CN101061624A

CN101061624A - 用于冷却电机或电机壳体的方法和系统

Info

Publication number: CN101061624A
Application number: CNA2005800400380A
Authority: CN
Inventors: 凯撒·马丁; 埃内斯特·G·彭曾斯塔德勒; 曼苏尔·皮嘉尔莱; 马克·A·本松
Original assignee: WAVECREST LAB LLC
Current assignee: WAVECREST LAB LLC
Priority date: 2004-09-25
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-10-24
Also published as: US20060066155A1; WO2006034508A1; TW200627763A; US7687945B2

Abstract

公开了一种冷却壳体或电机的方法和系统。形成示例性永磁电机具有外部定子和内部转子。该电机控制器与电机热临近，但通过空气腔室与电机热隔离。在一个示例性实施例中，提供一个或多个散热器以创建有效的散热路径。在另一示例性实施例中，多个热管中的一个位于系统中。

Description

用于冷却电机或电机壳体的方法和系统

技术领域

在这里所述的本发明涉及用于冷却电机或电机壳体的方法和系统。例如，该系统可以用于冷却放置在完全封闭的壳体中的电机。本发明的方法允许电机壳体在不使用电风扇或类似装置的情况下，将热量耗散到外部空气中。

背景技术

电机在运行期间会产生大量的热。通常，可以通过有效地散除来自电机或电机壳体的热量，来提高电机的输出或耐用性。例如，当电流流经缠绕在电机定子上的导电绕组时，电机诸如无刷永磁电机运行。电流受阻于绕组，这导致热量从绕组和定子电极释放到壳体中。另外，由于各种电机部件和连接诸如轴承或输出轴的摩擦会产生热量。经常由于一个或多个电机部件达到太高的温度而受损，使得电机故障。例如，电机通常的故障模式是当电机绕组太热以及围绕电机绕组的保护绝缘部分熔化的时候。如果绕组受损，那么电机将出现短路。这通常称为电机“烧坏”或“烧毁”。当设计绕组使得其在正常电机运行期间产生容许的热量时，这些绕组可由于流经绕组的电流过大(电机过载)或绕组周围的空气温度太热而变得太热。第二种情况尤其是当电机位于电机壳体内部时出现的问题。但是，如果该电机的热量可以比平常更有效的从电机的绕组区域去除，那么要是需要的话，电机可以以更高的速度或负载运行。

有效的从电机散热是重大的技术难题，尤其是在电机(定子和转子)位于电机壳体内的时候。由于对于散热的关注，电机经常基于它们使用的散热系统的类型来上市并销售。电机和电机壳体主要有两类：开放式和完全封闭式(TE)。每个壳体名字通常指出电机如何冷却。开放式壳体通常允许空气通过壳体的一个或多个开口与电机部件直接接触。典型地，如果在外面使用电机，该电机必须防水。这类的电机通常称为开放防滴式(ODP)电机。在开放防滴式电机中，电机壳体通常在壳体底部处具有一些通风开口。布置这些开口以至于非常有限的电机接触到水，诸如仅仅是水滴。这些开放防滴式电机通过使来自壳体外部的较冷空气连续流入和流出壳体来冷却，从而散除壳体内部的热量。这可以通过将一个或多个叶片附着到轴上来完成，以至于当电机转动该轴时空气会在壳体内循环或搅动。

完全封闭式(TE)电机壳体通常防止电机壳体的内部和外部之间的空气自由交换。这些电机通常以比容纳在开放式壳体中的电机高的多的温度来运行。当然，即使壳体被称为完全封闭式，它们也不是气密性的。存在几种完全封闭式的电机，每个都具有它们各自的电机冷却方案。它们通常包括下述：完全封闭式风扇冷却(TEFC)，完全封闭式上方空气(TEAO)，完全封闭式空气对空气(TEAA)，完全封闭式管道通风(TEPV)，完全封闭式水空(TEWA)，以及完全封闭式非通风(TENV)。

