CN101095273A - 用于电动机或者发电机的经过改进的冷却系统 - Google Patents

用于电动机或者发电机的经过改进的冷却系统 Download PDF

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Abstract

电动机或者发电机的经过改进的冷却系统包括：外壳、称作“无槽”的管状定子夹层(4)、转子(2)，且转子(2)具有设置在定子夹层(4)和转子(2)之间的永久磁铁和电绕组(25－26)，其特征在于，冷却系统包括设置在定子夹层(4)和转子(2)之间的冷却器(6)，还在于绕组(25－26)设置在冷却器(6)上。

Description

用于电动机或者发电机的经过改进的冷却系统
本发明涉及电动机或者发电机的经过改进的冷却系统，更特别地涉及所称的“无槽”永久磁铁电动机或者发电机。
已知“无槽”的永久磁铁电动机或者发电机一方面主要包括外壳，另一方面包括设置有永久磁铁的转子，其中，在外壳中，存在具有光滑内壁被称作“无槽”的管状定子夹层和在所述管状定子夹层内或者围绕着所述夹层缠绕的电绕组。
这种装备有由冷却护套形成的冷却系统的电动机和发电机已经是已知的，其中，冷却护套设置在冷却液体流经的定子外部。
这种已知的定子的缺点是转子处的冷却通常不够充分。
另外已知的是“无槽”的永久磁铁电动机或者发电机通常设置有空气冷却，藉此空气借助于外部风扇或固定在转子上的某种形式的螺旋桨或叶片吹过绕组头部。
这种空气冷却的原理可以应用于定子的每个远端处的绕组头部，以便实现使空气经由转子和定子之间的空气隙从定子的一个远端处的绕组头部流到定子另一个远端处的绕组头部，并且实现使空气从空气隙中的定子中部沿轴向流到远端处的绕组头部，从而冷却转轴和绕组头部。
已知除了空气之外，其它气体也可以用作冷却介质。
这种借助于空气或者另一种冷却气体进行冷却的缺点在于，在这两种情形下，都很难建造能够进行无尘无湿操作的整个封闭的电动机。
在异常的情形下，例如从WO 01/35513和US 5,304,883中可知，已知定子绕组进行直接的油冷却，藉此定子绕组的电导线与油直接接触，这样做的结果是存在可能短路的潜在风险。
经过转子的直接冷却也是已知的电动机设计中的一种，但这样是很复杂和昂贵的。
在高速和大容量的称作“表面安装”类型的永久磁铁电动机或者发电机的情形下，磁铁固定在转轴上并且借助于管夹持在转轴上，该管不得不吸收高旋转速度下的离心力，并且该管由金属或者碳纤维形成，该管绕着磁铁设置有较大的预应力，以便可以在最大旋转速度下传递扭矩。
这种设计成在高速下进行操作的电动机或者发电机始终需要尽可能小，因为除了其它原因之外，还要考虑机械和转子动力学方面的因素。因此，定子中的能量密度会形成问题并且需要特殊的冷却概念，因为定子会过热，这会导致转子中产生所不希望的温度升高。当定子太热时，并且由于空气隙中的空气，对于转子释放出热量会更加困难，而且转子也会由于定子而额外加热。尤其当上面提到的将磁铁夹持在转子上的管由碳纤维形成时，转子的加热会产生极坏的后果。
此外，一些已知的永久磁铁电动机和发电机需要额外地冷却转子，这可以例如借助于经过定子和转子之间的空气隙或者经过轴的空气的冷却来实现。为了弥补上面提到的所有困难，通常需要复杂、昂贵和相当大的冷却回路。而且，整个封闭的永久磁铁电动机或者发电机不能通过简单的方式来实现，并且这种电动机或者发电机的成本价格通常非常高。
例如在上面提到的WO 01/35513和US 5,304,883的情形下，现有已知的永久磁铁电动机或者发电机的另一个主要缺点是，设置绕组非常费力、耗时并且昂贵，因为在这种情形下“无槽”的定子夹层具有没有任何齿的光滑内壁，而在具有传统的定子夹层的电动机或者发电机的情形下绕组需要绕着齿进行缠绕。
本发明旨在弥补上面提到的和其它的缺点。
为此，本发明涉及电动机或者发电机的经过改进的冷却系统，该冷却系统包括：外壳、称作“无槽”的管状定子夹层、转子，且转子具有设置在定子夹层和转子之间的永久磁铁和电绕组，其特征在于，冷却系统包括设置在定子夹层和转子之间的冷却器，还在于绕组设置在冷却器上。
这种依照本发明的电动机或者发电机的优点在于冷却施加在转子和定子绕组的直接环境上，所以具有磁铁和将磁铁夹持在转子上的管的转子以及定子绕组可以获得高效的冷却。
具有内部冷却系统的这种电动机或者发电机的另一个优点是比已知的具有外部冷却护套和可比容量的已知电动机或者发电机更紧凑。
另一个优点是因为冷却系统设置在定子内部，所以这种定子可以用于封闭的电动机或者发电机，而封闭的电动机或者发电机例如可以应用在含尘的和潮湿的环境中或者在具有易燃或者腐蚀气体的环境中。
上面提到的冷却器优选设置有朝向转子定向的径向齿，其中转子沿定子的轴向方向延伸，并且在中间界定了轴向定向的槽以便冷却器具有传统的定子夹层的外部形状。
