CN107453543A - 带有改进的空气冷却的具有切向结构的电机 - Google Patents

带有改进的空气冷却的具有切向结构的电机 Download PDF

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Abstract

一种具有切向结构的电机(4)包括：围绕旋转轴线(X‑X)旋转的转子(8)；与转子(8)同轴的定子(12)，定子(12)包括至少部分地容纳转子(8)的壳体(16)；主体(20)，其包括电机(4)的控制装置，主体(20)在大致与定子(12)的壳体(16)相切的位置处设置在定子(12)的外部并平行于旋转轴线(X‑X)。有利地，转子(8)包括第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)，冷却风扇键接在转子(8)的相应的沿旋转轴线(X‑X)相对的第一轴向端部(32)和第二轴向端部(36)上；第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)配置成通过转子(8)的旋转分别产生彼此独立的第一冷却空气流和第二冷却空气流；其中第一冷却空气流朝向转子(8)的第一轴向端部(32)引导；及其中第二冷却空气流朝向主体(20)引导，以便冷却控制装置。

Description

带有改进的空气冷却的具有切向结构的电机
技术领域
本发明涉及带有改进的空气冷却的具有切向结构的电机。
背景技术
如已知的那样，电机设有用于其操作和控制的功率电子器件。包括相关电路板的所述电子器件需要相关冷却。为此目的，本领域内已知许多方案涉及液体(通常为水)冷却方案和空气冷却方案。
水冷却方案允许散热增加，但另一方面，带来更高的成本、更大的尺寸和重量；另外还需要为冷却系统提供可靠的液压密封，以避免可能的冷却剂液体泄漏。
而空气冷却方案更轻、更简单且成本更低；事实上，它们设置成用于将一个或多个风扇安装在电机的转子轴上。以此方式，在转子旋转的过程中，自动生成空气流，所述空气流将热量从待冷却的电机部件带走。
然而，空气冷却方案由于与水相比具有受限的散热能力而导致一些问题。
事实上，与冷却剂液体相比，气体介质(特别是空气)具有降低的冷却能力。此外，键接到转子轴上的风扇的效率和冷却能力显然取决于所述轴的转速，因为产生的空气流直接取决于转子的转速。
结果，当转子的转速降低时，冷却的效率和有效性降低。这种限制可能导致重大缺点，诸如当电机在扭矩下以低转速工作时：在该操作模式下，电机将需要更大的散热，但是由于转速低，所产生的空气流不足以提供足够的冷却。
因此，当使用具有空气冷却系统的电机时，至关重要的是尽可能地提高这种系统的效率，以便在所有操作条件下确保电机的功率电子器件的足够冷却。另外，特别是当将使用的电机的功率增加时，迄今为止存在切换到液体制冷设备的倾向，但液体制冷设备具有上述缺点，主要与成本、空间和尺寸有关。
当电机具有必须被冷却的切向结构(即具有功率电子器件)时，在所述结构中相关电子电路板与定子的圆柱形主体相切地布置，上述问题进一步加剧。事实上，对于这种特定的结构，当使用空气冷却系统时，在将足够的空气流输送到待冷却的电机部分时遇到重大问题。由于这些原因，当使用具有切向结构的电机时，优选地使用水冷却系统，其具有上述限制和缺点。
发明内容
因此需要解决参考现有技术所提及的缺点和限制。
因此，需要提供一种带有空气冷却的电机，该电机能在电机的所有操作条件下确保足够和有效的冷却，即使当转子在满负荷和低速下旋转时，也能确保足够和有效的冷却。
这种需要由根据权利要求1所述的电机来满足。
附图说明
本发明的进一步特征和优点从下文给出的其优选和非限制性实施例的描述将得到更清楚的理解，其中：
-图1示出根据本发明一个实施例的具有切向结构的电机的横截面视图；
-图2示出图1中所示电机的转子的透视图；
-图3是根据本发明的电机的冷却风扇的前视图；
-图4示出图3中所示的冷却风扇沿着图3中的横截面IV-IV截取的横截面视图；
-图5示出图3中所示的冷却风扇沿着图4中的横截面V-V截取的横截面视图；
-图6示出图3中所示的冷却风扇沿着图4中的横截面VI-VI截取的横截面视图；
-图7是根据本发明另一实施例的电机的冷却风扇的前视图；
-图8示出图7中所示的冷却风扇沿着图7中的横截面VII-VII截取的横截面视图；
-图9示出图7中所示的冷却风扇沿着图8中的横截面IX-IX截取的横截面视图；
-图10示出图7中所示的冷却风扇沿着图8中的横截面X-X截取的横截面视图；
-图11示出根据本发明另一实施例的具有切向结构的电机的透视图；
