CN110249509B - 包括转子中的磁体的内部空气冷却系统的封闭式旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括冷却系统的封闭式旋转电机，该冷却系统包括在转子(150)的两个端部处固定地安装在轴(160)上的两个内部风扇(181、182)。转子和定子(190)以由两个凸缘密封的方式被容纳在封闭的壳体中。各风扇能够使空气在磁通屏障中双重循环，磁通屏障围绕转子的磁体并且由在任一侧上与转子交叉的轴向凹槽形成，并且风扇还能够使空气在形成在内部风扇与包括翅片(113、123)的凸缘的内表面之间的空间中循环，翅片能够引导由风扇产生的空气流并且捕获它们的热量。外部冷却装置实现了冷却壳体和凸缘，冷却可以是通过空气或通过液体进行的。

Description

包括转子中的磁体的内部空气冷却系统的封闭式旋转电机
技术领域
本发明涉及旋转电机的领域、具体是旋转电机冷却。
其更具体地涉及封闭式可变同步磁阻旋转电机的冷却。
背景技术
旋转电机通常包括相对于彼此同轴设置的固定部分、即定子和可旋转的可动部分、即转子。转子通常容纳在定子内，定子承载电绕组，产生磁场，允许转子被驱动旋转。转子通常包括由成捆的层叠物组成并设置在旋转轴上的本体。这些层叠物包括用于永磁体的壳体或在转子周界上形成磁极的绕组。磁体可以出现在转子的表面上，或者它们可以完全集成在转子内。在可变同步磁阻旋转电机的情况下，转子通常包括靠近由该转子承载的磁通屏障设置的永磁体，这些磁通屏障通常是空隙空间。它们也被称为永磁辅助同步磁阻电机。
电机由于电磁(焦耳效应损失和铁损)和机械损失而过热。这种过热会损害其正常运行并导致性能下降。例如，如果磁体没有被冷却，则磁通量不那么强，这会导致扭矩损失并因此导致电机性能下降。可能发生磁体的不可逆的退磁。绕组也对温度升高敏感：绕组温度越高，铜的导电率越低，并且绕组的寿命越短。随着铜的电阻增加，也会发生效率损失。因此，旋转电机的各种电磁部件以及各电机部分中使用的一些绝缘材料对操作期间产生的过热敏感，并且为了消散产生的热量，对其进行冷却是必要的，以便维持良好的机器效率、提供性能可重复性、延长使用寿命并限制其维护。
因此，寻求高效冷却是旋转电机制造商和集成商的主要关注点。
存在各种类型的冷却系统，它们通常适用于机器的动力，其中，空气冷却系统通常效率不那么高并且对机器内部具有侵蚀性，而例如使用水的液体冷却系统，特别是在发生重大损失时使用，正如电牵引电动机或油冷却系统那样。使用液氮或氦的其它冷却系统可用于发电厂中的电机。
虽然对机器、更确切地是对包含转子和定子的机器的封壳(或外壳)的空气冷却与其它冷却系统相比是一种经济上有意义的选择，但是它通常效率较低，并且因此通常限制于冷却低功率电机。这例如是牵引应用场合中的情况，其中，空气冷却通常用于功率小于20kW(千瓦)的电动机。超过该功率，通常实施液体冷却系统。
此外，空气冷却可能需要在电机的外部和内部之间的空气循环，这增加了对其范围的限制，在这种情况下保留用于“开放式”，即非密封的电机。
在用于“封闭式”(密封式)电机的空气冷却系统中，其仅限于对机器外壳的外部部分进行冷却，借助与轴一体的风扇实现强制空气对流，而在转子处产生的热量产生给了空气间隙的空气与定子，这些热量通过壳体排出。然而，这样的系统系统不会充分地排出机器内、特别是在转子处产生的热量，这使得它难以使用，特别是对于具有非常高转速的电机进行冷却。因此，封闭式机器的这种空气冷却系统的效率受到限制，并且其使用再次限于低功率机器。
发明内容和目标
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，并提供一种用于封闭式旋转电机的高效的冷却系统，从而确保电机所需的性能和效率。
具体地，本发明旨在允许对转子的轴、并且更具体地是对设置为靠近由转子承载的磁通屏障的永磁体的高效冷却以及对可具有根据EN 60,529标准的高IP保护代码、通常为IP67保护代码的、旋转电机的绕组端部的高效冷却。
本发明还旨在提供一种不消耗(无源系统)或仅消耗少量电力的冷却系统，并且该冷却系统限制与系统运行相关的机械损失。
因此，为了实现上述目的中的至少一个，本发明首先提供一种封闭式旋转电机，包括：
-设置在封壳中并包括绕组的定子，
-转子，包括紧固于围绕中心轴线X旋转的轴的本体，转子安装在定子中旋转，并包括容纳磁通发生器的第一凹槽和形成磁通屏障的第二凹槽，第一和第二凹槽是细长的并且沿着轴线X贯穿转子的本体，
-一对轴承，每个轴承支承旋转轴的一个端部，
-前凸缘和后凸缘，分别设置在封壳的两个相对的前端部和后端部处，前凸缘和后凸缘各自包括用于紧密地密封该封壳的密封装置、内表面、外表面和容纳一个轴承的中心壳体，凸缘的内表面包括设置在中心壳体的外周部分上的翅片，以及
-冷却系统，包括一对内部风扇，每个内部风扇在旋转轴上固定地安装在转子本体与一个轴承之间，以便在轴旋转时在转子的第二凹槽中产生第一双向空气流和在每个内部风扇与前凸缘或后凸缘的内表面之间产生第二空气流。
优选地，每个内部风扇包括内表面、外表面、用于旋转轴通过的中心开口以及交替的开放径向部段和闭合径向部段，它们划分内部风扇的表面并由与轴线X正交的径向壁分开，而径向壁形成在内部风扇的外表面上突出的叶片。
有利地，内部风扇具有圆形形状，它们的内表面包括置于转子本体上并且正交于中心轴线X的平面部分，正交平面部分在每个闭合径向部段处通过倾斜的平面部分延伸并且在每个开放径向部段处通过开口延伸。
