CN117081284A - 同步电机器和关联的推进导向驱动装置，船，以及用于冷却这样的机器的方法 - Google Patents

同步电机器和关联的推进导向驱动装置，船，以及用于冷却这样的机器的方法 Download PDF

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Abstract

同步电机器(8)包括机器壳体(26)，机器壳体(26)包括：定子(27)和安置在定子中的转子(28)，转子与定子被气隙(29)隔开，机器壳体构造成消散由定子产生的热损失。定子包括：层压结构(300)的堆叠(30)和沿定子的纵向方向延伸并在层压结构中形成的至少一个通道(36)，两个相邻层压结构堆叠由销或间隔件(31)隔开以形成连接到通道的提取管道(32)，机器壳体进一步包括提取开口(21)，使得在定子的端部处气隙中注入的流体在提取管道中和在通道中流动，并且通过开口从机器中提取以冷却定子和转子。

Description

同步电机器和关联的推进导向驱动装置，船，以及用于冷却这 样的机器的方法
技术领域
本发明涉及电旋转机器，并且，更特定地，涉及一种同步电机器。
本发明还涉及一种推进导向驱动装置POD，推进导向驱动装置POD包括这样的同步电机器的和包括这样的POD的船。
背景技术
在本描述中，"船"应指任何类型的机动化浮动船只或设计用于航行的运载工具。
船包括电推进系统，该电推进系统一般包括若干POD，所述POD产生扭矩来推进和操纵船。
每个POD包括：位于船的船体中的操纵模块；浸没在水(例如大海)中的推进模块；以及将操纵模块连接到推进模块的支杆。
操纵模块定向支杆以定向推进模块，以便操纵船。
一般来说，推进模块包括安置电机器的壳体和由电机器驱动的推进器。
随着电机器产生损失，例如焦耳(Joule)损失，需要对机器进行冷却，以便安全并满足认证标准，诸如热力和绝缘等级。
从现有技术中知道，形成将马达装配到POD的壳体中，以确保通过壳体的壁进行冷却，并且实现永磁转子，该马达是同步永磁马达。
与缠绕式转子相比，由永磁转子产生的热减少了，使得由机器产生的损失主要由机器的定子引起。
在机器的定子收缩到壳体中时，由定子产生的损失量由POD的壳体中的导通来传导，并且随后通过壳体释放到水中。
热交换表面限于机器的周边表面的一部分。
在这种情况下，机器设计成通过增加机器的直径来限制热损失来确保机器的最佳冷却。
增加机器的直径增加了功率模块的体积和质量，使POD的水动力效率退化。
用于冷却POD的机器的另一已知解决方案是在推进模块中实现感应马达来驱动推进器。
感应马达由强制空气冷却系统进行冷却，该空气冷却系统包括：管道，所述管道在马达的每个端部处注入冷却空气在定子和转子之间的气隙中以冷却机器；以及开口，该开口一般在定子中间中，使得由定子和转子热损失升温的所注入的冷却空气通过开口排出机器。定子没有收缩到壳体中，以便允许从定子中的空气提取，防止通过导通与海水发生任何交换。
然而，因为功率因数较低并且冷却单元较大，感应马达具有低的效率，并且因此需要高功率功率转换器。
驱动感应马达的高功率功率转换器比驱动同步马达的功率转换器大。
由于预留给功率转换器的空间有限，因此需要缩小功率转换器。
从现有技术中还知道，在推进模块中实现包括缠绕式转子的同步机器。
后者能以与如前面所解释的感应马达相同的方式来实现。
备选地，同步机器可以收缩到壳体中，以确保通过如上文所描述的壁进行冷却。
推进模块进一步包括强制空气轴向冷却系统，该系统包括：第一管道，该第一管道在定子的一个端部处注入冷却空气在定子和转子之间的气隙中；以及第二管道，该第二管道在定子的另一端部处收集由定子和转子热损失升温的冷却空气。附加的冷却通道通常用来改善定子槽周围的冷却。
