[發明專利]用于冷卻高極性的轉子的冷卻設備

在審

• 申請號: 201580074832.0
• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN107210666A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: K.登納林;M.弗蘭克;J.格倫德曼;A.鮑爾;P.庫梅思;P.范哈瑟爾特
• 申請（專利權）人: 西門子公司;福伊特專利有限公司
• 主分類號: H02K55/04
• 分類號: H02K55/04;H02K3/24;H02K9/20
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 彭程

本發明涉及一種用于冷卻電機的能圍繞旋轉軸線旋轉支承的轉子的冷卻設備，其中，轉子由中央的轉子軸承載并且包括處于轉子軸內部的用于容納冷卻劑的空腔。

由現有技術已知電機，它們配設有用于冷卻旋轉的電線圈繞組的冷卻設備。尤其是具有超導轉子繞組的電機通常配有冷卻設備，其中，在中央轉子軸內部的冷卻劑，如液氮、液氦或者液氖可以按照熱虹吸原理循環并且由此從轉子中排出熱量。通過這些冷卻系統可以將超導線圈繞組、尤其是超導的旋轉的勵磁繞組冷卻到處于超導體的轉變溫度以下的運行溫度并且保持在所述運行溫度。

在這些已知的冷卻設備中，轉子軸的端部區域通常用于從固定的散熱設備將液化的冷卻劑例如通過伸入轉子軸中的固定的冷卻劑管饋送到轉子軸的內部空間中。從轉子軸的內部空間出發，冷卻劑可以通過單獨的徑向管路到達線圈繞組的徑向更靠外的位置。這種冷卻設備例如由EP 2 603 968 A1已知。

這些已知的冷卻設備優選適用于冷卻只具有較少數量的線圈繞組的電機。而對于具有較多數量的線圈繞組的高極性的電機，將本身的徑向冷卻劑管路用于每個線圈繞組會導致非常高的設備耗費。出于此原因，對于例如用于風力發電機或者水力發電機中的高極性電機，建議備選的冷卻方案。這種備選的冷卻設備在EP 2 521 252 A1中描述。在此，冷卻設備具有多個與轉子共同旋轉的冷卻頭。需要從線圈繞組排走的熱量通過熱管路排出到實心的、與冷卻頭熱學連接的銅元件中。由此完全避免了冷卻劑饋送到轉子軸中并且冷卻劑分布在徑向靠外的位置中。然而，這種冷卻方案的缺點是，敏感和較重的冷卻頭必須設計用于較高的旋轉速度。另一缺點在于，通過用于線圈散熱的實心銅元件產生相對較高的共同旋轉的附加質量。

因此，本發明所要解決的技術問題在于，提供一種用于冷卻電機的轉子的避免前述缺點的冷卻設備。尤其應提供一種冷卻設備，其中避免在轉子上布置共同旋轉的冷卻頭。此外，冷卻設備應具有相對較小的重量并且具有盡可能少數量的徑向冷卻劑管路。冷卻設備應尤其適用于高極性電機的轉子。本發明所要解決的另一技術問題在于，提供一種具有這種冷卻設備的轉子或者電機。

該技術問題按本發明通過具有權利要求1所述特征的冷卻設備以及具有權利要求14所述特征的轉子和具有權利要求15所述特征的電機解決。

按照本發明的冷卻設備設計用于冷卻電機的能圍繞旋轉軸線旋轉支承的轉子，其中，轉子由中央的轉子軸承載并且包括處于轉子軸內部的用于容納冷卻劑的空腔。冷卻設備具有至少一個從空腔徑向向外延伸的第一冷卻劑管路和通過第一冷卻劑管路與空腔連接的環形的第一分配器管路。

按照本發明的冷卻設備的主要優點在于，通過環形的分配器管路實現了這種可能性，即也能以簡單的方式有效地冷卻具有較多數量的電線圈的轉子。由轉子軸的空腔、徑向冷卻劑管路和環形的分配器管路組成的管路系統實現了液態或者氣態的冷卻劑朝向需要被冷卻的轉子區域的循環。通過將環形的分配器管路用于冷卻劑，有利地不需要將單獨的徑向冷卻劑輸入管路用于每個線圈繞組。與傳統的具有實心銅元件的高極性電機的轉子相比，通過使用液態或者氣態的冷卻劑可以減小冷卻設備的重量。

冷卻劑可以例如在軸向較遠的區域內饋送到轉子軸中。在此，冷卻劑在封閉的循環中循環，其中，在轉子中蒸發的冷卻劑可以在靜態地布置于轉子外部的冷卻頭上再次冷凝。因為由此不需要共同旋轉的冷卻頭，所以可以相對已知的高極性轉子簡化結構并且提高冷卻頭的使用壽命以及維護間隔。

即使線圈數量較多，冷卻劑通過環形的分配器管路的分配也能允許對布置在轉子上的電線圈進行均勻的冷卻。相對于具有用于每個線圈的單獨徑向冷卻劑管路的實施形式可以明顯降低復雜度、重量和材料耗費。

按照本發明的轉子配備有按照本發明的冷卻設備。按照本發明的電機具有按照本發明的轉子，所述轉子具有這種按照本發明的冷卻設備。按照本發明的轉子和按照本發明的電機的優點與冷卻設備的所述優點類似。

本發明的有利的設計方案和擴展設計由權利要求1的從屬權利要求得出。在此，冷卻設備的特征可以有利地與轉子和電機的特征相結合。

所述環形的第一分配器管路可以作為封閉的環形管路圍繞旋轉軸線同心地布置。在這種實施形式中，以簡單的方式實現了冷卻劑朝向轉子的所有方位角位置的運輸。在此，不同的方位角位置理解為在轉子的旋轉方向上的不同角位置。環形的第一分配器管路為此尤其可以設計為圓形的環形管路。