CN118019914A - 电机变速泵 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于用于改善外转子式电机的冷却的紧凑、经济高效的变速泵(100)，所述变速泵包括湿部/流体室(101)、具有电力电子器件的变速驱动器(102)、液冷板(103)以及外转子永磁体(104)，如图1所示。当所述电子器件产生的热量被传递至流动的液体时，所述驱动器(102)被战略性地定位成邻接所述湿部/流体室(101)。具有冷却管(5a、5b)的所述液冷板(103)插置在所述电力电子器件和所述外转子式电机(104)之间，所述外转子式电机包括布置在定子(6)外侧的转子(9)，其中，所述定子(6)包括集中绕组(7)。所述冷却管(5a、5b)通过所述入口管(5a)输送液体并通过所述出口管(5b)排出所述液体，以有效地冷却一侧的所述电力电子器件和另一侧的所述电机绕组(7)。

Description

电机变速泵

技术领域

本发明大体涉及电机。实施例涉及电子器件和用于泵应用的外转子永磁电机的冷却。

背景技术

传统上，大多数泵由感应电机驱动，因为其可靠性高、成本低、维护成本低且效率较高。这些电机的效率通常为70％到85％。

在感应电机中，电压和电流传递到定子中。这会在定子中产生旋转磁场。偏置绕组在转子的鼠笼导条中感应出电流，并在转子中产生磁场。转子以比定子旋转磁场慢的速度进行旋转，从而产生滑差。这种滑差随着电机扭矩要求的增加而增加。这种类型的电机称为异步电机，其结构更简单，但效率不如永磁电机。此外，控制具有变速驱动器的感应电机比控制永磁电机更复杂。

另一方面，在永磁电机中，转子随着定子的旋转磁场而旋转。这种类型的电机称为同步电机。由于磁体在转子中产生磁场，因此与相同尺寸的感应电机相比，永磁同步电机的效率更高，其中转子中的磁场是由鼠笼导条中流动的感应电流产生的。永磁电机的变速驱动器要比感应电机的变速驱动器简单得多。

近年来，汽车、航空航天、船舶、铁路等行业正在经历快速转型，其主要目的是减少碳排放。全球对电力推进系统的推动也促使泵行业制定新的业务战略，以获得更环保、更节能的泵。在设计紧凑、节能的泵。

除了效率之外，冷却也是最重要的考虑方面。以前，泵采用空气冷却方法进行冷却，与液体冷却相比，这种方法效率较低，因为液体吸收热量的速度比空气快约24倍。液体的比热容较大，是空气的4倍以上，使其成为系统中已存在冷却液的泵应用的理想冷却剂。

CN113482939A公开的题为“具有集成控制器的高效水冷外转子式永磁智能水泵”的申请公开了一种集成控制器高效水冷外转子式永磁智能水泵，其中，泵体设置在壳体内；叶轮设置在进水口处的泵体内，并通过叶轮锁紧螺母与所述泵体固定连接；前端盖与所述壳体固定连接，并通过前轴承与所述泵体固定连接；后端盖与所述壳体固定连接，并通过后轴承与所述泵体固定连接；定子铁芯通过定子铁芯固定压板与所述前端盖固定，所述定子铁芯上设有定子线圈，所述定子线圈靠近所述前端盖的端部设有导热胶，所述定子铁芯与所述前端盖之间设有导热胶；该水泵还包括转子轭、压力传感器和控制装置。该发明通过所述压力传感器检测出水口的水压，实现节能和智能控制，并利用工作介质水直接冷却与所述定子铁芯连接的所述前端盖以增加散热效果。

‘939申请涉及所述外转子式永磁水泵的冷却，其中所述叶轮、所述电机和所述压力传感器的布置提供了改进的散热效果。‘939申请仅关注所述定子的散热，利用工作介质水直接冷却与所述定子铁芯连接的所述前端盖。另外，所述定子铁芯与所述前端盖之间设有导热胶，以改善冷却效果。

‘939申请没有公开或教导产热电力电子器件接受主动冷却的内容。所述电力电子器件(变速驱动电子器件)的主动冷却允许电力电子器件在封闭空间中运行，否则所述变速电子器件很容易因外壳内积聚过多热量而发生故障。

本发明实施例包括一种变速泵，其可改善变速电力电子器件和外转子式电机的散热效果，且适用于泵送、供暖、通风、空调(PHVAC)和工业应用等应用。

发明内容

为了实现前述目标，根据本发明所述的实施例包括一种适用于PHVAC和工业应用等应用的变速泵。

根据本发明所述的实施例，所述变速泵可包括湿部/流体室、变速驱动器、液冷板以及外转子式永磁电机，所述变速驱动器包括电力电子器件和盖件，所述湿部/流体室、所述变速驱动器、所述液冷板和所述外转子式永磁电机均由壳体和所述湿部/流体室封闭。