在所注入的冷却空气流经机器的整体时，机器中出现热点，一般是在定子的另一端部处，使冷却本身的效率退化。
因此，提出弥补与根据现有技术的电机器的冷却有关的缺点。
发明内容
鉴于以上所述，本发明提出了一种同步电机器，该同步电机器包括机器壳体，所述机器壳体包括定子和安置在所述定子中的转子，所述转子与所述定子被气隙隔开，所述机器壳体构造成消散由所述定子产生的热损失。
所述定子包括层压结构堆叠和沿所述定子的纵向方向延伸并在所述层压结构中形成的至少一个通道，两个相邻层压结构堆叠由间隔件或销隔开以形成连接到所述通道的提取管道，所述机器壳体进一步包括提取开口，使得在所述定子的端部处所述气隙中注入的流体在所述提取管道中和在所述通道中流动，并且通过所述开口从所述机器中提取以冷却所述定子和所述转子。
有利地，所述定子包括多个拉杆，所述拉杆经过所述层压结构堆叠并沿所述定子的直径均匀分布以保持所述层压结构堆叠压紧，所述通道设置在所述直径上。
优选地，所述定子包括多个通道，所述通道沿所述直径均匀分布，至少一个通道置于两个拉杆之间。
有利地，所述拉杆由非磁性材料制成。
优选地，所述转子包括永磁体。
有利地，所述永磁体以U或V形状来布置。
这些布置针对给定的扭矩最小化永磁体的体积。
磁体可分组以形成磁体极，并且可借助于键槽、燕尾槽或螺纹件来单独组装/拆卸。
备选地，所述转子包括多个磁性转子极芯，所述磁性转子极芯围绕所述转子和转子线圈均匀分布，每个转子线圈围绕不同磁性转子极芯缠绕，所述机器包括供应器件，所述供应器件用于对所述转子线圈馈电。
转子极芯可安装在转子的转子磁轭(rotor rim)上，使得它们可借助于键槽、燕尾槽或螺纹件来单独组装/拆卸。
本发明的另一目的涉及一种用于船的推进导向驱动装置，所述推进导向驱动装置包括：旨在浸没于另一流体中的推进模块和如上文所限定的同步电机器，所述机器壳体插入在所述推进模块的外壳中，使得由所述机器产生的所述热损失转移到所述外壳并在其它流体中排空，所述推进导向驱动装置进一步包括冷却器件，所述冷却器件用于以所述流体冷却所述机器，所述冷却器件包括：注入器件，所述注入器件用于在所述定子的每个端部处注入所述流体在所述气隙中；以及排空器件，所述排空器件连接到所述提取开口，使得由所述机器加热的所述流体排出所述机器。
有利地，供应器件包括至少一个供应管，所述供应管连接所述机器的所述端部并构造成供应所述流体，并且所述排空器件包括排空管，所述排空管连接到所述排空开口。
本发明的另一目的涉及一种船，所述船包括：船体和如上文所限定的推进导向驱动装置，以及冷却流体单元，所述冷却流体单元构造成冷却流经所述排空器件的所述流体，并且构造成给所述注入器件供给冷却的流体。
优选地，所述冷却流体单元位于所述外壳中。
本发明的另一目的涉及一种用于冷却同步电机器的方法，所述同步电机器包括机器壳体，所述机器壳体包括定子和安置在所述定子中的转子，所述转子与所述定子被气隙隔开，所述定子包括层压结构堆叠和沿所述定子的纵向方向延伸并在所述层压结构中形成的至少一个通道，两个相邻层压结构堆叠由销或间隔件隔开以形成连接到所述通道的提取管道，所述机器壳体进一步包括提取开口，所述方法包括：
-在所述定子的端部处注入流体在所述气隙中，使得所述流体在所述提取管道中和在所述通道中流动，并且通过所述开口从所述机器中提取，以冷却所述定子；以及
-将由所述机器壳体传导的所述热损失转移到另一流体。
