CN103633780A - 用于电机的护罩和冷却剂引导件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电机的护罩和冷却剂引导件。定子绕组的有效冷却防止过热，因而增强了电马达的峰值性能。液体冷却剂对于定子的冷却是有效的；但是在高速马达中，避免允许转子上有冷却剂以防止高的摩擦损耗是明智的。在转子和定子之间的空气间隙内设置护罩，以用来引导冷却剂回到油箱，而不接近转子。另外，如果电机邻近高温度部件，护罩还可以防止向电机的热量辐射和传导。

Description

用于电机的护罩和冷却剂引导件

技术领域

本发明涉及电马达的冷却，特别是与涡轮机联接的高速马达的冷却。

背景技术

定子绕组的有效冷却能增强电机的峰值性能。热量主要在定子的绕组中产生。转子中的涡电流很高，但对热损耗贡献很小，因此减少了强制冷却的需求。经常使用液体冷却剂从定子提取热量。在传统的电马达中，冷却剂与转子接触的影响很小。然而在例如与涡轮机联接并且速度可达到350000rpm的电马达的非常高速的马达中，则希望能避免油接触到转子，以避免因冷却剂的高剪切速率而产生的高损耗。试图寻找一种系统和方法，用来向定子绕组上提供液体冷却剂，同时避免冷却剂接触到转子。

在冷却剂是还提供到与电马达或涡轮机相关的轴承的润滑剂的系统中，操作期间应始终保持轴承的润滑，以保持系统的完整性。

如果与电马达相关的涡轮机运行在高的温度，那么电机内高的温度的另一贡献者归因于从涡轮机热部件到电马达的热量传递，主要是辐射。

发明内容

为了克服现有技术内的至少一个问题，公开了一种电子控制涡轮增压器(ECT)，包括：包括涡轮机轮的涡轮机部分，包括压缩机轮的压缩机部分，包括转子和定子的电机，涡轮机轮、压缩机轮和转子所附着的轴，电机安装在其内的壳体，邻近涡轮机部分安装在壳体和轴之间的第一轴承，邻近压缩机部分安装在壳体和轴之间的第二轴承，限定在壳体外表面中的加压油供应通道，限定在壳体内并与加压油供应通道流体联接的油支管，将油支管与第一轴承流体联接的第一油通道，将油支管与第二轴承流体联接的第二油通道，以及通过在壳体和定子背铁的外侧表面中的一个中形成凹槽而设置在壳体和定子之间的油过道，其中，在油支管和油过道之间设置第三油通道，通过定子背铁限定多个孔口，孔口的一端邻近油过道。ECT还可包括布置在第三油通道内的常闭止回阀，当油支管内的压力超过常闭止回阀的打开压力时，常闭止回阀打开。定子具有多个芯，芯由多个叠层构成，多个线圈缠绕着芯。ECT还可包括布置在马达壳体内的常闭的第一止回阀，其中，第一止回阀的上游侧与油支管流体联接，第一止回阀的下游侧位于多个线圈的其中一个的第一端上方，ECT还可包括布置在所述马达壳体内的常闭的第二止回阀，其中，第二止回阀的上游侧与油支管流体联接，第二止回阀的下游侧位于多个线圈的其中一个的第二端上方。凹槽构成油过道，并大体围绕定子的整个圆周延伸，且凹槽形成在定子中。凹槽构成油过道，并大体围绕定子的整个圆周延伸，且凹槽限定在马达壳体中。

ECT还可包括：定子中的多个空隙，其适用于收集提供给定子的油；和限定在马达壳体中的排出孔，其中，排出孔和空隙流体相联接。壳体包括至少两个件。

ECT还包括电联接到电机的电力电子模块和电联接到所述电力电子模块的电子控制单元(ECU)。ECU确定第三油通道内的压力，并在第三油通道内的压力超过止回阀的打开压力时，依据常规的策略命令电力电子模块控制电机内的电流。在一个实施例中，ECU确定定子内的温度，当第三油通道内的压力小于止回阀的打开压力并且定子内的温度高于预期损害定子的阈值温度时，ECU命令电力电子模块使用电流限制策略来控制电机内的电流。

