CN113014015A - 转子空气冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转子空气冷却系统，其包括外壳体和构造成插入到外壳体中的内壳体，内壳体包括开放后端。该系统还包括附接到内壳体的内侧的定子、包含在内壳体中的主转子体，主转子体围绕布置成延伸穿过内壳体和外壳体的转子轴布置，冷却空气在入口端轴向进入主转子体，穿过主转子体的腔室，在出口端离开主转子体，在内壳体和外壳体之间布置水套。该系统包括热交换器，用于对离开主转子体的冷却空气散热；在经由与内壳体的开放后端流体连通的外壳体空气入口径向引导到主转子体的空气入口之前，离开主转子体的空气经由与外壳体空气出口对准的内壳体空气出口被径向引导穿过热交换器，以使被冷却的空气再循环通过主转子体。

Description

转子空气冷却系统

技术领域

本公开涉及一种转子空气冷却系统。

背景技术

在电机(诸如电动车辆或混合动力车辆中的电动马达)中，转子磁体和定子绕组的热容量影响电机的可用输出功率。转子磁体通常具有150℃的热限制，并且当温度进一步增加时，发生使电机性能降低的去磁。由多根铜线构成的定子绕组用具有约180℃的温度限制的材料绝缘，如果温度进一步增加，则可能发生热疲劳裂纹，而这可导致短路并使电机终止。

为了提高电机的性能，需要冷却转子和定子绕组。这种冷却通常使用诸如油或水的液体介质来执行，导致更复杂且昂贵的冷却机构。

发明内容

一个目的是解决或至少减轻该问题，并因此提供一种改进的转子空气冷却系统。

该目的一方面通过一种转子空气冷却系统来实现，所述转子空气冷却系统包括外壳体和构造成插入到外壳体中的内壳体。所述系统还包括被附接到所述内壳体的内侧的定子、被包含在所述内壳体中的主转子体、以及被布置在所述内壳体和所述外壳体之间的水套，所述主转子体围绕转子轴布置，所述转子轴布置成延伸穿过所述内壳体和所述外壳体，其中，冷却空气在入口端轴向地进入所述主转子体，通过所述主转子体的腔室，在出口端离开所述主转子体。此外，所述系统包括用于对离开所述主转子体的冷却空气散热的热交换器；其中，在被布置成经由与所述内壳体的空气入口对准的所述外壳体的空气入口径向引导到所述主转子体的空气入口之前，离开所述主转子体的空气经由与所述外壳体的空气出口对准的所述内壳体的空气出口被径向引导穿过热交换器，用于被冷却的空气再循环通过所述主转子体。

通常，权利要求中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非在本文中明确地另外定义。对“一个/一种/所述元件、装置、组件、机构、步骤等”的所有引用除非另外明确说明，否则将开放性地解释为指代元件、装置、组件、机构、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

现在通过示例的方式，参考附图来描述各方面和实施例，其中：

图1示意性地示出了根据一个实施例的侧视截面图的转子空气冷却系统；

图2示出了根据一个实施例的空气转子冷却系统的透视外视图；

图3以透视图示出了根据一个实施例的在空气转子冷却系统中使用的转子；

图4示出了图3的转子的一部分；

图5示出了根据一个实施例的布置有轴向输入端板的图3的转子；和

图6示出了根据一个实施例的进一步布置有叶轮的图5的转子。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本公开的各方面，在附图中示出了本发明的某些实施例。

但是，这些方面可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被解释为限制性的；相反，这些实施例是以示例的方式提供的，使得本公开将是透彻和完整的，并且将本发明的所有方面的范围完全传达给本领域技术人员。在整个说明书中，类似的附图标记指代类似的元件。

