CN105720711A - 用于转子电机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于转子电机的冷却系统，更具体地涉及一种用于转子电机的对称冷却系统，其包括位于定子各部分之间的通道并且其为冷却介质提供路径。位于定子或其部分内的定子管道与通道成流体连通。冷却介质可流动经过从通道到达定子的端的定子管道，使得冷却介质仅仅沿定子的整个轴向长度的一部分行进。对称冷却系统还包括位于定子和转子之间的气隙，其在气隙的中部接收来自通道的冷却介质。在气隙的中部接收的冷却介质然后流向定子的第一或第二端。

Description

用于转子电机的冷却系统

技术领域

本发明的实施例一般地涉及用于转子电机的冷却系统。更特别地，本发明的实施例涉及用于转子电机的对称冷却系统。

背景技术

包括例如电马达和发电机的转子电机产生热量，这常常与在转子电机中的电和机械损失有关。特定转子电机产生的热量的量可以取决于各种不同的因素，包括例如转子电机的负荷的容量和转子电机的启动和制动频率，以及其它因素。

转子电机的冷却一般是必要的，以至于至少试图避免产生转子电机的各种热诱导的问题，包括例如短路、绕组烧坏和失灵，以及其它热相关的可能阻碍运行和/或缩短使用寿命的问题。转子电机的冷却一般包括将转子电机产生的热量传递到诸如空气的冷却介质中。这种热传递通常可以使用不对称类型的冷却系统，其中风扇引入冷却空气流大致贯穿转子电机的内部区域的整个长度或者贯穿内部区域中定子的整个长度。然而，这种不对称类型的冷却系统趋于在转子电机的端之间具有显著的温差。更特别地，随着进入转子电机的第一端的冷却介质沿着转子电机的长度流动并且以热的形式积蓄损失的能量，冷却介质的温度升高。由此，到达转子电机的第二端的冷却介质的温度通常显著高于在第一端的冷却介质的温度。结果，在第二端处被加热的冷却介质移除热量的能力经常就下降了，这可能导致转子电机的第一和第二端之间有相对显著的温度梯度。

发明内容

本发明的一方面在于用于具有定子和转子的转子电机的对称冷却系统。对称冷却系统包括位于定子的中部的通道，其被构造成为冷却介质流到定子的一部分中提供路径。对称冷却系统还包括定位在定子内的第一和第二组定子管道。第一和第二组定子管道与通道流体连通，并且适于使冷却介质流动进过定子的至少一部分。另外，第一和第二组定子管道分别从通道向相反的第一和第二方向延伸。对称冷却系统还包括位于电子和转子之间的气隙。另外，气隙可被构造为在气隙的中部接收来自通道的冷却介质，并且用于使冷却介质流到定子相对的第一和第二端。

本发明的另一方面在于用于具有转子的转子电机的对称冷却系统。对称冷却系统包括具有第一定子磁轭部分、第二定子磁轭部分和多个定子绕组的定子。第一定子磁轭部分具有近似等于第二定子磁轭部分的轴向长度的轴向长度。对称冷却系统还可包括位于第一和第二定子磁轭部分之间的通道，其适于为冷却介质的流动提供路径。另外，对称冷却系统还可包括位于第一和第二定子磁轭部分内且与通道流体连通的多个定子管道。多个定子管道适于使冷却介质沿第一和第二定子磁轭部分的轴向长度流动。

另外，本发明的再一方面在于转子电机的定子。定子包括具有第一组定子管道的第一定子磁轭部分。第一组定子管道被构造为在第一定子磁轭部分内从第一定子磁轭部分的第一端到第一定子磁轭部分的第二端输送冷却介质。定子还包括具有第二组定子管道的第二定子磁轭部分。第二组定子管道被构造为在第二定子磁轭部分内从第二定子磁轭部分的第一端到第二定子磁轭部分的第二端输送冷却介质。另外，定子包括可操作地连接到第一和第二定子磁轭部分的多个定子绕组以及至少位于第一定子磁轭部分和第二定子磁轭部分之间的通道。通道被构造为将冷却介质输送到第一和第二组定子管道。

