CN110024270A - 具有液体冷却功能的电机 - Google Patents

Abstract

本申请描述了电机(10)和用于电机的壳体(12)。该电机(10)设置有液体冷却装置并且包括壳体(12)。壳体(12)形成为一个整体元件并且包括第一空间(30)，定子(21)和转子(23)位于该第一空间中。转子(23)具有轴(20)。此外，壳体(12)中形成有第二空间(50)。用于操作电机的电子设备(54)位于第二空间(50)中。此外，壳体(12)中形成有第三空间(40)，从轴(20)的轴向位置来看，第三空间(40)位于第一空间(40)与第二空间(50)之间。第三空间(40)包括用于冷却液的至少一个入口(18)和用于所述冷却液的至少一个出口(28)。

Description

具有液体冷却功能的电机

技术领域

本发明涉及一种具有液体冷却功能的电机。具体地，本发明涉及一种具有水冷却功能的电动机。

背景技术

电机是可以被操作成电动机和/或发电机的设备。电机由定子和转子形成。电绕组被布置在定子中，并且在这种情况下，转子包括电感部件或永磁体，或者电绕组可以被放置在转子中，在这种情况下，定子具有电感部件或永磁体。电机的运行总是涉及绕组中的损耗以及永磁体或电感部件中的损耗。由于这些损耗，会产生热量。通常，在定子和转子中均会产生热量。

电机通常还设置有用于驱动和控制电机的电子设备。电子设备的运行也产生热量。

所产生的热量通常需要通过对电机进行冷却来进行处理，避免电机或其部件的过热。这特别是对于高功率应用的情况。对热量进行处理的方法因应用而异。在一些应用中，需要具有高效率的冷却装置。然后，冷却装置最常见的是基于液体冷却。通常地，用作冷却化合物的液体可以是水。

US 2014/0265670描述了一种用于具有集成电力电子设备的电机的冷却装置。在US 2014/0265670中，冷却提供了对电机和机器的电子设备均进行冷却。

在US 5798586和JPS 62178137中描述了液体冷却电机和液体冷却电机的电子设备的组合的其他示例。

一直希望改善电机的性能，包括电机的冷却和电机的装配过程。因此，需要一种具有液体冷却功能的改进电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的电机，并且具体地是，一种改善的电机冷却机制。本发明的另一个目的在于提供一种能够用简化的装配工艺进行制造的电机。

本发明的目的和/或其他目的是通过在所附权利要求中陈述的电机来获得的。

已经意识到，用于诸如永磁电动机和磁阻电动机的电机的现有冷却装置需要更多的空间，冷却具有限制，并且组装复杂。例如，当在车辆中设置用于为不同单元供电的电动机时，特别是在诸如公交车或卡车之类的重型车辆中，通常存在高功率需求，同时存在严格的空间限制。待供电的单元例如可以是液压泵和安装在车辆中的类似单元。考虑到安装在车辆中的这些单元的运行条件，这些单元需要紧凑、需要有效的冷却，并且需要具有鲁棒性。

现有冷却装置的主要缺点在于，需要机器具有复杂结构。例如，US2014/0265670中的液体冷却装置需要装配复杂的部件来提供冷却装置。这将导致复杂的组装过程。此外，由于需要大量的装配部件，电机的复杂结构将经受鲁棒性问题。

