[發明專利]電機定子的冷卻系統

無效

• 申請號: 91103999.6
• 申請日: 1991-06-08
• 公開（公告）號: CN1057552A
• 公開（公告）日: 1992-01-01
• 發明（設計）人: 埃米爾·D·扎津斯基
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H02K9/22
• 分類號: H02K9/22;H02K1/20
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 林道棠

本申請可以視為涉及與此案同日提交的、題目為“電機轉子的液體冷卻”的本發明人的共同待決美國申請07/539，825（N??&??V檔案號為839-70/GE公司檔案號為17TU3334），該申請的全部內容通過引證清楚地結合到本申請內。

本發明一般地涉及電機、例如具有轉子和定子的電力發電機、驅動電動機之類。更具體地說，本發明涉及專門適合于電機定子用的冷卻系統，這種冷卻系統使這種電機與具有類似的電磁構件的電機相比，能夠在較低的額定溫度下工作（從而能夠在較高的功率密度下工作）。

旋轉電機的電磁構件會產生熱量，這些熱量必須帶走以保證電機正常工作。通常，較大的電機、諸如日用發電機或驅動電動機，都是通過將冷卻劑流體導入電機定子內部來進行冷卻。例如，已經采取通過將流體管道實際上裝入電磁定子鐵芯內并使冷卻劑流體在管道內循環的方式、或者將冷卻劑流體直接導入空心電導體內的方式以將冷卻劑流體導入較大的電機的定子內。

較小型的電動機，諸如整數馬力或分數馬力電動機、或那些可以完全包封起來從而跟它們的使用環境隔離起來的較大規格的電動機，有時是讓空氣作為一種冷卻劑流過電機外殼外面以從外部進行冷卻。強制空氣流流過電機外部外殼就要求有較大尺寸的空氣通道，從而有礙于結構小型化。

一些可作為商品買得到的驅動機，諸如在本專利申請提交前一年多就已由通用電氣公司出售的全密封式風扇冷卻感應電動機，已經采用強制空氣流流過電動機的外部的具有較低的熱傳導率的外殼以帶走在內部產生的熱。這些先前出售的電動機中有些也在定子鐵芯內裝有銅疊片以提供一條將熱傳導到電動機外部區域的通路。但是，正如在前面簡要提到的，這些電機只配置具有較低熱傳導率的空氣冷的外殼，因而不帶有與這些銅疊片熱連通的液冷的高導熱率的熱收集器。

用于高功率密度電機的合適的冷卻系統的設計有其自身的有特別意義的問題。在這方面，通常希望有一種既要結構緊湊又要具有最大功率輸出的高功率密度電機。為了將功率輸出提高到最大限度，在過去已經利用了各種各樣的技術，諸如通過提高磁通密度、提高導體對磁通的切割率（高頻率）、和提高電流在導體中的流率等。可以理解到，所有這些技術都會在電機內部產生顯著的熱量，這些熱量必須帶走以保證正常工作。

在電機的尺寸與/或重量不是關鍵因素的那些情況下，總體電機結構的大部分可以用在冷卻系統上（例如冷卻管道和通道、外圍支持設備、等等）而不會對該電機的工作特征產生有害影響。但是，在高功率密度電機中，必須將其內部構件的特定工作額定值提高到最大限度而將能用于帶走熱量的空間降低到最低限度。這樣，需要占相當大的空間的冷卻系統經常不能為高功率密度的電機所容許。這些對抗性的設計指標-即，提高功率密度/降低占用空間-在保持合理的構件使用壽命和熱感生應力的容許溫度方面也必須考慮。

前面所述以高速/高頻發電機和由通用電氣公司在本申請提交前一年多已出售的F-18型發電機為代表的高功率密度電機已經采用液冷的外部外殼以替代在定子內部的冷卻劑流體通道。但是，這些現有技術發電機的電樞磁性鐵芯和結構外殼的較差的熱傳導性能在電樞導體和冷卻流體之間產生相當大的溫差。這樣，熱傳導路徑限制了在一個給定的最大容許內部溫率了的條件下能夠帶走的熱量。其結果是冷卻系統的低效率限制了可能實現的功率密度。

因此，需要一種能夠使電機的輸出功率提高到最高限度而有助于電機小型化的冷卻系統。

概括地說，本發明的對象是特別適合于諸如電力發電機、電動機之類的電機的定子的冷卻系統，通過這種冷卻系統使電磁定子鐵芯在工作過程中所產生的熱量能夠有效地帶走。本發明的冷卻系統以實際上放置在電機的電磁鐵芯內的、固體（很可能是非磁性的）的徑向設置的熱傳導通路的形式實施在“低輪廓”結構中，也就是在占用最小空間的條件下實現其預期功能的結構。此外，這些固體徑向冷卻通路沿著電機的鐵芯的縱向軸線相互間隔開設置并且跟具有與固體徑向冷卻通路基本上相同的熱傳導特性的流體冷卻的熱收集器熱傳導連通。

固體徑向冷卻通路由一種具有比形成電機的電磁定子鐵芯的材料好得多的熱傳導特性的材料制成。例如，如果鐵芯是由常規的磁性硅鋼制成，則固體熱傳導通路就可由銅制成。但是，具體材料的選擇，要取決于特定最終使用條件所要求的具體工作特性。這里所說的已足夠令那些熟悉本專業技術的人員能夠根據本發明來選擇電磁定子鐵芯和固體徑向熱傳導通路的材料。