CN111416456A - 用于电机的液冷式转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的液冷式转子以及一种具有直接或近损耗地冷却的转子绕组的异步电机。

Description

用于电机的液冷式转子

技术领域

本发明涉及一种用于电机的液冷式转子以及一种具有直接的或靠近损耗地(verlustnah)冷却的转子的异步电机(ASM)。

背景技术

异步电机(ASM)的功率主要受转子中的温度的限制。降低转子温度能够增加电机的功率密度。与其他电机类型(永磁激励同步电机(PSM)或他励同步电机(FSM))相比，转子中产生的功率损耗更高。另外，转子由于转动运动而难以冷却。

当前的情况是，ASM转子通过轴冷却方式间接冷却。大多数热量是在转子表面附近产生的，但必须通过叠片铁芯从表面传递到轴，然后再传递给流体，这限制了冷却能力。

专利文献DE 10 2012 203 697 A1公开了一种异步电机，其具有定子和可绕转动轴线转动地支承的转子。转子固定在轴上，该轴具有轴向孔，该轴向孔连接至冷却剂回路，冷却液通过该轴向孔输送穿过该轴。

由专利文献DE 10 2016 216 479 A1已知一种具有双层壁的空心转子轴。双层壁改善了转子轴周面上的热量分布。

专利文献EP 3 142 231 A1公开了一种气冷式发电机，该发电机的转子具有固定在轴上的内筒和通过横向支撑法兰固定在内筒上的外筒。永磁体固定在外筒的外表面上。在转子和定子之间的气隙形成空气流过的冷却通道。

专利文献US 2017/288 489 A1公开了一种无芯旋转电机以及一种用于该电机的冷却方法，所述电机包括具有圆柱形线圈的定子。定子包括：圆柱形绕组，该绕组由导电片材形成为层压结构；以及转子，其包围圆柱形绕组并形成气隙。通过将冷却剂引入气隙来进行冷却。

专利文献DE 10 2016 208 770 A1公开了一种设计为异步电机的电机，该电机通过空心轴提供冷却介质，该冷却介质通过轴上的径向开口排出，并冷却转子端面上的短路环和定子端面上的绕组头。

专利文献JP 2013/243 935 A提出了一种用于电动机的润滑和冷却结构，该润滑和冷却结构防止大量的润滑或冷却流体流入到定子和转子之间的气隙中。环形定子固定在壳体上，并且转子通过气隙与定子的径向内侧隔开地布置。转子的转子基部具有：固定在转子轴上的内圆柱部分；从内圆柱部分延伸到径向外侧的延长部分；第一外圆柱部分，其构造成，突出到延长部的第一轴向侧；第二外圆柱部分，其构造成，突出到延长部的第二轴向侧。延长部具有形成在其中的通孔，该通孔穿过延长部从第一轴向侧延伸到第二轴向侧。第二外圆柱部分的内周面的半径比第一外圆柱部分的内周面的半径大。润滑或冷却液体通过该通孔从第一外圆柱部分的内周面流到第二外圆柱部分的内周面。

需要考虑的事，使冷却流体流过叠片铁芯。尽管该变型改进了冷却功率，但是导致了叠片铁芯的密封性差的不足。冷却流体在气隙方向上通过叠片而渗漏，由于定子和转子之间的相对速度非常高(高达125m/s-140m/s)而产生非常高的液压损耗。这些甚至可能导致电机故障。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是，提供一种具有改善的冷却的设备。

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1所述特征的装置和一种具有权利要求10所述特征的设备来实现。本发明的实施方式由从属权利要求得出。

根据本发明，用于密封和流体引导的转子被空心圆柱体包围。在异步电机中，圆柱体位于转子和定子之间的气隙中。这使得冷却流体可以流过转子的叠片铁芯，而冷却流体不能进入气隙。

用于电机的液冷式转子是本发明的主题。转子包括用于供冷却流体通过的空心轴，该空心轴具有用于冷却流体的至少一个径向的排出通道。在一种实施方式中，空心轴相应包括用于冷却流体的多个排出通道。在另一种实施方式中，空心轴具有用于冷却流体的至少一个径向的入流通道。在另一种实施方式中，空心轴相应具有用于冷却流体的多个入流通道。在一种实施方式中，空心轴相应包括用于冷却流体的多个排出通道和入流通道。在本发明的意义上，径向通道是在空心轴的壁中的通道，冷却流体可以通过该通道在与空心轴的旋转轴线不一致的方向上流动。在一个特殊的变型中，流动方向垂直于旋转轴线。

