CN102035286B - 轴承热屏蔽物、感应马达及其热传递调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于轴承的感应马达通风热屏蔽物。一种电动机械，例如全封闭风扇冷却(TEFC)感应马达，具有双壁轴承壳体热屏蔽物，该屏蔽物将轴承壳体包裹且将其与马达壳体内部的其他部分热隔离。屏蔽物在其内外壁之间限定出气体通道。任选的，该气体通道可构造为使得循环气流通过与气流源相通的屏蔽物进口，例如从全封闭风扇冷却马达轴向冷却风扇引导的气体。该气体通道还限定了出口。气体通道内的气流将热量传递至马达壳体外部，降低轴承壳体运行温度。气体流率可响应于马达运行参数而变化。

Description

轴承热屏蔽物、感应马达及其热传递调节方法

技术领域

本发明涉及电动机械的转轴轴承热屏蔽物，其中电动机械包括电感应马达。本发明的一个具体示例性应用涉及全封闭风扇冷却(TEFC)马达的轴承热屏蔽物。 

背景技术

当在已施加负荷下将电磁能转化为旋转马达轴所需要的动能时，感应马达产生热量。全封闭风扇冷却(TEFC)马达具有密封的壳体。热量从内部转子和定子传递到马达壳体上的外围冷却翅片。马达驱动轴从马达的一个轴向端突出。轴的另一端容纳被壳体/罩体结构包围的冷却风扇，该壳体/罩体结构沿着马达周缘轴向地引导气体，以增加从马达到大气的对流热传递。当从动风扇辅助从马达内的转子和定子组件热传递时，与从动风扇相对的驱动侧轴承是热积聚的潜在区域。驱动侧轴承没有直接通向从动风扇冷却气体的通路。 

在过去，向驱动轴承提供冷却气体的一个方案是为马达在驱动侧构造另一个风扇。这种构造增加了马达的多余长度和复杂性。 

另一方案是在马达壳体内部及沿其周缘外围增加密封的冷却管和导流板，以引导冷却气体从风扇直接流入马达壳体。这种方案试图降低驱动侧轴承附近的马达壳体温度。但是，驱动侧轴承仍然暴露于马达产生的热量。事实上这种方案试图在轴承壳体附近引入冷却气体，以增强对流热量从轴承传递出去。气流速率会随马达转速而改变。当马达在高负荷和高转速下减速时，随之而来的是正好在马达非常需要增加气流来减少马达壳体内的热容量时，马达风扇产生的对流气流速率降低。这增加了在驱动侧轴承壳体中不能接受的热积聚的风险。 

其他感应马达的设计，如立轴马达具有构造的润滑井以提供环绕轴承和壳体的油池。某些立式马达具有合并的辅助油/气热交换器以辅助油冷却。其他的密封闭式马达在轴承壳体上结合了换相含氯氟烃液体制冷剂喷射物。但这些冷却方案在典型的工业应用中实际上不适用于水平轴感应全封闭风扇冷却马达。 

至于通风壳体马达，过去曾尝试在驱动侧马达轴承和较热的转子/定子组件之间的内部马达空腔中插入金属片气体导流板，以使空腔内的冷却气流能从马达壳体区域带走热量。这种屏蔽还能提供额外的相对于从转子/定子到轴承的对流热传递的热阻力。但是，在马达持续运行时，这种屏蔽最终吸收马达热量，并继而向轴承壳体辐射热量。单层的部分屏蔽物/导流板在屏蔽物达到运行温度之前，实际上仅向轴承提供了暂时的热屏蔽。 

因此，本领域需要一种马达轴承冷却方案来减少全封闭风扇冷却马达和其他类型的电动机械从马达转子和定子到驱动侧轴承的热传递。 

发明内容

相应的，本发明的一个目的是实现电动机械转轴轴承的更冷却的运行，所述轴承包括全封闭风扇冷却感应马达驱动轴承。 

本发明的另一个目的是以最小化再设计和制造的方式实现现有设计的全封闭风扇冷却感应马达及其他马达驱动轴承中的电动机械转轴轴承的更冷却的运行。 

本发明的另一个目的是改进当前已安装的全封闭风扇冷却感应马达和其他马达，以实现轴承的更冷却运行。 

参照本发明，以上和其它目的由双壁感应马达轴承屏蔽物实现，其在屏蔽物内外壁之间限定出气体通道腔室。内外壁可具有不同的热传导率，即外壁壳比内壳具有较高或较低的传导率，这取决于所选择的应用场合。相应壳壁的传导率可通过使用不同的物理材料(例如，铜相对钢)或应用于壳的涂层(例如，传导率增加相对绝缘涂层)和/或绝缘层来实现。气体通道腔室内不流动的气体空间减少了从外壳至内壳的热传递。 

