CN112740517A

CN112740517A - 用于电动机的散热器、电动机及冷却电动机的方法

Info

Publication number: CN112740517A
Application number: CN201980060398.9A
Authority: CN
Inventors: S·马腾斯; N·C·比法诺; S·克莱特; M·蒙兹
Original assignee: Xerox Motor Co ltd
Current assignee: Xerox Motor Co ltd; Ziehl Abegg Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2021-04-30
Also published as: JP2022514727A; EP3815224A1; WO2020057699A1; US20220029509A1; DE102018222625A1

Abstract

用于电动机的散热器，特别是商用车的轮毂驱动器，其具有将散热器的第一连接和散热器的第二连接相连的管道，其中，管道以螺旋状围绕散热器。使用这种散热器，可以在管道内产生冷却液的流动状态，形成二次涡流，并从而显著改善了冷却容量。

Description

用于电动机的散热器、电动机及冷却电动机的方法

技术领域

本发明涉及用于电动机的散热器，特别是用于商用车的轮毂驱动器，具有于散热器的第一连接与散热器第二连接之间延伸的管道。本发明还涉及具有相应散热器的电动机和用于冷却电动机的方法。

背景技术

多年来，人们已经从实践中认识一类有问题的散热器。特别是在轮毂驱动器领域，用于电动机的液体冷却系统已广泛使用，以便在高功率密度下提供足够的热消散。尽管在广阔的领域内效率很高，但设计为轮毂驱动器的电动机仍有很大一部分功率转化为热量的运行状态，例如在倾斜的情况下启动。

在这些峰值负荷下，线圈产生的高热通量可以通过使用具有高质量和高热容量的较大部件来吸收和消除。例如，这可以是线圈绕卷的肋条，其由不锈钢制成，及可以短暂地吸收相对较高的热能，然后在运行过程中不断地消散。

使用的热交换器是散热器，通常是圆柱形组件并放置在轮毂驱动器的定子芯内部。

根据已知的实施例，散热器是例如由铝制成的圆柱体，其中管道被铣削入。冷却系统由圆柱体圆周一侧的冷却液回路提供冷却液。在第一连接处，冷却剂垂直冲击分配器管道作为冲击射流，并从分配器管道引入到圆柱体壳上的多条管道，这些管道彼此平行延伸。在圆柱体圆周的另一侧，冷却液在第二连接处收集，并从那里返回冷却液回路。

这解决方案导致沿着分配管道的运行长度的压力分配非常不均匀。由于管道系统上的压差驱动体积流，分配管道中的压力分配不均会导致各个管道中的压力分配不均。两条外管道，其直接位于冲击射流的冲击区域中，具有比其他管道更大的流量。这导致流过各个管道的体积流不均匀，从而也导致各个管道之间的温度分配不均匀以及每个单个管道可以消散的不同热量。这产生了所谓的热点，即，在操作期间变得特别热的区域并且从那里特别难消散热。这些热点的出现会损坏组件。

通过将已知的散热器布置在轮毂驱动器的定子芯内，可以实现大约14kW至16kW的冷却容量。在根据现有技术的这种散热器的设计和建模中，通常忽略管道的弧度，并且假设管道为直线。

发明内容

因此本发明的目的是设计和开发如上述所述类型的冷却系统，使得可以实现更高的效率，并且减少各个区域处于高温状态的时间。

通过权利要求1的特征来实现本发明的目的。然后，有关的管道呈螺旋状环绕散热器。

关于电动机，上述目的通过从属权利要求10的特征来实现，根据权利要求10，电动机配备有相应的散热器。关于根据本发明的方法，本发明的目的通过从属权利要求14来实现，根据权利要求14，冷却液以足够高的流速在管道内被引导，使至少部分该管道中的迪恩数大于或等于50，优选地大于54。

按照本发明的方式，首先认识到，通过考虑管道的弧度作为管道的其他尺寸的函数，可以具体地影响和优化管道内的冷却液的流动行为。

由于离心力，当增加无量纲的迪恩数时，会发生二次涡旋，如可以观察到的是，例如，管道中的弯头。尽管迪恩数一方面取决于冷却液的流速和黏度，但也可以通过更改管道的弧度并更改管道的宽度和高度(或管道的液压直径)被影响。