-图12示出根据本发明另一实施例的转子的透视图；
-图13示出图11中具有切向结构的电机的横截面视图；
-图14是根据本发明另一实施例的电机的冷却风扇的前视图；
-图15示出图14中所示的冷却风扇沿着图14中的横截面XV-XV截取的横截面视图；
-图16示出图14中所示的冷却风扇沿着图15中所示的横截面XVI-XVI截取的横截面视图；
-图17示出图14中所示的冷却风扇沿着图15中所示的横截面XVII-XVII截取的横截面视图；
-图18示出根据本发明可能实施例的散热器翅片元件的侧视图；
-图19示出根据本发明可能实施例的具有包括散热器翅片元件的切向结构的电机的前视图。
将使用相同的附图标记来标示在下文描述的实施例中共同的元件或元件部分。
具体实施方式
参考上述附图，附图标记4总体上指示根据本发明电机的示意性整体图。
为了本发明保护范围的目的，与特定类型的电机无关，电机意味着适合作为具有任何尺寸、形状或功率的驱动器和/或发电机工作的任何机器。
电机4包括围绕旋转轴线X-X旋转的转子8和相对于所述旋转轴线X-X与转子8同轴的定子12。定子12包括壳体16，该壳体至少部分地容纳转子8。电机4还包括主体20，该主体包括用于电机4的操作、供电和控制的控制装置(未示出)。控制装置为了本发明的目的可以具有任何类型、尺寸、功率。
主体20在与定子12的壳体16基本相切的位置处布置在定子12的外部并且平行于旋转轴线X-X：正是通过本体20及其控制装置相对于定子的具体定位，得出术语“具有切向结构的电机”。
有利地，转子8包括第一冷却风扇24和第二冷却风扇28，该第一冷却风扇24和第二冷却风扇28键接到转子8的相应的沿着所述旋转轴线X-X相对的第一轴向端部32和第二轴向端部36上。
所述第一冷却风扇24和第二冷却风扇28被配置成通过与其一体旋转的转子8的旋转而分别产生彼此独立的第一冷却空气流和第二冷却空气流。
具体地，第一冷却空气流朝向转子8的第一轴向端部32引导，第二冷却空气流朝向主体20引导，以冷却控制装置。
优选地，所述第一冷却风扇24和第二冷却风扇28是径向风扇，其沿大致平行于所述旋转轴线X-X的轴向方向A-A吸入空气，并且沿大致垂直于所述旋转轴线X-X的径向方向R-R排出空气。
壳体16在第一轴向端部32附近限定具有面向第一冷却风扇24的至少一个前开口44的第一通风室40，使得其通过前开口44吸入空气，将空气输送到第一通风室40以掠过转子8的第一轴向端部32并将空气从设置在所述第一轴向端部32附近的至少一个径向开口48径向排出。
第二通风室52由壳体16限定并容纳转子8的第二轴向端部36，第一通风室40与第二通风室52基本上流体隔离。
壳体16在第二轴向端部36处限定容纳第二冷却风扇28的第二通风室52。第二通风室52流体连接到与控制装置相邻的冷却通道56。这样，穿过冷却通道56的冷却空气流能够从所述控制装置带走热量。
优选地，冷却通道56沿着平行于旋转轴线X-X的主轴向方向在转子8的第一轴向端部32和第二轴向端部36之间延伸。
根据一个实施例，冷却通道56从设置在第一轴向端部32一侧的入口60延伸到第二通风室52的出口64，以便将第二冷却空气流从第一轴向端部32引导到第二通风室52，掠过控制装置并由此冷却控制装置。
根据可能的实施例(图1)，所述入口60根据平行于旋转轴线X-X的主轴向延伸轴线A-A取向。
根据另一实施例(图11、图13)，所述入口60根据垂直于旋转轴线X-X并大致与定子12的壳体16相切的主切向延伸轴线T-T取向。
通过冷却通道56的冷却空气流可通过合适的输送通道68被输送到第二通风室52。
入口60与第一通风室40的前开口44流体分离。以此方式，相应的第一冷却空气流和第二冷却空气流不会相互干扰，并且不产生可能危及这种流动的有效性从而降低冷却风扇24、28效率的湍流。
冷却通道56可具有各种构造；根据可能的实施例，冷却通道56相对于与所述旋转轴线X-X垂直的横截面具有限定在定子12的壳体16、主体20和一对侧壁之间的多边形横截面(图19)。
优选地，在冷却通道56内部，容纳具有翅片72的至少一个散热器元件，其中沿着定子12的壳体16的成角度延伸部装配多个具有不同高度80的冷却翅片76，所述高度由连接到控制装置的主体20的支撑壁84与定子12的壳体16之间的距离限定。主体20的支撑壁84直接或通过插入的热传导附接装置而连接到控制装置以便允许热能从控制装置朝向冷却翅片76流动，并因此朝向冷却通道56流动。
所述冷却翅片76彼此分离，以将冷却通道56分成多个轴向指向的层叠式通风管道88。