根据本发明所述的实施例，所述湿部/流体室可包括流体入口、出口和可旋转地安装的旋转叶轮。所述旋转叶轮从所述流体入口吸入所述流体并通过所述湿部/流体室的所述出口将其排出。所述叶轮通过轴连接至旋转所述叶轮的所述外转子式电机。

此外，所述变速驱动器可包括电力电子器件和盖件。所述电力电子器件通过螺钉固定并模制至导热的所述湿部/流体室的后部(10至30W/mK之间)。在一些实施例中，所述电力电子器件和所述后部(b)之间可不需要导热膏或垫作为接口，因为这两个部分相互接触。形成这种接触的方法之一是将所述后部(b)直接模制至所述电力电子器件上，从而形成熔合触点。通过所述熔合接触，所述部件可进行接触。

由于所述电力电子器件的印刷电路板(由高温FR4材料或导热系数为200–400W/mK的衬底材料制成的PCB)与所述(b)部分熔合，所以所述部分也是绝缘材料(介电强度大于2500V/mm)。高导热率从所述电力电子器件中提取热量，并将该热量传递给所述湿部/流体室内的所述流动液体。这种直接冷却方法不需要所述导热膏或导热胶或导热垫。

在根据本发明所述的实施例中，所述液冷板可用螺钉固定至所述变速驱动器的所述盖件上。螺钉用于将所述盖件和所述液冷板固定在所述湿部/流体室中。所述螺钉穿过所述变速驱动电子器件中的开口。所述液冷板的另一侧安装有外转子式电机定子轮毂。所述液冷板还包括冷却管，用于输送、循环和排出用于液冷的所述流体。

根据本发明所述的实施例，所述变速泵的所述电机可以是外转子式永磁电机，其包括具有集中绕组的定子和设置在固定定子外侧的轴上的转子。所述转子还包括嵌入所述转子的内径中的永磁体，所述永磁体随所述转子旋转。所述转子体的前表面附有叶片，以使所述泵内的空气循环。

所述液冷板的定位方式可从两侧提供双重冷却功能。在一侧，所述电力电子器件盖件直接连接至所述液冷板，在另一侧，所述定子轮毂也连接至所述液冷板。例如，所述电力电子器件盖件可包括被定位成抵靠或邻接所述液冷板的表面的板件。所述两侧的热量则被所述冷却板内的所述流动液体带走。该技术大大减小了所述变速泵的整体尺寸。

本领域技术人员应当理解，面向所述盖件定位的所述电力电子器件也可通过不同厚度的所述导热垫与所述盖件接触。这使得所述PCB另一侧的所述电力电子器件能够通过所述盖件由所述液冷板来冷却。该装置允许对所述电力电子器件进行双重冷却，即通过液体冷却直接冷却所述PCB两侧的所述电力电子器件。

根据一些实施例，一种变速泵可包括被构造成接收流体的流体入口、被构造成排出流体的流体出口以及位于所述入口和所述出口之间的流体室中的叶轮，其中，所述叶轮安装在连接至电机的轴上，变速驱动器被定位成邻接所述流体室，其中，所述变速驱动器包括电力电子器件，液冷板包括冷却管，其中，所述液冷板插置在所述电力电子器件和所述电机之间，其中，所述冷却管被构造成通过入口管接收液体并通过出口管排出所述液体。

在一些实施例中，电机包括设置在定子外侧的转子，其中，所述定子包括集中绕组。在一些实施例中，所述液冷板向所述集中绕组提供冷却。在一些实施例中，所述电力电子器件包括导热印刷电路板。在一些实施例中，所述导热印刷电路板与所述液冷板螺合成型。在一些实施例中，所述导热印刷电路板被构造成将热量从所述电力电子器件传递至所述湿部/流体室和所述液冷板内的所述流体。

在一些实施例中，所述转子包括一个或多个永磁体和转子轮毂，其中，所述一个或多个永磁体安装在所述转子轮毂的内径上以限制磁体在旋转过程中的位移。在一些实施例中，盖件封装所述电力电子器件并将热量从所述电力电子器件传递至所述液冷板。在一些实施例中，壳体封装所述变速驱动器、所述电机和所述液冷板中的一个或多个，其中，所述壳体包括进气口，所述进气口被构造成允许空气通过以冷却所述驱动器或所述电机。在一些实施例中，所述电机包括转子，所述转子包括一个或多个叶片，以在所述转子旋转时使空气循环。

在一些实施例中，所述壳体可包括用于来自所述进气口的空气的出口。在一些实施例中，所述电力电子器件安装在表面上，且所述表面被定位成邻近或邻接所述湿部/流体室。在一些实施例中，所述电力电子器件包括位于所述湿部/流体室或所述液冷板附近的一个或多个散热片。在一些实施例中，输入包括与所述变速驱动器进行电子通信以改变所述电机的速度。