在考虑详细说明和附图之后，本发明的其它方面将变得更加清楚。

附图说明

图1图示了具有根据本发明的实施例的对称冷却系统的转子电机的示意图。

图2和3图示了根据图示的本发明的实施例的具有对称冷却系统的转子电机的部分侧面剖面透视图。

图4A-D图示了图3中A段的放大剖面图，其中图示的端板具有带有不同构造和/或方位的出口。

在结合附图阅读的同时，上文的总结以及下文对本发明某些实施例的详细说明将更好理解。为了图示本发明的目的，附图中显示了某些实施例。然而，应该理解的是，本发明将不局限于附图中所示的布置和手段。

具体实施方式

图1图示了具有根据本发明的实施例的对称冷却系统11的转子电机10的示意图。转子电机10可以是多种不同类型的电马达和发电机，包括但不限于感应式马达。进一步地，转子电机10可具有多个运行参数和特性。例如，根据某些实施例，转子电机10可以是高速感应式马达，其可以在多个不同速度下运行，包括例如超过7200转每分钟(rpm)、15000转每分钟或30000转每分钟的速度。进一步地，例如，根据某些实施例，转子电机10可以是相对低压的感应式马达，例如可被缠绕为电压在约400伏特至690伏特(或其它伏特)的感应式马达。

转子电机10包括大致限定转子电机10的内部区域14的壳体12。内部区域14可具有各种不同形状和构造，包括例如大致为柱形。另外，内部区域14被构造为容纳转子电机10的各种部件。例如，根据某些实施例，内部区域14被构造为容纳可旋转轴16的至少一部分，可旋转轴16可操作地安装到转子18。图示的转子电机10还包括定子20，定子20通过气隙22与转子18分离。

在图示的实施例中，被支撑或以其他方式固定在壳体12的内部区域14中的定子20可包括定子磁轭24和多个定子绕组26，定子绕组26在定子20相对的第一和第二端28、30之间延伸。定子20的第一和第二端28、30可向内地与壳体12的相对侧32a、32b间隔开。定子绕组26的至少一部分在转子电机10运行期间可产生热量。

定子磁轭24可具有多种不同的形状和构造。例如，根据某些实施例，定子磁轭24可具有大致管状的构造，其大致限定容纳至少一部分定子20的腔35。另外，根据某些实施例，定子绕组26可至少部分地设置为围绕或靠近定子磁轭24，例如，设置为围绕定子磁轭24的内表面22。进一步地，定子磁轭24可由各种不同材料构成，包括例如由一片或多片或者一层或多层的电磁钢板构成的材料。进一步地，根据某些实施例，定子磁轭24可以可操作地连接到一个或多个磁体。

任选地，根据某些实施例，定子磁轭24相对端34a、34b可以可操作地连接到端板36a、36b。根据某些实施例，端板36a、36b为定子磁轭24提供支撑。进一步地，根据某些实施例，端板36a、36b被用于确保定子磁轭24至少达到特定尺寸和/或大小。在图示的实施例中，端板36a、36b可具有相对环形的形状且由非磁性材料构成，以使铁的损失最小化。

对称冷却系统11可包括通道40，通道40被构造为为诸如空气的冷却介质从壳体12的外部区域到壳体12的内部区域14的至少一部分的流动提供通道。根据图示的实施例，通道40包括壳体12内的入口38和定子20中的一个或多个通道部分40a、40b。进一步地，在图示的实施例中，通道40大致绕大致垂直于定子20的中心轴线42的通道轴线P₁定位。然而，通道40可具有多种不同的构造和方位。另外，根据图示的实施例，通道40与定子20和转子18之间的气隙22流体连通。进一步地，任选地，对称冷却系统11可包括便于冷却介质流入和流经对称冷却系统11(例如进入和/或经过至少通道40和定子20)的冷却风扇。

根据某些实施例，通道40可位于沿定子20的轴向长度的近似中心或中点的位置，轴向长度的方向大致平行于定子20的中心轴线42(在图1中标示为“L”方向)。更特别地，参考图1-3中的剖面图，通道40可定位为便于定子20的在通道40的相邻部分的相对侧上的部分近似是对称的并且/或者具有大约相等的轴向长度。

