CN110556973B - 用于冷却电机的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷却电机的系统，该电机具有两个部件，其中这两个部件中的一个被设计为转子(6)且另一个被设计为定子(8)，其中这两个部件同轴地包围电机的中心轴线，其中转子(6)在电机的运行中相对于定子(8)转动，其中至少一个部件被轴向取向的至少一个通道(10)贯穿，其中在所述至少一个通道(10)的第一端部设有风机(14)，其中在所述至少一个通道(10)的第二端部设有涡轮机(16)，其中所述风机(14)被设计用于，使空气从第一端部通过轴向取向的所述至少一个通道(10)流动至第二端部，其中涡轮机(16)被设计用于，将流动的空气的动能转化为被设计为转子(6)的部件的旋转能。

Description

用于冷却电机的系统

技术领域

本发明涉及一种用于冷却电机的系统、一种电机和一种用于冷却电机的方法。

背景技术

电机的定子的冷却通常通过在电机壳体上的冷却套进行。此外或者通过循环空气冷却，或者通过所谓的内冷却(例如空心轴冷却或喷枪冷却)来从转子中排出热量，这尤其是对于转子关键性的电机，例如异步电机和电流激励的同步电机而言非常重要。一种用于实现循环空气冷却的方案包括风机，该风机布置在轴向的端板处且促进在转子的热的轴向端部与电机壳体的较冷的部件之间的空气交换。另一种方案是通过安装在轴向的端侧的风机轴向地输送循环空气。

所述的这两种关于循环空气冷却的方案造成在流动空气内部的大的液压损失，这间接地导致了电机效率的降低。转子的利用水或油的内冷却也是如此。在液体冷却的空心轴中除了液压损失外还会由于使用滑环密封件或径向轴密封件而出现明显的功率损耗。此外通过转子内冷却，虽然向液体较好地传递热量，但会在与产生热量的位置相距较远的位置处形成冷却。由此导致较长的热传导路径，这造成转子的活动部件中的温度非常高。

由公开文本DE 10 2010 017 222 A1公开了一种具有电机的电驱动系统。在此在电机的壳体的端侧上设有通风系统，利用该通风系统能够排出电机的废热。

公开文本DE 10 2011 053 787 A1描述了一种用于产生流体流动的螺旋桨式系统，该螺旋桨式系统具有带有转子和定子的驱动设备。

公开文本EP 2 030 308 B1公开了一种利用气态的冷却介质在具有外部驱动的风机的管状涡轮发电机中冷却管状涡轮发电机的定子和转子的方法。

发明内容

基于此背景，本发明的任务是，有效冷却电机。

该任务通过具有独立权利要求特征的系统、电机和方法实现。系统、电机和方法的实施方式由从属权利要求得出。

根据本发明的系统被设计用于冷却电机，该电机具有转子和定子形式的两个轴向对称的部件，其中这两个部件同轴地包围电机的中心轴线，其中转子在电机的运行中相对于定子转动。这两个部件中的至少一个部件被至少一个轴向取向的或平行于中心轴线和/或沿中心轴线取向的通道贯穿。该系统具有至少一个风机和至少一个涡轮机，其中所述至少一个风机设置在至少一个通道的第一端部。所述至少一个涡轮机设置在至少一个通道的第二端部。所述至少一个风机被设计用于使空气从第一端部通过所述至少一个轴向取向的通道流动至第二端部。所述至少一个涡轮机被设计用于将流动的空气的动能转化为被设计为转子的部件的旋转能。

在电机中在实施方案中被设计为转子的内部部件包围中心的轴向的轴，其中该作为内部部件的转子又被作为外部部件的定子轴向包围。在此该内部部件例如被作为流动通道和/或冷却通道的所述至少一个轴向取向的通道贯穿。

