CN102598486A

CN102598486A - 电机

Info

Publication number: CN102598486A
Application number: CN2010800493070A
Authority: CN
Inventors: 克劳斯·米特内; 弗拉迪米尔·达诺夫; 奥拉夫·雷梅; 马丁·舍费尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Yinmengda Co ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: BR112012010192A2; EP2494681B1; US9252642B2; RU2563702C2; DE102009051114A1; EP2494681A1; WO2011051183A1; US20120205996A1; RU2012121892A; CN102598486B

Abstract

本发明涉及一种具有一定子(107)和一转子(101)的电机(100)，其中，所述转子(101)具有一空心轴(102)，所述空心轴(102)形成一封闭内腔(103)，所述封闭空腔(103)用于容纳一冷却剂，所述封闭空腔(103)内设有一用于输送所述冷却剂的三维输送结构(200)。所述三维输送结构例如可借助一适配的材料涂覆工序制成。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机。

背景技术

电机(例如异步电机或同步电机)的转子和/或定子需要冷却。通常用空气流冷却电机。电机轴上例如设有用于产生冷却空气流的风扇叶轮。该冷却空气流被导向设置在电机壳体上的散热片。根据一种电机实施方式，用冷却剂冷却电机。DE 102007043656A1曾揭示过关于这类电机的示例。

发明内容

本发明的目的是对电机的冷却加以改进。

本发明用以达成上述目的的解决方案例如为权利要求1至14中的任一项权利要求。

所述电机例如具有一安装在一空心轴上的转子，其中，所述空心轴的内部形成一封闭空腔，一冷却剂可在此空腔内基于热虹吸效应在所述空心轴的一热端与一冷端之间进行循环。所述电机包括一定子，所述定子特定而言布置在一壳体内且包围所述转子。所述定子与所述壳体传热连接。所述壳体例如具有端面可及式冷却空气通道，所述冷却空气通道用于向设在所述壳体外表面的散热片输送冷却空气流。

通过增强转子的冷却效果可以提高电动机效率。可以借助转子轴中的轴体热虹吸管来冷却转子。通过冷却轴体可以冷却电动机转子，从而如愿达到提高效率的目的。转子所排出的热量由热虹吸管传递给例如另一冷却装置。

除了对电机的壳体及定子采取冷却措施外，还可以将电机的转子固定在空心轴上并使冷却剂基于热虹吸效应在该空心轴内进行循环。利用这种转子轴设计方案就能将转子中所产生的热量集中地经电机轴排出。这样就既能通过定子也能通过转子为电机散热。

根据一种设计方案，所述热虹吸管实施为在所述轴体中沿纵向延伸的一孔隙(凹槽)，工作介质(冷却剂)可基于液态与气态之间的聚集态变化在该孔隙内进行循环。其中，所述孔隙的延伸幅度优选覆盖电动机转子的整个宽度，以便在最大程度上将热量输入热虹吸管中的工作介质。此外，所述孔隙可以设置在电机的轴承部位区域。为了进一步冷却转子，还可以对传动系支承部位的轴承温度进行均匀化及降温处理，从而延长这些易损部件的使用寿命。

可用风扇来产生被导向壳体外表面的冷却空气流，同时以某种方式对电机空心轴的一末端实施冷却，使得所述空心轴内的冷却剂能够基于热虹吸效应保持循环。

例如在气冷式驱动装置情况下，借助风扇沿带肋驱动装置壳体导引周围空气。借此达到自外部冷却电机的目的。存在多种散热途径。其中之一是通过传热将定子中的热损失直接传至壳体。产生于转子中的热量通过辐射和气隙中的对流释放到定子上。再经壳体传递至周围环境。为了改善电机中转子余热的排放效果，可以通过装入轴体的热虹吸系统将热量直接传至风扇，再从风扇排放到周围空气中。

