CN101673980B - 用于电机的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供安装到电机的定子组件上或形成所述定子组件的一部分的组件。多个部件模块(2)围绕组件设置于在角度上间隔开的位置上并且包括电力电子部件。设置导电的螺旋管形流入歧管(6)和流出歧管(10)以将冷却剂液体(优选的是例如MIDEL等液体介电质)输送到部件模块(2)以及从部件模块(2)输送冷却剂液体。流入歧管(6)和流出歧管(10)还向部件模块(2)供电和/或从部件模块(2)接收电能。换句话说，流入歧管(6)和流出歧管(10)提供如下双重功能：作为冷却剂回路以输送冷却剂液体；以及作为母线。

Description

用于电机的组件
技术领域
本发明涉及对安装在电机的定子组件上或形成为该定子组件的一部分的组件的改进，具体地说，涉及具有一体式电力电子装置的定子组件。
背景技术
电机广泛用于工业应用，以将电能转换为旋转或线性运动(对于电动机的情况)或由旋转或线性运动产生电能(对于发电机的情况)。
欧洲专利申请1293025披露了一种具有定子组件的旋转电机，定子组件带有多个定子绕组。多个开关组件围绕定子组件设置在周向间隔开的位置上。每个开关组件电连接在至少一个定子绕组的端部与包括至少一个导体的环形电源母线组件之间。母线组件将电源连接至一个或多个开关组件，每个开关组件有效地选择性控制对至少一个定子绕组的电流供应。
设置独立的冷却剂回路来冷却开关组件。开关组件可以由包括散热器或安装有散热器的电绝缘基板来支撑。在一种合适的布置方式中，每个散热器适于从冷却剂回路的各个螺旋管形歧管接纳冷却剂，或将冷却剂返回到冷却剂回路的各个螺旋管形歧管中。
美国专利5491370描述了具有五个定子绕组的五相感应AC电动机。从具有相关栅极驱动器的IGBT模块为每个定子绕组供应AC电能。IGBT模块和栅极驱动器围绕定子在角度上间隔开。IGBT模块经由一对环形(多边形)母线接收DC电流。
IGBT模块直接安装在电机壳体的外周上。冷却液在形成于壳体中的一体式冷却通道中连续地循环，从而提供对定子绕组和电子部件两者的冷却。更具体地说，冷却液直接流过IGBT模块座架的下方以提供对每个IGBT模块的直接冷却并同时冷却电动机。
因此，这两种布置方式使用母线向各个控制电路(即，开关组件、IGBT模块)供电，并用独立的冷却回路来冷却各个控制电路。
德国专利申请2052808披露了合并有整流器组件的无电刷DC油冷发电机。整流器组件包括具有一对并行冷却通路的一对圆形散热器。散热器安装到发电机的壳体上，与壳体绝缘并且散热器彼此绝缘。定子绕组的整流器安装在散热器上。在发电机工作期间，油被吸到由转子轴驱动的泵的抽吸侧，并且最终被驱动而穿过整流器组件中的并行通路。因此将整流器中的热量经由散热器传导到油中。散热器将整流器电连接在一起并且用作电导体。
发明内容
本发明提供一种用于电机(可以为旋转或线性构造)的组件，包括：多个部件模块；以及导电的流入歧管和流出歧管，其用于将液体介电冷却剂输送到所述部件模块中以及从所述部件模块输送液体介电冷却剂，并且用于向所述部件模块供电和/或从所述部件模块接收电能；其中，所述流入歧管与主入口连接并且所述流出歧管与主出口连接；所述部件模块是容纳液体介电冷却剂的流体密封性壳体，每个壳体包括与所述流入歧管连接的流入管以及与所述流出歧管连接的流出管，从而将液体介电冷却剂经由所述主入口供应到所述流入歧管中，经由所述流入管输送到各个壳体中，经由所述流出管从各个壳体输送到所述流出歧管中，然后经由所述主出口排出，从而在使用期间液体介电冷却剂经过各个壳体循环，以冷却各个壳体内的至少部分地浸没在液体介电冷却剂中的电力电子部件(例如，形成控制电路或静态功率变换电路的任意电力电子部件)。
