CN107453551B - 带有增强的空气冷却的具有切向结构的电机 - Google Patents

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)；相对于所述旋转轴线(X‑X)与转子(8)同轴的定子(12)；定子(12)包括至少部分地容纳转子(8)的壳体(16)；电源主体(20)，其包括用于电机(4)的致动、电源和控制的控制装置(21)，该电源主体(20)在大致与定子(12)的壳体(16)相切的位置处设置在定子(12)的外部并且平行于旋转轴线(X‑X)，该控制装置(21)包括用于给电机(4)供电的功率模块(22)。有利地，功率模块(22)设有主散热器(23)，其适于消散由功率模块(22)本身发出的热功率；且功率模块(22)与控制装置(21)的其余部分热绝缘。

Description

带有增强的空气冷却的具有切向结构的电机

技术领域

本发明涉及带有增强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，电机设有用于进行相应致动和控制的功率电子器件。所述电子器件(包括相应的板)需要相应的冷却。为此目的，本领域内已知几种方案，其设置成液体(通常为水)冷却方案和空气冷却方案两者。

水冷却方案允许更多的散热，但另一方面，带来更大的成本、费用和重量；此外，必须为冷却系统提供可靠的液压密封，以防止冷却液体的任何泄漏。

而空气冷却方案更轻、更简单并且成本更低；事实上，它们设置成将一个或多个风扇键接在电机的转子轴上。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机器部件带走。

然而，空气冷却方案由于空气冷却系统相对于水冷却系统的散热能力受限而导致一些问题。

事实上，气态介质(特别是空气)相对于冷却液体具有较低的冷却能力。此外，由于所产生的空气流率直接取决于转子本身的转速，因此键接到转子轴上的风扇的冷却能力和效率明显地取决于轴本身的转速。

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，例如当电机在扭矩下以低转速工作时：在该操作模式下，电机将需要更多的散热，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些系统本身的效率，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冷却系统的倾向，但是其具有上述缺点，主要与成本、费用和尺寸有关。

当冷却具有切向结构(即具有功率电子器件)的电机时，在所述切向结构中相应的电子电路板相对于圆柱形的定子主体相切地布置，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，在对电机的功率电子器件进行足够冷却时遇到更大问题。

此外，在具有切向结构的电机的具体配置中，在保持紧凑设计的同时，冷却系统的有效定尺寸对于实现所需性能而言是至关重要的。

实际上，为了最好地利用由集成到转子的风扇吸入的空气流，需要引入允许将功率电子器件与电机集成的布置。

这样的布置应允许优化电机的冷却，以便在性能方面是可靠的，同时保持紧凑的设计并因此保持非常受限的费用。

发明内容

因此需要解决参考现有技术所提及的上述缺点和限制。

因此，需要提供一种带有空气冷却的电机，该电机能够在所有操作条件下确保电机的足够和有效的冷却，即使当转子在满负荷和低转速下旋转时，也能确保足够和有效的冷却。

这种需要由下述所述的电机来满足。本发明提供一种具有切向结构的电机，其包括：转子，其围绕旋转轴线旋转；定子，其相对于所述旋转轴线与所述转子同轴；定子包括壳体，该壳体至少部分地容纳转子；电源主体，其包括用于所述电机的致动、电源和控制的控制装置，所述电源主体在大致与定子的壳体相切的位置处设置在所述定子的外部并且平行于所述旋转轴线，所述控制装置包括用于给所述电机供电的功率模块；其中：功率模块设有主散热器，该主散热器适于消散由功率模块本身发出的热功率；功率模块与控制装置的其余部分热绝缘；所述功率模块设有绝缘框架，该绝缘框架在周边围绕功率模块，以使功率模块与控制装置的其余部分热绝缘。

