CN102083730B - 升降机机械装置的马达和驱动器及其冷却 - Google Patents

Abstract

驱动系统包括马达(111)和驱动器(113)，使用与所述马达和所述驱动器热交换接触的热管(117，118)将所述驱动系统中的热量去除。所述导热元件具有用于接收来自所述马达或驱动器的热量的至少一个部分，以及将热量传递至与所述马达和驱动器间隔开的热交换装置的另一个部分。所述导热部件可以是热管或者热扩散器元件。

Description

升降机机械装置的马达和驱动器及其冷却

背景技术

升降机系统通常包括升降机轿厢，升降机轿厢被支撑以在竖井内移动。例如，升降机轿厢在建筑物的不同楼层间运行，以便运送乘客、货物或者两者至期望的目的地。升降机机械装置产生该轿厢的期望移动。

多数升降机机械装置包括马达，该马达使曳引轮旋转从而使悬挂升降机轿厢的挂绳配置(比如圆绳或者扁平带)移动。该机械装置还包括驱动器，该驱动器给马达提供功率以及控制信号从而使升降机轿厢实现期望的移动。

典型的布置包括分开的马达和驱动器。在马达和驱动器间的硬线连接便利于基于驱动器提供的控制信号来实现期望的马达操作。传统布置的一个问题是，驱动器和马达之间需要的配线量在安装或维修升降机机械装置时会引入额外的费用和复杂性。对于大多数驱动器共有的另一问题是，必须为冷却驱动器的电子器件而提供一些布置。

一种改变升降机驱动器布置的尝试在WO2005/040024中示出。该文献描述的建议是将驱动器的各部件分开，而逆变器与马达集成在一起。

现代建筑物对于更低的成本、高的空间利用、能量高效以及低噪声环境的不断增长的市场需求转化为对升降机、升降机的马达和电子驱动器的小型化且高功率密度、低噪声且能量高效的要求。确定马达和驱动器中可接受的功率密度的一个关键因素是热管理或者冷却系统。

马达的冷却系统通常是基于通过与马达表面的周围空气的自然对流而实现的热量去除，这在多数情况下决定了马达的尺寸。现代升降机通常采用具有无刷转子的永磁马达，使得只有定子具有绕阻。电阻损耗导致了需要被去除的热源。升降机系统中的典型制动器也具有至少一个电磁线圈，该电磁线圈也有相关联的电阻损耗，经常代表了系统中第二大热源。另外，轴承的效率受限于机械摩擦、气体动力学阻力和流体动力学阻力，因此轴承也为机械装置带来了额外的热量。

马达驱动器冷却系统通常包括风扇，该电扇用于强制空气循环和去除主要由功率电子部件的功率耗散而引起的热量。这些热源被连接到热沉，并且风扇强制空气循环，从而起到使热量从散热器移到周围环境的作用。通常散热器不但昂贵而且占用很大的空间。风扇会带来噪音，降低驱动器的可靠性，并提高了维护成本。因此，期望能去除风扇，或者至少是减小风扇的尺寸或者减少风扇的数量。已经提出了一种针对使用风扇的替代方式是在驱动器的外壳内侧或外侧提供延伸的表面，并且使用自然对流机制。

液体冷却虽然不如直接强制空气冷却那么普遍，但也在一些情形中应用于功率电子元器件。在这样的系统中，功率电子部件的高热通量被流动的流体吸收且被运送到远处的流体-空气热交换器。虽然液体冷却系统能使得功率电子部分更加紧凑，但远处的热交换器的尺寸必须跟强制空气流动系统需要的尺寸类似，甚至更大。

一种示例性升降机机械装置包括具有壳体的马达。驱动器提供功率和控制信号给马达。该驱动器被支撑在马达壳体附近，使得驱动器和马达位于同一位置。

发明内容

本发明涉及一种用于减少驱动系统中的热量的设备和方法。所述驱动系统包括马达以及为马达或者系统中的其它部件提供功率源的驱动器，其中所述设备和方法不使用提高成本、消耗能源、产生噪音和降低可靠性的风扇和其它装置。

