CN101051769B - 定子组件的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及定子组件的冷却系统。提供具有包括多个径向向内伸出的定子齿的一个大致为环形的定子铁心的定子组件。定子电线缠绕在该多个定子齿的每一个齿的周围，形成多个定子线圈。该多个定子线圈中的每一个线圈隔开，以至少部分地形成多个大致为轴向延伸的冷却通道。冷却介质(例如润滑油)流过该冷却通道。另外，该多个定子齿中的每一个齿包括一个相应的有法兰的末端部分，每一个该末端部分用于保持一个轴向延伸的带状件。该带状件至少部分地形成该冷却通道。该冷却介质冷却该多个定子线圈。在优选实施例中，在该冷却通道内的冷却介质流的至少一部分为紊流。另外，还说明了带有所提供的定子组件的一种电气机械混合式传动装置。

Description

定子组件的冷却系统
美国政府在该发明中享有已付的许可证、并在有限的情况下要求该专利拥有者根据由NREL/DOE签订的ZCL-3-32060-02的条款提供的合理条款给予其他人许可证的权利。
技术领域
本发明总体上涉及定子组件，更具体地涉及冷却该定子组件的系统。
背景技术
诸如定子固定在电动机/发电机壳体内的电动机和发电机一类的电气装置是众所周知的。安装在轴上的转子共轴线地配置在定子内，并且可相对于该定子，围绕着该轴的纵轴线转动。电流通过定子形成磁场，使该转子和轴转动。另外，还知道，为了保证该电动机/发电机的最优性能和可靠性，必需将定子保持在预先确定的温度范围内，和使定子没有污染物。
可对定子作二个主要的改变，以增加扭矩密度或电动机/发电机每单位重量的扭矩。一个主要的改变是增加定子绕组的数目。槽填充系数或被绕组占据的电动机/发电机的体积的百分数越大，则电动机的扭矩越大。增加电动机/发电机的槽填充系数还可提高装置的效率。然而，这种改善扭矩的方法实际上受到定子形状和尺寸的限制。所使用的另一个增加电动机的扭矩密度的主要改变包括增加流过定子绕组的电流量。由于电阻或欧姆发热，增加流过定子绕组的电流使定子的发热增加。
上述的电动机/发电机的一个应用为混合式电动汽车。混合式电动汽车可以改善燃料的经济性和减少尾管的排气。混合式电动汽车包括一个传统的内燃机，它与一个电气机械混合式传动装置组合。该混合式传动装置具有一个或多个串联或并联的电动机/发电机和齿轮组—例如行星齿轮组。根据工作模式的不同，该电动机/发电机帮助推进或能量吸收(贮存)。如同任何能量转换装置一样，该电动机/发电机的效率小于100％，并拒绝某种能量，例如热。为了达到该混合式电动汽车的高效率工作模式，需要有效地除去这种废热。
发明概述
提供了一种定子组件，它具有包括多个径向向内伸出的定子齿的一个大致为环形的定子铁心。定子电线卷绕在该多个定子齿的每一个齿的周围，以形成多个定子线圈。多个定子线圈的每一个线圈隔开，以便至少部分地形成多个一般为在轴向延伸的冷却通道。冷却介质—例如润滑油通过该冷却通道流动。另外，该多个定子齿中的每一个齿包括一个相应的有法兰的末端部分。每一个该末端部分保持一个轴向延伸的带状件。该带状件至少部分地形成该冷却通道。冷却介质冷却该多个定子线圈。在优选实施例中，在该冷却通道内的冷却介质流的至少一部分为紊流。
第一和第二末端圆环可以配置在该定子组件的相反的轴向末端上。该第一末端圆环形成使冷却介质与该多个冷却通道中的每一个通道连通的第一个腔；而该第二末端圆环形成从该多个冷却通道中的每一个通道接收冷却介质的第二个腔。可以提供一个润滑油输送板，使冷却介质与由该第一末端圆环形成的至少一个孔连通。该至少一个孔在径向与每一个冷却通道重合的点上，使冷却介质与该第一个腔连通；和可以有选择地在大致为径向和大致为轴向的取向的一个取向或它们之间的任何取向中，使冷却介质与该第一个腔连通。另外，还说明了带有所提供的定子组件的一个电动机组件和一个电气机械混合式传动装置。
本发明的上述特点和优点与其他的特点和优点，从下面结合附图对本发明的优选实施的详细说明了很容易了解。
附图简要说明
图1为根据本发明的，包括一个定子组件的电动机的示意性横截面图；
