CN103229013B - 电机的冷却 - Google Patents

Abstract

一种电机包括：封闭室(22A，22B)，其具有壁(26)，并且包封定子(30)、转子(32)和第一流体(F1)；以及热交换单元(10)，其通过壁从室延伸到流体输送通道(24)。热交换单元包括：设置成回路的管道，管道包含工作流体，并且配备有蒸发器通路和冷凝器通路；在室的内部的第一热传递元件，其用于通过蒸发器通路将热从第一流体传递到工作流体；以及在通道中的第二热传递元件，其用于通过冷凝器通路将热从工作流体传递到第二流体(F2)；在室的内部的第一流体传播单元(38)，其迫使第一流体循环；以及在通道中的第二流体传播单元，其迫使第二流体流经第二热传递元件。

Description

电机的冷却

技术领域

本发明大体涉及电机。更特别地，本发明涉及这样的电机的冷却。

背景技术

诸如电动马达的电机可为庞大和笨重的。它们越大并且它们产生或抽取的能量越多，冷却问题就变得越来越重要。

进入防护指数高的电动马达例如常常使用水-空气热交换器来冷却包含马达的封罩内部的空气。这在例如其中水容易获得的航海应用中非常方便，但在一些其它工作环境中，或者当必须避免电力构件附近有水的时，可能不可行。

还知道在马达中使用空气-空气热交换器。在US5,844,333中给出了关于这个的一个示例，其中，通过用环境空气穿过冷却剂管来冷却马达空气。

已被使用的另一种类型的热交换器为热管。在US6499532中描述了一种包括用于电动马达的热管阵列的单个框架。

存在的一种有吸引力的技术为热虹吸冷却技术。

例如关于冷却电气构件而使用此技术，在US2002/0014324和EP2031332中描述了该技术。EP2031332描述一种非常紧凑的热交换单元，有吸引力的是它也可用于其它领域中。

以前也已经关于电机而使用了基于热虹吸的冷却。例如，US2005/156470描述了使用热虹吸单元来冷却定子。

最后，US7102267还描述了关于电机而使用热虹吸技术。但在此文献中，所使用的热交换元件笨重。

因此关注的将是改进这个后一文献中描述的冷却元件。

因此，本发明涉及提供一种使用基于较紧凑的热虹吸的热交换结构而被冷却的电机。

发明内容

本发明的目标是提供一种采用热虹吸热交换技术的较紧凑的电机。

根据本发明，通过一种电机来达到此目标，该电机包括：

封闭室，其具有至少一个壁，并且包封定子、转子和第一流体；

热交换单元，其从室通过壁而延伸到室的外部的流体输送通道，热交换单元包括：

　　至少一个管道，其在热交换单元内设置成回路，并且包括工作流体，管道设有蒸发器通路和冷凝器通路；

　　在室的内部与蒸发器通路接触的第一热传递元件，其用于通过蒸发器通路，将热从第一流体传递到管道中的工作流体，以及

　　在流体输送通道中与冷凝器通路接触的第二热传递元件，其用于通过冷凝器通路，将热从管道中的工作流体传递到第二流体；

第一流体传播单元，其设置在室的内部，并且构造成迫使室中的第一流体流经定子、转子和第一热传递元件，以及

第二流体传播单元，其设置在流体输送通道中，以迫使第二流体流经热交换单元的第二热传递元件。

本发明具有许多优点。使用热交换单元来执行热虹吸热交换，热交换单元可为小而紧凑的，并且因而易于布置在电机中。所执行的冷却的类型允许使用可能脏的第二流体来冷却室中的清洁的第一流体，第二流体可为环境流体，例如空气。流体流的分开允许使用低压降和小体积。这还对热交换器设计提供可缩放性，因为效率不取决于大小。在热交换单元的内部的两相工作流体经由热交换单元通过自然对流来输送热。

