CN106416011B - 油分配元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的转子的中空转子轴，其具有柱形壳体，该柱形壳体在两侧由端部凸缘封闭，并且该柱形壳体包围轴腔，其中在各个端部凸缘上均形成有轴颈，并且其中在一个轴颈中设置有入口，冷却液体通过入口进入轴腔并到达圆筒的内表面，所述转子轴还包括分配元件，该分配元件布置在轴腔中并且接收经由入口进入的冷却流体、通过旋转对称的转移表面将所述冷却流体朝柱形壳体的内表面的方向导引、并且通过口部区域将所述冷却流体传送至内表面。

Description

油分配元件

技术领域

本发明涉及一种用于电机的转子的中空转子轴，该中空转子轴具有在两侧由表面凸缘(Stirnflansche)封闭的柱形筒，该柱形筒包围中空轴空间，其中在各种情况下在表面凸缘处均定位有轴颈，并且其中，在其中一个表面凸缘中、尤其在轴颈中设有入口，冷却流体通过入口进入中空轴空间中并且到达柱形筒的内表面。

背景技术

用于电机的如下多种转子是现有技术已知的，在这些转子上布置有金属叠片，这些金属叠片通常组合成组。这种转子例如用于异步电机中以及用于永磁同步电机中。所有电机均会在运行中显著受热，这是由于转子中的电磁活动以及所产生的向其他重量优化的支承组件的热传递。为了限制这种加热的不同理念的流体冷却是现有技术已知的。就这一点而言，已知的冷却系统伴随有特别的转子设计，这种设计例如使用特别的冷却剂引导结构。其他的理念也需要大量附加的组件，这不仅会影响转子的设计，还会影响电机以及接合组件的设计。

用于将冷却介质引导并分配至热传递表面的不同解决方案也是已知的，这些方案中大多数具有作为强制导引的在整个轴向和径向路径距离上布局的位于通道或孔中的用于冷却剂的完整管线。这种强制导引由于流动阻力而造成较大的压力损失，因此冷却剂泵是必要的，尤其是在涉及流动方向与离心力方向相反的情况下。此外，由于存在大量孔、尤其是轴向孔，使得实施这些理念尤为复杂。

如例如在DE 11 2010 004 773中示出的，一些类型的冷却将附加的组件集成至转子中，但是这需要附加的安装和密封。此外，具有中空轴的电机例如从CH 337267也是已知的，在这种电机中转子的整个腔必须填充有流体，从而实现冷却流体与转子柱形筒的充分的相互作用和良好的热传递。然而，已发现通过这种方式传导带走充足的热量是不太可行的。

最终，所有已知的冷却装置均具有下述缺点中的其中一种缺点：选择为冷却剂提供的管线的过小的横截面，从而降低体积要求。然而，这种小通道孔几乎没有降低待冷却的转子轴的重量。此外，冷却剂仅能够在很小的程度上被导至待冷却的组件，尤其被导至特别地加热的金属片组，因为在任何情况下金属片组仅具有较小的表面。冷却剂通常仅润湿受热表面的较小的表面积，且并不会形成在整个圆周上的大面积分布。

另一方面，利用转子轴中的较大的管线横截面和腔，不仅可以实现用于热传递的较大的表面，还可以实现特别简单的构造方法。然而，在这种情况下不利的是，中空的圆筒在运行中必须几乎完全填充冷却剂，这会增加冷却剂的需求并且进而导致运动质量的增加，而这是轻质结构设计中尤其希望避免的。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种用于电机的转子的转子轴，该转子轴具有简单的结构且被成本有利地生产，并且使特别高效的冷却成为可能。此外，本发明的一个目的是提出一种相应的转子。

这些目的通过本发明的中空转子轴以及根据本发明的转子实现。

本发明的核心方面在于特殊的分配元件，该分配元件被布置在转子轴的大体积的柱形空腔中。此外，该分配元件通过相对较少但足够量的流动通过的冷却流体实现对包围空腔的柱形筒内表面的高效的且周向均匀分布的冲击(Beaufschlagung)。就这一点而言，大体积腔被认为是如下腔：在其中，转子轴的空间的直径与轴颈的直径(尤其是轴承的直径)的比例大于1.5、尤其是大于2。通过根据本发明的分配元件，冷却流体经过内表面并与内表面形成良好的相互作用，从而实现对转子特别有效的冷却。因此，根据本发明，实现了通过冷却流体仅对待冷却的表面进行润湿，而不是完全地冲洗待冷却的表面。

