CN115211001A - 用于可变转矩生成电机的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种电机，具有：壳体，所述壳体具有定子室；轴，所述轴由至少一个轴承组件支撑使得轴可相对于壳体旋转；定子组件，所述定子组件具有定子芯部和绕着定子芯部的多个电线绕组；转子组件，所述转子组件具有用于在定子组件中生成磁场的磁体组件，其中冷却剂经越定子芯部和多个电线绕组地循环通过定子室以移除热；以及多个热电装置。热电装置绕着壳体的内周缘定位成使得冷却剂循环经越这多个热电装置。多个热电装置利用Peltier效应来冷却流过定子室的冷却剂或生成可由电机使用的电流。

Description

用于可变转矩生成电机的冷却系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月2日提交且题为“Variable Torque GenerationElectric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array”的美国临时申请序列号62/984,270的根据35U.S.C.§119(e)的优先权。本申请要求于2020年9月11日提交且题为“Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor Gear Switching”的美国临时申请序列号62/077,243的根据35U.S.C§119(e)的优先权。申请日为2021年3月2日的题为“Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor GearSwitching”的共同待决非临时申请序列号XX/XXX,XXX的全部内容以引用的方式并入本文中。此外，申请日为2021年3月2日的题为“Variable Torque Generation ElectricMachine Employing Tunable Halbach Magnet Array”的共同待决非临时申请序列号XX/XXX,XXX的全部内容也以引用的方式并入本文中。
背景技术
电机是使用电磁力将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的装置。常见的电机包括发电机和电动机。
发电机将机械能转换为电能以供诸如电网、车辆中的电气系统等的外部电路使用。大多数发电机采用诸如轴的旋转之类的旋转力(转矩)形式的原动力源。旋转力通过由发电机内的磁体产生的磁场与电线绕组之间的相互作用而在一个或多个电线绕组中引起电流生成。常见的原动力源包括具有恒定转矩和连续转速(以每分钟转数(RPM)表达)的蒸汽轮机、燃气轮机、水力发电涡轮机、内燃机等。
电动机的机械方面与发电机相同，但电动机以相反方式工作。电动机通过由电动机内的磁体产生的磁场与通过一个或多个电线绕组的电流之间的相互作用使电能转换为机械能，而生成呈电动机轴旋转形式的原动力(即旋转力或转矩)。该旋转力(转矩)然后被使用来推进一些外部机构。电动机一般设计为提供连续的旋转和恒定转矩。在某些应用中，比如在采用以牵引电动机进行再生制动的车辆中，电动机可逆向使用作为发电机来回收原本可能因为热和摩擦而损失掉的能量。
越来越多地，由于使用的能源可变、不定时且往往不可预测，可再生能源技术中采用的发电机必须在广泛变化的转速(RPM)和转矩条件下工作。相似地，环境友好型技术或绿色技术采用的电动机也必须能够产生一系列的转速(RPM)和转矩。然而，尽管传统发电机和电动机在接近它们的额定转速(RPM)和转矩工作时常常表现出从百分之九十到百分之九十八(90％-98％)范围的效率，然而当同样的这些发电机和电动机在它们的额定转速(RPM)和/或转矩之外(的条件下)工作时，它们的效率急剧下降，常常低至百分之三十到百分之六十(30％-60％)。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。相同附图标记在该描述的不同实例中和附图中的使用可指示相似或相同的物项。此外，本领域普通技术人员将理解的是，本文中公开的构思可应用于包括但不限于电动机、发电机和/或机电传动系统之类的各种电机。因此，贯穿本公开和在随附的权利要求书中，术语电机总的用于描述能够采用本文中描述的构思的任何机电装置，且应当理解的是，除非另作如此说明，否则术语电机可指代电动机、发电机、直线电动机、机电传动系统、它们的组合(例如，适合于在采用再生制动的混合动力车辆中使用的电机)等等。
