專利名稱：內腔組合式勵磁機冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是根據(jù)與美國海軍的合同在美國政府的援助下作出的。美國政府對本發(fā)明享有一定的權利。
直接裝在發(fā)電機的內腔端部的端板上且與該發(fā)電機的內腔連通的勵磁機系統(tǒng)(在本申請中稱作內腔組合式(borepack)勵磁機系統(tǒng))是用以對交流電(AC)進行整流并給發(fā)電機提供直流(DC)磁場激勵電能的。這種內腔組合式勵磁機通常裝在發(fā)電機的一端。但大功率的內腔組合式勵磁機需要進行內部冷卻，這是為了防止過熱和停機，不僅是勵磁機的停機，而且也是它供以直流磁場激勵電能的發(fā)電機的停機。發(fā)電系統(tǒng)通常總包括一個具有冷卻器的冷卻系統(tǒng)給發(fā)電機機殼或外殼內部提供冷卻空氣，由裝在發(fā)電機轉軸上的風扇葉片將冷卻空氣吹遍發(fā)電機殼內的零件。風扇迫使冷空氣沿著和圍繞著發(fā)電機發(fā)熱的各部分(例如線圈各環(huán)和鐵芯疊片等)吹去。目前使用的裝置促使部分已流經發(fā)電機的冷卻空氣流過內腔組合式勵磁機，然后返回到冷卻器進行再冷卻后再返回到發(fā)電機中。然而，該冷卻空氣通過發(fā)電機時溫度升高了而速度下降，從而使其不能充分或有效地冷卻內腔組合式勵磁機。此外，在某些要求限制發(fā)電系統(tǒng)的體積和重量的應用場合，需要將內腔組合式勵磁機的冷卻量提高到超過現(xiàn)有系統(tǒng)所能提高的水平。增設額外的冷卻器和/或風扇來提高冷卻量不僅增加了發(fā)電系統(tǒng)的體積和重量，同時還提高發(fā)電系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明的一個目的是提供給發(fā)電系統(tǒng)的內腔組合式勵磁機一種經改進的冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是無需增設冷卻器或風扇提供給發(fā)電系統(tǒng)的內腔組合式勵磁機一種經改進的冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個目的是提供給發(fā)電系統(tǒng)的內腔組合式勵磁機一種經改進和簡化的不致增加系統(tǒng)的體積和重量的冷卻系統(tǒng)。
為實現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的，給發(fā)電系統(tǒng)的內腔組合式直流勵磁機配備了一種氣體冷卻系統(tǒng)，在這種冷卻系統(tǒng)中，冷卻設備給發(fā)電機內部提供冷卻氣，由裝在發(fā)電機轉子上的風扇將冷卻氣吹過發(fā)電機內部，此外冷卻設備還配備有引流裝置，將氣流以最高的流速、最低的溫度從發(fā)電機的在風扇葉片附近的區(qū)域吹入內腔組合式勵磁機的一端，通過勵磁機再返回發(fā)電機，以便通過冷卻設備再循環(huán)，返回到發(fā)電機中。


圖1是實施本發(fā)明的發(fā)電機系統(tǒng)圖，該圖部分剖視，以便更好地說明本發(fā)明的內容。
圖2是圖1某一部分的有助于說明本發(fā)明的放大圖。
參看圖1。從圖中可以看到發(fā)電機1有一個外殼2，外殼2內轉子3可轉動地由分別在端板6和7處的軸承4和5支撐著。發(fā)電機通過耦合器11由諸如汽輪機或燃氣輪機之類的原動機(圖中未示出)驅動。內腔組合式勵磁機12固定在端板7上，給發(fā)電機1的磁場繞組提供直流電能。內腔組合式勵磁機12包括一些將交流變換成直流的功率二極管(圖中未示出)。發(fā)電機1的頂部固定有吸取流經發(fā)電機內氣體中的熱量的冷卻器裝置14和15。風扇轂盤17固定在外殼2內轉子3端部的四周圍靠近端板7和內腔組合式勵磁機12的地方。風扇轂盤遠離轉子3的周邊周圍固定有多個風扇葉片，其中兩個葉片以18和19表示，這樣風扇葉片18和19隨轉子一起轉動時將冷卻氣(氫氣或空氣)吹遍和吹入轉子3與各定子繞組之間的空間，定子繞組的端部由端繞組20表示。在風扇葉片19附近的內防護屏26上的鋸齒32形成可能在其間產生的漏泄氣流的曲折通道，以將這種漏泄減至最小。此外，如果在風扇葉片19與內防護屏26之間因沒有對準或其它原因而有摩擦或接觸時，則摩擦和磨損將只局限于鋸齒32的尖端部位。
