CN102224659A - 定子绕组散热器构造 - Google Patents

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扎赫·达博西
巴特·希布斯
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Abstract

在一个可行实施例中，提供了包括转子和定子的电动机。前冷却鳍片热耦合至定子的前部，并且后冷却鳍片热耦合至定子的后部。绕组位于前后冷却鳍片之间。

Description

定子绕组散热器构造
相关申请的交叉引用
本申请要求以下专利申请的优先权，其全文通过引用结合于此：
Daboussi于2008年9月23日递交的题为WIDING DESIGN FOR IRONLESS P.M.MOTOR的美国临时专利申请No.61/194,098；
Daboussi等人于2008年9月23日递交的题为PROPELLER DRIVE UNIT FOR HALE UAV的美国临时专利申请No.61/194,099；和
Hibbs于2008年9月23日递交的题为FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS的美国临时专利申请No.61/194,056。
本申请还涉及以下申请，其全文通过引用结合于此：
Daboussi等人于2009年9月23日递交的题为COMPRESSED MOTOR WIDING的美国非临时专利申请No.；
Daboussi等人于2009年9月23日递交的题为STATOR WINDING HEAT SINK CONFIGURATION的美国非临时专利申请No.；和
Hibbs等人于2009年9月23日递交的题为FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS的美国非临时专利申请No.。
背景技术
用于交通工具的电动机需要较高的转换能量的效率。此外，在无人驾驶航空交通工具中，还期望重量轻且紧凑的电动机。因此，经常使用无铁电动机，其提供了没有由于改变磁通量方向引起的铁损的优点。
通常，针对电动机的峰值功率和效率对电动机进行评定。在一些应用中，期望较高的部分负载效率，即，当机器以例如15％或其他百分比的部分负载进行负载工作时较高的效率。
期望的是更高效率的紧凑电动机。
发明内容
在一个可行实施例中，提供了包括转子和定子的电动机。前冷却鳍片热耦合至定子的前部，并且后冷却鳍片热耦合至定子的后部。绕组位于前后冷却鳍片之间。
在各种实施例中，电动机具有连接在一起的内转子和外转子。位于内转子和外转子之间的定子具有绕组，绕组具有被封装在导热材料内的导体。导热前轭部安装至绕组的前端部，并且前冷却鳍片安装至前轭部。导热后轭部安装至绕组的后端部，并且后冷却鳍片安装至后轭部。
在一些实施例中，前定子轭部可以围绕绕组的前端部的三个侧面，并在一些实施例中，后定子轭部可以围绕绕组的后端部的三个侧面。
在一些实施例中，后冷却鳍片具有连续的外环面并径向地定向，并在后定子轭部与外环面之间径向地延伸。在一些实施例中，后冷却鳍片具有连续的外环面并进行地定向，并在后定子轭部与外环面之间径向地延伸。
附图说明
根据以下说明、所附权利要求以及附图，将更好地理解本发明的特征和优点，在附图中：
图1示出了示例电动机的简化分解立体图。
图2示出了图1的电动机沿着其纵向轴线的简化侧剖视图。
图3示出了具有绕组的定子的简化立体图。
图4示出了沿着图2的电动机的横截面的简化视图。
图5示出了电动机的简化正视图。
具体实施方式
图1示出了示例电动机10的沿着轴线22的简化分解立体图。定子40紧固至壳体60。内转子50和外转子30彼此紧固，并围绕定子40。可选的推进器毂75紧固至内转子50，推进器叶片70安装到推进器毂75中。推进器毂75利用轴承16和18以可旋转的方式安装在轴65上。轴承16和18受到保持器20和14以及封盖12的保持。
图2示出了图1的电动机10沿着其纵向轴线22的简化侧剖视图。定子40位于内转子50和外转子30各自的磁体35和55之间。轴65可以由碳纤维或其他合适材料制成。
图3示出了具有绕组45的定子40的简化立体图。绕组45被封装在定子40内。冷却鳍片42和44分别粘合到前定子轭部43f和后定子轭部43b。图3示出了由箭头301示出的通过冷却鳍片42和44的气流冷却路径。