图1示意性地示出了根据一个实施例的以侧视截面图示出的转子空气冷却系统10。

系统10包括被容纳在内壳体12中的转子11。内壳体被构造成被插入到外壳体14中。附接到内壳体12的盖15确保在内壳体12被插入到外壳体14中时内壳体12和外壳体14变成封闭空间。转子11包括转子轴11a和主转子体11b，转子轴11a穿过内壳体12和外壳体14，主转子体11b通常被称为转子叠层(rotor stack)，其被封装在内壳体12中并且围绕轴11a。转子轴11a经由转子轴承联接到内壳体12和外壳体14。如下文将更详细地说明的，主转子体11b包括轴向定向的腔室11c，在腔室11c中，空气在主转子体11b旋转时将穿过主转子体11b。转子冷却空气流的方向在图1中借助于箭头表示。

因此，空气将在入口端轴向进入转子叠层11b，穿过主转子体11b的腔室11c，然后在出口端离开主转子体11b。为了避免转子11过热，转子11必须被冷却，这通常使用例如液体冷却介质来进行，液体冷却介质例如是前面所讨论的应用于转子的油或水。

在该实施例中，水套13布置在外壳体14和内壳体12之间的相对紧密的空间中。第一凸缘16和第二凸缘17布置成从内壳体12的外侧径向突出并且围绕内壳体12的周边延伸以邻接外壳体14的内侧(或反之亦然)，从而形成围绕内壳体12的夹套(casing)，在夹套中可以容纳水，从而产生水套13。因此冷水将被施加在由内壳体12、外壳体14和两个径向突出的凸缘16、17形成的夹套中，从而形成将冷却内壳体12的水套13。

定子18固定地布置于内壳体12的内侧，定子18包括定子绕组27。

此外，在一个实施例中，热交换器19可以布置在外壳体14的外侧的封闭空间20中，用于对已通过主转子体11b并在其出口端处离开的被加热的转子冷却空气散热。空间20可由用作罩21的金属板封闭。可以设想，热交换器19与外壳体14是一体的，如将在下文中说明的。可以设想系统10可以包括用于冷却在系统中循环的空气的多个热交换器。

对于热交换器19，可以设想多种构造；其可与外壳体14一体或附接到外壳体14。可替代地，热交换器19可以是内壳体12的一部分或附接到内壳体12，或者甚至布置在内壳体和外壳体的外部并经由封闭的空气通道连接至系统10。

内壳体12包括与外壳体14的空气出口23对准的空气出口22，以便能实现主转子体11b的出口端与热交换器19的入口之间的流体连通。

如进一步可以看到的，外壳体14包括空气入口24，在该处，空气将从内壳体12的开放后端25进入内壳体12，以便能实现热交换器19的出口端和主转子体11b的入口端之间的流体连通。

因此，在热交换器19与内壳体12的内部之间产生流体连通的情况下，离开主转子体11b的空气被径向引导(由于流过所述系统10的空气的方向)，以经由内壳体12和外壳体14的相应空气出口22、23通过热交换器19，在热交换器19，热量从空气消散，然后空气经由外壳体14的空气入口24和内壳体12的开放后端25被径向引导到主转子体11b的空气入口，用于被冷却的空气再循环通过主转子体11b的腔室11c。

再次参考图1，得到的结论是，被冷却的空气在转子叠层11b的入口端轴向进入转子叠层11b并穿过转子叠层11b的腔室11c。因此，所述被冷却的空气冷却转子11，即转子轴11a以及转子叠层11b。进一步有利的是，进入内壳体12的被冷却空气也将冷却定子18及其绕组27。

一旦在转子叠层11b的出口端离开，加热了的空气将上升并且因此在内壳体12中朝向内壳体12和外壳体14的空气出口22、23径向引导，加热了的空气经由内壳体12和外壳体14的空气出口22、23进入封闭空间20并且由热交换器19冷却。此外，围绕内壳体12的水套13的冷水将冷却循环的空气。应注意，水套13用作用于系统的各种部件(诸如热交换器19、定子18、转子11等)的通用冷却元件。

