[發明專利]超臨界CO2冷卻的電機

在審

• 申請號: 201980046228.5
• 申請日: 2019-07-05
• 公開（公告）號: CN112385125A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: R·R·里科;C·勞里;P·K·W·梅
• 申請（專利權）人: 西門子能源美國公司
• 主分類號: H02K9/10
• 分類號: H02K9/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄒龍輝;王麗輝

提供了用于冷卻電機系統中的產熱部件的系統和方法。電機包括超臨界二氧化碳(SCO₂)，其中SCO₂是熱交換器的工作介質，該熱交換器布置在電機系統中以冷卻流體，該流體冷卻產熱部件，和/或其中SCO₂在產熱部件處直接冷卻。

技術領域

本公開總體上涉及電機的冷卻，并且更具體地涉及用于超臨界二氧化碳(SCO₂)冷卻的電機的系統和方法。

背景技術

在電機的操作期間，部件可能產生熱量。所產生的熱量降低了電機的效率和/或壽命。冷卻系統可用于電機中以保持電機在可接受的溫度范圍內操作。

作為電機的示例，圖1中示出了發電機10。發電機10包括定子12和相對于定子12旋轉的轉子14。定子12包括其上布置有繞組24的芯22。發電機的至少一部分可以容納在殼體中。在發電機中，典型的冷卻系統包括至少一種冷卻介質i)空氣，ii)氫氣和iii)水。主要冷卻構造包括i)用于轉子和定子兩者的空氣冷卻，ii)用于轉子和定子兩者的氫氣冷卻，以及iii)用于定子線圈的水冷卻和用于轉子和定子芯的氫氣冷卻。

空氣冷卻可以包括對產熱部件的間接和/或直接冷卻。環境或冷卻的空氣可以在部件周圍或部件上循環以減少熱量?？諝饫鋮s不是那么有效，并且導致較低的功率密度機器(kW/kg)。對于給定的功率輸出，空氣冷卻的機器更大。雖然空氣冷卻不如水或氫氣冷卻有效，但是其也較不復雜。

盡管氫氣是有效的冷卻介質，但是氫氣冷卻系統需要特別小心。氫氣是易燃的，當與氧混合時是爆炸性的。為了保持氫氣被控制并幫助保持適當的氣體壓力，在閉環冷卻環境中加強發電機的殼體。這種殼體結構會增加發電機的重量和成本。需要復雜的輔助設備。例如，密封油系統設置在轉子和殼體之間，用于1)將氫氣保持在發電機內部；2)防止空氣和濕氣進入系統；和/或3)潤滑氫氣軸封。其它輔助設備可包括使氣體循環的鼓風機、調節氣流的閥、控制氣體壓力的壓力調節器、除去可能進入機器的任何水蒸氣的氣體干燥器、溫度監測、氣體純度監測和用于將氫氣安全地放入發電機中和用于從發電機安全地除去氫氣的掃氣介質。雖然氫氣是有效的冷卻介質，但是就輔助部件而言，氫氣是昂貴的。此外，這些部件可能增加重量并增加占地面積。

水可用于直接冷卻發電機的部件。必須保持水的純度，使得不會在水中感應出會導致發電機短路的電壓。而且，發電機的部件必須被密封，使得水不能進入機器的其它部件。輔助設備，諸如保持水純度的脫鹽裝置、干燥器、過濾器、泵和熱交換器通常用于水冷系統中。

發明內容

前面已經相當廣泛地概述了本公開的技術特征，使得本領域技術人員可以更好地理解隨后的具體實施方式。下文將描述形成權利要求的主題的本公開的附加特征和優點。本領域技術人員將理解的是，他們可以容易地使用這種構思和具體實施例，所述構思和具體實施例被公開為修改或設計用于實現本公開的相同目的其他結構的基礎。本領域技術人員還將認識到，這樣的等效結構不脫離本公開的以其最廣泛的形式的精神和范圍。

提供了一種包括電機和超臨界二氧化碳(SCO₂)的系統。電機包括至少一個產熱部件。

該電機可包括用于冷卻流體的熱交換器，所述流體冷卻至少一個產熱部件，其中SCO₂是熱交換器的工作介質，且工作介質在熱交換期間被加熱以形成被加熱的工作介質；流體可以是空氣、水或氫氣。被加熱的工作介質可以排放到大氣中，放入容器中，用作另外的部件中的冷卻劑，或者用作另外的部件中的工作介質。

SCO₂可直接冷卻至少一個產熱部件。在冷卻至少一個產熱部件之后，由SCO₂形成被加熱的排氣。通過出口導管，被加熱的排氣可以排放到大氣中，放入容器中，用作另外的部件中的冷卻劑，或用作另外的部件中的工作介質。

出口導管可以布置在電機和另外的部件之間，以將被加熱的工作介質和/或被加熱的排氣引導至所述另外的部件。