TWI838174B - 複合式兩相流冷卻馬達及其複合式兩相流冷卻裝置 - Google Patents

Abstract

一種複合式兩相流冷卻馬達，包含一馬達裝置以及一複合式兩相流冷卻裝置。馬達裝置包含一馬達外殼、一馬達組件以及一離心扇。馬達組件設置於馬達外殼內。複合式兩相流冷卻裝置包含一第一兩相式循環散熱組件以及一第二兩相式循環散熱組件。第一兩相式循環散熱組件包含一第一冷板夾套以及一第一熱循環管路。第一冷板夾套係套設於馬達組件而熱連接於一定子，且第一冷板夾套包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板。第一熱循環管路係穿過第一冷板夾套，灌充有一第一工作流體。第二兩相式循環散熱組件包含一第二冷板夾套以及一第二熱循環管路。第二冷板夾套係熱隔絕地套設於該第一冷板夾套，包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板，且具有複數個散熱鰭片。第二熱循環管路係穿過該第二冷板夾套，灌充有一第二工作流體。

Description

複合式兩相流冷卻馬達及其複合式兩相流冷卻裝置

本發明係關於一種冷卻馬達與冷卻裝置，尤其是指一種複合式兩相流之冷卻馬達與冷卻裝置。

一般來說，馬達在運轉時會產生大量的熱量，且往往會隨著負載提升而增加，其中馬達運轉時所產生的熱量來源主要是定子在線圈通電後因為電阻的耗損所產生的廢熱，但除了定子會發熱外，轉子也會在磁場交互作用下因為磁滯損耗而產生廢熱。

承上所述，現有的馬達散熱技術中，通常會使用氣冷、水冷或油冷等方式來對定子散熱，然而由於內轉子不容易與外界進行有效的熱交換，大都只能利用氣冷的方式進行散熱，因此其散熱效果往往比較不理想，使得內轉子常常有過熱的問題發生，甚至有可能因為溫度過高而膨脹，導致軸承和其他零件之間的配合間隙發生變化，最終使馬達出現震動或噪音等問題。

此外，雖然定子通常有很多方式可以進行散熱，但隨著馬達功率的不斷提高，其散熱也變得越來越不容易，尤其是在高負載與高轉速的情況下，不只馬達內部的轉子熱量不易散出，連定子都有可能因為散熱不及而有過熱的問題，進而影響馬達的穩定性和可靠性。因此，開發新的散熱技術和設備已成為一個重要的研究方向。

有鑒於在先前技術中，現有的馬達散熱技術大都是針對定子進行散熱，有關轉子的散熱方式較為由有限，且由於大部分馬達為內轉子外定子的設計，因此內轉子的散熱也只能透過氣冷的方式進行散熱，其散熱效率也不高，當馬達的功率需求越來越的情況下，現有的馬達散熱技術已不足以因應馬達的散熱需求；緣此，本發明的主要目的在於提供一種複合式兩相流冷卻馬達與冷卻裝置，可以透過兩相流體的相變化來對馬達的轉子與定子快速散熱。

本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種複合式兩相流冷卻馬達，包含一馬達裝置以及一複合式兩相流冷卻裝置。

馬達裝置包含一馬達外殼、一馬達組件以及一離心扇。馬達組件係設置於該馬達外殼內，並且包含一定子框架、一定子、一轉子以及一轉軸。

定子係設置於該定子框架內。轉子係可轉動地設置於該定子內，並與該定子間隔出一轉子定子間隙。轉軸係穿設固定於該轉子。離心扇係設置於該馬達外殼內，並固接於該轉軸，藉以受該轉軸帶動而轉動。

複合式兩相流冷卻裝置包含一第一兩相式循環散熱組件以及一第二兩相式循環散熱組件。第一兩相式循環散熱組件包含一第一冷板夾套以及一第一熱循環管路。第一冷板夾套係設置於該馬達外殼內，並套設於該馬達組件而熱連接於該定子，且第一冷板夾套包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板。第一熱循環管路係穿過該第一冷板夾套，灌充有一第一工作流體。

第二兩相式循環散熱組件包含一第二冷板夾套以及一第二熱循環管路。第二冷板夾套係設置於該馬達外殼內，並熱隔絕地套設於該第一冷板夾套，包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板，每一該些第二冷板具有複數個散熱鰭片，該些散熱鰭片係與該馬達外殼圍構出複數個散熱流道。第二熱循環管路係穿過該第二冷板夾套，灌充有一第二工作流體。