由于较低的温度，能够实现转子的更大的输出量，特别是在限定的组件极限温度的情况下，从而获得电机的提高的单位功率重量(Leistungsgewicht)或功率容量。因此，通过本发明，通过较少地使用冷却剂并且尤其高效的冷却，能够获得转子的以轻质结构为导向的理念。就这一点而言，特别有利的是，尽管存在冷却剂，然而要进行旋转的质量仍保持较小。

根据本发明，中空的转子轴具有柱形筒，该柱形筒在两侧由表面凸缘封闭，该柱形筒包围轴腔。在各种情况下，在每个表面凸缘处均构造有轴颈，其中在轴颈中设置有通道孔以作为入口。通过该入口，形成进入轴腔的通路，使得被引入该入口的流体进入轴腔中，且进而到达柱形筒的内表面。在入口的紧后方，在轴腔中布置有分配元件，该分配元件接收通过入口进入的冷却流体，并将冷却流体分布至计划的位置。为实现该目的，分配元件具有排放表面，该排放表面尤其是旋转对称的，以防止不平衡，且通过排放表面，冷却流体以具有径向分量的方式朝柱形筒的内表面的方向被向外引导，并且通过口部区域而被传送至内表面。就这一点而言，转子的动能被用于输送冷却介质。因此冷却剂的输送从转子轴线开始通过离心力驱动而到达热交换的位置。通过设置在柱形筒中的开口或设置在表面凸缘的外部区域中的开口，可以实现冷却剂的排出。

分配元件的特别的优点在于，仅需要在已构造的转子中做出微小的结构改变来实施冷却概念。附加的分配元件可以通过简单的连接几何结构与转子和供给管线连接，从而用最少数量的附加组件获得简单的冷却系统结构。本发明能够在多部件、已构造的轻质设计的转子轴的情况下实施是特别有利的。

根据本发明，仅少量的冷却剂以及相应的小体积流流动通过整个轴腔，从而仅润湿轴腔的必须进行热交换的柱形筒内表面。在该过程中，当冷却剂冲击待冷却的表面时，整个圆周的冷却剂润湿已经发生。由此，尽管仅使用少量的冷却剂，但流体冷却剂及其对热生成的位置处的壁的直接润湿有助于最佳的散热。由于较少的冷却剂量，从而实现了运动质量、且因此转动惯量的最低限度的增加。

通过受冷却的组件，电机的输出可因此额外地增加，并且可以使得冷却对加速行为的影响最小化。另外的优点在于，根据本发明的流体冷却伴随着对转子的微不足道的结构变化，并且实际上能够以最小的额外努力作为模块化方案实施。

上述优点在以下情况下尤其明显：分配元件的旋转对称的排放表面形成具有光滑内表面的锥形漏斗，其中漏斗的张角通向轴腔。就这一点而言，内表面可以是直的或弧形的，使得张角在轴腔中持续增大。为了能够可靠地保证所计划的通过冷却剂的均匀分布实现的冷却功能，漏斗口部的半径至少大于柱形筒的内部半径的一半是有利的，其中冷却流体通过漏斗口部到达柱形筒的内壁上。

就这一点而言，在将冷却流体良好地传输至柱形筒的内壁以及对冷却流体的均匀分布方面，排放表面的口部区域——换言之尤其漏斗口部——与柱形筒的内表面具有微小距离是尤为有利的。设置有间隔件来桥接该距离，冷却流体可以沿着该间隔件流向柱形筒的内表面。理想的是间隔件对称分布在漏斗口部的圆周上并且抵靠柱形筒的内表面。

