CN104979924B

CN104979924B - 具有流动冷却的电机

Info

Publication number: CN104979924B
Application number: CN201510162288.7A
Authority: CN
Inventors: 克里斯蒂安·德格; 本亚明·艾兴格; 埃里克·约瑟夫; 乌韦·沙夫; 马蒂亚斯·舍雷尔; 迈克尔·施特格赫尔; 塞巴斯蒂安·魏斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: CN104979924A; EP2930827B1; EP2930827A1

Abstract

本发明涉及一种电机(2)，其具有带有定子表面(8)的定子(6)，该定子具有组合叠片。在此，定子(6)由护罩(10)围绕。此外，电机(2)具有带有冷却剂入口(14)的输入通道(12)和带有冷却剂出口(24)的冷却通道(22)。输入通道(12)构造在护罩(10)和间壁(16)之间，间壁布置在护罩(10)和定子表面(8)之间。间壁(16)轴向地从护罩(10)的第一轴向边缘(18)延伸到第二轴向边缘(20)。冷却通道(22)构造在间壁(16)和定子表面(8)之间。本发明的目的在于，改进冷却剂的流动引导并进而改进电机(2)的冷却。该目的通过输入通道(12)的具有喷嘴区域的间壁(16)来实现。

Description

具有流动冷却的电机

技术领域

本发明涉及一种具有带有定子表面的定子的电机，该定子具有组合叠片。此外，本发明包含一种用于冷却电机的方法。

背景技术

通常，电机通过轴向流过表面的空气流来冷却。为了使散热能力最大化，使表面通过肋来扩大。定子表面和空气流之间的导热系数与肋处的流动速度有关并且不能够任意增高，因为高的流动速度导致了具有高功率消耗的机器风扇并且因此降低了机器的效率。噪声散射同样随流动速度而增大并且其不应超过指定的值。

发明内容

本发明的目的在于，改善冷却剂的流动引导并且因此改善电机的冷却。

根据本发明，该目的通过本发明的主题来实现。本发明的有利的改进方案通过本发明的优选实施方案的特征得出。

根据本发明，该目的通过一种电机实现，其包括：

-具有定子表面的定子，该定子具有组合叠片；

-护罩，其包围定子；

-具有冷却剂入口的输入通道，其中，输入通道构造在护罩和间壁之间，该间壁布置在护罩和定子表面之间，且该间壁轴向地从护罩的第一轴向边缘延伸到第二轴向边缘。换而言之，间壁沿着整个待冷却的定子延伸；

-具有冷却剂出口的冷却通道，其中，冷却通道构造在间壁和定子表面之间。换句话说，输入通道包围冷却通道。

此外，间壁具有喷嘴区域、即一个或多个从输入通道到冷却通道中的通孔。

在电机运行中，下面根据本发明提供的用于冷却电机的方法转换成：

-借助输入通道轴向地输送或引导冷却剂流；

-通过喷嘴区域使冷却剂流转向到径向方向上；其中

-基于通过喷嘴区域的转向使冷却剂流过渡成定子表面上的折流。

接着，变热的冷却剂流能够通过冷却剂通道从电机中导出。

折流的特征在于，流体、例如冷却剂的流体首先直线地从开口、例如喷嘴输出，即径向地流到表面上、例如流到定子表面上，接着撞击到表面上并且此时轴向地和/或在周向上转向到具有最小流动阻力的方向上。通过折流获得以下优点，在定子表面处能够达到比在传统的纵向流动时高直到四倍的导热系数。

输入通道和冷却通道在一个轴向边缘处闭合，从而通过能够由通风元件产生的冷却剂流能够在输入通道和冷却通道中形成滞止压力。在此，输入通道能够例如通过护罩的第二轴向边缘来闭合，冷却通道例如能够在护罩的第一轴向边缘处闭合。在输入通道中，该压力能够导致，冷却剂流能够从输入通道穿流过喷嘴区域。在冷却通道中，滞止压力用于将冷却剂流输送给冷却剂出口。作为冷却剂例如能够使用空气或其他冷却流体、特别是气体。