图1是侧视图，图示出根据本公开的示例实施例的电机。
图2是立体图，图示出根据本公开的示例实施例的图1中所示的电机。
图3是图1中所示的电机的剖视立体图，示出了根据本公开的示例实施例的定子和转子。
图4是剖视立体图，图示出电机的不同实施例，其中示出壳体已被移除，图示出根据本公开的示例实施例的电机冷却系统。
图5是图1中所示的电机的剖视立体图，进一步示出了根据本公开的示例实施例的定子和转子。
图6示出图1中所示的电机，该电机具有根据本公开的示例实施例的不同实施例的电机冷却系统。
图7示出根据本公开的示例实施例的来自定子、来自图3中所示的定子的多个定子片。
图8示出根据本公开的示例实施例的图7中所示的单个定子片。
图9示出图8中所示的定子片的局部视图，示出了根据本公开的示例实施例的多个定子齿的详细视图。
图10是根据本公开的示例实施例的图7中所示的多个定子片的剖视图。
图11是图4中所示的定子的剖视立体图，其中示出壳体已被移除，图示出根据本公开的示例实施例的电机冷却系统。
图12是电机的替代实施例，所述电机根据本公开的示例实施例具有开放式壳体。
图13是图12中所示的电机的立体剖视图，示出了根据本公开的示例实施例的定子和转子。
图14是图12中所示的壳体端盖的局部立体图，示出了根据本公开的示例实施例的定子和转子。
图15是图12中所示的电机的剖视立体图，示出了根据本公开的示例实施例的定子和转子。
图16是图12中所示的电机的立体图，示出了根据本公开的示例实施例的定子齿通过密封条密封的冷却系统。
图17是根据本公开的示例实施例的图16中所示的多个定子片的立体图。
图18是根据本公开的示例实施例的图16中所示的多个定子片的局部视图。
具体实施方式
概述
尽管主题已以针对结构特征和/或过程操作的语言被描述，然而理解的是，所附权利要求书中所限定的主题不一定限于以上所描述的特定特征或动作。更确切地说，以上所描述的特定特征和动作被作为实施权利要求的示例形式公开。
电动机和发电机设计成在特定的速度和转矩条件下工作，具有非常窄的最佳效率范围，电动机或发电机中的高转矩需求需要更强劲的永磁体，更强劲的永磁体继而产生大的反电动势(EMF)，大的反电动势继而又以高电压和电流克服。当转速和转矩恒定时，电动机或发电机可针对最佳效率来设计。往往，该效率会远高于百分之九十(90％)。因此，在这类电动机和发电机的设计和制造中，定子芯部、芯部绕组和永磁体都选择为一起作用从而以最佳的效率或阈值效率来产生所需的转矩、转速(RPM)、电压和电流比。一旦这些关键部件电流电机技术被选定并安设在电动机或发电机中，它们就无法被更改。仅发电机中的驱动力的功率和速度或者进到电动机中的电流的电压和安培数可被更改。然而，当这类电动机或发电机在速度和转矩变化很广的地方投入使用(例如，在陆地车辆中和/或风力或水力发电机中)时，当速度和转矩要求小于设计的最大值时仍须克服固定磁体的反EMF，并且当速度和转矩大于设计的最大值时定子接线须足够且尺寸合适。如果不是这样，对于电动或混合动力车辆、风力或水力发电机等而言，电动机或发电机的整体效率在许多情况下会急剧下降至差不多百分之二十(20％)。
本公开涉及用于电动机、发电机和/或传动系统的冷却系统，尤其是用于能够在宽电压和安培数工作范围和/或极其可变的转矩和转速(RPM)条件下以高效率工作的可变转矩生成(VTG)电动机、发电机和/或传动系统的冷却系统。根据本公开的电动机非常适于用在电动机产生可变转矩和/或转速(RPM)的技术中。类似地，根据本公开的发电机非常适于用在可变转矩和转速(RPM)状况普遍、例如可变环境条件(比如，不一致的风速、非定时的海浪运动、在混合动力车辆中的可变的制动能量等)常见的技术中。示例技术可包括例如采用可再生能源(包括风力、水力发电)、电动或混合动力车辆等的技术。
本文中描述的技术可通过以下中的一种或多种方式动态地改变电机(例如，电动机、发电机或传动装置)的输出“大小”，即：通过使定子中的多条非绞合并行线圈电线在全部串联连接、全部并联连接或串联和并联组合连接之间切换，来改变在定子中诱导的磁场；以及利用转子中的可调Halbach磁体布置结构，来对应地调节、改变、调整或集中永磁体作用在定子上的磁场。可调Halbach磁体布置结构包括散布的固定磁体和可旋转磁体，所述可旋转磁体可被旋转以调节磁体阵列的磁场强度。此外，当转矩/RPM或安培数/电压要求改变时，系统可激活转子/定子集合内的一个定子或另一个(在与公共计算机处理器连接的多个电机单元中)，并通过两(2)个、四(4)个、六(6)个或更多个并行三相非绞合线圈绕组的集合从并联绕组变为串联绕组或相反。通过这种方式，系统可满足电机的转矩/RPM或安培数/电压要求来提高(例如，优化或近乎优化)效率。