任选的，内外壳之间的气体通道腔室可构造为，在热隔离轴承壳体时使得循环气流能够从马达壳体吸走热量。在本发明的这个实施例中，热屏蔽物具有与气流源相通的入口，该气流源例如是全封闭风扇冷却马达轴向冷却风扇引导的气体。这样的循环气流腔室还限定出口以提供腔室内的气流循环。在该实施例中，腔室内的气流从马达壳体向外传递热量，降低马达壳体内的运行温度。在腔室内相对较热的转子/定子和轴承壳体之间插入相对较冷的气体区，这也增加了额外的热传递热屏障阻隔，以维持轴承壳体区域内相对较冷的绝缘温度。在内外壳之间的气流腔室中可以构造任选的气流引导叶片。 

本发明易用于现有的感应马达内部几何结构，包括现有的全封闭风扇冷却 感应马达的设计，而且可以在现场或者工厂里改装到现有运行的马达。 

本发明的另一方面从辅助气体源引导外部气流进入热屏蔽物。外部气体源可包括可变速马达驱动的风扇和/或热交换器，以向马达热屏蔽物提供比环境温度冷的气体。辅助气体源的流率、温度和湿度可由马达驱动控制器控制，以使冷却率与随施加的负荷和转速而变的马达热传递需求相匹配，或响应于控制器检测到的马达运行情况的变化。 

附图说明

考虑到随后结合相应附图的详细描述，本发明的教导可易于理解，其中： 

图1示出了本发明的包括热屏蔽气体导流管的全封闭风扇冷却(TEFC)感应马达的透视图； 

图2是图1中全封闭风扇冷却感应马达的驱动侧的端部前视图； 

图3是图1中的马达沿3-3线截取的轴向截面图； 

图4是图3中的不含马达部件的热屏蔽物的轴向截面图，以示出热屏蔽部件的相对定位和功能； 

图5是图1中从马达和气体导流管移除的热屏蔽物的透视图，以剖面图示出了形成在其中的任意气体流通/循环引导叶片； 

图6是图1中气体导流管的透视图；以及 

图7是图1中的热屏蔽物连接至由马达驱动控制装置控制的辅助冷却风扇和热交换器的示意图。 

为了便于理解，在可能的地方应用相同的附图标记指代附图中共有的相同元件。 

具体实施方式

在考虑到随后的说明之后，本领域技术人员将清楚地认识到本发明中的教导能够容易地应用于本发明的电动机械中。 

图1-3示出了一个示例的含有本发明的热屏蔽物的全封闭风扇冷却感应马达10。马达10具有壳体12，壳体12具有周缘轴向冷却翅片14的阵列。具有大体环形外形的定子15容纳在壳体10内。旋转驱动轴16和转子17同心地安装在定子15的环形孔内。关注马达的驱动端，图1和3的右侧，驱动轴16由轴承支架18和位于相对的马达风扇端侧的类似支架支撑。驱动轴16在轴承19A上旋转，轴承19A继而保持在轴承壳体19中。驱动端轴承壳体与轴承支架18 相连接。风扇罩20引导由驱动轴风扇21产生的冷却气流径向向外地流向壳体12的周缘外围，并且轴向大致平行于冷却翅片14流动，如示意标记箭头“A”所示。参考图1中的气流箭头A可以理解，继而风扇21的气流直接吹向风扇侧轴承壳体19’。 

考虑到马达10的结构后，由于被定子15和转子17的结构轴向地阻挡，风扇21吹向驱动侧轴承壳体19是不可能的。至此描述的马达10的结构特点都是传统的、已知的设计。它们自身及其内的这些已知的特点不向驱动侧轴承壳体19提供冷却气体循环，该壳体否则以别的方式与产生热量的定子15和转子17一起定位在马达壳体的相对较热的、密封的边界内。本发明未提出时，驱动侧轴承壳体19遭受由定子15和转子17产生的所有径向和对流热流。已知马达结构中的轴承壳体19也遭受从驱动轴16传来的直接传导热，但是这种传递较之定子15和转子17产生的对流和径向热传递来说相对较小。 