在实施方案中，至少所述转子或仅所述转子被所述至少一个轴向取向的通道贯穿。通常设有多个轴向取向的通道。

该系统通常被设计用于电机，在该电机中转子作为轴向的内部部件被作为轴向的外部部件的定子包围。在此情况下，转子作为内部部件也轴向地包围中心轴，其中转子与中心轴通常直接连接，其中中心轴和转子在电机的运行中相对于定子围绕中心轴线转动。通常转子作为内部部件与中心轴彼此紧固，其中中心轴居中地贯穿转子。此外所述至少一个涡轮机与转子机械连接或耦合。

另选地也可行的是，系统被设计用于电机，在电机中定子作为内部部件被作为外部部件的转子轴向包围。在系统和电机的这类另选的实施方案中，定子作为内部部件包围中心轴线，其中转子作为外部部件围绕定子转动。但在此情况下也可行的是，所述至少一个涡轮机和转子彼此机械连接和耦合。在此转子被至少一个通道、优选多个通道贯穿。

另外提出，电机具有作为构件的永久磁体和电磁体，其中每个电磁体都具有由金属、例如铜制成的绕组或线圈，其中在电机运行时通过例如由金属丝构成的绕组或线圈引导电流。在此，这两个部件中的一个部件，即或者内部部件或者外部部件或者说转子或者定子，具有作为构件的电磁体，而这两个部件中的另一个部件，即或者外部部件或者内部部件或者说定子或者转子具有作为构件的永磁体。在运行期间，被设计作为转子的部件相对于被设计为定子的部件转动，从而这两个部件中的一个部件的作为构件的电磁体也相对于这两个部件中的另一个部件的作为构件的永久磁体转动。

通常，内部部件具有多个电磁体或永久磁体作为构件，这些构件通常以围绕中心轴线的方式依次布置，其中所述至少一个轴向取向的通道布置在两个直接相邻的构件之间，即在电磁体或永久磁体之间。在此每两个直接相邻的构件彼此间隔开且通过间隙彼此分开。在此所述至少一个通道，通常是每一个通道都贯穿每两个直接相邻的构件之间的间隙。根据设计而定，在此也可行的是，该间隙相当于通道，或该通道由两个直接相邻的构件限定或形成。此外中心轴被设计为实心轴或中空轴或空心轴。如果中心轴是中空的，则也可行的是，该中心轴也被通道贯穿，风机引起流动的空气也流过该通道。由于内部部件包围该轴，所以该轴也贯穿内部部件，其中穿过尤其是中空轴的通道也贯穿内部部件。

风机和/或涡轮机的导向叶片通常可以随着作为内部部件的转子和中心轴同步地转动且因而被自动地驱动。如果定子作为内部部件被作为外部部件的转子包围，则为此设置，尤其是涡轮机的导向叶片与作为外部部件的转子机械连接或耦合。风机的导向叶片可以与转子彼此独立。

在实施方案中提出，如果转子构成了内部部件，则涡轮机被设计为转子的一部分，或转子的几何结构的一部分。在此，涡轮机通常集成到转子的端片或端板中。通常在转子的轴向端部上分别设有这种端片且还在构件、即例如转子的电磁体的端部上设置和/或安装这种端片。在此还可行的是，在转子的相应电磁体的叠片组的端部上设置相应的端片，其中这种叠片组分别被设计为相应电磁体的一部分，其中这种电磁体的绕组围绕至少一个叠片组。利用端片例如能够在例如180°或360°的偏转(角)中引导绕组以及上紧叠片组。另外利用端片还可以实现内部部件、例如转子的平衡。风机通常布置在转子如下的端侧上，该端侧与集成了涡轮机的端侧相对置。

此外提出，风机和涡轮机分别具有作为空气引导元件的导向叶片。在此风机的空气引导元件被设计用于，将空气沿轴向方向，即平行于中心轴线通过至少一个通道输送至在通道的另一端部的涡轮机或与风机相对置的端侧。通过来自该至少一个通道的流入空气而使涡轮机的空气引导元件旋转。涡轮机和/或风机的空气引导元件根据设计和/或规定的制造计划而定被集成在相应的端片中。

利用涡轮机的空气引导元件，例如导向叶片从通过至少一个通道流动的空气中获得旋转能，其中该流动的空气的旋转流动的部分在实施方案中被逆向于旋转的部件或转子的旋转方向偏转。从而整体上降低了从至少一个通道出来的流动的空气的带有涡旋的分量。