通道40可设置成多种不同的方式。例如，根据某些实施例，定子磁轭24可包括两个或更多个分离的定子磁轭部分24a、24b，每个分离的定子磁轭部分24a、24b与另一相邻的定子磁轭部分24a、24b用定子间隙25分隔开。相邻定子磁轭部分24a、24b之间的定子间隙25可提供通道40的至少一部分。可替换地，根据某些实施例，通道40的至少一部分可以是形成或者以其它方式机械加工到定子20中(更具体地，到定子磁轭24和定子绕组26中)的一个或多个孔、槽、沟或其它开口。

例如，图1和2图示某些实施例，其中通道40具有沿分离的定子磁轭部分24a、24b之间的定子间隙25的第一通道部分40a和延伸经过定子绕组26到达转子18和定子20之间的气隙22的第二通道部分40b。在图1和2中显示的实施例中，定子20的构造允许通道40从第一通道部分40a过渡到大致位于定子绕组26的第二通道部分40b，第二通道部分40b大致结束于气隙22。然而，根据某些实施例，第一和第二通道部分40a、40b可以分段或者不连续。例如，图3图示的定子20’具有这样的构造，其中两个定子磁轭部分24a’，24b’之间的第一通道部分40a’沿着第二通道部分40b的相对侧延伸。更特别地，在图3中显示的定子20’的实施例中，冷却介质可被相邻定子磁轭部分24a’，24b’之间的第一通道部分40a’的上游段输送到沿定子绕组26’输送到的第二通道部分40b’，并且随后在冷却介质被输送到气隙22之前从第二通道部分40b’输送到相邻的定子磁轭部分24a’，24b’的另一部分之间的第一通道部分40a’的下游段。

对称冷却系统11还包括位于定子20内且与通道40流体连通的多个定子管道46，其被构造为提供冷却介质可流动经过的冷却通路。定子管道46可具有多种形状、构造和方位。另外，根据某些实施例，定子管道46的尺寸可确定为便于流动经过定子管道46的冷却介质的流率和流量冷却定子20，并在离开定子20后也能够冷却或以其他方式降低定子绕组26的至少端部27a、27b的温度。例如，根据图示的实施例，定子管道46是在每个定子磁轭部分24a、24b中的多个柱形通道，其大致平行于定子20的中心轴线42且从各个定子磁轭部分24a、24b的第一端29a延伸到第二端29b。进一步地，经过定子磁轭部分24a、24b中每一者的定子管道46的轴向长度(例如大致平行于定子20的中心轴线42的方向的轴向长度)对于每个定子磁轭部分24a、24b是近似相同的。

另外，如图2中所示，根据某些实施例，至少一些定子管道46可布置成一个或多个管道组47a、47b，例如，大致以第一式样布置的第一管道组47a和大致以第二式样布置的第二管道组47b。在图示的实施例中，第一和第二式样为大致圆形式样，其中第二式样的直径大于第一式样的直径。进一步地，如图2中所示地，第一管道组47a的定子管道46相对于第二管道组47b的定子管道46偏置或错开，以便第一管道组47a的定子管道46大致不位于第二管道组47b的定子管道46的正下方，例如，如图2中所示。

定子管道46包括与第一通道部分40a相邻的入口48，以便流动经过第一通道40a的至少一部分冷却介质可经过相关入口48进入定子管道46，同时至少另一部分冷却介质继续流动经过第一通道部分40a并进入第二通道部分40b和/或进入气隙22。定子管道46还包括冷却介质可离开定子20的磁轭部分24a、24b所经过的出口50。根据图示的实施例，出口50位于定子磁轭部分24a、24b的端34a、34b或在相关端板36a、36b中。

对称冷却系统11可被构造为控制通道40内的冷却介质通过定子管道46输送以冷却定子20的相对量，从而控制冷却介质流入定子20和转子18之间的气隙22的量。冷却介质的这种分隔可以基于转子电机10的参数，包括例如定子20和转子18之间的预期损失以及空气摩擦引起的损失。例如，根据某些实施例，通过减小定子磁轭部分24a、24b中定子管道46的尺寸和/或数量，可以增加流动经过气隙22以大致冷却诸如定子绕组26的定子20相邻部分以及转子18的相邻部分的冷却介质的量。