优选地，转子包括由磁通发生器和磁通屏障产生的n个磁极，每个磁极由与内部风扇相邻的闭合的和开放的两个径向部段覆盖，并且两个内部风扇以成角度偏移的方式安装在旋转轴上，以使一个内部风扇的开放径向部段与另一个内部风扇的闭合径向部段沿着基本平行于中心轴线X的单个轴线相匹配。
优选地，内部风扇的开放和闭合径向部段(扇区)的总数是2.n，并且两个内部风扇安装在轴上、偏移等于360/(2.n)的角度β，n是范围在2至12之间、优选地等于4或8的偶数。
有利地，内部风扇和凸缘的内表面的翅片能够以径向方式朝向定子的绕组端部引导空气，然后引导空气流从绕组端部返回到凸缘的中心，首先在绕组端部处沿着与轴线X平行的方向，然后径向地朝向旋转轴，以便形成在每个内部风扇与前凸缘或后凸缘的内表面之间产生的第二空气流。
凸缘的内表面的翅片可以是平面的并且具有一般的梯形形状，其包括正交于中心轴线X的基部和与壳体相对的、具有凹度的侧部。
有利地，机器还包括外部冷却装置，用于冷却封壳和前凸缘以及后凸缘。
根据一实施例，外部冷却装置包括外部风扇，该外部风扇设置为与后凸缘的外表面相对并且固定地安装在旋转轴上，以便沿前凸缘的方向沿着封壳送出外部空气。
根据该实施例，封壳可具有外表面，外表面包括基本上沿着平行于旋转轴的轴线X的轴线的一组细长的冷却翅片，并且后凸缘可以包括连接到圆柱形外周部分的呈冠部形式的中心部分以及设置在后凸缘的中心部分与外周部分之间的至少一个开口，用于驱动由外部风扇送入的外部空气进入由封壳的外表面的一组冷却翅片形成的通道。
外部风扇优选地包括紧固到旋转轴的外部空气驱动轮和包括允许外部空气进入的孔口的保护板，该板附接到后凸缘的外周部分。
根据另一实施例，外部冷却装置包括冷却剂回路，冷却剂回路包括冷却剂入口、冷却剂出口和与封壳接触的管线网络，其中，冷却剂循环以冷却封壳和前凸缘以及后凸缘，并且其中所述管线网络优选地是集成在封壳中的盘管。
优选地，冷却剂包括水。
根据本发明的电机优选的是同步磁阻电机。
附图说明
通过阅读通过非限制性示例、参考附图的对本发明的具体实施例的后文的描述，本发明的其它特征和优点将会变得清楚，在附图中：
-图1A和图1B分别是根据本发明的第一实施例的电机的前部和后部的立体图，其中，机器的冷却完全通过空气冷却执行，
-图2是根据本发明的电机的旋转部分的立体图，其上安装有两个内部风扇，
-图3是根据本发明的电机的转子的径向剖视图，
-图4A和图4B分别是根据本发明的电机的内部风扇的外表面和内表面的立体图，
-图5A和图5B分别是根据本发明的电机的内部风扇的外表面和内表面的正视图，
-图6A、图6B和图6C分别是根据本发明的电机的内部风扇的外表面的示意图、沿着截面A-A的其剖视图(图6B)和沿着截面B-B的其剖视图(图6C)，两个剖面都在图6A中有表示，
-图7是根据本发明的、包括两个内部风扇的电机的旋转部分的侧视图，
-图8A和图8B是根据本发明的、包括内部风扇的电机的旋转部分的一端(前端)的相同前视图，图8B以透明视图示出了内部风扇，
-图9A和图9B示出了转子中的空气循环，它们分别是根据本发明的电机的旋转部分的一端的正视图和沿着图9A所示的截面C-C的剖视图，
-图10A和图10B分别是根据本发明的第一实施例的电机的前凸缘的内表面和外表面的立体图，
-图11A和图11B分别是根据本发明的第一实施例的电机的后凸缘的内表面和外表面的立体图，
-图12是根据本发明的第一实施例的电机的纵向剖视图，
-图13是根据本发明的第一实施例的电机的俯视图，
-图14A、图14B和图14C是根据本发明第一实施例的电机的剖切后部(图14A)和剖切前部(图14B)的立体图，以及电机的纵向剖视图(图14C)其示出了由外部风扇产生并在封壳外循环的外部空气流，
-图15A和图15B分别是根据本发明的第一实施例的电机的后表面的平面图和该后表面的立体图，
-图16A和图16B分别是根据本发明的第二实施例的电机的前部和后部的立体图，其中，电机的冷却通过空气冷却和液体冷却执行，
-图16C是根据本发明的第二实施例的电机的纵向剖视图，以及
-图17A、图17B和图17C是根据本发明的第二实施例的电机的剖切前部(图17A)、剖切后部(17B)的局部立体图。图17C与图17B的视图相同，附加地示出了封壳中的液体循环。
在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种包括冷却系统的封闭式旋转电机，该冷却系统包括两个内部风扇，这两个内部风扇固定地安装在转子轴上、在转子的两端处，允许经由包括在转子中的永磁体周围的磁通屏障进行通过转子的双重空气循环。每个内部风扇面向凸缘的内表面，包括适于对由内部风扇产生的内部空气流进行定向和捕获空气流热量的翅片。
封闭式电机理解为是这样电机，其转子和定子封闭在也可称为壳体的密封的封壳中。
根据本发明，包含电机的定子和转子的封壳由两个凸缘密封。
冷却系统还可以包括可以是空气或液体冷却装置的外部冷却装置，用于冷却封壳和凸缘。
在本说明书中，内部空气理解为包含在封闭式电机中的空气、更确切地是封闭在机器的密封的封壳中的空气，而外部空气理解为封闭式旋转电机外的空气。
图1A和图1B示出了根据本发明第一实施例的封闭式电机，其可用作电动或混动车辆中的电气牵引电动机。
例如，如图1A和图1B所示的电动机是可变同步磁阻电动机，也被称为同步磁阻电动机，其具有30kW(千瓦)的恒定功率、52kW的瞬态(峰值)功率，其可使用350V的直流母线电压工作。它是一种永磁体辅助式同步磁阻电机。
