CN107925305A - 用于电动机器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动机器(1)的冷却系统。该冷却系统包括至少一个轴承支座(10，11)和至少一个冷却剂分配板(12，13)，其中该轴承支座(10，11)和该冷却剂分配板(12，13)被配置成一起形成冷却通道(14)。该冷却通道(14)包括平行于该电动机器(1)的旋转轴线(D)延伸的多个水平冷却通道区段(15，16)、垂直于该电动机器(1)的旋转轴线(D)延伸的多个竖直冷却通道区段(17)、以及围绕该电动机器(1)的旋转轴线(D)延伸的多个径向冷却通道区段(24，27)。这三个不同的冷却通道区段(15，16)相互连接，其方式为使得该冷却通道(14)至少在一些区域中具有三维曲折轮廓。

Description

用于电动机器的冷却系统

技术领域

本发明涉及用于电动机器、特别是电动机(例如异步电动机或同步电动机)的冷却系统。

背景技术

这样的电动机器是各种各样的驱动任务所需要的，并且在其操作期间由于诸如涡流损耗或铜损等电损耗而产生热量损耗。在电动机器中，一个功率限制因素是所产生的热量损耗的耗散特性。特别是在电动机器内经受高温的零件不通过冷却介质直接冷却的设计的情况下，在某些情形下所使用的活性物质的利用率不是最佳的。特别地，在电动机器内热量耗散可能有问题的特殊区域是电动机器的定子绕组头部和转子。

使用气体介质或液体介质来冷却电动机器是已知的。空气被典型地用作气体介质，并且水被典型地用作液体介质，其中，在液体式冷却的情况下，电动机器通常通过冷却夹套来冷却。此外，电动机器可以进行自冷却或外部冷却。

发明内容

本发明的目的是提供一种在引言中提到类型的冷却系统，该冷却系统准许改善对电动机器、特别是其绕组头部的冷却。

该目的通过本专利的独立权利要求的主题来实现。从属权利要求、以下描述以及附图涉及有利的实施例。

根据权利要求1所述的用于电动机器的根据本发明的冷却系统包括至少一个轴承支座和至少一个冷却剂分配板。轴承支座和冷却剂分配板被设计成共同形成冷却通道。为此目的，冷却通道在每种情况下包括多个不同延伸的冷却通道区段，具体是平行于电动机器的旋转轴线延伸的多个水平冷却通道区段、垂直于电动机器的旋转轴线延伸的多个竖直冷却通道区段、以及围绕电动机器的旋转轴线延伸的多个径向冷却通道区段。在此，这三个不同的冷却通道区段彼此邻接，使得冷却通道至少局部地具有三维曲折轮廓。

三维曲折轮廓可以通过例如不同的冷却通道区段的以下顺序来实现：第一径向冷却区段例如在电动机器的转子的区域中沿径向观察时围绕旋转轴线延伸一定的距离并且过渡到第一竖直区段，该第一竖直区段径向向外延伸例如远至定子的绕组头部区域并且过渡到第一水平冷却区段，该第一水平冷却区段例如在绕组头部的轴向方向上延伸。水平区段过渡到第二径向冷却区段，该第二径向冷却区段相对于第一径向冷却区段在径向和轴向上偏移地围绕旋转轴线延伸一定距离、并且过渡到第二轴向冷却区段，该第二轴向冷却区段平行于第一轴向冷却区段并朝相反的方向延伸。第二轴向冷却区段过渡到第二竖直冷却区段，该第二竖直冷却区段平行于第一竖直冷却区段并朝相反的方向延伸。以这种方式，形成了三维曲折图案的区段或环，该曲折图案可以通过将这样的区段或环串接在一起而形成。这样的曲折图案优选地在整个圆周上或几乎整个圆周上延伸，也就是说，在冷却剂分配板和轴承支座组装好的状态下，实现了三维径向环绕的曲折冷却通道，该曲折冷却通道由水平的、竖直的和径向的冷却通道区段形成。冷却介质(例如油、水或乙二醇)可以被引导穿过冷却通道。然而，还提供的是使用其他冷却流体或冷却液体。