所述设备包括至少一个与所述马达或驱动器处于热交换接触的被动式导热元件。所述导热元件包括至少一个用于接收来自所述马达或驱动器的热量的部分和用于使每个导热元件接收从所述第一部分传递来的热量的第二部分。热交换装置用于从该第二部分吸收热量从而冷却所述马达和/或驱动器。

所述导热元件可以是热管，或者热扩散器，或者两者的组合。

所述热交换装置可以是传统的换热器，或者它也可以被构造成使得所述升降机系统的多个结构元件的一部分适于在与所述马达和驱动器间隔开的位置处从所述导热元件第二部分交换热量。

所述马达和驱动器可以被互相分开，并按照常规方式连接起来，由此使得所述马达和驱动器中的至少一个具有至少一个与之热交换接触的热管。可替换地，所述马达和驱动器被集成在一起，以提供单一的外表面，用于与所述至少一个热管接触。

附图说明

图1示意性示出了包括示例性升降机机械装置组件的升降机系统的选定部分。

图2是图解例示出升降机机械装置组件的选定部分的一个示例性实施例的透视图。

图3是图2中示例的分解透视图。

图4是示出了另一个示例的升降机马达和驱动器布置的透视图。

图5示出了图4中示例的选定部分。

图6图解例示出包括有与图4中的示例一致的马达和驱动器的升降机机械装置组件。

图7示出了另一示例的构造。

图8示出了另一示例的构造。

图9示出了另一示例的构造。

图10是本发明的一个实施例的示意图。

图11是热管的示意图。

图12是本发明的替代性实施例的示意图。

图13A是本发明另一实施例的示意图。

图13B是图13A中示出的实施例的平面图。

图14A是本发明又一实施例的示意图。

图14B是图14A中示出的实施例的平面图。

图15是本发明另一实施例的透视图。

图16是本发明又一实施例的透视图。

图17是图16中实施例的变型。

图18A和18B示出了图16中实施例的另一种变型。

图19A和19B示出了图16中实施例的又一种变型。

图20是示出了在不具备图10的实施例的情形中的温度升高的曲线图。

图21是示出了在具备了图10的实施例的情形中的温度升高中的改善情况的曲线图。

具体实施方式

图1示意性地示出了升降机系统12的选定部分。升降机轿厢14被支撑，以便沿着导轨15移动。配重16使用挂绳配置(比如，环形绳或者扁平带)17以已知的方式与轿厢14联接。升降机机械装置组件18包括机架20，机架20支撑着马达和驱动器部分22、曳引轮24以及制动器部分26。机架20被支撑于结构构件28上，在本示例中，结构构件28与导轨16连接。

该示例的一个特征在于马达和驱动器部分22包括在同一位置处的马达30和驱动器32。驱动器32为马达30提供功率和控制信号。使马达30和驱动器32位于同一位置不同于以往使驱动器和马达处于分开的位置的布置。

参考图2和图3，一种示例的马达30包括容纳马达30的各部件的马达壳体40。在本示例中，壳体40的一端的附近设有至少一个电容部件44。在一个示例中，电容部件44包括电容电极。所例示的示例允许电容部件44例如被支撑在马达壳体40和机械装置机架的支撑板之间。

壳体40内的示例部件包括转子50、定子52和扼流圈54。将扼流圈54并入马达结构中不同于以往的马达设计。在本示例中，扼流圈54包括线感应器(line inductor)，该线感应器包括马达芯部的一部分，该部分具有导线，以便形成线感应器。将扼流圈并入马达结构中避免了让扼流圈成为一个单独的部件。这表现出空间的节省以及安装时间的减少，这是因为升降机机械装置组件的单独部件的数量例如对系统的复杂性和安装所需的时间有影响。