其中，當該離心扇轉動時，係在該馬達外殼內產生一散熱氣流，使該散熱氣流係循環地通過該些散熱流道與該轉子定子間隙。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，該馬達裝置更包含一導風罩，係連結於該定子框架，並在該馬達外殼內與該馬達外殼圍構出連通於該轉子定子間隙之一徑向出風口，且該離心扇係將該散熱氣流由該轉子定子間隙自該徑向出風口排推送至該些散熱流道。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，在該馬達組件以複數個允許運作狀態運作時，該定子具有一第一溫度變化範圍，且該散熱氣流具有一第二溫度變化範圍，該第一工作流體之一第一沸點溫度落於該第一溫度變化範圍，該第二工作流體之一第二沸點溫度落於該第二溫度變化範圍。較佳者，第一溫度變化範圍介於75℃-90℃之間；第二溫度變化範圍介於50℃-65℃之間。

本發明所採用的另一必要技術手段是提供一種複合式兩相流冷卻裝置，係應用於一馬達裝置，該馬達裝置具有一馬達外殼、一馬達組件與一離心扇，該複合式兩相流冷卻裝置包含一第一兩相式循環散熱組件以及一第二兩相式循環散熱組件。

第一兩相式循環散熱組件包含一第一冷板夾套以及一第一熱循環管路。第一冷板夾套係設置於該馬達外殼內，並套設於該馬達組件而熱連接於該定子，且該第一冷板夾套包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板。第一熱循環管路係穿過該第一冷板夾套，灌充有一第一工作流體。

第二兩相式循環散熱組件包含一第二冷板夾套以及一第二熱循環管路。第二冷板夾套係設置於該馬達外殼內，並熱隔絕地套設於該第一冷板夾套，包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板，每一該些第二冷板具有複數個散熱鰭片，該些散熱鰭片係與該馬達外殼圍構出複數個散熱流道。第二熱循環管路係穿過該第二冷板夾套，灌充有一第二工作流體。

其中，當該離心扇轉動時，係在該馬達外殼內產生一散熱氣流，使該散熱氣流係循環地通過該些散熱流道與該轉子定子間隙。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，在該馬達組件以複數個允許運作狀態運作時，該定子具有一第一溫度變化範圍，且該散熱氣流具有一第二溫度變化範圍，該第一工作流體之一第一沸點溫度落於該第一溫度變化範圍，該第二工作流體之一第二沸點溫度落於該第二溫度變化範圍。較佳者，第一溫度變化範圍介於75℃-90℃之間；第二溫度變化範圍介於50℃-65℃之間。

如上所述，本發明主要是利用第一兩相式循環散熱組件透過直接熱連結的方式來吸收定子的熱量，進而利用第一工作流體的相變化來對定子進行散熱，同時還利用第二兩相式循環散熱組件透過離心扇所產生的散熱氣流來吸收轉子與定子的熱量，進而利用第二工作流體的相變化來對轉子與定子進行散熱。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

請參閱第一圖至第三圖，第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達之立體示意圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達之立體分解示意圖；第三圖係為第一圖之A-A剖面示意圖；第三圖係為第一圖之A-A剖面示意圖。

如第一圖至第三圖所示，一種複合式兩相流冷卻馬達100包含一馬達裝置1以及一複合式兩相流冷卻裝置2。馬達裝置1包含一馬達外殼11、一馬達組件12、一導風罩13以及一離心扇14。

馬達外殼11包含一外殼本體111、一第一端部112以及一第二端部113。第一端部112與第二端部113係分別連結於外殼本體111之兩端；其中，第一端部112包含一第一端蓋本體1121、一端板1122以及一軸承1123，第一端蓋本體1121是固接於外殼本體111，端板1122是設置於第一端蓋本體1121內，軸承1123是設置於端板1122之中心處。另一方面，第二端部113包含一第二端蓋本體1131以及一軸承1132，第二端蓋本體1131是相對於第一端蓋本體1121固定於外殼本體111之另一端，而軸承1132是設置於第二端蓋本體1131之中心處。

馬達組件12包含一定子框架121、一定子122、一轉子123以及一轉軸124。

定子框架121是設置於馬達外殼11內。定子122是設置於定子框架121內，並熱連結於定子框架121之內壁；在本實施例中，定子122是嵌設於定子框架121內而直接抵接於定子框架121之內壁，藉以熱連結於定子框架121。

轉子123是可轉動地設置於定子122內，並與定子122間隔出一轉子定子間隙S。轉軸124是穿設固定於轉子123，且轉軸124之兩端更分別可轉動地穿設於第一端部112與第二端部113；其中，轉軸124是沿一第一方向D1延伸，並可轉動地穿設於軸承1123與1132。