附图说明

本发明的其它特征和优点从以下对其示意性和非限制性实施例的描述将变得更加明显，其中：

-图1示出根据本发明实施例的具有切向结构的电机的截面图；

-图2示出图1所示电机的转子的透视图；

-图3示出根据本发明另一实施例的电机的透视图；

-图4示出图3所示电机的转子的透视图；

-图5示出图3所示电机的截面图；

-图6示出根据本发明的电机的电源主体的局部剖视图；

-图7以分开的部件示出图6的细节VII的透视图；

-图8至图9示出在操作条件下根据本发明的电机的热分析；

-图10示出根据本发明的电机的具有翅片的散热器的示意图；

-图11示出根据本发明的电机的局部正视图。

将使用相同的附图标记来标示下文描述的实施例中的相同元件或相同的元件部件。

具体实施方式

参考上述附图，用附图标记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马达和/或发电机工作的具有任何维度、形状、尺寸或功率的任何机器。

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还包括电源主体20，其包括用于电机4的致动、电源和控制的控制装置21。控制装置21为了本发明的目的可以具有任何类型、尺寸、功率。

电源主体20在与定子12的壳体16基本相切的位置处设置在定子12的外部并且平行于旋转轴线X-X：通过具有相应控制装置21的电源主体20相对于定子的该具体“切向”定位，得出“具有切向结构的电机”这一术语。

控制装置21包括用于为电机4供电的功率模块22。

功率模块22构成电机4的主电源模块，并且出于该原因，其也是发热更多并且需要更多冷却的模块。控制装置例如包括电路100和电容器104。

有利地，功率模块22设有主散热器23，其适于消散由功率模块22本身发出的热功率。

此外，功率模块22与电机4的控制装置21的其余部分热绝缘。

根据实施例，功率模块22设有绝缘框架25，该绝缘框架在周边围绕功率模块22，以使功率模块与控制装置21的其余部分热绝缘。

绝缘框架25可具有任何几何形状；例如，它具有矩形的几何形状；优选地，绝缘框架25沿着封闭的折线延伸，以便在周边无缝地围绕功率模块22。

例如，绝缘框架25由绝热材料(诸如塑料材料)制成。使用塑料材料仅仅是示意性的，因为可以使用、替代地或组合地使用适于实现热断开(thermal break)的任何其它绝缘材料。

所述绝缘框架25介于电源主体20和装配有相应的主散热器23的功率模块21之间。

根据一个实施例，在绝缘框架25和电源主体20之间布置至少一个第一周边垫片26。

根据实施例，在绝缘框架25和主散热器23之间布置至少一个第二周边垫片27。

第一周边垫片26、第二周边垫片27的使用有助于获得功率模块22和电源主体20之间的热断开；事实上，由垫片提供的绝缘与绝缘框架25产生协同效应，抵制功率模块22和电源主体20之间的热交换。

根据实施例，控制装置21包括与所述主散热器23热分离的次级散热器29，该次级散热器适于消散除了功率模块22之外由控制装置21所产生的热量。例如，次级散热器29包括多个翅片以有利于散热。

根据实施例，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，以及第二冷却空气流朝向电源主体20引导，以冷却控制装置21。

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自身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21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21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。

根据实施例，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21并由此冷却控制装置21。

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的主轴向方向A-A取向。

根据另一实施例(图11)，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一个合适的输送通道68被引导到第二通风室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自身的有效性从而降低第一冷却风扇24、第二冷却风扇28效率的湍流。

冷却通道56可具有多种构造；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、电源主体20和一对侧壁之间的多边形横截面。

根据实施例，主散热器23包括具有翅片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有具有不同高度80的多个冷却翅片76，所述高度由连接到控制装置21的电源主体20的支撑壁84与定子12的壳体16之间的距离限定。

优选地，具有翅片72的所述散热器元件被容纳在冷却通道56中，该冷却通道相对于与旋转轴线X-X垂直并与旋转轴线X-X相关联的径向R-R限定在定子12的壳体16和电源主体20之间；该冷却通道56输送由键接到转子8上并与转子成一体旋转的第一冷却风扇24和第二冷却风扇28中至少一个所产生的冷却空气流。