在具有特别简单的结构且减轻重量的实施方式中，排放表面由薄壁材料制成，特别是由塑料或金属片制成，其中间隔件相应地形成于口部区域上或由口部区域切割形成。

为了使冷却流体在冲击柱形筒的内表面后在两个方向上均匀分布，有利的是使排放表面的口部区域大致位于内表面轴向延伸(Ausdehnung)的中央。当中空转子轴旋转时，排放在此位置的冷却流体几乎均匀地朝向两侧分布在内表面上。通过位置的微小改动，可以抵消可能存在的不均匀。

在最简单的情况下，冷却流体是通过引入轴颈中的中央入口来供给至排放表面的。就这一点而言，漏斗的通向排放表面的颈部连接段能够直接限定入口的宽度。构造成漏斗的排放表面可以通过其颈部连接段直接装配到围绕入口的容置部分中。

然而，在另一有利的实施方式中，入口可以具有在轴颈的圆周上均匀分布的通向颈部连接段的多个入口通道。通过这些入口通道以单独的流供给的冷却流体随后通过旋转以及所产生的离心力而均布在排放表面上。在此实施方式中，不仅可以实施根据本发明的冷却，而且可以通过转子实施另外的单独的介质输送。为此目的，在中空转子轴内设置有输送元件、尤其为管件形式的输送元件，该输送元件从一个轴颈穿过轴腔伸至另一个轴颈。通过该方式，获得了与转子一体的冷却同通过转子轴的单独介质输送的组合布置。两种介质液流可以单独地被引入和引出，并且因此还可以针对不同的操作状态开启或关闭。

如已经说明的，可以通过柱形筒中或表面凸缘中的开口实现冷却剂的排放。然而，为了冷却围绕转子的定子线圈，利用位于轴腔中的冷却流体——该冷却流体要被引导出——是尤其有利的。为实现该目的，在柱形筒的内表面的位于流动的末端的位置处设置出口开口，当中空转子轴转动时，冷却流体从此出口开口沿径向方向喷出并且移动越过转子润湿周围的定子。为了实现均匀的润湿，在各种情况下出口开口以在圆周上均匀分布的方式被布置在柱形筒的边缘区域中是有利的。

通过单独的入口通道的数量和直径以及在圆周上均匀分布的出口开口的数量和直径，可以调节冷却剂流以及转子中存在的冷却剂量，且因此可以控制冷却输出。

总而言之，根据本发明的转子轴以多个部分构造并且具有中空柱体。通过该设计，实现了与冷却流体热传递的较大的内表面。就这一点而言，转子在表面侧(Stirnseite)具有冷却流体供给部，该供给部在一些情况下可以由多个供给管线构成，并且可以构造成作为转子轴一部分的部件的中央轴向孔。供给部通向分配元件中，该分配元件直接起始于转子轴的中空柱体区域的径向扩大部分。通过该布置，对于轻量转子设计来说典型的横截面突然显著的增加被桥接。在将冷却流体传输至分配元件后，由于转子的旋转以及转子旋转造成的离心力、以及冷却剂回路与转子周围之间的压力差，冷却流体被引导至所构造的转子的柱形筒内表面。在这一点上，冷却流体几乎在中央位置冲击筒形轴腔的内表面。这种在中央位置引入介质的方式、以及介质从冷却剂进入直到被传送至内表面这段流动距离过程中的圆周分布是冷却剂分配元件的任务。由于流入的附加的冷却剂以及离心力，实现了随后对流动的分布，这在轴向方向上将冷却剂朝外向两侧引导。就这一点而言，冷却剂供给管线的数量和直径必须被设计成以尽可能最少的能量消耗和最少量的冷却剂来实现有效冷却。在此，冷却剂分配元件通过力配合、材料配合或形状配合与供给管线元件连接。

中空轴内的横截面突然增大确保了特别轻质的设计以及可用于热交换的表面面积的大幅增加。有利的是，冷却流体以针对性的方式被引导至筒形轴腔的内表面，并且能够沿着待冷却的工作中的金属片组——特别是靠近待冷却的工作中的金属片组——流动。显然，并非整个腔填充有冷却剂，而是仅内部柱形筒表面在其整个长度上受到冷却剂膜的冲击。通过利用离心力实现对冷却剂的分布。通过小体积流实现的这种对冷却剂的集中的且有针对性的使用降低了要进行旋转运动的质量，同时优化了对待冷却区域的冷却。