图4示出了图2的电动机10的简化剖视图。绕组45具有压缩中心区域45c。绕组45被压缩在中心区域45c中，使得绕组45的较多导体材料可以被置于磁体35和55之间，并使得较多的导体的位置更靠近转子30和50的磁体35和55以提供绕组45中增大的磁场强度。在此实施例中，绕组45的端部45e不需要也被压缩。这是因为绕组45的端部45e不经过转子30和50的磁体35和55之间。
根据各种实施例，对于轴向和径向均无铁的P.M.(即永磁体)机器，绕组45应该具有较高的装填密度以减小I2R损耗，并具有减小涡流损耗的结构。转子30和50中的磁体35和55在定子绕组45的中心有效区域45c的上方/下方经过，但不在定子绕组45的边缘45e的上方/下方经过。因此，在各种实施例中，绕组45的有效区域45c应该具有在有效区域45c的容积内尽可能多的导体，即铜。
此外，在各种实施例中，绕组45应该具有高刚度，因此绕组45不会偏转并接触磁体35和55，并合适地承受匝间电压和相关的力。绕组45被封装在合适的材料中，例如环氧树脂。
虽然为了解释的目的示出为较大，但是定子40与磁体35和55之间的气隙49u和49i较小，使得磁体35和55提供绕组45中最大的磁场。但是，定子40与磁体35和55的近距离会有助于不期望的从定子40经过间隙49u和49i向磁体35和55的热传递。因为过多的热会损坏磁体35和55，所以定子40设置有前后冷却鳍片42和44。
因此，绕组45应该具有向冷却鳍片42和44的低热阻路径。对于大多数实施例而言，绕组45被封装在混合有导热填料(例如氧化铝、氮化硼、或帮助热传导的其他材料)的环氧树脂中。
前定子轭部43f在三个侧面围绕定子40的前端部40ef，以提供用于将热从定子40传递到前定子轭部43f的更大表面积。相似地，后轭部43b围绕定子的后端部40eb的三个侧面。
冷却鳍片42和44可以由率或其他合适的轻重量导热材料制成。冷却鳍片42和44可以分立地形成并利用低热阻材料粘合到定子轭部43f和43b，或与它们一体地形成。此外，在一些实施例中可以是定子40的前端部40ef和后端部40eb分别直接连接到冷却鳍片42和44。
前冷却鳍片42从前定子轭部43f的前表面43f1沿着向前方向延伸出去。前冷却鳍片42相对于轴线22(图2)径向定向。冷却鳍片42的后表面42b粘合到前定子轭部43f的前表面43f1。前冷却鳍片42的前表面42f是连续的，使得空气相对于轴线22径向向外地通过前冷却鳍片42进行流动(图2)。在未示出的另一实施例中，不存在连续的前表面42f。在未示出的又一实施例中，前鳍片径向地定向，空气在它们之间轴向地流动而不是径向地流动。其他构造也是可行的。
后冷却鳍片44围绕后定子轭部43b，并相对于轴线22(图2)径向地定向。后冷却鳍片44被连续的外环44o围绕。可以是各个鳍片44的弯折部分的内表面44i粘合到后定子轭部43b的上外表面43bt。空气在大致沿着与轴线22(图2)平行的轴线的方向上流动通过后冷却鳍片44。
气流401通过可选的整流罩80和封盖33进行。气流401的小部分401d通过间隙49i经过内磁体55与定子40之间，对内磁体55和定子40两者以及前定子轭部43f和后定子轭部43b的一些部分如传统那样进行直接冷却。这一小部分401d通过后定子轭部43b的端口48(如图2-4所示)排出。气流401的大部分如气流箭头401a所表示地通过前冷却鳍片42。在经过前冷却鳍片42之后，气流401的小部分401b通过间隙40经过上磁体35与定子40之间，对外磁体35和定子40两者、以及前定子轭部43f和后定子轭部43b的一些部分如传统那样进行直接冷却。
气流401b的大部分401c被封盖33和整流罩80转移通过端口38(也在图1和2中示出)以在外转子30上流动。取决于实施例，气流40的小部分401g也可以在前冷却鳍片42的前方流动并通过端口38排出。大部分401c与来自上间隙49u的气流401b混合以与从与整流罩80相邻的气流直接进入的气流401e一起通过后冷却鳍片44成为气流401f。
在一个实施例中，如本文所述的冷却鳍片尺寸和布置的组合以及经过和通过部件的气流一起使得磁体维持在约70摄氏度以下的温度，并使得绕组维持在约80-90摄氏度以下的温度。
图5示出了电动机10的简化正视图。在此实施例中，利用还保持在环形封盖33(图2和4)上的三个支架32来将内外转子30和50保持在一起。用于前冷却鳍片42的气流401a流动通过三个之间32之间的分割部。用于气流401(图4)的开口面积是总可用面积的约80％，其余的20％被支架32阻挡。气流401接着流动通过分割部，气流401a的大部分流动通过前冷却鳍片42。由整流罩80(图2和4)和鳍片42使气流401减慢，由此极少的流动能量被损耗，然后气流401在端口38处被再次加速至自由空气射流速度。
