本发明涉及一种用于同步电机如发电机和电动机的通风系统。具体地，本发明涉及用于强迫通风的定子通风系统中安装在定子上的冷却风扇，所述定子通风系统用于带有超导转子的发电机。

在电力生产的过程中，必须将发电机产生的热量从发电机散发出去。发电机产生的热量主要由于空气阻力和摩擦、电流、以及磁结构中随时间变化的磁场。当转子在发电机中高速旋转时会摩擦生热。当电流通过发电机磁场中相对转动的转子和定子线圈时也会产生热量。如同步发电机的定子铁芯和转子磁极的磁导材料中的磁场当随时间变化时会产生磁路损耗。
发电机通常装有冷却系统如气体通风系统，用来将定子和转子产生的热量从发电机带走。气体通风冷却系统已经用于不采用超导线圈的传统的发电机和电动机中。这些发电机和电动机带有需要冷却的定子和转子。传统的气体通风系统通过向定子和转子提供冷却气体而将定子和转子的冷却紧密地结合在一起。这种通风系统通过强迫冷却气体通过转子和定子中的气体通道来冷却转子和定子。传统通风系统采用通过定子和转子的顺流及逆流冷却气体。
在顺流通风方案中采用串流，其中冷却气体流经转子，接着穿过定子和转子之间的气隙，然后进入定子。在逆流通风方案中采用平行流，其中冷却气体流经定子和转子，接着两股气流在电机气隙中混合，然后进行再循环或从电机中排出。流经定子和转子的冷却气体的混合使得逆流通风系统中定子和转子的冷却结合在一起。
由于流经转子和定子的冷却气体的结合，传统的顺流逆流通风系统能向定子和转子提供足够的冷却。为了冷却转子，在传统的通风系统中可能不得不对定子的冷却作出一些牺牲以满足冷却转子的需要，反之亦然。对于必须冷却转子和定子的通风系统，可能难以使定子或转子的冷却效果达到最佳。尽管如此，传统的通风系统还是在大型工业和公用电力发电机中对定子和转子进行冷却。
用于超导转子的低温冷却系统不冷却定子。这种超导同步电机的定子需要有独立的定子冷却系统。与传统电机中定子和转子冷却系统结合于单个通风系统不同，低温转子和气冷定子的冷却系统可以是独立和分开的。

已经研制出一种用于超导同步电机的定子通风系统。超导同步电机的定子由强制通风系统进行冷却，其中安装在定子上的风扇迫使冷却气体如空气或氢气离开或进入定子冷却通道。可以对安装在定子上的风扇在环境温度、电机负荷和其它工作条件的范围内进行控制，使定子冷却到恒定的温度。而且，即使在冷却定子和转子的通风系统的情况下，也可以通过在定子上安装风扇对传统的同步电机和通风系统进行改造，以增强定子的冷却效果。
在第一个实施例中，本发明的同步电机包括：转子，与转子冷却系统相连；定子，围绕所述转子，并通过转子和定子内表面之间的环形间隙与转子隔开，其中，所述定子包括至少一个定子冷却通道；定子通风系统，与所述至少一个定子冷却通道液体相通，其中，所述通风系统包括布置在定子外表面附近的冷却液驱动装置。
在另一个实施例中，本发明的超导电磁式电机包括：转子，带有低温冷却的超导转子线圈绕组；定子，与转子同轴并带有与超导转子线圈绕组磁耦合的定子线圈，且定子带有从定子外表面延伸到定子内表面的冷却通道，转子带有用于低温冷却液的冷却通道；定子通风系统，将冷却气体提供到定子外表面和定子通道，且该定子通风系统还包括至少一个安装在定子外表面周围的风扇。
在本发明的还有一个实施例中，提供了一种冷却电磁式电机的方法，所述电磁式电机包括带有转子线圈绕组的转子、定子和定子通风系统，这种方法包括以下步骤：冷却转子线圈绕组；用定子通风系统中流经定子的冷却气体冷却定子；和用定子通风系统的至少一个安装在定子上的风扇抽出通过定子的冷却气体。
附图说明
