CN116964908A - 高密度马达中的冷却通道 - Google Patents

Abstract

一种定子包括：定子毂；从定子毂延伸的多个定子齿，其限定定子槽；以及至少一个绕组，其设置在所述定子槽中，所述绕组包括形成在其中的冷却通路。所述冷却通路连接到入口气室和出口气室。所述定子还可以包括线圈分隔器，所述线圈分隔器包括冷却通路。

Description

高密度马达中的冷却通道

技术领域

本文公开的主题涉及电机。更具体地，本文公开的主题涉及用于输送冷却流体通过高密度电动马达的定子的通路。

背景技术

典型的液冷电机/马达包括具有芯和延伸穿过所述芯的一个或多个转子绕组(导体)的转子。在一些机器中，如在永磁机中，转子绕组被替换为多个永磁体。转子被定子环绕，并且转子和定子之间存在气隙。

类似地，定子包括定子芯，所述定子芯具有延伸穿过其的一个或多个定子绕组。高功率密度电机(发电机或马达)会产生定子和转子绕组两者的强烈电阻加热，以及转子和定子芯的涡流和磁滞加热。

典型的定子冷却方法包括利用端部匝喷雾和通过护铁到冷却的外壳或流体介质的热传导。

例如，传统的马达热管理通常采用外部散热片或液体冷却夹套的形式。这种系统通常引导冷却液体通过定子芯径向外侧的护铁(外壳)中的一个或多个通道。然而，这些冷却方法仅在定子芯的径向和轴向周边提供冷却。因此，定子绕组中的热点可能出现在定子芯的轴向中心线上。

发明内容

公开了一种定子，所述定子包括：定子毂；从定子毂延伸的多个定子齿，其限定定子槽；以及至少一个绕组，其设置在所述定子槽中，所述绕组包括形成在其中的冷却通路。所述冷却通路连接到入口气室和出口气室。

在任一先前实施方案中，所述绕组被封围在灌封材料中。

在任一先前实施方案中，所述绕组由利兹线(Litz wire)形成。

在任一先前实施方案中，所述至少一个绕组包括多个绕组，并且所述定子还包括一个或多个绕组分隔器，所述一个或多个绕组分隔器由绝缘材料形成并且设置在所述多个绕组中的相邻绕组之间。

在任一先前实施方案中，所述一个或多个绕组分隔器包括形成在其中的冷却通路。

在任一先前实施方案中，所述至少一个绕组包括形成在其中的多个冷却通路。

在任一先前实施方案中，所述冷却通路是热管。

在任一先前实施方案中，所述冷却通路被配置为输送冷却剂通过所述绕组。

还公开了一种第二定子，所述第二定子包括：定子毂；从定子毂延伸的多个定子齿，其限定多个定子槽；多个绕组，其中每个定子槽中设置至少一个绕组；以及设置在所述多个绕组中的相邻绕组之间的至少一个绕组分隔器，所述至少一个绕组分隔器包括形成在其中的冷却通路，冷却剂可以通过所述冷却通路。所述冷却通路连接到入口气室和出口气室。