在系统的实施方式中，内部部件例如被多个用于流动的空气的通道贯穿，这些通道围绕内部部件的中心轴线(该中心轴线也贯穿中心轴)均匀地和/或对称地分布。在内部部件具有n个构件(例如n＝6)、即电磁体或永磁体的情况下，内部部件也可以被相应于如下n个间隙的n个通道贯穿，所述n个间隙在相邻的n个构件之间或者在电磁体的情况下在相邻的n个绕组之间形成。

在实施方案中，涡轮机和/或风机的空气引导元件与被设计为转子的部件机械连接和/或耦合。通常涡轮机的空气引导元件与转子彼此固定或刚性连接。

风机的导向叶片被设计用于，使空气平行于中心轴线地流动或轴向指向地流动，该流动能够流过该轴向通道，例如冷却通道。轴向流动的空气流在此通常具有高的旋转速度(涡旋)，当空气的轴向流或轴向流动碰撞到布置在冷却通道的相对置一侧上的涡轮机或涡轮机的导向叶片时，该旋转速度优选完全地转换为转子的旋转能。

根据本发明的电机具有作为部件的转子和定子以及根据本发明的系统的实施方式。

在可能的实施方案中，电机被设计为异步电机或电流激励的同步电机。电机或者作为电动机、或者作为发电机运行，其中电机的相应的运行模式对于系统以及下面所述的方法的相应的实施方式并不重要，其中该方法能够独立于电机是作为电动机还是发电机运行的情况来实施。此外，电机可以布置在例如被设计为机动车的车辆中，并且被设计用于将电能转化为机械能以用于驱动或移动车辆，但也反之可将机械能转化为电能。

根据本发明的方法被设计用于冷却电机，该电机具有两个相对于电机的中心轴线对称的部件，其中这两个部件中的一个部件被设计为转子，另一个部件被设计为定子。这两个部件中的至少一个部件例如被至少一个轴向取向的通道贯穿用以作为流动通道和/或冷却通道。在至少一个通道的端部例如设有风机，在至少一个通道的第二端部设有或设置涡轮机。利用风机使空气从第一端部通过所述至少一个轴向取向的通道流动至第二端部。利用涡轮机将流动的空气的动能、尤其是流动的空气的旋转能转化为被设计为转子的部件的旋转能。

利用所提出的方法和所提出的系统(其中该方法的实施方式通常利用该系统的实施方式来实施)，可以更好地冷却例如被设计为驱动电机的电机。在此尤其是冷却转子，但根据电机的实施方案或结构形式而定也可以是定子被冷却，其中，在此利用根据本发明设置的风机和涡轮机的组合来实现空气冷却。

在损耗功率方面以及因而在效率方面，但也在冷却效果方面以及因而在持久性能方面，能够利用所述方法和/或系统实现的冷却或能够相应实现的冷却方式是优化了的冷却方式，例如循环空气冷却的优化形式，其中空气在实施方案中通过多个轴向的通道而流过内部部件，如果中心轴是中空的话，空气也流过中心轴。

在此通常轴向的风机定位在例如被设计为转子的内部部件的轴向的端部处和/或轴向的一侧上，例如端侧上，且例如轴向的涡轮机被布置在例如所述被设计为转子的内部部件的相对置的端部处或相对置的一侧上，尤其是端侧上。在此可行的是，风机和/或涡轮机集成在转子的相应的一侧中或端侧中。在此提出，轴向流动的空气或轴向流动的空气质量流的常见的高的旋转速度或涡旋被涡轮机转换或转化为转子的旋转能。在风机和涡轮机的理想的液压效率方面，由于这种冷却或循环空气冷却造成的可能的额外的损失仅相当于空气通过轴向或轴向取向的通道的不旋转的流动的压力损失，其中这类可能的损失相对较小。考虑到实际要达到的效率，所提出的系统和所提出的方法还提供了如下可能性：基于流过通道的空气的比较高的轴向取向的速度实现了良好的空气冷却效果，这能够通过相对较小地提高损耗功率而实现。