因此，流入歧管和流出歧管提供如下双重功能：作为冷却剂回路以将冷却剂液体输送到部件模块中以及从部件模块中输送冷却剂液体；以及作为母线以根据电机的工作状况向部件模块供电和/或从部件模块接收电能。如果电机作为电动机工作，则流入歧管和流出歧管可以向部件模块供电。另一方面，如果电机作为发电机工作，则流入歧管和流出歧管可以从部件模块接收电能并且将该电能供应到合适的供电网或电力网。流入歧管和流出歧管所输送的任意DC电能可以从例如包括电机的定子绕组在内的AC电源获得。
对于旋转电机的情况，所述部件模块优选地围绕所述组件设置于在角度上间隔开的位置上。决定于电机的设计，部件模块可以围绕所述组件均匀地或不均匀地间隔开。流入歧管和流出歧管优选为环形的(例如螺旋管形)，从而与围绕所述组件布置的在角度上间隔开的部件模块对准。当然，容易理解，对于所提到的环形，流入歧管和流出歧管不需要必须为圆形的，而是可以具有任意合适的形状以形成这样的导电母线：围绕所述组件连续地延伸以与部件模块电互连。流入歧管和流出歧管可以具有管形构造，并且可以具有限定输送冷却剂液体的通道的任意合适横截面。
流入歧管和流出歧管可以沿着轴向和/或径向间隔开。
对于线性电机的情况，部件模块优选地设置在沿着所述组件线性地间隔开的位置上。流入歧管和流出歧管可以具有任意合适的形状以形成如下导电母线：沿着所述组件连续地延伸以与部件模块电互连。
流入管通常并联地连接至流入歧管。类似地，流出管通常并联地连接至流出歧管。因此每个壳体与流入歧管和流出歧管两者连接，从而可以使液体介电冷却剂通过每个壳体循环以冷却至少部分地浸没的电力电子部件。
液体介电冷却剂优选地在需要冷却时通过壳体连续地循环。
流体密封性壳体可以由任意合适材料制成。如果壳体由金属材料制成，则优选地使用合适的绝缘衬套等接地。可移除遮盖件可以使人接触到壳体的内部，以对位于壳体内的电力电子部件和任意相关部件进行维护和修理。
可以将部件模块以及流入歧管和流出歧管固定到刚性结构上以形成组件，随后将该组件弹性地安装到电机的定子组件上。优选地在该组件与电机的定子组件之间的全部接合处使用挠性连接件或连接器，以便解决震动和热膨胀差的问题。
流入歧管和流出歧管可以向部件模块提供DC电能和/或从部件模块接收电能。更具体地说，流入歧管和流出歧管可以分别限定用于DC电源各极的母线。
流入歧管和流出歧管可以向部件模块提供AC电能和/或从部件模块接收AC电能。在该情况下，可以设置一个或多个附加母线。例如，对于三相AC电源的情况，流入歧管和流出歧管可以输送三相中的两相，并且可以设置附加母线来输送第三相。可以设置另外的附加母线用于与中性点(neutral point)或接地点连接，以简化例如控制电路或功率变换电路。当然，如果出于某些原因而认为合适的话，则可以使用两相或多于三相的AC电源。母线的总数(即，流入歧管和流出歧管以及在可应用情况下的附加母线)选择为与AC电源的相数匹配。
附加母线通常不形成冷却剂回路的一部分，并且仅为了向部件模块供电或从部件模块接收电能的目的来设置。附加母线不需要为管形的，而是可以具有任意合适的构造。
对于旋转电机的情况，附加母线优选为环形的，从而与围绕组件布置的在角度上间隔开的部件模块对准。当然，容易理解，对于所提到的环形，附加母线不需要为圆形的，而是可以具有围绕组件连续地延伸的任意合适形状以与部件模块电互连。对于线性电机的情况，附加母线可以具有沿着组件连续地延伸的任意合适形状以与部件模块电互连。
容易理解，术语“液体介电”不仅意图涵盖那些专门出售的专用液体，而且包括具有足够的介电耐压性的任意液体。这包括去离子水、FLUORINERT和其它等同的全氟化碳液体、矿物变压器油(mineral transformer oils)、硅酮变压器油(silicone transformer oils)、合成油和酯、二氯甲烷等。尤其优选的冷却剂是例如MIDEL和其等同体等专用变压器绝缘液体。对于任意液体介电冷却剂，都要考虑各种环境和化学相容性。