虽然它有利地应用于可变同步磁阻电机，但是本发明不限于这种电机拓扑结构，并且它更广泛地涉及任何类型的电机，其包括具有磁通屏障的转子，磁通屏障包括延伸贯穿转子的凹槽。根据本发明的电机具有例如20kW至400kW的瞬态功率(峰值：瞬态30秒)。更具体地，根据第一实施例的电机可具有范围为20kW至75kW的功率，而根据下述第二实施例的电机可以具有范围为75kW至400kW的功率。
电动机100包括由前凸缘110和后凸缘120密封的封壳130。电机的转子和定子及其绕组包含在密封的封壳130中。封壳130的内部在图12中更好地示出，下面结合电动机冷却系统详细描述。在其中进行连接的接线盒(未标记)紧固到封壳130上、具体是在使电动机的前部处的封壳闭合的凸缘110上。封壳130和凸缘110和120由金属，例如铝或铁制成。
根据本发明的第一实施例，外部冷却装置包括外部风扇140，该外部风扇设置为与后凸缘120的外表面相对并且固定地安装在转子的旋转轴160上，以便沿前凸缘110的方向沿着封壳130送出外部空气。
围绕轴线X旋转的轴160由分别布置在封壳130的相对的两个前端和后端处的前凸缘110和后凸缘120承载；前凸缘110布置在封壳130的第一端处，支承旋转轴160的负载的驱动侧，而后凸缘120布置在与第一端相对的封壳的第二端处，支承旋转轴160的负载的驱动侧的相对侧。
在本说明书的其余部分中，在其中负载由转子的旋转轴驱动的电机的一侧被称为电机的前部，而相对侧被称为电机的后侧。
更具体地，前凸缘110和后凸缘120各自包括内表面111、121、外表面112、122和中心壳体116A、126A，该中心壳体定位在内表面111、121的中间部分中，用于接纳轴承，如图10A、图10B、图11A和图11B所示。如图7所示，轴承171和172支承旋转轴160的负载160a的驱动侧和旋转轴的与负载160b的驱动侧相对的一侧。
前凸缘110和后凸缘120包括用于紧密地密封封壳130的密封装置。
图2是电机的旋转部分的立体图，其上安装有属于根据本发明的机器的冷却系统的两个内部风扇181和182。
实际上，根据本发明，冷却系统包括一对内部风扇181、182，每个内部风扇固定地安装在转子150的本体与一个轴承171、172之间的旋转轴160上。在轴旋转时，设置在封壳130内并且与轴成一体的这对内部风扇181、182一方面允许在转子内形成通过形成磁通屏障的凹槽28的第一双向空气流，另一方面允许在每个内部风扇和与风扇相对定位的凸缘的内表面之间形成第二空气流。
实际上，内部风扇允许空气以双向空气流的形式轴向地注入转子中，这导致对转子的内部磁体的冷却。风扇还通过与凸缘相互作用而允许通过封壳内的第二空气流的作用来冷却定子绕组端部以及电机的轴和转子。
在更详细地描述封壳130内的冷却过程之前，将在下文中详细描述转子和内部风扇的结构。
在定子中旋转安装的电机的转子150包括紧固到旋转轴160的本体。转子以本身已知的方式包括一束(一批)相同的平面层叠物14、优选地为铁磁体。转子包括多个磁通发生器16、这里是呈矩形杆形式的永磁体，其长度基本上等于转子本体的长度、由磁通屏障围绕，磁通屏障由贯穿层叠物14的轴向凹槽28(沿着轴线X为细长的)组成。磁通发生器16被容纳在贯穿转子的轴向凹槽中。磁通量发生器16和形成磁通屏障的凹槽28径向分布在转子中，以便形成举例来说如图2所示的磁极20、8。
图3以径向剖视图详细示出了电机的转子。未示出磁通发生器16。圆形的层叠物14包括由旋转轴160横穿的中心孔18和贯穿层叠物延伸的多个轴向凹槽。
众所周知，层叠物通过用任何已知的手段，例如胶合、压制等使孔和凹槽匹配而相互组装。这样组装后，层叠物形成了承载轴160的转子150的本体。
在这种构造中，本体包括容纳磁通发生器16的第一系列轴向凹槽22和允许产生磁通屏障的另一系列轴向凹槽28。
第一系列轴向凹槽22具有四边形的形状，例如，这里为矩形。
这些凹槽22接纳磁通量发生器16(未示出)、例如是长度基本等于本体长度的同样为矩形条形式的永磁体。在下面的剩余的描述中，这些凹槽被称为“壳体”。
这些壳体22，在此为三个，径向地布置在彼此之上并且与孔18的中心O彼此相距一定距离。
这一系列的三个壳体沿着偏移45°角的四个轴线AA'、BB'、CC'和DD'围绕点O周向地重复，以便形成围绕点O均匀分布的一连串的系列。
因此，如图3所示，每个半轴线OA，OA'；OB，OB'；OC，OC'；OD，OD'承载三个轴向壳体22，这些壳体长度更大的面垂直于半轴线，而其面尺寸从层叠物的中心O到周界减小。
最靠近孔18的壳体22相对于该孔留下材料桥24，而在各个壳体之间留有材料桥26。
离孔18最远的壳体22定位在离本体的外周边缘一定距离处。
另一系列的凹槽由厚度e基本恒定且径向倾斜的穿孔28构成，从壳体22开始并且终止于层叠物14的边缘附近。这些穿孔从壳体22的侧边缘30开始，并且它们与穿过壳体的具有更长的长度的各面中的一个面的平面形成角度α，并且止于其附近。
如图3所示，倾斜的穿孔相对于壳体22对称地布置。更准确地说，一系列的三个倾斜的穿孔定位在半轴线的一侧上，并且另一系列的三个倾斜穿孔定位在该半轴线的另一侧上。
因此，每次形成基本上V形的平底几何图形，平底由壳体22形成而该V形的倾斜的臂由穿孔28形成。因此，在每个半轴线上获得三个叠置的V形形状，它们彼此相距一定距离定位，其高度和宽度尺寸从孔18到本体的周界减小。
因此，除了材料桥24、26之外，在每个V形的倾斜的穿孔28之间留有实心部分32，而在最靠近一系列三个V形的孔18的穿孔28与最靠近相邻系列的三个V形中孔18的穿孔28之间留有另一个实心部分34。