技术方案1.一种同步电机器，所述同步电机器包括机器壳体，所述机器壳体包括：定子和安置在所述定子中的转子，所述转子与所述定子被气隙隔开，所述机器壳体构造成消散由所述定子产生的热损失，其特征在于，所述定子包括：层压结构的堆叠和沿所述定子的纵向方向延伸并在所述层压结构中形成的至少一个通道，两个相邻层压结构的堆叠由销或间隔件隔开以形成连接到所述通道的提取管道，所述机器壳体进一步包括提取开口，使得在所述定子的端部处注入在所述气隙中的流体在所述提取管道中和在所述通道中流动，并且通过所述开口从所述机器中提取以冷却所述定子和所述转子。
技术方案2.根据技术方案1所述的同步电机器，其中，所述定子包括多个拉杆，所述多个拉杆经过所述层压结构的堆叠并且沿所述定子的直径均匀分布以保持所述层压结构的堆叠压紧，所述通道设置在所述直径上。
技术方案3.根据技术方案2所述的同步电机器，其中，所述定子包括多个通道，所述通道沿所述直径均匀分布，至少一个通道置于两个拉杆之间。
技术方案4.根据技术方案2或3所述的同步电机器，其中，所述拉杆由非磁性材料制成。
技术方案5.根据前述技术方案中的一项所述的同步电机器，其中，所述转子包括永磁体。
技术方案6.根据技术方案4或5所述的同步电机器，其中，所述转子包括永磁体。
技术方案7.根据技术方案6所述的同步电机器，其中，所述永磁体以U或V形状来布置。
技术方案8.根据技术方案1至4中任一项所述的同步电机器，其中，所述转子包括：多个磁性转子极芯，所述磁性转子极芯围绕所述转子均匀分布；以及转子线圈，每个转子线圈围绕不同磁性转子极芯缠绕，所述机器包括供应器件，以用于对所述转子线圈馈电。
技术方案9.一种用于船的推进导向驱动装置，所述推进导向驱动装置包括：旨在浸没于另一流体中的推进模块和根据技术方案1至7中任一项所述的同步电机器，所述机器壳体插入在所述推进模块的外壳中，使得由所述机器产生的热损失的一部分转移到所述外壳中并且在其它流体中排空，所述推进导向驱动装置进一步包括冷却器件，所述冷却器件用于以流体冷却所述机器，所述冷却器件包括：注入器件，所述注入器件用于在所述定子的每个端部处注入所述流体在所述气隙中；以及排空器件，所述排空器件连接到所述提取开口，使得由所述机器加热的所述流体排出所述机器。
技术方案10.根据技术方案8所述的用于船的推进导向驱动装置，其中，所述供电器件包括至少一个供应管，所述供应管连接所述机器的所述端部并构造成供应所述流体，并且所述排空器件包括排空管，所述排空管连接到所述排空开口。
技术方案11.一种船，所述船包括：船体和根据技术方案8或9所述的推进导向驱动装置，以及冷却流体单元，所述冷却流体单元构造成冷却流经所述排空器件的所述流体，并且构造成给所述注入器件供给冷却的流体。
技术方案12.根据技术方案10所述的船，其中，所述冷却流体单元位于所述外壳中。
技术方案13.一种用于冷却同步电机器的方法，所述同步电机器包括机器壳体，所述机器壳体包括定子和安置在所述定子中的转子，所述转子与所述定子被气隙隔开，所述定子包括层压结构的堆叠和沿所述定子的纵向方向延伸并在所述层压结构中形成的至少一个通道，两个相邻层压结构的堆叠由销或间隔件隔开以形成连接到所述通道的提取管道，所述机器壳体进一步包括提取开口，所述方法包括：
-在所述定子的端部处注入流体在所述气隙中，使得所述流体在所述提取管道中和在所述通道中流动，并且通过所述开口从所述机器中提取，以冷却所述定子；以及
-将由所述机器壳体传导的热损失转移到另一流体。
附图说明
本发明的其它特性和优点将在阅读对本发明的实施例的以下描述时显现出来，实施例仅以非限制性示例的方式并参考附图来提供，其中：
图1图示了根据本发明的船的一个示例；