TEFC电机通过通常安装在电机壳体上的外部空气风扇来冷却。该风扇通常远离位于电机的相对端处的输出轴。该风扇将比电机壳体内部空气冷的环境空气吹过电机壳体的外表面，以将来自壳体内部的热量传递给周围空气。TEAO电机位于空气流诸如加热、通风以及空气调节(HVAC)系统中。该电机和壳体放置在由HVAC系统移动的空气经过电机壳体并冷却该壳体的位置。TEAA电机通过循环壳体内部的空气通过热交换器来冷却。而该热交换器通过循环外部空气通过热交换器来冷却。由此，这些壳体被称为空气对空气的壳体。它们典型的具有一个或多个风扇用于循环通风的空气。TEPV电机典型地具有其上布置有开口的壳体，其中该开口用于入口管或出口管。该入口允许壳体外面的空气进入壳体。出口允许来自壳体内部的热空气排出至周围空气。它们典型的具有一个或多个用于循环通风空气的风扇。TEWA电机通过循环壳体内部的空气来冷却。该空气首先通过水热交换来冷却。典型地，该水冷热交换器冷却通风空气，并且一个或多个风扇循环壳体内部的通风空气。

TENV电机没有位于内部的用于在内部冷却壳体或电机的装置。该电机或壳体通过将热量从壳体外表面辐射至周围空气中来冷却。TENV电机通常是小型电机，典型地小于5马力。因此，电机和电机壳体的表面积必须足够大，以在没有外部风扇或气流协助的情况下，经由其表面积辐射或传递热量至外部空气。TENV的特殊类型是防爆(XP)电机或容纳在防爆壳体内的电机。美国矿业局已经将术语“防爆”用于电机或壳体，该种电机或壳体构造以防止电机周围的气体被任何火花、闪光或在电机内部可能出现的气体爆炸或气体和煤尘的爆炸而点燃。术语“防爆外壳”或“壳体”的意思是，构造该壳体，以防止任何火花、闪光或该壳体内部可能出现的气体爆炸点燃壳体周围的任何气体或爆炸材料。同时，构造该壳体，用以在爆炸期间将电机部件保持在壳体内。另外，该壳体也必须防止壳体外部的气体或蒸汽点燃。由此，设计电机以至于电机壳体内部的可燃性气体的爆炸不会点燃外部的可燃性气体。另外，电机配件、电机、开关和或固定设备必须容纳在壳体内或防爆箱内，以至于不会有火花、电弧或来自电机内部的热量引起周围环境的爆炸。

电机通常用在采矿或爆炸环境中，诸如天然气和石油的精炼以及销售。该电机需要容纳在防爆壳体中。如上讨论，这些壳体增加了电机必须承受的热量的量。易爆环境中的传统的电机和壳体使用上述传统的散热技术的一个或多个。图1A和1B示意了用于防爆环境的传统电机冷却系统100。该壳体10表示上述完全封闭式壳体。示出的传统系统100，使用风扇14吹动电机壳体10外表面上的周围或外部空气。这通常称为完全封闭式风扇冷却(TEFC)电机冷却系统。电机20(仅由图1B中的虚线表示)完全位于壳体10的内部。该风扇14位于壳体10的一个端部上。电机输出轴16位于另一端部11处。用于电机20的电气箱12被示出为固定到壳体10的外表面。由电机20和各种系统部件诸如定子绕组以及轴承和轴中的摩擦而在壳体10内部产生的热量，通过壳体10的表面辐射热量来耗散。设计风扇14用于强制壳体10上方充足的大量空气来散除壳体10内部的热量。由于周围的空气比壳体10的表面冷，所以通过对流和辐射来散热。虽然该示例示出具有风扇14，但是可以理解，任何上述传统的冷却系统也可以和该电机组合使用。该电机10还需要示出与电气箱12电气通信的控制器或调节器。由于它们在电机运行期间产生大量的热，所以它们传统上位于电机壳体10的外部。这是传统的系统很明显的不足。通过将控制器和电机分开地放置，则系统需要用于控制器的分开壳体以及散热系统。当然，在易爆环境中，控制器也必须位于防爆箱内。

本领域技术人员将知道，传统电机或电机壳体冷却系统中利用风扇或热交换器的明显的不足。首先，它们增加了制造电机的成本和复杂性。其次，它们需要运行冷却系统、风扇等的能量，以及维持和维修冷却系统的人工。