图1是发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了带有安装在定子上风扇的强迫通风的顺流定子冷却系统；图2是传统涡轮发电机和带有安装在定子上风扇的发电机的发电机输出功率与环境温度的关系曲线图；图3是传统涡轮发电机和带有安装在定子上风扇的发电机的通过发电机的冷却气体流量与环境温度的关系曲线图；图4是传统涡轮发电机和带有安装在定子上风扇的发电机的冷却气体流量与发电机负荷的关系曲线图；图5是传统涡轮发电机和带有安装在定子上风扇的发电机的发电机效率与发电机负荷的关系曲线图；图6是发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了带有安装在定子上风扇的强迫通风顺流冷却系统的第二个实施例；图7是发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了带有安装在定子上风扇的强迫通风顺流冷却系统的第三个实施例；图8是超导发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了强迫通风的逆流冷却系统的一个实施例；图9是超导发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了强迫通风的逆流冷却系统的第二个实施例。

在带有安装在转子上风扇的传统发电机中，通过转子的冷却气体流量是速度的函数。如果额定电网频率为60赫兹的这种发电机(工作时2极发电机的转子速度为3600转/分钟，或4极发电机的转子速度为1800转/分钟)在50赫兹下工作，转子速度减小到3000转/分钟(2极)或1500转/分钟(4极)，且冷却气体流量减小为大约50/60。这将降低发电机的散热能力，从而减小发电机的额定功率。对于传统的带有安装在转子上风扇的普通发电机设计，难以在50赫兹和60赫兹的应用中实现相同的发电机输出水平。
另一方面，对于安装在定子上的风扇来说，通过定子铁芯的冷却剂流速率与转子的机械转速无关，因此发电机的散热能力与转子的机械转速无关。这使得能够通过改进外部风扇的控制组件而不是改变发电机的电磁设计来定制工作在50或60赫兹下的发电机。
由于空气密度是海拔高度的函数，所以空冷发电机的散热能力也是海拔高度的函数，从而使带有安装在转子上风扇的空冷发电机的额定值也是海拔高度的函数。因此，如果发电机安装在比设计值或额定值海拔高的地方，其额定值必然会降低。如果发电机工作在海平面以上1000米的高度，其额定值大约会降低多达5％。对于风扇安装在定子上的通风结构，可以增大通过发电机的空气流量以补偿由于海拔高度增加而降低的空气密度和散热能力。这使得发电机的额定值能够保持与发电机安装高度无关。
图1示出了作为实例的带有定子12和顺流通风系统28的同步电机10，其中冷却气体(箭头30)从转子气隙20流过定子。冷却气体流经定子12中的径向气体通道32。冷却气体将热量从定子上带走。安装在定子上的风扇38控制冷却气体流率从而调节定子温度。
电机10带有定子12和转子14。电机10以发电机来表示，但也可以是电动机或其它发电机。在发电机中，转子包括装配在定子的圆筒形转子空腔18里面的励磁绕组线圈16。在转子的外表面和定子的圆筒形表面之间形成环状电机气隙20，其中定子的圆筒形表面构成容纳转子的圆筒形转子空腔18。当转子在定子里面转动时，由转子和转子线圈产生的磁场旋转通过定子而在定子线圈绕组中产生电流。该电流作为电力由发电机输出。
转子14具有大体上沿纵向延伸的轴线22和一般是实心的转子芯24。实心的转子芯具有高磁导率，而且通常是用铁磁性材料如铁制成的。在低功率密度的超导电机中，转子铁芯用来减小磁动势(MMF)，从而使线圈绕组1 6所需要的超导(SC)线圈线的数量减到最少。
转子14支承至少一个沿纵向延伸的跑道形状的高温超导(HTS)线圈绕组16。高温超导线圈绕组也可以是鞍状的或其它适合于高温超导转子具体设计的形状。高温超导线圈绕组16由冷却液的外部源26输送到转子的低温液体或气体冷却。转子及其高温超导线圈的冷却是独立于并且隔离于发电机10其它部件如定子12的冷却系统。
在超导同步电机中，转子励磁绕组通过包括独立转子冷却回路的低温制冷系统冷却到低温。冷的低温制冷剂通过传输接头输送到转子上。致冷剂流经转子中的冷却回路而从超导转子线圈中吸取热量，然后通过传输接头返回到固定的冷却系统中。这种低温冷却系统能够有效地冷却超导电机中的转子。但这种低温冷却系统不冷却定子。