因此利用该方法和系统能够以可能的相对较小的额外液压损失实现有效的冷却。此外通常省却了通过液体对内部部件的复杂且易出故障的冷却。因此相比于通常的实现方案显著减小了损耗，尤其是在电机的高转速时显著减小了损耗。

原则上，风机的导向叶片和涡轮机的导向叶片彼此协调，其中该风机例如是轴流式风机。由风机吸入并再次吹出的空气沿轴向流过所述至少一个通道。通过风机的导向叶片的旋转，被吹出且流过通道的空气带有涡旋。该流动的空气具有动能，该动能由于空气的轴向流动而具有一部分轴向动能，且由于空气的涡旋而具有一部分旋转动能或旋转能。尤其是该旋转能作为动能的一部分被涡轮机的导向叶片基于其形状转化为转子的旋转能，从而当空气从涡轮机中流出来时，空气基本上不带有涡旋地仍轴向流动或流走。

当然，在不脱离本发明范围的情况下，上面所述和下面待述的特征不仅能够在各自给出的组合中，而且也能在其他组合中或单独地使用。

附图说明

根据附图中的实施方式示意性示出本发明且参照附图示意性详述本发明。

图1以示意图示出在执行根据本发明的方法的第一实施方式时根据本发明的电机的第一实施方式和根据本发明的系统的第一实施方式。

图2以示意图示出图1的系统的详图。

图3以示意图示出根据本发明的电机的第二实施方式的详图和用于执行根据本发明的方法的第二实施方式的根据本发明的系统的第二实施方式的详图。

附图相关联地且概括地进行描述。相同部件分配有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示意性示出的根据本发明的电机的实施方式在此具有中心轴4和作为内部内部部件的转子6以及作为外部外部部件的定子8。在此轴4、转子6和定子8相对于电机的中心轴线5同轴地布置。此外提出，在此多个轴向取向的通道10贯穿转子6，这些通道以围绕轴线5均匀分布的方式布置。转子6和轴4彼此机械固定地连接。

在电机的运行中，转子6连同轴4在由定子8包围的柱形空间中围绕轴线5相对于固定不动的定子8转动。

为电机配设根据本发明的用于冷却电机的系统的实施方式，其中该电机根据设计而具有该系统。在此该系统除了在转子6内部的轴向通道10以外还具有风机14和涡轮机16。

在此提出，作为风机14的空气引导元件的导向叶片(在此未进一步示出)与转子6机械耦连和/或连接。此外作为涡轮机16的空气引导元件的导向叶片(在此未进一步示出)与转子6耦合和/或连接。

在根据本发明的方法的此处提出的实施方式中，在电机的运行期间设置，使风机14的导向叶片旋转，其中通过风机14的旋转的或转动的导向叶片，从外部抽吸空气且沿平行于轴线5的轴向方向通过通道10输送空气，其中空气流过通道10，这在此通过箭头20表示。沿轴向方向流动的空气到达涡轮机16的导向叶片上，流动的空气也使导向叶片旋转，在此将流动的空气的动能首先转化为涡轮机16或涡轮机16的导向叶片的旋转能。此外涡轮机16、尤其是涡轮机16的导向叶片的旋转能被转化为被设计为转子6的部件的旋转能。

在该方法的实施方式中，涡轮机16或涡轮机16中的空气引导元件使流过通道10的空气逆着转子6的旋转方向转向，由此由涡轮机16的空气引导元件从流动的空气获得旋转能。因此在系统中减少了流出通道10的流动的空气的带有涡旋的部分。在本方法的在此提出的实施方式中，涡轮机16的转速也就相当于转子6的转速，其中流动的空气的带有涡旋的部分与转子6一样地转动。如果流动的空气在流出时被逆着转动方向转向，则在涡轮机16的空气引导元件上产生压差，该压差可能会导致转子6加速。