根据本发明，提供了一种冷却装置，其要求较少的部件，并且与现有的具有液体冷却功能的电机相比，同时能够提供改进的冷却效率。根据本发明的冷却装置能够同时冷却电机和用于操作电机的电子设备，具有高性能且需要很少的空间。同时，本发明结构稳固，易于组装。这是通过提供冷却装置而获得的，从轴向方向上看，冷却装置位于电机和操作电机的电子设备之间，其中，电机的壳体被制造为一个整体元件，即设置未分割的壳体以包围定子/转子、冷却装置和电子设备。整体元件例如可以通过铸造工艺或者通过例如冷成型、热成型或液压成型之类的备选工艺形成。因此，用于电机的壳体的"片"主要用于冷却目的。"片"具有面向定子和转子的至少一个表面，用于冷却电机，以及面向电子设备的至少一个其它表面。换句话说，在通常可以是铸件的一个整体壳体内，冷却装置可以完全“夹在”电机和用于操作电机的电子设备之间。在冷却装置中，液体冷却剂被循环。冷却装置通常由电机的壳体中的空间形成，在该空间中液体冷却剂可以进入和离开以冷却空间的表面。经冷却的表面分别与定子和转子所在的空间的表面以及电子设备所在的空间的表面直接接触。由此，用于定子和转子的空间以及用于电子设备的空间可以有效地冷却。在电机位于具有循环冷却系统的车辆中的情况下，冷却装置可以经由连接到车辆的循环冷却剂系统的入口和出口直接连接到这种预先存在的冷却系统。因为冷却装置可以形成为具有低流动阻力的空间，所以形成冷却装置的空间中的流速可以很高。

上述布置将导致具有高冷却能力且具有易于组装的高鲁棒性的非常紧凑的电机。具有如本文所述的冷却装置的电机适用于对电力要求高导致需要高冷却能力并且还存在严格的空间限制的应用。此外，通过将壳体铸造成一个整体元件，可以减少材料量，因为不需要提供专门的复杂冷却电路。作为将壳体铸造成单个且未分开部件的替代方案，壳体可以使用冷成型、热成型或液压成型来进行制造。

根据一个实施例，提供了一种电机。电机设有液体冷却装置并包括壳体。壳体在一个铸造整体元件中包括第一空间、第二空间和第三空间。在第一空间中，设置有定子和转子。转子具有轴。此外，在壳体中形成第二空间。在第二空间中，设置有用于操作电机的电子设备。而且，在壳体中形成第三空间。从轴的轴向看，该第三空间位于第一空间和第二空间之间。第三空间包括至少一个用于冷却液体的入口和至少一个用于冷却液体的出口。由此提供了一种冷却装置，其被配置为同时冷却电机和机器的电子设备。冷却装置可以具有小的径向尺寸，因为冷却装置不需要延伸到电机和/或用于操作电机的电子装置的径向外部。结构非常坚固，几乎没有需要组装的部件。用于形成冷却装置的材料量将非常有限。而且，通过铸造壳体作为一个整体元件将增强冷却装置的冷却性能，因为壳体可以更容易地将热量从电机的热部件传递走。而且，绕组中产生的热量可以以这种方式通过壳体传递到冷却装置。当壳体由具有良好导热性能的材料(例如铝)或包括金属的一些其他材料制成时尤其如此。

根据一个实施例，第三空间被布置成通过盖子与第一空间密封。由此，可以便于电机和其壳体的组装。盖子可以是定子的一部分。根据一个实施例，至少一个密封构件被设置在盖子和/或壳体限定第三空间的部分中的至少一个中。由此，可以提供有效的密封，其将冷却剂保持在第三空间内。

根据一个实施例，第三空间被布置成通过盖子与第二空间密封。由此，可以便于电机和其壳体的组装。盖子可以是电子设备的一部分。

根据一个实施例，电子设备位于第二空间面向第三空间的表面上，特别是突出表面上。这是有利的，因为如果与通过循环冷却剂从另一侧冷却的表面存在直接接触，则可以改善电子设备的冷却。

根据一个实施例，用于在第一空间中提供气流的构件设置在第一空间中。由此，热量可以以更高的效率从转子朝向第一空间的冷却内表面传递。例如，用于提供气流的构件可以是安装在转子的轴上的风扇或安装在转子轴上的某一其他装置，或者是轴本身上的突起部。

根据一个实施例，转子的轴延伸到所述第二空间中，并且该轴的延伸到第二空间中的部分设置有用于编码器的代码元件。由此，可以为电机提供易于实现的速度/角度检测器，因为指示轴的旋转速度或位置的装置延伸到电子设备所在的空间中，并且在电机中不需要用于布线或者其他装置的附加布线或密封/垫圈来向用于操作电机的电子设备提供速度指示信号。根据一个实施例，编码器的读取器位于控制电子设备内，或者甚至直接组装在控制电路板上。