通过在冷却流体进入较大的中空筒形空间时将冷却流体直接传输至分配元件，实现了将冷却剂的强制导引降至最小需求程度。这降低了压力损失和流动阻力。因此，能够避免使用冷却剂泵。此外，冷却剂的轴向直接传输简化了冷却剂供给管线的设计并降低了制造所耗的努力。在传输时，冷却剂在冷却剂分配元件上自由流动，并且在大多数情况下已经在流动路径上沿圆周方向分布，直到冷却剂在中央处冲击管道的内表面。因此冷却剂并非通过在数量和形状方面受限的出口开口而局部地冲击内表面，而是几乎冲击整个圆周上，并且能够在表面上形成均匀的冷却剂流动。这促进了向待冷却表面的热传递和来自待冷却表面的热传递。

附图说明

下文将利用附图更详细地说明根据本发明配备的转子的实施方式。附图中：

图1是与转子成一体的冷却系统，以及

图2是与转子成一体的具有单独的介质输送的冷却系统。

具体实施方式

在图1中，首先示出了用于电机的转子，该转子尤其用于异步电动机或永磁同步电机，该转子具有配备有叠片组1的中空的转子轴。该中空的转子轴由柱形筒2形成，该柱形筒2包围轴腔3并且在两侧由表面凸缘4封闭。在本示例中，一个表面凸缘4a形成在柱形筒2上，而另一个平面凸缘4b被装配至柱形筒2中。在各种情况下，在两个表面凸缘4处均设置有轴颈5，该轴颈形成在独立的组件上或作为独立的组件被附接。在其中一个轴颈5中设置有入口6，冷却流体(以圆点示出)通过入口6沿箭头A的方向进入轴腔3中并且达到柱形筒的内表面7。

在轴腔3中布置有分配元件8，分配元件8接收通过入口6进入的冷却流体，并且通过排放表面

9——尤其是旋转对称的排放表面9——将冷却流体朝柱形筒的内表面7方向引导。冷却流体通过排放表面9的口部区域10被传送至内表面7。在本示例中，排放表面构造成具有光滑的径直内表面的薄壁锥形漏斗，该漏斗以一定的张角

通向轴腔3并且就漏斗口部10而言与柱形筒的内半径仅间隔开很小的距离。所存在的距离是通过形成在漏斗口部上的间隔件11来桥接的，冷却流体在该间隔件11上向下流动并且随后沿两个方向(箭头B、C)均匀分布。间隔件11接触内表面7。漏斗形的分配元件8借助其颈部12装配至表面凸缘5中的相对应的容置部分中。

柱形筒2中设置有出口开口13，当中空转子轴转动时，冷却流体沿径向方向(箭头D)从出口开口13离开并润湿周围的定子。在各种情况下，出口开口13在柱形筒2的两个边缘区域中的圆周上方均匀分布，并且确保受热的冷却流体被引导出。一个边缘区域的出口开口13被布置成在圆周上以相对于另一边缘区域的出口开口偏置的方式位于另一边缘区域的出口开口的角平分线上，从而允许存留的油在转子的每个角位置处排出。由于油被完全排出，尤其防止了转子在起动时的不平衡。由于冷却流体的排出，在转子和定子的邻近的周围形成了空气/冷却流体混合物，该混合物额外地造成对转子和定子的冷却。通过这种效应，能够通过喷洒实现定子绕组端部的主动冷却。

图2示出的转子具有类似结构。相同的附图标记表示相同的部分。与图1的实施方式相比，该转子具有在轴颈5a的圆周上均匀分布的多个入口通道14，这些入口通道14通向分配元件8的颈部区域15。入口通道14通过供给管线18供给冷却流体，其中通过阀19可以调节通过供给管线18的流量。在该转子中，轴颈5a中还设置有同轴的进入孔16，呈管件17形式的输送元件被装配至进入孔16中，从而形成对轴腔3的密封。管件17穿过周围的轴腔3一直通向另一轴颈5b，管件17同样被装配在轴颈5b中，从而形成对轴腔3的密封。管件17允许液体或气体介质20(以圆点示出)单独地通过。

