CN106662255B - 液体冷却的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机(1，51)，尤其异步机，所述电机具有定子(2)、可扭转支承的转子(4)和导流元件(7)，所述转子具有轴(5)。轴(5)具有轴向钻孔(6)。导流元件(7)延伸到轴向钻孔(6)中，使得冷却剂(15)、尤其冷却液体(15)能够从导流元件(7，47)流入轴向钻孔(6)中或相反进行。滑动环密封件(40)密封轴向钻孔(6)的开口。在电机(1，51)的运行中能够确定电机(1，51)的空腔(55)中的湿度的数值。

Description

液体冷却的电机
技术领域
本发明涉及一种具有冷却的转子的电机、尤其异步机。
背景技术
电机用于将电能变换成机械能并且相反进行的能量变换。在将机械能变换成电能的能量变换时，电机用作为发电机。在将电能变换成机械能的能量变换时，电机用作为发动机。在这两种情况下，都希望在高功率密度的情况下达到高效率。高效率是必要的，以能够成本适宜地且节约资源地提供能量。高功率密度是必要的，因为希望成本更适宜地制造具有较小的材料投入的电机或者由于电机的重量敏感的应用而希望具有较低质量的电机。重量敏感的应用的实例是如下应用：其中用于电机的承载结构是昂贵的，或者电机在该应用中从一个地点运输至另一地点。这例如涉及车辆制造，即尤其电动车辆或还有混合动力车辆中的电机。为了在功率密度高的情况下达到高效率，对电机的原理和构造以及其冷却进行改进。
从DE 10 2012 203 697 A1中例如已知一种电机，所述电机具有轴，所述轴具有轴向钻孔。导流元件延伸到轴向钻孔中，使得冷却剂、尤其冷却液体能够从导流元件流入轴向钻孔中。为了密封设有密封件，所述密封件设置在轴上，使得冷却液体能够将密封件朝轴挤压。密封件被空气压向轴，所述空气处于在保留元件、即间隙密封件和另一密封件之间的空腔中。
发明内容
本发明的目的是：提出一种具有有效密封冷却介质的电机。
所述目的的解决方案在一种电机中和在一种用于运行电机的方法中得出。
电机、尤其是异步机具有定子和转子。转子可扭转地支承并且与轴抗扭地连接。因此轴是转子的一部分。轴具有轴向钻孔。为了冷却电机设有冷却介质，其特别是冷却液体。所述冷却介质冷却转子进而尤其经由转子的轴冷却电机。冷却介质能够引入到轴的轴向钻孔中。这借助于导流元件来进行。导流元件在轴向钻孔中引导冷却介质流。例如，导流元件延伸到轴向钻孔中，使得冷却剂、尤其冷却液体能够从导流元件流入轴向钻孔中、或者能够从轴向钻孔流出进入导流元件中。为了密封轴向钻孔的开口存在滑动环密封件。举例来说，这里的密封为对电机的空间进行防漏密封，所述电机具有转子和定子之间的气隙，或者在其中存在定子的绕组头。滑动环密封件是寿命长的稳固的密封件，使得在电机的使用寿命期间不必须考虑更换密封件。滑动环密封件相对于一个相对于轴旋转固定的元件密封具有轴向钻孔的能旋转运动的轴。该元件例如是用于输送或导出冷却介质的连接法兰。
在电机的一个设计方案中，滑动环密封件具有滑动环和配对环，其中滑动环与轴连接，并且配对环与相对于转子固定的元件连接。固定的元件例如是轴承盖或承载件，以固定导流元件或连接元件，即用将冷却介质导入电机的轴中或从中导出的连接法兰。在滑动环和配对环之间形成一个面，所述面密封将具有冷却介质的空间与没有冷却介质的空间密封。滑动环能随轴运动至配对环。滑动环和配对环因此能够相互运动。
在电机的一个设计方案中，第一密封环相对于轴密封滑动环。第一密封环和滑动环能够随轴运动。借此，第一密封环相对于滑动环是固定的。
在电机的一个设计方案中，第二密封环相对于固定的元件密封配对环。借此，第二密封环相对于固定的元件是固定的。
在电机的一个设计方案中，冷却液体具有水和/或甘醇、或由它们构成。水与甘醇的比例例如为50％比50％。
在电机的一个设计方案中，滑动环密封件的滑动环以相对于配对环轴向作用的方式设置。轴通过轴承轴向地还有径向地固定。借此，通过对此能够例如相对于承载件调节配对环的轴向位置的方式，能够简单地确定配对环相对于滑动环的位置，其中所述滑动环固定在轴上。因此，能够通过配对环相对于配对环的承载件的可变的轴向定位改变滑动环和配对环之间的轴向压力。如果在滑动环和配对环之间不施加压力，那么能够改变滑动环和配对环之间的轴向间隙。配对环相对于其承载件的定位例如经由间隔件、如不同厚度的螺钉或插入件来进行。