在本示例中，驱动器32包括支撑结构60，支撑结构60包括多个板62。在一个示例中，板62包括印刷电路板基底材料。该图示的示例包括端盖板64，每个板62从端盖板64延伸。每个板62和端盖板64支撑着多个电子部件66。电子部件66产生用于操作马达30的功率控制和控制信号。

在该图示的示例中，驱动器支撑结构60定位在临近马达壳体40的位置。在这个特定的示例中，板62和端盖板64中的至少一个紧密地抵靠着马达壳体40被接收，使得驱动器32被马达壳体40支撑。这是一个允许马达30和驱动器32位于同一位置的示例的布置。

该图示的示例的另一特征在于至少为驱动器32提供冷却的冷却回路70。在这个示例中，冷却回路70包括导电流体，导电流体沿着相对于驱动器32的电子部件66定位的闭合环路导管路径流动，从而为部件66消散热量和提供冷却作用。用于冷却回路70的导管所沿循的路径围绕并且位于至少一些驱动部件之间，离驱动部件足够近，以便流体吸收来自驱动部件的一些热量。在这个示例中，导电流体沿冷却回路70在马达30的电场的作用下被有效地泵送。随着流体流动，其带走了来自驱动部件的热量从而提供冷却作用。

这种布置的一个特征在于对驱动器32的冷却是响应于马达30的操作而操作。对驱动器32进行冷却不需要单独的功率源。所例示的示例具有的优点是对马达30操作也向驱动器32提供了冷却。

参考图4和图5，包括了驱动器支撑结构的另一示例的布置被示出，该驱动器支撑结构相比图2和图3中示出的驱动器支撑结构有所不同。在这个示例中，多个板62支撑驱动器32的电子部件66。这个示例中的每个板62都抵靠着示例的马达壳体40的外表面被接收。正如从图5可以最佳地看到，这个示例中的冷却回路70包括某一导管，该导管至少部分地被定位在马达30的中心部分内，从而使得冷却回路70内的导电流体由马达30的电场泵送。另外，存在于马达30内的冷却回路70在操作期间为马达30提供冷却，并且也为驱动器32提供冷却。这个示例包括了利用单一的冷却回路70为马达和驱动器提供的集成的冷却功能。这进一步降低了安装的复杂性，并且通过减少机械装置组件需要的分立部件的数量从而节省了成本。另外，马达30和驱动器32拥有一个单一的冷却源还减少了所需的空间，这带来了经济效益。

所例示的示例的一个特征在于减少了在马达30和驱动器32的位置的外部所需要的配线连接量。在图4的示例中，单一的连接器80允许与马达和驱动器部分22建立连接以从电源提供功率，并且允许在驱动器32和升降机控制器(未示出)之间的信号通信，其中该升降机控制器负责决定升降机轿厢14期望的位置和运动模式(motionprofile)。减少在升降机系统所在位置处必须安装的配线连接量进一步降低了与安装升降机系统相关联的复杂性和成本。

图6示出了与示例的机械装置机架20相关联的图4和图5的示例。在这个示例中，机架20包括多个支撑板82和在支撑板82之间延伸的连接杆86。在这个示例中，机架20支撑马达和驱动器部分22、曳引轮24以及制动器部分26。支撑板82使得按照可能的需要在竖井内或者在机房里将机械装置组件安装到合适的支撑结构28上变得便利。所例示的示例的一个特征在于其便利于将机械装置组件定位到升降机竖井内以便用于升降机机械装置的无机房安装。所例示的机械装置机架20只是一个举例，从上述描述中获益的本领域技术人员会认识到什么样的其它机架构造能与所公开的示例的其它特征一起使用。