但是，上述被动的传统的散热系统，诸如完全封闭式非通风或TENV电机也具有许多明显的不足。首先，它需要扩大的壳体和/或电机表面积。该扩大的面积对于具有足够的表面积以将电机或壳体内部的热量辐射至周围环境来说是必要的。其次，TENV具有有限的散热能力或散除速度，因此，电机的尺寸或运行负载都必须受到限制，以减少产生的热量的量。这样，TENV冷却配置对于具有辐射热量不佳的有限表面积的电机或要产生大量热的高输出电机来说不起作用。第三，该传统的系统通常不适于感应电机，在该感应电机中，转子和定子在电机壳体很深的内部或远离电机壳体的外表面的地方产生大量的热。第四，不将电机控制器放置在防爆壳体的内部增加了冷却系统的费用。传统的系统需要昂贵的第二壳体以及散热系统来容纳控制器。另外，它们增加了必须从控制器引到电机的长度的电缆的费用。该电缆可以导致电磁兼容(EMC)问题以及会减少电机的功率输出。最后，如果电机或控制器需要更换，那么维修技术人员必须花费额外的维修时间，以确保控制器和电机兼容。

所需要的是用于从电机或诸如完全封闭式电机壳体的电机壳体中有效散热的改进的方法和系统。同时还需要有效的散热方法和壳体设计，使得控制器能够和电机一样位于相同的防暴壳体内。

发明内容

下面将要详细描述的本发明至少部分地完成了传统的冷却方法和系统不能满足的需要。本发明提供了一种为电机或壳体散热的方法和系统。在示例性系统中，控制器和电机位于公用的防爆壳体的内部。根据本发明，控制器和电机示例性地在相同的壳体内彼此热隔离。另外，它们具有各自的基本的传热路径，以散除它们从壳体产生的热量。

在一个实施例中，电机和控制器通过具有孔隙的壁隔离，以形成绝缘的气囊或热隔离区域。该电机位于壳体的中心部分中，且具有与壳体热通信的定子，以及具有位于定子内部的永磁转子。转子安装在与电机轴颈连接的轴上。当电机运行且旋转转子时，该轴围绕纵向轴旋转。由电机运行产生的热量在中心空腔的内部循环。通过提供多个散热片来传热，其中该散热片在远离壳体至周围空气的径向上延伸。在另一实施例中，风扇叶片机械地固定到电机的某一部分，以在一个或多个绝缘气穴内循环空气。该叶片辅助循环或搅动热量至最有效的散热出口。在另一实施例中，设计并形成该电机，使得不需要壳体。将定子叠片结构的某部分构造或成形为散热片。在爆炸性环境中，用于形成定子的叠片设计为符合爆炸标准。在又一实施例中，至少放置一个散热器，以与控制器热通信。在另一实施例中，多个热管插入一个或多个地方中。例如，热管可以位于一个或多个散热片或其他任何恰当的地方，以提供从壳体或电机内部至周围空气的热路径。

通过阅读本发明的下述详细描述，本发明另外的优势对于本领域技术人员来说将变得显而易见。在说明书中，仅示意了本发明的示例性实施例。示出它们是为了描述发明人预期的用于实施本发明的最佳模式。本领域技术人员将知道，本发明能够在本发明的保护范围内，以各种形式作出其他不同的实施例和其他修改。提供附图和详细的描述作为本发明的描述，但不意图限制所要求的本发明的范围，除非明确说明。