導風罩13是連結於定子框架121，並在第二端部113內與第二端部113圍構出連通於轉子定子間隙S之一徑向出風口DO。離心扇14是設置於第二端部113內，並固接於轉軸124，且離心扇14還對應於徑向出風口DO。

請繼續參閱第四圖至第六圖，第四圖係為第三圖之圈C放大示意圖；第五圖係為第一圖之B-B剖面示意圖；第六圖係為第五圖之圈D放大示意圖。

如第一圖至第六圖所示，複合式兩相流冷卻裝置2包含一第一兩相式循環散熱組件21以及一第二兩相式循環散熱組件22。第一兩相式循環散熱組件21包含一第一冷板夾套211以及一第一熱循環管路212。第一冷板夾套211是設置於馬達外殼11內，並套設於馬達組件12而熱連接於定子122，且第一冷板夾套211包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板2111（圖中僅標示一個）；其中，由於定子122是設置於定子框架121內，因此第一冷板2111是透過接觸定子框架121而間接地熱連結於定子122，藉此定子122運作時所產生的熱能可以透過定子框架121傳遞至第一冷板2111。

第一熱循環管路212是穿過第一冷板夾套211，並灌充有一第一工作流體；其中，第一工作流體可以是水、乙醇或乙二醇等具有高潛熱的冷媒。需特別說明的是，在本實施例中，複數個第一冷板2111例如是在兩端利用連接管連接而串聯所有的第一冷板2111，藉以使第一熱循環管路212穿過整個第一冷板夾套211，並引導至外部冷卻散熱後再回流至第一冷板夾套211，藉以使第一工作流體循環的與第一冷板夾套進行熱交換。然而，在其他實施例中，第一熱循環管路212亦可以並聯的方式連通所有的第一冷板2111。

第二兩相式循環散熱組件22包含一第二冷板夾套221以及一第二熱循環管路222。第二冷板夾套221係設置於馬達外殼11內，並熱隔絕地套設於第一冷板夾套211，且第二冷板夾套221包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板2211（圖中僅標示一個），而每個第二冷板2211還具有複數個散熱鰭片22111（圖中僅標示一個），散熱鰭片22111更與外殼本體111圍構出複數個散熱流道（圖未標示）。其中，第二冷板夾套221與第一冷板夾套211之間可熱隔絕地套設於第一冷板夾套211的方式可以是以間隔設置的方式來熱隔絕，或者在兩者間之填入隔熱材，甚至可以是抽真空的方式來進行熱隔絕。

第二熱循環管路222係穿過第二冷板夾套221，灌充有一第二工作流體；其中，第二工作流體可以是水、乙醇或乙二醇等具有高潛熱的冷媒。需特別說明的是，在本實施例中，複數個第二冷板2211例如是在兩端利用連接管連接而串聯所有的第二冷板2211，藉以使第二熱循環管路222穿過整個第二冷板夾套221，並引導至外部冷卻散熱後再回流至第二冷板夾套221，藉以使第一工作流體循環的與第一冷板夾套進行熱交換。然而，在其他實施例中，第二熱循環管路222亦可以並聯的方式連通所有的第二冷板2211。

請繼續參閱第七圖，第七圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達利用離心扇產生散熱氣流之剖面示意圖。如第一圖至第七圖所示，當離心扇14轉動時，由於離心扇14連通於轉子定子間隙S，因此會將轉子定子間隙S的氣體抽出，並朝徑向出風口DO排出而形成一散熱氣流F，而由於馬達外殼11為密閉空間，因此散熱氣流F會沿著第二端蓋本體1131之內壁移動而沿著第一方向D1通過散熱鰭片22111與外殼本體111所圍構出之複數個散熱流道（圖未標示），然後再順著第一端部112回流至轉子定子間隙S，藉以沿著與第一方向D1相反之一第二方向D2通過轉子定子間隙S，最後繼續受到離心扇14抽離而在馬達外殼11內循環地流動；其中，當散熱氣流F經過轉子定子間隙S時，會與轉子123及定子122進行熱交換而帶走部分熱量，然後當散熱氣流F經過散熱流道時，會與散熱鰭片22111進行熱交換而將熱量傳遞給散熱鰭片22111，進而使熱量被第二冷板夾套221內部的第二工作流體所吸收。

需特別說明的是，馬達組件12以複數個允許運作狀態運作時，定子122具有一第一溫度變化範圍，且散熱氣流F具有一第二溫度變化範圍，第一工作流體之一第一沸點溫度落於第一溫度變化範圍，而第二工作流體之一第二沸點溫度落於第二溫度變化範圍，藉此可以有效的利用第一工作流體與第二工作流體相變化時所需要的潛熱來吸收大量的熱量，有效的提升定子122與轉子123的散熱效率。在本實施例中，第一溫度變化範圍是介於75℃-90℃之間，而第二溫度變化範圍是介於50℃-65℃之間，但第一溫度變化範圍以75℃-85℃尤佳，而第二溫度變化範圍以55℃-65℃尤佳。