热的冷却气体30从定子铁芯外表面34穿过围绕定子铁芯的环形管道36，从而将热气体引导至安装在定子上的风扇38。风扇38迫使冷却气体穿过管道36将冷却气体从定子12中抽出。安装在定子上的风扇38控制通过定子的冷却气体流量从而控制定子的冷却。与传统的风扇安装在转子上而迫使空气进出定子-转子间隙20的方式相比，安装在定子上的风扇能够使更多的冷却气体通过定子。安装在定子上的风扇是由风扇控制器39控制的，比如，可以通过调整风扇转速来提供所要求的流经定子的冷却气体。
热气体从风扇38排出到增压室40中，然后流入热交换器42。气体通过风扇流入环形增压室40中，然后通过热交换器42，进入发电机前端的回流管道44中。
流经定子通道的冷却空气或氢气的速率是由定子风扇控制的，而定子风扇是由风扇控制器控制的。风扇控制器可以用于在此公开的通风系统的所有实施例中。比如，风扇控制器可以调节风扇转速从而调节冷却气体流量，使定子绕组维持在恒定的温度。位于定子铁芯、定子槽或定子绕组一处或几处的温度传感器41可以将定子温度的温度反馈信号提供给风扇控制器，接着风扇控制器根据定子温度是高于还是低于所要求的定子温度相应调节风扇转速以增大或减小通过定子的冷却气体流量。为此，可以使用不同类型的温度传感器，包括能测量单独位置温度(点测)的传感器，或者能提供沿规定几何路径的温度分布信息的传感器(分布热传感器)。
安装在定子上的风扇38可以包括安装在定子周围的两个环形风扇组件，将加热的冷却气体从围绕定子的环形管道36中抽出。这些安装在定子上的风扇可以由风扇控制器39控制以调节风扇转速，从而提供为使定子维持在所要求的相对恒定的工作温度而必需的最佳冷却流量。而且，可以将另一个环形风扇37布置在定子端部线匝48的附近，用来将冷却气体46抽到端部线匝。安装在定子不同部分上的风扇可以由单个风扇控制器控制，或者可以分别进行控制使定子不同部分具有各种不同的冷却流量。
可以对每个定子风扇的尺寸、设计和控制进行优化，使得风扇能与通过对准的定子通道的冷却流体的阻力相匹配。类似地，可以对定子框架上风扇的数目和位置进行选择，使得定子中的电枢绕组和定子铁芯在沿电机轴向长度上具有基本恒定的温度。
可以调整对风扇的控制以实现各种优点。举例来说，降低风扇转速也降低了电机的通风噪声。当电机工作在部分负荷而使电枢和定子铁芯中产生较少热量时，可以降低风扇转速。此外，如果所选的安装在定子上风扇的数目和尺寸超过电机额定负荷时的定子冷却能力，那么当电机工作负荷超过额定负荷或环境温度变得过高时，将有额外的定子冷却能力能够利用。风扇安装在定子上的另一个潜在优点是，在电机启动之前或在电机停止之后安装在定子上的风扇都可以工作，即使电机处于停止状态时也可以对定子进行冷却。
安装在转子上的风扇62可以与安装在定子上的风扇一起使用来使通过转子和定子之间气隙20的气体流量增大，或者不一起使用。安装在转子上风扇的转速是转子转速的函数，因此当转子转速增大时，通过定子的冷却气体流量增大。由于大多数工业用燃气轮机工作时转子转速相对比较稳定，所以转子风扇向通过通风系统的冷却气体流量提供恒定的力。通风技术方案中也可以不使用安装在转子上的风扇62，在这种情况下，所有冷却气体通过定子铁芯，这代表了大型公用涡轮发电机的通风结构现有技术的重要变化。
来自定子和风扇的加热气体在热交换器42中冷却，流经再循环管道44后回到电机气隙20中。转子的离心力、安装在转子上的风扇62以及由风扇38抽出通过定子的气流驱使冷却气体进入间隙20。此外，一些冷却气体46从通风回流通道44引导出来以冷却定子线圈绕组的端部线匝48。不流过端部线匝的冷却气体流入电机气隙20，然后进入转子空腔18的定子内表面上的定子通道32中。
