CN117424390A - 用于冷却驱动电机的设备 - Google Patents

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CN117424390A CN202310655019.9A CN202310655019A CN117424390A CN 117424390 A CN117424390 A CN 117424390A CN 202310655019 A CN202310655019 A CN 202310655019A CN 117424390 A CN117424390 A CN 117424390A
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Abstract

本发明涉及一种用于冷却物体(29)的驱动电机(1)的设备。该驱动电机包括具有定子壳体(10)的定子(2)和转子(3)，该转子以可旋转移动的方式支撑在定子壳体(10)上并且连接到用于产生作用在物体(29)上的力的推进装置(8)。第一冷却剂(17)和第二冷却剂(18)用于冷却。推进装置(8)通过旋转运动产生第一冷却剂(17)的流动，其中第一冷却剂(17)借助于导流装置(24)围绕或通过驱动电机(1)流动。第二冷却剂(18)在冷却通道(16)中循环，并且将吸收的热量传递给第一冷却剂(17)。为了产生具有高扭矩密度的驱动电机(1)的特别高性能的冷却，第二冷却剂(18)借助于由驱动电机(1)驱动的泵(22)在冷却通道(16)中循环。

Description

用于冷却驱动电机的设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1和权利要求8的前序部分的用于冷却物体的驱动电机的设备。
背景技术
从DE 1020 17 212 798A1中已知一种集成有冷却设备的电动机，该电动机使用排气作为用于冷却定子和/或转子的首要冷却剂。排气从附接到电动机的螺旋桨的气流中获得。冷却通道集成到定子壳体中，该冷却通道有针对性地将首要冷却剂导向至待冷却的部件。定子由次要冷却剂经由相对于定子同轴布置的环形热交换器冷却，其中在DE 10 2017212 798 A1中没有公开经由次要冷却剂冷却定子的确切方式。
发明内容
本发明解决的问题是实现一种用于冷却具有高扭矩密度的电动机的新颖的、特别是高性能的设备。
这个问题通过根据权利要求1或权利要求8的设备来解决。
根据权利要求1或权利要求8所述的设备用于冷却用于物体的驱动电机。驱动电机包括具有定子壳体的定子和以可旋转移动的方式支撑在定子壳体上的转子。用于产生作用在物体上的力的推进装置连接到驱动电机。
根据权利要求1的驱动电机由第一冷却剂和第二冷却剂冷却，因为推进装置通过旋转运动产生第一冷却剂的流动，并且借助于导流装置将该第一冷却剂引入到驱动电机中，由此冷却剂围绕和/或通过该驱动电机流动。
第二冷却剂在回路中循环，其中第二冷却剂将吸收的热量传递给第一冷却剂。
优选地，第二冷却剂借助于由驱动电机驱动的泵在回路中循环。通过使第二冷却剂循环，冷却剂可吸收在某一部位处产生的热量并且在另一部位处将其输出。
通过将泵与转子的轴线同轴放置，泵直接由驱动电机驱动，并且因此不需要用于旋转传递的装置，例如齿轮和/或皮带。
第二冷却剂流动通过定子，该定子包括绕组头和在定子槽中相对于该驱动器的轴线轴向延伸的绕组。
优选地，第二冷却剂在轴向方向上流动通过定子槽并且与绕组直接接触，以便在该绕组处直接吸收和带走所产生的热量。
定子与转子之间存在间隙。利用特别薄的间隙设计，作用在定子与转子之间的磁场的损耗可保持得较低。由第一冷却剂流动通过的该间隙借助于刚性或柔性的薄壁的封闭管相对于其中流动着第二冷却剂的区域密封。
优选地，根据本发明的第一变型，第二冷却剂按以下顺序流动通过包括绕组头、绕组和冷却通道的定子：
·经由定子的第一绕组头，和/或
·经由定子的绕组，和/或
·经由定子的第二绕组头，和/或
·经由穿过径向放置在转子托架外侧的定子壳体的冷却通道，和/或
·经由冷却剂泵。