由此产生由穿孔28形成的磁通屏障。来自磁体的磁通量然后不能通过材料桥和实心部分。磁通屏障被认为是由两个穿孔28形成的，这两个穿孔28设置在容纳在壳体22中的磁体的任一侧(在半轴线的每一侧)上，并且从壳体22的边缘30开始。
每组由三个磁通发生器16和三个穿孔28组成，这三个磁通发生器16被容纳在三个壳体22中，这三个壳体22沿着半轴线OA，OA'；OB，OB'；OC，OC'；OD，OD'对齐，而三个穿孔28在磁体的任一侧上，即用于三个磁体的六个穿孔28，形成转子的磁极20，这里为八个。在根据本发明的机器的转子中，每个磁极包括至少一个磁体和至少一个磁通屏障。
由磁通发生器16和磁通屏障形成的转子磁极20的数量n是偶数，优选地在2至12之间的范围内、优选地等于4或8、并且优选地等于8，如图3所示。磁极的数量主要取决于转子的直径。通常，极的数量越大，则以较小电流得到的转矩越高，但是由于这影响了电动机的电气频率，所以电动机的控制就会越复杂。
转子150的本体还可包括在材料桥24中且在接纳轴160的孔18附近的腔36，例如呈如图3中所示的四边形形式的八个腔，其围绕中心O均匀地分布，优选地在每个(各个)半轴线之间，以减轻转子重量。这些腔36在转子中沿着轴线X是细长的，并且它们延伸穿过其中(从机器的前部到后部)。这种类型的腔也可用于接纳转子动态平衡质量，腔可具有不同形状的闭合截面，例如多边形或五边形。平衡质量可以是例如圆形截面的杆或球。可以通过在各个层叠物上冲压并将层叠物彼此组装来产生腔36，从而形成该腔。
结合图2而且也结合图7，图7以侧视图示出了在此设有两个内部风扇181和182的电机的旋转部分，第一内部风扇181固定地安装在旋转轴160上、位于转子150的本体与轴承171之间，轴承171在负载驱动侧160a上支承旋转轴160。因此，其布置在电动机的前侧处，并面向电动机的前凸缘110的内表面111。对称地，内部风扇182固定地安装在旋转轴160上、位于转子150的主体与轴承172之间，该轴承172在与负载驱动侧160b相对的一侧上支承转轴160。因此，其布置在电动机的后部处，并且面向后凸缘120的内表面121。轴承171、172例如是滚珠轴承，如图8A和图8B所示，它们示出了图7所示的旋转部件的正面。内部风扇181和182例如由铝制成并通过压铸获得。.
两个内部风扇181和182具有相同的结构。
为了在封壳内产生特定的空气循环，内部风扇181、182优选地具有以下结构：每个内部风扇181、182包括：
-如图4B和图5B所示，定向为朝向转子150的本体的内表面，
-如图4A和图5A所示，定向为朝向闭合封壳的凸缘的外表面，
-允许旋转轴160通过的中心开口6，以及
-交替的开放径向部段(扇区)2和闭合径向部段(扇区)3，它们划分风扇的表面，并且由正交于中心轴线X的径向壁分开，所述壁在风扇的外表面上形成突出的叶片13。闭合径向部段理解为沿轴向方向没有孔口的径向部段。开放径向部段理解为沿轴向方向有至少一个孔口的径向部段。
开放径向部段2包括沿纵向方向(即，沿轴的轴向方向)的开口2'，并且它们允许空气进入转子的凹槽28，而闭合径向部段3包括呈斜坡3、3'、3"的形式的没有孔口的表面，并且它们允许在转子的凹槽28中循环的空气根据下文结合图9A和图9B所描述的循环模式流出。
内部风扇的表面更精确地分成具有均匀角度分布的2.n个径向部段1，这2.n个径向部段根据交替的开放径向部段2和闭合径向部段3而分布。开放径向部段2的数量等于闭合径向部段3的数量。在界定每个径向部段1的两个径向壁之间形成的角度β是360/2.n。要提醒的是，n是转子的磁极20的数量。优选地，n范围在2至12之间、优选等于4或8，并且更优选地为8。因此，当转子包括4个磁极时，内部风扇包括八个径向部段1，而在转子包括8个磁极的更优选的情况下，内部风扇包括十六个径向部段1，如图中所示。当转子包括八个磁极时，内部风扇每个包括十六个径向部段，其中角度β为22.5°。
内部风扇优选地具有圆形形状，其内表面包括与中心轴线X正交并且位于转子150的本体上的平面部分4，所述正交平面部分4从中心开口6径向地延伸到风扇的周界，并且在闭合径向部段3处通过(由)相对于平面部分4的平面倾斜的倾斜的平面部分3'延伸，该倾斜平面部分3'从平面表面6开始并且朝向风扇的周界延伸。然后，该部分3'通过与轴线X'正交并因此平行于平面部分4的平面部分3"延伸(通过在开放径向部段2处的开口2')，该开口是沿转子轴的轴向方向的，所述开口部分地由径向侧壁13界定。"开口"的意思是该部分可以包括至少一个通道孔。在闭合径向部段3处的部分4、3'和3"形成了斜坡形式的表面，允许来自凹槽28的空气流动以在该表面上滑动并被送向定子。
内部风扇的内表面的平面部分4覆盖转子150的本体的一部分，该部分包括在每个开放径向部段2处的腔36，以便仅在由凹槽28形成的磁通屏障中产生空气循环。
风扇181和182可以包括紧固环7，用于将它们固定到转子150的本体，该紧固环设有用于螺钉的通道孔8，可能用于改进或替代通过内部风扇的压力到旋转轴160上的附连。环7然后可以形成内部风扇的中心开口6。环7从风扇181和182的外表面突出。
内部风扇的外表面包括轴向突出的叶片13，叶片13由将径向部段1分开的径向壁构成，其允许将空气送过开放径向部段2的开口2'，以便流入凹槽28，并且通过将空气送向定子的绕组端部来参与在每个内部风扇和前凸缘或后凸缘的内表面之间实现的空气循环。叶片13在环7的边缘上从中心开口6的附近开始。
