CN103296837B - 包括热交换器的封闭式电动马达 - Google Patents

Abstract

包括热交换器的封闭式马达，包括：外壳（12），其界定了内隔室（14）的边界，内隔室（14）限定了气体的内部空间（15）；转换装置（16），其用于将马达（10）接收到的电能转换为机械能，该装换装置（16）包括定子（64）和转子（62），定子（64）至少包括线圈（86）；液体冷却装置（18），其用于采用液体冷却马达（10）的内隔室（14）；以及热耦合装置（20），其位于内隔室（14）和液体冷却装置（18）之间。热耦合装置（20）包括安装在外壳（12）上且位于内隔室（14）中的热交换器（108），热交换器（108）包括环形支撑件（116）和至少一个径向突出部（118），环形支撑件（116）布置在外壳（12）上，径向突出部（118）朝中心轴线（A‑A’）延伸。

Description

包括热交换器的封闭式电动马达

技术领域

本发明涉及一种封闭式电动马达，其包括：

-外壳，其界定内隔室的边界，内隔室界定了用于气体的内部空间；

-转换装置，该转换装置用于将马达接收到的电能转换为机械能，该转换装置包括定子和转子，定子至少包括线圈；

-液体冷却装置，该液体冷却装置用于采用液体冷却马达的内隔室，以及

-热耦合装置，该热耦合装置位于内隔室和液体冷却装置之间。

背景技术

这类马达使用在轨道运输车辆中，例如用于在城市行驶的有轨电车的操作。

用于将电能转换为机械能的转换装置包括在这类马达中，该装转换置以本质上公知的方式尤其通过焦耳效应产生大量热。聚集在马达内隔室中的热然后借助热传导通过外壳传递给设置在外壳中的液体冷却系统。

但是，事实证明，这种散热系统对于以某种速度运行的马达可能是不够的，这会引起马达的热逸出状况的出现。

因此，有时也将热耦合装置安装在内隔室中，该热耦合装置被设计成能提高从马达内隔室向液体冷却系统的传热。例如EP 2 282 395A2号中描述了这种装置。

在该专利中，马达的定子线圈浸在聚合树脂基体中，该基体中载有导热元件。该基体在线圈、壳体以及马达外壳的法兰之间形成了导热桥。这样形成的导热桥增加了马达操作产生的热向液体冷却系统的传递。

这种热耦合装置并不令人完全满意。事实上，这种装置复杂，需要特别设置马达，并且不能在马达的启动运行期间被安装到马达上。

发明内容

因而，本发明的目的是获得一种封闭式马达，其包括热耦合装置，该热耦合装置高效、简单、易安装，并可在启动运行期间被安装到马达上。

为此，本发明涉及一种上述类型的封闭式马达，其特征在于：热耦合装置包括安装在外壳上且位于内隔室中的热交换器，热交换器包括环形支撑件和至少一个径向突出部，环形支撑件具有中心轴线A-A’并布置在外壳上的，径向突出部从支撑件的内表面朝中心轴A-A’线延伸。

根据各不同的实施例，根据本发明的装置包括一个或多个下述特征，各下述特征可单独采用，或者对下述特征进行任何可行的技术组合：

-该热交换器具有从支撑件的内表面延伸的多个径向突出部，径向突出部隔开角间距地布置在所述内表面的基本整圆周上；

-所述径向突出部浸在内隔室气体的内部空间中；

-径向突出部的截面的大体结构形式为在径向上渐缩，特别地为三角形；

-该径向突出部或每个径向突出部与支撑件一体形成；

-每个线圈的一个轴向端具有绕组端部，热交换器在径向上位于线圈绕组端部和外壳之间；

-热交换器由金属制成，有利地由铝制成；

-热交换器被压装到外壳中；

-热耦合装置包括多个热交换器，每个热交换器均被安装在外壳上且位于内隔室内，每个热交换器均包括环形支撑件和至少一个径向突出部，环形支撑件具有中心轴线并布置在外壳上，所述径向突出部从各热交换器的支撑件的内表面朝相应的所述中心轴线延伸；