根据本发明的第二变型，第二冷却剂按以下顺序流动通过定子：
·从中心进入绕组，经由定子的绕组到达其轴向外端，和/或
·平行地经由两个绕组头，和/或
·经由穿过径向放置在转子托架外侧的定子壳体的冷却通道，和/或
·经由冷却剂泵。
优选地，第二冷却剂是电介质，该电介质具有在15℃时0.75kg/l的最大密度和/或在40℃时6mm2/s的最大粘度和/或在80℃时2.3kJ/(kg*K)的最小热容量和/或在80℃时0.12W/(m/K)的最小热导率和/或在25℃时1000nS/m的最大电导率。
由于低电导率，因此电介质具有电绝缘效应，这允许其与载流部件直接接触而不会导致短路。
由于低粘度，因此电介质可被直接引导通过槽中的绕组之间的非常小的空隙，而没有液压损失并且电介质中的最终压力水平不会变得过高。
通过结合这些材料特性，可在热量产生处直接吸收和带走热量。
在根据权利要求8的本发明的替代实施方案中，驱动电机由第一冷却剂和第二冷却剂冷却，方式是推进装置通过旋转运动产生第一冷却剂的流动，并且借助于导流装置将该第一冷却剂引入到驱动电机中，由此第一冷却剂围绕和/或通过该驱动电机流动。
第二冷却剂通过泵在回路中循环，将吸收的热量传递给第一冷却剂。
定子壳体布置在第一冷却剂的流动中，使得通过定子壳体在第二冷却剂中传输的损耗热经由定子壳体的表面输出到第一冷却剂。在这方面特别有利的是，现有的推进装置承担输送第一冷却剂的进一步功能。
优选地，壳体壁、壳体开口、叶片几何结构和/或压缩机几何结构被提供作为导流装置。
优选地，定子壳体例如通过散热片而具有表面扩大部，该表面扩大部用于冷却剂之间更好的热传递。
优选地，推进装置在径向方向上主要延伸超过定子壳体。
优选地，驱动电机被配置为外转子。这意味着转子的作用部分位于定子的作用部分的径向外侧。定子和转子的作用部分是指由于它们的磁效应而产生力的部分。由于作为外转子的实施方案，环形间隙的直径特别大，由此径向外置的扁平的转子能够实现驱动电机的特别有利的紧凑设计。
优选地，转子包括位于转子的径向内侧的表面磁体。
因此，转子的磁体与定子的绕组之间的距离可保持得尽可能小，这对驱动电机的效率具有特别有利的效果。另外，该实施方案允许特别扁平的转子，并且因此允许非常紧凑的驱动电机。
优选地，转子叠片组和/或定子叠片组包括多个铁钴叠片。
优选地，驱动电机是永磁同步电机。
优选地，驱动电机用于飞行物体中。
在不限于此的情况下，将参考附图更详细地解释本发明的两个示例实施方案。
附图说明
附图示出：
图1示出了具有根据本发明的冷却设备的示例实施方案的驱动电机的轴向局部截面。
图2示出了根据切割线A-A的图1中的驱动电机的径向截面。
图3示出了具有根据本发明的冷却设备的第二示例实施方案的驱动电机的轴向局部截面。
图4示出了具有根据本发明的驱动电机的物体的俯视图。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的冷却设备的第一示例实施方案的驱动电机1的轴向局部截面。驱动电机1包括定子2和转子3。
转子3包括附接到转子叠片组5的磁体4以及接纳转子叠片组5的转子托架6。转子托架6连接到转子轴7。推进装置8附接到转子轴7的轴向外端。
在该优选实施方案中，推进装置8是螺旋桨，该螺旋桨通过旋转运动在相对于驱动电机轴向的方向上加速第一冷却剂17，在本文中特别是空气，由此反作用力作用在螺旋桨上并且因此作用在驱动电机1上。通过将一个或多个驱动电机1附接到物体29，该力作用在物体29上，由此物体29可在一个方向上移动。作用在物体29上的力取决于驱动电机1的配置以及推进装置8的转速。
在该优选示例实施方案中，驱动电机1被配置为外转子，这意味着转子叠片组5在定子叠片组11的外侧延伸。间隙25位于转子3与定子2之间，第一冷却剂17(在本文中特别是空气)在该间隙中流动，并且由此冷却定子2和转子3。由于作为外转子的实施方案，环形间隙25的直径特别大，由此径向外置的扁平的转子3允许驱动电机1的特别有利的紧凑设计。
转子3经由轴承9以径向旋转的方式连接到定子2。