示例的马达壳体40包括紧固到支撑板82中的一个的安装凸缘88。马达壳体40和支撑板82之间的关联以及支撑板82抵靠支撑结构构件28的位置，提供了用于消散来自马达30和驱动器32的热量的热传导路径。在图1的示例中，机架20以及结构构件28和导轨16一起作为消散来自马达30和驱动器32的热量的散热器。因此，所例示的示例提供了一种在操作期间将马达30和驱动器32保持在期望的温度的方便的手段。相应地，曳引轮24包括能消散热量以用于冷却驱动器32和马达30的金属。使驱动器32和马达30处于同一位置允许使用相同的部件来冷却它们两者，而不需要为它们每一个安排单独的冷却设置。

正如图6示出的那样，通过在马达壳体40上支撑驱动器32的部分，驱动器32可以被设置成与马达30一起。如在图7示出的替换性示例中那样，驱动器32被支撑在马达30所在的位置而不是让驱动器32被马达30的任一部分支撑。在图7的示例中，驱动器支撑结构安装到邻近曳引轮24(图7中不可见)的机架20的一部分上。在图8示出的另一个示例中，驱动器32由结构构件28直接支撑，结构构件28还支撑机械装置机架20。图9示出的另一示例中，驱动器32通过导轨16被直接支撑。

通过给出的上述描述，本领域技术人员将会认识到怎样最好地设置马达30和驱动器32的位置从而实现所公开的示例的特征，比如将组成升降机机械装置组件的多个部件集成在一起从而避免单独的部件，应用各种与机械装置组件相关联的结构对马达和驱动器提供冷却(比如机架、支撑结构或者导轨)，以及安装过程的简化。

在图10中，示出了包括马达111和驱动器113的升降机驱动系统110。为了有效且可靠地操作，由马达111和驱动器113的操作所产生的热量必须以最小的能源成本和噪音来加以消散。可靠性应该被最大化，而马达尺寸应该被最小化。

尽管任何用在升降机驱动系统中的马达都在本发明的范围内，但很多现代升降机使用永磁无刷马达。只有定子具有绕组，该绕组具有电阻损耗，该电阻损耗产生将被去除的热量。

驱动器113是升降机系统中将来自功率总线(未示出)的功率变换为适合于驱动马达111的频率和电压的部件。去除由马达111或者驱动器113或者两者产生的热量或者由升降机驱动系统的任何一个或多个部件产生的热量，都在本发明的范围内。本发明的冷却设备摒弃了风扇以及其它昂贵的、带来噪音的和效能低的元件，但是除了该冷却设备之外，本发明的升降机驱动系统就是常规的升降机驱动系统。

所示出的驱动器113具有支撑热管117的铝制的安装托架115，使得第一部分117a与驱动器113接触从而通过接触来接收热量，第二部分117b用于将热量消散到换热器119中。热管117被弯曲成大致L形，但是任何只要使第一部分117a实现足够的热传输接触的构造都是合适的。热管118附接到马达111，热管118包括第一部分118a，第一部分118a用于通过此处示出的传导方式接收来自马达111的热量，并且将热量移至第二部分118b，第二部分118b将热量释放到换热器119中。

热管是一种热传递机构，其能利用在较热和较冷的界面之间存在的非常小的温度差来传输大量的热。在图11中，在热管147内位于热界面147a处，流体变为蒸气147c，蒸气147c如图11中示出的那样从左流动到右。气体147c自然流动并在冷界面147b上冷凝为液体147d。该液体落下或者通过毛细管作用如图11中示出的那样从右到左回到热界面从而再次蒸发并重复该循环。一种典型的热管由密封的中空管构成。热传导金属，例如铜或铝，被用来制成该管。该管包括相对少量的处于液相的“工作流体”或者冷却剂(比如水、乙醇或者汞)，而管的其余部分充满了气相的工作流体，所有的其它气体都被排除。

在管的侧壁的内侧上，毛细作用结构施加毛细力于液相的工作流体上。通常地，这是烧结金属粉末或者一系列平行于管轴线的凹槽，但是原则上也可以是能够施加毛细压力到冷凝液体以将它驱回到被加热端的任何材料。如果热管具有连续的斜率且被加热端位于下面，则内衬也不需要。工作流体直接向下流回该管下部。简单类型的热管就是熟知的热虹吸管。但是，任何形式的热管都能使用，包括只能在竖直方向上工作的热虹吸管。热管的优点在于在导热方面的高效。比如，它们是比等截面的实心铜更好的热导体。另外，热管传递热量时不需要机械运动部件，马达或其它噪声源。