冷卻氣或冷氣23由冷卻器14和15經由在外防護屏25與內防護屏26之間形成的通道24傳送到發(fā)電機1的在風扇葉片(例如18和19，在它們轉到18所示的位置時)附近的端部區(qū)(從圖2中可以看到更詳細)，并進入發(fā)電機1中，在發(fā)電機1中由風扇葉片18、19吹遍并吹入轉子3、定子鐵芯和定子條(圖中未示出)、連接環(huán)(圖中未示出)和發(fā)電機內象端繞組20之類的其它構件之間，以冷卻發(fā)電機內部以及發(fā)電機內的各元件。冷卻氣23從發(fā)電機內部除去熱量，通過回路29流回冷卻裝置14和15中，在那里由冷卻裝置進行冷卻，然后再循環(huán)回流通過發(fā)電機。推動冷卻氣23在發(fā)電機中循環(huán)的不僅有風扇葉片18和19，此外還有因風扇葉片轉動而在機殼2中形成的壓力。
但是，此外還需要對內腔組合式勵磁機12進行冷卻。有人提出過，而且或許我們也知道，可以設置內腔組合式勵磁機12專用的冷卻系統(tǒng)，或者使冷卻氣流在從發(fā)電機流回冷卻器裝置之前流經內腔組合式勵磁機。然而，增設另外的冷卻器裝置和有關的風扇會增加發(fā)電系統(tǒng)的成本、復雜性和重量。使冷卻氣在流回冷卻器裝置之前從發(fā)電機流過內腔組合式勵磁機的作法是不太有效的，因為冷卻氣在到達內腔組合式勵磁機時其溫度已提高了且速度減小了。
根據(jù)本發(fā)明，采取了這樣的措施，即利用冷卻器裝置14和15使它們也給內腔組合式勵磁機12提供冷卻氣23，如圖1和圖2所示。參看圖1和2，在風扇葉片18、19外周邊附近設置了端口34，并設置了通過內防護屏26的一個通道35。通道35的橫截面通常呈橢圓形，較大的直徑約為19英寸，通道本身則通過內防護屏26延伸5英寸左右。外防護屏25中的一個圓孔38中安裝著可調套管40，可調套管40在圓孔38上焊接就位，并介在外防護屏25與內防護屏26之間，將端口34通過入口導管42連接到內腔組合式勵磁機12的內部。如圖1中箭頭所示那樣，冷卻氣流23是通過入口導管42，環(huán)繞定子構件44兩端，然后通過構件44與鐵芯構件46之間的氣隙(例如45)。然后冷卻氣23通過出口導管48出口到發(fā)電機通道24，在那里通過發(fā)電機1流到氣體回路29中，以便通過冷卻器裝置14、15再循環(huán)。
應該指出的是，冷卻氣23是從發(fā)電機1內部的冷卻氣23從冷卻器裝置14、15最初進入發(fā)電機的那個區(qū)域供到內腔組合式勵磁機12中的。正是在這個區(qū)域，冷卻氣23由于還沒有從發(fā)電機內部吸收熱量而處于最冷狀態(tài)。此外該區(qū)域緊挨著風扇葉片，因而供到內腔組合式勵磁機12的冷卻氣體的速度由于未受冷卻氣流經由發(fā)電機內部通過旋轉著的轉子3的影響，故處于最高速度狀態(tài)。冷卻氣在高速下的冷卻效果比在低速下的好。這樣由于溫度最低速度最高的冷卻氣是最有效的冷卻介質的緣故，因此本發(fā)明提供了充分和最佳的冷卻。
盡管本發(fā)明是就其最佳實施例進行介紹的，但應該理解，在不脫離本發(fā)明的精神實質和范圍情況下，可以對其結構、各部件的配置和組合方式以及所使用的材料類型等的具體情況進行各種改變。
權利要求
1.毗連發(fā)電機設置的用以給發(fā)電機磁場提供直流電能的內腔組合式勵磁機用的一種氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一連接在所述發(fā)電機的軸的一端與其一齊轉動的風扇；一用以吸收冷卻氣中的熱量的冷卻設備；用以將所述冷卻氣供到所述發(fā)電機內部的所述風扇附近的端部區(qū)域中的裝置；用以將所述發(fā)電機的所述端部區(qū)域與所述內腔組合式勵磁機的內部連接起來的一通道；用以引導冷卻氣流使其通過所述通道流過所述內腔組合式勵磁機內部以便冷卻其內部的裝置；用以使所述冷卻氣在通過所述內腔組合式勵磁機之后流回到所述發(fā)電機內部的裝置；和用以將所述流回的冷卻氣引到所述冷卻設備，以便從該流回的冷卻氣中吸熱，將其作為經冷卻的氣體送回所述發(fā)電機中的裝置；這樣所述冷卻氣就以在所述發(fā)電機內所能獲得的基本上最低的溫度和最高的速度被供到所述內腔組合式勵磁機中。
2.根據(jù)權利要求1所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣系通過在所述發(fā)電機的端板與鄰接該端板配置的氣體內防護屏之間形成的通道被供到所述發(fā)電機的內部的。