液体介电冷却剂可以适用于单相冷却应用，在该应用中冷却剂始终维持相同的相(通常为液相)。然而，在一些情况下，液体介电冷却剂可以适用于如下两相冷却应用：冷却剂经历相变(通常从液相变为气相)以移除附加的热量。因此可选地，可以进行相变冷却。
冷却剂回路可以专用于冷却位于壳体内的电力电子部件。因此，电机本身可以用例如气冷机等其它装置来冷却。然而，冷却剂回路还可以为电机提供冷却。因此，可以从专用冷却剂供给源或从电机的另一部分提供液体介电冷却剂。
附图说明
图1示出用于风力涡轮发电机的定子组件的透视图；以及
图2示出用于船舶推进电动机的定子组件的透视图。
具体实施方式
图1和图2示出用于气冷式旋转电机的定子组件1。在角度上间隔开的多个部件模块2与定子绕组(未示出)的端部绕组相邻地安装在定子组件上。对于图1所示的定子组件的情况，六个部件模块2(仅其中三个清楚可见)围绕定子组件的周长均匀地间隔开，而在图2所示的定子组件中，部件模块围绕定子组件的周长不均匀地间隔开。
每个部件模块2形成为包括电力电子部件(未示出)的流体密封性壳体或容器，电力电子部件一起限定与电机相关的控制电路。
每个部件模块2包括与螺旋管形流入歧管6连接的流入管4。类似地，每个部件模块2包括与螺旋管形流出歧管10连接的流出管8。
液体介电冷却剂(例如，MIDEL)经由主入口12供应到流入歧管6中，然后经由流入管4输送到每个部件模块2中。经由流出管8将液体介电冷却剂从每个部件模块2输送到流出歧管10中。然后经由主出口14排出流出歧管10中的液体介电冷却剂。因此，液体介电冷却剂经过各个部件模块2连续地循环以便冷却位于流体密封性壳体内的电力电子部件(未示出)。液体介电冷却剂的流动大致沿着流体密封性壳体的轴线(即，在周长方向上)。
经由主出口14排出的液体介电冷却剂可以在返回主入口12之前用热交换单元或其它合适的冷却装置(未示出)来冷却。因此，流入歧管6和流出歧管10形成闭环冷却回路的一部分。可以以传统的方式用泵(未示出)使液体介电冷却剂围绕冷却回路进行循环。
除了将液体介电冷却剂输送到部件模块2中以及从部件模块2输送液体介电冷却剂以外，流入歧管6和流出歧管10还用作DC母线，并且向位于部件模块内部的电力电子部件(未示出)提供DC电能和/或从该电力电子装置接收DC电能。这避免了除了由流入歧管6和流出歧管10形成的冷却回路之外还提供独立DC母线的需要。流入歧管6和流入管4是正极并且流出歧管10和流出管8是负极，因此向部件模块2提供DC电源和/或由部件模块2提供DC电源。电力电子部件(未示出)可以利用例如位于部件模块2内的电缆和母线(未示出)等任意合适的装置与流入管4和流出管8电连接。流入歧管6和流出歧管10在电机作为电动机操作时将DC电能供应到电力电子部件，并且在电机作为发电机操作时从电力电子部件接收DC电能。容易理解，对于如图1所示的风力涡轮发电机的情况，这还可以在例如船舶应用等某些情况下作为电动机操作。如图2所示的船舶推进电动机也可以在例如动力制动期间作为发电机操作或者在再生模式下操作。
流入歧管6和流出歧管10以及流入管4和流出管8可以由任意导电材料制成。主入口12和主出口14可以相对于大地或地线工作于较高的电压，并因此可以与电机的金属框架电绝缘，金属框架通常与保护接地导体或地线导体连接。
主入口12和主出口14也可以由任何导电材料制成，并且使得流入歧管6和流出歧管10能够电连接至合适的供电网或电力网。
此外，合适的电连接器(未示出)设置在位于部件模块2内的电力电子部件(未示出)与位于部件模块内的其它控制电路、或电机的外部部件之间。
每个部件模块2的流体密封性壳体或容器中充填有流动的液体介电冷却剂，并且电力电子部件(未示出)完全浸没在液体介电冷却剂中。液体介电冷却剂提供冷却功能，并且提供可以安全地操作电力电子部件的介电环境。

Claims (19)

1.一种用于电机的组件，包括：
多个部件模块(2)；以及
导电的流入歧管(6)和流出歧管(10)，其用于将液体介电冷却剂输送到所述部件模块(2)中以及从所述部件模块(2)输送液体介电冷却剂，并且用于向所述部件模块(2)供电和/或从所述部件模块(2)接收电能；其中，