现在参考图2-6，本发明的热屏蔽物40将驱动侧轴承壳体19和轴承19A与马达壳体12内的作为热产生源的定子15和转子17热隔离。当热屏蔽物40连接至流通气体源时，其任选的和优选的提供围绕轴承壳体的循环气体热分流，例如如下所述的气体导流管30。参照图4，热屏蔽物40连接至驱动侧轴承支架18，如下将要描述的，且与由轴承支架限定的出口孔22流体连通。轴承支架18限定的入口孔24与热屏蔽物40和穿过入口孔的气体导流管30相互流体连通。 

如图6所示，气体导流管30具有安装法兰32以用于由螺栓34连接至轴承支架18。管道入口36在一部分马达壳体12翅片14上拦截轴向气流A，并通过与轴承支架入口孔24连通的管道出口37使拦截的气流转向，如图1所示。管道衬垫38，位于管道安装法兰32和轴承支架18之间，阻止了这两个配合部件在结合点处的气流损失。 

参照图2，4和5，本发明的轴承热屏蔽物40具有安装法兰42，该安装法兰邻接轴承支架18的内表面。热屏蔽物40具有外壳44，其内嵌套有内壳46，在这些附图图示的示例实施例中具有截头圆锥体外形以求制造方便。可以理解，当本领域技术人员实施本发明时也可以选择其他外形。 

环形法兰48连接嵌套的外壳44和内壳46并在其中的环形孔内接收驱动轴。环形法兰的内孔构造为具有比驱动轴16的直径大近似0.125-0.250英寸(3mm-6mm)的直径，以允许热膨胀、振动和气流波动的间距。热屏蔽物40的 外壳44和内壳46将轴承壳体19和轴承19A完全包覆并将其与定子15和转子16产生的热进行热隔离。通过环形法兰48和驱动轴44之间的环形间隙的气流和对流热传递较之定子15和转子17产生的总热量来说相对较小，向驱动侧轴承壳体传递的热被热屏蔽物40有效减弱。 

热屏蔽物40的内壁46和外壁44可具有不同的热传导性，如果这些壳之间存在不流动、不循环的气体空间，那么外壁壳44的传导率低于内壳46。内外壳46、44之间的不流动的气体空间减少了从外壳至内壳的热传递。反之，如果在各个壳之间存在流通气体，则外壳44的传导率可高于内壳46，如下面优选的实施例中作为替代方案所述的那样。各个壳壁44，46的传导率可通过使用不同的物理材料(例如，铜相对钢)或应用于壳的涂层(例如，传导率增加相对绝缘涂层)和/或绝缘层来实现。 

优选的，本发明的热屏蔽物40在外壳44和内壳46之间提供环境压力或较高压力驱使的气流。如图4所示，气体通道54是封闭的截头圆锥体环形腔室，该腔室由内壳46和外壳44、安装法兰42及环形法兰48的间隔相对的内表面所限定。热屏蔽安装法兰42限定屏蔽物入口50，其通过轴承支架入口孔24与气体导流管出口37流体相通。安装法兰42还限定屏蔽出口52，其与轴承支架出口孔22流体相通。 

气体通道54通过从导流管30经由屏蔽物入口50接收流通气体以及经由屏蔽物出口52排出气体来促进气流流通。气体通道54内的气体流通从暴露于相对较热的定子15和转子16的外壳44传递热量。通道54内的循环气体作为定子15和转子17的散热器发挥功能，从而在轴承壳体19和马达内部的其他部分之间插入功能性热屏障。任选的流动叶片55可构造在气体通道54内，以引导通道内的气流。在热屏蔽物结构的设计选择中，也可以不采用环形法兰48，认识到这样能实现从较热的定子15和转子17到轴承壳体的额外的对流热传递，并允许气体通道54内的气体流通通过内壳46和外壳44之间的间隙而分流入马达壳体。 

法兰衬垫56插入在热屏蔽物安装法兰42和轴承支架18之间，有效阻止了马达壳体中由较热的定子15和转子17产生的、从围绕热屏蔽物40分流至轴承壳体19的对流热流。屏蔽物螺栓58将热屏蔽法兰42连接至轴承支架18。如下所述，当热屏蔽物40连接至马达10时，轴承壳体19轴向和径向地完全由马达 壳体12的其余部件环绕，除了轴16和存在于轴16外径和环绕轴的环形环法兰48内径之间的相对较小的径向气隙。 