转子中的冷却剂流和可用的冷却剂量可以通过阀19、入口通道14的数量和直径、以及出口开口13的数量和直径来调节，并且因此冷却剂的输出量可以被调节。

附图标记列表

1 叠片组

2 柱形筒

3 中空轴空间

4 表面凸缘

5 轴颈

6 入口

7 柱形筒的内表面

8 分配元件

9 排放表面

10 口部区域

11 间隔件

12 颈部

14 出口开口

15 入口通道

15 颈部区域

16 进入孔

17 管件

18 供给管线

19 阀

20 介质

Claims (14)

1.一种用于电机的转子的中空转子轴，所述中空转子轴具有柱形筒(2)，所述柱形筒(2)在两侧由表面凸缘(4)封闭，所述柱形筒包围轴腔(3)，其中在各种情况下在所述表面凸缘(4)上均定位有轴颈(5)，并且其中在表面凸缘中设置有入口(6、14)，冷却流体通过所述入口(6、14)进入所述轴腔(3)并且到达所述柱形筒(2)的内表面(7)，

其特征在于包括布置在所述轴腔(3)中的分配元件(8)，所述分配元件接收通过所述入口(6、14)进入的冷却流体、通过排放表面(9)将所述冷却流体朝所述柱形筒(2)的所述内表面(7)的方向导引、并且通过口部区域将所述冷却流体传送至所述内表面(7)，

所述排放表面(9)的口部区域与所述柱形筒(2)的所述内表面(7)间隔开一定距离，其中所述距离是由间隔件(11)桥接的；

所述口部区域(10)大致位于所述内表面(7)的轴向延伸的中央，其中当所述中空转子轴转动时，传送到所述口部区域的冷却流体在轴向方向上朝向两侧基本均匀地分布在所述内表面(7)上；

所述分配元件(8)的所述排放表面(9)形成具有光滑的直的或弧形的内表面的锥形的漏斗，所述漏斗以一定的张角通向所述轴腔(3)。

2.根据权利要求1所述的中空转子轴，其特征在于，

所述漏斗口部的半径大于所述柱形筒(2)的内半径的一半。

3.根据权利要求1或2所述的中空转子轴，其特征在于，

所述漏斗口部与所述柱形筒(2)的所述内表面(7)间隔开一定距离；所述间隔件(11)在圆周上对称分布并且抵靠所述柱形筒(2)的所述内表面(7)。

4.根据权利要求1-2中的任一项所述的中空转子轴，其特征在于，

所述排放表面(9)由薄壁材料制成，其中所述间隔件(11)形成在所述口部区域(10)上。

5.根据权利要求4所述的中空转子轴，其特征在于，

所述排放表面(9)由塑料或金属片制成。

6.根据权利要求1-2、5中的任一项所述的中空转子轴，其特征在于，

所述入口是由均匀地分布在所述轴颈(5)的圆周上的多个入口通道(4)形成的，所述多个入口通道(4)通向所述漏斗的颈部区域。

7.根据权利要求1所述的中空转子轴，其特征在于，

所述柱形筒(2)的所述内表面(7)中设置有出口开口(13)，当所述中空转子轴转动时，冷却流体沿径向方向从所述出口开口(13)离开，其中离开的冷却流体润湿围绕所述转子的定子。

8.根据权利要求7所述的中空转子轴，其特征在于，

所述出口开口(13)在各种情况下均以在圆周上均匀分布的方式设置在所述柱形筒(2)的两个边缘区域中。

9.根据权利要求8所述的中空转子轴，其特征在于，

一个边缘区域的出口开口被布置成在圆周上相对于另一个边缘区域的出口开口偏置。

10.根据权利要求9所述的中空转子轴，其特征在于，

一个边缘区域的出口开口被布置在另一个边缘区域的出口开口的角平分线上。

11.根据权利要求1所述的中空转子轴，其特征在于，

在所述轴颈(5)中设置有所述入口(6、14)。

12.一种转子，所述转子具有根据前述权利要求中的任一项所述的中空转子轴，所述转子配备有叠片组。

13.一种电机，所述电机具有根据权利要求12所述的转子。

14.根据权利要求13所述的电机，其特征在于，所述电机为异步电动机或永磁同步电机。

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