通过冷却通道的曲折轮廓，可以在定子绕组头部的区域中产生冷却，该冷却既平行于旋转轴线又围绕旋转轴线，特别是在绕组头部的圆周方向上。根据本发明的冷却系统使得，特别地可以使在作为热点的定子绕组头部的区域中产生的热量损耗能够被特别有效地耗散。因此，作为关键发热点的热点可以似乎就是在它们出现的位置被冷却。借助于根据本发明的冷却系统可以按针对性的方式从定子绕组头部和转子的区域耗散热量，待冷却的机器的功率可以在结构体积不变的情况下增大。

借助于该冷却通道可以作为轴承支座和冷却剂分配板的组装过程的结果而产生，因此可以减少用于电动机器的组装和制造的费用。借助于该冷却通道不必在一个工作步骤中、例如在永久模铸造过程中生产，特别地对于成批制造，可以使用相对便宜的制造方法，例如压力模具铸造和挤出成型，而不需要重新加工，例如钻削或铣削加工。此外，尽管冷却通道是基于轴承支座和冷却剂分配板的特别简单的构造，但是它们确保了绕组头部和电动机器的最佳冷却，由此可以实现较大的功率输出。

在一个实施例中提供的是，竖直连接板和轴向连接板伸入所述冷却通道中，其中竖直连接板和轴向连接板围绕所述电动机器的旋转轴线以间距彼此交替，并且被设计成在冷却通道内引导冷却介质。换句话说，连接板伸入冷却通道，使得流动穿过冷却通道的冷却介质沿轴向方向和竖直方向转向。例如，轴承支座可以具有轴向连接板，并且冷却剂分配板可以具有轴向连接板，反之亦然，以便在电动机器在组装好的状态下实现相应的通道构型和导流。

因此，例如可以通过冷却通道中的冷却剂分配板的轴向连接板和轴承支座的竖直连接板来形成曲折的三维冷却通道。借助于所述轴向和竖直连接板在各自情况下在径向方向上交替地安排在冷却通道中、并且在径向方向上相对于彼此偏移地安排，形成了通道，在该通道中使冷却介质基本上在径向方向上从冷却通道的第一端处的供给端口流动到冷却通道的与第一端相反定位的第二端处的排放端口，并且就其在连接板的两端处的移动方向而言转向约180°。

此外，冷却剂分配板的轴向连接板可以接合到轴承支座的对应凹部中，并且反之亦然。

此外，至少一个横向肋可以被安排在冷却通道中。该横向肋使冷却通道内的流动截面变窄。因此，可以使冷却通道内的冷却介质能够更快速地流动并且在横向肋的区域中更强烈地混合，这可以引起对阻碍热传递的边界层的正面影响，这借助于普朗特(Prandtl)边界层的厚度的减小成为可能。此外，横向肋有利地扩大了潜在的热量传递交换表面。

热量传递一般凭借将流体的热分子引导到表面通过对流进行。在此过程中，必定存在恒定的后续新分子的供给，以便可以发生热量交换。流体的移动越强，通过对流的热量传递也越大。因此，通过对流优化热量传递的目的是将层流转变为永久湍流。在任何流动中，流体颗粒保持粘附到壁上。其他颗粒沿着前面的颗粒滑动，使得没有颗粒可以相对于所述流动方向横向地向壁释放热量。于是，这是纯粹的层流。热量传递仅通过热传导发生。通过冷却通道内的湍流器或横向肋的安排，虽然气体颗粒再次保持不动地粘附到壁上，但是事实上，取决于涡流的形成，颗粒也相对于流动方向横向移动并且将颗粒带到薄的边界层以便热量交换。流动则是湍流的，并且热量传递随着湍流的增大而增大。