内部风扇的外表面包括与轴线X正交的平面部分5，该平面部分5围绕环7并且承载突出的叶片13的端部。在开放径向部段2处，平面部分5通过倾斜的平面部分5'朝向风扇的周界延伸来与该面的内表面的平面部分4形成斜面，从而为开口2'留出空间。在闭合径向部段3处，平面部分5通过平行于内表面的部分3'的倾斜部分9'朝向风扇的周界延伸，该倾斜部分9'本身通过平行于内表面的部分3"的部分9"延伸。
在图6B和图6C中可清楚地看到闭合径向部段3和开放径向部段2的这种结构，图6B和图6C分别对应于沿着图6A中所示的线A-A的开放径向部段2的横截面图和图6A中所示的沿着线B-B的闭合径向部段3的横截面图。图6B和图6C中的箭头表示流入和流出转子的空气。图6A是内部风扇的外表面的示意图。
每个内部风扇安装为使得相邻的两个闭合径向部段和开放径向部段覆盖转子的(一个)磁极。这种构造在图8A和图8B中清楚可见，它们示出了设有风扇181的电机的旋转部分的前表面。图8B与图8A相同，除了风扇181以透明视图示出，以便更好地理解开放径向部段和闭合径向部段的相对于转子150的磁极的布置，包括由凹槽28构成的磁通屏障围绕的磁体16。图9A采用了图8B的视图，示出了装有风扇171的转子部分的前表面，其中，带阴影线的白色箭头2000和全黑箭头3000分别示出了在转子旋转时通过开放径向部段2进入转子和通过闭合径向部段3离开转子的内部空气。
此外，两个内部风扇181、182以成角度偏移的方式安装在旋转轴上，偏移的角β等于360/(2.n)。这一偏移允许沿着基本上平行于中心轴线X的同一轴线将一个内部风扇的开放部段2与另一内部风扇的闭合区段3相匹配，如图7所示。
因此，可以在转子内产生双向空气流，如图9B所示，其示出了沿着图9A中绘制的截面C-C'的电机的横截面图：内部空气在机器的一侧通过开放径向部段2的开口2'流入，如箭头2000所示，它在设置在磁体16的同一侧上的凹槽28中循环，如实心白色箭头5000所示，并且它借助以角度β偏移安装的风扇，在机器的另一侧上通过布置在开放径向部段2的轴向延伸部中的闭合径向部段流出。空气的循环方向例如是从机器的后部到前部，如图9B的上部中示出的。同时，对于转子的相同磁极，内部空气进入转子，在其中循环，并在位于这些磁体16的另一侧上的凹槽28处，根据图9B的下部部分所示的循环模式，沿相反方向从电机的前部到后部流出。因此，在转子中产生双向空气流，即机器前部/后部方向和相反的机器后部/前部方向，对于每个磁极，空气沿一个方向在设置在磁体一侧上的轴向凹槽28中循环，并且沿相反方向对于设置在磁体另一侧上的凹槽。
转子中的这种双向空气流允许磁通发生器16可能地释放热量以被有效地冷却，循环的空气自身经由在每个内部风扇与前凸缘或后凸缘的内表面之间实现的第二内部气流将热量产生至凸缘和封壳。
该第二内部空气流将在下文中更好地描述。
对封壳130进行密封的前凸缘110和后凸缘120参与了内部空气循环和电机冷却。
图10A和图10B中示出前凸缘110。
前凸缘110包括呈冠部118a形式的中心部分和圆柱形的外周部分118b。
前凸缘110包括图10A中可见的面向封壳130内部的内表面111、图10B中可见的外表面112、以及位于内表面的中间部分中的、用于接纳轴承171的中心壳体116a。该壳体116a在其中心包括用于供转子的旋转轴160通过的孔口116b。密封件114b、114a设置在允许轴160通过的孔口116b处，并且设置在用于与封壳130接触的外周部分118b的周界上凸缘110的外周部分118b还包括用于将前凸缘110紧固到封壳130的附连点115，例如是如图所示的四个附连点。
根据本发明，前凸缘110的内表面111包括设置在中心壳体116a的周界上的一组翅片113。这些翅片113的目的是对由内部风扇181、182的旋转产生并离开转子150的空气流进行定向，如以下结合图14所述的，并捕获该空气流的热量。前凸缘110的内表面111包括例如十二个翅片113。
翅片113优选地围绕壳体116a均匀分布。优选地，翅片和凸缘体例如使用模具来制造以形成单个实体(整体)。有利地，翅片的形状设计成使得它们有助于特定的内部空气循环，以便有效地冷却绕组端部和电机的旋转部分。每个翅片优选地是平面的，并且它具有大致梯形形状，其基部(平行的相对两侧)正交于轴线X，并且其与壳体11a相对的一侧不是直的而是弯曲的，呈现出凹度(相对于位于翅片的径向延伸部中、凸缘的周界118b上的点)。翅片边缘的这种凹度允许提供与绕组端部的最佳接近，而同时提供用于高效冷却的优化的空气流。对翅片的描述是基于在凸缘表面处可见的部分的(而不是基于凸缘的横截面的)。根据剖过翅片的横截面图，翅片具有直角梯形的大致形状，其与基部形成直角的一侧构成壳体116的壁(图14中可见)。内部翅片在某种程度上具有鸟翼的形状，其肩胛部分会与凸缘的内表面相对。翅片的尺寸设计成使得在内部风扇和与内部风扇相对的翅片113a的顶部之间设有最大空间，以便保持与内部风扇的邻近，这适于在凸缘和机器的内部元件之间留下的空间中良好的空气循环。作为非限制性示例，对于包括内径为大约20cm的凸缘、设有大约20mm长的内部翅片的装置，在内部风扇和翅片的顶部113a之间留有4到5mm的空间，翅片的长度(或高度)被理解为翅片沿着轴线X的尺寸。
优选地，前凸缘110的外周部分118b还包括在其外表面112上的散热翅片117。散热翅片117基本上沿着平行于转子的轴线X的轴线是细长的。如图13所示，当封壳130具有包括一组冷却翅片131的外表面时，前凸缘110的翅片117于是形成由封壳130的冷却翅片131设置的通道的延伸部。
图11A和图11B中示出后凸缘120。