还公开一种控制命令给电机线圈的电流的方法，电机具有向电机提供冷却剂的液体冷却通道和设置在液体冷却通道内的常闭止回阀。当止回阀上游侧的压力低于打开压力时，止回阀保持关闭。当止回阀上游侧的压力高于打开压力时，止回阀打开从而允许冷却剂自液体冷却通道向电机流动。本方法包括确定止回阀上游的液体冷却通道内的压力，和当液体冷却通道内的压力小于止回阀的打开压力时，使用电流限制策略命令电流至电机。本方法还包括确定电机线圈内的温度，和将到电机的电流限制策略的命令另外基于线圈内的温度何时超过阈值温度。压力的确定基于来自冷却剂系统内的传感器的压力信号。线圈内的温度至少基于热传递模型确定，或在另一个实施例中，至少基于命令到线圈的电流的模型和包括电机效率在内的电机特性确定。当止回阀上游的液体冷却通道内的压力高于止回阀的打开压力时，命令给电机的电流基于常规的操作策略。

还公开一种电马达，包括马达壳体、马达轴、安装在马达轴和马达壳体之间的第一轴承和第二轴承、与马达轴相联接的位于中心的转子、容纳在马达壳体内并关于转子同心布置的定子和冷却系统，定子具有围绕多个芯缠绕的多个线圈，芯包括多个叠层和径向位于线圈外部的背铁。冷却系统具有限定在马达壳体内的加压冷却剂供应通道、流体联接到加压冷却剂供应通道的第一冷却剂通道、联接于第一冷却剂通道的过道，过道设置为环绕背铁外围的至少一部分，并邻近背铁的外表面，以及限定在背铁内的多个孔口，其将过道流体联接到背铁的内表面，其中，油来自过道。

另外，电马达具有布置在第一冷却剂通道内的常闭的第一止回阀，当加压冷却剂供应通道内的压力超过常闭止回阀的打开压力时，第一止回阀打开；布置在马达壳体内的常闭的第二止回阀，其中，第二止回阀的上游侧与冷却剂支管流体相联接，第二止回阀的下游侧位于多个线圈的其中一个的第一端上方；以及布置在马达壳体内的常闭的第三止回阀，其中，第三止回阀的上游侧与冷却剂支管流体相联接，第三止回阀的下游侧位于所述多个线圈的其中一个的第二端上方。过道是大体围绕定子的整个圆周延伸的凹槽，且凹槽限定在马达壳体内。可选择地，过道是大体围绕定子的整个圆周延伸的凹槽，且凹槽限定在定子的背铁内。在本发明中，通用术语电马达被用来指电机，即，可作为马达、作为发电机和既可作为马达又可作为发电机来操作的装置。

根据本发明的实施例，优势是电机被下列措施所保护：对轴承的润滑优先于对电机绕组的冷却，避免了当可得到的润滑剂压力不足时电机的过热，命令电流限制策略用于电机。

附图说明

图1是具有电子控制的涡轮增压器(ECT)的发动机系统的图解表示。

图2是ECT的横断面图。

图3是与ECT相关联的电马达的横断面图，此横断面垂直于马达的轴截取。

图4是沿着马达轴截取的电马达的横断面图。

图5是护罩展开图的横断面图。

图6是护罩装配状态的横断面图示。

图7A是电机定子和护罩展开图的等角视图。

图7B是电机定子和护罩装配后的等角视图。

图8是描述了将护罩装配到电机的实施例的流程图。

图9图解了控制电机电流的一个策略。

具体实施方式

本领域的技术人员将会理解，参考任一附图图解和描述的实施例的多种特征可与一个或多个其它附图中图示的特征相结合，以生产出在此处没有被明确图解或描述的可选择的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本发明的教导相一致的特征的多种结合和修改被希望用于特别的实施或应用。本领域普通技术人员会意识到相类似的实施或应用，无论在此是否被明确地描述或图解。