本公开的冷却系统允许利用串联和并联切换来逐步地减小定子线圈的电阻从而增大线圈中的安培数，而不引起显著的损失。在大电流应用中，在线圈电阻被减小的情况下，电线会趋于过热、熔化其绝缘体以及短路。冷却电线将允许电线承载更大的、差不多为电线额定容量五倍的安培数。与每个相位具有单个导体的传统电动机或发电机相比，通过冷却，冷却后的传统电机的功率可增加差不多四倍，而本公开的电机的功率可增加差不多29倍。如果电机的温度被控制，则温度可作为用于控制串联/并联电线切换系统的变量使用。
本公开的冷却系统包括：密封的定子芯部，所述密封的定子芯部具有带有线圈绕组的多个定子片；带有循环的冷却剂的流体密闭腔；用于循环水或不同的冷却流体来降低在流体腔内循环的冷却剂的温度的管道；以及绕着定子芯部的周缘定位并与冷却剂接触的热电装置、比如Peltier装置。
在本公开的冷却系统中，热电装置可用于将来自定子芯部的废热转变为电流，该电流可用于为电机内的电应用供电或补充电力。热电装置是固态热泵。基于通过热电装置的电流的方向，热电装置将热从一侧传递到另一侧。替代地，当热电装置的两侧之间存在温差时，热电装置的两侧之间将建立起电压差。
示例实施例的详细描述
总体参考图1至图6，根据本公开的不同实施例来描述电机100。如本文中所使用的，术语电机可指代电动机、发电机、传动系统等。图2至图5示出了电机100，该电机具有壳体102、主轴104、定子组件106和转子组件108。壳体102包括定子室103。主轴104延伸通过壳体102并可旋转地连接到电机壳体，例如通过由至少一个轴承支撑。定子组件包括支撑多个线圈绕组112的定子芯部110。定子芯110由多个定子片174和端片172组成。定子片174沿轴向方向相互堆叠，而端片172处在所述多个定子片174的各个端部处。端片172和定子片174包括多个定子齿176，这些定子齿形成邻近转子位于定子芯部的内边缘处的定子槽204。电线在槽204中绕着所述多个定子齿176缠绕而形成多个定子线圈绕组112。定子片174在图7至图10中详细示出。
根据本公开的实施例，提供一种液密腔。在示出液密腔的实施例中，通过将在定子齿176的端部、定子芯部110的外周缘与定子组件106的两个端部之间的空间密封，密封的定子室103被形成。密封的定子室103延伸超出定子芯部的端片172。定子组件106的端部利用垂直于轴的板密封。定子室为非磁性的，并且定子室的厚度不影响定子齿176和线圈绕组112的端部与转子108之间的磁场。
冷却剂在整个密封的定子室103中循环，以借助对流从定子芯部110移除热。冷却剂以传递通过多个线圈绕组112的方式循环通过所述密封的定子室103。冷却剂可包括矿物油、液氮或其它冷却物质、液体或气体。在一些实施例中，冷却剂可包括来自以上提及的冷却剂的第一冷却剂和第二冷却剂或者这些冷却剂中的任何的组合。当定子组件106的温度升高高于温度范围时，第一冷却剂可被第二冷却剂替换。
在一个实施例中，密封的定子室103的液密腔可包括定子芯部，在定子芯部110的外表面与壳体102的内表面之间具有间隙。在该实施例中，冷却剂可横穿芯部110的顶部以及穿过定子线圈112和经越定子线圈端部循环。在另一个实施例中，电机壳体102是定子芯部110的外表面的延续。在该实施例(未示出)，冷却剂流经定子线圈112并经越定子线圈端部。
图4示出了未带有壳体102的定子组件106。密封的定子室103的液密腔可利用管107形成，所述管具有在管107的外表面上切出的纵向沟槽109。当管通过定子106的轴向中心插入时，纵向沟槽109与定子齿176接合以形成液密密封。密封管107可利用耐热粘合剂(例如，柔性液态环氧树脂胶)与定子芯部110结合在位。应理解，也可使用其它耐热粘合剂来将密封管固定在位。密封管107由非磁性材料制成，所述非磁性材料包括但不限于耐热聚合物、非磁性金属或金属合金或者它们的组合。
在一个实施例中，壳体102的一部分或全部可由直径带翅片(finned-diameter)的传热管组成。在该实施例中，来自冷却剂和定子芯部110的热经由翅片通过自然或强制的空气循环被传递到传热管壳体。
