CN101199100A - 带有转子散热装置的永磁激励电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁电机(1)，所述永磁电机具有定子(2)和转子(8)，所述转子具有一个上面布置有永磁体(9)的空心轴(13)，其中，所述空心轴(13)至少在其端面上与输出驱动轴(7)之间气密隔离，封闭空腔(14)内存在一适当的冷却介质，当所述电机工作时，所述冷却介质在所述永磁体(9)区域内在温度相对较高的空心轴(13)上发生汽化，并在温度相对较低的输出驱动轴(7)区域内发生冷凝，从而形成径向及轴向热传递。

Description

带有转子散热装置的永磁激励电机
技术领域
本发明涉及一种具有定子和转子的电机，所述转子具有多个布置在空心轴上的永磁体。
背景技术
永磁电机中的损耗主要产生在定子中。转子的热损耗虽相对较小，但也必须将其排出。特别重要的问题是轴向长度相对较大的电机中的转子发热问题，在这种电机中，从转子中心到转子端面之间的距离相对较长。
转子中的热量会使磁通减小，从而使电机效率受到不利影响。
已知的做法是通过起支承作用的空心轴或转子与定子之间的气隙排出转子的损耗，或者通过对磁性材料进行成本较高的相应选择来抑制磁通的减小。
另一种从转子中排出热量的方法是在转子中进行强制通风，但这种方法实施起来比较复杂。
另一种从转子中排出热量的方法是借助转子中存在的热管形成一个通向散热片的轴向热流。
发明内容
从上述情况出发，本发明的目的是提供一种同样可对转子进行有效散热的永磁电机，其中，转子的散热装置的结构设计相对而言较为简单。
这个目的通过一种永磁电机而达成，这种永磁电机具有定子和转子，转子具有一个上面布置有永磁体的空心轴，其中，空心轴至少在其端面上与输出驱动轴之间以耐压密封的形式相隔离，封闭空腔内存在一种适当的冷却介质，当电机工作时，冷却介质在永磁体区域内在温度相对较高的空心轴上发生汽化，并在温度相对较低的输出驱动轴区域内发生冷凝，从而形成一种沿径向进行的热传递。
此外，由于输出驱动轴中存在温度梯度，因此，借助冷却介质还能实现轴向传热。
这样就可有效地将转子的损耗热传递到电机的内部贯通轴(例如轮对轴或船舶驱动轴)上。转子具有叠片组，多个永磁体以切向布置方式或通量集中布置方式布置在叠片组上。这些永磁体有利地通过特别用玻璃纤维制成的配件固定在转子上。作为替代方案，也可将永磁体安装在叠片组的轴向平行的空隙中。叠片组与一个空心轴热压配合，这个空心轴可在径向上进行有效的热传递。其中很重要的一点是，空心轴在其端面上与输出驱动轴之间以耐压密封的形式相隔离。
空心轴和输出驱动轴之间一般情况下充填有空气的空腔内装有一种沸点约为60℃至80℃的冷却介质(特定而言为酒精)，其在高温空心轴上发生汽化，随后又在温度相应较低的输出驱动轴上发生冷凝。借此可将热量非常有效地从外向内传递，即沿径向传递到输出驱动轴上。随后，输出驱动轴就可以简单的方式向外排出这部分热量，即将其传递到体积较大的主动轮、传动轮、螺旋桨上。借此可以较为简单的结构设计为永磁电机实现极其有效的热传递。
本发明的解决方案还具有以下优点：
所述永磁激励电机的转子的温度远比其他具有可比性的转子的温度底，借此可增大磁通，从而改善电机效率。
此外，永磁体的抗消磁稳定性比较高。在输出驱动轴(例如电力牵引装置的轮对轴及其传动轮)中，空心轴和轮对轴会发生均匀发热。
存在于空心轴和输出驱动轴之间的空间内的氧气和残余水分可通过冷却介质而结合，借此可明显抑制两个热压配合结构中的摩擦腐蚀。
在空腔内装入冷却介质的方法为：例如在空心轴的其中一个端面上设置孔，从这个孔中可将冷却介质装入空腔内。将空心轴安装到输出驱动轴上后再装填冷却介质较为有利。装填完毕后，(例如)借助螺纹塞将这个孔加压密封。
除故障情况外，一般情况下当电机工作时，空心轴与输出驱动轴之间的连接不会被解除，因此，无需再从空腔中取出这部分介质。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明以及本发明符合从属权利要求所述特征的其他有利建构方案进行详细说明，其中：
图1、图2为电机的纵剖图；
图3至图6为电机输出驱动轴区域的横截面图；以及
图7为一套筒。
具体实施方式
图1显示的是设计为永磁激励同步电机1的直接驱动装置的纵剖图。这个用示意图表示的永磁激励同步电机1具有一个由多个层状叠片4构成的定子2。在定子2的未详细图示的槽中布置有绕组，其在定子2的端面上构成端部绕组3。叠片4中的这些绕组在同步电机1工作过程中所产生的热量大部分通过散热套5和存在于散热通道6中的冷却介质(例如空气或某种液体)被排出定子。其中，散热通道6呈波纹或螺旋状围绕定子2延伸。
转子8具有一个与输出驱动轴7热压配合的空心轴13。转子8在朝永磁同步电机1的气隙一侧具有多个永磁体9，这些永磁体在切向上由配件10固定。本发明并不仅限于安装在表面的磁体，本发明也适用于布置在内部的永磁体，即位于基本沿轴向延伸的空心轴13的空腔内的永磁体。
当永磁激励同步电机1工作时，转子8中会产生损耗，这部分损耗必须被排出，才能使同步电机1保持尽可能高的效率。冷却介质通过空心轴13的空腔14将永磁体9一侧的热量传递到输出驱动轴7上。冷却介质在输出驱动轴7一侧发生冷凝后，又被送回永磁体9一侧。这种基本上沿径向进行的热循环在图中用箭头11和12表示。冷凝物的回送可借助离心力而实现，但也可以通过重力而实现，即所谓的“下滴”(对转速较小的电机而言特别有利)。
随后，输出驱动轴7通过其良好的导热性能将这些热量传递到此处未详细图示的叶轮、螺旋桨等组件上，这些组件与输出驱动轴7之间存在机械刚性及导热连接，并最终大面积地将热量导散到周围环境中。当然，输出驱动轴7自身也会将相对而言的一小部分热量排放到周围环境中。
图2显示的是图1所示的实施方式的一种改型方案。其中，空心轴13实施为双壁型圆柱体，其内圆柱体20与输出驱动轴7热压配合，外圆柱体21与转子8的叠片组相连，或直接与永磁体9相连。
将空心轴13安装到输出驱动轴7上后，从一个孔22将冷却介质装入空腔14中，随后将孔加压密封。
图3和图4显示的是采取图1所示的实施方式的输出驱动轴7的横截面，从中可以看出另一种可改善输出驱动轴7的导热性能的方法。其中，轴向平行的空隙31或轴向延伸的孔32中插有热管30，这些热管必要时通过导热材料33与冷却介质和/或输出驱动轴热耦合。也可将孔32布置在输出驱动轴7的中心。
热管30的冷凝区位于电机机舱外部。
图5和图6显示的是采取图2所示的实施方式的输出驱动轴7的横截面，从中可以看出另一种可改善输出驱动轴7的导热性能的方法。
其中，内圆柱体20的沿轴向延伸的空隙31和/或孔32中安装有热管30，这些热管通过导热材料与输出驱动轴7和/或内圆柱体20和/或空腔14热耦合。
这些热管30也可安装在一个布置在输出驱动轴7与空腔14之间的附加套筒35中，如图7所示。有利的是，输出驱动轴7无需为此而改变结构。采用这种实施方式时，热管30的冷凝区同样位于电机机舱外部。
套筒35上的空隙自身即使在未插有热管30的情况下也仍参与散热过程，例如通过存在于空隙中或从空隙中流过的冷却介质(水或空气)。散热所需的气流通过强制通风或自通风而产生，水的流动则通过泵或通过(例如)船舶在水中的移动而实现。
通过永磁激励电机实现的驱动装置的这种结构适用于电力牵引装置和船舶驱动装置(特别是平底船驱动装置)，因为当牵引装置或船舶移动时，电机周围的介质构成一个理想的散热片。在牵引装置中，输出驱动轴7与主动轮之间具有良好导热性能的机械连接构成一个最佳散热片。
船舶驱动装置中的舵叶构成较大的散热区。特别在平底船驱动装置中，推进轴从实施为永磁激励同步电机1的电机的空心轴中穿过。此外，将本发明应用于平底船驱动装置时，还可通过套筒35进行散热。当船舶移动时，平底船周围的水会从套筒35的空隙31或孔32中穿过。借此可避免散热片区域内出现热积聚现象。
也就是说，上述驱动装置可将转子8中所产生的损耗热通过空心轴13的空腔14传递到输出驱动轴7上，输出驱动轴7再通过基本上沿轴向进行的热传递将这部分热量引导到散热区上。其中，驱动和传热这两项任务均由输出驱动轴7承担。