附图说明

将在下面参照附图来描述本发明，其中

图1示意性地显示用于电机中的热交换单元的透视图，

图2示意性地显示具有这种热交换单元的热传递元件的管道的透视图，

图3显示通过根据本发明的第一实施例的电机的一部分的截面图，

图4显示通过根据本发明的第二实施例的电机的一部分的截面图，以及

图5显示通过根据本发明的第三实施例的电机的一部分的截面图。

具体实施方式

本发明涉及对电机使用紧凑的热虹吸热交换单元。该单元是设置在模块框架内的单个实体或模块。在EP2031332中描述了原本意于用于半导体装置的一个适当的这种热交换单元，该文献通过引用而结合在本文中。根据本发明，此类热交换单元适于在电机中使用。

图1显示所使用的示意性热交换单元的透视图。单元在这里由单个模块或实体构成，并且包括设置在上部集管和下部集管之间的许多平行管道11，上部集管和下部集管被用作分配歧管16和18。因而，存在上部分配歧管16和下部分配歧管18，并且管道11全部都在这些歧管之间沿竖向平行地布置。管道和集管在这里形成紧凑的单元框架。各个管道11具有从两个歧管之间的中点延伸到上部歧管16的上半部，以及从中点延伸到下部歧管18的下半部。热交换单元10还具有形成于平行管道的一侧处的蒸发区段，以及形成于平行管道的相对的侧处的冷凝区段。在图1中，冷凝区段是在前侧的上半部上显示的区段，而蒸发区段仅部分地可见，因为它位于热交换单元的下半部和后侧处。热交换单元10还包括第一热传递元件和第二热传递元件，其中，第一热传递元件14在图1中设置在下半部和后侧上，而第二热传递元件12则在图1中设置在上半部和前侧上。还显示了第一流体F1如何沿第一方向流向单元的后侧。在下面，热交换单元10的后侧将被称为第一侧，而热交换单元的前侧将被称为第二侧。这个第一流F1流向蒸发区段中的第一热传递元件14。在图1中还显示了第二流体F2如何流向冷凝区段中的第二热传递元件。还可看到的是，对于这些第一流和第二流，管道11布置成平行于彼此，相对于第一流F1和第二流体和F2成直角。

此外可提及的是，热交换单元还包括在上部歧管16上的排出阀和装填阀17。这将在后面更多地描述。

图2又更详细地显示管道11的一部分的透视图。管道可采取平坦的多端口挤制铝管的形式。如在这个图中可看到的那样，管道11包括至少一个蒸发器通路20(在这个示例中，四个蒸发器通路)和至少一个冷凝器通路21(在这个示例中，四个冷凝器通路)。这些通路可设置成通过管道中的壁。因而，可通过沿着流向(即，在管道中沿纵向)设置在管道的内部中的壁来分开通路。这些通路设置成在管道内平行于彼此，而且此外相对于关于图1所描述的平行管道位置和蒸发区段与冷凝区段成直角。通路20和21布置成沿着第一流体流F1和第二流体流F2而平行于彼此。因而使流体沿着成排的通路而流动。在图2中可见的第一热传递元件14还置于管道11的相对的侧上，并且此外置于在其中设置有蒸发器通路20的管道的一部分的相对的侧上，以将热传递到蒸发器通路中。第一热传递元件14自然地还与蒸发器通路20接触。以相同的方式，第二热传递元件12置于管道11的相对的侧上，而且此外置于其中设置有冷凝器通路21的管道11的一部分的相对的侧上，以将热传递出冷凝器通路。第二热传递元件14自然地也与冷凝器通路21接触。管道布置在竖向位置上，但至少45度的其它位置也是可行的。如从图2可理解的那样，第一热传递元件14在管道的下半部中置于热交换单元的蒸发区段中，而第二热传递元件12在管道的上半部中置于热交换单元的冷凝区段中。因而，第二热传递元件12在管道11上具有沿竖向在第一热传递元件14上方的位置。此外，热传递元件在这里形成设置在管道上的翅片。这么做是为了提供与第一流体和第二流体的大的接触面积。

管道11填充有工作流体，工作流体可处于气相和液相两者。在图2中通过通路20和21中的许多竖向箭头来指示这个工作流体流。热交换单元10根据回路热虹吸原理来工作。这表示在通过经过第一热传递元件14的热的第一流体F1来对第一热传递元件14应用热的情况，对应的蒸发器通路20中的工作流体变热，从液体变成气体，并且在这个蒸发器通路20内上升到上部分配歧管16，并且从这里到达冷凝器通路21，在那里，流体通过第二热传递元件12与第二流体F2的接触来冷凝，并且以液体的形式落到下部分配歧管18。