此外，至少一个纵向肋可以被安排在冷却通道中。此外，冷却通道可以至少局部地具有粗糙化表面。这两个实施例有利地允许潜在的热量传递交换表面的扩大。

此外提供的是，换向器壳体抵靠冷却剂分配板。通过冷却介质在冷却通道的冷却通道区段中的相应连通，实现了对轴承支座和换向器壳体的均匀有效的冷却。由于根据本发明的情况是冷却通道以三维方式被引导，所以可以以环绕的方式冷却绕组头部，并且可以大面积冷却在轴承支座和换向器壳体之间的接口，该换向器壳体一方面具有径向滚珠轴承并且另一方面具有控制和功率电子器件。

在进一步的实施例中，提供了两个轴承支座、两个冷却剂分配板以及冷却剂传输装置，其中轴承支座和冷却剂分配板在各自情况下被安排在电动机器的彼此相反的轴向侧、特别是在电动机器的驱动侧和输出侧，并且冷却剂传输装置在冷却剂分配板之间形成用于冷却剂的连接管线。在将轴承支座、冷却剂分配板和换向器壳体组装在电动机器的一侧、并且将轴承支座和冷却剂分配板组装在电动机器的另一侧的过程中，在各自情况下形成了如上所述的一个冷却管道，该冷却管道可以围绕相应的定子绕组头部按照三维曲折和环绕的方式引导。由于冷却通道以三维方式引导，可以以环绕方式冷却定子绕组头部，并且可以以区域方式冷却轴承支座与换向器壳体之间的接口。

根据本发明的电动机器包括：具有定子叠片铁芯的定子，其中具有轴向突出的绕组头部的线圈绕组被插入到定子叠片铁芯中；具有转子叠片铁芯的转子，转子叠片铁芯被安置在转子轴上；以及根据本发明所述的冷却系统。

在根据本发明的电动机器的一个实施例中提供的是，绕组头部中的至少一个由接触元件围绕。接触元件可以例如涉及间隙填充物。此实施例使得能够将热量从绕组头部耗散到散热器，例如主动冷却的轴承支座。在这种情况下，接触元件(例如间隙填充器)可以形成定子绕组头部到冷却系统的热连接。在轴承支座组装过程之后，绕组头部的径向外表面和轴向外表面可以在轴承支座的相应凹陷中彼此抵靠，特别地尤其是没有气穴和游隙。以这种方式，有利地可以实现绕组头部与主动水冷轴承支座之间的特别良好的导热过渡，并且因此可以大大减少绕组头部中的局部热点的形成。

附图说明

下面将基于附图更详细地讨论本发明的示例性实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的具有冷却回路的示例性实施例的电动机器的示意性局部纵向截面图示，

图2示出了根据本发明的具有冷却系统的另一示例性实施例的另一电动机器的透视分解图示，

图3以替代的透视分解图示出了根据图2的电动机器的部分，

图4示出了根据图3的部分的放大透视图，其中冷却通道被表示出，

图5示出了根据图2的电动机器的冷却剂分配板的透视图，并且

图6示出了根据图2的电动机器的轴承支座的侧视图。

具体实施方式

图1示出了电动机器1的上部，该电动机器包括具有定子叠片铁芯3的定子2，其中具有轴向突出的绕组头部4的线圈绕组被插入到定子叠片铁芯3中。此外，定子2具有转子5，该转子具有被安置在转子轴6上的转子叠片铁芯7。转子轴7被安装在电动机器1的图1右侧所展示的驱动侧的第一转子轴承8中、以及在电动机器1的图1左侧所展示的输出侧的第二转子轴承9中。第一轴承支座10固定地保持第一转子轴承8，并且第二轴承支座11固定地保持第二转子轴承9。第一轴承支座10被固定地连接到第一冷却剂分配板12，并且第二轴承支座11被固定地连接到第二冷却剂分配板13。