在电机的一个设计方案中，滑动环密封件的滑动环具有陶瓷、尤其是烧结的陶瓷。陶瓷是低磨损的进而有助于电机的长寿命。
在电机的一个设计方案中，所述电机具有湿度传感器。湿度传感器设置在空腔中，这表示：湿度传感器至少安置在电机中或电机上，使得借助该湿度传感器能够测量电机的空腔中的湿度。因此，例如能够确定：是否面临腐蚀威胁。如果确定过高的湿度，那么例如能够接通电机中的加热装置，这尤其在电机的停机时间时是必需的。
在用于运行所描述的设计方案之一的电机的方法中，确定电机的空腔中的湿度的数值。所确定的数值于是能够被评估。
在该方法的一个设计方案中，将数值传输给评估装置，其中借助于评估装置确定：是否要更换滑动环密封件。如果滑动环密封件泄漏，那么冷却剂能够进入到电机的干燥部件中并且引起损坏。这能够通过评估装置来防止。这例如通过如下方式进行：电机在湿度值过高的情况下(在超过阈值时)不再能够运行并且不再能够施加电压。
电机例如是用于车辆的驱动器。车辆例如是电动汽车或混合动力汽车，所述电动汽车或混合动力汽车的推进能够借助于电机实现。滑动环密封件的应用结合经由具有钻孔的轴对转子进行冷却实现紧凑的结构。该紧凑的机构适合于车辆中的狭窄的装入空间。
通过应用滑动环密封件能够实现不同的正面的效果，即例如：
-维护友好的密封系统，
-可简单更换的密封系统，因为能够轴向地取下一部分；
-在周向速度较高的情况下的良好的密封性；
-用于密封作为冷却介质的水/甘醇混合物的良好的能力；
-发动机轴和密封系统之间的形状和/或长度和/或位置偏差的良好的平衡可能性，和
-密封系统对于变化的系统压力的良好匹配性，所述系统压力例如通过设计变化产生。
滑动环密封件具有借助径向轴密封环来密封转子冷却系统的优点。由于高周向速度和形状和位置偏差和润滑不足，在径向轴密封环中能够造成密封唇片的磨损提高。当然，密封唇片能够借助专用的填充材料来加强，以便实现对于高周向速度的能力。填充材料当然能够导致轴表面上的磨损提高，这使得附加昂贵的加工步骤、如硬化、打磨和抛光是必需的。为了防止在安装轴密封环时产生的损坏，在轴上需要安装辅助装置或专用的几何形状。
这种问题能够通过应用滑动环密封件来减少和/或避免。滑动环密封件的密封系统在通常润滑时是无磨损的并且良好地适合于在转速高(>20000/min)的情况下密封水/甘醇-冷却介质。通过密封件几何形状的巧妙的造型能够实现与系统压力无关地作用的密封系统。密封系统轴向地作用于由烧结的工程专用陶瓷构成的配对环上。密封系统、即例如轴密封环直接径向地作用于发动机轴上，进而引起在所述发动机轴处的磨损，这又可能需要进行更换。在滑动环密封件的情况下，在发动机轴处不存在磨损。滑动环密封件能够简单地安装和拆卸。
附图说明
下面示例地借助于附图描述本发明。在附图中，针对相同类型的元件应用相同的附图标记。在此示出：
图1示出具有滑动环密封件的电机；
图2示出第一电机的一个部段；
图3示出径向轴密封件；
图4示出滑动环密封件和
图5示出电机与冷却介质流的视图。
具体实施方式
根据图1的视图示出具有壳体101的电机1。在壳体101中存在定子2和转子4，其中转子4围绕轴线3能够在轴承8和8’之上转动。定子2具有叠片组16并且转子具有叠片组16’。电机是具有短路环17的异步机。转子4的轴5具有轴向钻孔6，用于引导冷却剂的导流元件7伸入到所述钻孔中，其中导流元件7具有进入管9。通过冷却剂入口34对进入管9馈送冷却剂，所述冷却剂入口处于承载件37中，承载件承载这个管9，所述承载件为固定的元件。冷却剂再次经由冷却剂出口33离开电机1，所述冷却剂出口连接到空心柱形的空间32上。借助于滑动环密封件40实现轴的钻孔6相对于转子4的另外的部分和相对于定子2的密封，所述滑动环密封件在图4中详细地示出。在轴5中的冷却介质流在图5中示出。