而且，可以使用更先进的热管，比如那些使用纳米颗粒的固态装置。这种装置的示例在申请号为11/852,840、申请日为2007年1月12日的美国专利申请中被描述，将该文献通过引用并入本文。可替代地，也可使用热管的机械等同物，比如使用泵来传送流体的管。

在图12中，第二部分117b和118b被示出为与结构元件121(比如机械装置表面、竖井金属机架、升降机轨道等等)接触。该设计的优点在于去除了换热器(比如图10中的换热器19)的花费，以及需要提供的现有结构被用来带走热量，而没有噪音，也没有任何可靠性问题。

图13A、图13B和图14A、图14B例示了马达和驱动器组合131的第二种形式，其中马达133和驱动器135是集成的。集成的马达和驱动器的优点在于，由于去除了在较老式的升降机系统中使用的连接用的电力电缆，从而极大地降低了成本，提高了机械装置的可靠性。同样地，热管117和118仍然将热量从第一部分117a和118a传导至第二部分117b和118b以与图13A和图13B中的热交换器119以及图14A和图14B中的结构元件121相互作用。

图15例示了本发明的一种应用，其中支撑马达143和驱动器145(以类似于图13A、图13B、图14A和图14B的方式是集成的)的结构的一部分充当换热器。热管147和148具有接收来自马达143和驱动器145的热量的第一部分147a和148a。这些热管147和148具有将热量传送走并且与底板149接触的第二部分147b和148b，底板149用于支撑包括马达143和驱动器145的升降机驱动系统。

图16例示了使用热扩散器来代替图15示出的热管系统。在图16中，马达141和驱动器143被分开地安装在底板149上，且热扩散器146被置于驱动器143和底板149之间。尽管一些结构(比如由厚的铝制成的结构)可以直接将由功率电子元件(比如驱动器143中的功率电子元件)产生的高热通量传播开，但是已经发现中间热扩散结构(比如热扩散器146)能将热通量在更大区域扩散。不同于传统冷却设计中的典型的突出翅片散热器材料，扩散器146能使用不昂贵的板料来将更多的热量扩散到底板149上。热扩散器是具有高传导性的实心材料，通常由铝或铜制成。除了由实心材料形成热扩散器146外，也能使用热管形式，其中平坦的表面具有与图11中的热管147类似的内部液-气结构。

图17例示了将驱动器145安装到热扩散器146上，进而又将热扩散器146安装到升降机配重轨道151或其它的结构，同样地，为提高热量的扩散，在热扩散器146中仍然使用了例如铝或铜之类的导热性更好的材料，而不是使用升降机配重轨道151为了增加强度而需要的典型材料，例如铁。

图18A和图18B例示了将驱动器145安装到底板49上的热扩散器146和热管147的一种组合，热管147进一步通过热扩散器146并且通过底板149从驱动器145吸热，并且将热量从热管147最靠近热扩散器46的部分传导到最远的部分。图18B示出了在升降机轨道151的一侧上的热扩散器146上的驱动器145与在升降机配重轨道151的另一侧上的热管147之间的关系。同样地，热量从热管最靠近热扩散器的部分被传导到远离驱动器145的部分。

图19A和图19B例示了带有一对热管147的马达143和驱动器145，马达143的每一侧具有一个热管，热管将热量从马达143和驱动器145传导至马达143的一部分151，该部分151相对来说要冷得多。