虽然以航空器的形式示出，但是本发明的实施例不限于航空器。此外，在各实施例中不一定需要全部部件。以上所述的设备、方法和系统不限于UAV或航空器。各种实施方式和/或实施例可以包括其他电动机用途，即汽车，工业应用等。此外在一些实施例中，气流可以是产生的，也可以是设备或系统的运动(即，飞行、行驶等)带来的。
值得注意的是，“一个实施例”或“实施例”表示针对该实施例所述的具体特征、结构或特性可以根据需要包含在实施例中。在说明书的各部分中短语“在一个实施例中”的表达不一定表示同一个实施例。
本文所提供的图示和示例用于解释目的，而非意在限制所附权利要求的范围。此公开被认为是发明原理的解释，而非意在限制本发明和或所示实施例的权利要求的主旨和范围。
本领域的技术人员将对于本发明的具体应用而对本发明进行修改。
在本专利文献中包含的讨论意在用作基础说明。读者应该清楚的是，具体讨论并不一定清晰地描述了全部可能的实施例，并且可替换的方案是暗含的。此外，本讨论可以不完整地解释本发明的普通属性，并可以不清晰地示出各个特征或元件可以如何实际地表示或使用等同元件。此外，这些均暗含在本公开中。在就装置术语描述本发明的情况下，装置的各个元件暗含地执行一功能。还应该理解，可以在不偏离本发明实质的情况下进行各种改变。这样的改变也被暗含在本说明书中。这些改变也落在本发明的范围内。
此外，本发明和权利要求的各种要素中的每个还可以各种方式来实现。此公开应被理解为包含每个这样的变化，这样的变化是任意设备实施例、方法实施例、或甚至它们的任意要素的变化。具体而言，应该理解，因为本公开涉及本发明的要素，因此对于各个要素的文字可以通过等同装置术语来表达，即使仅功能或结果相同。这样的等同、更宽或升值更一般的术语应该被认为是包含在各个要素或动作的说明中的。这样的术语可以根据需要替换以使得本发明所得到的暗含较宽范围清楚。应该理解，全部动作可以表达为用于采取动作的装置，或者引起动作的元件。相思地，所公开的每个物理元件应被理解为包含物理元件所实现的动作的公开。这样的改变和替换术语被理解为清楚地包含在说明书中。
已经结合多个实施例描述了本发明，修改方案对于本领域的技术人员而言是当然可行的。本文的全部实施例并非意在限制，特征的各种构造和组合是可行的。因此，除非被所附权利要求所指明的，本发明并不意在被限制于所公开的实施例。

Claims (29)

1.一种电动机，包括：
a)转子；以及
b)定子，包括：
i)与所述定子的前部热耦合的前冷却鳍片；
ii)与所述定子的后部热耦合的后冷却鳍片；以及
iii)位于所述前冷却鳍片与所述后冷却鳍片之间的绕组。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述定子包括前定子轭部，并且其中，所述前冷却鳍片安装至所述前定子轭部。
3.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述前定子轭部安装至所述绕组的前端部，并围绕所述绕组的所述前端部的三个侧面。
4.根据权利要求3所述的电动机，其中，所述前冷却鳍片安装至所述前定子轭部的前侧。
5.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述前冷却鳍片安装至所述前定子轭部的前侧。
6.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述定子包括后定子轭部，并且其中，所述后冷却鳍片安装至所述后定子轭部。
7.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述定子包括后定子轭部，并且其中，所述后冷却鳍片安装至所述后定子轭部。
8.根据权利要求7所述的电动机，其中，所述后定子轭部安装至所述绕组的后端部，并围绕所述绕组的所述后端部的三个侧面。
9.根据权利要求8所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片安装至所述后定子轭部的外表面。
10.根据权利要求9所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片具有连续的外环面，所述后冷却鳍片径向地定向并在所述后定子轭部与所述外环面之间径向地延伸。