請繼續參閱第八圖，第八圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達中，利用工作流體進行循環冷卻之系統示意圖。如第一圖至第八圖所示，當第一工作流體自第一熱循環管路212流出，且第二工作流體自第二熱循環管路222流出後，由於第一熱循環管路212與第二熱循環管路222是匯流至一冷凝器200，因此第一工作流體與第二工作流體會受到冷凝器200之冷凝而形成液態的流體，然後再流向一儲液槽300進行儲存，之後再由一幫浦（泵，PUMP）400將儲液槽300內液態的第一工作流體與第二工作流體抽送回複合式兩相流冷卻馬達100，藉以使第一工作流體與第二工作流體循環地在第一熱循環管路212與第二熱循環管路222內流動而對定子122與轉子123進行散熱。其中，本實施例之冷凝器200例如可以是冷卻水塔，但不限於此。

承上所述，本實施例之第一熱循環管路212與第二熱循環管路222是指經過複合式兩相流冷卻馬達100、冷凝器200、儲液槽300與幫浦400的整個管路，且在本實施例中，由於第一工作流體與第二工作流體皆為水，因此第一熱循環管路212與第二熱循環管路222在複合式兩相流冷卻馬達100外可以匯流的通過冷凝器200、儲液槽300與幫浦400，但在其他實施例中，第一熱循環管路212與第二熱循環管路222在複合式兩相流冷卻馬達100外也可以是各自獨立的管路，而當第一熱循環管路212與第二熱循環管路222為各自獨立的管路時，第一工作流體與第二工作流體可以是不同的工作流體，例如第一工作流體為水，而第二工作流體為乙二醇。

此外，在本實施例中，雖然第一工作流體與第二工作流體皆為水，而水在常壓（1大氣壓）下的沸點溫度為100℃，但實務上可以透過減少第一熱循環管路212或第二熱循環管路222的內部蒸氣壓來使水的沸點降低，進而分別落於上述之第一溫度變化範圍與第二溫度變化範圍內，而實務上調整蒸氣壓的方式可以透過第一熱循環管路212所通過之冷凝器與幫浦進行控制，或者也可以在第一熱循環管路212與第二熱循環管路222進入複合式兩相流冷卻馬達100處設置法來控制內部蒸氣壓。

綜上所述，本發明之複合式兩相流冷卻馬達與複合式兩相流冷卻裝置主要是利用兩相變化的工作流體來對轉子與定子進行散熱，藉此可以有效的帶走定子與轉子的熱量至外部散熱，相較於先前技術的散熱方式，本發明確實可以有效提升馬達的散熱效率。此外，由於本發明是利用冷板搭配散熱鰭片與內循環的散熱氣流進行熱交換，因此還能有效的減少整個複合式兩相流冷卻馬達的體積，也能減少外部冷凝器的體積。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100:複合式兩相流冷卻馬達 1:馬達裝置 11:馬達外殼 111:外殼本體 112:第一端部 1121:第一端蓋本體 1122:端板 1123:軸承 113:第二端部 1131:第二端蓋本體 1132:軸承 12:馬達組件 121:定子框架 122:定子 123:轉子 124:轉軸 13:導風罩 14:離心扇 2:複合式兩相流冷卻裝置 21:第一兩相式循環散熱組件 211:第一冷板夾套 2111:第一冷板 212:第一熱循環管路 22:第二兩相式循環散熱組件 221:第二冷板夾套 2211:第二冷板 22111:散熱鰭片 222:第二熱循環管路 S:轉子定子間隙 DO:徑向出風口 D1:第一方向 D2:第二方向

第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達之立體示意圖； 第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達之立體分解示意圖； 第三圖係為第一圖之A-A剖面示意圖； 第四圖係為第三圖之圈C放大示意圖； 第五圖係為第一圖之B-B剖面示意圖； 第六圖係為第五圖之圈D放大示意圖； 第七圖係顯示本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達利用離心扇產生散熱氣流之剖面示意圖；以及 第八圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之複合式兩相流冷卻馬達中，利用工作流體進行循環冷卻之系統示意圖。

