CN102725945B - 用于冷却电机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的、用于冷却电机的装置中，电机(1)包括转子(2)和定子(4)，位于离转子(2)的空气隙(3)的末端。转子(2)包括从转子(2)的第一末端(6a)起源的、至少一个轴向冷却通道(7)，所述轴向冷却通道(7)被连接到在转子(2)内基本上是径向的至少两个轴向地接连的冷却通道(8)。定子(2)由使用轴向地接连的芯模块(4a-f)的薄片组成。定子(2)包括在两个芯模块(4a-f)之间的径向冷却通道(9)。气体冷却剂(15，15a-b)从转子的末端被引导到转子与定子的冷却通道。定子芯模块的外部表面(12)包括长度最大为定子芯模块(4a-f)的长度(L)的冷却套(10a-f)，以及液体冷却剂(13，13a，b)被引导到冷却套(10a-f)。

Description

用于冷却电机的装置和方法
技术领域
本发明的目的是根据权利要求1中的前序部分的用于冷却电机的装置，根据权利要求10中的前序部分的电机，和根据权利要求11中的前序部分的用于冷却电机的方法。
背景技术
将电机进行冷却，以便去除在电机中生成的热量。热量主要是在电机的主动部分，定子和转子中，由磁损耗和电阻损耗而生成的。
当部分电流转换成热量时，在电机绕组的带电阻的导体中产生铜损耗。变化的磁通量在电动机和发电机的铁部分中造成铁损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗。
另外，机械损耗出现在旋转的电机中，诸如在轴承中，或在转子表面上的湍流。
为了保护电机免受热的损害，在电机中这样产生的热损耗必须被传导出去，直至在所生成的热能与从电机中被传导出去的热能之间达到平衡为止。
电机被设计成遵循特定的绝缘级别。绕组绝缘被选择成允许达到在所选择的绝缘级别中的合理的寿命。如果电机由于过载或冷却系统的恶化而工作在过热的条件下，则绝缘寿命将快速减小。
在小于1…2MW的小电机中，通常使用空气作为冷却剂。在大电机中，使用液体冷却剂；最常用的液体冷却剂是水。在许多装置中，实际的冷却剂是通过使用水而被冷却的空气。
在液体冷却的电机中，冷却剂不与被冷却的部件直接接触。冷却剂在闭合的管道或通道中被引导到电机中，当升温时从电机中被去除。冷却回路或者是封闭的回路，其中加热的冷却剂在流回到电机之前在热交换器中被冷却，或者是开放的回路，在其中被加热的冷却剂从系统中去除。
与在外部表面上的空气冷却相比较，液体冷却的热传递效率是相当好的。然而，液体冷却的缺点是冷却只能在小区域中进行。
发明内容
本发明的目的是创建用于有效地冷却电机的装置和方法。
为了达到这一点，本发明的特征在于，在权利要求1，10和11的特征部分中规定的特征。本发明的某些其它优选实施例具有在从属权利要求中规定的特征。
在根据本发明的、用于冷却电机的装置中，电机包括转子和位于离转子的空气隙的末端的定子。转子包括从转子的第一末端起源的、至少一个轴向冷却通道，所述冷却通道被连接到在转子内基本上是径向的至少两个轴向地接连的冷却通道。定子由使用轴向地接连的芯模块的薄片组成。定子包括在两个芯模块之间的径向冷却通道。气体冷却剂从转子的末端被引导到转子与定子的冷却通道。定子芯模块的外部表面包括具有长度最大为定子芯模块的长度的冷却套，以及液体冷却剂被引导到冷却套。
根据本发明的电机包括转子和位于离转子的空气隙的末端的定子。转子包括从转子的第一末端起源的、至少一个轴向冷却通道，所述冷却通道被连接到在转子内基本上是径向的、至少两个轴向地接连的冷却通道。定子由使用轴向地接连的芯模块的薄片组成。定子包括在两个芯模块之间的径向冷却通道。气体冷却剂从转子的末端被引导到转子与定子的冷却通道。定子芯模块的外部表面包括具有长度最大为定子芯模块的长度的冷却套，以及液体冷却剂被引导到冷却套。
在根据本发明的、用于冷却电机的方法中，电机包括转子和位于离转子的空气隙的末端的定子。在该方法中，气体冷却剂在转子内被引导到从转子的第一末端起源的轴向冷却通道。所述冷却通道被连接到在转子内基本上是径向的、至少两个轴向地接连的冷却通道。冷却剂还被引导到定子位于两个轴向地接连的芯模块之间的径向冷却通道。液体冷却剂被引导到位于定子芯模块的外部表面上的、长度最大为定子芯模块的长度的冷却套。