根据图2的视图除了图1的元件之外还示出具有滑动环41和配对环42的滑动环密封件40(参见图4)。滑动环41与轴5连接，其中第一密封环48处于轴5和滑动环41之间。滑动环41例如具有接合在塑料中的碳，以便实现良好的滑动作用。配对环42与承载件37连接，其中在承载件37和配对环42之间存在第二密封环49。密封环48和49例如是O形环。配对环42例如具有SiC。配对环42尤其具有转矩支柱21和单弹簧22，以便配对环42抵靠滑动环41。除了泄漏腔46之外，电机也具有空腔55，其中传感器56测量空腔55中的湿度。测量出的传感器值在评估装置57中评估。传感器也能够定位在定子的绕组头的区域中，然而这在图2中未被示出。另外，冷却剂能够通过球形阀47从电机中流出。
根据图3的视图示出根据现有技术的径向轴密封件53作为滑动环密封件的替选方案。径向轴密封件53具有绕组加强部54和弹簧52，所述弹簧将密封件挤压到轴5上。
根据图4的视图设计出滑动环密封件(40)，其中滑动环41经由橡胶弹性的减震件43与轴连接。滑动环41面状地贴靠配对环42，其中配对环42经由橡胶弹性的风箱44与承载件37连接。该承载件是固定的且不能在轴承之上旋转运动。风箱44尤其是弹性体折箱。弹簧45、尤其螺旋弹簧将配对环42挤压到滑动环41上。弹簧45尤其是单弹簧。弹簧45在此至少间接地支撑在承载件37上。所示出的减压的滑动环密封件能够作为预安装的单元构建。
图5示出电机1，具有冷却介质流。通过轴5经由轴承8、8’支撑在壳体101中的方式，转子4可围绕转动轴线3转动地支承。轴承8和8’在该实施例中是球轴承。也能够应用其他的轴承、如桶形滚子轴承、滚针轴承等，但是未被示出。将冷却液体作为冷却剂15用于冷却，所述冷却液体由水和各里散亭(Glysantin)以比例50:50构成，或者具有所述材料。
转子4的轴5具有轴向钻孔6。导流元件7从轴5的敞开的端部延伸到轴向钻孔6中，使得冷却液体15能够从导流元件7流入到轴向钻孔6中。导流元件7具有进入管9，所述进入管固定在导流元件7的承载件37中或其上。承载件37固定在电机1的壳体101上。
为了冷却电机51，冷却液体15穿过冷却剂入口34流入进入管9中。在进入管9中，冷却剂15沿朝轴向钻孔6的封闭的端部的方向流动，在那里所述冷却剂从进入管9中流出并且通过传递元件13偏转。对此，传递元件13具有凹处14，所述凹处相对于转动轴线3旋转对称地构成，使得冷却液体仅具有少量通过冷却液体偏转引起的涡流。传递元件13由铝构成，使得所述传递元件将废热以良好的程度能够传递到冷却液体15上，所述传递元件在轴向钻孔6的边缘12处或在轴向钻孔6的封闭的端部处吸收所述废热。轴5以常规的方式由钢制成。由于传递元件13相对于轴5的常规的钢的热膨胀系数较大，将所述传递元件压向轴向钻孔6的边缘12，使得随着温度增加，在轴向钻孔6的边缘12和传递元件13之间存在更好的热过渡。在冷却液体15已经通过传递元件13偏转之后，冷却液体15流入到空心柱形的通道31中，所述通道通过轴向钻孔6的边缘12和进入管9的外表面10形成。随后，冷却液体15在轴5的敞开的端部处从空心柱形的通道31流入到空心柱形的空间32中。冷却液体15从那里穿过冷却剂出口33离开空心柱形的空间32，所述冷却剂出口以其贯穿空心柱形的空间32的径向边缘的一个部段的横截面的一部分延伸到空心柱形的空间32中。
定子2具有叠片组16并且转子4具有叠片组16’。转子4还具有铜棒23，所述铜棒设置在叠片组16’的槽25中。铜棒23通过由铝浇注的短路环17来短接。在图5中，沿径向方向上邻接铜棒23的剩余横截面以与短路环17不同的阴影线绘制。槽25的剩余横截面能够独立于短路环17的浇铸件来铸造，或者在用铝24浇铸短路环17时铸造。
浇铸的短路环17具有固定区域18。所述固定区域直接地联接在轴5上。这就是说，短路环17的表面在固定区域18附近接触轴5的表面。为了在大温度范围上确保短路环17和轴5之间的该接触，将收缩环19设置在短路环17上，使得固定区域18处于收缩环19和轴5之间。短路环17的铝更比收缩环19的钢随着温度膨胀地更显著。收缩环19在转子平衡的情况下用于安置平衡钻孔20。平衡钻孔20的数量和深度以及其在收缩环上的布置与转子4的个别的不平衡相关。
如果现在转子4的组成部分、尤其短路环23在电机1运行时发热，那么废热经由铜棒23的良好的导热性运输到短路环17中并且从短路环17经由其固定区域18运输到轴5中。