111:外殼本體

112:第一端部

1121:第一端蓋本體

1122:端板

1123:軸承

113:第二端部

1131:第二端蓋本體

1132:軸承

121:定子框架

122:定子

123:轉子

124:轉軸

13:導風罩

14:離心扇

21:第一兩相式循環散熱組件

211:第一冷板夾套

2111:第一冷板

212:第一熱循環管路

22:第二兩相式循環散熱組件

221:第二冷板夾套

2211:第二冷板

22111:散熱鰭片

222:第二熱循環管路

S:轉子定子間隙

DO:徑向出風口

Claims (9)

1. 一種複合式兩相流冷卻馬達，包含： 一馬達裝置，包含： 一馬達外殼； 一馬達組件，係設置於該馬達外殼內，並且包含： 一定子框架； 一定子，係設置於該定子框架內； 一轉子，係可轉動地設置於該定子內，並與該定子間隔出一轉子定子間隙；以及 一轉軸，係穿設固定於該轉子；以及 一離心扇，係設置於該馬達外殼內，並固接於該轉軸，藉以受該轉軸帶動而轉動；以及 一複合式兩相流冷卻裝置，包含： 一第一兩相式循環散熱組件，包含： 一第一冷板夾套，係設置於該馬達外殼內，並套設於該馬達組件而熱連接於該定子，且該第一冷板夾套包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板；以及 一第一熱循環管路，係穿過該第一冷板夾套，灌充有一第一工作流體；以及 一第二兩相式循環散熱組件，包含： 一第二冷板夾套，係設置於該馬達外殼內，並熱隔絕地套設於該第一冷板夾套，包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板，每一該些第二冷板具有複數個散熱鰭片，該些散熱鰭片係與該馬達外殼圍構出複數個散熱流道；以及 一第二熱循環管路，係穿過該第二冷板夾套，灌充有一第二工作流體； 其中，當該離心扇轉動時，係在該馬達外殼內產生一散熱氣流，使該散熱氣流係循環地通過該些散熱流道與該轉子定子間隙。
2. 如請求項1所述之複合式兩相流冷卻馬達，其中，該馬達裝置更包含一導風罩，該導風罩係連結於該定子框架，並在該馬達外殼內與該馬達外殼圍構出連通於該轉子定子間隙之一徑向出風口，且該離心扇係將該散熱氣流由該轉子定子間隙自該徑向出風口排推送至該些散熱流道。
3. 如請求項1所述之複合式兩相流冷卻馬達，其中，在該馬達組件以複數個允許運作狀態運作時，該定子具有一第一溫度變化範圍，且該散熱氣流具有一第二溫度變化範圍，該第一工作流體之一第一沸點溫度落於該第一溫度變化範圍，該第二工作流體之一第二沸點溫度落於該第二溫度變化範圍。
4. 如請求項3所述之複合式兩相流冷卻馬達，其中，該第一溫度變化範圍介於75℃-90℃之間。
5. 如請求項3所述之複合式兩相流冷卻馬達，其中，該第二溫度變化範圍介於50℃-65℃之間。
6. 一種複合式兩相流冷卻裝置，係應用於一馬達裝置，該馬達裝置具有一馬達外殼、一馬達組件與一離心扇，該複合式兩相流冷卻裝置包含： 一第一兩相式循環散熱組件，包含： 一第一冷板夾套，係設置於該馬達外殼內，並套設於該馬達組件而熱連接於該馬達組件之一定子，且該第一冷板夾套包含彼此相間鏈接之複數個第一冷板；以及 一第一熱循環管路，係穿過該第一冷板夾套，灌充有一第一工作流體；以及 一第二兩相式循環散熱組件，包含： 一第二冷板夾套，係設置於該馬達外殼內，並熱隔絕地套設於該第一冷板夾套，包含彼此相間鏈接之複數個第二冷板，每一該些第二冷板具有複數個散熱鰭片，該些散熱鰭片係與該馬達外殼圍構出複數個散熱流道；以及 一第二熱循環管路，係穿過該第二冷板夾套，灌充有一第二工作流體； 其中，當該離心扇轉動時，係在該馬達外殼內產生一散熱氣流，使該散熱氣流係循環地通過該些散熱流道與該馬達組件之一轉子定子間隙。
7. 如請求項6所述之複合式兩相流冷卻裝置，其中，在該馬達組件以複數個允許運作狀態運作時，該定子具有一第一溫度變化範圍，且該散熱氣流具有一第二溫度變化範圍，該第一工作流體之一第一沸點溫度落於該第一溫度變化範圍，該第二工作流體之一第二沸點溫度落於該第二溫度變化範圍。
8. 如請求項7所述之複合式兩相流冷卻裝置，其中，該第一溫度變化範圍介於75℃-90℃之間。
9. 如請求項7所述之複合式兩相流冷卻裝置，其中，該第二溫度變化範圍介於50℃-65℃之間。

Images