这种冷却器的优点在于上面提到的绕组可以通过非常简单的方式绕着上面提到的齿设置在上面提到的槽中，更具体地说，通过与设置有带有齿的定子夹层的传统异步或者同步电动机和发电机的情形下相同的方式来设置。
与上面相关的一个优点是这种定子能够以低的成本来制造，此外也可以通过应用已知的传统电动机和发电机应用的全自动绕组技术来连续进行更简易的生产。
这种冷却器的另一个优点是也可以经过自动过程来制造，例如借助于挤压、模铸、铅版印刷等。
为了更好地解释本发明的特征，下面参照附图仅仅作为一个实例描述了具有依照本发明的经过改进的冷却系统的电动机或者发电机的如下优选实施例，其中不带有任何方式的限制，图中：
图1以透视图示意性地表示了具有依照本发明的经过改进的冷却系统的电动机或者发电机定子；
图2表示了图1中沿线II-II的剖面图；
图3以放大的比例显示了图2中由F3指示的部分；
图4表示了图1中沿线IV-IV的剖面图；
图5表示了图4中沿线V-V的剖面图；
图6表示根据图1得到的第一变体；
图7表示图6中沿线VII-VII的剖面图；
图8表示图7中沿线VIII-VIII的剖面图；
图9表示根据图1得到的第二变体；
图10表示图9中沿线X-X的剖面图；
图11表示图10中沿线XI-XI的剖面图；
图12表示根据图1得到的第三变体和最后一个变体；
图13表示图12中沿线XIII-XIII的剖面图；
图14表示图13中沿线XIV-XIV的剖面图。
图1至5表示具有依照本发明的经过改进的冷却系统的电动机或者发电机的定子1，由此，更具体地说，电动机或者发电机属于装备有具有永久磁铁的转子2这种类型，为了清楚起见，在图2和3中该转子2仅仅通过虚线示意性示出。
在这种情形下，定子1由管状外壳3构成，在管状外壳3中提供了管状定子夹层4，其中管状定子夹层4具有占主导的光滑内壁5，即内壁5没有任何显著的槽或者齿。
在定子夹层4和转子2之间提供了冷却器6，冷却液体可以导引经过该冷却器6，冷却器6主要由冷却元件7构成，该冷却元件7在远端连接至出口收集器8并且另一个远端连接至入口收集器9。
冷却元件7由双壁管形成，该管具有外径与定子夹层4的内径相对应的外圆柱形管10和内波形管11，该内波形管11的波纹形成朝向沿轴向方向延伸的转子指向的径向齿12，并且在中间界定了轴向导向的槽13。
上面提到的齿12和槽13优选在冷却元件7的内周边上均匀地分布。
外管10和内管11彼此通过分隔物14连接起来，该分隔物14与外管和内管10-11一起形成冷却液体的通道15。
在给出的实例中，冷却元件7刚好等于定子夹层4的长度。
出口收集器8和入口收集器9由下列元件构成：环形元件，该环形元件由圆柱形外壁16形成，该外壁16在外壳3中设置在定子1的远端上面对定子夹层4；波形内壁17，面对冷却元件7的波形内管11的延长部分并且在其中延伸；密封壁18，将上面提到的外壁16连接至内壁17；以及侧壁19，沿轴向方向连接至冷却元件7的远端并且在上面提到的通道15中部分地开口。
在上面提到的出口收集器8的外壁16中设置了与外壳3中的出口孔21相对而置的孔20，在入口收集器9的外壁16中设置了与外壳3中的孔23相对而置的孔22，设置该出口孔和入口孔21-23用于连接在图中未示出的冷却回路。
在给出的实例中，冷却器6的槽13的壁使用电绝缘膜或者层24覆盖，称作槽绝缘。
围绕冷却器6的齿12设置了延伸的电绕组，绕组的轴向部分25位于上面提到的槽13中，并且弯曲部分26位于冷却器6的远端处，弯曲部分26在图1中通过虚线示意性地示出，并且弯曲部分26在定子1的每个上述的远端上通过已知的方式束在一起或者系在一起形成所谓的环形绕组头27。
由于冷却器6的齿的设计的原因，上面提到的绕组25-26可以通过与已知的传统电动机和发电机相同的方式缠绕，该电动机和发电机装备有带有齿的定子夹层和其中设置了绕组的槽。
这样，对于依照本发明的定子1的绕组，可以利用迄今只能用于传统的同步和异步电动机和发电机的自动绕组的安装。
很清楚，在本发明的情形下，在冷却器6的槽13中设置绕组25-26比迄今可能的具有定子夹层式的简单多了，该定子夹层具有不带槽的光滑内壁。
定子1的远端优选通过热传导和电绝缘的涂胶28来密封，例如基于环氧或者硅酮的涂胶，该涂胶抛掷在绕组头部27上并且对着冷却器。因此能够准确地装配在定子的内径中的管就被放入定子中，并且导热的涂胶抛掷的高度等于外壳的高度。涂胶28一方面分别与出口收集器8和入口收集器9的密封壁18接触，另一方面与有关的远端上的绕组头27相接触。
冷却器6优选也由传热的并且电绝缘的材料形成。
具有依照本发明的经过改进的冷却系统的定子1在电动机或者发电机中应用的用途和工作与已知实施例中的类似，差别在于：在本发明的情形中，定子1经由外壳中的出口孔和入口孔21-23连接至外部冷却回路，原因是冷却液体经由出口收集器8经过冷却元件7中的通道15流至入口收集器9。