本领域技术人员将从上面的说明和相应的附图知道，本发明的热屏蔽物40在马达10运行过程中将驱动轴承壳体19和轴承19A包覆并且将其与定子15和转子17产生的直接对流和辐射热量进行热隔离。通常分析从热量产生源定子15和转子17到驱动侧轴承壳体19的热传递，转子/定子是能够向轴承壳体对流地、径向地直接传递热量的主热源，因为它们都容纳在马达壳体12内。本发明的热屏蔽物40由于其双壳结构44、46而给那些转子17和定子15的热传递方式提供了重要的热屏障。气体通道54内的循环气体带走外壳44吸收的热量。轴16因其直接连接转子结构而成为来自定子15和转子17的次级热传递路径，但本领域技术人员能够知道该次级热传递路径比起如前所述的直接主加热路径而言相对较小。从轴16到驱动侧轴承壳体19的转轴热传递路径在于：由连接到轴承19的转轴热量引起的直接传导加热，和从轴到壳体的对流热传递。应当注意到，轴16的轴颈表面与相配合的轴承19之间插入的流体动力油膜对直接导热传递提供了相对较高的热阻力。形成上述油膜的循环油也带走热量。类似地，那些部件之间的气隙减弱了从轴16到轴承壳体的对流热传递。 

在图1-6所示的实施例中，全封闭风扇冷却马达10热屏蔽物40的流通气体源是轴向风扇21，其被风扇罩20和气体导流管30偏转导流入屏蔽物入口50。如图7所示，将其他流通气体源供给到屏蔽物入口50中是可能的。外部气体源导管70连接气体导流管30’，气体导流管30’继而连接屏蔽物入口50。屏蔽物40结构如前所述的那样来构造和操作。外部导管70气流源由箭头A示出。外部导管70可连接至单速或变速风扇75和热交换器76，热交换器继而连接至冷却单元80。风扇75和热交换器76能够改变气流源A的温度、湿度含量和流率。已知的连接至马达10的马达驱动控制器85尤其控制马达运行速度和发电量。马达控制器85继而经由通信路径86控制风扇，经由通信路径87控制冷却单元80，以使马达控制器能响应于控制器确定或检测的马达运行情况的变化来选择性地改变循环气体A的流率、温度和湿度以及其他已知参数。例如，控制器85能在其使马达10改变运行参数(如，改变速度或负荷)时向风扇75和冷却单元80发出预设的操作命令。控制器85也能响应控制器检测到的马达运行情况变化(如，马达轴承油或马达壳体12温度超过阈值)而向风扇75和冷却单元 80发出响应运行命令。 

虽然本发明不同的实施例已被示出和描述，本领域技术人员应领会到，在不背离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围下可作出变化和改变。 

Claims (20)

1.一种用在具有壳体的电动机械中的轴承热屏蔽物，该壳体在其中包括能够在安装于所述机械壳体中的至少一个轴承壳体内旋转的轴，所述轴承热屏蔽物包括：

嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内壳从所述壳体径向延伸到所述轴，且在所述外壳和内壳之间限定了气体通道空腔，所述外壳和内壳将所述轴承壳体完全包围且热隔离所述轴承壳体与所述机械壳体的其余部分之间的热连通。

2.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至所述机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连接至所述内壳和外壳。

3.如权利要求1的轴承热屏蔽物，其中所述内壳和外壳具有不同的热传导性。

4.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括相应的屏蔽物入口和出口，其均与所述气体通道相通，所述屏蔽物入口用于接收流入所述气体通道的循环气流，所述屏蔽物出口用于从所述气体通道排出气流。

5.如权利要求4的轴承热屏蔽物，还包括气体导流管，其与所述屏蔽物入口流体相通，用于将气流引导至所述气体通道。

6.如权利要求5的轴承热屏蔽物，还包括可变速的风扇，其与所述气体导流管流体相通，用于选择性地改变进入所述气体通道的气体流率。

7.如权利要求5的轴承热屏蔽物，还包括热交换器，其与所述气体导流管热连通，用于选择性地改变进入所述气体通道的气流温度。

8.如权利要求4的轴承热屏蔽物，还包括限定在所述气体通道内的气流引导叶片。

9.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括：

其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至所述机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连接至所述内壳和外壳；

