專利名稱：油冷卻的發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種在發(fā)電機中使用的冷卻對策。
背景技術：
發(fā)電機通常包括一個軸，該軸被驅動而旋轉并攜帶多個磁極線圈和/或永久磁 鐵。該發(fā)電機還可用于驅動諸如用于冷卻該發(fā)電機或系統(tǒng)的其他構件的液壓泵。該泵可連 通冷卻油使其返回至該發(fā)電機，以將該發(fā)電機保持在理想的運行溫度。用于分配冷卻油的不同的冷卻方案，可用于不同類型的發(fā)電機。例如，具有多于4 極的發(fā)電機具有大量的末端繞組區(qū)，可將冷卻油噴射在其上，以從發(fā)電機移除熱量。(即，沖 擊冷卻方案)。在具有4極或更少的極的發(fā)電機中，具有較少的線圈末端繞組區(qū)，因而沖擊冷卻 是無效的。在這種情況下，可使用流體冷卻方案，在該方案中，線圈被包含在外殼體內并且 提供冷卻油至該殼體的一端，以向外流動并隨后圍繞線圈流動。然而，流體冷卻需要堅固的 殼體結構，以容納由殼體內的冷卻油流的離心力產生的相對高壓。此外，對于具有短線圈長 度和大直徑的發(fā)電機而言，該壓力將更大并需要大且昂貴的容納結構。
發(fā)明內容
用于發(fā)電機的示范的疊層包括具有包圍外接開口的環(huán)形部分的轉子疊層主體、相 對于開口中心從環(huán)形部分向外延伸的多個極部分以及鄰接于多個極部分中的相應部分的 多個線圈繞組區(qū)域。環(huán)形部分包括在開口中心和多個線圈繞組區(qū)域中的至少一個之間延伸 的至少一個通道。用于發(fā)電機的示范的端板包括具有第一側面和第二側面的端板主體。第一側面包 括繞著第一側面而周向地間隔開的多個線圈末端繞組覆蓋部以及在第一側面和第二側面 之間延伸并周向地位于其中兩個線圈末端繞組覆蓋部之間的至少一個流體排放出口。用于發(fā)電機的線圈繞組的示范的絕緣體包括伸長的絕緣主體，該絕緣主體具有包 圍內部線圈繞組區(qū)域并跨越在開口末端之間的電絕緣材料。該伸長的絕緣主體包括位于開 口末端之間的流體進入孔。用于發(fā)電機的示范的轉子軸包括第一軸，該第一軸具有包圍空心內部的第一軸壁 并具有延伸穿過第一軸壁的第一流體排放孔。第二軸位于空心內部之內并與第一軸聯(lián)接， 使得第一軸和第二軸能夠共同旋轉。第二軸包括第二軸壁和延伸穿過第二軸壁的第二流體 排放孔。第一排放孔和第二排放孔軸向地間隔開。在發(fā)電機中可包括疊層、轉子軸、端板以及絕緣層，以用于將冷卻流體連通至發(fā)電 機的線圈繞組。
通過以下詳細地說明目前優(yōu)選的實施例，本發(fā)明的各種特征和優(yōu)勢對于本領域的技術人員而言將變得清楚。伴隨著該詳細說明的附圖可被簡要地描述如下。圖1顯示了示范的發(fā)電機。圖2顯示了在發(fā)電機的轉子芯中使用的示范的疊層。圖3顯示了在發(fā)電機的線圈繞組上使用的示范的絕緣體。圖4A顯示了發(fā)電機的端板的內表面的視圖。圖4B顯示了發(fā)電機的端板的外表面的透視圖。圖4C顯示了在發(fā)電機中使用的端板的側視圖。圖5顯示了通過該發(fā)電機的轉子的冷卻油的流。圖6顯示了位于發(fā)電機中的線圈繞組的端部上的沖擊冷卻發(fā)電機油流。