穿过热交换器19被冷却的空气将到达热交换器19的出口端，并且在再次被再循环通过主转子体11b的腔室11c之前，在径向方向上经由外壳体14的空气入口24和内壳体12的开放后端25进入内壳体12，以便有利地冷却转子11以及定子18及其绕组27。

因此，有利地，使用空气而不是液体(例如水或油)获得了有效的转子冷却系统。这提供了更便宜且不复杂的冷却系统10。此外，当使用液体而不是空气时，处理会更麻烦。

图2示出了空气转子冷却系统10的透视外视图，其中为了说明的目的，内壳体12尚未插入外壳体14中。

可以看出，内壳体12包括空气出口22。此外，示出了第一凸缘16和第二凸缘17，第一凸缘16和第二凸缘17从内壳体12径向地突出-比其它三个凸缘突出更多-以便邻接外壳体的内表面，从而在内壳体12如箭头所示插入到外壳体14中时形成水套(图2中未示出)。当系统10处于运行中时，水套将在第一凸缘16和第二凸缘17之间轴向延伸并且通常围绕内壳体12。在封闭凸缘16、17之间的三个凸缘用作螺旋形肋26，其沿着外侧的长度延伸，用于当内壳体12插入到外壳体14中时引导被容纳在夹套中的水。

当内壳体12插入到外壳体14中时，封闭内壳体12的盖15将还封闭外壳体14。此外，内壳体12的空气出口22将与外壳体14的空气出口23对准，同时外壳体14的空气入口24将与内壳体的开放后端25流体连通。

在图2所示的实施例中，图1的罩21已经被移除以示出与外壳体一体的热交换器19，转子冷却空气从空气入口23通过热交换器19传递到空气出口24并且在内壳体12中再循环。在运行期间，图1的罩21附接到外壳体14以形成用于热交换器19的封闭空间。如可以看到的，热交换器19在该示例性实施例中布置有波形冷却翅片。但是，可以设想任何适当的冷却翅片形状，例如矩形翅片、错置的带状翅片、三角形翅片等。

腔室11c从入口端到出口端延伸穿过主转子体11b，转子冷却空气经由腔室11c通过，腔室11c可在转子11的轴向方向上延伸，即与转子轴11a平行地延伸。但是，在一个实施例中，腔室11c相对于转子轴11a稍微螺旋状地延伸通过主转子体11b。

图3以透视图示出了根据这样的实施例的转子11。因此，主转子体11b布置成围绕转子轴11a。主转子体11b包括腔室11c，空气将在腔室11c中从入口侧通过转子本体11b到出口侧，如箭头所示。在该实施例中，腔室11c布置成相对于转子轴11a从主转子体11b的入口端螺旋地延伸到主转子体11b的出口端。

在一个实施例中，延伸穿过主转子体11b的螺旋形状的腔室11c的螺旋角大约为5–10°，例如6–8°。有利地，螺旋形状的腔室11c导致通过主转子体11b的更大的空气速度，并且因此导致系统中更高的空气循环速度，这有效地改善了来自系统中转子和定子的热的传递。

参照图3和图4，在实践中，主转子体11b由单独的圆形金属盘30-34形成(在实践中，根据转子的尺寸，可利用数十或甚至数百个盘)，这些金属盘沿转子轴11a轴向布置并邻接前一盘以形成主转子体11b，每个金属盘具有围绕盘分布的通孔30a-30b、31a-31b、32a-32b(在图3的示例有9个孔和在图4的示例中有6个孔)，其中孔的数量对应于主转子体11b中的腔室11c的数量。在附图中，通孔示出为具有五边形的形状。但是，通孔可以可选地是圆形的、三角形的、蘑菇形的等，或者具有任何适当的形状。此外，根据具体的实施方式，可以使用任何适当数量的通孔。如所理解的，所述盘紧密地邻接以形成一组紧凑的盘。通孔可进一步设置有冷却翅片以增加热交换。这可以例如通过通孔的内壁布置有小齿形冷却翅片构件来实现。