附图说明

本发明通过附图中的例子来示意。不能由这些示例性附图推断对于本发明保护范围的限制。在附图中已经加入参考数字和引导线，以指出附图中的某些部件以及帮助理解它们。

图1A是现有技术冷却系统的正视图。

图1B是图1的端视图。

图2是根据本发明的电机冷却系统的透视图。

图3A是图2的电机组件的透视图。

图3B是图2的电机组件的侧视图。

图3C是图2的电机组件的端视图。

图4是图2的电机组件的转子的透视图。

图5是图2的电机组件的端视示意图。

图6A是用于图2的电机组件的外罩的前透视图。

图6B是用于图2的电机组件的外罩的后透视图。

图7A是用于图2的电机组件的外罩的前透视图。

图7B是用于图2的电机组件的外罩的后透视图。

图8A是图2的散热器的透视图。

图8B是图8A的散热器的另一透视图。

图8C是图8A的散热器的另一透视图。

图9A是根据本发明的安装到散热器上的控制器的平面图。

图9B是图9A的截面侧视图。

图10A是散热器的平面图，该散热器具有从周界延伸至散热片的至少某一部分的空腔。

图10B是根据本发明的另一示例性实施例的平面图。

图11是根据本发明的热管的透视图。

图12A是根据本发明的热管结构的侧视图。

图12B是根据本发明的另一示例性实施例的侧视图。

图13是根据本发明的另一示例性实施例的示意图。

图14是根据本发明的另一示例性实施例的示意图。

优选实施例的详细描述

图2是根据本发明的电机冷却系统200的透视图。图2-8示出了系统200的各种元件。存在三个基本区域：电机外罩76(图6A和6B)，电机20(图3A-3C，4)，以及控制器室40(图7A和7B)。示例性散热器30(图8A-8C)示出为固定到与电机轴64相对的系统200的一端上的控制器室40。该轴64可以由任何恰当的材料诸如整块不锈钢形成。该轴通过未示出的一系列轴承85和密封安装到电机上。电机外罩76和控制器室40示例性地描述为连续的结构，它们使用任何传统的技术诸如螺栓安装到电机20。

图3A-3C示例性示出了电机20。它示意为没有壳体。该电机20利用标准的叠片技术(看不见)示例性地制造，以形成电机定子22。为了辅助传热，示例性散热片23示意为在定子壁内形成。电机20示出为具有可选择的位于电机20的每个端部上的端板21、25。应当理解，上述描述是基本的电机描述，以帮助理解本发明的散热系统。图3B是电机20的侧视图。图3C是电机20的端视图。示出的定子铁心24沿定子22的内圆周形成。在易爆环境中，如果定子22的结构符合防爆要求，则可以移除电机壳体(未示出)。将电机壳体去除显著增加了从电机内部的热传递，也减少了电机的成本。应当理解，当电机20位于诸如完全封闭式非通风壳体的电机壳体(未示出)内时，根据本发明的散热技术也适用。

在图4中，示出了示例性永磁转子70。转子70示意为具有沿转子70的外圆周布置的示例性永磁体72。转子70利用公知的技术插入到电机20的内圆周或空腔28内。该永磁体具有连续交变磁性，且当相对于定子旋转时，提供很大振幅的交变磁场。可以修改转子70，诸如在其护铁中提供孔或间隔，以增强空气湍流。也可以在磁体72之间放置间隔物，以在转子旋转时控制空气的脉动。这增加了从转子70向电机20内包含的空气的传热率。它也使转子70上的气阻最小。也可以构造磁体72以产生特定的齿槽和有效扭矩分布。

图5描述了用于永磁电机的示例性基本电机部件。该转子示意性的显示在定子环的内部。每个定子铁心具有绕组，其中电流以受控的方向流过绕组。当电能流经绕组时，产生磁场。该磁场在吸引和排斥转子上的永磁体之间交变。转子以在定子绕组中电流的流向上通过的的两个方向的一个移动。定子绕组由于电流而变热。该热量必须有效散除，否则绕组将被损害，电机将“烧坏”或“烧毁”。

图6A和图6B描述了用于电机20的示例性前外罩76。外罩76具有用于插入电机轴64的中心孔隙73。外罩76示例性地沿外罩边缘75安装到电机端板21。

图7A和7B描述了用于控制器52(如图9A所示)的腔室或壳体40。腔室40具有示例性的第一凸缘41，其中该第一凸缘固定到电机的端板25。该腔室具有沿其整个长度延伸的中心空腔47。该腔室具有第二示例性的凸缘42，用于在与腔室40固定到电机20的位置相对的地方固定控制器52。该腔室也示意为具有功率入口43和倾斜的顶表面45。该倾斜的顶表面45帮助提高腔室40的顶部周围的空气流动。