根据一个实施例，第三空间是盘形的。因此，可以使第三空间具有较大的区域面向第一空间并且还具有较大的区域面向第二空间。结果将是面向电机的发热部件——即，定子/转子以及用于操作电机的电子设备的大的冷却区域。同时，用于冷却装置的附加空间可以很小，因为所需的唯一空间是用于电机的壳体的几厘米的附加轴向长度。在一个实施例中，冷却空间形成为在转子轴的轴承的径向外侧的盘，因此不需要电机的任何附加的轴向长度。根据一个实施例，壳体形成为使液体冷却剂仅沿电机的径向方向流过壳体。

根据一个实施例，壁将第三空间与第二空间隔开。该壁可以形成为壳体的整体部分。可替代地，作为壳体的整体部分而制成的壁可以用于将第三空间与第一空间分开。这些措施将进一步减少组装时间并且改善热传递，进而改善了冷却装置的冷却能力。具有这种整体壁的壳体的铸造生产方法使得其易于包括紧固装置，例如用于容易地组装控制电路板的螺钉的突起部和用于诸如动力模块之类的驱动电路的固定块。

根据一个实施例，在定子和第一空间的内表面之间设置了传热但电绝缘的灌封化合物。灌封可以起到改善定子中的铜绕组或者其他发热部件的热传递的作用。灌封化合物也可以设置在第一空间面向第三空间的表面和定子之间。由此，可以提供从定子到第一空间的冷却内表面的改进的热传递。定子侧面上、位于冷却空间相对侧的绕组可以有效地冷却，因为从铜经由灌封化合物并且通过整体壳体直接到第二空间中的冷却介质具有良好热连接，不同的壳体和盖子之间不存在任何接头对传热产生负面影响。

本发明还涉及一种用于电机的壳体，所述壳体被形成为一个一体的整体元件，例如铸造件。

附图说明

现在将通过非限制性示例的方式并且参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是示出电机的视图；

图2是用于电机的壳体的正视透视图；

图3是用于电机的壳体的后视透视图；

图4a和图4b是根据不同实施例的电机的剖视图；

图5a和图5b是用于电机的夹层冷却装置的视图；以及

图6是电机的剖视图，其示出了电机的附加部件。

具体实施方式

下面将描述电机及其部件。在附图中，相同的附图标记表示多个附图中的相同或相应的元件。应当理解的是，这些附图仅用于说明，而不是以任何方式限制本发明的范围。此外，可以将所描述的不同实施例中的特征进行组合以满足特定的实现需求。

下文所描述的电机是永磁电机。然而，本文所描述的原理也可以应用于其它电动机，例如磁阻电动机或者电机为发电机的情况。

在图1中示出了电动永磁电动机10。电动机10可以是例如用于诸如公共汽车或卡车之类的车辆中的高功率电动机。例如，电机的尺寸可以被设计成产生多个kW的量级的功率，例如大于3kW。在这种电动机中，热损失通常为几百瓦的量级。这与通常存在于许多应用——例如车辆应用中的严格空间需求相结合将对电动机的高效冷却提出了很高的要求以便以稳健可靠的方式正确地操作。

在另一实施例中，电机可以是小型的，例如具有100W或几百瓦的功率和约10W或更高的热损失的电动机。

图1中的电动机包括壳体12。壳体具有前部14和与该前部连接的后部16。此外，提供了用于诸如水之类的液体冷却剂的入口18和出口28。电动机10还具有输出轴20。

在图2中，以正面透视视图更详细地示出了壳体12。壳体12包括三个不同的空间，当电动机在使用中时，这三个不同的空间彼此分离，这将在下文中进行描述。定子和转子位于第一空间30中。用于操作电机的电子设备位于第二空间50中。此外，壳体中还形成有第三空间40。第三空间40位于第一空间30与第二空间50之间。换句话来说，从电动机轴20的轴向方向来看，第三空间40位于第一空间30与第二空间50之间。第三空间40还包括用于液体，特别是水的至少一个入口18，以及用于所述液体的至少一个出口28。第三空间40布置成密封，而与第一空间30和第二空间50隔开。为了确保对第一空间30的良好密封，可以在壳体12的限定第三空间40以及面向第一空间30的部分上设置密封构件24、密封构件26。密封构件可以是任何合适的类型，例如合适类型的O形环、粘合物或垫圈。