所述第二定子可包括上文或本文稍后公开的所有绕组/分隔器/热管。

附图说明

在本说明书所附的权利要求书中特别指出并明确要求被视为本发明的主题。本发明的前述和其它特征和优点从以下结合附图的具体实施方式中显而易见，其中：

图1是电机的一个实施方案的横截面视图，示出了定子的局部视图和转子；

图2是用于电机的定子的一个实施方案的透视图；

图3A至图3B分别示出了具有嵌入式冷却通路的定子绕组的俯视图和横截面；

图3C示出了具有嵌入式冷却通路的绕组分隔器的横截面；

图4示出了根据一个实施方案的集管的透视图；

图5是根据一个实施方案的包括偏心气室的集管的透视图；

图6A至图6C示出了在图5的不同位置处截取的图5的集管连接到绕组/分隔器的部分的横截面，以说明入口气室和出口气室的横截面积的变化；

图7A和图7B分别示出了孔板和在图6所示的位置处设置在入口气室中的办公板；

图8示出了根据一个实施方案的马达相对于分体集管布置的各部分的横截面；

图9示出了根据一个实施方案的形成在集管上的入口通路和出口通路的互连的详细视图；

图10示出了根据一个实施方案的马达的一部分的透视图；

图11示出了布置在两个定子齿之间的几种不同的绕组通路配置和间隔件配置；

图12示出了马达相对于连接到位于马达内的热管的集管布置的各部分；

图13示出了具有切向入口/出口组合的集管；并且

图14示出了具有垂直入口/出口组合的集管。

具体实施方式参考附图以举例方式来说明本发明的实施方案以及优点和特征。

具体实施方式

随着马达变得更加紧凑，对定子进行冷却的替代方法可能是有益的。本文公开了可以在一种这样的方法中使用的集管。例如，集管可用于提供制冷剂并将其引导到形成在定子中或定子附近的通道。通道可以在定子绕组内部或是设置在绕组之间的绕组分隔器中的嵌入通道。此外，在一个实施方案中，通道可以设置在定子齿中。也就是说，分隔器可以是单独的元件、定子齿或两者。

在一个实施方案中，公开了用于将诸如制冷剂的冷却流体引导到电机的定子的绕组和/或绕组分隔器中并且接收从绕组/分隔器返回的流体的集管。

集管通常可以是圆形的并且具有输入气室和输出气室两者。在一个实施方案中，气室是偏心的。在一个实施方案中，气室可以具有不同的横截面。在一个实施方案中，气室是并排(平行)的。在另一种情况下，一个气室环绕另一个气室，并且它们通常是共面的。从下面的讨论中将理解存在其他变化和配置。本文中的任何或所有实施方案均可有助于提供流入和流出冷却通道的均匀冷却流体流。

此外，在另一个实施方案中，代替冷却流，集管可以被布置成使得它与设置在上述任何通道中的一个或多个热管传导接触。

图1示出了可以结合本公开的实施方案的电动马达100的横截面的示意图。虽然示出为在定子外部或外侧具有转子磁体，但取向可以颠倒。此外，本文的教导可应用于其中磁体为U形并且环绕定子的内部部分和外部部分的情况。

更详细地，图1和图2分别示出了电动马达100的横截面视图和简化的定子芯104的透视图。电动马达100包括定子102，所述定子被配置为环绕转子轴142但不随转子轴142一起旋转。

定子102包括定子芯104和由芯104支撑或以其他方式承载的一个或多个定子绕组110。在一个实施方案中，绕组可以形成为单独的经灌封利兹线绕组。定子芯104包括环形毂106和从环形毂106向外延伸的多个齿108。相邻的齿108形成定子槽112，一个或多个定子绕组可设置在所述定子槽中。也就是说，每个槽可以具有设置在其中的单个定子绕组110，或者它可以包括两个或更多个绕组，如下文在另外的示例中所示。

马达100还包括转子140。如图1所示的转子包括围绕旋转轴线144旋转的转子轴142。转子140还包括连接到轴142的磁体承载结构146。结构146承载一个或多个永磁体148。

如图所示，定子102(和由定子102承载的绕组110)相对于旋转轴线144位于转子磁体148的径向内侧，其中径向气隙150位于转子140和定子104之间。如所示，转子140通过结构146安装在轴110上。当处于电流被施加到绕组110的“马达”模式时，电流将与磁体148相互作用并导致磁体/结构旋转，从而导致转子轴142绕轴线144旋转，使得轴142可以为负载提供原动力。替代地，在“发电机”模式中，轴142可以被驱动，使得磁体的相互作用导致电流在绕组110中流动以驱动电负载。

定子芯104可由多个轴向堆叠的叠片形成，所述叠片沿旋转轴线144堆叠。在一些实施方案中，叠片116由钢材料形成，但是本领域技术人员将容易理解，可以使用其他材料。在替代性实施方案中，定子104可以形成为本领域已知的单独的定子部分。

如图所示，定子绕组110包括延伸穿过定子芯104的芯段110a和从定子芯104的每个轴向定子端部延伸的端部匝段110b。如上所述，当定子绕组110经由通过其中的电流被激励时，产生的场驱动转子140围绕旋转轴线144旋转。