工作流体可为任何制冷剂流体；其中，一些示例是R134a、R245fa、R365mfc、R600a、二氧化碳、甲醇和氨。此外，热交换单元沿竖向安装，或者相对于竖向成小角度地安装。还可调节在热交换单元的内部的流体的量，使得液位正好在中点之上，即，在第一热传递元件的位置之上。根据另一个示例，工作流体可为水。

因而，第一热传递元件的翅片将热传导到具有蒸发区段的管道的部分。管道在这里被例示为平坦的多端口管。蒸发器通路20完全或部分地填充有工作流体，这取决于最初装填的量。蒸发器通路20中的流体由于热的原因而蒸发，并且蒸气在通路中由于浮力作用而上升。一定量的液体还被携带在蒸气流中，而且将被向上推到通路中。

第二热传递元件的翅片又被第二流体F2冷却，第二流体F2可为对流性空气流。在蒸发器通路20的内部的蒸气和液体的混合物到达顶侧集管16，以及然后沿着冷凝器通路21流动。在穿过冷凝器通路21时，蒸气冷凝回液体，因为通路21被翅片冷却。液体冷凝物向下流到底部集管18，以及然后流回蒸发器通路20中，从而完成回路。

如同所有热虹吸型装置一样，优选清空(即，排出)内部的空气和其它不可冷凝的气体。由于这个原因，在热交换单元中可包括排出阀和装填阀。集管的自由端是用于这样的阀的适当的位置。还可针对装填和排出两者使用单个阀。在图1中示意性地显示了一个这种阀17。备选地，可清空、装填、永久地密封热交换单元。在这种情况下，阀不是必要的。

热传递元件可由高度导热的材料制成，诸如铝或铜。可使用挤制、铸造、机械加工或这样的普通工艺的组合来制造热传递元件。

如前面提到的，提供热交换单元来冷却电机，电机可为马达或发电机。因此，电机包括定子和转子。

在图3中示意性地显示根据本发明的第一实施例的、具有热交换单元的这种电机的截面图。

在这里，电机包括封闭室22，在封闭室中提供定子30和转子32。在这里，室此外是进入防护指数高的护罩。在本发明的这个第一实施例中，室还由被隔板28分开的第一区段22A和第二区段22B组成。在这里，隔板28设有第一开口40和第二开口42，以便让区段彼此连通。这些开口沿竖向彼此分开。热交换单元10的一部分(在这个实施例中，下半部)在第一开口和第二开口之间设置在第一区段22A中，而定子30和转子32设置在第二区段22B中。因此，第一区段22A还是冷却区段，而其中定子和转子的运行会发热的第二区段也是发热区段。在这里，转子32与轴34和叶片38连结。照这样，轴和叶片形成第一流体传播单元(在这里，呈第一风机的形式)，第一流体传播单元以机械的方式与转子连结，或联接到转子上。在这里，第一风机的叶片38置于隔板28的第一开口40附近。

还存在流体输送通道24，其设置在室的外部，并且在这里沿竖向在室的上方。壁26分开这个通道24与室，该壁也是室的一部分。热交换单元10沿竖向从分开第二区段22B与第一区段22A的隔板延伸，通过壁26，并且进入这个流体输送通道24中。在这里，热交换单元10的上半部设置在通道中。为了提供封闭室，热交换单元更特别地延伸通过壁26中的密封开口。最终有第二流体传播单元，它在这里呈第二风机36的形式，在这个实施例中，第二流体传播单元也是置于通道的入口处的轴向风机。在本发明的其它变型中，风机可为离心式风机。

封闭室包括第一流体F1，其有利地为空气。因而，这个第一流体包围定子30和转子32。在流体输送通道24中，提供第二流体F2。这个第二流体F2有利地由环境空气构成，环境空气被第二风机36从电机的外部抽送到通道24中。