图8A至8C描述了根据本发明的示例性散热器30。该散热器30示意为具有多个散热片33。该散热片33安装到散热器30的底座32。散热片33利用气隙35彼此分开。底座32是理想的平面，且固定到控制器凸缘42。在易爆环境中，散热器底座32和散热片33必须设计为维持防爆标准。来自控制器室40内部的热量从该控制器室传递到散热器30。然后，热量流经散热器底座32，并流至散热片33。由于气隙35，散热片33提供充足的表面积。热量最终从散热片33传递至周围空气。当散热片33冷却时，另外的热量从控制器腔室40传递到散热器30。图8B和8C描述散热器30的另外透视图。

图9A和9B示例性地描述固定到散热器30的电机控制器52。图9A是固定到散热器的控制器52的平面图。图9B是图9A的侧视截面图。控制器52位于腔室40的内部。理想的是由保护盖50覆盖。腔室的空腔47中的空气将控制器52与电机20热隔离，即使腔室40通过端板25热耦合至电机20。要知道，控制器52可以通过任何恰当的装置固定到散热器30。图9B仅示意了用于将控制器52固定到散热器30的一个示例性配置。应当理解，这里使用的术语“控制器”意图广泛限定用于从电池或电源接收电能以及然后控制和分配电能至电机20的一个或多个装置。在控制器52中通常使用多个MOSFET(未示出)，这是由于它们对于控制或调整电压的非理想的开关行为。主要由于MOSFET的操作而在控制器52中产生热量。产生的大多数热量是控制器电路和部件内的开关和传导损耗的结果。

控制器52示例性地描述为固定到第一导电材料54，诸如铜或任何恰当的材料，其中第一导电材料54也通常是指散热片。理想地，控制器52将焊接至或以其他恰当的形式固定到第一导电材料54。另外，第二导电材料56诸如陶瓷材料示例性地描述为固定到第一导电材料。其他示例性材料包括铝(Al)和硝酸铝(AlN)。接下来，第三导电材料57诸如铜示例性的描述为固定到第二导电材料。该第三材料57示例性的描述为固定到散热器30的外表面31。存在用于完成连接的多种恰当的装置，包括任何恰当的导热胶。

图9A和9B中示出的示例性配置创建从控制器腔室40的内部至散热器30的散热片33的热路径。散热器30的几何结构示例性地设计用于流到外部环境的定向热量。其通常称为“二极管散热器”。该上述配置通过提供放大的表面积和选择具有优秀导热性能的材料，将热量从控制器腔室40驱散至外部空气。示例性配置允许热量从控制器52流经第一、第二和第三导电材料54、56、57并流入散热器30的底座板32。第一材料的热阻取决于其几何结构。第二层通常称为芯片承载层，其通过线焊，提供模块的内部连接。第三导电层理想地应当帮助热量均匀地传输通过散热器30。硅片面积和芯片厚度确定了芯片热阻以及热量流入散热器必须通过的面积。由于热量传播不受芯片面积的影响，因此对于高传导性的陶瓷衬底来说，总热阻相对于芯片面积的相关性是线性的。这样，高导热性的陶瓷衬底的功率损耗密度极佳。并且，使用硝酸铝衬底的控制器的隔离电压也极佳。然后，大多数热量将流入散热片33，并通过在散热片33和气隙35周围循环的空气来散除。有效的散热允许控制器52工作在比其他方式可能的情况更高的功率水平。

图10A和10B描述了根据本发明的另一示例性实施例。前述的散热器30描述为具有一系列局部空腔39，该空腔具有空腔周界36。空腔39从散热器的背部31延伸至散热片33的至少某一部分。在图10A中，在垂直的方向上示意局部空腔39。在图10B中，在水平方向上示意局部空腔39。

图11描述了示例性的传统热管60，该热管具有选择灯芯62。热管对于散除诸如这里描述的环境中的热量是很有效的。通常，热管是管状设备，其中工作液体交替蒸发和冷凝，由此在没有诸如风扇或泵的机械辅助的情况下，将热量从一个区域传递至另一个。