定子2包括接纳定子叠片组11的定子壳体10。在定子叠片组11中分布着绕组12，绕组12由导电材料(优选地为铜)制成。在绕组12的两个轴向端，存在相应的绕组头13和14。
绕组12经由AC端子15连接到电源，例如在该实施方案中未示出的逆变器。
定子壳体10还包括冷却通道16，第二冷却剂18流动通过该冷却通道。
在特别优选实施方案中，该第二冷却剂18是不导电的液体介质，由此第二冷却剂18可直接流到载流部件，诸如绕组12和/或AC端子15，并且因此可以高效的方式吸收和/或输出热量。
第二冷却剂18流动通过的定子区19由薄壁的管状封闭元件20相对于位于转子3与定子2之间的间隙25流体地密封。管状封闭元件20可例如通过传递模塑或通过注射模塑工艺被制造成硬质部件。在另一个实施方案中，管状封闭元件20也可被制造成柔性元件，例如由玻璃纤维增强塑料制成。管状封闭元件20借助于封闭管密封件21相对于定子壳体10密封。第二冷却剂18可借助于冷却通道16内的泵22运送通过定子壳体10。在该示例性实施方案中，泵22相对于转子轴7轴向放置，并且连接到转子轴7。
由驱动电机1产生的旋转也驱动泵22。泵22可以转子转速运行和/或通过变速器以不同于转子转速的转速运行。通过驱动泵22旋转，将第二冷却剂18在冷却通道16中泵送通过定子壳体10。
在本文中所示的实施方案中，定子壳体10径向地包封转子托架6，从而使定子壳体10位于转子托架6的径向内侧以及径向外侧。定子壳体10可具有呈例如散热片形式的表面扩大部23。
借助于导流装置24，第一冷却剂17(在这种情况下优选地为气态流体，例如空气)能够有针对性地被引导通过和/或围绕驱动电机1。导流装置24例如是引导流体流动的、流体不可渗透的壳体壁26或有针对性地允许流体在特定位置处流入和/或流出驱动电机1的壳体开口27。导流装置24也可以是叶片几何结构/压缩机几何结构28，该叶片几何结构/压缩机几何结构可通过由驱动电机1产生的旋转运动来加速和/或压缩第一冷却剂17。由此，由推进装置8产生的第一冷却剂17的流动能够有针对性地在转子3旁被引导通过定子壳体10，由此，第一冷却剂17从待冷却的部件(例如转子叠片组5和/或磁体4)吸收废热，并且由此冷却这些部件。
由推进装置9引起流动的第一冷却剂17也沿定子壳体10的壳体壁26流动。由泵22引起流动并且可优选为液态流体(例如不导电的液体)的第二冷却剂18流动通过定子壳体10，由此经由壳体壁26将吸收的热量输出到第一冷却剂17。特别有利的是，冷却通道16靠近第一冷却剂17围绕其流动的壳体壁26放置，由此第一冷却剂17与第二冷却剂18之间的热阻较低。
图2示出了图1中的驱动电机1的根据切割线A-A的径向截面。
转子3的由定子2径向包封的部分包括转子叠片组5，该转子叠片组位于由径向外侧的转子托架6接纳的磁体4的径向外侧。
磁体4优选地被设计为表面磁体，使得转子3的磁体4与定子2的绕组12之间的距离尽可能小，这对驱动电机1的效率具有特别有利的效果。
在一个示例实施方案中，表面磁体可放置在海尔贝克(Halbach)阵列中。
海尔贝克阵列是永磁体的特殊配置，其磁化方向相对于彼此在阵列的纵轴方向上分别倾斜90°。
利用该优选实施方案，转子可保持得特别扁平。
当在有限的运行范围内运行设备时，具有高磁质量和高磁通量的表面磁体可在该有限的运行范围内实现高效率，同时增加扭矩密度。
转子3具有轴向槽31，绕组12位于该轴向槽中。在该实施方案中，第二冷却剂18沿绕组12直接在槽31中流动，以及在径向外侧流动通过定子壳体10。
利用这种特别有效的冷却，可在绕组12中提供高电流密度，由此可在绕组12中提供高匝数，并且因此提供高扭矩密度。由于高电流密度，因此槽也可设计得小，从而增加定子叠片组11的材料比例，这导致特别有利的磁通引导，并且由此又导致高扭矩密度。
第一冷却剂17在定子壳体10的外侧以及在转子3与定子2之间的间隙25中在轴向方向上流动，并且在图2中通过垂直于纸张方向的箭头示出。
第一冷却剂17的这种特别有利的流动可有针对性地从待冷却的部件(例如从转子叠片组5和/或磁体4)吸收废热，以便冷却这些部件。利用这种冷却，例如可使用具有特别高的剩余磁通密度但又耐低温的磁体4。