因此，定子1和定子1的绕组25-26被直接冷却，并且围绕着转子2的区域以及定子1和转子2之间的空气隙中的空气被直接冷却，而这在温度上会产生有利的影响，从而保证较长的寿命。在封闭的电动机的情形下，这一点可以使电动机或者发电机实施例切实可行或不可行。
很清楚，电动机或者发电机的内部不与″外部世界″形成接触，因为没有空气被抽吸着吹过绕组头部或者空气隙之间。电动机外壳密封在支承板上，这在此没有示出，并且以这种方式密封了整个电动机。
因此，这种依照本发明的电动机或者发电机可以在没有任何问题的情况下用在含尘和潮湿的情况下。
图6至8表示具有依照本发明的经过改进的冷却系统的电动机或者发电机，该冷却系统以与类似于上述实施例的方式建造，但是冷却器6却以另一种方式形成。
在这种情形下冷却器6的冷却元件7由一系列轴向定向的管29形成，管29以彼此等距并且与定子夹层4等距的方式布置，并且管29夹持在固定在定子夹层4内的两个环形凸缘30之间。
在凸缘30中，设置了与上面提到的管29的远端相对的通道31，同时在凸缘30的内缘中设置了槽32，槽32通过彼此等距定位的沿径向向内定向的齿33约束住。
管29在槽32之间沿径向延伸，并且它们形成用于冷却液体的通道15。
绕组25-26的轴向部分25设置在槽32中。
冷却元件7还由填充材料35形成，该填充材料35是传热的并且优选是电绝缘的，它设置在由定子夹层4、凸缘30、管29和绕组25-26的轴向部分25限定的间隙中。
通过这种方式，可以说，齿12通过绕组25-26的轴向部分25之间的填充材料形成。
在图6-8的实施例中，出口收集器8和入口收集器9由与图1的实施例类似的环形元件形成，但是，藉此，在这种情形下，凹部36设置在转向转子2的内壁17中，在该凹部中，绕组头部27装在定子1有关的远端上，并且藉此绕组头部27和有关的收集器8-9之间的间隙优选使用类似的填充材料35来填充，如上所述的一样。
具有根据最近一次描述的实施例改进的冷却器的电动机或者发电机的工作和用途整个都与第一实施例的类似，存在差别是：由于收集器8-9的出口和入口的形式，所以有关的绕组头部27可以被更好地冷却，因为它们由所述收集器8-9包住了一大部分，而冷却介质没有与绕组的带电导引器live guides？进行直接接触。
图9至11表示具有依照本发明的经过改进的冷却系统的电动机或者发电机的变体，其中具有与图6的类似的冷却元件7，但是在这种情形下设置了两列轴向定向的管29，并且藉此一列管29定位成与定子夹层4的距离大于另一列管29与定子夹层4相距的距离。
在这种情形下入口和出口收集器8-9由下列部分形成：外壳3限定的环形室37；冷却元件7；在冷却元件7内同心地设置的内管38；以及环形盖子39，它连接至外壳3并且通过密封物40和41连接至上面提到的内管38。
很清楚，在这种情形下绕组头部27与冷却液体直接接触，该冷却液体经由入口孔23流入收集器9并且经由出口孔21离开出口收集器8，以便在这种情形下绕组头部27的冷却可以比上述变体的更高效。
图12至14表示经与图9类似的经过改进的定子的另一个变体，但是冷却元件7已经由例如图1的冷却元件替换了。
很清楚，根据上述类型之一的冷却元件7可以与如上所述的形式为环形元件或者环形室37的出口和入口收集器8-9进行其它的组合。
冷却器6还可以制成一个零件，藉此冷却元件7以及出口和入口收集器8-9集成到一个相同的元件中。
并没有意在将本发明限于作为实例描述的并且在图中示出的实施例，与此相反，具有依照本发明的经过改进的冷却系统的这种电动机或者发电机可以通过各种形状和尺寸来形成，同时仍落入本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种电动机或发电机的经过改进的冷却系统，包括：外壳、称作“无槽”的管状定子夹层(4)、转子(2)，且转子(2)具有设置在定子夹层(4)和转子(2)之间的永久磁铁和电绕组(25-26)，其特征在于，冷却系统包括设置在定子夹层(4)和转子(2)之间的冷却器(6)，还在于绕组(25-26)设置在冷却器(6)上。
2.如权利要求1所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，冷却器(6)配设有朝向沿定子(1)的轴向方向延伸的转子(2)沿径向定向的齿(12)，并且在其中间界定了轴向定向的槽(13)，以便冷却器具有传统定子夹层的外部形式。
3.如权利要求2所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的齿(12)和槽(13)在冷却器(6)上均匀地分布。