电源主体20的支撑壁84直接地或通过插入热传导紧固装置而连接到控制装置21，以便允许来自控制装置21的热量朝向冷却翅片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，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，其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的相应的第一轴向端部32，由此第一轴向端部32被冷却，并将空气通过专用的径向开口48排出。该空气流专用于冷却电机4的转子-定子组合件的第一轴向端部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，第二冷却风扇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容纳具有翅片72的散热器(具体是主散热器23)，该散热器适当地成形为匹配电机的外部几何形状。

这样产生的第二冷却空气流可操作地布置成用于冷却功率电子器件(即控制装置21)，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。

因此，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。

具体地，关于控制装置21的冷却，如图所示，功率模块22设有主散热器23，其适于消散由功率模块22本身发出的热功率。功率模块22与电机4的控制装置21的其余部分热绝缘。因此，由功率模块22产生的热量基本上被限定在由绝缘框架25以及相应的第一周边垫片26、第二周边垫片27限定的体积内，并通过主散热器23、翅片72驱送到外部。通过主散热器23，由功率模块22产生的热流通过在冷却通道56内流过主散热器23的冷却空气流带走。

对于另外的控制装置21，诸如电子电路100和/或电容器104，它们与功率模块22热绝缘，以免由于功率模块22所产生的热量而过热。此外，控制装置21借助于次级散热器29的作用而被冷却。

图8至图9示出在操作条件下根据本发明的电机的热分析。较暗的区域对应于较高的温度。

如可以注意到的那样，由于通过绝缘框架25进行的热断开，热量集中在功率模块22的区域中并且不能朝向另外的控制装置21移动。因此，热量可朝向主散热器23、翅片72流动，并且借助于后者(即主散热器23、翅片72)，该热量由相应风扇、具体由第二冷却风扇28所产生的冷却空气流而带走。

如从上文可以理解到的那样，根据本发明的电机允许克服现有技术中所呈现的缺点。

具体地，本发明的冷却系统允许使用具有切向结构的电机，以限制费用和成本。

这样的冷却系统实现给电机供电的功率模块与电子部件的其余部分的热解耦。

事实上，功率模块是在包含电机电子器件的电源主体内产生更大的功率、因此产生更多热量的元件。如果功率模块直接紧固到电源主体上，则由于插入的热阻较低，因此会存在与其它电子部件的共存问题。

为此，由于本发明的方案，功率模块的紧固被直接设置在专用散热器上，该专用散热器进而由于插入绝缘框架而与电源主体热隔离或具有低的导热性。

这样的绝缘框架插入在功率模块散热器和电源主体之间，从而有利地实现电机的功率模块与其余部件的热解耦。

通过这样的方案，电机的费用和成本降低，因为它使得功率模块和其它部件之间的接近成为可能，允许以与所涉及部件的不同技术限制兼容的方式连续工作。

以这种方式，例如由铝制成的主散热器完全专用于功率模块，而其它电子部件由另一个专用的次级散热器元件冷却。后者即该次级散热器设置在适当的距离处，以便不从功率模块的主散热器接收热量。

绝缘框架是允许将功率模块与其余电子部件热绝缘的部件：事实上，绝缘框架例如由热塑性材料制成并且围绕功率模块。绝缘框架通过垫片的集成实现了密封，并且设置于功率模块主散热器和电源主体之间。

此外，本发明研究的方案采用直接键接到轴上的径向风扇，以确保可靠且具有成本效益的方案。

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，每个冷却空气流被优化以冷却电机的相应部分。

以此方式，能够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可以优化每个冷却空气流，从而防止有损于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能够将冷却空气流引导到在电路板和定子的外部侧表面之间在与后者(即定子的外部侧表面)大致相切的方向上的特定通道或槽中。

使用特定的功率电子器件冷却翅片(其至少部分地相对于定子的外侧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可以最大限度地利用定子的外部侧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，由专门设计用于冷却功率电子器件的风扇产生的冷却流的方向被进一步限定。