如图4中所示，定子端片172的外径大于主定子片174的外直径。在定子190的外周缘与定子壳体102的内表面之间设有间隙188。间隙188被提供以允许冷却剂经越定子端片172的外表面循环。在不同的实施例中，定子端片172的外径与主定子片174的外径相同。
在用于电机100的冷却系统的不同实施例中，密封管可绕着定子芯部的周缘在定子芯部与壳体102之间安装在间隙188上。这些管可以循环水或其它流体以使流经定子芯部110和定子线圈112的冷却剂冷却下来。该实施例在能够取用流动水或可获得单独水冷散热器的海洋应用中会尤其有益。
如图4中图示的，密封的室103包括冷却剂入口端口166和冷却剂出口端口164，其中所述入口端口和出口端口流体联接到热交换器(未示出)以从冷却剂移除热。输送泵(未示出)使冷却剂在密封的室103内循环。在从冷却剂入口端口166进入之后，冷却剂进入壳体102与定子芯部110之间的室间隙188。冷却剂进入由间隔件177隔开的各组定子之间的空间，并轴向流动通过定子齿176且通过端片172到定子芯部外，回到间隙188。最后，冷却剂通过出口端口164流到壳体102外。
壳体102可包括不同的子部段，在本文中公开的冷却系统中，冷却剂流过这些不同的子部段。在一个实施例中，冷却剂流动通过内部带有翅片的管，在该内部带有翅片的管的任一侧上具有外部带有翅片的传热板。随后，冷却剂可流动通过在该带有翅片的传热板的任一侧上的另一内部带有翅片的管，该另一内部带有翅片的管具有多个热电装置168。带有翅片的传热板(未示出)可连接在热电装置168的外侧表面上。
图11示出了密封的定子室102的内部，在所述密封的室内布置有多个热电装置168。当冷却剂循环经越热电装置时，热电装置可进一步从冷却剂移除热和/或通过Peltier效应生成电流。热电装置可按照由系统控制器预先确定的待要传递的热水平而间歇地通电。
热电装置168还可绕着定子芯部的周缘安设在定子芯部110与位于间隙188上的水循环密封管之间。在该实施例中，定子芯部110与水循环管之间的热差量可由热电装置168利用，以将来自定子芯部110的废热转变为电流。该电流可具有不同的应用，包括但不限于为循环泵或壳体102内的电子器件(例如，电子开关、电动机控制器等)供电或补充电力。
在壳体102由具有带翅片的外径的传热管组成的实施例中，热电装置168可直接结合到传热管的内部，以被定位在定子芯部110与壳体102之间。在壳体102为定子芯部110的外表面的延伸部的其它实施例中，例如在图11中所示的实施例中，热电装置168可结合到壳体102。
在端片172的外径与主定子片174的外径相同的实施例中，热电装置168可定位在两组或更多组不同的的定子芯部110之间并靠近端片172的外径。在这些实施例中，由于绕组包围多个定子齿，冷却剂仅流动通过定子槽中线圈绕组留下的空间以及线圈绕组的端部周围。此外，还可沿轴向穿过定子线圈钻孔(未示出)，冷却剂也可在定子线圈处循环。
图7和图10示出了彼此相邻的两组定子芯部110的示例，每组包括多个主定子片174。两组不同的定子芯部由沿轴向堆叠在一起的多个间隔件177隔开。
在冷却系统的不同实施例中，热电装置168可单独利用电流激励以用作热电冷却器(TEC)。在这些实施例中，热电装置168可加速从冷却剂和/或定子芯部110到水管、带有翅片的外管或两者的组合的热传递。热电装置也可被用作热电冷却器，尤其是在高温应用或温度超过预定温度范围的情况中。
图12至图18示出了电机100的冷却系统的另一实施例。该冷却系统包括定子端片172、具有主定子齿176的主定子片174以及定子冷却塞178。定子端片172包括绕着外径182的周边的槽孔180。图16图示出具有主定子片174、端片172和定子冷却塞178的定子组件106。图10更详细地示出了主定子齿176。可利用耐热粘合剂来安装定子冷却塞178以使定子冷却塞粘附到定子片184和186上的接触表面。定子冷却塞178延伸通过壳体102的长度、从定子端片延伸更远以保持定子腔密封，如图5和图15中所示的。冷却塞178包括开槽端179，在所述开槽端中可装配有橡胶垫圈181来辅助定子芯部110与定子端片172之间的密封，如图17和图18中所示的。
在电机100的一些实施例中，冷却剂可循环通过位于壳体102中的密封桶(未示出)内的系统电子器件。冷却剂可从位于入口歧管中的第一管流入密封桶并通过位于出口歧管中的第二管返回。第一管和第二管可以是柔性的以便允许定子106移动和旋转。所述系统电子器件可包括电子开关和电动机控制器。