具體實施例方式圖1顯示了示范的發(fā)電機10的局部剖視圖，其也被稱為動力發(fā)電機。例如，發(fā)電 機10可以為高速、變頻、4極的發(fā)電機，該發(fā)電機用于起動燃氣渦輪機并在由渦輪機驅動時 產生電流。在所示的實施例中，發(fā)電機10包括在定子14附近轉動的轉子12或芯。勵磁轉 子16和永磁轉子18以已知的方式提供控制和安全功能，而且與其自身的定子(未顯示) 相關。轉子12可在軸承20a和20b上旋轉。發(fā)電機10的驅動輸入部22包括用于選擇性地驅動轉子12的離合部件24。離合 部件24和驅動輸入22的方面可在序列號為12/436159的共同未決的專利申請中找到，該 專利申請于2009年5月6日提交，題名為“高速發(fā)電機的解耦軸”。發(fā)電機10還可包括由 轉子12驅動的轉子齒輪(未顯示)，該轉子齒輪在序列號為12/436190的共同未決的申請 中被公開，該申請于2009年5月6日提交，題名為“發(fā)電機的轉子齒輪”。示范的發(fā)電機10采用了用于保持所需的運行溫度的雙模冷卻方案。該冷卻方案 提供了穿過線圈繞組70的例如油的冷卻流體流和位于線圈繞組70的末端區(qū)域上的冷卻流 體的沖擊流。如下所述，發(fā)電機10的構件被設計成向線圈繞組70的中心位置提供冷卻流 體，以及位于線圈繞組70的末端的作為沖擊流的冷卻流體的噴射。僅利用端匝沖擊冷卻的 發(fā)電機可能具有多于4個的極以及約為0. 64的長度對直徑的比例。僅利用流體冷卻的發(fā) 電機可能具有少于4個的極以及約為1. 13的長度對直徑的比例。然而，本公開的實施例的 4極發(fā)電機10可能有中間的長度對直徑的比例，例如約為0. 77+/-0. 05。單獨使用流體冷 卻可能需要堅固的結構和增加的費用，而由于相對低的端匝面積，單獨使用沖擊冷卻將可 能不提供足夠的冷卻。然而，發(fā)電機10的雙模冷卻方案提供了一種有效的、緊湊的冷卻布 置。轉子12包括多個堆疊的疊層30，該疊層安裝成在轉子軸組件32上轉動。還參照 圖2，該堆疊的疊層30包括至少一個疊層40，該疊層適合于連通來自轉子軸組件32的冷卻 流體。該疊層40可位于該堆疊的中心。作為備選，該疊層40可位于中心的一側或另一側， 或者多個疊層40可與不連通來自轉子軸組件32的冷卻流體的疊層一起使用。在本實施例 中，疊層40包括具有環(huán)形部分44的主體42，該環(huán)形部分44包圍開口中心46。多個極部分 48a-d相對于該開口中心46而從環(huán)形部分44向外延伸。多個線圈繞組區(qū)域50定位成與多 個極部分48a-d鄰接。環(huán)形部分44包括在開口中心46和相應的線圈繞組區(qū)域50之間延 伸的多個通道52。在該情況下，環(huán)形部分包括8個通道52 ；然而，可根據(jù)具體應用的需要而使用額外的通道52或較少的通道52。發(fā)電機包括通道52的數(shù)量對發(fā)電機10的極的數(shù)量 的比例。在該實施例中，比例是2，然而，通道的數(shù)量和極的數(shù)量可變化，使得比例在1和2 之間。各個通道包括開口端54a和54b、側壁56以及底壁58。通道52可以均具有這樣 一種輪廓或橫截面，該輪廓或橫截面具有彎曲的側壁56和/或底壁58。各個通道52的頂 表面敞開，當疊層40堆疊于鄰近的疊層時，形成了閉合的通道，且末端54a和54b打開。疊層40還包括減重開口 62。減重開口 62可與鄰近的疊層的減重開口對齊。減重 開口 62可設計成疊層40和疊層30的堆疊保持所需級別的強度。線圈繞組70纏繞在疊層30的堆疊的極上，包括疊層40的極部分48a_d。在這種 情況下，各個線圈繞組70至少部分地被容納于絕緣體72中。各個線圈繞組70可具有兩個 絕緣體72，各自位于該繞組的每側。還參照圖3，絕緣體72通常是將線圈繞組70與發(fā)電機10中的金屬結構絕緣的電 絕緣體。例如，絕緣體可由例如聚酰亞胺的聚合材料形成。絕緣體72包括伸長的絕緣主體 74，該絕緣主體通常包圍內部線圈繞組區(qū)域76，線圈繞組70的至少一部分穿過該內部線圈 繞組區(qū)域而延伸。