所述电机包括一安装在一空心轴上的转子，其中，所述空心轴的内部形成一封闭空腔，制冷剂(冷却剂)可在此空腔内基于热虹吸效应在所述空心轴的一热端与一冷端之间进行循环。所述电机具有一包围所述转子的定子，所述定子布置在一壳体内部且与所述壳体传热连接。所述电机的壳体具有端面可及式冷却通道，所述冷却通道用于向设在所述壳体外表面的散热片输送冷却空气流。在所述空心轴位于所述电机的转子端面的冷端上装有用于将冷空气送入冷却通道的风扇叶轮，该风扇叶轮与所述空心轴的冷端传热连接。所述风扇叶轮例如被一盖罩完全覆盖，所述盖罩的端面将所述壳体和端面之间气密密封。所述盖罩例如具有一轴向进风口，其中，所述风扇叶轮在其径向内侧区域具有伸入所述送风口的传热面。利用所述风扇叶轮可产生一被送往壳体外表面的散热片的空气流。利用这个风扇同时还可以对所述空心轴的冷端实施冷却，以便所述空心轴的内腔中能够保持热虹吸效应。

如果所述热虹吸管的直径变小，就有可能产生压力损失，从而对热虹吸管的功能造成不利影响。在采用旋转式热虹吸管，特别是在电机转子的空心轴的空腔直径较小的情况下，可设置一构件来输送冷却剂的冷凝液和/或蒸汽。

一种具有一定子和一转子的电机，其中，所述转子具有一空心轴，所述空心轴至少部分形成一封闭空腔，所述封闭空腔用于容纳一冷却剂，所述电机在所述封闭空腔内具有一用于输送冷却剂的三维输送结构。通过这种方式可以改善热虹吸管的冷却效果。

根据所述电机的一种设计方案，所述空心轴的空腔内设有一填料，其中，所述填料具有一用于输送处于第一聚集态的冷却剂的三维输送结构。所述填料不完全填满所述空心轴的空腔。

通过输送蒸汽和/或冷凝液可以主动改善冷却效率。这种输送无法仅通过所述空心轴的空腔内的填料而实现。所述填料并不完全填满所述空心轴的空腔，而是让被输送冷却剂通过。所述填料例如可实施为扭转式螺旋结构。在此情况下，这个螺旋体的倾斜角自侧壁向中央发生变化，使得该螺旋体的外部将冷凝液从冷凝器送往蒸发器，而该螺旋体的内部则将蒸汽送往冷凝器。例如通过铸造法和/或铣削法制成这类结构。也可以采用快速成型类制造法或“选区激光熔化法”。

通过三维输送结构可提高(例如)热虹吸管的工作能力。热虹吸管的工作能力与蒸发器和冷凝器中的传热系数以及输送过程相关。所谓输送过程指的是反向输送冷凝液和输送所产生的蒸汽。离心力对冷凝液的输送起促进作用。锥形冷凝器还可进一步改善输送效果。也可以利用冷凝过程中的抽吸效应来输送蒸汽。

根据所述电机的一种设计方案，所述填料在所述空心轴的空腔内除所述第一三维输送结构外还具有用于输送处于第二聚集态的冷却剂的第二三维输送结构。

根据所述电机的一种设计方案，所述空心轴的空腔的一内壁具有所述用于输送处于第一聚集态的冷却剂的第一三维输送结构。所述内壁还可以具有一用于输送处于第二聚集态的冷却剂的第二三维输送结构。这两种聚集态指液态和气态(蒸汽)。因此，不是绝对要在所述空腔内安装并固定独立的填料。

亦即，根据所述电机的一种设计方案，所述空心轴可具有一用于输送所述冷却剂的冷凝液的三维输送结构，其中，这个结构例如构成所述第一输送结构，安装并固定在所述空腔内的填料具有所述用于第二聚集态的第二输送结构。在此情况下，第一输送结构用于将冷凝液送入空心轴，位于填料上的第二输送结构用于将蒸汽送出空心轴。

