實質范圍。因此，本發明并不意圖局 限于作為為實施本發明而構想的最佳模式所公開的具體實施方式
，而是將包括落在權利要 求的范圍內的所有實施方式。
權利要求
一種電機，包括具有多個相鄰的線圈的轉子(10)；間隔塊，所述間隔塊布置在相鄰的線圈之間以便限定與所述間隔塊相鄰并在互相相鄰的線圈之間的至少第一腔(160)；并且其中，所述間隔塊包括布置在所述間隔塊的面向線圈的表面(146)中的槽道(144)，用于將循環的冷卻劑流攔截并重定向至所述第一腔(160)。
2.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述第一腔(160)攔截 并重定向所述循環的冷卻劑流。
3.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述槽道(144)從與所述間隔塊相鄰并且 在互相相鄰的線圈之間的第二腔(162)攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
4.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述槽道(144)面向的 線圈攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
5.根據權利要求4所述的電機，其特征在于，所述電機還包括布置在所述間隔塊的所 述表面(146)中并與所述槽道(144)流體連通的凹穴(148)。
6.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述轉子(10)的軸 (16)周圍的環形區域(36)攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
7.根據權利要求5所述的電機，其特征在于，所述槽道(144)還從所述第二腔(162)攔 截并重定向所述循環的冷卻劑流。
8.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述轉子(10)包括本體部分(14)，并且 所述多個線圈中的各個包括軸向延伸的線圈(23)和端匝(27)，所述端匝(27)限定軸向延 伸超出所述本體部分(14)的至少一端的多個端部繞組(28)。
9.根據權利要求7所述的電機，其特征在于，所述間隔塊布置在所述軸向延伸的線圈 (23)或所述端帶之間的至少一個位置。
10.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述電機還包括布置在所述間隔塊的至 少一個面向腔的表面(146)上的至少一個偏流結構(170)，用于將所述第一腔(160)中的循 環的冷卻劑流攔截并重定向至所述第一腔(160)的中心區域。
11.一種氣體冷卻式電機，包括具有軸(16)和本體部分(14)的轉子(10)；包括多個相鄰的線圈的轉子(10)繞組，所述多個相鄰的線圈包括布置在所述本體部 分(14)上的軸向延伸的線圈(23)和軸向延伸超出所述本體部分(14)的至少一端的端帶， 所述線圈和所述軸(16)限定了它們之間的環形區域(36)；定位在相鄰的所述線圈之間從而限定第一和第二腔的多個間隔塊(40)，各個腔向所述 環形區域(36)開口并由相鄰的間隔塊(40)和相鄰的線圈界定；并且其中，各個間隔塊包括布置在所述間隔塊的面向線圈的表面(146)中的槽道(144)，用 于將循環的冷卻劑流攔截并重定向至所述第一腔(160)。
12.根據權利要求11所述的氣體冷卻式電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述第一 腔(160)攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
13.根據權利要求11所述的氣體冷卻式電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述第二 腔(162)攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
14.根據權利要求11所述的氣體冷卻式電機，其特征在于，所述槽道(144)從所述槽道 (144)面向的線圈攔截并重定向所述循環的冷卻劑流。
15.一種用于氣體冷卻式電機的間隔塊，所述間隔塊包括塊部件，所述塊部件用于安裝在所述氣體冷卻式電機的轉子(10)繞組的相鄰的線圈 之間，從而限定與所述塊部件相鄰的第一和第二腔；以及布置在所述塊部件的面向線圈的表面(146)中的槽道(144)，用于將循環的冷卻劑流 攔截并重定向至所述第一腔(160)。
全文摘要
本發明涉及一種電機，包括具有多個相鄰的線圈的轉子(10)；間隔塊，間隔塊布置在相鄰的線圈之間以便限定與間隔塊相鄰并在互相相鄰的線圈之間的第一和第二腔；并且間隔塊包括布置在間隔塊的面向線圈的表面(146)中的槽道(144)，用于將循環的冷卻劑流攔截并重定向至第一腔(160)。
文檔編號H02K3/24GK101841212SQ201010157008
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者J·R·雷賓特, S·A·內耶, S·A·薩拉馬, V·蒂瓦里 申請人:通用電氣公司