本发明的一个目的在于提供一种紧凑式变速泵，所述紧凑式变速泵包括体积小且电力密集的液冷变速电力电子器件和具有集中绕组的外转子式永磁电机，所述紧凑式变速泵高效的散热、能源效率和更低的制造成本。

本发明的另一个目的在于减少所述电机中使用的活性材料的量，从而降低所述变速泵的成本。

因此，本发明所述的实施例提供了一种紧凑、经济高效的变速泵，可为所述电力电子器件和所述外转子式永磁电机提供高效冷却。

附图说明

通过下面参考本发明实施例的附图给出的详细描述，将更好地理解本发明。然而，这些附图不应被视为将本发明限制于具体实施例，而仅用于解释和理解的目的。

图1是根据本发明所述的变速泵的分解图；以及

图2是变速泵的剖视图。

图3是变速泵的截面图。

实施例详细说明

根据本发明所述的实施例包括对变速泵的电子器件和外转子式电机的改进的冷却，其具有用于诸如PHVAC和工业应用的应用的更简单且更轻的结构。

该变速泵主要包括以图1所示方式设置的湿部/流体室(101)、变速驱动器(102)、液冷板(103)以及外转子式永磁体(104)。

湿部/流体室(101)具有流体入口(1)和出口(2)，其中，所述流体通过入口(1)吸入旋转叶轮(3)的中部。所述流体被径向挤出并通过出口(2)。叶轮(3)直接安装在细长轴(8)上，该细长轴与外转子式电机(104)连接并穿过变速驱动器(102)和液冷板(103)的中间。

变速驱动器(102)具有电力电子器件(未示出)、PCB(4a)并封装在盖件(4b)中，且其策略性地被定位成邻接湿部/流体室(101)，因为电子器件产生的热量(未示出)被传输到所述流动流体。

电力电子器件的印刷电路板(PCB)(4a)通过螺钉固定并模制至湿部/流体室(101)的后部(3b)，该湿部/流体室室可进行导热(10至30W/mK之间)。尽管实施例可包括导热膏、导热胶或导热垫，但是对于这种直接冷却方法不需要导热膏或导热胶或导热垫。

由于电力电子器件的印刷电路板(4a)与也是绝缘材料(例如大于2500V/mm介电强度)的部分(3b)接触，因此PCB(4a)的高导热率允许热量从该电力电子器件中提取并传递至湿部/流体室(101)内的所述流动流体。该PCB可包括高温FR4材料或衬底材料或由高温FR4材料或衬底材料制成(例如，具有诸如200-400W/mK的热导率或具有足以传递电力电子器件的热量的热导率)。

如图1所示，具有冷却管(5a、5b)的液冷板(103)插置在包括电力电子器件(未示出)的盖件(4b)和外转子式电机(104)之间。冷却管(5a、5b)通过入口管(5a)运输液体并通过出口管(5b)排出液体。这可有效地冷却一侧的电力电子器件和另一侧的电机绕组(7)。

仍然参考图1，外转子式电机(104)包括设置在定子(6)外侧的转子(9)，其中，该定子(6)包括集中绕组(7)。转子轮毂的内径上安装有多个永磁体(10)，以限制磁体在高速旋转时由于向心力而产生的位移。此外，通过层叠磁体可减少涡流损耗。外转子(9)由变速驱动器(102)以变速模式驱动。

在运行期间，电机(104)和变速驱动器(102)相结合，产生5％至20％的电力作为热量，并且为了泵的正常和有效运行而不会出现组件故障，消散这些热量非常重要。

变速驱动器(102)的电力电子器件(未示出)产生的热量被消散到流动液体中，因为其从一侧与湿部/流体室(101)的后端部分(3b)“熔合接触”，并从另一侧通过盖件(4b)和导热垫与液冷板(103)接触。

另一方面，来自定子(6)和绕组(7)的热量主要通过与定子(6)直接接触的液冷板(103)来散发，如图2所示。

除了液体冷却之外，电机(104)还可被空气冷却，其中，空气通过壳体(12)的进气口(14)进行循环。

在一个实施例中，进气口(14)使空气循环通过外转子式电机(104)，该外转子电机再将空气引向绕组(7)并将其通过壳体(12)吹出。

在另一个实施例中，当壳体(12)关闭且没有任何通风孔时，空气仅在内部流通。因此，该壳体限制任何异物进入泵。

有利地，定子(6)采用集中绕组(7)进行绕制，比分布绕制定子减少了铜材的使用量在40％以上。

泵(100)使用电源线或直流电源来进行供电。电压可以在12V至1000VAC/DC范围内变化。在给变速驱动器(102)供电时，用户可输入(13)泵的速度要求以便操作泵(100)。它们还可输入最大功率的一定百分比来控制泵(100)。输入(13)将泵(100)驱动至所需的功率水平速度并使液体在系统中循环。以这种方式改变速度满足立方定律并相应地节省能量消耗。例如，速度降低20％可减少约50％的能耗。将速度降低50％可使能耗比全功率(例如100％)至少减少88％。