所述输送结构采用三维形状后，就能在转子旋转时实现对冷却剂的输送功能。所述三维输送结构随电机转子一同旋转。

所述三维输送结构例如可采用翼片、螺旋结构或蜗杆结构。蜗杆结构或螺旋结构的表面件可采用断续或连续式实施方案。

根据所述电机的一种设计方案，所述三维输送结构具有多个翼片，其中，特定而言多个第一翼片具有一第一翼片位置，特定而言多个第二翼片具有一第二翼片位置，所述第一翼片位置用于输送处于第一聚集态的冷却剂，所述第二翼片位置用于输送处于第二聚集态的冷却剂。在此情况下，处于第一翼片位置的翼片例如构成所述第一三维输送结构，处于第二翼片位置的翼片构成所述第二三维输送结构。

根据所述电机的一种设计方案，所述三维输送结构具有一螺旋形结构或一蜗杆形结构，其中，特定而言一第一螺旋形结构或一蜗杆形结构具有一第一盘绕(齿旋)方向，特定而言一第二螺旋形结构或一蜗杆形结构具有一第二盘绕方向，所述第一盘绕方向用于输送处于第一聚集态的冷却剂，所述第二盘绕方向用于输送处于第二聚集态的冷却剂。因此，不同三维输送结构在盘绕方向上存在区别。根据一种设计方案，这两个盘绕方向具有不同节距。在此情况下，所述填料可具有这两个结构，或者也可以仅具有其中一个结构，而另一个结构则例如位于所述空心轴的空腔的内壁上。

所述三维输送结构还可以采用微型结构、例如类似于开孔泡沫的喷嘴状网格结构或螺旋形通道。无论所述三维输送结构采用何种设计方案，该结构的至少一个分区都用于以规定方向输送(液态或气态)流体。这样一来，(例如)所述填料就能够通过围绕其纵轴沿固定的旋转方向进行旋转来将该旋转轴附近的流体(例如蒸汽)沿该旋转轴送往固定方向，同时将远离该旋转轴的同一或另一流体(例如冷凝液)送往相反方向。

所述填料部分填满所述空心轴，该填料通过围绕其纵轴沿固定的旋转方向进行旋转来将该旋转轴附近的流体(例如蒸汽)沿该旋转轴送往固定方向，同时将远离该旋转轴的同一或另一流体(例如冷凝液)送往相反方向。

所述用于输送电机的热虹吸管的冷却剂的三维输送结构可通过一添加材料涂层工序(additive material coating)而制成。例如可以采用基于射束的粉床法(beam-based powder bed)。

通过增设制造步骤可以在部件和三维结构的设计方面达到较高自由度，而传统的制造方法并不总是能够实现这一点。这些步骤例如是在金属粉床中以能量束(例如激光束或电子束)为工具来制成相应部件。此时的射束是用于选择性熔化较薄粉末层。这些制造步骤优选建立在对利用体积模型或表面模型来描述三维对象的CAD数据进行处理的基础上。为了在制造过程中进行相应处理，需要将这些数据转换成层数据，其中，每个层均对应于一个具有有限层厚的部件截面。在制造过程中例如通过对外轮廓进行线性照射或对待充填截面面积进行面式照射来制成这个截面几何结构。射束具有点状特性，因而线性照射是通过相应的射束运动而实现。面式照射则通过合并线性照射过程而实现。

通过增设制造步骤，例如已知的“选区激光熔化”(SLM)，可以用金属材料以经济的方式小批量或大批量制造较为复杂的几何结构。利用增设的步骤、特别是通过基于射束的粉床法(例如选区激光熔化法(SLM))用金属材料制成的填料可在电机工作过程中耐受高温。

所述填料或所述三维输送结构也可以用其他材料(例如陶瓷材料或塑料)制成。所述填料或所述三维输送结构也可以利用不基于射束的方法(例如3D印刷法)或无需采用粉床的方法(例如激光堆焊)制成。