关于键接到转子8上的冷却风扇的类型，根据可能的实施例，第一冷却风扇24和/或第二冷却风扇28包括多个笔直的径向叶片92，其相对于与所述旋转轴线X-X垂直的横截面具有通过旋转轴线X-X的直线式径向横截面。
根据另一可能的实施例，第一冷却风扇24和/或第二冷却风扇28包括多个弯曲叶片96，该弯曲叶片相对于与所述旋转轴线X-X垂直的横截面具有弯曲横截面。
现在将描述根据本发明的电机的操作。
具体地，例如设置在滑轮一侧的第一冷却风扇24通过合适的前开口44吸入空气，将吸入的空气输送到转子8的对应的第一轴向端部32，由此第一轴向端部32被冷却，并将空气通过径向开口48排出。该空气流专用于冷却电机4的转子-定子组的第一轴向端部32。
第二冷却风扇28类似地通过专用入口60吸入和输送空气。与第一冷却空气流不同，通过第二冷却风扇28所吸入的空气轴向地穿过整个电机4，通过冷却通道56，该冷却通道56容纳翅片式散热器元件72，该散热器元件适当地成形为模拟发动机的外部几何形状。
这样产生的第二冷却空气流在功能上布置成用于冷却功率电子器件(即控制装置)，并用于冷却电机4的转子8和定子12的其余轴向部分：实际上，在冷却功率电子器件之后，第二冷却空气流到达转子8的第二轴向端部36并通过出口64沿径向方向R逸出。
由此产生的两个冷却空气流构成彼此独立的两个空气流，其功能是冷却电机4的某些部分，而没有所述两个流的相互影响。
如从上述说明可意识到的那样，根据本发明的电机使得能够克服现有技术的缺点。
具体地，该方案采用直接键接到轴上的径向风扇，以确保具有受限成本的可靠方案。
在转子的相对轴向端部处的两个风扇产生彼此独立的冷却空气流，每个冷却空气流优化用于冷却电机的相应部分。
以此方式，可以优化每个冷却空气流而不受另一个冷却空气流的影响。换言之，在电机的所有操作条件下，两个冷却空气流的独立性使得能够优化每个流，从而防止影响或以其它方式降低另一个冷却空气流的效率。
风扇的具体设置和配置允许在具有切向结构的电机中进行有效的空气冷却，因为它有效地冷却功率电子器件以及转子和定子的其它部件。
具体地，对于功率电子器件，使用特定的冷却风扇可将冷却空气流引导到在电路板和定子的外部侧向表面之间在与后者(即定子的外部侧向表面)大致相切的方向上的特定通道或管道中。
使用功率电子器件的特定冷却翅片(其至少部分地相对于定子的外表面相反形状地成形)有助于协同地提高功率电子器件的冷却效率。事实上，冷却翅片的这种构造使得能够最大限度地利用转子的外部侧向表面和功率电子器件之间的可用空间；以此方式，一方面可用于冷却翅片的热交换表面增加，以及另一方面，由专门提供的用于冷却功率电子器件的风扇产生的冷却流的方向被甚至更好地限定。
此外，本发明提供一种特别轻便且制造成本低的电机空气冷却系统。事实上，该方案采用径向风扇直接键接到转子轴上，以确保具有受限成本的可靠方案。使用空气冷却系统还允许避免使用液体冷却系统典型地包括的泵、管道和相关密封件。
本领域技术人员可对上述电机进行许多修改和变化，以满足特定和具体的要求，同时保持处于由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.具有切向结构的电机(4)，包括：
-围绕旋转轴线(X-X)旋转的转子(8)；
-相对于所述旋转轴线(X-X)与所述转子(8)同轴的定子(12)；
-定子(12)包括壳体(16)，该壳体至少部分地容纳转子(8)；
-主体(20)，其包括用于所述电机(4)的致动、供电和控制的控制装置，所述主体(20)在大致与定子(12)的壳体(16)相切的位置处设置在所述定子(12)的外部并且平行于所述旋转轴线(X-X)；
其特征在于：
-所述转子(8)包括第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)，所述第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)键接在所述转子(8)的相应的沿所述旋转轴线(X-X)相对的第一轴向端部(32)和第二轴向端部(36)上；
-所述第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)配置成通过所述转子(8)的旋转分别产生彼此独立的第一冷却空气流和第二冷却空气流；
-其中所述第一冷却空气流朝向所述转子(8)的所述第一轴向端部(32)引导；
-其中所述第二冷却空气流朝向所述主体(20)引导，以便冷却所述控制装置。