在本发明中，用于电机的液体冷却与基于径向冷却通道的空气冷却相组合。转子和线圈末端用气体冷却剂进行冷却，以及定子用气体与液体冷却剂进行冷却。定子通过向位于靠着定子背后的冷却套的传导和通过在电机内通过径向空气通道循环的气体冷却剂的对流，进行冷却。气体冷却剂被引导到穿过定子的进一步在两个轴向地接连的冷却套的末端之间的径向冷却通道。
包围定子的冷却套由与单个定子芯模块一样长的模块制成。冷却套的尺寸允许气体冷却剂从在定子芯模块之间创建的冷却通道自由地流出。冷却套模块的尺寸可被标准化；因此使得有可能达到便宜的连续制造。
根据本发明的实施例，至少两个轴向地接连的冷却套的冷却剂循环进行互联。冷却套可以串联连接，在这种情形下，冷却的液体冷却剂流到第一冷却套，随后到第二冷却套。冷却套也可以并联连接，在这种情形下，冷却的液体冷却剂被分布到第一和第二冷却套。冷却套也可以串联和并联连接。对于定子的冷却，最好是定子的外表面被冷却套均匀覆盖，这样，冷却套处在每个定子芯模块的外表面上。
在根据本发明的冷却装置中，冷却套也将气体冷却剂进行冷却，在这种情形下，对于气体冷却剂封闭循环来说，不需要分开的热交换器。在这种情形下，气体冷却剂被传导通过定子的径向通道流到转子的末端，这样，它处在与冷却套的传热接触。气体冷却剂循环系统是封闭的气体冷却剂循环系统。气体冷却剂在电机中，或在电机和分开的热交换器中循环。
为了提高在流入冷却套中的液体冷却剂与气体冷却剂之间的热交换的效率，冷却套外表面可以做成有肋的，或在它的表面上安装分开的肋条。如果使用分开的热交换器用于冷却气体冷却剂，则热交换器的液体冷却剂循环可以与冷却套串联连接或并联连接。
气体冷却剂可在电机内对称地或非对称地循环。在对称冷却中，气体冷却剂的流动被分成两路，冷却剂在转子的两端被引入到转子。冷却剂通过两条对称路线传递通过转子和定子。而在非对称冷却下，气体冷却剂通过一条路线流过转子和定子。在非对称冷却时，在电机中安装鼓风机，以便把气体冷却剂总是返回到电机的同一个末端。
根据本发明的另一个实施例，在用于气体冷却剂的冷却套的外表面生成轴向通道。而且，气体冷却剂在横向上两个并联通道中以相反的方向流动。在这种情形下，气体冷却剂每隔一个通道，流向电机的第一末端，和在其它通道流向电机的另外的末端。所述实施例在其中气体冷却剂通过电机的第一末端被引入和通过另外的末端被引导出的非对称冷却实施例中是有利的。通过把通道布置成并联，非对称冷却的电机的直径可以是与对称冷却的电机的直径相同的。
根据本发明的装置和方法对于配备有永久磁铁的快速旋转的电机是有利的，因为冷的气体冷却剂可以使得包含永久磁铁的转子进行冷却。
附图说明
下面，通过参考附图借助于某些实施例更详细地描述本发明，其中：
图1显示电机的对称冷却装置。
图2显示电机的非对称冷却装置。
图3显示用于气体冷却剂的通道装置。
具体实施方式
图上显示的电机1是永久磁铁电动机或永久磁铁发动机。图1和2显示电机和用来冷却电机的装置的截面图。
电机1包括转子2和位于离转子2的空气隙3的末端处的定子4。电机框架5围绕定子4的外部表面12。转子2包括从转子的第一末端6a起源的轴向冷却通道7。轴向冷却通道延伸到转子的第二末端6b。冷却通道7与基本上是与转子的径向r的多个轴向地接连的冷却通道8结合。径向冷却通道8是向电机1的空气隙3开放的。
定子4由堆叠在另一个薄片的顶部的薄片所生成的定子芯模块4a-f组成。芯模块4a-f是轴向地接连的。径向冷却通道9在用于冷却剂的芯模块4a-f之间生成，通过把管道销(ductpin)布置在芯模块4a-f之间，使得它们互相分隔开。