图2图示了根据本发明的冷却流体单元的一个示例；
图3、图4和图5图示了根据本发明的同步电机器的一个示例；
图6图示了根据本发明的同步电机器的转子的另一示例；以及
图7图示了POD的一个示例。
具体实施方式
图1图示了包括船体2和推进导向驱动装置3(POD)的船1的一个示例。
POD 3包括推进模块4，支杆5或POD腿，和操纵模块6。
模块4和支杆5浸没在第一流体(例如海(M)水)中，并且操纵模块6安置在船体2中。
支杆5的第一端部连接到推进模块54，并且支杆5的第二端部连接到操纵模块6。
推进模块4包括外壳7，同步电机器8和连接到机器8的转子轴40的推进器9。
机器8驱动推进器9。
操纵模块6包括连接到支杆5的枢轴连杆10和用于定向支杆5的驱动装置11，从而改变推进器9的推进方向。
同步电机器8例如通过收缩插入在外壳7中，使得机器8的机器壳体与外壳处于接触。
由电机器8产生的热通过热传导转移到外壳7，以确保通过外壳7的壁进行冷却。
由机器8产生的热量传导到外壳7，并且随后通过外壳7释放到水中。
由机器产生的热损失包括由机器的定子8和机器8的转子(定子和转子在图3、图4和图5上表示)产生的热损失。
POD 3进一步包括冷却器件，该冷却器件用于以第二流体冷却机器8。
第二流体包括例如空气、水、油或气体，诸如甲烷或氮。
船1进一步包括：从船1的电力网络13为机器8供电的功率转换器12；以及用于冷却第二流体的冷却流体单元14。
冷却流体单元14包括第一输入15、第二输入16、第一输出17和第二输出18。
第一输入15和第一输出17连接到操纵模块6，第二输入16和第二输出18浸没在水中。
冷却器件包括：注入器件，该注入器件在定子的每个端部处注入第二流体在机器8的定子和转子之间的气隙中；以及排空器件，该排空器件连接到机器8的提取开口21，使得由机器8加热的第二流体通过提取开口21排出机器8。
注入器件包括两个供应管19、20，每个管19、20在机器8的一个不同端部处连接，并且通过操纵模块6连接到第一输出17。
供应管19、20注入冷却的第二流体在机器8的气隙中，该冷却的第二流体由冷却流体单元14输送。
在另一实施例中，供应器件包括为机器8的两个端部供应的一个供应管或多于两个的供应管。
排空器件包括排空管22，排空管22通过操纵模块6将排空开口21连接到冷却流体单元14的第一输入15。
冷却流体单元14冷却流经排空器件的第二流体，并且向注入器件供给冷却的第二流体。
图2图示了冷却流体单元14的示例。
冷却流体单元14包括热交换器23，热交换器23包括第一回路和第二回路。
第一回路包括第一输入15、第一输出17和第一泵24。
第二回路包括第二输入16、第二输出18和第二泵25。
第一泵24在第一输入15处吸入第二流体，并且第二泵25通过第二输入16从海(M)中吸入水，使得在交换器23的第一回路中流动的第二流体被在交换器23的第二回路中流动的水冷却。
冷却的第二流体在第一输出处17由第一泵24输送。
加热的水在第二输出18处由第二泵25输送。
图3、4和5图示了同步电机器8的一个示例的径向和两个轴向截面。
机器8包括机器壳体(编号26)，该机器壳体包括定子27和安置在定子27中的转子28。
机器壳体26包括排空开口21，排孔开口21通过角度θ在周向方向上限定，并且在纵向方向A上具有长度L1。角度θ和长度L1被限定，以便满足空间和机械应力限制的标准，以将供应管19、20和排空管22安置在支杆5中。
机器壳体26由具有高导热系数(例如，多于50W/m/K)的材料制成。
排空开口21可设置在机器壳体26中，使得排空开口21居中在定子27的中间中。