图2是曲线图50，示出了发电厂周围的环境温度(摄氏度)可对发电厂设备的输出功率(兆瓦)造成的影响。涡轮发电机可以由两种类型的原动机驱动：蒸汽涡轮机或燃气涡轮机，如燃气轮机。蒸汽涡轮机的输出功率不随周围温度状况而变化，而燃气涡轮机的输出功率环境温度升高时会减小。蒸汽涡轮机的特性曲线几乎是平的，如图50中的曲线52。另一方面，燃气涡轮机的输出功率是环境温度的强函数，而且一般来说其特性曲线具有负的斜率，如图50中所示曲线54。因为由原动机产生的机械动力必须由发电机转化为电力，所以发电机的输出特性必须与涡轮机特性一致，使得动力传动系的输出动力不受发电机容量的限制。由于两种不同类型的原动机具有两种不同的输出特性曲线(线52，线54)，所以很难以有效的成本设计出与两种不同涡轮机特性都相配的发电机。这一困难必然导致发电机在大部分环境温度下都被超安全标准设计以满足整个温度范围内的涡轮机输出。
具有传统通风结构的发电机的输出功率在较高的环境温度下有减小的趋势并遵循与线54类似的总体趋势线。与发电机热量不能通过热交换器的全封闭水冷却式电机相比，开放式通风的空气冷却电机中的负斜率更为明显，因为全封闭水冷却式电机的进口冷却温度较少随环境温度而变化。
对于带有安装在定子上风扇的通风结构，可以控制通过定子铁芯的冷却气体流量，使得发电机的输出特性曲线遵循所要求的曲线。这样能够获得不受环境温度影响的发电机输出特性曲线。具体地，不但可以实现具有倾斜输出特性的曲线54，而且还可以实现具有恒定输出特性的线52，或者可以实现其间的任何特性曲线。通过这种通风结构，比较容易使发电机的输出特性与两种不同的原动机一致，这两种蒸汽涡轮机和燃气涡轮机具有相同的标称额定值和不同的环境温度特性曲线。图3是曲线图56，示出了当环境温度升高时，安装在定子上的风扇可以使通过定子的冷却气体流量(立方英尺/分钟)增大。当环境温度升高时增大通过定子通风系统的冷却气体流量可冷却发电机以减少环境温度对发电机输出功率的影响，这种影响如图2中的线54所示。如正斜率线58所示，通过控制安装在定子上的风扇可以控制通过定子通风系统的冷却气体流量，使其成为环境温度的函数。可以使用风扇控制器39(见图1)来调节定子风扇38的转速以实现如图3中线58所示的冷却气体流量。对于没有安装在定子上风扇或风扇控制器的传统通风系统来说，通过定子的冷却气体流量相对不变，与环境温度无关，如线60所示。
图4示出当发电机负荷增大时，安装在定子上的风扇可以增大通过定子通风系统的冷却气体流量，如倾斜线64明显所示。而安装在转子上的风扇，当发电机以正常速度工作时，具有相对稳定的转速，因此即使当发电机负荷增大时通过定子的冷却气体流率也是不变的，参见线66。负荷增大一般来说会使发电机的工作温度升高，而这种温度变化会影响发电机的输出功率和效率。参见如图2。当发电机负荷增大时，可以通过风扇控制器39调节安装在定子上风扇的转速以增大冷却气体的流量，从而改进通风系统对定子的冷却效果。当负荷增大或减小时通过接通或断开选定的风扇还可以调整通过定子的冷却气体流量以适应发电机负荷。
图5是曲线图，显示出发电机效率由于安装在定子上的风扇而得到改进。安装在定子上的风扇起码可以部分抵消由于发电机负荷和环境温度变化而引起的发电机热变化。比如通过将定子和发电机维持在更加恒定的温度，通风冷却系统可以更加有效地冷却定子。可以优化传统涡轮发电机中的通风系统，参见线68，以适合高负荷的状态。在低负荷状态比如低于百分之五十(0.5)负荷量时，由于定子被过度冷却而工作在最佳温度以下，所以冷却效果不能达到最佳。由于不能达到最佳冷却，并由于发电机的通风不佳，所以发电机的效率在低负荷状态下不利地减小。而安装在定子上的风扇，参见线70，通过使冷却气体流量在发电机负荷和环境温度的很大范围内都能够达到最佳，而使发电机效率得到改进。
图6是带有顺流通风定子冷却系统86的发电机10(参见转子轴向中心线82和纵向中心线84)的四分之一部分的剖视图。冷却系统将冷却气体88如环境空气或氢气输送到定子12和定子中的冷却气体通道32。定子冷却系统86是独立的并且与提供低温冷却液给转子的低温冷却系统隔绝。
当冷却气体穿过定子冷却通道32时可将热量从定子线圈带走。可以在定子中布置冷却通道以优化定子线圈的冷却效果。比如，可以对冷却通道沿定子轴线和/或冷却通道的横截面的排布密度进行选择以在定子中均匀地进行冷却或是用其它方法来优化定子的冷却。