图1示意性表示一种内燃发动机10，其具有电子控制的涡轮增压器(ECT)12(一种类型的涡轮机)。ECT12包括：压缩机14，用以压缩供应到发动机10的进气；从来源于发动机10的废气提取能量的涡轮机16；用来联接压缩机14和涡轮机16的轴18；和用于驱动轴18或被轴18驱动的电机(或马达)20。

发动机10具有油泵30，用以润滑和冷却发动机，也供应油给电机20和与ECT12和涡轮机轴16相关联的轴承。返回发动机10的油排向油箱28，在其中被油泵30获得以被加压并提供给发动机10和ECT12内的油通道。

电子控制单元32接收来自多个传感器36的信号，也接收来自多个致动器34的信号，并向多个致动器34提供信号。ECU32也向发动机10上的致动器和电力电子模块38提供信号，电力电子模块38向ECT20的电马达20提供电流并接收来自发动机10和ECT20及其它装置上的传感器的信号。显示了单个的ECU32；替代地，使用利用多个ECU的分布式计算。例如，传感器36可包括发动机10内和/或位于ECT20入口处的油压传感器、接近电马达线圈或位于ECT20出口处的温度传感器。此外，基于本系统的模型，温度、压力和其它参数可基于最小设定值的传感器信号和致动器信号估计。例如，如果要找出定子线圈内的温度，那么，用于冷却定子的油流、到和自定子的油的温度、电机的电流命令和系统的热传递模型都可用来确定此温度。现在的描述是如何基于传感器信息、致动器信息和模型(或，可选择地，查寻表)的结合确定特定的温度、压力或其它条件的没有限制的例子。

图2显示了ECT40的横断面。ECT包括压缩机部分50、电机部分52和涡轮机部分54。联接于公共轴60的是：被螺母64轴向固定的压缩机轮62、电机的转子66和涡轮机轮68(焊接的)。涡轮机轮68也可替代地螺纹联接于轴60。与图4相关的描述提供了有关组成转子66的零件的附加细节。图2中的实施例包括四个联接在一起的壳体部分：压缩机壳体部分70、两个电机壳体部分72和73和涡轮机壳体部分74。(在缺少涡轮机的实施例中，即，仅高速电机，那么用于马达的壳体会包括更少的部分。)旋转轴60被轴承76和78支撑在壳体中。推力轴承58设置在压缩机和壳体之间。与高功率电子设备(未显示)联接的电连接器56离开ECT40。

图2的实施例中，润滑剂被用作电马达的冷却剂。因此，润滑系统和冷却系统是一体的。替代地，两个系统可分离，以允许在系统中使用不同的流体。

通过入口80向ECT40提供加压的润滑剂，在一个实施例中，加压润滑剂是发动机油。来自入口80的油填充支管82。支管82流体联接到油通道84和86，通道84向轴承76和78提供润滑剂，通道86向轴承78提供润滑剂。在通道84的外侧端设置塞子85，用来密封孔口以构成通道84。

支管82还与止回阀92、94和96流体联接。当支管82内的压力超过止回阀的打开压力时，止回阀打开以允许流动通过止回阀。阀92的出口侧将油导向电机绕组的第一端98；阀94的出口侧将油导向油过道100，阀96的出口侧将油导向绕组的第二端102。过道100显示为定子背铁108内的凹槽。过道100容纳在壳体72和背铁108内的凹槽之间。替代地，在壳体72中设置凹槽，而背铁108的外表面是没有凹槽的。