11.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述前冷却鳍片具有外半径和内半径，所述外半径与所述绕组的外半径大致相等。
12.根据权利要求11所述的电动机，其中，所述转子包括外转子，并且其中，所述后冷却鳍片具有外半径和内半径，所述内半径处于与所述外转子的外半径大致相等的半径。
13.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述转子包括外转子，并且其中，所述后冷却鳍片具有外半径和内半径，所述内半径处于与所述外转子的外半径大致相等的半径。
14.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机是包括整流罩的航空器电动机，并且其中，所述前冷却鳍片被容纳在所述整流罩内。
15.根据权利要求14所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片具有比所述整流罩的外半径大的外半径。
16.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机是包括整流罩的航空器电动机，并且其中，所述后冷却鳍片具有比所述整流罩的外半径小的外半径。
17.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机是包括整流罩的航空器电动机，并且其中，所述前冷却鳍片具有比所述整流罩的后开口的半径小的外半径。
18.一种电动机，包括：
a)连接在一起的内转子和外转子；以及
b)位于所述内转子与所述外转子之间的定子，所述定子包括：
i)绕组，其包括被封装在导热材料内的导体；
ii)导热前轭部，其安装至所述绕组的前端部；
iii)前冷却鳍片，其安装至所述前轭部；
iv)导热后轭部，其安装至所述绕组的后端部；以及
v)后冷却鳍片，其安装至所述后轭部。
19.根据权利要求18所述的电动机，其中，所述前冷却鳍片安装至所述前轭部的前端部。
20.根据权利要求19所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片安装至所述后轭部的外表面。
21.根据权利要求20所述的电动机，其中，所述前轭部围绕所述绕组的所述前端部的三个侧面，并且其中，所述后轭部围绕所述绕组的所述后端部的三个侧面。
22.根据权利要求18所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片安装至所述后轭部的外表面。
23.一种航空器电动机，包括：
a)连接在一起的内转子和外转子；
b)位于所述内转子与所述外转子之间的定子，所述定子包括：
i)绕组，其包括被封装在导热材料内的导体；
ii)导热前轭部，其安装至所述绕组的前端部，前冷却鳍片具有连续的前环面，所述前冷却鳍片径向地定向并在所述前环面与所述前定子轭部之间横向延伸；
iii)前冷却鳍片，其安装至所述前轭部；
iv)导热后轭部，其安装至所述绕组的后端部；以及
v)后冷却鳍片，其安装至所述后轭部，所述后冷却鳍片具有连续的外环面，所述后冷却鳍片径向地定向并在所述后定子轭部与所述外环面之间径向地延伸。
24.根据权利要求23所述的电动机，其中，所述前冷却鳍片具有外半径和内半径，所述外半径与所述绕组的外半径大致相等。
25.根据权利要求24所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片具有外半径和内半径，所述内半径处于与所述外转子的外半径大致相等的半径。
26.根据权利要求23所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片具有外半径和内半径，所述内半径处于与所述外转子的外半径大致相等的半径。
27.根据权利要求23所述的电动机，还包括整流罩，并且其中，所述前冷却鳍片被容纳在所述整流罩内。
28.根据权利要求27所述的电动机，其中，所述后冷却鳍片具有比所述整流罩的外半径大的外半径。
29.根据权利要求23所述的电动机，还包括整流罩，并且其中，所述后冷却鳍片具有比所述整流罩的外半径大的外半径。
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