如图1至图2所示，电动马达由于高密度配置、各种操作参数或其他原因可能需要冷却。例如，高功率密度航空类电动马达和驱动器可能需要先进的冷却技术以确保马达/驱动器正常运行。这些机器通常在高额定功率下受到热限制，并且可以通过减轻热限制来提高它们的性能。为了维持所需的温度，将热管理系统(TMS)集成到系统中，从而为系统的部件提供冷却。在飞机上，功率需求以及因此热管理系统(TMS)负载在起飞期间要高得多。针对起飞条件(即，最大负载)确定TMS的尺寸会导致TMS具有高重量以适应此类负载。这在不产生此类负载的巡航条件期间会产生更大的重量和更低的功率密度，因此不需要高冷却能力的TMS。平衡重量局限和热负载能力对于此类航空应用很重要。

在此，公开了定子组件的各个部分中的通道以及将冷却剂输送到那些通道中并接收从通道返回的“经加热的”冷却剂的集管。在一个实施方案中，通道形成在绕组110中。在另一种情况下，通道形成在设置在绕组之间的分隔器(下面讨论)中。当然，实施方案还可以涵盖在绕组和分隔器中都形成通道的情况。

在图3A和图3C中分别示出了示例绕组110和分隔器350的俯视图。一个或多个绕组110可设置在定子槽112(图2)中。在一些情况下，分隔器350设置在一些或所有绕组110之间。

绕组110包括绕组主体302。在一个实施方案中，主体302包括支撑或以其他方式承载在衬底306中的线股305。股可以由普通线或利兹线形成。在一个实施方案中，衬底306可以是非导电材料。在一个实施方案中，衬底306可以是灌封材料。

冷却剂通路304也围封在主体302中。冷却剂通路304可以形成为管，所述管是单独的元件或者由衬底306形成。应注意，在图3A中，在衬底306中存在开放区域312。在一个实施方案中，可以省略该区域。在使用中，所述区域可以由定子齿填充。

如图3B所示，线股305可以位于主体302内的区域350中。通路304设置在股304之间或附近，使得穿过它的冷却剂流体非常接近股304并且可以从股带走热量。

在图3A中，箭头指示通过绕组110的一种可能的流动方向。当然，在一个实施方案中，可以反转流动方向。下面公开的集管提供流入/流出绕组110的流体。更详细地，流体可以流入通路304，穿过股305并带走其中的热量，然后离开绕组110。冷却剂可以作为液体进入，并且在其穿过绕组110时随着热量被从绕组110带走而蒸发(全部或部分)。因此，离开绕组的流可以是气体、液体或其组合。

现在参考图3C，分隔器350包括分隔器主体352。分隔器主体352可以由一块实心材料形成或者可以包括中空区域354，如图3C所示。在一个实施方案中，分隔器350/分隔器主体352可以由非导电材料形成。在一个实施方案中，分隔器350由陶瓷材料形成。

冷却剂通路356围封在分隔器主体352中。冷却剂通路356可以形成为管，所述管是单独的元件或者由分隔器主体352形成。

在图3C中，箭头指示穿过分隔器350的一种可能的流动方向。当然，在一个实施方案中，可以反转流动方向。下文公开的集管提供流入/流出分隔器的流体。更详细地，流体可以流入通路356，穿过分隔器主体352并带走其中的热量，然后离开分隔器350。在一个实施方案中，分隔器可以布置成与绕组110相邻并且从所述绕组的外侧带走热量。如前所述，冷却剂可以作为液体(或液体和气体的组合)进入，并且在穿过分隔器时随着热量被从分隔器带走而蒸发(全部或部分)。因此，离开分隔器350的流可以是气体、液体或其组合。

可选地，并且如虚线所示，分隔器350可以由包括主体360和端部U形匝362的多个部分形成。

图4示出了根据一个实施方案的集管400的示例。集管400流体耦合到定子的绕组110/分隔器350并且向绕组/分隔器提供冷却流体并接收从绕组/分隔器返回的冷却流体。为了简单起见，图4中仅示出了单个绕组110和单个分隔器350(示意性地示出为一对)，但本领域技术人员将认识到，集管400可以连接到任意数量的绕组/分隔器。此外，虽然下文将在包括接收流体的绕组和分隔器两者的系统中描述流体流，但是仅一个可以包括流动通路而另一个将不接收流体。另外，应注意，在一个实施方案中可以省略分隔器350。