第一轴承支座10和第一冷却剂分配板12、还以及第二轴承支座11和第二冷却剂分配板13均在各自情况下共同形成冷却通道14。冷却通道14在各自情况下包括平行于电动机器1的旋转轴线D延伸的多个水平冷却通道区段15、16，垂直于电动机器1的旋转轴线D延伸的多个竖直冷却通道区段17，以及围绕电动机器1的旋转轴线D延伸的多个径向冷却通道区段(图1中未示出)，其中这三个不同的冷却通道区段15至17彼此连结，使得冷却通道14具有三维曲折轮廓。

在图1中，每个冷却通道14中在各自情况下可以看到若干个第一水平冷却通道区段15中的一个，如径向观察到的，该第一水平冷却通道区段在转子叠片铁芯7的外部区域中和在绕组头部4的内部区域中延伸并且沿着绕组头部4轴向延伸。此外，图1示出了每个冷却通道在各自情况下的若干个第二水平冷却通道区段16中的一个，如径向观察到的，该第二水平冷却通道区段比第一水平冷却通道区段15更向外延伸并且沿着绕组头部4的外周轴向地延伸。第一冷却通道区段15和第二冷却通道区段16沿着第一轴承支座10在平行于绕组头部4的轴向方向上延伸，使得绕组头部的径向内部区域和径向外部区域可以在轴向方向上大范围地被冷却，特别是经由第一轴承支座并借助于在冷却通道内流动的冷却介质(例如水，油或乙二醇)而被间接地冷却。

此外，图1示出了每个冷却通道14中在各自情况下的若干个竖直冷却通道区段17中的一个，该竖直冷却通道区段将第一水平冷却通道区段15连接到第二水平冷却通道区段16。在轴向方向上，换向器壳体18被侧向地安排在第一冷却剂分配板12上，该换向器壳体容纳换向器(未展示出)。竖直冷却通道区段17延伸使得可以在径向方向上冷却绕组头部，并且可以经由冷却剂分配板12间接冷却换向器壳体18。另外的冷却通道区段(未展示出)被安排在绕组头部4的圆周方向上，这些另外的冷却通道区段在各自情况下相互过渡并且沿着绕组头部4的完整圆周的主要部分形成三维曲折形式的冷却通道14。此外，冷却剂传输装置K被安排在第一冷却剂分配板12与第二冷却剂分配板13之间，并且在冷却剂分配板12、13之间形成用于冷却剂的连接管线。

图2至图6示出了另一电动机器1，该电动机器具有在图2中从右到左示出的换向器壳体18、冷却剂分配板12、第一轴承支座10、定子2的绕组头部4、定子叠片铁芯3以及第二轴承支座11。在电动机器的组装好的状态下，竖直连接板19和轴向连接板20伸入到由第一轴承支座10和冷却剂分配板12形成的冷却通道中，其中竖直连接板19和轴向连接板20以间距彼此交替围绕电动机器1的旋转轴线D，并且被设计成在冷却通道内引导冷却介质。

轴向连接板20由冷却剂分配板12形成，并且竖直连接板19由第一轴承支座10形成、并且有助于形成曲折的三维冷却通道。借助于所述轴向连接板20和竖直连接板19在各自情况下在径向方向上交替地安排在冷却通道中、并且在径向方向上相对于彼此偏移地安排，形成了冷却通道，在该冷却通道中使冷却介质基本上在径向方向上从冷却通道的第一端处的供给端口21流动到冷却通道的与第一端相反定位的第二端处的排放端口22，并且就其在连接板19、20的两端处的移动方向而言转向约180°。此外，冷却剂分配板12的轴向连接板20可以接合到第一轴承支座10的相应的凹部23中。

图4借助于虚线箭头线示出了以三维曲折方式延伸的冷却通道14的轮廓，该冷却通道由第一轴承支座10和冷却剂分配板12在其组装好的状态下形成。在此，冷却通道14具有不同的冷却通道区段的以下重复序列：