此外，本发明提供一种特别轻便且经济制造的适于电机的空气冷却系统。事实上，该方案采用径向风扇直接键接到转子轴上，以确保可靠和成本有效的方案。

此外，使用空气冷却系统还允许避免使用对于液体冷却系统而言典型包括的泵、管道和相关密封垫片。

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，同时保持处于由以下权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.具有切向结构的电机（4），其包括：

- 转子（8），其围绕旋转轴线（X-X）旋转；

- 定子（12），其相对于所述旋转轴线（X-X）与所述转子（8）同轴；

- 定子（12）包括壳体（16），该壳体至少部分地容纳转子（8）；

- 电源主体（20），其包括用于所述电机（4）的致动、电源和控制的控制装置（21），所述电源主体（20）在与定子（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），所述控制装置（21）包括用于给所述电机（4）供电的功率模块（22）；

其特征在于：

- 功率模块（22）设有主散热器（23），该主散热器（23）适于消散由功率模块（22）本身发出的热功率；

- 所述功率模块（22）设有绝缘框架（25），该绝缘框架（25）在周边围绕功率模块（22），以使功率模块与控制装置（21）的其余部分热绝缘；

其中，绝缘框架（25）沿着封闭的折线延伸，以便在周边无缝地围绕功率模块（22）；

其中，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；

其中，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（21）相邻的冷却通道（56），所述冷却通道容纳所述主散热器（23）；

其中，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（21）。

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，所述绝缘框架（25）由绝热材料制成。

3.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，所述绝缘框架（25）由塑料材料制成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，所述绝缘框架（25）介于电源主体（20）和装配有相应的主散热器（23）的功率模块（22）之间。

5.根据权利要求1至3任一项所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，在绝缘框架（25）和电源主体（20）之间布置至少一个第一周边垫片（26）。

6.根据权利要求1至3任一项所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，在绝缘框架（25）和主散热器（23）之间布置至少一个第二周边垫片（27）。

7.根据权利要求1至3任一项所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，主散热器（23）包括具有翅片（72）的散热器元件，沿着定子（12）的壳体（16）的成角度延伸部装配有具有不同高度（80）的多个冷却翅片（76），所述高度（80）由电源主体（20）的支撑壁（84）与定子（12）的壳体（16）之间的距离限定, 所述电源主体（20）的支撑壁（84）连接到控制装置（21）。

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，具有翅片（72）的所述散热器元件被容纳在冷却通道（56）中，该冷却通道（56）在与旋转轴线（X-X）垂直并与旋转轴线（X-X）相关联的径向（R-R）上限定在定子（12）的壳体（16）和电源主体（20）之间，该冷却通道（56）输送由键接到转子（8）上并与转子（8）成一体旋转的至少一个冷却风扇（24，28）所产生的冷却空气流。

9.根据权利要求8所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，所述冷却通道（56）沿着平行于所述旋转轴线（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。

10.根据权利要求8或9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）、电源主体（20）和一对侧壁之间的多边形横截面。

11.根据权利要求1至3任一项所述的具有切向结构的电机（4），其特征在于，控制装置（21）包括与所述主散热器（23）热分离的次级散热器，该次级散热器适于消散除了功率模块22之外由控制装置（21）所产生的热量。

12.根据权利要求1至3任一项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）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电源主体（20）引导，以便冷却所述控制装置。

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，所述第一冷却风扇（24）和第二冷却风扇（28）是径向风扇，其沿平行于所述旋转轴线（X-X）的轴向方向（A-A）吸入空气，并且沿垂直于所述旋转轴线（X-X）的径向方向（R-R）排出空气。

14.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，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。

15.根据权利要求14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）流体隔离。

16.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，所述入口（60）根据平行于旋转轴线（X-X）的主轴向方向（A-A）取向。

17.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，所述入口（60）根据垂直于旋转轴线（X-X）并与定子（12）的壳体（16）相切的主切向延伸轴线（T-T）取向。

18.根据权利要求1、16或17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。

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