在一个实施例中，输入(13)可以是位于泵的壳体(12)上的键盘，用于输入诸如速度、诊断或不同操作模式的选择等要求。

在另一个实施例中，输入(13)可以是与控制台、智能手机或者与应用程序相关联的服务器或设备通信的无线接收器和/或发送器。无线接收器和/或发射器可经由蓝牙或Wi-Fi或任何其他近场通信方法或者通过SMS消息、无线电或任何其他远程通信方法进行通信。

电力电子器件包括提高变速驱动器(102)的效率的功率因数校正电路。对于高于50％的速度，驱动器(102)的效率保持在97％至99％之间。电机(104)在该速度范围内的效率保持在85％至98％之间。

为了减少所涉及的生产成本和时间，电机(104)可使用紧缩工艺来制造，这与传统方法相比减少了材料浪费。紧缩工艺包括形成螺旋绕组，以通过压实、矫直、冲压和滚压中的一种或多种来形成定子绕组，并且避免或消除在形成期间绕组的切割。

因此，本发明提供的实施例包括一种简单、紧凑、经济高效的变速泵，可为电力电子器件和外转子式永磁电机提供高效冷却。

尽管本发明的前述书面描述使得普通技术人员能够制造和使用目前被认为是其最佳模式的，但本领域技术人员将理解并领会本文的具体实施例、方法和示例的变化、组合和等同物的存在。因此，本发明不应受上述实施例、方法和示例的限制，而是受所要求保护的本发明范围内的所有实施例和方法的限制。

Claims (14)

1.一种变速泵，包括：

a.流体入口(1)，所述流体入口被构造成接收流体；

b.流体出口(2)，所述流体出口被构造成排出流体；

c.叶轮(3)，所述叶轮位于所述入口(1)和所述出口(2)之间的流体室中，其中，所述叶轮(3)安装在连接至电机(104)的轴(8)上；

d.变速驱动器(102)，所述变速驱动器被定位成邻接所述流体室，其中，所述变速驱动器(102)包括电力电子器件；以及

e.液冷板(103)，所述液冷板包括冷却管(5a，5b)，其中，所述液冷板插在所述电力电子器件和所述电机(104)之间，其中，所述冷却管(5a，5b)被构造成通过入口管接收液体并通过出口管排出所述液体。

2.根据权利要求1所述的变速泵，其中，所述电机(104)包括设置在定子(6)外侧的转子(9)，其中，所述定子(6)包括集中绕组(7)。

3.根据权利要求2所述的变速泵，其中，所述液冷板(103)对所述集中绕组(7)进行冷却。

4.根据权利要求1所述的变速泵，其中，所述电力电子器件包括导热印刷电路板(4a)。

5.根据权利要求4所述的变速泵，其中，所述导热印刷电路板(4a)与所述液冷板(103)螺合成型。

6.根据权利要求4所述的变速泵，其中，所述导热印刷电路板(4a)被构造成将热量从所述电力电子器件传递至所述湿部/流体室(101)和所述液冷板(102)内的所述流体。

7.根据权利要求1所述的变速泵，其中，所述转子包括一个或多个永磁体(10)和转子轮毂，其中，所述一个或多个永磁体(10)安装在所述转子轮毂的内径上以限制磁体在旋转过程中的位移。

8.根据权利要求1所述的变速泵，其中，盖件(4b)封装所述电力电子器件并将热量从所述电力电子器件传递至所述液冷板(103)。

9.根据权利要求1所述的变速泵，其中，壳体(12)封装所述变速驱动器(102)、所述电机(104)和所述液冷板(103)中的一个或多个，其中，所述壳体(12)包括进气口(14)，所述进气口被构造成允许空气通过以冷却所述驱动器(102)或所述电机(104)。

10.根据权利要求9所述的变速泵，其中，所述电机(104)包括转子(9)，所述转子(9)包括一个或多个叶片(11)，以在所述转子旋转时使空气循环。

11.根据权利要求9所述的变速泵，其中，所述壳体(12)包括用于来自所述进气口(14)的空气的出口。

12.根据权利要求1所述的变速泵，其中，所述电力电子器件安装在表面上，且所述表面被定位成邻近或邻接所述湿部/流体室(101)。

13.根据权利要求1所述的变速泵，其中，所述电力电子器件包括位于所述湿部/流体室(101)或所述液冷板(103)附近的一个或多个散热片。

14.根据权利要求1所述的变速泵，其中，输入(13)与所述变速驱动器(102)进行电子通信以改变所述电机(104)的速度。