图2作为图1的详图示出了轴向取向的通道10和箭头20，在该箭头方向上空气在本发明的实施方式中沿轴向方向流过通道10。此外，图2示出了描述风机14的导向叶片的工作方式的第一速度图24和描述涡轮机16的导向叶片的工作方式的第二速度图26。两个速度图24、26中的每个都具有第一矢量u以及第二矢量w和第三矢量c，该第一矢量示出了风机14或涡轮机16的导向叶片的周向速度，该第二矢量示出了风机14或涡轮机16的导向叶片的相对速度，该第三矢量示出或表示风机14或涡轮机16的导向叶片的绝对速度。

在此提出，风机14、尤其是鼓风机的导向叶片的设计与涡轮机16、尤其是涡轮机的导向叶片的设计彼此相协调。通过这种协调能够控制流过轴向的、通常旋转的通道10的空气的轴向体积流量。在风机14和涡轮机16的这种设计中考虑到用于运行电机的转速的宽的转速带或宽的转速范围。在此该转速带由最大可能的转速以及必要时由最小可能的转速限定。在此考虑到，转速更高时需要增强冷却。在此情况下还需要，风机14和涡轮机16设定到高的转速上。在电机转速较小时，用于将空气从风机14输送通过通道10的较小的输送作用通常是没有问题的且在损耗方面有可能甚至是有利的。风机14和涡轮机16的导向叶片在此分别集成在转子6的轴向的端板或端片中。风机14和/或涡轮机16的导向叶片被这样设计，使得在流动的空气从电机流出时基本上仅存在轴向的流动分量。

涡轮机16的被设计为导向叶片的导向元件的转速或转动速度或旋转速度相当于转子6的转动速度。在此例如可行的是，涡轮机16的空气引导元件根据设计方案被设计为转子6的部件。空气引导元件的形状能够取决于系统的运行参数来设定或选择，例如取决于作为流体的空气经过通道10的规定的轴向流动或体积流量以及取决于转速，其中这种运行参数限定了空气引导元件的入口角度和出口角度。在此在实施中例如使用下面给出的叶轮机欧拉方程：

Y＝v₂*c_v2-v₁*c_v1

其中Y是空气引导元件的对单位质量气体的作功量，即叶片对单位质量气体的作功量或导向叶片对单位质量气体的作功量。v₁是转动的空气引导元件在涡轮机入口处的周向速度，v₂是转动的空气引导元件在涡轮机16的出口处的周向速度。c_v1是流体速度在涡轮机16的入口处的周向分量，c_v2是流体速度在涡轮机16的出口处的周向分量。空气在理想的无涡旋的流动或流出时，c_v2＝0，由此得到更大的、负的叶片对单位质量气体的作功量Y。如果叶片对单位质量气体的作功量Y是负的，则涡轮机16向转子6上传递加速的转矩。

利用所提出的系统能够实现，通过例如集成在转子6中的涡轮机16将通过通道10和转子6流动的、带有涡旋的空气的动能回收且转化为用于转子6的旋转能。通过风机14的导向叶片和涡轮机16的导向叶片彼此的设计，对于流过通道10且带有涡旋并因而具有旋转能的空气而言，实现了：从涡轮机16流走的或流出的空气几乎是无涡旋的，因为空气的旋转能转化为转子6的旋转能。

在此由涡轮机16回收由风机14消耗的能量或功率的一部分、例如50％，由此提高了空气的冷却效率。在此消除了该流动的空气的涡旋且使转子6加速。

图3中示出的电机30的细节包括中心轴32，该中心轴被作为电机30的内部部件的转子34包围。在此该转子34包括多个构件、在此为6个构件，这些构件被设计为电磁体36，其中每个电磁体36都具有由铜制成的绕组38。此外转子34或转子的电磁体36都被壳体40包围，在壳体的两个轴向端部处分别设有端片42。图3还示出，每两个直接相邻的电磁体36彼此隔开，其中在每两个直接相邻的电磁体36之间设有间隙，该间隙被设计为和/或被用作为根据本发明的系统46的第三实施方式的通道44。