在某些实施例中，电机100的冷却系统不包括用于循环冷却剂的密封的定子室103。在这些实施例中，热电装置168可设置在壳体102的内表面上、壳体102与定子芯部110之间来收集来自定子芯部110的废能或加速定子芯部110与壳体102之间的热传递。
定子端片172可以是铝、不锈钢或本领域已知的任何其它金属材料。定子端片172和主定子片174可由不同材料制成或可由相同材料制成。用于主定子片174的材料包括但不限于磁铁、非晶态铁箔、它们的组合。定子冷却塞178可由塑料、硅树脂、环氧碳材料或其它聚合材料制成。定子冷却塞178与定子齿176之间的间隙196可被包括在本发明的不同实施例中，同时仍维持对定子室103的流体密闭密封。
尽管主题已以针对结构特征和/或过程操作的语言被描述，然而理解的是，所附权利要求书中所限定的主题不一定限于以上所描述的特定特征或动作。更确切地说，以上所描述的特定特征和动作被作为实施权利要求的示例形式公开。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
壳体，所述壳体包括密封的定子室；
设置在所述密封的定子室内的定子组件，所述定子组件包括定子芯部和由定子芯部支撑的多个电线绕组；
其中，所述密封的定子室配置为接收冷却剂，所述冷却剂经越所述定子芯部和所述多个电线绕组地循环通过所述密封的定子室，以从所述定子芯部和所述多个电线绕组移除热。
2.如权利要求1所述的电机，其中，所述定子芯部包括：
多个定子片：
在所述多个定子片的各端处的端片；并且
其中，所述定子片和端片中的每者具有多个定子齿。
3.如权利要求2所述的电机，还包括非磁性管，所述非磁性管具有通过外表面切割的纵向沟槽，所述纵向沟槽与定子芯部中的所述多个定子齿接合，形成流体密闭腔。
4.如权利要求1所述的电机，其中，所述密封的定子室包括入口端口和出口端口，所述入口端口和出口端口流体地联接到用于从冷却剂移除热的热交换器组件。
5.如权利要求4所述的电机，其中，所述冷却剂包括矿物油。
6.如权利要求4所述的电机，其中，所述冷却剂包括第一冷却剂，当定子组件的温度升高时，所述第一冷却剂被第二冷却剂替换。
7.如权利要求1所述的电机，还包括多个热电装置，所述多个热电装置在所述密封的室内布置成使得冷却剂循环经越所述多个热电装置，所述多个热电装置被配置用于进行冷却所述冷却剂和利用Peltier效应生成电流中的至少一项。
8.如权利要求7所述的电机，其中，所述多个热电装置绕着所述密封的定子室的周缘布置。
9.如权利要求8所述的电机，其中，所述电机还包括绕着所述壳体的内壁设置的流体循环管。
10.如权利要求9所述的电机，其中，所述流体循环管循环水。
11.如权利要求9所述的电机，其中，所述多个热电装置安设在所述定子芯部与所述流体循环管之间。
12.如权利要求9所述的电机，其中，由所述多个热电装置产生的电为在包括所述电机的系统中使用的电动装置供电。
13.如权利要求1所述的电机，其中，所述冷却剂还循环通过电子器件，所述电子器件包括电动机控制器。
14.一种电机，包括：
壳体，所述壳体包括密封的定子室；
设置在所述密封的定子室内的定子组件，所述定子组件包括定子芯部和由定子芯部支撑的多个电线绕组；
其中，所述密封的定子室配置为接收冷却剂，所述冷却剂经越所述定子芯部和多个电线绕组地循环通过所述密封的定子室，以从所述定子芯部和所述多个电线绕组移除热；以及
多个热电装置，所述多个热电装置绕着壳体的内壁设置成使得冷却剂循环经越所述多个热电装置，所述多个热电装置被配置用于进行冷却所述冷却剂和利用Peltier效应生成电流中的至少一项。
15.如权利要求14所述的电机，其中，所述定子芯部包括：
多个定子片；
在所述多个定子片的各端处的端片；并且
其中，所述定子片和端片中的每者具有多个定子齿。
16.如权利要求14所述的电机，其中，所述密封的定子室包括入口端口和出口端口，所述入口端口和出口端口流体地联接到用于从冷却剂移除热的热交换器组件。
17.如权利要求14所述的电机，其中，所述冷却剂包括矿物油。
18.如权利要求14所述的电机，其中，所述电机还包括绕着所述壳体的内壁设置的流体循环管。
19.如权利要求18所述的电机，其中，所述多个热电装置安设在所述定子芯部与所述流体循环管之间。
20.如权利要求14所述的电机，其中，由所述多个热电装置产生的电为在包括所述电机的系统中使用的电动装置供电。
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