定子4芯模块的外部表面12包括液体冷却剂13被引导到的、长度最大为定子4芯模块4a-f的长度L的冷却套10a-f。冷却套10a-f处在与定子4芯模块的外部表面12的传热接触中。液体冷却剂例如可以是水。冷却套10a-f优选地轴向地延伸到芯模块4a-f的外部表面12这样的距离，以使得尽可能多的芯模块的外部表面可被用作为热传递面积。冷却套10形状是圆柱形，冷却套10a-f的内表面11跟随定子4芯模块4a-f的外部表面12的形状。冷却套10a-f包含至少两个单元—一个用于液体冷却剂13的进入流，另一个用于它的返回流。在冷却套10a-f中循环的液体冷却剂13通过使用泵进行循环和在电机框架5外面的热交换器中进行冷却。
在电机1中，转子2用气体冷却剂冷却，而定子4用气体15和液体13冷却剂冷却。气体冷却剂15在转子2中被引导到从转子的第一末端6a发源的轴向冷却通道7。冷却通道7与基本上是转子的径向r的轴向地接连的冷却通道8结合。冷却剂15转向流到转子的径向冷却通道8，朝向转子2边缘和空气隙3。从该空气隙，冷却剂15还被传递到定子4，到位于轴向地接连的芯模块4a-f之间的、和向定子4的外部边缘开放的径向冷却通道9。液体冷却剂13被传递到定子4芯模块，到位于外部表面上的、和不长于定子4芯模块4a-f的长度L的冷却套10a-f。
通过并联连接冷却套10a-f的冷却剂循环，可以达到定子4尽可能均匀的冷却。在这种情形下，例如，在电机1的框架5中生成用于液体冷却剂13的两个单元14，在框架5内生成单元14的流入和返回的歧管。每个冷却套10a-f被连接到流入和返回的歧管。在这种情形下，每个冷却套10a-f的冷却剂循环是与另一个冷却套10a-f的冷却剂循环独立的。
冷却套10a-f的液体冷却剂循环也可以互相连接。在图1中，液体冷却剂13a，b通过在电机1的框架5中形成的单元14被传递到在电机的两端处最接近于转子末端6a-b的冷却套10a，10f。冷却套10a，10f的冷却剂循环通过使用例如管子或软管22而被连接到轴向地跟随的冷却套10b。冷却剂13a，b通过在电机1的框架5中形成的单元14从在定子4的中部的轴向的中央冷却套10c被去除。
在图2中，液体冷却剂13通过在电机1的框架5中形成的单元14被传递到最接近于转子的第一末端6a的冷却套。冷却套10a的冷却剂循环通过使用例如管子或软管22而被连接到轴向地跟随的冷却套10b。冷却剂13通过在电机1的框架5中形成的单元14从在转子的另一个末端6b的轴向最后一个冷却套10f被去除。
具有定子4的长度的冷却剂套10a-f也可以被生成为更均匀的冷却套实体。冷却剂套10a-f可以通过使用通道而在冷却套10a-f的轴向末端处从几个点互相连接，这样，冷却剂从一个冷却套10a-f流动到另一个是可能的。在这种情形下，在定子4的横向方向上的纵向孔由定子的径向冷却通道9生成。这些孔在轴向方向限于冷却套10a-f的末端，在径向方向限于冷却剂通道。
在图1中，气体冷却剂15包括两个流动。第一气体冷却剂15a的流通过转子的第一末端6a传递到转子2，第二气体冷却剂15b的流通过转子的第二末端6b传递到转子2。气体冷却剂15a，b的流在轴向冷却通道7中传递。
气体冷却剂15a，b的流从每个转子末端6a，b流动朝向转子2的轴向中部。当气体冷却剂15a，b的流到达转子中的轴向冷却通道7和径向冷却通道8的接合点时，部分的气体冷却剂15a，b的流变为流动到径向冷却通道8，朝向转子2边缘和空气隙3。从空气隙3，气体冷却剂15a，b还传递到定子4，到多个径向冷却通道9。径向冷却通道9位于轴向地接连的芯模块4a-f之间，并且是向定子4的外部边缘开放的。流过径向冷却通道9的冷却剂15a，b还在两个轴向地接连的冷却套10a，b的末端23a，b之间流动。在框架5与冷却套10a-f之间是形成用于气体冷却剂15a，b流的通道的自由空间，以便气体冷却剂15a-b流动到转子6a，b的末端。
气体冷却剂循环系统是封闭系统，其中气体冷却剂在电机1的框架5内循环。
液体冷却剂13a，b的流包括两个流动。第一冷却剂13a的流传递到位于轴向的第一芯模块4a的外表面上的轴向的第一冷却套10a。第二冷却剂13b的流传递到位于轴向的最后一个芯模块4f的外表面上的轴向的最后一个冷却套10f。
冷却套10a-f包括围绕定子芯模块4a-f的环形空心体。冷却套10a-f包括用于液体冷却剂13a，b的进口单元和出口单元，以及用于所述体内的液体冷却剂13a，b的一个或多个流动通道。环形体在轴向方向上的长度至多是芯模块的长度L。环形体的内表面处在与芯模块4a-f的传热接触中。