-转子包括驱动轴组件，该驱动轴组件作用于使机器单元运动的机构；

-热耦合装置包括搅动装置，搅动装置由转子承载而对气体的内部空间进行搅动；

-气体搅动装置包括安装在毂盘上的至少一个翅片，毂盘固定在转子上；以及

-液体冷却装置包括设置在外壳中的循环管，热交换器与循环管相对地布置。

附图说明

阅读随后仅通过实例的方式给出的描述并参照附图，将能更好地理解本发明，附图如下：

图1是根据本发明的封闭式马达的局部截面图；

图2是根据本发明的马达中使用的热交换器的剖面图。

具体实施方式

图1和2描述了根据本发明的第一马达10。马达10是“无刷”型马达，即，该马达未设置刷子。例如，该马达用于安装在车辆上，尤其是安装在诸如电车的轨道车辆上，以保证能推进车辆。

参照图1，马达10包括外壳12、转换装置16、液体冷却装置18以及热耦合装置20，外壳12界定了内隔室14的边界，内隔室14限定了气体的内部空间15，转换装置16用于将马达接收到的电能转换为机械能，液体冷却装置18用于采用液体来冷却马达10的内隔室14，根据本发明，热耦合装置20位于封闭式马达的内隔室14和外部22之间。

外壳12包括大体上为圆柱形的壳体24，壳体24具有前端开口26和后端开口28，它们基本上垂直于壳体24的纵向轴线A-A’。外壳12还包括用于封闭前端开口26的前端法兰30和用于封闭后端开口28的后端法兰32。

壳体24包括内壁34和外壁36，内壁34界定了封闭式马达10的内隔室14的边界，外壁36中设置有液体冷却装置18。如下所述，壳体24还包括前外围唇缘38、后外围唇缘40以及固定在壳体的外壁36上的外壳层42。

前外围唇缘38整体地固定到壳体24上，并位于基本上垂直于纵向轴线A-A’的平面中。用于容纳紧固装置46的孔44形成在前外围唇缘38中，该紧固装置46用于将前端法兰30紧固在壳体24上。

后外周唇缘40整体地固定到壳体24上并在基本上垂直于纵向轴线A-A'的平面中延伸。用于容纳紧固装置50的孔48形成在后外周唇缘40中，所述紧固装置50用于将后端法兰32固定在壳体24上。

外壳层42大体上为圆筒形，其直径稍大于外壁36的直径，其沿轴A-A’的高度小于壳体24的高度。

在图1所示的例子中，外壳层42焊接到外壁36上并且由不锈钢制成。

外壳层42也可以传统方式铆接到或旋拧到外壁36上。

前端法兰30大体上为圆形，并且包括用于转子轴的中心孔52，将在下文中对其进行描述。

前端法兰30的周缘上还具有用于容纳紧固装置46的孔54。

在图1所示的例子中，紧固装置46包括接合在接收孔44、54中的螺钉。因而，前端法兰30在基本上垂直于纵向轴线A-A'的位置上封闭前端开口26。

如图1所示，后端法兰32包括厚度增加的中央部分56和大体上为圆筒形的中心腔58，中心腔58形成在后端法兰的中央部分56中。中心腔58被设计为用于容纳转子轴，在下文中将对其进行描述。

后端法兰32的周缘上还具有用于容纳紧固装置50的孔60。

在图1所示的例子中，紧固装置50包括接合在接收孔46、60中的螺钉。因而，后端法兰32被固定在基本上垂直于纵向轴线A-A'的位置上。

因而，包括壳体24、前端法兰30和后端法兰32的外壳12界定了马达10的内隔室14的边界。

用于将马达10所接收到的电能转换为机械能的转换装置16包括转子62和定子64。

马达10的转子62包括转轴66和转子轭68。

转轴66绕纵向轴线A-A'可旋转地运动。

转轴66包括后端部分72和中间部分74，后端部分72用于容纳在后端法兰32的中心腔58中，中间部分74穿过前端法兰30的中心孔52。

转轴66还包括前端部分76，前端部分76与中间部分74一体形成并突出到外壳12之外。该前端部分76旨在与用于使机器单元(未示出)运动的机构相接合，马达10设置在该机器单元上。