图4A-D图示了定子管道46的出口50的各种构造和/或方位。例如，如图4A所示，根据某些实施例，出口50可绕中心轴线51布置，中心轴线51大致平行于定子20的中心轴线42。另外，根据某些实施例，出口50可具有类似于定子管道46的相邻部分的对应尺寸和形状的尺寸(例如直径)和形状。可替换地，出口50可定向为将出口50流出的冷却介质朝着定子绕组26的大致相邻的端部27a、27b加以引导，如图4B中所示。这种实施例至少企图将冷却介质朝着定子绕组26加以引导，以在绕组26的冲击冷却中利用冷却介质的流动。可替换地，如图4C和4D中所示，出口50可布置成例如通过利用出口50的壁52的聚拢或发散尖端来增加离开出口50的冷却介质的流率或减小冷却介质的压降。

与定子管道46相类似，气隙22可构造为提供冷却介质可流动经过的冷却通路。并且，气隙22的尺寸可确定为便于流动经过气隙22的冷却介质的流率和流量能够冷却或以其他方式降低转子18和定子绕组26的至少端部的温度。进一步地，对称冷却系统11的对称构造允许冷却介质被输送到气隙22的中点位置。然后，冷却介质能够从中点位置流动到气隙22的任一端23a、23b，而不是流过气隙22的整个长度。已经流动经过气隙22或定子管道46的冷却介质可随后通过壳体12中的出口孔54离开壳体12的内部区域14。

冷却介质从定子20的中部随后经过定子20分离且大致对称的部分(例如经过分离且大致对称的定子磁轭部分24a、24b)以及气隙22的相对部分的流动使得冷却介质能够流过在尺寸相当的传统定子中冷却介质可流过的距离的近似一半。通过减少冷却介质流过定子20的距离，本发明的实施例通常防止形成在不对称冷却系统中更加常见的相对大的温度梯度。进一步地，由于冷却介质流动所经过的定子20的总面积大约是尺寸相当的不对称冷却系统的总面积的一半，冷却介质可以以相对很低的压力流动经过定子管道46，例如以流动经过尺寸相当的不对称冷却系统的冷却介质所需的压力的约四分之一的压力。这种压力的减少可使得减少来自相关冷却风扇的便于冷却介质的流动所需的动力，从而减少运行冷却风扇需要的动力消耗以及施加在冷却风扇上的负荷。

下文的权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。另外，对本文中描述的所描述实施例的改变和修改对于本领域技术人员而言将是清楚的，并且可以在不偏离本发明的精神和范围以及不减少其旨在优势的情况下进行这样的改变和修改。尽管本发明已在附图和前述描述中详细地进行了图示和描述，然而这样的图示和描述将被认为是图示性的且在字面上不是限制性的，要理解的是已经显示和描述的仅仅是选定的实施例，在本文描述的或者所附权利要求中限定的本发明范围内的所有改变、等价形式和修改期望受到保护。

虽然已经参考某些实施例对本发明进行描述，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离发明的范围的情况下可以做出各种改变并且对等价形式进行替换。另外，在不偏离其范围的情况下可以做出很多修改，以适应特定的情形或材料以满足本发明的教导。因此，其意图是本发明不局限于公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于转子电机的对称冷却系统，所述转子电机具有定子和转子，所述对称冷却系统包括：

通道，其位于所述定子的中部并被构造成为冷却介质流动到所述定子的至少一部分中提供路径；

位于所述定子中的第一组定子管道和第二组定子管道，所述第一和第二组定子管道与所述通道流体连通并且适于使冷却介质流动经过所述定子的至少一部分；所述第一组定子管道从所述通道沿第一方向延伸，第二组定子管道从所述通道沿第二方向延伸，所述第二方向大致与所述第一方向相反；和

位于所述定子和所述转子之间的气隙，所述通道被构造为将冷却介质输送到所述气隙的中部，所述气隙被构造成为冷却介质从所述气隙的所述中部到所述定子的相对的第一和第二端的流动提供通路。

2.根据权利要求1所述的对称冷却系统，其中所述第一组定子管道具有贯穿所述定子的第一轴向长度，并且并且所述第二组定子管道具有贯穿所述定子的第二轴向长度，其中所述第一轴向长度近似等于所述第二轴向长度。

3.根据权利要求2所述的对称冷却系统，其中所述第一组定子管道沿所述定子的两个大致对称部分中的一个延伸，并且所述第二组定子管道沿所述定子的两个大致对称部分中的另一个延伸。