冷却套10a-f被连接成两串。第一冷却套串从轴向的第一冷却套10a开始并且包括几个轴向地接连的冷却套10a-c。第二冷却套串从轴向的最后一个冷却套10f开始并且包括几个轴向地接连的冷却套10f-d。第一液体冷却剂13a的流循环通过第一冷却套串10a-c，以及第二液体冷却剂13b的流循环通过第二冷却套串10f-d。第一和第二液体冷却剂流13a，b经由在框架5上形成的一个或多个出口从电机1被提取出。
图1的冷却实施例是对称的，其产生用于电机的线圈端21的有效的冷却。
在图2中，气体冷却剂15通过使用鼓风机20从转子的第一末端6a传递到转子2。气体冷却剂15从转子通过径向冷却通道8流到电机1的空气隙3，并通过定子4的径向冷却通道9流到定子的外表面12。气体冷却剂15在冷却套10a-f的外部表面16上生成的轴向通道18a中流到定子4的另一个末端。气体冷却剂15在径向r的以前的通道18a上方的轴向通道18b中被引导回到转子2的第一末端6a。通道18a，18b径向r地互相重叠。所述冷却实施例是非对称的。
在图1-3中，在转子2和定子4中被加热的气体冷却剂15，15a-b通过使用冷却套10a-f被冷却。冷却套10a-f的外部表面16包含肋条17，用于提高冷却套10a-f与气体冷却剂15，15a-b之间的传热效率。
图3显示在冷却套的外部表面16上生成的、用于气体冷却剂15的平行轴向通道19a，19b。
轴向通道19a，19b在由芯模块4a-f形成的定子4的长度内均匀地延伸。在两个平行通道19a，19b中沿横向方向，气体冷却剂15以相反的方向流动。所述实施例在其中气体冷却剂15通过电机1的第一末端被引导进入和通过另一个末端被引导出的非对称冷却实施例中是有利的。
在其中气体冷却剂15流是从第一末端6a流向另一个末端6b的通道19a，即进入流通道，是由定子的径向冷却通道9在底部处开放的，这样，冷却剂15可以流入通道19a。在其中气体冷却剂的流动是从第二末端6b流向第一末端6a的通道19b，即返回流通道，是由定子的径向冷却通道9关闭的，这样，冷却剂15可以流到第一末端6a。进入流和返回流通道19a，19b在电机的第二末端处互联。
气体冷却剂15，15a-b还可以被传递到分开的热交换器，在其中它把它的热量转移到流入热交换器的冷却剂。分开的热交换器例如被安装在定子4的顶部，或分开的热交换器位于电机1的框架5的外面。分开的热交换器的类型例如是管道或集束。
零件表：1电机；2转子；3空气隙；4定子；4a-f定子芯模块；5框架；6a-b转子末端；7冷却通道；8径向冷却通道；9定子的径向冷却通道；10a-f冷却套；11冷却套内表面；12定子外表面；13，13a-b液体冷却剂；14单元；15，15a-b气体冷却剂；16冷却套外表面；17肋条；18a，b通道；19a，b通道；20鼓风机；21线圈末端；22管道；23a-b冷却套末端；L长度；r径向。

Claims (13)

1.一种用于冷却电机的装置，
其中所述电机(1)包括转子(2)和位于离转子(2)的空气隙(3)的末端处的定子(4)，所述定子(4)由使用轴向地接连的芯模块(4a-f)的薄片组成；
用于冷却所述电机的所述装置包括：
至少一个轴向冷却通道(7)，所述至少一个轴向冷却通道(7)被包括在所述转子(2)内并且源自于所述转子的末端(6a)，
至少两个轴向地接连的冷却通道(8)，所述至少两个轴向地接连的冷却通道(8)在所述转子内基本上是径向(r)的，所述轴向冷却通道(7)连接至所述至少两个轴向地接连的冷却通道(8)，
径向(r)冷却通道(9)，所述径向(r)冷却通道(9)包括在所述定子(4)中并且包括在两个芯模块(4a-f)之间，以及
气体冷却剂(15,15a-b)，所述气体冷却剂(15,15a-b)从所述转子的所述末端(6a)被引导到所述转子(2)与定子(4)的冷却通道(7,8,9)，