止回阀92、94和96确保在提供给ECT40的油压力低于打开压力时，油不会被引导离开轴承58、76和78。也就是说，轴承58、76和78获得优先的润滑。当支管82内的压力高于打开压力时，系统中有充足的压力向电机提供冷却，而不会消极地影响到轴承。在上面的讨论中，含义是每个止回阀92、94和96中的打开压力是相同的。可故意略有不同地设置打开压力，以使得至轴承的油以逐步的方式被影响。在另一种情况中，止回阀的打开压力可能会由于制造公差和在操作中逐渐起作用的效果(例如止回阀中形成的沉淀物或阀中的弹簧张力随时间的变化)而不同。

提供给多个零件的油行至壳体内的收集器104，并通过排出孔106排出。护罩110基本阻止油接近转子66。护罩110周向设置在转子66和定子之间(更多细节将于下面描述)。在图2的视图中，通过护罩110直径的横断面显示了护罩的上部和下部，但是护罩绕转子66周向延伸。

在图3中，显示了电马达200的横断面视图，该图是沿关于图2视图垂直的方向截取的。在中心部位是被加固物120环绕的轴(未显示)。环绕加固物120设置了多个(在本实施例中为4个)磁体122，相邻对的磁体122之间为梯形楔子124。偶数量的磁体径向排列。设置了位于磁体122和楔子124外面的转子套筒126以容纳它们。转子包括加固物120、磁体122、楔子124、套筒126和转子端盖128(图3仅可见一个转子端盖的一部分)。空气间隙148将转子和定子分离开来。定子包括：芯130(本实施例为6个)，其由多个叠层构成，线筒134，导体缠绕到线筒134上构成线圈136。设置线筒134以简化装配，并且使得马达200的马达芯与定子线圈电绝缘；替代地，线圈可直接缠绕在芯或叠层130上。图3所示的横断面没有显示出形成芯130的单独叠层。然而，本领域的技术人员却都知悉。叠层延伸穿过定子背铁138。即，背铁138也是由叠层组成的；背铁138环绕芯130圆周排列。芯和背铁由同样的叠层构成，并且是连续的，但使用两个单独的数字来标示这两个部件。外围的凹槽构成了油的过道140。回想到过道140形成在背铁138和马达壳体之间，而后者未显示在图3中。在背铁内设置孔口142以允许油自过道140进入定子内部的空隙144。图3上可显示油在内部空隙144中积聚，观看图4可清楚油如何从空隙144排出。在空气间隙148内设置护罩110，用来防止定子内的油接触到转子。在图3中，孔口140大体显示为相同的直径。替代地，孔口142的尺寸可被设置成提供通过多个孔口的期望量的冷却剂。

图4显示了如图3所示的马达200的横断面。图4中相同的元件使用图3中使用的相同的数字。此横断面视图没有通过其直径，而是显示了通过绕组136和孔口142的横断面图。在下侧，横断面穿过芯130。在图4描述的实施例中，轴向存在3个永磁体122。从图3中看到，从径向考虑，有4个永磁体122。因此，在图3和4的实施例中有12个永磁体。轴向上分段的磁体减少了磁体涡流损失。

在图5中，显示了护罩110包括三部分：圆柱形套筒201和第一端盖202和第二端盖204。在图5的实施例中，端盖202和204大体呈喇叭口形状。然而，这仅是一个未限制的例子。喇叭口202和204具有削切的背部部分206为气缸201提供肩部。在所有的实施例中，护罩110由允许装配的两部分组成。在一个实施例中，喇叭口之一在插入马达的空气间隙之前联接到气缸201，或者喇叭口与圆柱形套筒201整体构成。喇叭口204均通过任何合适的技术联接到气缸201的端部，这些技术包括但不限制于：粘合、扣合、螺纹、摩擦焊接和锻接。在使用螺纹的实施例中，削切部分206内有螺纹，并与圆柱形套筒201的端部的螺纹接合(螺纹在图5中未显示)。装配好的护罩110的形式显示在图6中。