转子轭68大体上为圆筒形并固定到转轴66。转子轭68能够随着转轴66的旋转而与其一起运动。

转子轭68包括铁磁元件78，铁磁元件78适于与定子64磁性配合，从而驱动转轴66旋转。

因而，转子轭68例如可具有层状结构，所述层状结构是通过轴向堆叠多个圆盘件来制成的，所述圆盘由金属薄板制成。

另外，在图1所示的例子中，铁磁元件78包括鼠笼绕组79。

鼠笼绕组79包括多个纵杆80，所述纵杆设置在转子62的周缘并且绕纵向轴线A-A'隔开固定的角间距。

每个纵杆具有后端801和前端802。

以本质上公知的方式，纵杆80可沿外壳纵向轴线稍微倾斜，或甚至可基本上平行于该纵向轴线。

在图1所示的例子中，纵杆80基本上平行于纵向轴线A-A’。

纵杆80由导电材料制成，能量一输送给马达10，定子就会产生感应电流，纵杆80用于接收该感应电流。

鼠笼绕组79还包括两个短路环82，83，它们相互平行并固定到转子62上。在图1所示的例子中，所述的两个短路环82，83具有与纵向轴线A-A’基本重合的、相同的中心轴线。

每个纵杆80的前端801和后端802均分别固定在各对应的短路环82、83上。

根据变形结构形式，铁磁元件78包括分布在转子轭68的整个外周周围的永久磁铁。

马达的定子64包括定子磁轭84和线圈86。

定子磁轭84大体上为圆筒形、被固定并与内壁34接触。定子磁轭82包括铁磁元件88，铁磁元件88适于与线圈86一起产生可变磁场，该可变磁场用于与转子轭68的磁铁元件78相互配合。

因而，定子磁轭84例如可具有层状结构，所述层状结构通过轴向堆叠多个圆盘而构成，圆盘由金属薄板制成。

定子的线圈86限定了环路90。每个环路90均具有两个基本平行于纵向轴线A-A’的纵向部分92以及两个绕组端部94，所述两个绕组端部94与纵向部分92一体形成并且位于所述纵向部分的两侧。

每个线圈86均包括由导电材料(如，铜合金)制成的绕丝96。

在图1所示的例子中，定子64包括多个线圈86，所述线圈径向地远离纵向轴线A-A’延伸并且绕纵向轴线A-A’间隔固定的角间距。

在根据本发明的马达10的操作期间，将电能输送给线圈86。电流流过定子64所产生的可变磁场与铁磁元件78相互作用，以便产生作用在转子62的转子扼68上的旋转力矩。然后，与转子轭68一体形成的转轴66被驱动而绕纵向轴线A-A’旋转。

施加给转轴66的力矩于是通过转轴66的前端部分76传递给用于使机器单元(未示出)运动的机构。

液体冷却装置18包括液体循环管98，该液体循环管98设置在外壁36中，通过外壳层42与外部22封隔开。

液体循环管98包括一连串纵向管段100，其高度小于外壳层42的高度并且绕纵向轴线A-A’隔开角间距。每个纵向管段100均通过周向区段(图1中未示出)连接到其相邻的各纵向管段100。

因而，液体循环管的两个相邻纵向管段100表示冷却液流的相反方向。

因此，在图1所示的例子中，液体循环管98为绕壳体24的圆周大体上成钝锯齿形状的结构形式。

液体冷却装置18还包括供给管104以及用于排出传热流体(图1中未示出)的排出管，供给管104用于将传热流体供应给液体循环管98。

在图1所示的例子中，所使用的传热流体是水。

位于内隔室14和外部22之间的热耦合装置20包括气体搅动装置106和热交换器108，气体搅动装置106用于搅动气体的内部空间15，热交换器108安装在内隔室14中并与内壁34接触。

气体搅动装置106包括多个翅片110，每个翅片110均安装在毂盘112上，毂盘112固定到转子62上。在图1所示的例子中，翅片110绕纵向轴线A-A’隔开固定的角间距。