該伸長的絕緣主體74跨越在開口末端78a和78b之間，并包括位于開口 末端78a和78b之間的流體進入孔80。在本實施例中，該流體進入孔80位于伸長的絕緣主體74的長度的中間的三分之 一 79之內，以均勻地分配冷卻流體?？?0沿著不平行于絕緣主體74的長度方向的方向81 伸長，其中，絕緣主體74跨越在開口端78a和78b之間。堆疊的疊層30和線圈繞組70安裝成在轉子軸組件32上進行旋轉，該轉子軸組件 包括聯(lián)接在一起以共同旋轉的內軸90和外軸92。內軸90聯(lián)接于選擇性地接合轉子12的 離合部件24。外軸92包括空心的內部和至少一個孔94a，該孔通過疊層40的通道52而將 冷卻油連通至線圈繞組70。在所示的實施例中，外軸92包括與疊層40的8個通道52軸向 地對齊的8個孔94a。外軸92還包括與孔94a軸向地間隔開的額外的孔94b?？?4b與線 圈繞組70的末端軸向地對齊，以提供冷卻流體的沖擊流，這將在下面詳細地討論。轉子軸 組件32例如還可包括向軸承20a或20b供應冷卻流體的其他孔。內軸90與用于連通來自液壓泵等的冷卻流體的流體輸送管98連通，以冷卻轉子 12。轉子軸組件32和流體輸送管98的方面可在序列號為12/436161的共同未決的專利申 請中找到，該專利申請于2009年5月6日提交，題名為“具有改進的空心軸的發(fā)電機轉子”。內軸90包括至少一個孔100a，該孔用于將從液體輸送管98接收的冷卻流體排放 至外軸92的空心的內部。內軸90還包括軸向地位于第一排放孔IOOa的下游的另一個排放 孔100b。這些孔交錯以減小軸應力。在本實施例中，內軸90包括6個孔IOOa和IOOb (顯 示了 2個)，然而，內軸90可包括額外或更少的孔。轉子軸組件32還包括向通道52提供流 的孔94a的數(shù)量對孔IOOa和IOOb的數(shù)量的比例。在一個實施例中，該比例在1和4之間。 在另一實施例中，該比例為2。 轉子芯容納于套筒110內，該轉子芯包括疊層30的堆疊和線圈繞組70。例如，套 筒110通常為圓柱形并在各個末端被端板112以過盈配合的方式密封。參照圖4A-C，各個 端板112提供了用于安裝突舌(未顯示)的多個周向的緊固件113b的位置，該突舌用于防 止套筒的軸向移動。作為一個實施例，該端板112可包括在序列號為12/436177的共同未
7決的申請中所找到的特征，該申請于2009年5月6日提交，題名為“用于高速發(fā)電機的端 板”。端板112通常為具有開口中心114的杯形，轉子軸組件32穿過該開口中心114而 延伸。在這種情況下，端板112包括具有第一側面118a和第二相對的側面118b的端壁116。 第一側面118a向內面向線圈繞組70的末端，而外側面118b面向軸承20a和20b。第一側面118a包括繞著第一側面118a周向地間隔開的多個線圈末端繞組覆蓋部 120。各個線圈末端繞組覆蓋部120通常為平面狀，并定位成軸向地緊靠其中一個線圈繞 組70的一端。在本實施例中，端板112包括也繞著端板112周向地間隔開的流體排放出口 122。各個流體排放出口 122周向地位于其中兩個線圈末端繞組覆蓋部120之間。流體排 放出口 122各自在第一和第二側面118a和118b之間延伸。當組裝于轉子12中時，流體排 放出口 122可軸向地與位于線圈繞組70之間的鍥子124(圖1)對齊。流體排放出口 122 的徑向位置有利于保持線圈繞組70淹沒在冷卻流體中，除了端匝之外。作為一個實施例， 鍥子124可包括在序列號為12/411468的共同未決的專利申請中所找到的特征，該專利申 請于2009年5月26日提交，題名為“具有改進的鍥子的發(fā)電機轉子”。