因此，盘30-34沿着转子轴11a一个接一个地“叠层(stacked)”，这解释了为何主转子体11b通常被称为转子叠层16。

为了获得穿过主转子体11b的轴向腔室11c，即与转子轴11a平行地延伸的腔室11c，盘30-34沿转子轴11a轴向地一个接一个地布置以形成主转子体11b，一个盘30的孔与接着的盘31的孔对准，直到所有盘已经围绕轴布置。

但是，如图4的实施例中所示，每个盘相对于前一盘围绕转子轴旋转地偏移，由此产生螺旋地延伸穿过主转子体的腔室。

因此，在围绕转子轴(图4中未示出该轴)布置第一盘30之后，第二盘31围绕转子轴布置并且相对于第一盘30稍微旋转地偏移，在该示例中在逆时针方向上稍微旋转地偏移。结果，第二盘31的通孔31a、31b相对于前述第一盘30的对应通孔30a、30b旋转地偏移。此后，第三圆盘32围绕转子轴布置并且相对于第二圆盘31稍微旋转地偏移(在与先前圆盘相同的旋转方向上)，使得第三圆盘32的通孔32a、32b相对于前述第二盘31的对应通孔31a、13b等旋转地偏移。

有利地，盘30-34的这种旋转偏移使得由通孔产生的腔室11c相对于转子轴11a成螺旋形地延伸。

图5示出了另一实施例，其中轴向输入端板40在主转子体11b的入口端处围绕转子轴11a布置。轴向输入端板40的通孔与主转子体11b的入口端处形成腔室11c的通孔对准。因此，轴向输入端板40用作用于增加穿过主转子体11b的冷却空气流的轴流式风扇。

轴向输入端板40具有至少两个优点。首先，轴向输入端板40用于平衡主转子体的盘30-34。也就是说，轴向输入端板40可以被压靠在主转子体11b的入口端上，以使得盘30-34沿着转子轴11a彼此紧密地邻接。其次，轴向输入端板40是轴流式风扇，其轴向地将已被热交换器冷却的空气引导到主转子体11b中，在主转子体11b的入口侧处形成高压区域，这将把空气推入腔室11c中。

图6示出了另一实施例，其中叶轮50在主转子体11b的出口端处围绕转子轴11a布置。叶轮50的叶片将有利地促进转子冷却空气沿径向方向朝向热交换器(未在图5中示出)的引导。叶轮50径向地散布空气以在主转子体11b的出口侧处形成低压区，其将空气从腔室11c中抽出。应注意，叶轮50的使用不要求也使用轴向输入端板40。典型地，叶轮50实际上围绕转子轴11a布置，使得叶轮邻接主转子体11b的出口端。

上面参照一些实施例及其示例主要地描述了本公开的各方面。但是，如本领域技术人员容易理解的，除上面公开的实施例外的其他实施例落入本发明的范围内是同样可能的，如由所附的专利权利要求所限定的。

因此，虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各方面和实施例是为了说明的目的，而不旨在是限制性的，真正的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (16)

1.一种转子空气冷却系统(10)，包括：

外壳体(14)；

内壳体(12)，所述内壳体(12)构造成插入到所述外壳体(14)中，所述内壳体(12)包括开放后端(25)；

定子(18)，所述定子(18)附接到所述内壳体(12)的内侧；

包含在所述内壳体(12)中的主转子体(11b)，所述主转子体(11b)围绕转子轴(11a)布置，所述转子轴(11a)布置成延伸穿过所述内壳体(12)和外壳体(14)，其中冷却空气在入口端经由所述内壳体(12)的开放后端(25)轴向地进入所述主转子体(11b)，穿过所述主转子体(11b)的腔室(11c)，并在出口端离开所述主转子体(11b)；