集管400包括入口402和出口404。冷却流体进入入口402，被引导通过绕组110和分隔器350中的一个或两个，并经由出口404离开集管400。如图所示，集管入口402相对于重力(箭头g)位于出口404上方。虽然不是必需的，但这种配置增强了流量，特别是产生了均匀的流量。冷却剂沿轴向方向X流入/流出集管400的入口402和出口404。

在一个实施方案中，集管400可以被配置为使得冷却流体同时进入绕组110和分隔器350。在这样的实施方案中，流体穿过绕组110/分隔器350并返回到集管400并且被引向出口404。

在另一个实施方案中，冷却流体首先进入绕组110，并且在穿过绕组110之后被引导到分隔器350中。在这样的实施方案中，流体然后返回到集管400并且被引向出口404。

无论流体被如何提供到绕组/分隔器，为了防止进入的“冷”流体在其通过绕组/分隔器后与“经加热的”流体混合，集管可以被分成两个气室。现在参考图5，集管500的示例可以包括入口气室502和出口气室504。应理解，本文关于集管500的讨论可以可选地应用于本文公开的集管的任何实施方案。

在图5中，入口气室502可以可选地环绕出口气室。入口气室502流体连接到入口506并且出口气室504流体连接到出口508。然而，在该实施方案或任何其他实施方案中，入口506未流体连接到集管的主体520内的出口508。这确保进入入口506的流体必须进入绕组110或分隔器350以从入口506行进到出口508。

更详细地，并且还参考图6，集管500包括前侧554和后侧556。后侧556可包括形成在集管500的后侧556上的多个出口通路550。出口通路550与入口气室502流体连通，使得进入主入口506的流体可以离开入口气室502和集管502。集管500还包括形成在集管500的后侧556上的多个入口通路552。入口通路与出口气室504流体连通，使得通过出口通路550流出并通过马达的一部分(例如，通过绕组/分隔器)的流体可以进入出口气室504。

图5的集管500包括与入口气室502和出口气室504的横截面相关的可选特征。特别地，与集管500的底部512相比，入口气室502可以具有在g方向上从集管500的顶部510变化的横截面积。特别地，顶部510的横截面积比底部512的横截面积大。类似地，与集管500的底部510相比，出口气室504的横截面积可以具有在x方向上从集管的顶部510增加的横截面积。横截面的变化可以使流体更均匀地分布到绕组/分隔器。特别地，需要更大的横截面以允许最大的流体流进入入口气室502。这可以为连接到集管的每个绕组/分隔器提供流体。然而，在集管500的底部512附近，需要接收流体的绕组/分隔器将相对较少。因此，容纳流所需的面积将更少。出口气室504的情况相反。特别地，在集管500的顶部，仅几个绕组/分隔器将流体“返回”到出口气室504，而在集管的底部512，将需要容纳从大多数或所有绕组/分隔器返回的流体，从而导致增加出口气室504的横截面积的期望。

现在可以参考图6A、图6B和图6C，它们示出了在分别由图5中的箭头A、B和C指示的位置处沿集管500的半径截取的横截面。在图6A中，入口气室502的横截面积大于出口气室504的横截面积。就上下文而言，图6A中通过箭头示出了流过绕组110(或分隔器350)的流体流，所述箭头示出了流体经由出口通路550离开入口气室502、穿过绕组110/分隔器350并经由入口通路552进入出口气室504。

在图6B中，入口气室502的横截面积与出口气室504的横截面积大致相同。在图6C中，入口气室502的横截面积小于出口气室504的横截面积。

在本文公开的任何实施方案中，为了促进连接到绕组/分隔器的许多通道中的均匀流量分布，可以将孔板添加到集管中。这种板700的示例在图7A中示出，并且它设置在入口集管502中，如图7B所示。

板700可具有形成在其中的一个或多个孔702。板700可以设置或形成在集管500(或本文公开的任何其他集管)中，使得它将一个或两个气室分成两部分。如图7B所示，板700可将入口气室502分成气室入口侧710和气室出口侧。如图所示的板700具有尺寸不变的孔702。然而，孔的尺寸可以在周向方向上变化。也就是说，在图5的上下文中，孔的尺寸可以从其中设置有板700的集管的顶部510到底部512变化。