如根据前述描述显而易见的那样，热交换单元10沿竖向安装在电机中。这表示这个单元的底部(其为歧管18)附连到隔板28上。在这里它还安装成使得第一侧以及蒸发区段面向第一开口40，而第二侧面向第二开口42。此外热交换单元10还安装成使得第二侧以及冷凝区段面向第二风机36。照这样，管道布置成沿从隔板28的第一开口40到第二开口42的方向而平行于彼此。因此，管道的蒸发器通路和冷凝器通路设置成沿垂直于从第一开口到第二开口的方向的方向而平行于彼此。

在电机的运行中，定子30使转子32运动，或者转子32的运动使定子30产生电流。在两种情况下都在室中产生热，而且更具体地在室的第二区段22B中产生热。这个热传递到第一流体F1，即，传递到室中的空气。转子32的运动还会促动第一风机。因此这还迫使室中的热空气F1循环。因此，第一风机通过隔板28中的第一开口40，将热空气F1从室的第二区段22B抽送到第一区段22A中，以及抽送到热交换单元10的第一热传递元件14。更特别地，第一风机使第一流体F1沿第一方向在室的第一区段22A中流动，其中，第一方向在这里从隔板28中的第一开口40至第二开口42。因此可看到的是，热交换单元的管道的蒸发器通路和冷凝器通路设置成沿着第一流体的流向而平行于彼此。还可看到的是，具有蒸发器通路的热交换单元的第一侧还面向第一流体流。当第一流体F1经过管道时，然后热被第一热传递元件14携带，而且热从这里传递到蒸发器通路中的工作流体。然后工作流体蒸发，在管道中升高，并且之后进入冷凝器通路，在那里，工作流体的热通过第二热传递元件12而传递到环境空气。在这个过程中，环境空气被抽送通过流体输送通道24，并且因此还被第二风机36抽送通过热交换单元10，以及然后返回电机的外部。因而，第二风机使第二流体沿第二方向在流体输送通道24中流动。在这里，这个第二方向与第一方向相反。在这里还可看到的是，热交换单元10的第二侧面向第二流体流F2。因而，第二风机36使工作流体冷凝，以及落在冷凝器通路中，以及流到蒸发通路，以完成回路。照这样，由于穿过热交换单元10，室中的空气F1被冷却，并且然后通过第二开口42而从第一区段22A返回到第二区段22B，在第二开口42处，空气F1再次被定子和转子加热。照这样，第一流体在室中循环，而且电机被冷却。

如从图1、2和3可理解的那样，第一热传递元件14设置在室的内部，以通过蒸发器通路20，将热从第一流体F1传递到管道11中的工作流体，而第二热传递元件12设置在流体输送通道24中，以通过冷凝器通路21，将热从管道中的工作流体传递到第二流体F2。还可理解的是，第一流体传播单元38设置在室的内部，并且构造成迫使室中的第一流体流经定子30、转子32和第一热传递元件14，而第二流体传播单元36设置在流体输送通道24中，以迫使第二流体F2流经热交换单元10的第二热传递元件12。

照这样，存在室中的第一流体流、热交换单元中的工作流体流和通过通道的第二流体流。因而，工作流体帮助将热从室中的第一流体传递到室的外部的第二流体。

如之前提到的那样，热交换单元10紧固或固定到室的使两个区段彼此分开的隔板上。由于热交换单元10还从这个隔板28一直延伸向分开室与通道24的壁26且延伸通过壁26，所以获得另外的效率。照这样，室的热空气必须经过热交换单元，并且从而进行较高效的冷却。在这里还可提到的是，室的第二区段可由电机的原始封罩组成，其中，提供第二区段、热交换单元、流体输送通道和第二流体传播单元，作为安装在这个封罩的框架上的附加模块。

本发明提供许多另外的优点。本发明允许使用可能脏的环境空气来冷却室中的清洁空气。热虹吸技术的使用使得能够使用最佳的汽车工业技术，这又降低成本，以及提高效率。流体流的分开带来低压降和小体积。这还对热交换器设计提供可缩放性，因为效率不取决于大小。在热交换单元的内部的两相工作流体通过自然对流来将热从蒸发区段输送到冷凝区段。