叠片铁芯安装在空心轴上。叠片铁芯由多个彼此叠置的、由薄金属板制成的薄片构成。每个薄片都具有大量用于接纳由有色金属制成的金属棒的凹槽。转子的金属棒的两端通过金属短路环相互连接。金属棒和短路环一起形成转子的鼠笼。在转子的一种实施方式中，叠片铁芯的各个薄片彼此叠合地布置。在转子的另一种实施形式中，叠片铁芯的各个薄片以略微扭转的方式彼此叠置，从而叠片铁芯的用于接纳金属棒的凹槽相对于转子的纵轴歪斜地延伸。

根据本发明，转子的周面由气隙筒/气隙缸(Luftspaltzylinder)形成，气隙筒在径向方向上向外密封转子，并防止冷却流体在径向方向上从转子流出。在一种实施方式中，气隙筒由非磁性材料制成。气隙筒用于在转子中的引导流体并密封转子。如果要在其表面上或表面附近用冷却流体冷却转子，则必须使冷却液沿转子轴穿过转子。叠片铁芯由多个薄片组装而成。因此叠片铁芯是不密封的，并且在高转速(圆周速度)下，冷却液会在到叠片铁芯的薄片之间渗入电机的气隙中。该气隙是定子和转子之间的间隙。这有两个后果。由于气隙非常狭窄，约为0.6mm至1.2mm，由于定子(静止)和转子(转动)之间的高剪切力，在该气隙中产生高的液压损耗。冷却液的密度越高，则液压损耗就越高，即在空气的情况下液压损耗低，而液体高。损耗意味着必须再次排出的热量，但也意味着例如对电动车辆的续驶里程有不利影响的能耗。因此，必须避免液体进入气隙。气隙筒固定在转子上并随转子一起转动。转子中的径向走向的渗漏流被气隙筒拦截，并在轴向上偏转。因此冷却流体不能到达气隙中。冷却流体可以直接被带到损耗源(鼠笼、转子表面)。但是在不保护气隙的情况下将无法实现。

气隙筒可以实现如下的冷却方案，即，其中在叠片铁芯中会出现较大的冷却流体渗漏流。在一种实施方式中，叠片铁芯具有轴向延伸的冷却通道，该冷却通道在电机的运行期间被冷却流体充满。在另一实施方式中，在叠片铁芯与气隙筒之间布置一个或多个冷却通道。例如，冷却通道可以由叠片铁芯的表面上的缺口形成。由于在转子旋转过程中的离心力，冷却流体中会产生高压(例如，超过30bar)，该高压会增加渗漏率。

在一种实施方式中，轴向的冷却流体流被喷射到定子的绕组头中，就是说，流体被喷射到电机的内部空间中。在该变型中，冷却流体与定子绕组接触。

在另一种实施方式中，轴向的冷却流体流被反馈到转子的空心轴中。通过至少一个径向的排出通道，即，空心轴中的孔，冷却流体被引导到转子的包含叠片铁芯和鼠笼的有源部件中。流体沿着轴轴向流过转子轴并冷却转子。在转子的另外的端部，冷却流体通过至少一个径向的入流通道被引导回到空心轴中。冷却流体在小的直径上被引回。由此，可以回收用于加速冷却流体的能量，并使损耗最小化。

在一种实施方式中，在气隙筒的端侧处在空心轴与气隙筒之间布置密封元件。密封元件防止冷却流体在密封元件所覆盖的区域中沿轴向从转子中流出。在一种实施方式中，气隙筒和密封元件与空心轴一起限定了封闭空间，待冷却的转子位于该封闭空间中。冷却流体只能通过空心轴的内部从该空间中漏出，因此避免了流出到空心轴外部的区域。以此方式形成密封的空间，该密封的空间确保冷却流体仅保留在转子空间内部并且不能进入电机的内部。因此还可以使用不允许与带电部件、例如定子绕组接触的冷却流体。

由于冷却流体不能进入电机的内部空间，所以可以使用不同的冷却流体。示例包括空气、水-乙二醇-混合物、变速器油，例如MTF(ManualTransmission Fluid——手动变速箱油)或ATF(Automatic Transmission Fluid——自动变速箱油)，而无需采取特殊措施来保护定子绕组或其他车桥组件。在一种实施方式中，冷却流体是液体。在另一实施方式中，冷却流体是水-乙二醇混合物。在又一实施方式中，冷却流体是变速箱油。