4.根据权利要求3所述的对称冷却系统，其中所述通道的至少一部分绕大致垂直于所述定子的中心轴线的通道轴线而定位。

5.根据权利要求4所述的对称冷却系统，其中所述第一和第二方向大致平行于所述定子的所述中心轴线。

6.根据权利要求5所述的对称冷却系统，其中所述多个定子管道中的每一者包括入口和出口，并且其中所述出口适于引导离开所述出口的冷却介质朝着所述定子的定子绕组流动。

7.根据权利要求5所述的对称冷却系统，其中所述多个定子管道中的每一者包括大致由出口壁限定的出口，并且其中所述出口壁适于增加离开所述出口的冷却介质的速度。

8.根据权利要求5所述的对称冷却系统，其中所述多个定子管道中的每一者包括大致由出口壁限定的出口，并且其中所述出口壁适于减小离开所述出口的冷却介质的压降。

9.一种用于转子电机的对称冷却系统，所述转子电机具有转子，所述对称冷却系统包括：

定子，其具有第一定子磁轭部分、第二定子磁轭部分和多个定子绕组，所述第一定子磁轭部分具有近似等于所述第二定子磁轭部分的轴向长度的轴向长度；

通道，其位于所述第一和第二定子磁轭部分之间并适于为冷却介质的流动提供路径；和

多个定子管道，其位于所述第一和第二定子磁轭部分内且与所述通道流体连通，所述多个定子管道适于使冷却介质沿所述第一和第二定子磁轭部分的轴向长度流动。

10.根据权利要求9所述的对称冷却系统，进一步包括位于所述定子和所述转子之间的气隙，所述通道被构造为将冷却介质输送到所述气隙的中部，所述气隙被构造成为冷却介质从所述气隙的所述中部到所述第一和第二定子磁轭部分的相对端的流动提供通路。

11.根据权利要求9所述的对称冷却系统，其中所述通道包括第一通道部分和第二通道部分，所述第一通道部分位于所述第一和第二定子磁轭部分之间的定子间隙中，所述第二通道部分延伸经过所述多个定子绕组。

12.根据权利要求11所述的对称冷却系统，其中所述第一定子磁轭部分与所述第二定子磁轭部分大致对称。

13.根据权利要求9所述的对称冷却系统，其中所述通道的至少一部分绕大致垂直于所述定子的中心轴线的通道轴线而定位。

14.根据权利要求13所述的对称冷却系统，其中所述多个定子管道的每一者包括入口和出口，并且其中所述出口适于引导离开所述多个定子管道的冷却介质朝着所述多个定子绕组流动。

15.一种用于转子电机的定子，其包括：

具有第一组定子管道的第一定子磁轭部分，所述第一组定子管道被构造为在所述第一定子磁轭部分内从所述第一定子磁轭部分的第一端到所述第一定子磁轭部分的第二端输送冷却介质；

具有第二组定子管道的第二定子磁轭部分，所述第二组定子管道被构造为在所述第二定子磁轭部分内从所述第二定子磁轭部分的第一端到所述第二定子磁轭部分的第二端输送冷却介质；

可操作地连接到所述第一和第二定子磁轭部分的多个定子绕组；和

至少位于所述第一定子磁轭部分和所述第二定子磁轭部分之间的通道，所述通道被构造为将冷却介质输送到所述第一和第二组定子管道。

16.根据权利要求15所述的定子，其中所述第一定子磁轭部分的所述第一端和所述第二端间隔开达第一距离，并且其中所述第二定子磁轭部分的所述第一端和所述第二端间隔开达第二距离，并且其中所述第一距离和所述第二距离近似相等。

17.根据权利要求15所述的定子，其中所述第一组定子管道包括入口和出口，其中所述出口适于引导离开所述出口的冷却介质朝着所述多个定子绕组流动。

18.根据权利要求17所述的定子，其中所述通道包括第一通道部分和第二通道部分，所述第一通道部分位于所述第一和第二定子磁轭部分之间，所述第二通道部分延伸经过所述多个定子绕组。

19.根据权利要求17所述的定子，其中所述第一和第二定子磁轭部分各自包括端板，并且其中所述出口位于所述端板中。

20.根据权利要求19所述的对称冷却系统，其中所述出口大致由出口壁所限定，并且其中所述出口壁适于减小离开所述出口的冷却介质的压力或者增加离开所述出口的冷却介质的速度。