图2为与本发明的分配冷却系统一起使用的定子组件的截面图；
图3为包括本发明的分配冷却系统的电气机械混合式传动装置的部分横截面侧视图；和
图4为图3所示的电气机械混合式传动装置的一部分的部分横截面图。
优选实施例说明
在几个图中，相同的符号表示相同或相似的零件。图1表示电动机10的示意图。根据优选实施例，该电动机10是用于说明的目的，然而应了解，本发明可以用于其他的电动机结构和其他的电气装置—例如发电机。电动机10包括一个壳体12，一个定子组件14，一根轴16和一个转子18。该定子组件14大致为环形，并可以在电动机10工作过程中，相对于该壳体12保持静止不动。该转子18固定在该轴16上，与该轴一体地转动，并且一般被该定子14限制。该转子18和轴16可相对于壳体12和定子14转动。
参见图2可看出，该定子组件14包括配置在一个定子套筒或外壳22内的一个定子铁心20。多个定子齿24从该定子铁心20沿径向向内伸出，在它们之间形成槽21。定子电线26卷绕或缠绕在每一个定子齿24的周围，以便至少部分地充满该槽21和形成一个定子线圈28。该定子线圈28利用环氧树脂30浸渍，使得形成该定子线圈28的绕组的定子电线26电气上互相绝缘。最好使用由位于First Street 1450号，Wabash，Indiana 46992的Wabash Magnetics LLC公司销售的66-2251形式的环氧树脂作为环氧树脂30。根据优选实施例，该定子铁心20由软磁性复合材料(SMC)构成，以降低成本和简化制造。该定子电线26由铜制成。根据另一个实施例，该定子铁心20可由层叠的钢构成。用上述方法加入环氧树脂30增加该定子组件14的强度和形成附加的阻尼。对于定子铁心20由软磁性复合材料构成的优选实施例，增加该定子组件14的强度特别有利。环氧树脂30的阻尼特性可以吸收由电动机产生的令人不愉快的振动，从而使工作更平稳。然而，应当了解，可以使用另外的环氧树脂，定子铁心和/或定子电线成分。另外，可以在保留在权利要求的范围内的条件下，利用清漆代替环氧树脂30。
继续参见图2，以后，将每一个定子齿24和定子线圈28称为一个“极”32。最好，每一个极32单独缠绕，以便在给定的槽体积内，使绕组的数目最大，从而使电动机10的性能最优(如图1所示)。有时，将上述的使绕组数目最大称为槽充满。所示的定子14包括12个极32。然而，技术经验丰富的人知道，在权利要求书的范围内，极32可以更多或较少。该12个极32由该外壳32彼此相对固定，并且，相应的定子线圈28电气上互相连接，使电流可在极32之间转移。每一个定子齿24的终端为一个有法兰的末端部分34。相邻的极32的该有法兰的末端部分34协同工作，以保持大致在定子14的全部轴向长度上延伸的一个轴向延伸的带状件36。最好，该带状件36由非金属材料制成。该带状件36，该定子线圈28和该定子铁心20的内壁29合作、形成多个轴向延伸的通道或冷却通道38。冷却流体可通过该通道循环。在该优选实施例中，润滑油40(如图3所示)通过该冷却通道38循环，吸收由定子14产生的热，从而冷却图1所示的电动机10(如图1所示)。因为该定子线圈28为主要的热源，该冷却通道38的接近可有效地冷却电动机10。技术经验丰富的人知道，该冷却通道38在径向可由基本为环形的，在轴向延伸的套筒限定，或者用环氧树脂代替该带状件36。
环氧树脂30具有良好的导热性质，因此可增加定子线圈28和润滑油40之间的导热性。因此，环氧树脂30的导热可促进从该定子线圈28传热，以冷却电动机10(如图1所示)的过程。环氧树脂30还可作为电气绝缘体，以防止该定子线圈28的每一个单独的绕组之间形成电气连接和/或与定子铁心20形成电气连接，从而可防止电动机10短路。
图3表示一个示例性电气机械混合式传动装置42的一部分的部分横截面图。该电气机械混合式传动装置42包括一个壳体44，它足以容纳二个电动机部件10。在图3中只表示一个电动机部件10。技术熟练的人知道，根据装备该混合式电气机械传动装置42的汽车的工作模式不同，该电动机部件10有时可用作发电机部件。如参照图1所述，定子14与转子18共轴线配置。定子14分别包括第一和第二末端圆环46和48，它们可密封地与定子14的轴向末端接合。该第一和第二末端圆环46和48分别在该定子的相反的末端形成第一和第二个腔50和52。该第一和第二末端圆环46和48与冷却通道38流体连通。该冷却通道38至少部分地由极34的相邻的定子线圈28形成，并且由轴向延伸的带状件36限定沿径向向内，使得在该定子14内形成一个封闭的冷却回路。