后凸缘120包括连接到圆柱形外周部分128b的呈冠部128a形式的中心部分。
与前凸缘110一样，后凸缘120包括图11A中可见的面向封壳130内部的内表面121、图11B中可见的外表面122、以及定位在内表面的中间部分中、用于接纳轴承172的中心壳体126A。该壳体126a在其中心处包括允许旋转轴160通过的孔口126b。密封件124b、124a设置在允许轴160通过的孔口126b处，并且设置在用于与封壳130接触的外周部分128b的周界上。后凸缘120的外周部分128b和中心部分128a包括连接部125，连接部也包括用于将凸缘紧固到封壳的附连点。例如，后凸缘包括具有四个附连点(例如用于螺钉通过的孔口)的四个连接部125。
根据本发明，后凸缘120的内表面121以与前凸缘110相同的方式包括布置在轴承壳体126a的周界上的一组翅片123。这些翅片123的用于类似地是为了对由内部风扇的旋转产生并离开转子150的空气流进行定向，如下面结合图14所述的，以及捕获该空气流的热量。后凸缘120的内表面121包括例如十二个翅片123。
翅片123优选地围绕壳体126a均匀分布。它们的形状和它们的尺寸优选地与上述前凸缘110的内表面111的翅片113的形状和尺寸相同。至于翅片113，翅片123的尺寸设计成使得在内部风扇和与内部风扇182相对的翅片123的顶部部分之间设置最大空间。
后凸缘120包括至少一个开口127，该至少一个开口设置在中心部分128a与外周部分128b之间，用于将外部风扇140送来的外部空气沿着外壳130定向，特别地用于将该空气送到由封壳130的外表面的一组冷却翅片131形成的通道。后凸缘120包括例如这样的四个开口，如图11A和凸11B所示。这些开口207具有例如圆弧形状，并且它们均匀地分布在凸缘120的中心部分128a的周界上。
图12是根据本发明第一实施例的电动机100的横截面图，详细示出了电机的各元件，并示出了在密封的封壳内每个内部风扇与前凸缘或后凸缘的内表面之间的空气流(空气流192由箭头示出)，该气流是由运行中的内部风扇181和182与封壳130内的电机的结构元件、特别是凸缘110和120的内表面的结构之间的相互作用引起。
电动机100包括布置在封壳130中的定子190，该定子包括绕组，并且紧固到旋转轴160的转子150可旋转地安装在其中。电动机冷却系统一方面包括与凸缘的翅片相互作用的一对内部风扇181和182，并且另一方面包括外部冷却装置，即根据第一实施例的外部风扇140，用于冷却封壳以及前凸缘和后凸缘。
除了在转子内产生双向空气流之外，在转子旋转时，内部风扇181和182与前凸缘和后凸缘110、120的内表面111和121的翅片113和123相互作用，以便在每个内部风扇与凸缘的内表面之间产生空气流，该空气流的热量被凸缘的内表面的翅片捕获。
更具体地，前凸缘和后凸缘110、120的内表面111、121的翅片113、123适于将离开转子的空气流192径向地朝向定子190的绕组端部191引导(沿围绕(关于)旋转轴160的轴线X离心的方向流动)，然后将空气流从绕组端部191送回到凸缘的中心，首先在绕组端部处沿平行于轴线X的方向，然后径向地朝向旋转轴(平行于轴线X流动，然后沿围绕(关于)轴线X的向心方向流动)。因此，在转子150的任一侧上，在电动机的前侧和后侧上实现了这种空气流。凸缘113和123的内表面的翅片除了对离开转子的内部空气流进行定向之外，还允许耗散空气流的热量，并因此冷却绕组端部191以及轴160和电机的转子150。
内部空气的热量通过与凸缘和电机的封壳接触而部分地排出。
位于后凸缘120的外表面上的风扇140通过产生外部空气流而有助于冷却封壳130和凸缘，该外部空气流首先被径向地朝后凸缘120的外表面的周界引导，然后平行于旋转轴线X朝前凸缘110引导，以便扫掠封壳130的外表面，外表面优选地设有冷却翅片131，并且优选地由金属板132覆盖，该金属板132将空气流限制于封壳130的外表面。
图13对应于根据本发明第一实施例的电动机的俯视图，更详细地示出了封壳的外部，特别是电动机的侧部部分。通常由金属、例如铁或铝制成的封壳130可在其外表面上具有一组冷却翅片131，其沿着基本上平行于转子的轴线X的轴线为细长的。基本上平行于轴线X意味着相对于该轴线X在大约25°内。这些冷却翅片131的用途是增加封壳与空气的交换表面以便更好地散热，并且将外部空气流引向封壳的表面，以便从一个凸缘到另一凸缘覆盖封壳的整个长度。当前凸缘110的外周部分还包括耗散翅片117时，产生外部空气通道连续性，该耗散翅片优选地定向与封壳130的冷却翅片沿相同的方向，因此改进封壳和前凸缘的冷却。
有利地，电动机还包括金属板132，其优选地由铝制成，安装在封壳130上并且围绕冷却翅片131，以便在空气沿封壳循环时保持空气靠近封壳130的外表面和冷却翅片131。在图13所示的电动机的示例中，金属板132稍微弯曲以便遵循封壳的外表面的形状。在图13中，以透明视图示出金属板132以便显示由其覆盖的结构。这同样适用于后凸缘120，从而以透明视图示出外部风扇140。金属板132优选地围绕封壳均匀分布，例如八个板附连到封壳，成对分组从而形成围绕封壳间隔开的各单元。
金属板132安装在封壳上，从而提供用于由外部风扇140送出的外部空气的循环的通道。因此，如从下面描述的图14A中可以看出，金属板132可以搁置在后凸缘120的外周部分上。