所述流入歧管(6)与主入口(12)连接并且所述流出歧管(10)与主出口(14)连接；
所述部件模块(2)是容纳液体介电冷却剂的流体密封性壳体，每个壳体包括与所述流入歧管(6)连接的流入管(4)以及与所述流出歧管(10)连接的流出管(8)，从而将液体介电冷却剂经由所述主入口(12)供应到所述流入歧管(6)中，经由所述流入管(4)输送到各个壳体中，经由所述流出管(8)从各个壳体输送到所述流出歧管(10)中，然后经由所述主出口(14)排出，从而在使用期间液体介电冷却剂经过各个壳体循环，以冷却各个壳体内的至少部分地浸没在液体介电冷却剂中的电力电子部件。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，
所述多个部件模块(2)围绕所述用于电机的组件设置于在角度上间隔开的位置上。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，
所述流入歧管(6)和所述流出歧管(10)是大致螺旋管形的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的组件，其中，
所述流入歧管(6)和所述流出歧管(10)用于向所述部件模块(2)供应DC电能和/或从所述部件模块(2)接收DC电能。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，
所述流入歧管(6)和所述流出歧管(10)分别限定用于DC电源各极的母线。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中，
所述流入歧管和所述流出歧管用于向所述部件模块供应AC电能和/或从所述部件模块接收AC电能。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，
所述流入歧管和所述流出歧管分别限定用于AC电源的各相的母线。
8.根据权利要求6所述的组件，还包括：
一个或多个母线，其用于向所述部件模块供应AC电能和/或从所述部件模块接收AC电能。
9.根据权利要求7所述的组件，还包括：
一个或多个母线，其用于向所述部件模块供应AC电能和/或从所述部件模块接收AC电能。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
11.根据权利要求4所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
12.根据权利要求5所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
13.根据权利要求6所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
14.根据权利要求7所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
15.根据权利要求8所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
16.根据权利要求9所述的组件，其安装到电机的定子组件(1)上或形成所述定子组件的一部分。
17.一种根据上述权利要求中任一项所述的组件的操作方法，其中，
所述液体介电冷却剂从始至终保持相同的相。
18.一种根据权利要求1至16中任一项所述的组件的操作方法，其中，
在位于所述流体密封性壳体内的电力电子部件的冷却处理期间，所述液体介电冷却剂经历从液体至气体的相变。
19.一种根据权利要求1至16中任一项所述的组件的操作方法，其中，
所述液体介电冷却剂经过每个壳体连续地循环。
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