4.如权利要求2所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的绕组(25-26)围绕着上面提到的齿(12)来设置，藉此，绕组(25-26)具有在上面提到的槽(13)中延伸的轴向部分(25)和在定子(1)的两个远端上束在一起称作绕组头(27)的弯曲部分(26)。
5.如权利要求1所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，冷却器(6)由具有用于冷却液体的一个或者几个通道(15)的冷却元件(7)形成。
6.如权利要求5所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的通道(15)轴向定向，并且在分别定子(1)的一个远端上连接至出口收集器(8)，在定子(1)的另一个远端上连接至入口收集器(9)。
7.如权利要求5所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的冷却元件(7)由具有外管(10)和内管(11)的双壁管形成。
8.如权利要求7所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，外管(10)是外径与定子夹层(4)的内径对应的圆柱形管，而内管(11)是具有轴向定向的齿(12)和槽(13)的波形管，藉此外管和内管(10-11)通过分隔物(14)彼此连接起来，其中分隔物(14)与外管和内管(10-11)一起界定上面提到的用于冷却液体的通道(15)。
9.如权利要求5所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，冷却元件(7)由轴向定向管(29)形成，其中管(29)形成上面提到的通道(15)并且在定子夹层(4)和转子(2)之间彼此相互等距离地设置，并且至少它们的远端装在固定在定子夹层(4)的两个环形凸缘(30)中。
10.如权利要求9所述的经过改进的冷却系统定子，其特征在于，上面提到的管(29)的至少一部分位于上面提到的绕组(25-26)的轴向部分(25)之间。
11.如权利要求9所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的环形凸缘(30)配设有朝向转子沿径向定向的齿(33)，并且在中间设置了上面提到的绕组(25)。
12.如权利要求11所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，管(29)和绕组(25-26)的轴向部分(25)之间的间隙至少部分地使用传热并且电绝缘的填充材料(35)来填充。
13.如权利要求5所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的出口和入口收集器(8-9)每个都由限定环形室(37)的环形元件形成，藉此，环形元件逆着冷却元件(7)的远端连接至侧壁(19)，并且侧壁(19)在上面提到的冷却元件(7)的通道(15)上开口。
14.如权利要求13所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，每个上述的环形元件通过外壁(16)连接至上面提到的外壳(3)，并且还在于，至少一个孔(20-21)设置在外壁(16)中，所述孔在外壳(3)中分别与出口孔(21)入口孔(23)相对。
15.如权利要求14所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，在上面提到的朝向转子(2)定向的壁(17)的环形元件中设置了凹部(36)，绕组头部(27)在定子(1)的有关的远端上装在该凹部中。
16.如权利要求5所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，上面提到的出口和入口收集器(8-9)由下列部分形成：外壳(3)限定的环形室(37)；冷却元件(7)；在冷却元件(7)内同心地设置的内管(38)；以及环形盖子39，它连接至外壳(3)和上面提到的内管(38)。
17.如权利要求16所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，在外壳(3)中，在出口和入口收集器(8-9)的高度处分别设置了至少一个出口孔(21)或者入口孔(23)。
18.如权利要求1所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，冷却器(6)由传热和电绝缘的材料形成。
19.如权利要求1所述的经过改进的冷却系统，其特征在于，冷却器(6)形成了冷却液体和电绕组(25-26)之间的隔离。
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