环形管道36可以具有沿圆周围绕定子的圆筒形外壁92，而且还带有开口，和用于安装定子上风扇38的固定件。管道36还可以包括从定子延伸到圆筒形侧壁92的环形隔板94，用来将空气从定子通道32引导至风扇38。隔板上带有孔可使冷却气体能够流向定子风扇，而且隔板布置成能促进冷却气体在所有定子通道比较均匀地流动。
环形增压室管道40将热的高压或高速气体88从风扇38引导到一个或多个热交换器42。热交换器42从气体吸取热量，使气体可以再循环以冷却定子。与图1中所示的通风系统不同，在本实施例中，冷却的气体从热交换器直接流过定子的端部线匝48。冷却气体90从端部线匝流入转子和定子之间的电机气隙20中。当气体流经气隙时，气体沿转子长度方向分布并进入定子的冷却通道32中。冷却气体可以只从转子82的一端进入或是从转子82的两端进入。在本实施例的定子通风系统86中，冷却气体通过定子后被再循环使用，热交换器42在冷却气体再循环之前将热量从冷却气体中除去。
图7是发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了带有安装在定子上风扇的强迫通风顺流冷却系统96的第三个实施例。通风系统的第二个实施例86是一个闭环路循环系统，其中冷却气体可再循环使用(如图6所示)，而第三个实施例96是开环路系统，其中冷却气体只流过定子12一次，然后排出到环境空气中。开环路冷却系统的好处是不需要有回流管道(参见图1中40和44)，因此可以减小电机的总体尺寸。
在第三个实施例96中，冷却气体在发电机80的一端或两端进入进气增压室98中。冷却气体可以是环境空气。空气从进气增压室流到定子绕组的端部线匝48上，接着进入气隙20和定子通道32，然后通过定子风扇38从出气增压室100排出。因为热的冷却气体排放到大气中并被通过进气增压室98吸入的环境空气替代，所以不需要有热交换器。风扇还可以布置在定子框架的外面但在管道之中。
图8是超导发电机四分之一部分的示意性剖视图，示出了强迫通风的逆流冷却系统102的一个实施例。在逆流通风系统中，冷却气体104流入定子外表面34上的定子通道，从定子通道32流出后进入转子14和定子12之间的气隙20。在逆流通风系统102中，通过定子通道32的气流与顺流通风系统中的冷却气流流向相反。
热的冷却空气从气隙20流出并流过定子绕组的端部线匝48。安装在定子上的风扇106将冷却气体从定子通道和气隙中抽出，并使冷却气体流过端部线匝。安装在定子上的风扇106控制通过定子通道的冷却气体流量从而控制定子的冷却。安装在定子上的风扇可以布置在发电机端部的端部线匝48周围。冷却气体从安装在定子上的风扇流入围绕定子的增压室40中，接着通过热交换器108进入管道36中，然后重新返回定子通道。热交换器将热量从冷却气体中除去，使气体通过定子通道进行再循环。
图9是超导发电机的四分之一部分的示意性剖视图，示出了强迫流通空气或氢气的逆流冷却系统110的第二个实施例。在第二个实施例中，冷却空气104只通过通风系统一次而不进行再循环。空气进入布置在定子周围的进气增压室112然后流入围绕定子的环形管道40。空气流经定子通道32和气隙20，然后在转子端部从气隙流出。热的冷却气体流经定子绕组的端部线匝48以冷却端部线匝。安装在定子上的风扇104将热的冷却气体从定子、气隙和定子线圈端部线匝抽出。风扇的转速控制冷却气体的流速从而控制定子的冷却。来自定子风扇的热的冷却气体通过安装在发电机端部的出气增压室114排出。
在此公开的定子冷却系统也适用于同步电机，在同步电机中传统的转子被超导转子所取代。在这种情况下，原来电机中的顺流通风系统可以转换成逆流系统。带有安装在定子上风扇的发电机将来可以通过增加安装在定子上风扇的数目或风扇的额定值，以增大通过定子铁芯的冷却气体流量而提高功率。
在此介绍的带有安装在定子上风扇的定子通风系统包括直接冷却定子绕组被的结构。直接冷却定子可以通过在电枢绕组中沿主轴线方向使用空心导体来实现。
虽然本发明是结合目前被认为最实际和最优选的实施例来说明的，但是应当知道本发明并不限于所介绍的实施例，而是包括所附权利要求限定的精神和范围之内的各种变型和等效形式。