外部空气优选地流经设置在沿着轴线X为基本上伸长的冷却翅片131之间的通道，而同时被限制在形成在金属板与封壳130的外表面之间的空间内。有利地，后凸缘120的开口127为由风扇140从凸缘的外表面送到优选地设置有冷却翅片131的封壳130的外表面的外部空气提供通道。
外部空气流在图14A、图14B和图14C中由箭头193示出，它们分别以后视图、正视图和纵视图示出了根据第一实施例的电动机。
图15A和图15B中清楚可见外部风扇140，它们分别是根据第一实施例的电动机的后表面的平面图和该后表面的立体图。
外部风扇140包括紧固到旋转轴160的外部空气驱动轮和附连在后凸缘120的外周部分128b上的保护板129。保护板129包括允许由外部风扇140的驱动轮吸入的外部空气流入的孔129a。外部风扇140的尺寸大于内部风扇181和182。风扇140的尺寸是根据电动机的功率和最大转速来选择的，以确保最佳的冷却。驱动轮可以是设有冷却翅片，例如如图15A和图15B所示的冷却翅片13的平面表面，冷却翅片围绕(关于)中心轴线X均匀分布。
根据第二实施例，图16A、图16B、图16C和图17A、图17B、图17C中示出，根据本发明的机器包括用于利用液体冷却电动机的外壳的装置。
与根据本发明第一实施例的电动机类似，电动机200包括：
-设置在封壳230中的定子290，所述定子290包括绕组，
-转子250，包括紧固于围绕中心轴线X旋转的轴260的本体，转子250旋转地安装在定子中，并包括接纳磁通发生器16的壳体22和形成磁通屏障的凹槽28，壳体22和凹槽28是细长的并且沿着轴线X延伸穿过所述转子，
-一对轴承(271、272)，各自支承旋转轴的一个端部，旋转轴260的负载260a的驱动侧和与旋转轴260的负载驱动侧相对的一侧260b，
-前凸缘210，其布置在封壳230的一端部处并且支承旋转轴260的负载的驱动侧260a，
-后凸缘220，其布置在封壳230的与第一端部相对的第二端部处，并且支承旋转轴260的与负载驱动侧260b相对的那侧，
前凸缘和后凸缘包括：用于紧密地密封封壳230的密封装置、内表面、外表面和定位在内表面的中间部分中用于接纳所述轴承之一的壳体216a，226a，以及
-冷却系统，包括一对内部风扇281、282，它们布置在封壳内，以便在转子旋转时在封壳内产生空气流，每个风扇固定地安装在转子本体与轴承之间的旋转轴上，各凸缘的内表面包括布置在轴承壳体的外周部分上以便对离开转子的内部空气进行定向并捕获其热量的翅片213、223。
根据该第二实施例，机器内部的冷却与结合本发明第一实施例所述的相同，即，一对内部风扇，每个内部风扇在旋转轴260上固定地安装在转子150的本体与所述轴承之一之间，因此实现在轴旋转时在转子的凹槽28中产生第一双向空气流，以及在每个内部风扇与前凸缘或后凸缘的内表面之间产生第二空气流，其中，内部风扇281、282和前凸缘与后凸缘的内表面的翅片213、223之间相互作用。
根据第二实施例，用于冷却封壳和前凸缘以及后凸缘的外部冷却装置包括冷却剂回路。该回路具有冷却剂入口233、冷却剂出口234和与封壳230接触的管线网络235，其中，诸如水或任何其它适于冷却机器的液体之类的冷却剂循环以便冷却封壳230以及前凸缘210和后凸缘220。
有利地，管线网络是集成在外壳230中的盘管236，如图17C中清楚可见的，其中示出了盘管中的水循环，开口235对应于图16C、图17A和图17B中的横截面视图中所示的盘管。
在图16A至图16C和图17A至图17B所示的电动机200的示例中，马达是封闭的，即，它包括由封壳230和前凸缘210以及后凸缘220组成的密封的壳体。各凸缘紧密地密封封壳。更具体地，前凸缘210和封壳230的一部分形成一个并且是相同的部件，而后凸缘220和外壳230的一部分形成第二个这样的部件，这两个部件的结合形成密封的壳体，并允许盘管集成到封壳230中。
冷却剂回路允许电动机200的所有封壳230、包括凸缘210和220通过这些元件与冷却剂之间的热交换进行冷却。
本发明有利地应用于可变同步磁阻电动机，并且优选地应用于具有范围在20kW(千瓦)至400kW之间的功率的机器。通过非限制性示例，根据本发明冷却的电动机可以是可变同步磁阻电动机，其具有30kW的恒定功率、52kW的瞬态(峰值)功率，其可以在350V的直流总线电压下运行，并且其可具有以下尺寸：转子外侧直径134mm、定子外侧直径200mm、封壳外直径250mm、电动机长度214mm、有效部分长度(对应于转子的成束/成批的层叠物的长度)100mm。

Claims (12)

1.一种封闭式旋转电机(100、200)，包括：
-定子(190、290)，所述定子设置在封壳(130、230)中并且包括绕组，
-转子(150、250)，所述转子包括紧固于围绕中心轴线(X)旋转的轴(160、260)的本体，所述转子旋转地安装在所述定子中，并且包括容纳磁通发生器(16)的第一凹槽(22)和形成磁通屏障的第二凹槽(28)，所述第一凹槽和所述第二凹槽是细长的并且沿着轴线(X)贯穿所述转子本体，
-一对轴承(171、172、271、272)，每个轴承支承旋转轴的端部，
-前凸缘和后凸缘，所述前凸缘和所述后凸缘分别设置在所述封壳的两个相对的前端部和后端部处，所述前凸缘和所述后凸缘各自包括用于紧密地密封所述封壳的密封装置(114a、114b、124a、124b)、内表面(111、121)、外表面(112、122)和接纳一个所述轴承的中心壳体(116a、126a、216a、226a)，所述凸缘的所述内表面包括设置在所述中心壳体(116a、126a、216a、226a)的外周部分上的翅片(113、123、213、223)，以及