如在电动机器1的转子(图2至图6中未示出)的区域中径向观察到的，第一径向冷却区段24围绕电动机器的旋转轴线D延伸一定距离并且过渡到第一竖直冷却通道区段25，该第一竖直冷却通道区段径向向外延伸远至定子2的绕组头部4的区域并且过渡到第一水平冷却区段26，该第一水平冷却区段例如在绕组头部4的轴向方向上延伸。水平区段26过渡到第二径向冷却区段27，该第二径向冷却区段相对于第一径向冷却区段24在径向和轴向上偏移地围绕旋转轴线D延伸一定距离、并且过渡到第二轴向冷却区段28，该第二轴向冷却区段平行于第一轴向冷却区段26并朝相反的方向延伸。第二轴向冷却区段28过渡到第二竖直冷却区段29，该第二竖直冷却区段平行于第一竖直冷却区段25并朝相反的方向延伸。以这种方式，形成了三维曲折图案的区段或环，该曲折图案可以通过将这样的区段或环串接在一起而形成。该曲折图案在供给端口21与排放端口22之间沿周向延伸，也就是说，在冷却剂分配板12和第一轴承支座10的组装好的状态下，提供了三维径向环绕的曲折冷却通道14，该冷却通道由水平冷却通道区段26、28，竖直冷却通道区段25、29以及径向冷却通道区段24、27形成。冷却介质(例如油、水或乙二醇)可以被引导穿过冷却通道14。

Claims (9)

1.一种用于电动机器(1)的冷却系统，该冷却系统包括至少一个轴承支座(10，11)和至少一个冷却剂分配板(12，13)，其中该轴承支座(10，11)和该冷却剂分配板(12，13)被设计成共同形成冷却通道(14)，其中该冷却通道(14)

-包括平行于该电动机器(1)的旋转轴线(D)延伸的多个水平冷却通道区段(15，16；26，28)，

-包括垂直于该电动机器(1)的该旋转轴线(D)延伸的多个竖直冷却通道区段(17；25，29)，并且

-包括围绕该电动机器(1)的该旋转轴线(D)延伸的多个径向冷却通道区段(24，27)，

其中，该三个不同的冷却通道区段(15，16；26，28；17；25，29；24，27)彼此邻接，使得该冷却通道(14)至少局部地具有三维曲折轮廓。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，竖直连接板(19)和轴向连接板(20)伸入该冷却通道(14)中，其中这些竖直连接板(19)和这些轴向连接板(20)围绕该电动机器(1)的该旋转轴线(D)以间距彼此交替，并且被设计成在该冷却通道(14)内引导冷却介质。

3.如以上权利要求之一所述的冷却系统，其特征在于，至少一个横向肋被安排在该冷却通道(14)中。

4.如以上权利要求之一所述的冷却系统，其特征在于，至少一个纵向肋被安排在该冷却通道(14)中。

5.如以上权利要求之一所述的冷却系统，其特征在于，该冷却通道(14)至少局部地具有粗糙化表面。

6.如以上权利要求之一所述的冷却系统，其特征在于，换向器壳体(18)抵靠该冷却剂分配板(12)。

7.如以上权利要求之一所述的冷却系统，其特征为

-两个轴承支座(10，11)，

-两个冷却剂分配板(12，13)，以及

-冷却剂传输装置(K)，

其中

这些轴承支座(10，11)和冷却剂分配板(12，13)在各自情况下被安排在该电动机器(1)的彼此相反的轴向侧，并且该冷却剂传输装置(19)在这些冷却剂分配板(12，13)之间形成用于冷却剂的连接管线。

8.一种电动机器(1)，包括，

-具有定子叠片铁芯(3)的定子(2)，其中具有轴向突出的绕组头部(4)的线圈绕组被插入该定子叠片铁芯(3)中，

-具有转子叠片铁芯(7)的转子(5)，该转子叠片铁芯被安置在转子轴(6)上，以及

-如以上权利要求之一所述的冷却系统。

9.如权利要求8所述的电动机器(1)，其特征在于，这些绕组头部(4)中的至少一个由接触元件围绕。