在一种实施方式中，空心轴的至少一个径向的排出通道和至少一个径向的入流通道在空心轴的由叠片铁芯覆盖的区域之外布置在被气隙筒包围的空间中。这实现了在轴向上沿着空心轴完全穿过转子的流动。但是，也可以在叠片铁芯的任何位置上实现附加的冷却通道，而不会存在冷却液可能漏出的风险。

根据本发明的转子可以大大降低转子的温度。这实现了电机功率密度的提高和电机的材料成本的降低。

本发明还涉及一种异步电机(ASM)，该异步电机包括定子和根据本发明的转子，该转子布置在定子中并且能够绕转动轴线相对于定子转动。转子的气隙筒位于转子和定子之间的气隙中。气隙筒防止冷却流体从转子流到气隙中以及由于在转子和定子之间产生的剪切力而在该气隙中造成液压损耗。

本发明的其他优点和改进方案从说明书和附图中得出。

不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述的和下面待述的特征不仅可以在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或单独地使用。

附图说明

下面根据附图中的实施方式示出并参照附图描述本发明。在此示出：

图1示出异步电机的纵剖面的示意图，该异步电机具有根据本发明的转子的一种实施方式，其中绘出了冷却流体的流动路径；

图2示出异步电机的纵剖面的示意图，该异步电机具有根据本发明的转子的另一种实施方式，其中绘出了冷却流体的流动路径；

图3示出异步电机的纵剖面的示意图，该异步电机具有根据本发明的转子的又一种实施方式，其中绘出了冷却流体的流动路径；

图4示出异步电机的纵剖面的示意图，该异步电机具有根据本发明的转子的又一种实施方式，其中绘出了冷却流体的流动路径；

具体实施方式

图1以纵向截面图示出了具有定子20和根据本发明的转子10的一种实施方式的异步电机。由于异步电机相对于转子10的旋转轴线对称地构造，因此在图1中仅示出了异步电机的上半部。定子20包括定子叠片铁芯21和绕组头22。转子10布置在定子20的内部；气隙40位于转子10和定子20之间。

由非磁性材料制成的气隙筒11围绕转子10安装。该气隙筒相对于外部密封转子10，从而冷却流体不能进入电机的气隙40或不能到达定子叠片铁芯21中或上，并且还用作流体引导件。转子叠片铁芯13布置在空心转子轴14上，该叠片铁芯由多个薄片组成。鼠笼12位于转子叠片铁芯13上。在转子叠片铁芯13中设置冷却通道15，该冷却通道的横截面在放大图中示出。冷却流体30位于冷却通道中。在图1所示的实施方式中，冷却通道15仅部分地填充有冷却流体30，以保持冷却通道15的壁上的压力和冷却流体通过转子叠片铁芯13的渗漏流32较小。

冷却流体的流动路径在图1中通过箭头表示。流体供应管路16将冷却流体从空心轴14的内部引入到转子10的待冷却的有源部件中。冷却流体沿轴向流过冷却通道15直至转子叠片铁芯13的相对的端侧。冷却流体的一部分渗到转子叠片铁芯13的薄片之间，并且作为渗漏流32在径向上向外流动。在渗漏流32与气隙筒11相遇的位置处，渗漏流沿轴向方向偏转。冷却剂的主流31从转子流出，并进入由定子20的绕组头22界定的空间中，即流体被喷射到电机的内部空间。

图2以纵向剖面图示出了具有定子20和根据本发明的转子10的另一实施方式的异步电机的上半部。

在局部放大图中示出了转子叠片铁芯13中的冷却通道15的横剖面。在图2的实施方式中，冷却通道15被充满冷却流体30，以便产生流过转子叠片铁芯13的更大的冷却流体渗漏流32。

冷却流体的流动路径在图2中用箭头表示。流体供应管路16将冷却流体从空心轴14的内部空间引入到转子10的待冷却的有源部件。端侧上的密封元件18防止冷却流体从转子10沿轴向流到被密封元件所覆盖的区域中。冷却流体的主流31沿轴向流过冷却通道15直至转子叠片铁芯13的相对的端侧，在该端侧被偏转回到空心轴14，并在转动轴线附近从转子中流出，并进入由定子20的绕组头22界定的空间中，即，流体被喷射到电机的内部空间。通过使流体流31偏转回到空心轴来回收动能。