布置在所述内壳体(12)和所述外壳体(14)之间的水套(13)；

热交换器(19)，所述热交换器(19)用于消散来自离开所述主转子体(11b)的冷却空气的热量；其中

在布置成经由所述外壳体(14)的与所述内壳体(12)的开放后端(25)流体连通的空气入口(24)被径向引导到所述主转子体(11b)的空气入口之前，离开所述主转子体(11b)的空气被径向引导，经由所述内壳体(12)的与所述外壳体(14)的空气出口(23)对准的空气出口(22)穿过所述热交换器(19)，用于被冷却的空气再循环通过主转子体(11b)。

2.根据权利要求1所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述热交换器(19)布置在所述外壳体(14)的外侧处的封闭空间(20)中。

3.根据权利要求2所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述外壳体(14)包括可移除罩(21)，所述可移除罩(21)构造成打开和关闭所述热交换器(19)布置在其中的所述空间(20)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述内壳体(12)包括盖(15)，所述盖(15)布置成在所述内壳体(12)插入到所述外壳体(14)中时封闭所述内壳体(12)和所述外壳体(14)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述热交换器(19)与所述外壳体(14)是一体的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述水套(13)由布置有围绕所述内壳体(12)的外侧的径向突出的第一凸缘(16)和径向突出的第二凸缘(17)的所述内壳体(12)的外侧形成，所述第一凸缘(16)和第二凸缘(17)布置成邻接所述外壳体(14)的内侧，从而形成围绕所述内壳体(12)的能容纳水的夹套。

7.根据权利要求6所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述内壳体(12)的所述外侧包括沿着所述外侧的长度延伸的螺旋形肋(26)，用于引导容纳在所述夹套中的水。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，其中，所述主转子体(11b)的每个腔室(11c)布置成相对于所述转子轴(11a)从所述主转子体(11b)的所述入口端螺旋地延伸到所述主转子体(11a)的所述出口端。

9.根据权利要求8所述的转子空气冷却系统(10)，其中，所述腔室(11c)布置成具有5°-10°，优选6°-8°的螺旋角。

10.根据权利要求8或9所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述主转子体(11b)由沿着所述转子轴(11a)轴向布置并邻接前一盘的各个圆形的盘(30-34)形成，每个盘包括围绕所述盘分布以形成所述腔室(11c)的通孔(30a-30b、31a-31b、32a-32b)，其中，一个盘(31)的通孔(31a-31b)布置成相对于前一盘(30)的通孔(30a-30b)旋转地偏移，每个盘在相同的旋转方向上偏移，从而形成螺旋延伸的腔室(11c)。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述主转子体(11b)由沿着所述转子轴(11a)轴向布置并邻接前一盘的各个圆形的盘(30-34)形成，每个盘包括围绕所述盘分布以形成所述腔室(11c)的通孔(30a-30b、31a-31b、32a-32b)，其中，一个盘(31)的通孔(31a-31b)布置成与前一盘(30)的通孔(30a-30b)对准，从而形成轴向延伸的腔室(11c)。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，还包括输入端板(40)，所述输入端板(40)在所述主转子体(11b)的入口端处围绕所述转子轴(11a)布置，所述输入端板(40)包括与在所述主转子体(11b)的入口端处形成所述腔室(11c)的所述通孔(30a-30b)对准的通孔。

13.根据权利要求12所述的转子空气冷却系统(10)，其中所述输入端板(40)用作轴流式风扇，所述轴流式风扇构造成增加通过所述主转子体(11b)的冷却空气流。

14.根据前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)，还包括叶轮(50)，所述叶轮(50)在所述主转子体(11b)的出口端处围绕所述转子轴(11a)布置，以促进在所述出口端处离开所述主转子体(11b)的冷却空气的径向引导。

15.一种电动马达，包括前述权利要求中任一项所述的转子空气冷却系统(10)。

16.一种电动/混合动力车辆，包括根据权利要求15所述的电动马达。

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