由所述热屏蔽法兰限定的相应的屏蔽物入口和出口，其均与所述气体通道相通，所述屏蔽物入口用于接收流入所述气体通道的循环气流，所述屏蔽物出口用于从所述气体通道排出气流；及

气体导流管，其与所述屏蔽物入口流体相通，用于将气流引导至所述气体通道。

10.一种感应马达，包括：

壳体，其中包括：

大体上环形的定子；

在所述定子内定位的转子；

与所述转子连接的旋转轴；

使得所述轴能够在其中旋转的至少一个轴承壳体；及

轴承热屏蔽物，其具有嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内

壳从所述壳体径向延伸到所述轴，且在所述外壳和内壳之间限定了气体通

道空腔，所述外壳和内壳将所述轴承壳体完全包围且热隔离所述轴承壳体

与所述马达壳体的其余部分之间的热连通。

11.如权利要求10的感应马达，其中所述轴承热屏蔽物还包括：

其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至所述机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连接至所述内壳和外壳。

12.如权利要求11的感应马达，其中所述轴承热屏蔽物还包括：

相应的屏蔽物入口和出口，其均与所述气体通道相通，所述屏蔽物入口用于接收流入所述气体通道的循环气流，所述屏蔽物出口用于从所述气体通道排出气流。

13.如权利要求12的感应马达，还包括：气体导流管，其与所述屏蔽物入口流体相通，用于将气流引导至所述气体通道。

14.如权利要求13的感应马达，还包括：可变速的风扇，与所述气体导流管流体相通，用于选择性地改变进入所述气体通道的气体流率。

15.如权利要求13的感应马达，还包括：热交换器，其与所述气体导流管热连通，用于选择性地改变进入所述气体通道的气流温度。

16.如权利要求13的感应马达，其中所述马达是全封闭风扇冷却感应马达，其具有与所述轴连接的风扇，所述风扇与所述气体导流管流体相通，用于产生进入所述热屏蔽物气体通道中的气流。

17.如权利要求10的感应马达，其中：

所述马达是全封闭风扇冷却感应马达，其具有与所述轴连接用于向所述马达壳体产生气流的风扇，并且具有限定有轴承支架入口孔和出口孔的驱动侧轴承支架；

所述轴承热屏蔽物还包括：

其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至所述驱动侧轴承支架的

热屏蔽法兰，两个法兰均连接至所述内壳和外壳；

由所述热屏蔽法兰限定的相应的屏蔽物入口和出口，其均与所述气体

通道相通，所述屏蔽物入口与所述轴承支架入口孔流体相通，用于接收流

入所述气体通道的循环气流，所述屏蔽物出口与所述轴承支架出口孔相通，

用于从所述气体通道排出气流；及

气体导流管，其与所述屏蔽物入口和所述风扇流体相通，用于将所述

风扇产生的气流引导至所述气体通道。

18.一种调节来自感应马达的热传递的方法，所述感应马达具有壳体，所述壳体在其中包括：大体上环形的定子；在所述定子内定位的转子；与所述转子连接的旋转轴；使得所述轴能够在其中旋转的至少一个轴承壳体；轴承热屏蔽物，所述轴承热屏蔽物具有：嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内壳从所述壳体径向延伸到所述轴，且在所述外壳和内壳之间限定了气体通道空腔，所述外壳和内壳将所述轴承壳体完全包围且热隔离所述轴承壳体与所述马达壳体之间的热连通；与所述气体通道相通的相应屏蔽物入口和出口，所述屏蔽物入口用于接收流入所述气体通道的循环气流，所述屏蔽物出口用于从所述气体通道排出气流，所述方法，包括：

连接所述热屏蔽物入口和气体导流管，使两者之间流体连通；及

将气流引入所述气体导流管和所述气体通道以从所述马达壳体传递热量；及

根据马达运行状况来改变所述气体导流管中的气体流率、温度或湿度参数中的至少一个。

19.如权利要求18的方法，其中所述改变气流参数的步骤由控制马达运行参数的马达驱动控制器执行。

20.如权利要求19的方法，其中当所述马达驱动控制器使所述马达改变运行参数或响应于所述控制器检测到马达运行情况的改变时，所述马达驱动控制器执行所述改变气流参数的步骤。

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