图3以纵向剖面图示出了具有定子20和根据本发明的转子10的另一实施方式的异步电机的上半部。

穿过叠片铁芯13和鼠笼12延伸的多个轴向的冷却通道15相对于转子10的旋转轴线的径向距离不同。以局部放大图示出在转子叠片铁芯13中的冷却通道15的横截面。在图3的实施方式中，冷却通道15完全填满冷却流体30，以便产生流过转子叠片铁芯13的更大的冷却流体渗漏流32。

冷却流体的流动路径在图3中通过箭头表示。流体供应管路16将冷却流体从空心轴14的内部空间引入到转子10的待冷却的有源部件中。端侧上的密封元件18防止冷却流体从转子10沿轴向流到被密封元件所覆盖的区域。冷却流体的主流31在轴向上流过冷却通道15并沿着气隙筒11的内部流向转子叠片铁芯13的相对的端侧，并在该端侧被偏转回到空心轴14，并在旋转轴线附近从转子进入由定子20的绕组头22界定的空间，即，流体被喷射到电机的内部空间。通过使流体流31偏转回到空心轴来回收动能。

图4以纵向剖面图示出了具有定子20和根据本发明的转子10的又一实施例的异步电机的上半部。

穿过转子叠片铁芯13和鼠笼12延伸的多个轴向冷却通道15相对于转子10的旋转轴线的径向距离不同。以局部放大图示出在转子叠片铁芯13中的冷却通道15的横截面。在图4的实施例方式中，冷却通道15完全填满冷却流体30，以便产生流过转子叠片铁芯13的更大的冷气流体渗漏流32。

冷却液的流动路径在图4中通过箭头表示。流体供应管路16将冷却流体从空心轴14的内部空间引入到转子10的待冷却的有源部件中。在两个端侧上的密封元件18防止冷却流体从转子10沿轴向流出。冷却流体的主流31在轴向上流过冷却通道15并沿着气隙筒11的内部到达转子叠片铁芯13的相对的端侧，并在该端侧被偏转回到空心轴14，然后通过流体回流管路17流回到空心轴14。由此，冷却流体不能进入异步电机的内部空间。

附图标记列表：

10 转子

11 气隙筒

12 鼠笼

13 转子叠片铁芯

14 空心轴

15 冷却通道

16 流体供应管路

17 流体回流管路

18 密封元件

20 定子

21 定子叠片铁芯

22 绕组头

30 冷却流体

31 冷却流体主流

32 冷却流体渗漏流

40 气隙

Claims (10)

1.一种用于电机的液冷式转子(10)，该转子具有：用于供冷却流体(30)通过的空心轴(14)，该空心轴(14)具有用于冷却流体(30)的至少一个径向排出通道(16)；安装在空心轴(14)上的叠片铁芯(13)，鼠笼(12)布置在该叠片铁芯(13)上，

其特征在于，

转子(10)的周面由气隙筒(11)形成，该气隙筒沿径向向外密封转子(10)并防止冷却流体(30)沿径向从转子(10)流出。

2.根据权利要求1所述的转子(10)，其中，该转子具有沿轴向延伸穿过转子(10)的至少一个冷却通道(15)，该至少一个冷却通道穿过叠片铁芯(13)或在叠片铁芯(13)与气隙筒(11)之间延伸。

3.根据权利要求1或2所述的转子(10)，其中，在气隙筒(11)的端侧处在空心轴(14)与气隙筒(11)之间布置有密封元件(18)，该密封元件在由密封元件(18)覆盖的区域中防止冷却流体(30)从转子(10)沿轴向流出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子(10)，其中，空心轴(14)的至少一个径向的排出通道(16)在空心轴(14)被叠片铁芯(13)覆盖的区域之外布置在被气隙筒(11)包围的空间中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子(10)，其中，空心轴(14)具有至少一个径向的入流通道(17)，冷却流体(30)通过该入流通道能被输送回到空心轴中。

6.根据权利要求5所述的转子(10)，其中，空心轴(14)的至少一个径向的入流通道(17)在空心轴(14)的被叠片铁芯(13)覆盖的区域之外布置在被气隙筒(11)包围的空间中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(10)，其中，所述气隙筒(11)由非磁性的材料制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(10)，其中，所述冷却流体是液体。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(10)，其中，所述冷却流体是变速器油。

10.一种异步电机(ASM)，具有定子(20)和根据前述权利要求中任一项所述的转子(10)，该转子以能围绕转动轴线相对于定子(20)转动的方式布置在该定子中，其中，转子(10)的气隙筒(11)位于在转子(10)与定子(20)之间的气隙(40)中。

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