根据管道的几何形状，可能会在管道的横截面上分布多个双涡旋。一方面，由于管道壁上的额外摩擦，当流过管道时这种湍流导致压力损失的增加。另一方面，实现了更均匀的压力分配和改进的流量混合。混合增加了热传递，即使在层流条件下，这因为描述向冷却液的热传递的努塞尔数在弧度管道中也强烈依赖迪恩数。这增加了通过散热器从电动机到冷却液的可消散热量，即冷却容量。另外，温度分配比根据现有技术的冷却更均匀。热点的形成减少了。在可比的尺寸下，根据本文所教导的散热器可以实现约26kW的冷却容量，与根据现有技术的散热器可以达到的14kW至16kW相比，这是相当大的改进。

由于流体不流经数个平行的管道，而仅流经一个螺旋形状的管道，因此管道的长度和流速增加。两者都会增加压力的损失。与已知的散热器相比，通过所提出的散热器的管道的迪恩数显著更高。结果是，在每个工作点都保证均匀(尽管是涡旋的)流量通过呈螺旋状形状的管道。与平行管道相比，尽管管道上的压力损失有所增加，给定体积流量下的压力损失仍然相对较低，因此可以忽略不计。

散热器优选地以旋转体的形式设计。例如，这可以是具有第一表面区域，第二表面区域和外壳的截面锥体，旋转体的外壳优选地设有形成管道的槽。由于管道以螺旋形状围绕散热器，因此严格来说，带有管道的散热器并非完全旋转对称。

根据特别优选的实施方式，散热器被设计为中空圆柱体。散热器的圆柱体形状适合与带有定子和可相对于其旋转的转子的电动机一起使用。定子和转子也规则地设计为第一圆柱体和围绕它的中空第二圆柱体。在这种情况下，外部的中空第二圆柱体是不可旋转的定子，而内部的第一圆柱体是相对于它旋转的转子(内部转子)，或者内部的第一圆柱体是不可旋转的定子，而中空的第二圆柱体是相对于它旋转的转子(外转子)。在第一种情况下，尽管根据本文描述的散热器可以外在地布置绕内部转子电动机的定子，散热器在优选实施例中被插入至外转子电动机的定子的内部。在后的实施例特别适用于车辆的轮毂驱动器－优选地是商用车。由于其中空的圆柱体形状，散热器适于相似圆柱体定子的形状。

形成管道的槽可以全部地或部分地形成在形成散热器的旋转体的外壳的外表面中，例如通过铣削。优选地，然而，管道被至少部分地引入到散热器的外壳的内表面中。因此，该散热器适用于设计为外转子电动机的永磁同步电动机(PMSM)，并且可以插入定子芯内部。

根据一个实施例，第一连接和第二连接可以位于更靠近散热器的第一表面区域的位置。特别是，第一连接可以用来提供冷却液，而第二连接可以将冷却液返回到冷却液回路。冷却液因此可以在第一表面区域附近被引入，并通过螺旋状管道沿着散热器移动。

优选地，管道可形成U型弯(Kehrtwende)，该U型弯更靠近散热器的第二表面区域。管道的导向装置尤其具有几乎180°的角度。与管道的螺旋导向器的其他部分相比，U型弯的区域可具有特别高的弧度，并导致特别高的迪恩数，这有利于产生二次涡旋并增加散热器中的冷却液的热吸收，从而增加冷却容量。

在U型弯后，管道然后朝第一表面区域移回并终止于第二个连接。该第一连接和该第二连接优选地在周向上彼此相对。这配置对于带轮毂驱动器的散热器的使用特别有利，因为可以将冷却液提供给车轮内(靠近第一表面区域)的散热器，及于同一侧返回到冷却液回路。

根据另一实施方式，管道在区域上设计成双螺旋形。特别地，第一连接可以连接到双螺旋形的第一股，第二连接可以连接到双螺旋形的第二股。因此，双螺旋形的第一股从第一连接通向U型弯。双螺旋形的第二股从U型弯通向第二连接。由于具有双螺旋形形状，第一股的绕卷在一个方向上将冷却液通向U型弯，与第二股的绕卷交替，第二股的绕卷在相反的方向上引导冷却液。

供给散热器的冷却液(进入第一连接时温度最低)相应地首先通过第一股的绕卷并在过程中吸收热量。不仅对于要冷却的组件，而且对于第二股的绕卷中的冷却液，均存在温度差。因为在U型弯之后，冷却液通过第二股的绕卷回流，但在第一股的两个绕卷之间沿相反的方向流动，直到它退出第二连接时达到最高温度为止。