按照疊層40中的通道52的數(shù)量對其中一個端板120中的流體排放出口 122的數(shù) 量的比例來設計發(fā)電機10。在一個實施例中，該比例為1.5到4之間。在另一個實施例中， 該比例為2。各個流體排放出口 122在第一側面118a和第二側面118b之間延伸。端板112的 主體還包括一個環(huán)形凸緣126，該環(huán)形凸緣與流體排放出口 122軸向地間隔開并與其軸向 地對齊。因此，從流體排放出口 122排放的任何流體沖擊到凸緣126的內表面128上并被 徑向地向外引導。圖5和圖6顯示了發(fā)電機10的部分，箭頭150代表冷卻流體的流。通過流體輸送 管98以已知的方式向轉子12供應冷卻流體。冷卻流體從流體輸送管98噴射至內軸90的 內部。轉子軸組件32的旋轉所產生的離心力將流體徑向地向外噴射至內軸90的壁的內徑。 冷卻流體流過內軸90的孔IOOa和IOOb而進入外軸92的內部。外軸92的旋轉所產生的離心力驅動冷卻流體穿過孔94a，進入疊層40的通道52， 穿過孔94b。流過孔94b的流體沖擊至線圈繞組70的末端上。流過94a的流體進入通道 52，該通道在絕緣體72的流體進入孔80的附近排放。冷卻流體流過流體進入孔80而進入 絕緣體72的內部。絕緣體72有利于將冷卻流體保持在線圈繞組70內，因而冷卻流體與線 圈繞組70直接接觸。這種直接接觸提供了更為有效的熱傳導，因而允許發(fā)電機可承受增加 的熱損失，使得小的線材可用于線圈繞組70。進入線圈繞組70的冷卻流體分開而流向線圈繞組70的各個末端。一旦處于末 端，則冷卻流體必須轉向并流向端板112的其中一個流體排放出口 122，其位于鍥子124附 近。即，流體排放出口 122位于鍥子124的上方、線圈繞組70之間，因而導致冷卻流體從線 圈繞組70的末端轉向，并行進一個周向距離，以從轉子12流出。因此，發(fā)電機10的通道52 和絕緣體72通過包含通向線圈繞組70的流體而減小了泵送損失，該泵送損失通常隨著冷 卻流體的膜厚的平方的增加而增加。沖擊至轉子末端線圈94b的冷卻流體還流經端匝繞組 束，并與來自冷卻通道52的冷卻流體相混合。在流過流體排放出口 122之后，流體沖擊至凸緣126的內表面128上。凸緣126
8由此直接將冷卻流體向外徑向地導出，然后冷卻流體沖擊至發(fā)電機10的定子14上(例如， 定子端匝)。所以，通過向外徑向地噴射冷卻流體，端板112還有利于冷卻定子14的端匝。在所示的實施例中，流體排放出口 122設計成位于線圈繞組70的徑向外表面和徑 向內表面之間的徑向距離處，以有利于排出冷卻流體，保持線圈繞組70的末端暴露于沖擊 流下，并提供來自離心力的足夠的壓力，以向著定子14噴射流體。所以，示范的轉子12提 供了被包含的從線圈繞組70的中心流向線圈繞組70的末端的冷卻油流，結合線圈繞組70 的末端的沖擊噴射冷卻來冷卻轉子12。盡管所示的實施例顯示了特征的結合，但并不是需要結合所有的特征來實現(xiàn)本公 開的各種實施例的益處。換言之，根據(jù)本公開的實施例所設計的系統(tǒng)不一定必須包括任何 一幅圖中所示所有的特征，或者圖中示意性地所示的所有部分。而且，一個示范的實施例的 所選特征可能結合了其他示范的實施例的所選特征。以上描述僅是示范性的，不是對其性質的限制。未必脫離本公開的精髓的本領域 的技術人員可清楚已公開的實施例的變化和變型。僅可以通過研究所附的權利要求來確定 被賦予本公開的法律保護范圍。
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權利要求
