CN104969453A - 具有定子直接冷却装置的电机 - Google Patents

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Abstract

具有定子直接冷却装置的电机。本发明涉及一种具有至少一个布置在轴(2)上的转子(4)的机电式转换器(1)，此转子布置在包封(30)的定子(6)内，其叠片组(8)和绕组(10)被绝缘的冷却液体(12)包围，其中，所述冷却液体(12)可以通过相对于轴(2)径向地在定子中心布置的第一冷却通道(14)导入并且在定子(6)的每个轴向端部处相对于轴(2)径向地通过绕组头区域中的第二冷却通道(16)导出或者反向进行。由此可以提供一种紧凑且稳固的机电式转换器1，该转换器基于其具有高转矩密度的轻巧结构设计而适用于在例如飞行器或者其他行驶装置中的应用。

Description

具有定子直接冷却装置的电机
技术领域
本发明涉及一种具有定子-直接冷却装置的机电式转换器。
背景技术
机电式转换器长久以来已经是公知的。在用于驱动不同行驶装置的化石燃料匮乏期间，机电式转换器在此领域中也具有广泛的应用。由于其稳固性、其简单的结构和高效率，如今的机电式转换器也安装在车辆-混合动力车辆-或者飞机中。根据需求可以将机电式转换器用作发电机或者发动机。主要是在具有电驱动器的车辆也或者部分具有电驱动器的车辆-混合动力车辆-中，它们既用作车辆驱动装置也用作发电机-例如在车辆的制动中用于恢复电能。
为了使车辆的能量消耗最小化，力求设计出具有尽可能高效率的机电式转换器。为此必须使机电式转换器在运行时的功率损耗最小化。在高度利用机电式转换器、例如具有齿线圈绕组的永磁电机的情况下，需要高电流密度来实现高转矩-和功率密度。在此，通过用于形成转矩的电流的电枢电流覆盖层而出现铜损耗，在机电式转换器的层叠铁芯中出现涡流损耗和磁滞损耗以及由于发动机内的摩擦、流动损耗产生的附加损耗等等。特别地，所述铜损耗随采用的转矩呈二次幂地上升。在此，这些损耗导致所述机电式转换器的较高升温，而这又决定了更高的损耗且除此之外可能导致机电式转换器的损坏。
为了使所述机电式转换器的功率损耗最小化，当今出现了各种冷却观念。在小型的机电式转换器中采用空气冷却，而在大型的机电式转换器中则借助冷却液体实现冷却。
在高度利用的机电式转换器的情况下出现了高功率损耗，其导致机电式转换器显著加热。为了能够排出所出现的温度，具有冷却液体的冷却系统是必不可少的。为了实现对高度利用的机电式转换器定子的密集的直接冷却，例如冷却介质在所述机电式转换器的绕组头区域的一个端部处供应并且在机电式转换器的绕组头区域的另一个端部处导出。接着，被加热的冷却液体又被冷却并且重新提供给机电式转换器。例如，在公知的“Williams Hybrid Power”惯性惰轮储能装置中存在此类冷却装置的实例。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有冷却装置的机电式转换器，此冷却装置允许在所述机电式转换器的紧凑结构下的均匀冷却和效率以及所述功率-及转矩密度的提高。
所述目的由一种具有至少一个布置在轴上的转子的机电式转换器实现，此转子布置在包封的定子内，其叠片组和绕组被绝缘的冷却液体包围，其中，冷却液体可以通过相对于轴径向地在定子中心布置的第一冷却通道导入，并且在定子的每个轴向端部处相对于轴径向地通过绕组头区域中的第二冷却通道导出或者反向进行。此类结构实现所述机电式转换器的直接且密集的冷却。同时通过所述冷却使所述功率损耗最小化。
在本发明的一个优选的实施方式中把所述机电式转换器安装在承载结构，其中，利用至少一个布置在定子中心的第一冷却通道的壁形成环绕的承载结构上的机电式转换器的轴承。由此节省了结构空间并且同时避免了由于所述机电式转换器的稳定结构的可能的振动。
在本发明的一个特别有利的实施方式，定子分开地布置在所述轴上。由此能够特别简单地把冷却空气径向地输送至转子中心，接着所述冷却空气轴向地在两个方向上流过所述电机的空气间隙。附加地，实现所述转子的均匀冷却。除此之外，通过所述转子分离能够将释放的结构空间附加可选地用作轴承的、节省空间和节省重量的结构-优选地是无-轴承结构。
在本发明的另一个适宜的实施方式中，利用至少一个布置在定子中心的第一冷却通道的壁形成定子上的转子的轴的轴承。以这种方式可能的是，附加地把所述转子相对于所述定子支撑住。这实现了机电式转换器的稳定结构方式。
为了保持机电式转换器的重量尽可能地小，径向的第一和/或者第二冷却通道由纤维复合材料制成。纤维复合材料特别轻巧且同时非常结实。