壳体12沿壳体的周边可以具有变化的厚度。根据一个实施例，所述变化的厚度由形成在所述壳体中的肋13提供，所述肋沿壳体的轴向方向延伸。肋13可起到下述作用：增加整体壳体内的热传递，同时使壳体12具有一定的径向挠性，这在电机的装配期间将定子装配到壳体中时是有利的。壳体12可以有利地由导热性能良好的材料——例如诸如铝之类的金属制成。壳体12可以被铸造成一体件，从而形成一个整体元件。换句话说，形成壳体的整体元件为一个整体式铸造件。上面是形成整体元件的可选方案。壳体12可以在电机10的整个轴向长度上延伸，从而径向包围第一空间30、第二空间40和第三空间50的全部。

在图3中，在后视透视图中更详细地示出了壳体12。如图3所示，壳体12包括后部的第二空间50，根据一些实施例，第二空间50通过壁53密封，从而与第三空间40隔开。壁53可以但不一定形成为壳体12的整体部分。在一些实施例中，壁53可以替代地由将第三空间40与第二空间50密封的单独部分形成。然而，在图3所示的实施例中，壁53与壳体12是一体的。例如，壁53可以铸造成壳体12的一部分。根据一些实施例，壁53可以具有大致平坦的表面。此外，壁53可以在壳体12的横截面的大部分上延伸。例如，壁53可以占壳体的截面面积的至少50％或者甚至占壳体12的横截面的70％或更多。因此，提供了朝向包括冷却剂的第三空间40的大的冷却区域。此外，壁53可以具有突出表面52。突出表面52可以是大致平坦的。突出表面52可以被布置成提供专用冷却表面，该专用冷却表面可以靠近位于第二空间50中的发热电路。具体地，用于电动机的驱动电路可以位于突出表面52上或靠近突出表面52。此外，根据一些实施例，开口55可以设置在壁53中，用于接收待电动机的容纳在壳体12中的轴的后部。作为替代方案，可以以类似的方式形成壁，将第三空间40与第一空间30分开。

在图4a中，示出了从电动机10的一侧的剖视图。如图4a所示，壳体12具有用于容纳定子21和转子23的第一空间30。此外，壳体包括用于容纳用来控制电动机的电子设备54的第二空间50。壳体还包括用于容纳诸如水之类的液体冷却剂的第三空间40。冷却剂可以经由入口18进入第三空间40。从电动机10的转子轴20的轴向方向来看，第三空间40位于第一空间30和第二空间50之间。具体地，第三空间40通常可以是盘形，其宽度为几厘米，诸如介于0.5厘米与10厘米之间，特别是介于1.5厘米与5厘米之间。然后，盘形第三空间40的顶部和底部将分别面向第一空间30和第二空间50。在图4a的实施例中，冷却液仅沿电机的径向方向上流过电机的壳体12。因此，流动阻力将变低。下面将更详细地描述第三空间的几何形状。

电机10还包括覆盖第一空间30的前构件14，前构件14还可以支承电机10的轴20。为了支承轴20，前构件可以包括轴承15。在第一空间30的底部，可以设置盖子27。盖子27将第一空间30与第三空间40密封。盖子27可以具有面向第一空间30的相对大的表面区域，并且其还可以面向第三空间40。根据一些实施例，盖子27可以具有大致平坦表面。此外，盖子27可以在壳体12的截面的大部分上延伸。例如，盖子27可以占据壳体的横截面的面积的至少50％或者甚至占壳体12的横截面的70％或更多。因此，提供了包括冷却剂的朝向第三空间的大的冷却区域。盖子27可以通过诸如螺钉29之类的合适装置或通过诸如胶水、铆钉或搭扣配合之类的其他合适的装置连接到壳体12上。