液体在入口侧710进入入口气室502并继续通过孔板700中的孔702。在一个实施方案中，液体作为气室出口侧712中的两相混合物从孔702中流出。两相混合物然后进入用于冷却绕组的通路。通路可包括但不限于绕组110内部的通路304(图3A)或分隔器352的通道356(图3B)。当然，混合物也可以通过形成在定子的其他部分(例如定子齿108(图2))中的通路。

在先前描述中，集管400/500被描述为具有大致共面的气室。在另一个实施方案中，并且如图8所示，集管800可以形成为使得包括两个分开的气室。两个气室被称为入口气室元件802和出口气室元件804。在图8中，入口气室元件802比出口气室部分804更靠近定子102，但顺序/相对位置可以颠倒。类似于以上描述，进入入口气室元件802的冷却剂分别通过通路304、356提供到绕组/分隔器对(总体上由框110、350示出)。在一个实施方案中，流体通过绕组/分隔器并通过通路304、356返回到出口气室元件804。入口气室元件802可包括上述板700。

如图所示，入口气室元件802和出口气室元件804彼此间隔开但它们可以彼此接触。

此外，应注意集管800相对于定子102和转子的位置，例如，磁体承载结构146清楚地表明集管800(或任何其他集管)可以位于马达旁边，使得它向马达提供冷却剂，因此，马达和本文公开的任何集管的组合可称为马达组件。

在本文公开的集管的先前实施方案中，假设每个绕组和每个分隔器各自直接连接到集管的单独出口，例如，每个绕组/分隔器具有进入和离开集管的独特出入口。在下面的实施方案中，集管的后侧可以包括跨接通道，使得从集管的入口气室出来的单输出和到出口气室的单输出输入可以冷却多个绕组、绕组/分隔器对，或者绕组/分隔器的其他组合。

例如，并参考图9，本文的任何集管可包括前侧900和后侧902。后侧902可以包括跨接部分910，所述跨接部分例如将绕组管304和分隔器管356连接在一起，使得两者都可以由入口气室502后侧的单个输出供应。以这种方式，跨接部分允许单个出口通路550将冷却剂提供到两个位置(例如，绕组管304和分隔器管356)。

在图9中，所述管被标有“i”和“o”以分别指示“入”和“出”。在应用时，标记为304i的管会将冷的冷却流体带入绕组，并且标记为304o的管会将经加热的冷却剂带出绕组。分隔器/齿中的管也是如此。

如所示，入口跨接管910i连接入口连接件912、914，所述入口连接件可以附接到绕组管304i和分隔器管356i。冷却剂如箭头I所示进入两者。

冷却剂穿过绕组/分隔器并在各自的绕组管304o和分隔器管356o中返回。返回的冷却剂回流由箭头O指示。另一个跨接点910o连接管3040和356o，使得来自两者的流体返回到出口气室504。

按照布置，绕组的“外部”部分与分隔器的内部部分同时冷却，以形成横流冷却机制。

所有上述教导都可以应用于绕组和分隔器/齿的各种组合。图10示出了定子/转子组合的“背面”的透视图。如图10所示的组合适用于所有实施方案并且可以布置在本文公开的任何集管附近，使得可以实施冷却剂或其他冷却方法(例如，热管)。

为简洁起见，图10中所示的组合将被称为马达1000。马达1000包括定子1002。定子由定子芯1004和由芯1004支撑或以其他方式承载的一个或多个定子绕组1100形成。如图所示，芯1004由单独的定子区段1004a形成，当组合时，所述定子区段形成环形毂1006和从环形毂106向外延伸的多个齿1008。

马达1000还包括转子1400。虽然未示出，但应理解，图10中所示的转子包括围绕旋转轴线旋转的转子轴。转子1400承载一个或多个永磁体1480。马达1000如上所述工作。

如所配置且进一步参考图11，定子芯1004包括环形毂1006和从环形毂1006向外延伸的多个齿1008。相邻的齿1008形成定子槽1012，一个或多个定子绕组可设置在所述定子槽中。也就是说，每个槽可具有设置在其中的单个定子绕组1100，或者其可包括两个或更多个绕组，如图10和下文在另外的示例中所示。