优选地，所述第一和第二冷却通道由非导磁和/或者导电材料制成。此类材料使由电磁作用决定的功率损耗最小化。
为了能够有效地冷却所述机电式转换器1的所述转子，所述转子具有平行于和/或者径向相对于轴延伸的冷却通道。空气能引导穿过这些冷却通道用于冷却。
特别适合的是，针对直至1MW的最大功率设计这类机电式转换器。由此，能够使所述尺寸保持较小，或最优地利用车辆或者飞机内的结构空间。
为了节省构造空间，在一个适合的实施方式中，将机电式转换器的轴构造成与内燃机相连接的驱动轴。
附图说明
下面借助图示进一步阐述了本发明及示例性实施方式。图示示出了：
图1根据本发明的一个实施方式的机电式转换器的纵剖面的四分之一扇形；
图2根据本发明的一个实施方式的机电式转换器的半横截面。
具体实施方式
图1描述了旋转对称的机电式转换器1的平行地通过其轴2的纵剖面的四分之一部段。图2示出了旋转对称的机电式转换器1的垂直于轴2的横截面的半断面。在此图1和图2中的粗箭头表示经过定子6的绝缘冷却液体12的走向，并且细箭头表示经过机电式转换器1的转子4的冷却气体、一般情况下为空气的可能走向。用相同的参考标号表示相应图中的相同元件。
图1中描述了定子6，其安装在机电式转换器1的承载结构18-例如所述机电式转换器1的壳体中。承载结构18在图1中仅仅表示为同心的外圆。由于在定子6中出现高电功率损失，会出现对定子6的显著加热。对此主要归因于叠片组8内的磁滞损耗和涡流损耗以及绕组10中的电阻损耗。因为由此而产生的温度能够这样高地上升，即会发生对绝缘并且因此对整个定子6的损坏，所以对所述定子6的冷却是必不可少的。除此之外，冷却也自动地降低了所述机电式转换器1的所述功率损耗。
在所描述的实施方式中描述了冷却液体12-粗箭头-的一个特别有利的结构和引导。有利地是，所述冷却液体12是一种绝缘的流体。由此不仅能够实现对所述定子6的直接且密集的冷却，还能实现绕组绝缘抗故障的高可靠性-在此未示出。特别的优点在于，在永磁-电机的情况下能够避免线圈短路。此外，能够减小或者完全取消主绝缘；除了在绕组10的子导体贴靠在导电的叠片组8上的位置以外。
优选地，将绝缘的冷却液体12相对于轴2径向地从两侧在定子6的每个轴向端部处的绕组头区域中导入，其中，冷却液体流经所述绕组10或沿着绕组导向并且将其冷却，从而接着在定子中心通过径向的、环形的冷却通道14重新被导出。在本发明的另一个实施方式中，所述流动方向沿相反设置的方向实现。此种布置的一个特别的优点在于，与常规的冷却液体导向装置相比，定子6的有源件26-绕组10-更均匀地被冷却-将其从定子6的一个轴向端部处的绕组头区域朝向定子6的相对设置的轴向端部处的另一个绕组头区域引导。
为了使定子6的绝缘的冷却液体12与布置在定子中的转子不发生接触，必须将其封装30。
为了机电式转换器的冷却绕组的进一步优化，可以在另一个有利的实施方式中在定子6的内部设置用于空气的冷却通道34，其平行于轴2延伸。
参考图1中的参考标号，在图2中描述了转子4，其具有一个轴2，在其上通过散热肋24布置了转子4的有源件26。转子4设计为两部分，因此在转子中心能够相对于轴2径向地运送冷却空气，该冷却空气经由平行于轴2延伸的冷却通道22输送给定子4。通过转子4和定子6之间的、机电式转换器1的空气间隙28，空气最终可以轴向地在两个方向上漏出。由此实现对转子4的足够冷却。为了改善转子4的冷却功率，如下地构造转子4的散热肋24，即它实现了径向通风效果。
在图2中所示的实施方式中，可选地也可以通过使绝缘的冷却液体12也引导绕过电力电子系统32或者通过对电力电子系统32-其位于一个附加的壳体内-本身进行从环绕冲洗，从而冷却机电式转换器1的电力电子系统32。
在另一个有利的实施方式中，也可以把径向居中的冷却通道14的一个壁设计用于形成转子6的轴2的轴承20，且由此用于将转子4的轴2顶着定子6地支撑住。由此机电式转换器1可以构造得稳定并且能够承受高转矩。
一方面转子分离可以释放结构空间，可选地，这可以用于节省空间并且节省重量地布置上面提到的轴承20。
以这种方式将悬挂/转矩支撑与径向的冷却通道14结合。
图1和图2所表示的机电式转换器1的实施方式也可以直接在内燃机上扩建成无轴承的发电机。这样，例如定子壳体-承载结构18-可以直接固定在内燃机的飞轮壳体上。在此将转子4直接安装在内燃机的飞轮/曲轴上-在此未示出。
此类机电式转换器在针对直至1WM的最大功率对其进行设计时特别适用于行驶工具或者飞行器。由此可以得到紧凑并且稳固的机电式转换器1，其基于其具有高转矩密度的轻巧制造方式而适合用在例如飞行器或者其他行驶工具中，在它们中需要轻巧的、紧凑并且因此高功率密度的机器。除此之外，借助绝缘的冷却液体12的密集且直接的冷却确保了提高效率。