另一个实施方式提出，喷嘴区域具有至少一个圆形喷嘴和/或至少一个孔和/或至少一个缝隙式喷嘴和/或至少一个缝隙。因此，由圆形喷嘴和/或缝隙式喷嘴构成的喷嘴区域能够围绕电机的定子，从而在定子表面上能够形成定向折流形式的流动状态，从而确保良好的表面冷却。在此，喷嘴区域也能够通过间壁中的孔和/或缝隙来构造。所谓的带孔薄板和带缝隙薄板能够实现冷却剂的足以进行折流的流动状态。带孔薄板和带缝隙薄板具有的优点是，其易于制造。

圆形喷嘴和/或缝隙式喷嘴优选地从间壁起构成了喷嘴颈。冷却剂、特别是空气能够借助于通风元件通过输入通道轴向地从冷却剂入口输送给喷嘴区域。在穿流过圆形喷嘴和/或缝隙式喷嘴之后，冷却剂流撞击到定子表面上并且在此吸收了电机的损耗热量。在各个喷嘴的流体在定子表面上相遇的位置处，冷却剂流侧向地沿着定子表面并且接着径向地向外转向，在那里流体在喷嘴颈的区域中沿着间壁、在定子表面的对面、轴向地流向冷却剂出口。借助折流的这种冷却设计方式具有以下优点，增大了冷却能力，因此，流体具有很小的压力损失并且因此具有很小的摩擦损耗。很小的摩擦损耗导致了冷却剂的更高的流动速度并且因此改善了导热。

喷嘴、即圆形喷嘴和/或孔和/或缝隙式喷嘴和/或缝隙的相对彼此的布置以及喷嘴之间相对彼此的间距以及喷嘴的直径优选地如下选择，即借助输入通道中的滞止压力能够实现冷却剂穿过喷嘴区域的流动，从而在定子表面上形成具有所期望的冷却能力的折流。

有利地，至少一个缝隙式喷嘴和/或至少一个缝隙能够分别轴向地延伸。缝隙式喷嘴和/或缝隙能够在间壁的全长上延伸、即轴向地从护罩的第一轴向边缘延伸到第二轴向边缘。缝隙式喷嘴和/或缝隙的这种轴向取向具有以下优点，即需要例如与圆形喷嘴的数量相比的更少的喷嘴数量并且因此能够节省材料和成本。孔和圆形喷嘴有利于更高的静态稳定性。

有利地，输入通道能够设计成从冷却剂入口起沿着其轴向延伸在径向方向上逐渐变细。换而言之，输入通道的径向横截面能够从冷却剂入口和/或第一轴向边缘起一直减小，直到输入通道的横截面在对置的端部处、即护罩的第二轴向边缘处达到最小值。由此获得以下优点，即实现了冷却剂在输入通道上的均匀分布，并且能够实现通过每个喷嘴有相等的冷却剂体积流，例如根据套筒原理(Pinolenprinzip)。

在另一个实施方式中，电机能够具有通风元件、特别是风扇，以用于主动地产生冷却剂流，其中，冷却剂流对准到冷却剂入口上。通风元件能够是电机的自有风扇，其在电机处布置在轴处、例如第一轴向边缘处并且通过该轴来驱动。能够使用独立风扇来代替使用自有风扇，该独立风扇同样能够布置在轴的轴向边缘处、优选地在第一轴向边缘处。以有利的方式，独立风扇也能够布置在护罩处或者集成到护罩中。因此，冷却剂入口例如直接位于间壁、即喷嘴区域的对面，也就是说，开口设置在护罩中的确定位置处，而风扇定位到该位置中或者通过该位置能够设置用于通风元件的装置，从而也能够径向地输送冷却剂流。

电机的定子能够构造为无壳体的或者有壳体的。在无壳体的定子实施方案中，组合叠片构成了定子表面。在此，冷却剂流直接撞击到组合叠片上。这具有以下优点，没有在穿过壳体期间的热阻。在此，定子叠片能够通过至少一个夹持装置来固定。

有利地，定子附加地能够具有带有壳体表面的壳体，壳体表面构成了定子表面，其中，壳体包围组合叠片。附加的定子壳体具有以下优点，其固定了组合叠片并且不必如同对于组合叠片未由壳体包围的情况那样采取用于固定组合叠片的措施。