由于压力损失因为使用的热交换单元而较低，第二风机可为轴向风机。因此，还获得了较低的噪声水平。

由于第一风机可利用转子的运动，所以使得能够进一步节约能量。

电机还可为紧凑的，因为热交换单元被提供为紧凑模块。因此，此外在前面提到的壁中需要仅一个开口，这简化了密封。

在本发明的第二实施例中，进一步使用热交换单元的这个模块化实现。

这在图4中有例示，图4显示通过类似于图3中的机器的电机的截面图。这里唯一的区别在于热交换单元。在这种情况下，热交换单元由许多热交换模块10A、10B、10C组成，各个模块以关于图1和2所描述的热交换单元相同的方式而设置。在这里，这些模块10A、10B、10C在室的第一区段22A中一个接一个地彼此堆叠，即，沿隔板28的第一开口40到第二开口42的方向堆叠。这还表示它们沿室的第一区段22A中的第一流体流F1的方向一个接一个地布置。此外，各个模块与第一实施例的热交换单元具有相同的定向。此外在这里还有在壁26中的、用于整个热交换单元的单个开口。这还表示模块10A、10B、10C的第一热传递元件14沿第一流体流F1的方向对准彼此，而模块10A、10B和10C的第二热传递元件12则沿第二流体流F2的方向对准彼此。

当将模块堆叠到彼此上时，它们可以许多方式紧固到彼此上。因此，一个模块可设有第一类型的紧固元件，该第一类型的紧固元件布置成与相邻模块上的第二类型的紧固元件相互作用或配合。在这里，紧固元件可为例如螺钉和螺栓，或者在诸如与凹部相互作用的弹簧的解决方案中，可为搭扣。

本发明的这个第二实施例具有另外的优点，因为单独的热交换模块可堆叠起来，以满足各种热负荷要求。这表示一个热交换模块设计可用于若干个大小和类型不同的电机。这会提高经济性，以及简化冷却的提供，因为仅通过选择所需模块的数量就可获得期望冷却作用是可行的。

另一个可行变型涉及所执行的冷却的类型。在第一实施例和第二实施例中，存在不对称冷却。但是，它是对称冷却的备选方案。

图5显示通过根据本发明的第三实施例的电机的截面图，其中使用了对称冷却。

在根据这个第三实施例的对称冷却的情况下，除了第一热交换单元10之外，还存在第二热交换单元44。此外，除了第一开口(未显示)和第二开口42以外，在这里，在隔板中存在第三开口48。在这个实施例中，第一开口居中设置在隔板中，并且第一风机(未显示)布置成通过这个第一开口来使第一流体F1进入到室的第一区段22A中。在这里，定子和转子可围绕这个开口布置。然后第二开口42和第三开口48沿周缘而置于室中，而且在这里是置于第一开口的相对的侧上。然后第一热交换单元10在第一开口和第二开口42之间、在室的第一区段22A中布置和固定到隔板上，而第二热交换单元44则在第一开口和第三开口48之间、在室的第一区段22A中布置和固定到隔板上。照这样，可在室中提供有利地可为相反的两个流。在这种情况下，对两个热交换单元使用相同的流体输送通道是可行的。但是，在这个第三实施例中，各个热交换单元10和44均设有其本身的流体输送通道24和46，以及还设有单独的风机36和50。在这个实施例中，风机此外是置于流体输送通道的出口处的离心式风机。在这里，当然也可使用轴向风机。在这里，热交换单元可由一个或若干个模块组成。

此外对室添加另外的开口和热交换单元是可行的。

本发明可在许多另外的方面有变化。应当认识到的是，例如，第一流体传播单元可为未连接到转子或轴上的单独的单元。省略分配歧管也是可行的。可成对地提供蒸发器通路和冷凝器通路，其中，各个这种对形成工作流体回路。仅有一个这种对也是可行的，这种对然后可设置在同一管道中。在上面描述了通过热交换单元的第一流体流和第二流体的流向以相反的方向而设置。应当认识到的是，作为备选方案，它们可设置成沿通过热交换单元的相同的方向平行，以及设置成相对于彼此成其它角度。