Claims (9)

1.一种具有至少一个布置在轴(2)上的转子(4)的机电式转换器(1)，所述转子布置在包封(30)的定子(6)内，所述定子的叠片组(8)和绕组(10)被绝缘的冷却液体(12)包围，其中，所述冷却液体(12)能通过径向上相对于轴(2)布置在定子中心的第一冷却通道(14)引入并且能在所述定子(6)的每个轴向端部处相对于所述轴(2)径向地通过绕组头区域中的第二冷却通道(16)导出或者反向进行。
2.根据权利要求1所述的机电式转换器(1)，其特征在于，所述机电式转换器安装在承载结构(18)中，其中，利用至少一个布置在所述定子中心的所述第一冷却通道(14)的壁形成环绕的所述承载结构(18)上的所述机电式转换器的轴承(20)。
3.根据权利要求1或者2所述的机电式转换器(1)，其特征在于，所述转子(4)分开设置在所述轴(2)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，利用至少一个布置在所述定子中心的所述第一冷却通道(14)的壁形成所述定子(6)上的所述转子(4)的轴(2)的轴承(20)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，径向的所述第一冷却通道和/或者第二冷却通道(14，16)由纤维复合材料制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，所述第一冷却通道和/或者第二冷却通道(14，16)由非导磁和/或者非导电的材料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，所述转子(4)具有平行于和/或者径向相对于所述轴(2)延伸的冷却通道(22)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，针对直至1MW的最大功率设计所述机电式转换器(1)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的机电式转换器(1)，其特征在于，所述机电式转换器(1)的所述轴(2)构造成与内燃机相连接的驱动轴。
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