一種用于發(fā)電機的疊層，包括具有包圍開口中心的環(huán)形部分的轉子疊層主體、相對于所述開口中心從所述環(huán)形部分向外延伸的多個極部分以及鄰接于所述多個極部分中的相應部分的多個線圈繞組區(qū)域，其中，所述環(huán)形部分包括在所述開口中心和所述多個線圈繞組區(qū)域中的至少一個之間延伸的至少一個通道。
2.根據(jù)權利要求1所述的疊層，其特征在于，所述至少一個通道包括開口末端、開口頂 部、側壁以及底壁。
3.根據(jù)權利要求1所述的疊層，其特征在于，通道的數(shù)目對極部分的數(shù)目的比例為1-2。
4.根據(jù)權利要求3所述的疊層，其特征在于，所述比例為2。
5.根據(jù)權利要求1所述的疊層，其特征在于，所述至少一個通道包括具有彎曲壁的輪廓。
6.根據(jù)權利要求1所述的疊層，其特征在于，所述轉子疊層主體包括減重開口。
7.一種用于發(fā)電機的端板，包括具有第一側面和第二側面的端板主體以及至少一個流體排放出口，所述第一側面具有 繞著所述第一側面而周向地間隔開的多個線圈末端繞組覆蓋部，所述流體排放出口在所述 第一側面和第二側面之間延伸并周向地位于其中兩個所述線圈末端繞組覆蓋部之間。
8.根據(jù)權利要求7所述的端板，其特征在于，所述多個線圈末端繞組覆蓋部均是平坦 的表面。
9.根據(jù)權利要求7所述的端板，其特征在于，所述至少一個流體排放出口延伸穿過所 述端板主體的凹陷表面。
10.根據(jù)權利要求7所述的端板，其特征在于，所述端板主體包括位于所述第二側面的 環(huán)形凸緣，該環(huán)形凸緣與所述至少一個流體排放出口軸向地間隔開并與該至少一個流體排 放出口軸向地對齊。
11.一種用于發(fā)電機的線圈繞組的絕緣體，包括伸長的絕緣主體，該絕緣主體包括包圍內部線圈繞組區(qū)域并跨越在開口末端之間的電 絕緣材料，所述伸長的絕緣主體包括位于所述開口末端之間的流體進入孔。
12.根據(jù)權利要求11所述的絕緣體，其特征在于，所述電絕緣材料包括聚酰亞胺。
13.根據(jù)權利要求11所述的絕緣體，其特征在于，所述流體進入孔在不平行于所述伸 長的絕緣主體的長度方向的方向上伸長。
14.根據(jù)權利要求11所述的絕緣體，其特征在于，所述流體進入孔位于所述伸長的絕 緣主體的長度的中間的三分之一之內。
15.一種用于發(fā)動機的轉子軸，包括第一軸，具有包圍空心內部的第一軸壁并具有延伸穿過所述第一軸壁的第一流體排放 孔；以及第二軸，位于所述空心內部之內，并與所述第一軸聯(lián)接，使得所述第一軸和所述第二軸 能夠共同旋轉，所述第二軸具有第二軸壁和延伸穿過所述第二軸壁的第二流體排放孔，所 述第一排放孔和所述第二排放孔軸向地間隔開。
16.根據(jù)權利要求15所述的轉子軸，其特征在于，所述第二軸包括軸向地間隔開的多個第二流體排放孔。
17.根據(jù)權利要求15所述的轉子軸，其特征在于，所述第一軸包括周向地間隔開并軸 向地對齊的多個第一流體排放孔。
18.一種用于發(fā)電機的轉子，包括轉子軸，包括第一軸，具有包圍空心內部的第一軸壁并具有延伸穿過所述第一軸壁的 至少一個第一流體排放孔；以及第二軸，位于所述空心內部之內，并與所述第一軸聯(lián)接，使 得所述第一軸和所述第二軸能夠共同旋轉，所述第二軸具有第二軸壁和延伸穿過所述第二 軸壁的至少一個第二流體排放孔，其中，所述至少一個第一排放孔和所述至少一個第二排 放孔軸向地間隔開；轉子芯，包括堆疊在一起的多個疊層，所述多個疊層包括至少一個疊層，所述至少一個 疊層包括具有包圍開口中心的環(huán)形部分的疊層主體、相對于所述開口中心從所述環(huán)形部 分向外延伸的多個極部分以及鄰接于所述多個極部分中的相應部分的多個線圈繞組區(qū)域， 其中，所述環(huán)形部分包括在所述開口中心和所述多個開口線圈繞組區(qū)域中的至少一個之間 延伸的至少一個通道。