当于第一表面区域附近的第一股的绕卷和第二股的绕卷中的温度相距较远，于第二表面区域附近的U型弯的第一股的绕卷和第二股的绕卷中的温度相距大致相等。由于与要冷却的组件相比，于第一表面区域附近的第一股的绕卷特别冷的冷却液具有较高的温度差，并且与要冷却的组件相比，于第一表面区域附近的第二股绕卷的冷却液已经充分加热具有较低的温度差，冷却容量在散热器的轴向延伸范围上可适应相当均匀的程度。

更优选地，管道的宽度大于管道的高度的三分之一。进一步优选地，管道的宽度小于管道的高度的三倍。管道的宽度可以是大约5至大约50mm，尤其是7mm至21mm。管道的高度也可以是大约5mm至大约50mm，尤其是7mm至21mm。宽度与高度的比率最好在1/3与3之间，因为在这范围中，相对的压力损失可以根据迪恩数来表示，因此可以针对性地进行控制。更大的宽度与高度之比，增加相对压力损失的效果被降低，因为涡流系统变得不稳定，并且径向流交换不再主要发生在外壁上。管道的弧度半径，即旋转体外壳的半径，可以优选在50mm至200mm之间。

根据优选的实施方式，散热器由铝制成，可以使用具有合适的导热率和合适的比热容的任何材料。

根据本文所述的教导，还提出了一种具有所述的一个或多个特征的散热器的电动机。优选地设计为外转子电动机的永磁同步电动机(PMSM)。更优选地，电动机是用于车的轮毂驱动器，尤其是商用车。

在这种情况下，散热器可以位于电动机的定子内部，并消散在运行过程中转化为热量的能量。优选地包括

根据本文所述的教导，最终提出了一种用于冷却电动机的方法。在这种情况下，冷却液以一定的流速在所描述管道或所描述的散热器的管道中被引导。流速足够高以致在管道的至少某些部分中导致迪恩数大于或等于50。优选地，迪恩数大于54，以便在通过管道的冷却液流中形成二次涡旋。优选使用根据本文描述教导的散热器。冷却液在第一连接处引入螺旋状管道中，其围绕散热器。根据散热器的管道或若干管道尺寸和冷却液的黏度，可以通过流速确定迪恩数，并且二次涡旋的形成可被控制。

附图说明

有多种选择来有利地设计和完善本发明的教导。为此，一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面参考附图对本发明的优选实施例的以下说明。结合参考附图对本发明的优选示例性实施例的说明，还说明了本教导的总体上优选的设计和改进。这些图显示了以下内容

图1a是散热器的一个实施例的纵剖视图；

图1b是相反侧面的散热器的纵剖视图；以及

图2是散热器的实施例的放大部分。

具体实施方式

在图1a中可以看到用于电动机(未示出)的散热器1。散热器1特别适合于冷却永磁同步电动机(PMSM)，该永磁同步电动机被设计为外转子电动机，优选地作为车辆的轮毂驱动器，尤其是商用车。在这些实施例中，散热器1布置在电动机的定子的内部或定子芯。

散热器1包括管道2，该管道2在散热器1的第一连接3a和散热器1的第二连接(图1a中未示出)之间延伸。由于图1a是剖面图，仅看到第一连接3a。在该实施例中，然而，第二连接部以相对于第一连接部3a于纵轴4以旋转对称的方式形成。该第一连接3a和该第二连接3b从而在周向上彼此相对。

散热器1以中空圆柱体的形式设计。中空圆柱体具有第一表面区域5，第二表面区域6和外壳7。该圆柱体的外壳7设有一个槽，该槽形成了管道2。管道2以螺旋状围绕着散热器1。在所示的实施例中，管道2被设计成双螺旋形，并且被引入到外壳7的内表面8中。然而，在其他实施例中，管道2也可以被引入到外壳7的外表面9中。相比于散热器1的第二表面区域6，第一连接3a和第二连接更靠近散热器1的第一表面区域5。在相对侧，靠近散热器1的第二表面区域6，管道2形成U形弯10，管道2以紧密弧线改变其方向约180°。

第一连接3a连接到双螺旋形的第一股11。在操作过程中，第一股11通过第一股11的绕卷12、13将冷却液从第一连接3a引导到U型弯10。第二股14通过第一股11的绕卷15、16沿散热器1的第一表面区域5的方向将冷却液从U型弯10引导回流至第二连接3b。从那里，冷却液可以返回到冷却液回路(未示出)。可以使用箭头17来追踪管道2的第一股11和第二股12内的冷却液流动方向。