根据前面的论述，显而易见的是，本发明可在许多方面有变化。因此应认识到的是，本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (19)

1.一种电机，包括：

封闭室，其具有至少一个壁(26)，并且包封定子(30)、转子(32)和第一流体(F1)，

热交换单元(10；10A，10B，10C)，其从所述室通过所述壁而延伸到所述室的外部的流体输送通道(24)，所述热交换单元包括：

　　至少一个管道(11)，其在所述热交换单元内设置成回路，以及包括工作流体，所述管道设有蒸发器通路(20)和冷凝器通路(21)，

　　在所述室的内部与所述蒸发器通路接触的第一热传递元件(14)，其用于通过所述蒸发器通路，将热从所述第一流体传递到所述管道中的工作流体，以及

　　在所述流体输送通道中与所述冷凝器通路接触的第二热传递元件(12)，其用于通过所述冷凝器通路，将热从所述管道中的工作流体传递到第二流体(F2)，

第一流体传播单元(38)，其设置在所述室的内部，并且构造成迫使所述室中的所述第一流体流经所述定子、转子和第一热传递元件，以及

第二流体传播单元(36)，其设置在所述流体输送通道中，以迫使所述第二流体流经所述热交换单元的所述第二热传递元件；

所述热交换单元是模块化的，其中，各个模块包括至少一个管道、第一热传递元件和第二热传递元件，所述至少一个管道具有以回路的方式提供的工作流体，所述模块沿所述第一流体的流向而一个接一个地布置。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一流体传播单元以机械的方式联接到所述转子上。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述第二热传递元件在所述管道上具有沿竖向在所述第一热传递元件上方的位置。

4.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述蒸发器通路和冷凝器通路由所述管道的内部中的至少一个纵向壁分开。

5.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述管道的所述蒸发器通路和冷凝器通路设置成沿着所述第一流体的流向彼此平行。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述蒸发器通路设置在所述单元的蒸发区段中，所述蒸发区段设置在所述热交换单元的面向第一流体流的第一侧处。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述冷凝器通路设置在所述单元的冷凝区段中，所述冷凝区段设置在所述热交换单元的面向第二流体流的第二侧处。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，在所述热交换单元上的所述第二侧与所述第一侧相对。

9.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述热交换单元包括多个管道，所述多个管道布置成垂直于所述第一流体的流向而彼此平行。

10.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述模块的所述第一热传递元件沿所述第一流体的流向而对准彼此，并且所述模块的所述第二热传递元件沿所述第二流体的流向而对准彼此。

11.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，两个相邻模块中的一个配备有第一类型的紧固元件，而另一个配备有第二类型的紧固元件，其中，所述第一类型的紧固元件布置成与所述第二类型的紧固元件相互作用。

12.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述第二流体传播单元构造成将所述第二流体从所述电机的外部抽送到所述流体输送通道中，以及在所述第二流体经过第二热传递元件之后，使所述第二流体回到所述电机的外部。

13.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述第二流体传播单元是轴向风机。

14.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述第一流体在所述封闭室中循环。

15.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述第一流体和所述第二流体两者都是空气。

16.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述室包括第一区段(22A)和第二区段(22B)，其中，所述定子和转子置于所述第二区段(22B)中，而所述热交换单元的所述第一热传递元件置于所述第一区段(22A)中。

17.根据权利要求16所述的电机，其特征在于，所述两个区段由具有第一开口(40)和第二开口(42)的隔板(28)分开，其中，所述热交换单元在所述开口之间固定到所述隔板上。

18.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，包括另一个热交换单元(44)，其与所述热交换单元具有相同的构造，并且通过所述壁从所述室延伸到所述室的外部的流体输送通道，其中，所述第一流体传播单元构造成迫使所述室中的所述第一流体也流经所述另一个热交换单元的热传递元件，同时流体传播单元设置在所述流体输送通道中，以迫使第二流体流经所述另一个热交换单元的第二热传递元件。

19.根据权利要求18所述的电机，其特征在于，与所述另一个热交换单元相关联的流体输送通道和流体传播单元是另一个流体输送通道(46)和第三流体传播单元(50)。