第二冷却剂18也可流动通过冷却通道16，该冷却通道在轴向方向上延伸穿过定子叠片组11。这些冷却通道16可以作为直接流动穿过槽31的补充或替代方案来布置。
图2还示出了第二冷却剂流动通过的定子区19借助于管状封闭元件20相对于间隙25密封。在本文中特别有利的是，由于这种密封，因此第二冷却剂18不与在旋转方向上可移动的转子接触。这可减少驱动电机1的运行期间的摩擦损失。
图3示出了具有替代冷却通道组件的定子壳体10。由相应阴影线表示的第二冷却剂18在中间流向定子绕组12，并且然后被分成两个平行的流动路径。第二冷却剂18的第一部分随后流动经过第一绕组头13，并且第二冷却剂18的第二部分流动经过第二绕组头14，并且随后在冷却通道16中汇合。然后，第二冷却剂18流动通过定子壳体10的径向外侧部分到达泵22，并且被该泵朝向定子绕组12泵送，从而使回路闭合。
图4示出了具有根据本发明的四个驱动电机1的物体29的平面图。这些驱动电机1安装在物体29的主体30的外侧。当安装在驱动电机1上的推进装置8(未示出)旋转时，第一冷却剂17在一个方向上流动，由此与第一冷却剂17的流动方向相反的力作用在物体29上。作用力的大小可借助于推进速度的变化而变化，由此物体29可在力的作用方向上移动。
在进一步的实施方案中，具有多于四个驱动电机1的物体29，或者具有少于四个驱动电机1的物体29也是可能的。由推进装置产生的力可作用在不同的方向上，由此可影响物体的运动方向。
第一冷却剂17可以是气态流体和/或液态流体，当被推进装置8排挤时，该第一冷却剂在驱动电机1上产生力。
物体1可以是用于运送人和/或其他物体的物体。
从第一冷却剂17到第二冷却剂18的热传递可将热量从第一冷却剂17正向传递到第二冷却剂18，从而降低第一冷却剂17中的热含量。
从第一冷却剂17到第二冷却剂18的热传递也可为逆向的，从而将热量从第二冷却剂传递到第一冷却剂17，从而增加第一冷却剂17的热含量。
附图标记列表
1.驱动电机
2.定子
3.转子
4.磁体
5.转子叠片组
6.转子托架
7.转子轴
8.推进装置
9.轴承
10.定子壳体
11.定子叠片组
12.绕组
13.绕组头1
14.绕组头2
15.AC端子
16.冷却通道
17.第一冷却剂
18.第二冷却剂
19.流动通过的定子区
20.管状封闭元件
21.封闭管密封件
22.泵
23.表面扩大部
24.导流装置
25.间隙
26.壳体壁
27.壳体开口
28.叶片几何结构/压缩机几何结构
29.物体
30.物体的主体
31.槽

Claims (16)

1.一种用于通过第一冷却剂(17)和第二冷却剂(18)冷却物体(29)的驱动电机(1)的设备，所述驱动电机包括具有定子壳体(10)的定子(2)和转子(3)，所述转子以可旋转移动的方式支撑在所述定子壳体(10)上并且连接到用于产生作用在所述物体(29)上的力的推进装置(8)，其中所述推进装置(8)通过旋转运动产生所述第一冷却剂(17)的流动，其中所述第一冷却剂(17)借助于导流装置(24)围绕或通过所述驱动电机(1)流动，其中所述第二冷却剂(18)在冷却通道(16)中循环并且将吸收的热量传递到所述第一冷却剂(17)，其特征在于，所述第二冷却剂(18)借助于由所述驱动电机(1)驱动的泵(22)在所述冷却通道(16)中循环。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述泵(22)与所述转子(3)的轴线同轴放置。
3.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，所述定子(2)包括绕组头(13；14)和绕组(12)，所述绕组在与该驱动装置的轴线轴向对齐的槽(31)中延伸，
其中所述第二冷却剂(18)与所述绕组(12)直接接触地轴向流动通过所述槽(31)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，在所述定子(2)与所述转子(3)之间存在间隙(25)，其中，被第二冷却剂(18)流动通过的定子区(19)借助于刚性的或柔性的薄壁的管状封闭元件(20)相对于所述间隙(25)密封。