图1b示出了图1a中的散热器1的实施例的纵向剖视图，但是从另一侧示出，因此在图1b中示出了未有在图1a中示出散热器1的特定部分，反之亦然。

冷却液的流动方向也可以使用箭头17在图1b中显示。冷却液从第一连接3a(图1b中未示出)流向U型弯(图1b中未示出)，其间通过第一股11的绕卷12、13，在操作期间，在U型弯之后，通过管道2的股14，通过其绕卷15、16，到达第二连接3b，并从那里返回到冷却液回路。

散热器1的几何形状，尤其是管道2的几何形状，如图2所示。

管道2的宽度18大约是管道2的高度19的尺寸的三倍。宽度18可以为大约40mm，而高度19为大约13.5mm。弧度20的半径约为140mm。在这些给定的尺寸下，迪恩数仅取决于流经管道2的冷却液的流速和黏度。

迪恩数一般由以下等式描述

流速为u，黏度为ν，弧度半径为r_k 19和管道的水力直径为d_h。可以从矩形横截面的宽度18和高度19确定水力直径，弧度半径r_k 20是从散热器1的纵轴4到外壳7的内表面8测得的，也就是说，管道2的内边界表面。

给定管道2的这种预定几何形状，迪恩数De仅取决于流速u，和黏度ν。因此，在执行根据图1和2的示例性实施例的利用散热器1冷却电动机的方法时，仅冷却液具有合适的黏度ν和合适的流速u引导通过管道2以达到一定的迪恩数。为了在至少部分形成二次涡旋，应实现大于54的迪恩数。

关于根据本发明的装置的进一步的有利实施例，参考说明书的描述和所附的权利要求以免赘述。

最后，应明确地注意，上述示例性实施例仅用于解释所要求的教导，而不是限于示例性实施例。

附图标记列表

1 散热器

2 管道

3a 第一连接

3b 第二连接

4 纵轴

5 第一表面区域

6 第二表面区域

7 外壳

8 内表面

9 外表面

10 U型弯

11 第一股

12 绕卷

13 绕卷

14 第二股

15 绕卷

16 绕卷

17 箭头

18 宽度

19 高度

20 弧度半径

Claims

1.用于电动机的散热器(1)，特别是用于商用车的轮毂驱动器，具有于该散热器(1)的第一连接(3a)与该散热器(1)的第二连接(3b)之间延伸的管道(2)，

其特征在于，该管道(2)呈螺旋状环绕该散热器(1)。

2.根据权利要求1所述的散热器(1)，其特征在于，

该散热器(1)通常为旋转体的形式，特别是中空圆柱体，其具有第一表面区域(5)、第二表面区域(6)和外壳(7)，其中，该旋转体的该外壳(7)设有形成该管道(2)的槽。

3.根据权利要求2所述的散热器(1)，其特征在于，

该管道(2)至少部分地引入该外壳(7)的内表面(8)。

4.根据权利要求2或3所述的散热器(1)，其特征在于，

该第一连接(3a)和该第二连接(3b)靠近该散热器(1)的该第一表面区域(5)，和/或

该管道(2)靠近该散热器(1)的该第二表面区域(6)形成U型弯(10)。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的散热器(1)，其特征在于，

该第一连接(3a)和该第二连接(3b)在周向上彼此相对。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的散热器(1)，其特征在于，

该管道(2)在区域中设计为双螺旋形。

7.根据权利要求6所述的散热器(1)，其特征在于，

该第一连接(3a)连接至该双螺旋形的第一股(11)，该第二连接(3b)连接至该双螺旋形的第二股(14)。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的散热器(1)，其特征在于，

该管道(2)的宽度(17)大于该管道(2)的高度(19)的三分之一，和/或小于该管道(2)的该高度(19)的三倍。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的散热器(1)，其特征在于，

该散热器(1)由铝制成。

10.一种带有权利要求1至9中任一项所述的散热器(1)的电动机。

11.根据权利要求10所述的电动机，其特征在于，

该电动机是设计为外转子电动机的永磁同步电动机(PMSM)。

12.根据权利要求10或11所述的电动机，其特征在于，

该电动机是用于车的轮毂驱动器，特别是用于商用车。

13.根据权利要求10至12中任一权利要求所述的电动机，其特征在于，

该散热器(1)位于该电动机的定子内。

14.一种冷却电动机的方法，优选地使用根据权利要求1至9中任一权利要求所述的散热器(1)，所述方法包括：

以足够高的流速在该管道(2)中引导冷却剂，使至少部分该管道(2)中的迪恩数大于或等于50，优选地大于54。