发动机废气提供给ECT40的涡轮机部分，因此其处于热运行中。无论作为马达或是发电机进行操作，都在电机200(图4)中消耗能量。为避免损害电机200，管理消耗的能量。希望避免来自涡轮机部件54的任何辐射或传导的热量传递到电机。喇叭口202和204提供了防止油滴落到转子上和防止辐射热量从涡轮机传递到电马达的双重作用。为了提高护罩110的绝缘性能，喇叭口202和204的表面208涂覆有绝缘陶瓷或其它合适的绝缘体或反射器。涂层隔离温度、隔离电或两者都隔离。

圆柱形套筒200的厚度选择为占据尽可能小的空气间隙，同时具有充分的结构完整性。在图5和6中可以看到，圆柱形套筒200比喇叭口202和204薄很多。

参考图3，护罩110允许油在万有引力拉动下朝着排出孔106向下移动，但不接触到转子。

在图7A中，显示了定子210和护罩(作为圆柱形套筒200和端盖202和204的展开)的等角视图。图7B显示了护罩和定子的装配好的状态。

图8显示了护罩装配的流程图。在230，装配定子。在方块232中，将其中一个端盖附接到圆柱形套筒的一端。在方块234中，圆柱形套筒被插入穿过定子。在方块236中，将另外一个端盖附接到圆柱形套筒的另一端。在方块238中，将转子插入定子中。图7中的操作显示的是优选的顺序。方块232和234可以按相反的顺序进行。在另外的可选择的实施例中，方块230和232可以按相反的顺序进行。

冷却剂可以是任何合适的流体。在ECT联接到内燃机的实施例中，发动机润滑剂是在压力下可利用其为ECT提供冷却和润滑两个作用的流体。在润滑剂被用作电机20(图1)的冷却剂的实施例中，排出孔106(图2)流体地联接到发动机10(图1)的油箱28。

如上所述的那样，轴承的润滑是优先于对电机的冷却的。例如，在起动时，油压很可能是小于需要提供用来冷却和润滑的油压的，因此向电机提供油的止回阀关闭。在一些情形下，这将会和想要向电机提供高的电流以压缩涡轮机内空气的愿望是一致的。电机能够承受短时的高脉冲电流，而不过热。但是，如果没有提供附加的冷却措施，那么这样的脉冲的持续将会受限制。在止回阀关闭的这样一种情况下防止过热的策略开始于图9的方块300。在302中，确定油系统中的压力(P_油)并将其与止回阀的打开压力(P_打开)进行比较。当油系统中的压力较高时，那么止回阀打开并且控制进行到方块306，其中，对提供给电机或从电机提取的电流进行常规控制。但是，如果系统中的压力不够高以打开止回阀，则控制进行到方块204，其中确定电马达的线圈的温度(T_线圈)是否超过了阈值温度(T_阈值)。线圈中的温度可基于对其温度的测量或利用模型而被估计或确定。只要线圈中的温度低于阈值，那么控制进行到方块306以便对电流进行常规控制。但是，如果温度超过了阈值，控制进行到方块308，这是作为一种替代策略，用以控制到达或来自电机的电流，以保护电机不会过热。在大多数常规操作条件下，用以冷却电机的线圈和润滑轴承的油压的不足的发生是短暂的，最有可能局限于起动。尽管如此，提供限制电流的操作策略是有用的，例如，在方块308中要求的那样，可以避免在那些不常见的事件中电机的损害。

作为在线圈或绕组中产生的温度的结果，电流通量常常限制电机提供转矩的能力。向绕组提供冷却实际上导致了更高输出的马达。为此，认识到要向绕组上提供液体冷却。然而，对于高速马达来说，液体冷却应该避开转子。转子内消耗的能量比定子内消耗的低得多，因此不需要液体冷却。在一些例如在ECT中接近350000rpm的高速马达中，冷却剂在如此高速下的剪切导致高的摩擦负荷，也导致当冷却剂被雾化成雾时的损耗。为了阻止冷却剂接近转子，在转子和定子之间放置护罩的套筒部分，占据空气间隙的一部分。护罩具有圆柱形部分和一端一个的两个喇叭口部分。圆柱形部分通过小的空气间隙与永久磁体分离，其由低渗透性的材料构成，以避免与马达内建立的磁通线不适当的干涉。此处提到的渗透性涉及电磁渗透性。材料可以是聚合物、复合材料、不含铁的或任何其它具有相对低的渗透性的材料。因为喇叭口不在转子和定子之间的空气间隙内，所以喇叭口可由基本不考虑渗透性的材料制成。