2.根据权利要求1所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，所述第一冷却风扇(24)和第二冷却风扇(28)是径向风扇，其沿大致平行于所述旋转轴线(X-X)的轴向方向(A-A)吸入空气，并且沿大致垂直于所述旋转轴线(X-X)的径向方向(R-R)排出空气。
3.根据权利要求1或2所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，壳体(16)在第一轴向端部(32)附近限定具有面向第一冷却风扇(24)的至少一个前开口(44)的第一通风室(40)，使得通过前开口(44)吸入空气，将空气输送到第一通风室(40)以掠过转子(8)的第一轴向端部(32)，并将空气从设置在所述第一轴向端部(32)附近的至少一个径向开口(48)径向排出。
4.根据权利要求3所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，第二通风室(52)由壳体(16)限定并容纳转子(8)的第二轴向端部(36)，所述第一通风室(40)与第二通风室(52)基本上流体隔离。
5.根据前述权利要求任一项所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，壳体(16)在第二轴向端部(36)处限定容纳第二冷却风扇(28)的第二通风室(52)，所述第二通风室(52)流体连接到与控制装置相邻的冷却通道(56)。
6.根据权利要求5所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，冷却通道(56)沿着平行于旋转轴线(X-X)的主轴向方向(A-A)在转子(8)的第一轴向端部(32)和第二轴向端部(36)之间延伸。
7.根据权利要求5或6所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，冷却通道(56)从设置在第一轴向端部(32)一侧的入口(60)延伸到第二通风室(52)的出口(64)，以便将第二冷却空气流从第一轴向端部(32)引导到第二通风室(52)，掠过控制装置。
8.根据权利要求7所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，所述入口(60)根据平行于旋转轴线(X-X)的主轴向延伸轴线(A-A)取向。
9.根据权利要求7所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，所述入口(60)根据垂直于旋转轴线(X-X)并大致与定子(12)的壳体(16)相切的主切向延伸轴线(T-T)取向。
10.根据权利要求7、8或9所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，入口(60)与第一通风室(40)的前开口(44)流体分离。
11.根据从权利要求5至10任一项所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，冷却通道(56)相对于与所述旋转轴线(X-X)垂直的横截面呈现限定在定子(12)的壳体(16)、主体(20)和一对侧壁之间的多边形横截面。
12.根据从权利要求5至11任一项所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，在冷却通道(56)内部，容纳具有翅片(72)的至少一个散热器元件，沿着定子(12)的壳体(16)的成角度延伸部装配多个具有不同高度(80)的冷却翅片(76)，所述高度(80)由连接到控制装置的主体(20)的支撑壁(84)与定子(12)的壳体(16)之间的距离限定。
13.根据权利要求12所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，所述冷却翅片(76)彼此分离，以将冷却通道(56)分成多个轴向指向的层叠式通风管道(88)。
14.根据前述权利要求任一项所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，第一冷却风扇(24)和/或第二冷却风扇(28)包括多个笔直的径向叶片(92)，其相对于与所述旋转轴线(X-X)垂直的横截面具有通过旋转轴线(X-X)的直线式径向横截面。
15.根据前述权利要求任一项所述的具有切向结构的电机(4)，其特征在于，第一冷却风扇(24)和/或第二冷却风扇(28)包括多个弯曲叶片(96)，该弯曲叶片相对于与所述旋转轴线(X-X)垂直的横截面具有弯曲横截面。
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