转子28与定子27被气隙(编号29)隔开。
定子27包括层压结构300的堆叠30，层压结构300的堆叠30由间隔件或销31隔开形成提取管道32。
层压结构30可由磁性钢制成，两个相邻的处于接触的层压结构30被电绝缘体隔开。
每个层压结构30包括多个齿33。
定子27进一步包括多个线圈34。
每个线圈34插入在定子27的槽35中，槽35由两个相邻的齿33形成并沿定子27的纵向方向A延伸。
线圈34连接在定子27中以形成多个相，由功率转换器12供电，每个相包括相同数量的线圈34。
定子27进一步包括多个通道36，通道36形成在层压结构30中，沿定子27的纵向方向A延伸并沿定子27的第一直径均匀分布。
每个通道36与管道32连接，使得第二流体从管道32流到通道36。
供应管19、20注入冷却的第二流体在气隙29(箭头F1)中。
第二流体在管道32(箭头F2)中流动，并且然后在通道36(箭头F3)中流动。
第二流体通过排空开口21(箭头F4)从机器8中提取。
在气隙29中、在管道32中和在通道36中流动的第二流体被热损失的第一部分加热以冷却定子27。
两个管19、20、管道32、通道36和开口21形成双边冷却系统。
与强制空气轴向冷却系统相比，双边冷却系统准许在机器8中避免热点以加强定子27的冷却。因此，机器的尺寸可以减小。
此外，随着机器壳体26传导热，热损失的第二部分通过传导(箭头F5)在海水中被排空。
第一部分可以是热损失的百分之六十，并且第二部分可以是热损失的百分之四十。
双边冷却系统和定子27通过传导的冷却相结合准许随后通过加强机器8的冷却来增加机器8的扭矩密度。
因此，机器8的体积以及因此推进模块4的体积显著地减小。
因此，与现有技术中已知的传递相同扭矩的POD相比，POD的水动力效率得到了提高。
即使机器的效率与从现有技术中知道的一些现有解决方案相比可能会降低，但是推进系统的整体效率得以保持，因为水动力效率的提高补偿了电机器效率损失。
机器8的效率等于通过向机器馈电的有源电功率在转子的轴上产生的机械功率。
备选地，随着机器8的冷却加强，并且对于机器的给定效率，冷却流体单元14的尺寸与从现有技术中知道的推进系统相比减小了。
定子27进一步包括沿定子27的第二直径均匀分布在层压结构30中的孔37，孔37安置拉杆38，拉杆38将位于定子27的端部处的两个压紧板(未表示)连接在一起，以保持层压结构30压紧。
拉杆38可由非磁性材料制成，以限制涡流损失。
第一直径和第二直径可以是相同的，使得通道36和孔37沿定子27的第一直径均匀分布，以便最小化定子27的定子轭中的磁阻效应。
通道36和孔37布置在层压结构30中，以优化定子27的冷却，并且使得压缩力均匀分布在层压结构30上。
如图3上所图示，定子27包括根据第一直径分布的四十八个通道36和十六个孔37，使得两个孔37被三个通道36隔开。
定子27可包括多于或少于四十八个通道36和十六个孔37。
通道36和孔37可不同地布置。
转子28包括永磁体39。
永磁体39可以以V或U形状布置，以针对给定扭矩最小化磁体39的体积。
在变体中，永磁体39可具有另一形状。
在转子28中实现永磁体准许限制转子28的热损失，并且简化机器8的设计，因为转子28不是由电源供电。
图6图示了转子28的另一示例的视图。
转子28包括转子轴40和磁块41。
磁块41由磁性层压结构制成，并且包括多个磁性转子极芯42，磁性转子极芯42围绕转子和转子线圈43均匀分布。
每个转子线圈43围绕不同磁性转子极芯42缠绕，转子极芯42和相关联的线圈43形成转子极。
转换器12包括供应器件，该供应器件用于以连续的电压为转子线圈43供电。