5.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，所述定子(2)包括绕组头(13；14)、绕组(12)和冷却通道(16)，
其中所述第二冷却剂(18)的流动按以下进行循环
·经由所述定子(2)的第一绕组头(13)，和/或
·经由所述定子(2)的所述绕组(12)，和/或
·经由所述定子(2)的第二绕组头(14)，和/或
·经由穿过径向放置在所述转子托架(6)外侧的定子壳体(10)的冷却通道(16)，和/或
·经由所述泵(22)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，所述定子(2)包括绕组头(13；14)、绕组(12)和冷却通道(16)，
其中所述第二冷却剂(18)的所述流动按以下进行循环
·从中心经由所述定子(2)的所述绕组(12)，和/或
·平行地经由两个绕组头(13；14)，和/或
·经由穿过径向放置在所述转子托架(6)外侧的定子壳体(10)的冷却通道(16)，和/或
·经由所述泵(22)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，所述第二冷却剂(18)是电介质，所述电介质具有在15℃时0.75kg/l的最大密度和/或在40℃时6mm2/s的最大粘度和/或在80℃时2.3kJ/(kg*K)的最小热容量和/或在80℃时0.12W/(m/K)的最小热导率和/或在25℃时1000nS/m的最大电导率。
8.一种用于通过第一冷却剂(17)和第二冷却剂(18)冷却物体(29)的驱动电机(1)的设备，所述驱动电机包括具有定子壳体(10)的定子(2)和转子(3)，所述转子以可旋转移动的方式支撑在所述定子壳体(10)上并且连接到用于产生作用在所述物体(29)上的力的推进装置(8)，其中所述推进装置(8)通过旋转运动产生所述第一冷却剂(17)的流动，其中所述第一冷却剂(17)借助于导流装置(24)围绕或通过所述驱动电机(1)流动，其中所述导流装置(24)将由所述推进装置(8)产生的所述第一冷却剂(17)的流动有针对性地通过定子壳体(10)引导至待冷却的部件，其中所述第二冷却剂(18)在冷却通道(16)中循环并且将吸收的热量传递到所述第一冷却剂(17)，其特征在于，所述定子壳体(10)布置在所述第一冷却剂(17)的流动中，使得通过所述定子壳体(10)在所述第二冷却剂(18)中传输的损耗热经由所述定子壳体(10)的表面输出到所述第一冷却剂(17)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述导流装置(24)特别地包括壳体壁(26)、壳体开口(27)、叶片几何结构和/或压缩机几何结构(28)。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述定子壳体(10)具有表面扩大部(23)，所述表面扩大部用于从所述第二冷却剂(18)到所述第一冷却剂(17)的更好的热传递。
11.根据权利要求8至10中的一项所述的设备，其特征在于，所述推进装置(8)在径向方向上主要延伸超过所述定子壳体(10)。
12.根据权利要求8至11中的一项所述的设备，其特征在于，所述驱动电机是外转子。
13.根据权利要求8至12中的一项所述的设备，其特征在于，所述转子(3)包括位于所述转子的径向内侧的表面磁体(4)。
14.根据权利要求8至13中的一项所述的设备，其特征在于，所述转子叠片组(5)和/或所述定子叠片组(11)包括多个铁钴叠片。
15.根据权利要求8至14中的一项所述的设备，其特征在于，所述驱动电机是永磁同步电机。
16.一种用于飞行物体的驱动电机，所述驱动电机具有根据前述权利要求中任一项所述的设备。
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