为了提高散热能力，在定子表面上能够设置冷却肋。一种实施方式提出，定子在圆周处具有至少一个以纵向肋和/或针状肋为形式的轮廓。在组合叠片构成了定子表面的情况中，这具有以下优点，肋能够通过预制的和冲压的薄片来制造并且因此能够节省方法步骤和成本。

有利地，喷嘴区域能够具有至少一个圆形喷嘴和/或至少一个孔，其中，针状肋与至少一个圆形喷嘴或者与至少一个孔对中地布置。在具有缝隙式喷嘴和/或缝隙的实施方案中，纵向肋能够与至少一个缝隙式喷嘴或者与至少一个缝隙对中地布置。在此，对中地是指，肋直接位于喷嘴的、即缝隙式喷嘴和/或缝隙和/或圆形喷嘴和/或孔的开口的对面，并且来自喷嘴的、径向地落到肋上的冷却剂流能够通过肋的形状来轴向地转向。冷却肋具有以下优点，其能够增加定子表面并且因此附加地增大冷却能力。改善的冷却能力提高了电机的效率。

前面结合根据本发明的电机所描述的优点和改进方案能够转用到根据本发明的方法上。

附图说明

下面说明本发明的实施例。其示出：

图1是根据本发明的电机的实施方式的横截面的示意图；

图2是具有喷嘴区域的电机的示意图；

图3是定子表面上的圆形喷嘴和针状肋的示意图；

图4是定子表面上的缝隙式喷嘴和纵向肋的示意图；

图5是具有喷嘴区域和冷却肋的电机的示意剖面图，和

图6是具有输入通道的一种实施方式的电机的示意剖面图。

下述的实施例是本发明的优选的实施方式。然而在实施例中，实施方式的所描述的组成部分分别是本发明的各个彼此不相关地研究的特征，这些特征分别也彼此不相关地改进本发明并且因此也单独地或者以所示出的组合视作本发明的组成部分。此外，所述的实施方式也能够通过本发明的其他已述的特征来补充。

具体实施方式

图1中示出电机的普遍构造。示出了电机2，其能够是根据本发明的电机。电机2能够是异步电机或同步电机。图1中示出了旋转轴线A以及视图的对称轴线。电机2包括定子6，在该定子中布置有电线圈的绕组W，其中，图1中仅示出了绕组中的一个。绕组W通过三相电源C交流地通电，因此，在定子6的内部产生了在电机2的气隙L中的旋转磁场。三相电源C例如能够是受控的逆变器或频率固定的公共电网或变频器。在定子6的内部有转子R，其抗扭地与轴4连接。轴4能围绕旋转轴线A旋转地支承在定子6中。

图2中更准确地示出了电机2。电机2例如能够是发动机或发电机。此外，电机2具有轴4、转子(在此未示出)和带有定子表面8的定子6，该定子表面由护罩10包围。此外，定子6具有组合叠片(在此未示出)。定子6附加地能够具有带壳体表面的壳体。因此，定子表面8能够或者相当于由组合叠片构成的表面或者相当于壳体表面。此外，电机2包括具有冷却剂入口14(图2中未示出)的输入通道12和具有冷却剂出口24的冷却通道22。输入通道12构造在护罩10和间壁16之间，该间壁布置在护罩10和定子表面8之间。在此，间壁16轴向地从护罩10的第一轴向边缘18延伸到第二轴向边缘20。冷却通道22构造在间壁16和定子表面8之间。

为了提供冷却剂流，通风元件30、例如自有风扇能够在轴4处布置在第一轴向边缘18处，在此，冷却剂、特别是空气能够借助通风元件30、例如自有风扇，通过输入通道12轴向地从电机2的第一轴向边缘18输送给间壁16的喷嘴区域。在穿流过喷嘴区域之后，冷却剂流撞击到定子表面8上并且在此吸收电机2的损耗热量，喷嘴区域的设计方案在下面将详细探讨。在各个喷嘴的流体在定子表面8上相遇的位置处，冷却剂流径向地向外转向，在那里流体在喷嘴颈的区域中能够沿着间壁16、在定子表面8的对面、轴向地流向冷却出口24。通风元件30也能够是独立风扇，其例如集成到护罩10中，以便能够生成径向的冷却剂流。