供应器件可包括转子轴40上的第一滑环44和第二滑环45，并且定子26包括与第一滑环44接触的第一电刷46和与第二滑环45接触的第二电刷47，第一电刷44和第二电刷45分别由转换器12供电。备选地，转子线圈可以由激励器供电。
机器8可实现用于POD中以外的其它应用(例如船内推进系统、大型泵或大型发电器)。
在另一实施例中，如图7上所表示，冷却流体单元14位于POD的外壳7中。

Claims (10)

1.一种同步电机器(8)，所述同步电机器(8)包括机器壳体(26)，所述机器壳体(26)包括：定子(27)和安置在所述定子中的转子(28)，所述转子与所述定子被气隙(29)隔开，所述机器壳体构造成消散由所述定子产生的热损失，其特征在于，所述定子包括：层压结构(300)的堆叠(30)和沿所述定子的纵向方向延伸并在所述层压结构中形成的至少一个通道(36)，两个相邻层压结构的堆叠由销或间隔件(31)隔开以形成连接到所述通道的提取管道(32)，所述机器壳体进一步包括提取开口(21)，使得在所述定子的端部处注入在所述气隙中的流体在所述提取管道中和在所述通道中流动，并且通过所述开口从所述机器中提取以冷却所述定子和所述转子。
2.根据权利要求1所述的同步电机器，其中，所述定子(27)包括多个拉杆(38)，所述多个拉杆(38)经过所述层压结构(300)的堆叠(30)并且沿所述定子的直径均匀分布以保持所述层压结构的堆叠压紧，所述通道(36)设置在所述直径上。
3.根据权利要求2所述的同步电机器，其中，所述定子包括多个通道(36)，所述通道(36)沿所述直径均匀分布，至少一个通道置于两个拉杆(38)之间。
4.根据权利要求2或3所述的同步电机器，其中，所述拉杆(38)由非磁性材料制成。
5.根据前述权利要求中的一项所述的同步电机器，其中，所述转子(28)包括永磁体(39)。
6.根据权利要求4或5所述的同步电机器，其中，所述转子(28)包括永磁体(39)。
7.根据权利要求6所述的同步电机器，其中，所述永磁体(39)以U或V形状来布置。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的同步电机器，其中，所述转子(28)包括：多个磁性转子极芯(42)，所述磁性转子极芯(42)围绕所述转子均匀分布；以及转子线圈(43)，每个转子线圈围绕不同磁性转子极芯缠绕，所述机器包括供应器件(44,45,46,47)，以用于对所述转子线圈馈电。
9.一种用于船(1)的推进导向驱动装置(3)，所述推进导向驱动装置(3)包括：旨在浸没于另一流体中的推进模块(4)和根据权利要求1至7中任一项所述的同步电机器(8)，所述机器壳体(26)插入在所述推进模块的外壳(7)中，使得由所述机器产生的热损失的一部分转移到所述外壳中并且在其它流体中排空，所述推进导向驱动装置进一步包括冷却器件，所述冷却器件用于以流体冷却所述机器，所述冷却器件包括：注入器件(19,20)，所述注入器件(19,20)用于在所述定子(27)的每个端部处注入所述流体在所述气隙(29)中；以及排空器件(22)，所述排空器件(22)连接到所述提取开口(21)，使得由所述机器加热的所述流体排出所述机器。
10.根据权利要求8所述的用于船的推进导向驱动装置(3)，其中，所述供电器件包括至少一个供应管(19,20)，所述供应管(19,20)连接所述机器的所述端部并构造成供应所述流体，并且所述排空器件包括排空管(22)，所述排空管(22)连接到所述排空开口。
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