19.根據(jù)權利要求18所述的轉子，其特征在于，所述通道的數(shù)目對所述極部分的數(shù)目 的第一比例為1-2。
20.一種用于發(fā)電機的轉子，包括轉子軸，包括第一軸，具有包圍空心內部的第一軸壁并具有延伸穿過所述第一軸壁的 至少一個第一流體排放孔；以及第二軸，位于所述空心內部之內，并與所述第一軸聯(lián)接，使 得所述第一軸和所述第二軸能夠共同旋轉，所述第二軸具有第二軸壁和延伸穿過所述第二 軸壁的至少一個第二流體排放孔，其中，所述至少一個第一排放孔和所述至少一個第二排 放孔軸向地間隔開；轉子芯，包括堆疊在一起的多個疊層，所述多個疊層包括至少一個疊層，所述至少一個 疊層包括具有包圍開口中心的環(huán)形部分的疊層主體、相對于所述開口中心從所述環(huán)形部 分向外延伸的多個極部分以及鄰接于所述多個極部分中的相應部分的多個線圈繞組區(qū)域， 其中，所述環(huán)形部分包括在所述開口中心和所述多個開口線圈繞組區(qū)域中的至少一個之間 延伸的至少一個通道；纏繞在所述轉子芯上的多個線圈繞組；多個絕緣體，各包括伸長的絕緣主體，該絕緣主體包括包圍內部線圈繞組區(qū)域并跨越 在開口末端之間的電絕緣材料，其中，所述多個線圈繞組中的一個的至少一部分延伸穿過 該內部線圈繞組區(qū)域，所述伸長的絕緣主體包括位于所述開口末端之間的流體進入孔；以 及端板，固定在所述多個線圈繞組的一端的附近，所述端板包括具有第一側面和第二側 面的端板主體以及至少一個流體排放出口，所述第一側面具有多個線圈末端繞組覆蓋部， 所述多個線圈末端繞組覆蓋部繞著所述第一側面而周向地間隔開，使得各個線圈末端繞組 覆蓋部鄰接于所述多個線圈繞組中的一個的末端，所述至少一個流體排放出口周向地位于 其中兩個所述線圈末端繞組覆蓋部之間并在所述第一側面和所述第二面之間延伸。
21.根據(jù)權利要求20所述的轉子，其特征在于，所述疊層主體中的通道的數(shù)目對所述 端板的線圈末端繞組覆蓋部的數(shù)目的比例為1-2。
22.根據(jù)權利要求21所述的轉子，其特征在于，所述比例為2。
23.根據(jù)權利要求20所述的轉子，其特征在于，所述轉子芯的長度對直徑的比例約為 0. 72-0. 82。
全文摘要
本發(fā)明涉及油冷卻的發(fā)電機。具體而言，用于發(fā)電機的轉子可包括轉子軸，該轉子軸具有第一軸和位于第一軸內的第二軸。兩個軸包括用于連通冷卻流體穿過該發(fā)電機的排放孔。發(fā)電機的轉子芯包括具有包圍開口中心的環(huán)形部分的疊層、從環(huán)形部分向外延伸的多個極部分以及鄰接于該極部分的線圈繞組區(qū)域。一個或多個通道在開口中心和線圈繞組區(qū)域之間延伸，以連通冷卻流體。發(fā)電機的線圈繞組可至少部分地被容納于絕緣體內。各個絕緣體包括了位于絕緣體末端之間的流體進入孔，以連通冷卻流體。發(fā)電機的端板可包括用于連通從線圈繞組接受的冷卻流體的流體排放出口。
文檔編號H02K3/50GK101931281SQ20101021166
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2009年6月17日
發(fā)明者D·帕爾, G·C·小萊默斯, R·D·拉斯穆森, S·R·加農 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司