为了提高散热能力，冷却肋能够设置在定子表面8上。一种实施方式提出，定子6在圆周处具有至少一个以纵向肋32和/或针状肋34为形式的轮廓。为此，图3和图4中分别示出定子表面8上的圆形喷嘴26和针状肋34、以及缝隙式喷嘴28和纵向肋32的示意图。在此，针状肋34与圆形喷嘴26或者与孔对中地布置。在具有缝隙式喷嘴28和/或缝隙的实施方案中，纵向肋32与缝隙式喷嘴28或者与缝隙对中地布置。对中地在此是指，肋直接位于喷嘴的、即缝隙式喷嘴28和/或缝隙和/或圆形喷嘴26和/或孔的开口的对面，并且来自喷嘴的、径向落到肋上的冷却剂流能够通过肋的形状来轴向地转向。

图5示出具有喷嘴区域和冷却肋的电机2的剖面示意图。输入通道12和冷却通道22在一个端部处闭合，从而通过能够由通风元件30产生的冷却剂流能够在输入通道12和冷却通道22中形成滞止压力。在输入通道12中，该压力导致了，冷却剂流能够从输入通道12穿流过喷嘴区域。在冷却通道22中，滞止压力用于将冷却剂流输送给冷却剂出口24。箭头示例性地示出冷却剂流的流动线条。在穿流过喷嘴之后，在圆形喷嘴26的情况中，冷却剂流径向地流到肋上、在此流到针状肋34上，并且由于其形状而首先轴向地转向。在各个圆形喷嘴26的流体在定子表面8上相遇的位置处，冷却剂流再次径向地向外转向，在那里冷却剂流在喷嘴颈的区域中沿着间壁16、在定子表面8的对面、轴向地流到冷却剂出口。

图6中示出了具有输入通道12的一种实施方式的电机的剖面示意图。如图6中所示，输入通道12从冷却剂入口14起沿着其轴向延伸在径向方向上逐渐变细。换而言之，输入通道12的径向横截面能够从冷却剂入口14起一直减小，直到输入通道12的横截面在对置的端部处、即护罩10的第二轴向边缘20处达到最小值。通过这种几何设计能够实现冷却剂在输入通道12中的均匀分布，并且能够实现通过每个喷嘴有相等的冷却剂体积流。

总之，因此提出一种具有折流冷却的电机。在此，由圆形喷嘴和/或缝隙式喷嘴构成的喷嘴区域包围电机的定子，该喷嘴区域在定子表面上产生了折流。这种喷嘴区域例如应用在生产技术中。喷嘴不必强制性地成型为这种喷嘴，因为简单的带孔薄板或带缝隙薄板在没有明显的额外压力损耗的情况下引起了相同地流动效果。在折流中，通过定子表面处的折流效果能够实现比纵向流动的情况中高大约四倍的导热系数。也就是说，对于导热而言，表面积能够通过传导系数来补偿。在可行的实施方式中，空气能够借助自有风扇或独立风扇通过输入通道轴向地从机器的一个端部输送给喷嘴区域。在各个喷嘴的间壁流体在定子表面上相遇的位置处，冷却剂流能够径向地向外转向，在那里流体在喷嘴颈的区域中在此之间流向机器的另一个端部并且能够从那里排出。在径向地输送空气的情况中，空气也能够在机器的两个轴向端部处排出。这在轴向的空气输送时也能够受限地可行，其中，在此由于空气流的交叉，输入空气和输出空气能够通过适当的结构措施彼此分开。定子能够实施成无壳体的或者有壳体的。在第一种情况中，冷却空气直接撞击到组合叠片上，该组合叠片在最简单的情况中能够构造为柱状的。在此，对于整体的热量路径能够有利的是，不包含在壳体和组合叠片之间的以及穿过壳体本身的热阻。为了进一步提高散热能力，冷却肋能够设置在定子表面上。在具有缝隙式喷嘴的实施方式中，平行于机器轴线的纵向肋能够与缝隙对中地延伸。这也能够在无壳体的变体中通过冲压的冷却肋来实现。在具有壳体的变体中，针状肋也能够与圆形喷嘴对中地布置。