图12A是示例性热管结构110的侧视图。中心热管112被描述具有从中心热管112向外部延伸的几个延伸114。

图12B是根据本发明的示例性散热器30结构的侧视图。图12A的热管结构110插入在图10A和图10B中示出的多个孔隙39中的一个。在另外的实施例中，中心热管也可以直接热耦合到图9B中示出的导电层58的一个或多个。增加图12A的热管结构110大大提高了从控制器腔室40的传热率。应当理解，热管布置的位置和数量对于给出的电机或壳体设计来说可以被最优化。例如，热管进入散热片33的深度可以影响传热率。热管可以利用现有技术中公知的技术插入腔中。

图13示意性的示出了本发明的另一示例性实施例。该附图说明了从径向插入定子区域的一个或多个热管60。热管辅助热量从定子传递至外部空气。应当理解，热管的位置和数量对于给出的电机设计或结构来说可以最优化。另外，热管可以选择地在径向上插入定子散热片的内部。进一步应当理解，热管可以在轴向上的最优位置处径向插入。

图14示意性的示出了本发明的另一示例性实施例。该附图描述了从轴向插入定子区域的一个或多个热管60。热管辅助热量从定子传递至外部空气。应当理解，热管的位置和数量对于给出的电机设计或结构来说可以最优化。另外，热管可以选择地在轴向上插入定子散热片的内部。进一步应当理解，热管可以在径向上的最优位置处轴向插入。应当进一步理解，本发明也可以应用于图13和14中示出的两个热管方案的组合。

如上面所讨论的，根据本发明的一个实施例，控制器52通过位于控制器腔室40中的空气，与电机20热绝缘。因此，控制器的热结点温度通常保持在限定的界限内。利用有限元分析(FEA)模型确认了热通量通过图9B中示出的示例性的层的优势。并且，三维FEA模型进一步验证了由上述示例性结构产生的有效的热管理。由此，位于控制器腔室40中的空气有效地使控制器52与电机20热绝缘。因此，控制器不需要单独的冷却系统。当然，传热率取决于控制器的各种部件的散热角度。

为了保证最优的电机使用性能，从控制器52中的功率损耗产生的热量必须被有效的通过连接和隔离层传递至散热器30。在大多数情况下，对于硅部件来说，最大的结温度Tj是150摄氏度。控制器52的热行为可以通过一维热网络模型和三维FEA模型来建模。通常两个模型预测的结温度彼此相差在1％的范围内。三维FEA模型的优势在于它能够在控制器52中的多栅极或晶体管热耦合的情况下，预测热结合温度。FEA模型也提供关于通过各个控制器部件52的热通量的热传播的数据，这样有助于表现各种散热器的参数的特性。通过限定用于不同材料层的扩展角，可以为每个部件进行材料厚度的最优化，用于进一步提高热传递。由此，三维FEA模型提供了设计其中控制器与电机热邻近但是通过空气与电机热绝缘的电机所必需的预测热管理，。

下面的分析描述了在具有和没有散热器的情况下的控制器52的热行为。控制器52中使用的典型的MOSFET功率器件的结温度额定值典型地只有大约150℃。但是，在许多环境中，诸如采矿，一个或多个部件的温度会超过160℃或更高。在没有有效散热的情况下，这将有害地干扰控制器52的操作。为了分析本发明的实用性，开发了用于电机的热模型。使用该模型，可以预测电机20和控制器52的温度分布和热流量。

热分析证实：当控制器52位于和电机相同的壳体内且使用如本发明所述的冷却系统时，能够充分散热。在以下的分析中作出以下假设。峰值电机运行条件是：

以374安培的全励磁电流，每分钟2300转(RPM)时为46HP。

下面分析热源：来自定子绕组的传导损耗，Pw；来自定子铁心的铁损耗，Pc；控制器或MOSFET的传导损耗，Pd；永磁体的传导损耗(与控制器和定子损耗相比可忽略)。

从0至1650rpms，电机的温度随传导损耗的增加而上升。当电机速度高于1650rpms时，电机内部的功率损耗相同。但是，电机内部的空气流动增加到由于功率损耗引起的热效应可以忽略。这样，在速度大于1650rpm时，通过对流，利用将热量传输通过电机壁至外部空气，使电机温度稳定。