如图4所示，在定子的外表面上设置了槽口146，使得固定螺钉可与槽口146接合。在图2中显示了固定螺钉103和槽口接合(槽口显示在图2中，但未单独以数字和引导线命名)。在图8中看到，槽口146围绕定子210的外周被均匀隔开。仅有其中一个槽口146与固定螺钉103接合。但是，为了电机的适当的操作，希望将槽口146均匀分布在定子210的外表面上，并与线圈相协调。槽口146和固定螺钉103提供了抵消马达产生的转矩的作用。作为一种选择，可设置多个固定螺钉用以保护任意一个固定螺钉的退出。

虽然关于特别实施例的最好模式已被详细描述，本领域人员将会意识到权利要求范围内的多种可选择的设计和实施例。虽然多个实施例被描述为提供了多个优点或在一个或更多的所希望的特性方面优于其他的实施例，然而，如本领域技术人员知道的，一个或更多的特性可能会妥协让步以达到希望的系统属性，这依赖于特定的应用和实施。这些属性包括但不限于：费用、强度、耐久性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于装配性等等。于此描述的特征为比其它实施例或现有技术实施在一个或更多特性方面不那么希望的实施例没有超出本发明的范围，并且可能对于特别应用来说是希望的。

Claims (10)

1.一种电马达，包括：

马达壳体；

安装在所述马达壳体内的定子；

布置在所述定子内的转子，空气间隙将定子和转子分离开来；

布置在所述转子的第一端和第二端上的第一轴承和第二轴承，所述马达壳体支撑着所述第一轴承和第二轴承；

液体冷却设备，包括：

限定在所述马达壳体内的加压冷却剂供应孔口；

限定在所述马达壳体内用于将流动导向定子的多个冷却剂通道；和

设置用来基本阻止冷却剂接触到转子的护罩，所述护罩至少包括中空圆柱形部分，中空圆柱形部分布置在将定子和转子分离开来的空气间隙内。

2.如权利要求1所述的电马达，其中，护罩还包括：

附着于所述圆柱形部分的第一端的第一端盖；和

附着于所述圆柱形部分的第二端的第二端盖。

3.如权利要求1所述的电马达，其中，所述护罩的圆柱形部分由具有低电磁渗透性的材料构成。

4.如权利要求1所述的电马达，其中，所述圆柱形部分邻近所述定子布置，剩余空气间隙布置在所述护罩的圆柱形部分和所述转子之间。

5.如权利要求1所述的电马达，还包括：

其内安装电机的壳体；

限定在所述壳体内的加压冷却剂供应通道，加压冷却剂供应通道的开口在所述壳体的外表面中；

限定在所述壳体内并流体联接于所述加压冷却剂供应通道的冷却剂支管；和

限定在壳体内并流体联接到所述冷却剂支管并且将冷却剂流导向所述线圈的第一冷却剂通道。

6.如权利要求5所述的电马达，还包括：限定在所述壳体内的排出孔，其中，所述护罩将冷却剂大体导向所述排出孔。

7.如权利要求2所述的电马达，其中，所述端盖形成喇叭口的外形，所述圆柱形部分远薄于所述第一端盖和第二端盖。

8.如权利要求2所述的电马达，其中，所述端盖通过下列方式之一附着于所述圆柱形部分：摩擦焊接、锻接、软焊、粘合、螺纹和扣合。

9.如权利要求2所述的电马达，其中，至少一个端盖的背离所述圆柱形部分的表面的至少一部分涂覆有绝缘材料。

10.如权利要求9所述的电马达，其中，所述绝缘材料是陶瓷。

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