3.根據(jù)權利要求2所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣系通過所述通道傳送到在所述發(fā)電機內部的所述風扇。
4.根據(jù)權利要求3所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述風扇在所述冷卻氣返回到所述冷卻設備以除去其中的熱量以及隨后在所述冷卻氣返回到所述發(fā)電機的所述端部區(qū)域之前，也將冷卻氣傳送到所述發(fā)電機的內部以冷卻其內部。
5.根據(jù)權利要求4所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述內氣體防護屏包括一個通過其表面的端口，供所述冷卻氣通入所述內腔組合式勵磁機之用而所述冷卻氣的大部分即直接通入所述發(fā)電機內部，以便對發(fā)電機內部進行冷卻。
6.根據(jù)權利要求5所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻所述內腔組合式勵磁機的冷卻氣系通過固定在所述發(fā)電機的外防護屏上且提供了一通道的可調套管，然后流到所述內腔組合式勵磁機的內部。
7.根據(jù)權利要求5所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個入口導管將所述端口與所述內腔組合式勵磁機各端內部連接起來，以便將所述冷卻氣流引到所述諸端部中。
8.根據(jù)權利要求7所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個出口導管將所述內腔組合式勵磁機的中心區(qū)連接到所述發(fā)電機內部的所述通道的區(qū)域，以便將所述冷卻氣通過所述發(fā)電機引回到所述冷卻設備中再循環(huán)。
9.根據(jù)權利要求8所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述端口是個基本上呈橢圓形的開孔。
10.根據(jù)權利要求9所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述風扇包括一風扇轂盤，裝在所述軸上，與該軸一齊轉動;多個風扇葉片，從所述風扇轂盤軸向伸出;和一些鋸齒，在靠近所述風扇葉片的遠離所述風扇轂盤的各端部的所述氣體內防護屏上。
11.根據(jù)權利要求2所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體內防護屏包括一個通過其表面的端口，用以使所述冷卻氣的一部分通到所述內腔組合式勵磁機中，而所述冷卻氣的大部分則直接通入所述發(fā)電機內部以便對其內部進行冷卻。
12.根據(jù)權利要求11所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個入口導管將所述端口連接到所述內腔組合式勵磁機的各端部內部，以便將所述冷卻氣流引入所述各端部中。
13.根據(jù)權利要求12所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個出口導管將所述內腔組合式勵磁機的中心區(qū)連接到所述發(fā)電機內部的所述通道區(qū)，以便將所述冷卻氣通過所述發(fā)電機內部引回進行再循環(huán)。
14.根據(jù)權利要求13所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述風扇包括一風扇轂盤，裝在所述軸上，與該軸一齊轉動;和多個風扇葉片，從所述風扇轂盤軸向伸出。
15.根據(jù)權利要求14所述的氣體冷卻系統(tǒng)，其特征在于，在靠近所述風扇葉片的遠離所述風扇轂盤的各端的所述氣體內防護屏上設有一些鋸齒。
全文摘要
發(fā)電機的內腔組合式勵磁機用的一種氣體冷卻系統(tǒng)，在發(fā)電機內的一個區(qū)域內可獲取高速較冷的冷卻氣，在該區(qū)域內，進入的冷卻氣由發(fā)電機的風扇推動，且配備有用以將該冷卻氣的一部分在其返回到發(fā)電機以便通過冷卻設備再循環(huán)之前從該氣流引流通過內腔組合式勵磁機的裝置。
文檔編號H02K9/18GK1044018SQ89108210
公開日1990年7月18日 申請日期1989年10月23日 優(yōu)先權日1989年1月3日
發(fā)明者詹姆斯·布朗利·阿奇博爾德, 厄內斯特·林·穆爾, 理查德·尼爾斯·道森, 肯尼思·戈登·赫德 申請人:通用電氣公司