在该传动装置的壳体44内安装一个润滑油输送板54，它可如箭头40所示，使冷却流体或润滑油40与定子14的第一末端圆环46连通。润滑油40通过由该第一末端圆环46形成的12个孔或洞56中的一个进入第一个腔50中。该12个孔56中的每一个孔最好在径向与相应的冷却通道38对准。润滑油40通过由该润滑油输送板54形成的一个环形槽58与每一个相应的孔56连通。下面参照图4更详细地说明在该第一个腔50内润滑油40的具体目标。在该优选实施例中，进入冷却通道38中的润滑油40的流量足够大，可在该冷却通道38的至少一部分内引起润滑油40的紊流流动。通过迫使润滑油40进入紊流流动状态，可以比层流从该定子线圈28中提取更大量的热能。另外，利用设在冷却通道38内的装置—例如涡流发生器，可以引起润滑油40的紊流流动。当从该冷却通道38出来时，润滑油40进入第二个腔52，在该腔中，通过由该第二末端圆环48形成的孔60，从定子14出来。
图4表示混合式电气机械传动装置42的一部分，它表示将润滑油40通过孔56导入第一个腔50中，以便接着与相应的冷却通道38连通的二种方法。根据孔50的形状，进入第一个腔50的润滑油40的流动模式可以变化。箭头40’和40”表示二种这种润滑油的流动模式，每一种模式由孔56的不同的预先确定的形状产生。润滑油流动模式40’代表大致为径向的流动模式或形状，它对在进入冷却通道38前，将紊流引入润滑油40中是有帮助的。另外，润滑油流动模式40”代表大致为轴向的流动模式或形状，它可更直接地将润滑油40导入冷却通道38中。
总的来说，这里所述的本发明提供了冷却定子14的一种有效和封闭的系统。利用这种封闭的冷却系统，可减小或消除由于润滑油撞击在旋转的转子18上造成的阻力产生的损失。另外，可以更均匀地冷却定子14，从而消除由润滑油40的滞止引起的局部“热点”。该“热点”可降低电动机10的峰值功率和可靠性。另外，冷却定子14的本系统可大大增加电动机10的连续的功率额定值，从而增加电动机10的功率密度。
虽然详细说明了本发明的实施例，但业内人士知道，在所附权利要求书的范围内，可有实现本发明的各种另外的设计和实施例。

Claims (17)

1.一种定子组件，包括：
一个包括多个径向向内伸出的定子齿的大致环形定子铁心；
一根缠绕在所述多个定子齿的每一个齿周围以形成多个定子线圈的定子电线；
其中，所述多个定子线圈中的每一个线圈被隔开，以便至少部分地限定多个大致沿轴向延伸的，大致封闭的，冷却介质流过的冷却通道；
其中，所述多个定子齿中的每一个齿包括一个相应的有法兰的末端部分，每一个该部分用于保持一个沿轴向延伸的带状件，其中，所述带状件至少部分地限定所述冷却通道；
被配置在所述定子组件的相反的轴向末端上的第一和第二末端圆环；
其中，所述第一末端圆环限定第一腔，该腔使所述冷却介质与所述多个冷却通道中的每一个通道连通；
其中，所述第二末端圆环限定第二腔，该腔从所述多个冷却通道中的每一个通道接收所述冷却介质；和
其中，控制所述冷却介质来冷却所述多个定子线圈。
2.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，所述冷却介质为润滑油。
3.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，所述定子铁心由软磁性复合材料和钢叠片中的一种构成。
4.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，还包括环氧树脂，该环氧树脂涂在所述多个定子线圈的每一个上，使得所述定子电线的至少一部分被所述环氧树脂涂覆。