废热在其中一个短路环17的这种传输的通过图5中的箭头35再现，所述箭头表明到传递元件13中的热传递的方向。冷却液体15从传递元件13吸收废热并且能够将所述废热运输至冷却剂出口33。在多个短路环17的另一个短路环中，热量从轴5直接地传递到冷却液体15上，如箭头36表明这种情况。
进入管9是由铝构成的压铸件。通过铝的良好的导热性，实现沿着转动轴线3更均匀地冷却轴5。冷却液体15在空心柱形的通道31中吸收的废热因此能够通过进入管9的良好的导热性以更高的程度传递到进入管9之内的冷却液体15上。因此，进入管9之内的轴向钻孔6的敞开的端部附近的相对冷的冷却液体15通过如下方式辅助空心柱形通道31中的冷却液体15：即所述相对冷的冷却液体通过进入管9的铝从所述空心柱形通道中的冷却液体已经吸收了一定量的废热。

Claims (14)

1.一种电机(1，51)，具有
-定子(2)，
-能扭转支承的转子(4)，所述转子具有轴(5)，其中所述轴(5)具有轴向钻孔(6)，
-导流元件(7)，所述导流元件延伸到所述轴向钻孔(6)中，使得冷却剂能够从所述导流元件(7)流入所述轴向钻孔(6)中或者能够从所述轴向钻孔(6)流入到所述导流元件(7)中，
-滑动环密封件(40)，所述滑动环密封件相对于一个相对于所述轴旋转固定的元件(37)密封具有所述轴向钻孔(6)的能旋转运动的所述轴(5)，
其中所述滑动环密封件(40)具有滑动环(41)和配对环(42)，其中所述滑动环(41)与所述轴(5)连接，并且所述配对环(42)与相对于所述转子(4)固定的元件(37)连接，所述冷却剂经过所述滑动环密封件和所述导流元件(7)限定出的通道流向位于所述相对于所述转子(4)固定的元件(37)中的冷却剂出口。
2.根据权利要求1所述的电机(1，51)，其中所述冷却剂是冷却液体(15)。
3.根据权利要求1所述的电机(1，51)，其中第一密封环(48)相对于所述轴(5 )密封所述滑动环(41)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机(1，51)，其中第二密封环(49)相对于固定的所述元件(37)密封所述配对环(42)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电机(1，51)，其中用作所述冷却剂的冷却液体(15)具有水和/或甘醇。
6.根据权利要求4所述的电机(1，51)，其中用作所述冷却剂的冷却液体(15)具有水和/或甘醇。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电机(1，51)，其中所述滑动环密封件(40)的所述滑动环(41 )以相对于所述配对环(42)轴向作用的方式设置。
8.根据权利要求6所述的电机(1，51)，其中所述滑动环密封件(40)的所述滑动环(41 )以相对于所述配对环(42)轴向作用的方式设置。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的电机(1，51)，其中所述滑动环密封件(40)的所述滑动环(41 )具有烧结的陶瓷。
10.根据权利要求8所述的电机(1，51)，其中所述滑动环密封件(40)的所述滑动环(41)具有烧结的陶瓷。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的电机(1，51)，其中在所述电机(1，51)的空腔(55)中设置有湿度传感器(56)。
12.根据权利要求10所述的电机(1，51)，其中在所述电机(1，51)的空腔(55)中设置有湿度传感器(56)。
13.一种用于运行根据权利要求11所述的电机(1，51)的方法，其中确定所述电机(1，51)的空腔(55)中的湿度的数值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述数值传输给评估装置(57)，其中借助于所述评估装置(57)确定：是否要更换所述滑动环密封件(40)。
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