所述热虹吸管的上述设计方案设有用于以相反方向输送冷凝液和蒸汽流的填料，这就需要制造一个在化学上能耐受所用冷却剂的三维输送结构。

特定而言，所述基于射束和粉床的增设制造步骤能够借助(例如)线性照射模式制成薄壁结构，这些薄壁结构可例如以翼片的形式成为所述填料的组成部分。但这类照射模式不必以既有3D-CAD数据为基础。因此，可能有必要使用经过相应调整的照射模式。采用增设制造步骤可以在形成小孔径热虹吸管时带来优点。

用选区激光熔化法(SLM)制造填料时，可以用线性照射模式代替面式照射模式来产生极薄的壁厚。这样就能对所述填料的翼形元件加以利用。可以通过在整个粉床范围内直接控制激光束来制成这类结构，而不必从既有的3D-CAD设计数据中直接获得。

附图说明

下面借助附图所示的实施例对所述电机的其他有利设计方案进行说明。

附图为本发明电机的实施例的示意图，其中：

图1为第一电机的纵向剖面图；

图2为该电机的风扇叶轮；

图3为电机的空心轴；

图4为第二电机的纵向剖面图；

图5为第一三维输送结构；

图6为第二三维输送结构；以及

图7为第三三维输送结构。

具体实施方式

图1为本发明实施例所提供的电机100。电机100包括固定于空心轴102上的转子101。空心轴102被轴承106相对于电机壳体108固定。空心轴102的内部形成空腔103，冷却剂可在此空腔内基于热虹吸效应进行循环。空心轴102在转子101区域内具有热端104，在风扇叶轮120区域内具有冷端105。电机100的转子102被定子107包围。定子107同样固定在壳体108中且被该壳体包围。壳体108的外表面设有散热片110，这些散热片被在工作状态下经冷却通道109流动的冷却空气流环流。

空心轴102的冷端105设有风扇叶轮120。风扇叶轮120被封闭式盖罩121完全覆盖。盖罩121以与壳体108流体隔离的方式将该壳体封闭。盖罩121在电机100的轴向区域内具有送风口。

风扇叶轮120具有用于产生冷却空气流的风扇叶片124以及传热面123。经送风口122送入的冷空气进入盖罩(cowl)121视情况呈喷嘴状的颈部125后被导向传热面123。传热面123与空心轴102的冷端105传热连接。由于热交换而可能稍有升温的冷空气经冷却通道109流向设置在电机100的壳体108外表面的散热片110。在此过程中，这个空气流主要由风扇叶片124驱动。空腔103的内壁具有用于输送冷却剂的冷凝液的三维输送结构240。

图2为风扇叶轮120的俯视图。风扇叶轮120在其靠近空心轴102的径向内侧区域具有传热面123。风扇叶轮120在其径向外侧区域具有风扇叶片124。特定而言，风扇叶轮120就其风扇叶片124而言可以采用径流式风扇的作用方式和设计方案。

图3为本发明另一实施例所提供的电机100的空心轴102。空心轴102具有填料201。空心轴102在其内部具有空腔103、填料201以及被填料201包围的另一空腔202。空腔103与该另一空腔202例如通过填料201中的孔(图3中未绘示)相连通。所述填料具有用于输送处于第一聚集态的冷却剂的第一三维输送结构200。该第一聚集态例如涉及液体。填料201还具有用于输送处于第二聚集态的冷却剂的第二三维输送结构220。该第一聚集态例如涉及气体。

可以通过旋转式热虹吸管提高电机工作能力。在该旋转式热虹吸管内装入填料201后，并非仅通过孔的锥度、作用于冷凝液的离心力以及作用于蒸汽的抽吸效应来输送热虹吸管中的流体。更确切而言是借助相应导引元件(即三维结构)的形状来主动输送流体，这些导引元件特定而言系所述填料的几何结构的组成部分。通过这种方式，即使在旋转式热虹吸管孔径较小的情况下也能输送流体。填料201具有用于输送冷凝液的第一三维输送结构200以及用于输送蒸汽的第二三维输送结构220，其中，叶片数目可以视具体的被输送流体而定。