此外，第二空间50可以容纳电子设备54，该电子设备54由供给第三空间40的冷却剂形成的冷却装置进行冷却。电子设备54通常可以包括用于操作电动机10的逆变器和/或控制单元。电子设备54可以安装在位于第二空间50中的电路板56上。根据一些实施例，电子设备54可以位于壁53的突出表面52上或非常靠近壁53的突出表面52。根据一个实施例，电子设备54的至少一个电路靠在壁53或该壁的突出表面52上。根据一个实施例，电子设备54的至少一个电路位于距壁53或表面52少于2mm的位置。

此外，如图4a所示，电动机10的轴20可以具有支承轴20的后轴承31。根据一个实施例，后轴承可以设置在壁32的中心部分中。此外，根据一些实施例，轴20的后部可以延伸到第二空间50中。此外，第二空间50可以通过后部16从外部封闭。后部16可以通过螺钉17或诸如胶水、铆钉或搭扣配合之类的类似装置附接到壳体12。

在图4b中，示出了类似于图4a的视图。根据图4b所示的实施例，在第一空间30中设置了灌封化合物33。灌封化合物33被提供以改善从定子21到第一空间30的冷却内表面的热传递。灌封化合物33可以径向地设置在定子21和第一空间30的表面之间。另外，或者作为替代方案，灌封化合物可以设置在定子和盖子27之间，由第三空间40中的冷却装置进行冷却。可替代地，根据一个实施例，定子通过按压配合组装在定子钢叠片的外径和壳体的内径之间，确保从钢叠片到壳体的良好热传递。灌封化合物用于将热量从铜线传递到钢叠片并且到壳体。灌封化合物33可以是任何合适的商业化合物，并且灌封化合物33可以填充整个定子21。

在图5a中，示出了第三空间40的主视图。第三空间40包括至少一个入口18和至少一个出口28。在图5a的实施例中，入口18和出口28位于电动机壳体12的同一侧。但是，入口和出口可以位于其他位置。在使用中，诸如水之类的冷却剂将在第三空间40中从入口18流到出口，如箭头所示，从而冷却界定第三空间40的部分。根据一些实施例，第三空间40可以由例如盖子27和壁53以及壳体12的一部分(例如，外环42)界定。根据其他实施例，壁53由第二盖子代替。环42可以具有封闭第三空间40的任何合适的形状。该形状可以例如是圆形。根据一些实施例，环42的内表面具有形成在其上的突起部43。突起部43有助于增加第三空间40中的冷却剂的循环，从而增加电动机10的冷却装置的冷却效果。如果对流动阻力的要求不那么严格，则这样的实施例可能是有利的。

根据一些实施例，第三空间40具有中心构件44。中心构件44可以如上文所述的例如支承轴20的后部。

在图5b中，第三空间40的替代实施例被示出为主视图。在图5b的实施例中，第三空间40的入口18和出口28位于壳体12的不同侧，特别是相对侧。如上所述，入口18和出口28的其他构造是可能的。例如，可以设置多个入口和/或多个出口以增加第三空间40内的流动，从而增加由第三空间40提供的布置的冷却能力。此外，设置多个入口和出口可以用于减小通过第三空间40在电机中形成的冷却装置的流动阻力。

此外，如图5b所示，环42的突起部43的形状可以不同，具有非对称凸缘，这与图5a中的实施例相反，在图5a中，突起部的凸缘是对称的。

在图6中，示出了类似于图4的视图。与图4中所示的电动机10相相比，图6的电动机10具有一些附加部件。图6的电动机10包括构件80，构件80被构造成在第一空间30内提供气流。构件80可以例如是位于转子轴上的风扇。通过设置构件80，可以在第一空间30中产生气流。所产生的空气流可以帮助传递来自转子的热量以被第一空间30的内表面冷却，特别是面向第三空间40的由冷却剂冷却的表面。