系统的不同部件之间的热能传递由各种材料的热阻控制。当电机运行时，由于电机和控制器周围的环境空气流动而出现自然的对流。该自然对流从电机散除大量的热。通过控制器52上方的气流协助从控制器的有效热传递路径。根据本发明的系统的结果由有限元模型(FEA)证实。图5中部分地示出的以下电机热阻用于计算传热率：

Rdk：控制器至散热器

Rda：控制器至外部空气

Rwk：定子绕组至定子铁心

Rwa：定子绕组至外部空气

Rka：外壳至外部空气

从控制器(MOSFET)至外部空气的热流利用非独立温度源TD(＝Td)与热阻Rdw串联并连接至节点Tw来建模。该建模方法描述了控制器(MOSFET)温度或热量如何与电机绕组温度或热量隔离。从电机至控制器板的热流仅大约是来自定子绕组的总功率损耗的1％。这证实了控制器52可以使用一个或多个这里提供的示例性结构，利用空气与电机有效热绝缘。它也证实了：对于诸如Rdk和Rda的变量的关键操作能够通过设计恰当的散热器来提高控制器52和电机20之间的热隔离。这是非常重要的，因为由控制器52产生的热量借助通过不同连接和隔离层的热传导而散除。由此，散热的能力取决于控制器的内部特性、其各种热路径以及外部环境的热条件。有效散热或最终传递的热的速度和量决定了控制器的运行电流、开关频率和电压。

热流路径的品质可以由从控制器52至外部空气的总热阻来量化。理想地，控制器直接固定到传导材料或散热器54。影响热量产生或散热的一些因素包括：开关频率，控制器表面厚度、几何结构和位置，控制器衬底(未示出)的材料和结构，用于固定控制器的焊料和导热胶的热品质，以及使用的散热器的表面积和几何结构。

试验显示大约60％的热阻来自控制器衬底；其作用类似于内部绝缘。对于高压控制器的较厚衬底来说，可以使用诸如硝酸铝这样的隔离陶瓷。利用热胶诸如AP-12直接将控制器压在散热器上的优势在于它减小了控制器部件的模块热阻。因此，与使用底座板相比，控制器52离散热器更近。利用一层薄胶连接甚至将更平坦，因为不需要会引起不平坦的弯曲的压力装配。并且，没有铜底座板也减少了热膨胀问题，并提供了控制器衬底和散热器之间的密切热接触。

通过一维热网络模型，可以很容易计算结点温度。在该计算中，在确定热预算时使用下述缩写。

P_T＝功率耗散，瓦

T_j＝结点温度，℃

T_h＝散热器温度，℃

T_c＝外壳温度，℃

T_a＝环境温度，℃

Z_jc＝从模块到外壳的热阻或暂时热阻，℃/W

Z_ha＝从散热器到环境的热阻抗，℃/W

R_jc＝从模块到外壳的热阻，℃/W

R_ha＝从散热器到环境的热阻，℃/W

由于单个短脉冲引起的结点温度可以利用下述公式计算；其中求和符号内的项表示总热阻抗

(1)ΔT_jmax＝P·∑R_thv(1-exp(-t/τ_thv)

由于多个短脉冲引起的结点温度可以使用下述公式计算：

(2) - - - {ΔT}_{j \max} (t_{m}) = Σ_{μ = 1}^{m} (P_{μ} - P_{μ - 1}) Σ_{v = 1}^{n} R_{thv} (1 - \exp (- (t_{m} - t_{μ - 1}) / τ_{thv}))

通常，70％的热预算分配给外壳至环境的热温度的上升；剩余的30％分配给从结点至周界的不同部件。理想地，该内部热阻的大约60％是由于第二衬底层(氧化铝或硝酸铝)引起的，剩余的40％是由焊料、硅、各种传导层以及热胶或粘合剂引起的。对于由于热传导引起的一维稳态热传递来说，由于功率耗散引起的温度上升取决于所有层的总热阻，并可以从上述方程1中推导出来。通过使用承载至少500W/m²的表面热通量的上述的垂直散热片，可以示例性地提供从散热器至环境的全方向热流量。这将大约0.1摄氏度/W的热阻转换到环境。任何接触界面的热阻都与接触面积成反比。因此，更多的接触将降低接触热阻。热胶的热阻取决于层的厚度，大约是0.3-0.4摄氏度/W。最后，外周界的热阻取决于从周界到结点的距离，其大约是0.4摄氏度/W。表1列出了示例性热分析中使用的相关材料的属性。