绕组1100可以包括如上所述的冷却通道。如图10所示，每个绕组1100通过分隔器1150彼此分开。这些分隔器可以是本文所述的任何分隔器。

如图所示，槽1012中有三个绕组1100。每个绕组可以具有形成在其中的一个或多个流动通道。每个绕组的流动通道的不同可能示例由每个绕组中的点数指示。应理解，在实践中，绕组通常将包括相同数量的通道，并且图11被呈现为在单个图中示出多种可能性。此外，在一个实施方案中，绕组可以不包括流动通路。

如图所示，每个绕组1100通过分隔器1150与其相邻的邻近绕组分开。可选地，每个分隔器1150可以以与绕组1100相同的方式包括流动通道。因此，基于图11，本领域技术人员将认识到至少三种配置：1)其中分隔器1150和绕组1100都包括流动通道的配置；2)其中仅绕组包括流动通道的配置；3)其中仅分隔器1150包括流动通道的配置。此外，本领域技术人员将认识到，流动通道可以连接到上面公开的任何集管，使得可以向它们提供冷却剂。

此外，在另一个实施方案中，流动通道可能不用于冷却剂，而是替代地可以在其中包括热管。例如，并且现在参考图12，可以提供集管1200，所述集管是散热器1202和集流管1204的组合。热管1206可以延伸到绕组110中并且将热量传递到散热器。绕组可以是本文公开的任何绕组。

在先前描述的实施方案中，流入集管的流已示出为沿轴向方向X(参见图2、图4和图5)。应注意，可以考虑其他流动方向。例如，图13示出了与集管1300相切布置的入口1306和出口1308。集管1300可以以与本文针对任何集管描述的相同方式形成(入口/出口除外)。

替代地，并且如图14所示，入口1406和出口可具有垂直取向的流。集管1400可以以与本文针对任何集管描述的相同方式形成(入口/出口除外)。

虽然仅结合有限数量的实施方案来详细描述本发明，但是应易于理解，本发明不限于这些已公开的实施方案。而是，本发明可被修改以并入有之前未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变更、更改、替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。相应地，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由随附权利要求的范围限制。

Claims (14)

1.一种定子，其包括：

定子毂；

从所述定子毂延伸的多个定子齿，其限定定子槽；

至少一个绕组，其设置在所述定子槽中，所述绕组包括形成在其中的至少一个冷却通路，

其中所述冷却通路连接到入口气室和出口气室。

2.如权利要求1所述的定子，其中所述绕组被封围在灌封材料中。

3.如权利要求2所述的定子，其中所述绕组由利兹线形成。

4.如权利要求1所述的定子，其中所述至少一个绕组包括多个绕组，并且所述定子还包括：

一个或多个绕组分隔器，其由绝缘材料形成并设置在所述多个绕组中的相邻绕组之间。

5.如权利要求4所述的定子，其中所述一个或多个绕组分隔器包括形成在其中的冷却通路。

6.如权利要求1所述的定子，其中所述至少一个绕组包括形成在其中的多个冷却通路。

7.如权利要求1所述的定子，其中所述至少一个冷却通路是热管。

8.如权利要求1所述的定子，其中所述至少一个冷却通路被配置为输送冷却剂通过所述绕组。

9.一种定子，其包括：

定子毂；

多个定子齿，其从定子毂延伸以限定多个定子槽；

多个绕组，其中每个定子槽中设置至少一个绕组；和

至少一个绕组分隔器，其设置在所述多个绕组中的相邻绕组之间，所述至少一个绕组分隔器包括形成在其中并且被配置为输送冷却剂通过所述绕组分隔器的至少一个冷却通路；

其中所述冷却通路连接到入口气室和出口气室。

10.如权利要求9所述的定子，其中所述绕组被封围在灌封材料中。

11.如权利要求10所述的定子，其中所述绕组由利兹线形成。

12.如权利要求9所述的定子，其中所述多个绕组中的每一个包括形成在其中、被配置为输送冷却剂通过所述绕组的至少一个绕组冷却通路。

13.如权利要求12所述的定子，其中所述多个绕组中的至少一个绕组包括形成在其中的多个冷却通路。

14.如权利要求13所述的定子，其中所述多个绕组中的每一个包括形成在其中的绕组冷却通路，热管被插入到所述绕组冷却通路中。