-冷却系统，所述冷却系统包括一对内部风扇(181、182、281、282)，每个内部风扇在所述旋转轴(160、260)上固定地安装在所述转子(150、250)的所述本体与一个所述轴承(171、172、271、271)之间，以便在轴旋转时在所述转子的所述第二凹槽(28)中产生第一双向空气流和在每个所述内部风扇与所述前凸缘或后凸缘的所述内表面之间产生第二空气流，
其中，每个所述内部风扇(181、182、281、282)包括内表面、外表面、用于所述旋转轴(160、260)通过的中心开口(6)以及交替的开放径向部段(2)和闭合径向部段(3)，其划分所述内部风扇的表面并由与轴线(X)正交的径向壁分开，所述径向壁形成在所述内部风扇的所述外表面上突出的叶片(13)，
其中，所述封闭式旋转电机还包括外部冷却装置，用于冷却所述封壳和所述前凸缘以及所述后凸缘，其中，所述外部冷却装置包括外部风扇(140)，所述外部风扇设置为与所述后凸缘(120)的所述外表面(122)相对并且固定地安装在所述旋转轴(160)上，以便沿所述前凸缘(110)的方向沿着所述封壳(130)送出外部空气，
其中，所述封壳(130)具有外表面，所述外表面包括基本上沿着平行于所述旋转轴(160)的轴线(X)的轴线的一组细长的冷却翅片(131)，
并且，所述后凸缘(120)包括连接到圆柱形外周部分(128b)的呈冠部的形式的中心部分(128a)，并且包括至少一个开口(127)，其设置在所述后凸缘(120)的所述中心部分(128a)与所述外周部分(128b)之间，用于驱动由所述外部风扇(140)送出的外部空气进入由所述封壳(130)的所述外表面的所述一组冷却翅片(131)形成的通道中。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述内部风扇(181、182、281、282)具有圆形形状，它们的所述内表面包括置于所述转子(150、250)的所述本体上并且正交于中心轴线(X)的平面部分(4)，所述平面部分(4)在每个所述闭合径向部段(3)处通过倾斜的平面部分(3’)延伸并且在每个所述开放径向部段处(2)通过开口(2’)延伸。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，
-所述转子包括由磁通发生器(16)和磁通屏障形成的n个磁极(20)，
-每个所述磁极(20)由与内部风扇相邻的两个所述闭合径向部段(3)和所述开放径向部段(2)覆盖，以及
-两个所述内部风扇带有偏移地安装在所述旋转轴(160、260)上，从而使一个所述内部风扇的所述开放径向部段(2)沿着基本上平行于轴线(X)的单个轴线与另一个所述内部风扇的所述闭合径向部段(3)匹配。
4.如权利要求3所述的电机，其特征在于，
-所述内部风扇的所述开放径向部段(2)和所述闭合径向部段(3)的总数是2.n，并且
-两个所述内部风扇以成角度偏移的方式安装在所述旋转轴(160、260)上、偏移的角度等于360/(2.n)的角度β，
n是范围在2至12之间的偶数。
5.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述n等于4或8。
6.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述内部风扇(181、182、281、282)和所述凸缘(110、120)的所述内表面(111、121)的所述翅片(113、123、213、223)能够以径向方式朝向所述定子(190、290)的绕组端部(191、291)引导空气，然后引导所述空气流从所述绕组端部(191、291)返回到所述凸缘的中心，首先在所述绕组端部(191、291)处沿着与轴线(X)平行的方向，然后径向地朝向所述旋转轴(160、260)，以便形成在每个所述内部风扇与所述前凸缘或后凸缘的所述内表面之间产生的第二空气流。
7.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述凸缘的所述内表面的所述翅片(113、123、213、223)是平面的并且具有大致梯形形状，其包括正交于所述中心轴线(X)的基部和与壳体(116a、126a、216a、226a)相对的、具有凹度的一侧。
8.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述外部风扇(140)包括紧固到所述旋转轴(160)的外部空气驱动轮和包括允许外部空气进入的孔口(129a)的保护板(129)，所述板附接到所述后凸缘(120)的所述外周部分(128b)。
9.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述外部冷却装置包括冷却剂回路，所述冷却剂回路包括冷却剂入口(233)、冷却剂出口(234)和与所述封壳(230)接触的管线网络(235)，其中，冷却剂循环以便冷却所述封壳(230)和所述前凸缘(210)以及所述后凸缘(220)。
10.如权利要求9所述的电机，其特征在于，所述管线网络(235)是集成在所述封壳(230)中的盘管(236)。
11.如权利要求9所述的电机，其特征在于，所述冷却剂包括水。
12.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述电机为可变同步磁阻电机。
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