总之，转子34在此具有在六个电磁体36之间的六个间隙并进而也具有六个通道44，这些通道贯穿或穿越转子34。为了更清楚，图3没有具体示出作为系统46的其他部件的涡轮机和风机。但图3中通过箭头46示出了涡轮机或风机的空气引导元件的可能的位置，其中每个空气引导元件，例如空气引导叶片都在该位置或部位处集成在端片42的区段中。在此在转子34的第一端部或空气引导通道44的第一端部处集成了风机的导向叶片，在转子34的相对置的第二端部处或通道44的相对置的第二端部处，涡轮机的空气引导元件集成在相应的端片44中。无论是通道44还是涡轮机或风机的集成在相应的端片42中的空气引导元件都以与转子34相同的速度旋转。因为空气引导元件完全集成在转子34中，所以它们与转子34机械刚性地耦合。

附图标记列表：

4 轴

5 轴线

6 转子

8 定子

10 通道

14 风机

16 涡轮机

20 箭头

24、26 矢量图

30 电机

32 轴

34 转子

36 电磁体

38 绕组

40 壳体

42 端片

44 通道

46 系统

48 箭头

Claims (8)

1.一种用于冷却电机(30)的系统，该电机具有两个部件，其中这两个部件中的一个被设计为转子(6、34)，另一个部件被设计为定子(8)，其中这两个部件同轴地包围电机(30)的中心轴线，其中转子(6、34)在电机(30)的运行中相对于定子(8)转动，其中至少一个部件被轴向取向的至少一个通道(10、44)贯穿，其中在所述至少一个通道(10)的第一端部设有风机(14)，其中在所述至少一个通道(10)的第二端部设有涡轮机(16)，其中所述风机(14)被设计用于，使空气从第一端部通过轴向取向的所述至少一个通道(10、44)流动至第二端部，其特征在于，流动的空气具有动能，该动能由于空气的轴向流动而具有一部分轴向动能，且由于空气的涡旋而具有一部分旋转动能，其中所述涡轮机的空气引导元件的入口角度和出口角度能够根据空气的规定的轴向流动以及电机的转速而设定，其中所述涡轮机(16)被设计用于，将流动的空气的动能的所述旋转动能转化为被设计为转子(6、34)的部件的旋转能。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子(6、34)被轴向取向的所述至少一个通道(10、44)贯穿。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，两个部件中的一个具有作为构件的多个电磁体(36)，其中轴向取向的所述至少一个通道(10、44)布置在两个直接相邻的电磁体(36)之间。

4.根据上述权利要求之一所述的系统，其特征在于，风机(14)和涡轮机(16)分别具有空气引导元件，其中涡轮机(16)的空气引导元件与被设计为转子(6、34)的部件连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，涡轮机(16)的空气引导元件集成到端片(42)中，该端片布置在转子(6、34)的端部处。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，风机(14)的空气引导元件被设计用于，使空气轴向指向地流动。

7.一种电机，该电机具有转子(6、34)、定子(8)和根据上述权利要求之一所述的系统。

8.一种用于冷却电机(30)的方法，该电机具有两个部件，其中这两个部件中的一个部件被设计为转子(6、34)，另一个部件被设计为定子(8)，其中这两个部件同轴地包围电机(30)的中心轴线，其中转子(6、34)在电机(30)的运行中相对于定子(8)转动，其中至少一个部件被轴向取向的至少一个通道(10、44)贯穿，其中在所述至少一个通道(10、44)的第一端部(10、44)设有风机(14)，其中在所述至少一个通道(10、44)的第二端部设有涡轮机(16)，其中风机(14)使空气从第一端部通过轴向取向的所述至少一个通道(10、44)流动至第二端部，其中，流动的空气具有动能，该动能由于空气的轴向流动而具有一部分轴向动能，且由于空气的涡旋而具有一部分旋转动能，其中所述涡轮机的空气引导元件的入口角度和出口角度能够根据空气的规定的轴向流动以及电机的转速而设定，其中流动的空气的动能的所述旋转动能被涡轮机(16)转换为被设计为转子(6、34)的部件的旋转能。

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