此外，编码器70可以设置在转子的轴20的后端。编码器可以设置在第二空间50中。这将要求轴20的后端延伸到第二空间50中。编码器70可以提供指示轴20的旋转速度和/或位置的信号。这可以用于控制电动机速度和/或用于其他目的。编码器70可以例如由设置有标记的盘74形成。盘74可以旋转经过读取器72，读取器72读取标记的通过以提供指示轴的旋转速度的信号。其他众所周知的诸如磁霍尔传感器、光学传感器或旋转变压器之类的编码器装置可替代地设置在轴20的后端。

Claims (21)

1.一种设置有液体冷却装置的电机(10)，所述电机包括定子(21)和转子(23)，所述转子(23)具有轴(20)，所述电机还包括用于所述电机的操作的电子设备(54)，其特征在于，壳体(12)形成为整体元件，所述壳体包括容纳所述定子(21)和所述转子(23)的第一空间(30)，容纳所述电子设备(54)的第二空间(50)以及第三空间(40)，沿着所述轴(20)的轴向方向看，所述第三空间位于所述第一空间(30)和所述第二空间(50)之间，所述第三空间(40)包括用于冷却液的至少一个入口(18)和用于所述冷却液的至少一个出口(28)。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述壳体(12)被铸造。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述第三空间(40)被构造成通过盖子(27)与所述第一空间(30)密封隔开。

4.根据权利要求3所述的电机，其中，所述盖子(27)是所述定子(21)的一部分。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机，其中，所述第三空间(40)被构造成通过盖子与所述第二空间(50)密封隔开。

6.根据权利要求5所述的电机，其中，所述盖子是所述电子设备(54)的一部分。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的电机，其中，至少一个密封件(24，26)被设置在下述项中的至少一个中：所述盖子(27)和/或所述壳体(12)限定所述第三空间(40)的部分(42)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机，其中，所述电子设备(54)位于所述第二空间(50)的面向所述第三空间(40)的突出表面(52)上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电机，其中，用于在所述第一空间(30)中提供气流的构件(80)设置在所述第一空间(30)中。

10.根据权利要求9所述的电机，其中，用于提供气流的所述构件(80)是安装在所述转子(23)的所述轴(20)上的风扇。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电机，其中，所述转子(23)的所述轴(20)延伸到所述第二空间中(50)中并且其中所述轴(20)的延伸到所述第二空间(50)中的部分设置有用于编码器(70)的编码元件(74)。

12.根据权利要求11所述的电机，其中，所述编码器(70)的读取器(72)位于所述控制电子设备(54)中。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的电机，其中，所述第三空间(40)为盘形。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的电机，其中，壁(53)将所述第三空间(40)与所述第二空间(50)隔开。

15.根据权利要求14所述的电机，其中，所述壁(53)形成为所述壳体(12)的整体部分。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的电机，其中，所述壳体(12)被构造成使得冷却液仅能够沿着所述电机的径向方向流过所述第三空间(40)。

17.根据权利要求16中任一项所述的电机，还包括灌封化合物(33)，所述灌封化合物被设置在所述定子(21)与所述第一空间(30)的内表面之间。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的电机，其中，所述电机是永磁电机。

19.一种壳体(12)，所述壳体被构造成容纳电机(10)，所述壳体(12)形成为整体元件，其特征在于，所述壳体(12)被构造成形成第一空间(30)、第二空间(50)以及第三空间(40)，定子(21)和转子(23)位于所述第一空间(30)中，用于所述电机的操作的电子设备(40)位于所述第二空间(50)中，所述第三空间(40)形成在所述壳体(12)中、位于所述第一空间(30)与所述第二空间(50)之间，所述壳体(12)包括用于液体流到所述第三空间(40)的至少一个入口(18)以及用于来自第三空间(40)的液体流出的至少一个出口(28)。

20.根据权利要求19所述的壳体(12)，其中，所述壳体被铸造。

21.根据权利要求19或20所述的壳体(12)，还包括将所述第三空间(40)与所述第二空间(50)隔开的壁(53)，所述壁(53)是所述壳体(12)的整体部分。