使用填料201后，即使在转子轴竖直安装的情况下也能改善冷却效果。即使冷凝器在下而蒸发器处于更高平面，也能实现流体的主动输送。

图4为电机100的纵向剖面图，图中也一并绘示了热流。参考符号为300的箭头表示需要排出的热能。参考符号为301的箭头表示冷却空气。

图5为用于输送冷凝液260的第一三维输送结构200以及用于输送蒸汽270的第二三维输送结构220的示意图，其中，上述结构围绕轴线500对称分布。

图6为螺纹式第一三维输送结构600以及围绕螺旋核心630的螺旋式第二三维输送结构620的示意图，该螺旋核心是用于形成电机转子空心轴的空腔的填料201的一部分。

图7所示的填料201以具有第一迎角的翼片700为第一三维输送结构，以具有第二迎角的翼片720为第二三维输送结构。

Claims

1.一种电机(100)，具有一定子(107)和一转子(101)，其中，所述转子(101)具有一空心轴(102)，所述空心轴(102)形成一封闭内腔(103)，所述封闭空腔(103)用于容纳一冷却剂，所述封闭空腔(103)内设有一用于输送所述冷却剂的三维输送结构(200)。

2.根据权利要求1所述的电机(100)，其中，所述空心轴(102)的空腔内设有一填料(201)，所述填料具有一用于输送处于一第一聚集态的冷却剂的第一三维输送结构(200，220)。

3.根据权利要求1或2所述的电机(100)，其中，所述空心轴(102)的空腔内设有一填料(201)，所述填料具有一用于输送处于一第二聚集态的冷却剂的第二三维输送结构(200)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的电机(100)，其中，所述空心轴(102)具有一用于输送所述冷却剂的一冷凝液的三维输送结构(200)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的电机(100)，其中，所述三维输送结构(200)采用可以通过所述三维输送结构(200)的旋转来输送所述冷却剂的设计。

6.根据上述权利要求中任一项所述的电机(100)，其中，所述三维输送结构(200)具有多个翼片(700，720)，其中，特定而言多个第一翼片(700)具有一第一翼片位置，特定而言多个第二翼片(720)具有一第二翼片位置，所述第一翼片位置用于输送处于一第一聚集态的冷却剂，所述第二翼片位置用于输送处于一第二聚集态的冷却剂。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电机(100)，其中，所述三维输送结构(200)具有一螺旋形结构或一蜗杆形结构，其中，特定而言一第一螺旋形结构或一蜗杆形结构具有一第一盘绕方向，特定而言一第二螺旋形结构或一蜗杆形结构具有一第二盘绕方向，所述第一盘绕方向用于输送处于一第一聚集态的冷却剂，所述第二盘绕方向用于输送处于一第二聚集态的冷却剂。

8.根据上述权利要求中任一项所述的电机(100)，其中，所述三维输送结构(200)是一微型结构、一喷嘴状网格结构、一开孔泡沫结构或一螺旋形通道结构。

9.一种用于输送一电机的一热虹吸管的一冷却剂的三维输送结构(200)的制造方法，其中，采用一添加材料涂层来形成所述三维输送结构(200)。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其中，采用一金属材料，特定而言采用一基于射束的粉床法。

11.根据权利要求9所述的制造方法，其中，采用选区激光熔化法。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的制造方法，其中，在所述电机的一轴体上，特别是在所述轴体的一空腔内实施所述添加材料涂层。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的制造方法，其中，在一可装入所述电机的一空心轴的物体上实施所述添加材料涂层。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的制造方法，其中，采用所述方法来制造一如权利要求1至8中任一项所述的电机。