如果热量没有被有效地散布开，比如，没有图15中的热管147和148，或者图16中的热扩散器146不如示出的那么大，则装置会经历热点。图20是例示出图19A的马达143在没有热管147的情形中被操作时的热点的温度的曲线图。可以看出，随着时间的推移，温度升高到一个远高于最高允许温度125℃的温度。相反，图21是例示出具有将热量传导至部分151的热管147时同样的热点的温度随时间变化的曲线图，其中，125℃的最高允许温度没有到达，因此显著地改善了升降机系统的操作。

尽管参照最佳实施例，本发明已经被详尽地描述，但是本领域技术人员应当认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情形中对其做出形式和细节上的改变。

Claims (8)

1.一种用于减少升降机系统的驱动系统中的热量的设备，所述驱动系统包括马达和为所述马达提供功率源的驱动器，所述设备包括：

至少一个导热元件，所述至少一个导热元件与所述驱动系统的至少一个部件热交换地接触，所述至少一个导热元件具有用于接收来自所述驱动系统的至少一个部件的热量的第一部分；

所述至少一个导热元件适于将热量从所述第一部分传递至与所述第一部分间隔开的第二部分；以及

热交换装置，其紧邻所述至少一个导热元件的所述第二部分，用于从所述第二部分吸取热量以冷却所述驱动系统的所述至少一个部件；

其中，所述热交换装置包括换热器，所述换热器适于在与所述马达和驱动器间隔开的位置处交换来自所述至少一个导热元件的所述第二部分的热量；

其中，所述升降机系统进一步包括紧邻所述马达和所述驱动器的结构元件，所述热交换装置包括所述结构元件的一部分从而适于在与所述马达和驱动器间隔开的位置处交换来自所述至少一个导热元件的所述第二部分的热量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述马达和所述驱动器在空间上彼此分开，并且其中所述马达和驱动器中的每一个均具有至少一个与之热交换地接触的导热元件。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述马达和所述驱动器集成在一起从而提供单一的装置，用于与所述至少一个导热元件接触。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个导热元件选自至少一个热管和至少一个热扩散器元件。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个导热元件选自以下中的至少一个：a)多个热虹吸管；b)由具有所述第一部分和第二部分的中空金属管形成的多个热管，所述第一部分用于接收来自所述驱动系统的所述至少一个部件的热量，所述第二部分用于将热量传递至所述热交换装置，所述热管具有液-气两相混合物以及用于将液体从所述管的第一部分传递至所述管的第二部分的毛细结构；和c)使用纳米颗粒以将热量从所述第一部分传输至紧邻所述热交换装置的所述第二部分的多个管。

6.一种用于减少升降机系统的驱动系统中的热量的方法，所述驱动系统包括马达和为所述马达提供功率源的驱动器，所述方法包括：

提供至少一个导热元件，所述至少一个导热元件与所述驱动系统的至少一个部件热交换地接触，所述至少一个导热元件具有用于接收来自所述一个部件的热量的第一部分；

将所述至少一个导热元件中的热量从所述第一部分传输至与所述第一部分间隔开的第二部分；以及

利用热交换装置从所述第二部分吸取热量以冷却所述驱动系统的所述至少一个部件；

其中，所述热交换装置包括换热器，所述换热器适于在与所述驱动系统的所述至少一个部件间隔开的位置处交换来自所述第二部分的热量，并且其中所述升降机系统进一步包括紧邻所述驱动系统的所述至少一个部件的结构元件，并且所述热交换装置包括所述结构元件的一部分从而适于在与所述驱动系统间隔开的位置处交换来自所述第二部分的热量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个导热元件包括热管和热扩散器元件中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个导热元件选自以下中的至少一个：a)多个热虹吸管；b)由具有所述第一部分和第二部分的中空金属管形成的多个热管，所述第一部分用于接收来自所述驱动系统的热量，所述第二部分用于将热量传递至所述热交换装置，所述热管具有液-气两相混合物以及用于将液体从所述管的第一部分传递至所述管的第二部分的毛细结构；和c)使用纳米颗粒以便将热量从所述第一部分传输至紧邻所述热交换装置的所述第二部分的多个管。