其特征在于，所述定子芯模块(4a-f)的外部表面(12)包括长度(L)最大为定子芯模块(4a-f)的长度的冷却套(10a-f)，以及液体冷却剂(13,13a-b)被引导到冷却套(10a-f)。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，被引导通过定子的径向冷却通道(9)的气体冷却剂(15,15a-b)还被引导在两个轴向地接连的冷却套(10a-f)的末端(23a,b)之间。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，至少两个轴向地接连的冷却套(10a-f)的冷却剂循环被互联。
4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，气体冷却剂(15,15a-b)通过使用冷却套(10a-f)而被冷却。
5.根据权利要求4的装置，其特征在于，冷却套(10a-f)的外部表面(16)包含用于冷却气体冷却剂(15,15a-b)的肋条(17)。
6.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，气体冷却剂(15,15a-b)从转子的两个末端(6a,6b)被引导到转子(2)。
7.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，轴向通道(19a,19b)在用于气体冷却剂的冷却套的外部表面(16)上被生成，以及气体冷却剂(15,15a-b)在横向上的两个平行的所述轴向通道(19a,19b)中以相反的方向流动。
8.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，冷却套(10a-f)包括环形空心体。
9.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，气体冷却剂(15,15a-b)循环系统是封闭的系统。
10.一种包括转子(2)和定子(4)的电机(1)，所述定子(4)位于离转子(2)的空气隙(3)的末端处，所述转子(2)包括从转子的第一末端起源的、至少一个轴向冷却通道(7)，所述轴向冷却通道(7)被连接到在转子内基本上是径向(r)的至少两个轴向地接连的冷却通道(8)，所述定子(4)由使用轴向地接连的芯模块(4a-f)的薄片组成，以及所述定子(4)包括在两个芯模块(4a-f)之间的径向冷却通道(9)，以及气体冷却剂(15,15a-b)从转子的末端(6a)被引导到转子(2)与定子(4)的冷却通道(7,8,9)，其特征在于，定子芯模块(4a-f)的外部表面(12)包括长度(L)最大为定子芯模块(4a-f)的长度的冷却套(10a-f)，以及液体冷却剂(13,13a-b)被引导到冷却套(10a-f)。
11.一种用于冷却电机的方法，其中所述电机(1)包括转子(2)和位于从转子(2)起源的空气隙(3)的末端处的定子(4)，气体冷却剂(15,15a-b)被引导到从转子的第一末端(6a)起源的轴向冷却通道(7)，所述轴向冷却通道被连接到在转子内基本上是径向(r)的至少两个轴向地接连的冷却通道(8)，以及冷却剂(15)还被引导到定子(4)在两个轴向地接连的芯模块(4a-f)之间的径向冷却通道(9)，其特征在于，液体冷却剂(13,13a-b)被引导到位于定子芯模块(4a-f)的外部表面(12)上的、长度(L)最大为定子芯模块(4a-f)的长度的冷却套(10a-f)。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，液体冷却剂(13,13a-b)被引导到第一冷却套(10a-f)，并且从第一冷却套(10a-f)引导到第二轴向地接连的冷却套(10a-f)。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于，气体冷却剂(15,15a-b)被引导到在转子(2)的末端处从定子的径向通道(9)流动，使得气体冷却剂(15,15a-b)处在与冷却套(10a-f)的传热接触中。
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