表1图中示出的配置的热属性

层	厚度	密度	导热率	比热
层	厚度	密度	导热率	比热		微米	Kg/m³	W/mk	J/kg K
控制器	270	2300	150	710		微米	Kg/m³	W/mk	J/kg K
控制器	270	2300	150	710	焊料	80	1100	75	219
铜	380	8300	400	385	焊料	80	1100	75	219
铜	380	8300	400	385	氧化铝	500	3700	28	850
传导胶	50	2000	0.81	800	氧化铝	500	3700	28	850
传导胶	50	2000	0.81	800	铜	380	8300	400	385

利用上述方程(1)，对于最高的能量脉冲1754J达到30秒时期，计算散热器温度为摄氏77度。该结果与三维FEA模型的1％匹配。由于MOSFET开关中产生的热量利用结点温度指示，可以利用简化网络模型来确定损耗环。首先，利用功率器件的占空比，计算简化稳态功率损耗为414.6W。这样计算出稳态散热器温度。然后如上述表1列出的，来计算结点温度。如果预测的结点温度超出150摄氏度，那么对于不同的散热片结构需要重新进行计算。

任何MOSFET开关的功率损耗都是传导损耗和开关损耗的组合。利用下述(分段)近似公式来计算MOSFET的传导损耗：

(3)P_D＝I_DV_D+I_D ²R_D

MOSFET的开关损耗利用正弦波上的线性化模型计算：

(4) - - - P_{D . sw} = \frac{F_{c} (E_{rr}) I_{pk}}{{πI}_{m}}

本发明不限于任何单一的电机应用。示例性应用包括用于泵、涡机、井下、防洪、农业和灌溉、开采矿泥、通风和混合、船甲板下和干燥坑洞的环境等中的电机。应当选择电机材料使其能够承受极端的环境条件，且应当可以被浸入各种环境中，诸如盐水、石油以及未处理的污水中。

上述描述仅示意和描述了本发明的示例性实施例。可以理解，本发明能够用于各种组合和结构。本发明可以在示例性实施例的范围内改变或修改。本发明仅由下述的权利要求的保护范围限制。

Claims

1.一种用于将热量从控制器和电机传递至周围环境的方法，其中所述电机和控制器彼此热邻近，所述方法包括通过气穴将所述控制器与所述电机热绝缘的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过空气的自然对流来完成所述热传递。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述控制器位于与所述电机的至少某部分热耦合的腔室的内部。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述的腔室包括用于增强所述箱室上方的空气流动的倾斜的顶表面。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述控制器或电机与至少一个散热器热耦合。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述控制器或电机与在外部周界上形成的一个或多个散热片热耦合。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述散热器热耦合至一个或多个散热片。

8.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个热管与所述控制器或所述电机热耦合。

9.如权利要求8所述的方法，其中一个或多个所述的热管与所述散热片和一个或多个所述散热器热耦合。

10.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个热管与周围环境热耦合。

11.一种电机，包括：

定子；

转子；

固定到所述电机并与所述电机热邻近的控制器，其中所述控制器通过气穴与所述电机热绝缘。

12.如权利要求11所述的电机，其中所述电机位于完全封闭式壳体中。

13.如权利要求11所述的电机，其中所述控制器位于控制器腔室内，该控制器腔室热耦合到所述电机的至少某部分。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述电机或控制器与至少一个散热器热耦合。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述电机或所述控制器腔室与在外围周界上形成的一个或多个散热片热耦合。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述散热器热耦合到一个或多个所述散热片。

17.如权利要求11所述的方法，其中一个或多个热管与所述控制器或所述电机热耦合。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述一个或多个所述热管与所述散热片和所述一个或多个所述散热器热耦合。