Claims (9)

1.一种永磁激励电机(1)，所述永磁激励电机具有一定子(2)和一转子(8)，所述转子具有一个上面布置有复数个永磁体(9)的空心轴(13)，其中，所述空心轴(13)至少在其复数个端面上与一输出驱动轴(7)之间以耐压密封的形式相隔离，封闭空腔(14)内存在一适当的冷却介质，当所述电机工作时，所述冷却介质在所述复数个永磁体(9)区域内在所述温度相对较高的空心轴(13)上发生汽化，并在所述温度相对较低的输出驱动轴(7)区域内发生冷凝，从而形成径向及轴向热传递。
2.根据权利要求1所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述定子(2)为水冷式定子。
3.根据权利要求2所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述定子(2)具有水冷套(5)。
4.根据权利要求2所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述定子(2)具有布置在叠片组(4)中和/或叠片组(4)上的散热通道(6)。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
将酒精用作冷却介质。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述输出驱动轴(7)具有可使所述冷却介质发生冷凝的构件。
7.根据权利要求6所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述输出驱动轴(7)建构为一牵引装置的一轮对轴，其中，所述轮对轴的复数个末端上布置有与所述轮对轴热压配合的主动轮，所述主动轮用作散热区。
8.根据权利要求6所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述输出驱动轴(7)和/或所述空心轴(13)和/或一套筒(35)具有沿轴向延伸的附加热管(30)。
9.根据权利要求6所述的永磁激励电机(1)，其特征在于，
所述输出驱动轴(7)构成一船舶驱动装置的驱动轴。
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