Claims

1.一种电机(2)，包括

具有定子表面(8)的定子(6)，所述定子具有组合叠片；

护罩(10)，所述护罩包围所述定子(6)；

具有冷却剂入口(14)的输入通道(12)，其中，所述输入通道(12)构造在所述护罩(10)和间壁(16)之间，所述间壁布置在所述护罩(10)和所述定子表面(8)之间，所述间壁轴向地从所述护罩(10)的第一轴向边缘(18)延伸到第二轴向边缘(20)，其中，所述间壁(16)具有喷嘴区域；

具有冷却剂出口(24)的冷却通道(22)，其中，所述冷却通道(22)构造在所述间壁(16)和所述定子表面(8)之间。

2.根据权利要求1所述的电机(2)，其特征在于，所述喷嘴区域具有至少一个圆形喷嘴(26)和/或至少一个孔。

3.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其特征在于，所述喷嘴区域具有至少一个缝隙式喷嘴(28)和/或至少一个缝隙。

4.根据权利要求3所述的电机(2)，其特征在于，所述至少一个缝隙式喷嘴(28)和/或所述至少一个缝隙分别轴向地延伸。

5.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其特征在于，所述输入通道(12)设计成从所述冷却剂入口(14)起沿着所述输入通道的轴向延伸在径向方向上逐渐变细。

6.根据权利要求4所述的电机(2)，其特征在于，所述输入通道(12)设计成从所述冷却剂入口(14)起沿着所述输入通道的轴向延伸在径向方向上逐渐变细。

7.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其中，所述电机(2)具有通风元件(30)，以用于主动地产生冷却剂流，其中，所述冷却剂流对准到所述冷却剂入口(14)上。

8.根据权利要求6所述的电机(2)，其中，所述电机(2)具有通风元件(30)，以用于主动地产生冷却剂流，其中，所述冷却剂流对准到所述冷却剂入口(14)上。

9.根据权利要求8所述的电机(2)，其中，所述通风元件(30)是风扇。

10.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其中，所述定子(6)在圆周上具有至少一个以纵向肋(32)和/或针状肋(34)为形式的轮廓。

11.根据权利要求8所述的电机(2)，其中，所述定子(6)在圆周上具有至少一个以纵向肋(32)和/或针状肋(34)为形式的轮廓。

12.根据权利要求10所述的电机(2)，其中，所述间壁(16)具有喷嘴区域，其中，所述喷嘴区域具有至少一个圆形喷嘴(26)和/或至少一个孔，其中，所述针状肋(34)与所述至少一个圆形喷嘴(26)或者与所述至少一个孔对中地布置。

13.根据权利要求10所述的电机(2)，其中，所述间壁(16)具有喷嘴区域，其中，所述喷嘴区域具有至少一个缝隙式喷嘴(28)和/或至少一个缝隙，其中，所述纵向肋(32)与所述至少一个缝隙式喷嘴(28)或者与所述至少一个缝隙对中地布置。

14.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其特征在于，所述定子(6)附加地具有带有壳体表面的壳体，所述壳体表面构成了所述定子表面(8)，其中，所述壳体包围所述组合叠片。

15.根据权利要求12所述的电机(2)，其特征在于，所述定子(6)附加地具有带有壳体表面的壳体，所述壳体表面构成了所述定子表面(8)，其中，所述壳体包围所述组合叠片。

16.根据权利要求13所述的电机(2)，其特征在于，所述定子(6)附加地具有带有壳体表面的壳体，所述壳体表面构成了所述定子表面(8)，其中，所述壳体包围所述组合叠片。

17.一种用于冷却根据权利要求1至16中任一项所述的电机(2)的方法，包括下述步骤：

借助于输入通道(12)轴向地输送冷却剂流；

通过喷嘴区域使所述冷却剂流转向到径向方向上；

其特征在于，所述冷却剂流由于通过所述喷嘴区域的转向而过渡成在所述定子表面(8)上的折流。