当转轴66旋转时，毂盘112也被驱动一起绕纵向轴线A-A’旋转。翅片110使得气体的内部空间15中产生流动，以使温度均衡。

热交换器108包括支撑件116和从支撑件116径向突出的固定肋118。

热交换器108是由导热性良好的材料(如，金属)制作出来的。

因而在图1和2所示的例子中，热交换器108是由铝制作出来的。

支撑件116大体上为环形并且具有中心轴线B-B’。

支撑件116还具有外表面120，外表面120的截面为圆形并且具有中心轴线B-B’。

当外表面120被设置成与内壁34接触时，中心轴线B-B’就会与纵向轴线A-A’基本上一致。

在图1和2所示的例子中，外表面120的直径稍大于内壁34的直径。因而，热交换器108被压装到外壳12中，并且通过支撑件116的扩张而保持被压靠在内壁34上。

可以想到其他的变形，其中，使外表面120的直径基本上等于内壁34的直径。因而热交换器108例如可通过焊接、旋拧或铆接而固定到外壳12。

支撑件116还具有内表面122，内表面122沿中心轴线B-B’的截面基本上为圆形。

固定肋118从内表面122径向地突出。

在图1和2所示的例子中，支撑件116和固定肋118彼此一体形成。

根据变形结构形式，固定肋118例如通过旋紧、铆接、焊接等方式固定到内表面122上。

在图1和2所示的例子中，因而，固定肋118位于基本上垂直于中心轴线B-B’的平面中；固定肋截面大体上为在径向上渐缩的结构形式，其自由尖端基本上朝向中心轴线B-B’。

在可供选择的实施例中，固定肋118具有不同结构。例如，每个固定肋118可均由基本平坦的板形成，或具有弯曲截面。

热交换器108在环形空间124内固定到内壁34上。环形空间124的一侧在轴向上由定子64界定边界，而另一侧在轴向上由前端法兰30界定边界；该环形空间24在径向上的一个方向上由线圈86的绕组端部94界定，而在径向上的另一个方向上由内壁34界定。

根据变形结构形式，也如图1所示，热交换器可在环形空间126内被固定到内壁34上。环形空间126的轴向边界由定子64和后端法兰32界定，其径向边界由壳体24的内壁34和线圈86的绕组端部94界定。

因而，热交换器108在固定肋118之间容纳有绕组端部94(其位于定子一端处)以及旋转轴74的一部分。

在根据本发明的马达10中，因而，固定肋118浸在内隔室14气体的内部空间15中并且位于线圈86的绕组端部94附近，其中绕组端部94是马达10的主要热源。另外，热交换器108因而与液体循环管98轴向相对地布置，热量通过气体的内部空间15传递给热交换器108，热交换器108将热量传递给液体循环管98。

现在将描述根据本发明的马达10的操作过程。

当马达10通电时，马达10从给马达供应电能的供应装置(未示出)接收的电能的一部分被转换成机械能，所述机械能用于致动用于使机器单元运动的机构(未示出)。

接收的另一部分电能以热形式耗散到马达10的内隔室14的不同位置。以本质上公知的方式，这些损耗例如可包括由线圈86引起的焦耳效应损耗(该损耗可超过总损耗的50％)、磁损耗或所谓的“功率损耗”以及由于马达的运动部件之间的摩擦所致的损耗，等等。

因而，气体搅动装置106使热均匀分布在内隔室14中，所述热是在内隔室的不同位置上产生的。

然后，所述热通过气体的内部空间15以对流方式传递给热交换器108的固定肋。之后，所述热通过热交换器108以传导的方式传递给壳体24，其中，液体循环管98设置在壳体24中。最后，传热液体通过排放管朝马达的外部22移除热量。

通过热交换器108进行散热，内隔室14中的温度会降低大约10℃。

因而，与EP 2 282 395中所述的马达相比，根据本发明的马达结构简化，热交换器108的结构简单，并且保证操作可靠有效。另外，如下所述，与文献EP 2 282 395中所述的马达完全相反，组装过程(即，热交换器108的安装过程)简单，不需要对马达进行任何特殊调节或调整，并且在马达的启动运行期间均可进行这种组装。

现在将根据本发明描述热交换器108在马达10中的组装。

首先，通过加工支撑件116和固定肋118制成热交换器108。

如果现有的马达10已被组装(安装)，那么接下来从外壳12上拆卸掉前端法兰30，以打开前端开口26。

然后，例如通过相对于中心轴线B-B’的径向压应力使热交换器108变形，从而促使热交换器108沿径向形成在支撑件116中的狭槽变形。然后，将热交换器108插入前端开口26中。作用于热交换器108的变形足以允许热交换器108穿过壳体24和绕组端部94之间。