5.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，所述多个定子线圈的至少一部分用清漆涂覆。
6.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，在所述冷却通道内的所述冷却介质流的至少一部分为紊流。
7.如权利要求1所述的定子组件，其特征为，还包括一个润滑油输送板，它可使所述冷却介质与由所述第一末端圆环限定的至少一个孔连通。
8.如权利要求7所述的定子组件，其特征为，在径向与每一个所述的冷却通道重合的点上，所述至少一个孔的构形使冷却介质与所述第一腔连通。
9.如权利要求7所述的定子组件，其特征为，在一个大致径向和大致轴向的取向上，所述至少一个孔的构形有选择地使冷却介质与所述第一腔连通。
10.一个电动机组件，包括：
一个定子组件，具有：
一个包括多个沿径向向内伸出的定子齿的大致为环形的定子铁心；
一根缠绕在所述多个定子齿的每一个齿周围以形成多个定子线圈的定子电线；
其中，所述多个定子线圈中的每一个线圈被间隔从而至少部分地限定多条冷却介质流过的大致轴向延伸的冷却通道；
其中，所述多个定子齿中的每一个齿包括一个相应的有法兰的末端部分，每一个该末端部分用于保持一个轴向延伸的带状件，并且其中，所述带状件至少部分地限定所述冷却通道；
一个被配置在所述定子组件的相反的轴向末端上的第一和第二末端圆环；
其中，所述第一末端圆环限定第一腔，该腔使所述冷却介质与所述多个冷却通道中的每一个通道连通；
其中，所述第二末端圆环限定第二腔，该腔从所述多个冷却通道中的每一个通道接收所述冷却介质；和
其中，所述冷却介质冷却所述多个定子线圈。
11.如权利要求10所述的电动机组件，其特征为，还包括环氧树脂，该环氧树脂涂敷在所述多个定子线圈中的每一个线圈上，使得所述定子电线的至少一部分被所述环氧树脂涂覆。
12.如权利要求10所述的电动机组件，其特征为，在所述冷却通道内，所述冷却介质流向至少一部分为紊流。
13.如权利要求10所述的电动机组件，其特征为，还包括：
一个润滑油输送板，可使所述冷却介质与由所述第一末端圆环限定的至少一个孔连通；
其中，在径向与所述冷却通道中的每一条通道重合的点上，所述至少一个孔使冷却介质与所述第一个腔连通；和
其中，在一个大致径向和大致轴向的取向上，所述至少一个孔使冷却介质与所述第一个腔连通。
14.一种电动机械混合式传动装置，包括：
一个转子组件；
一个与所述转子组件共轴线配置的定子组件，该定子组件具有：
一个包括多个径向向内伸出的定子齿的大致环形的定子铁心；
一根缠绕在所述多个定子齿的每一个齿周围以限定多个定子线圈的定子电线；
其中，所述多个定子线圈中的每一个线圈被间隔，从而至少部分地限定多个冷却介质流过的大致沿轴向延伸的冷却通道；
其中，所述多个定子齿中的每一个齿包括一个相应的有法兰的末端部分，每一个该末端部分用于保持一个轴向延伸的带状件，其中所述带状件至少部分地限定所述冷却通道；
被配置在所述定子组件的相反的轴向末端上的第一和第二末端圆环；
其中，所述第一末端圆环限定第一腔，该腔使所述冷却介质与所述多个冷却通道中的每一个通道连通；和
其中，所述第二末端圆环限定第二腔，该腔从所述多个冷却通道中的每一个通道接收所述冷却介质；
其中，所述冷却介质冷却所述多个定子线圈。
15.如权利要求14所述的电动机械混合式传动装置，其特征为，还包括环氧树脂，该环氧树脂涂敷在所述多个定子线圈的每一个线圈上，使得所述定子电线的至少一部分被所述环氧树脂涂覆。
16.如权利要求14所述的电动机械混合式传动装置，其特征为，在所述冷却通道内的所述冷却介质流的至少一部分为紊流。
17.如权利要求14所述的电动机械混合式传动装置，其特征为，还包括：
一个润滑油输送板，可使所述冷却介质与由所述第一末端圆环限定的至少一个孔连通；
其中，在径向与每一个所述冷却通道重合的点上，所述至少一个孔的构形使冷却介质与所述第一腔连通；和
其中，在大致径向和大致轴向的一个取向上，所述至少一个孔的构形使冷却介质与所述第一腔连通。
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