然后外表面120被设置为与内壁34接触，使中心轴线B-B’与纵向轴线A-A’重合。

之后，热交换器108回复至其原始形状。

外表面120的直径稍大于内壁34的直径，从而，通过热交换器的支撑件116的扩张而使得热交换器108保持压靠在壳体24上。

前端法兰30然后被旋拧到前外围唇缘38上。

因而，热交换器108的组装(安装)不需要对马达10进行任何特殊调整或调节来达到组装目的。因此，热交换器可组装在新马达上，或例如在已经被操作的马达的启动运行期间或在维护期间进行安装。

可采用其他变形结构形式，即，支撑件116的外表面120的直径基本上等于壳体24的内壁34的直径。

因而，热交换器108插入壳体24中，该热交换器被设置为在该热交换器将占据的位置与内壁34接触，然后通过铆接或旋紧方式固定到内壁34上。

可以采用根据本发明的封闭式马达10的其他实施例，这些实施例中，热耦合装置20包括两个或更多(有利地为4个)的热交换器108，它们在环形空间124和/或环形空间126内固定到内壁34上。

Claims (15)

1.一种封闭式电动马达(10)，其包括：

-外壳(12)，所述外壳界定了内隔室(14)的边界，内隔室(14)限定了气体的内部空间(15)，所述外壳包括沿纵向轴线(A-A’)大体上为圆柱形的壳体(24)，所述壳体(24)由前端法兰(30)和后端法兰(32)封闭；

-转换装置(16)，所述转换装置用于将电动马达(10)接收到的电能转换为机械能，该转换装置(16)包括定子(64)和转子(62)，定子(64)至少包括线圈(86)；

-液体冷却装置(18)，所述液体冷却装置用于采用液体来冷却电动马达(10)的内隔室(14)，所述液体冷却装置(18)布置在所述外壳的壳体(24)的内壁(34)和外壁(36)之间；以及

-热耦合装置(20)，所述热耦合装置位于内隔室(14)和液体冷却装置(18)之间，

其特征在于：热耦合装置(20)包括安装在外壳(12)的壳体(24)上且位于内隔室(14)中的热交换器(108)，所述热交换器(108)由金属制成，该热交换器(108)包括环形支撑件(116)和至少一个径向突出部(118)，环形支撑件(116)具有与所述纵向轴线(A-A’)相同的中心轴线，且该环形支撑件(116)还具有外表面(120)，该外表面(120)被设置成与所述外壳(12)的壳体的内壁相接触，所述径向突出部(118)从环形支撑件(116)的内表面(122)朝所述中心轴线延伸。

2.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：所述热交换器(108)具有从环形支撑件(116)的内表面(122)延伸的多个径向突出部(118)，所述径向突出部(118)隔开角间距地布置在所述内表面(122)的基本整周上。

3.根据权利要求2所述的电动马达(10)，其特征在于：所述径向突出部(118)浸在内隔室(14)的所述气体的内部空间(15)中。

4.根据权利要求2所述的电动马达(10)，其特征在于：所述径向突出部(118)的截面的大体形状在径向上渐缩。

5.根据权利要求4所述的电动马达(10)，其特征在于：所述径向突出部(118)具有三角形的截面。

6.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：所述至少一个径向突出部(118)与所述环形支撑件(116)一体形成。

7.根据权利要求2所述的电动马达(10)，其特征在于：每个线圈(86)的一个轴向端均具有线圈的绕组端部(94)，热交换器(108)在径向上位于线圈(86)的绕组端部(94)和外壳(12)之间。

8.根据权利要求7所述的电动马达，其特征在于：所述热交换器在所述径向突出部之间容纳有所述定子的线圈的所述绕组端部(94)，所述绕组端部(94)位于所述定子的一端处。

9.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：热交换器(108)由铝制成。

10.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：热交换器(108)被压装到外壳(12)的壳体(24)中。

11.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：热耦合装置(20)包括多个热交换器(108)。

12.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：转子(62)包括驱动轴组件(66)，该驱动轴组件(66)作用于使机器单元运动的机构。

13.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：热耦合装置(20)包括搅动装置(106)，该搅动装置由转子(62)承载而对气体的内部空间(15)进行搅动。

14.根据权利要求13所述的电动马达(10)，其特征在于：用于搅动气体的所述搅动装置(106)包括安装在毂盘(112)上的至少一个翅片(110)，毂盘(112)固定在转子(62)上。

15.根据权利要求1所述的电动马达(10)，其特征在于：液体冷却装置(18)包括设置在外壳(12)中的循环管(98)，热交换器(108)与循环管(98)相对地定位。