專利名稱：包含徑向偏移冷卻流的電機及冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一轉(zhuǎn)子的電機，所述轉(zhuǎn)子具有至少一個徑向冷卻槽和沿軸向分布的冷卻通道，所述冷卻通道與所述轉(zhuǎn)子的至少一個徑向冷卻槽連通。本發(fā)明此外還涉及一種對一包括轉(zhuǎn)子的電機進行冷卻的方法，其中，用一沿軸向進入所述轉(zhuǎn)子的冷卻流冷卻所述轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
原則上需要用均勻的冷空氣(或冷卻劑)為電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)。同時還應(yīng)確保磁體凹槽便于封裝，以便為磁體提供防腐保護以及防止磁體發(fā)生移動。在傳統(tǒng)技術(shù)中，有一種永磁激勵同步電機只具有一個鐵芯元件。這種結(jié)構(gòu)的缺點是無法為中部區(qū)域的定子提供足夠的冷卻空氣。而且單獨一個冷卻劑流也無法使轉(zhuǎn)子得到均勻冷卻。還有一種永磁激勵同步電機的磁體是固定(例如粘接)在多個單個的分疊片鐵芯上。這種結(jié)構(gòu)雖能獲得更均勻的冷卻效果，但是要想通過封裝磁體來為磁體提供防腐保護以及防止磁體發(fā)生移動，實施起來非常麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在確保便于安裝的情況下使電機轉(zhuǎn)子得到更均勻的散熱。本發(fā)明的另一目的是提供一種相應(yīng)適用于電機轉(zhuǎn)子的冷卻方法。本發(fā)明用以達成上述目的的解決方案為一種包括一轉(zhuǎn)子的電機，所述轉(zhuǎn)子具有至少一個徑向冷卻槽，其中，所述轉(zhuǎn)子具有沿軸向分布的冷卻通道，所述冷卻通道與所述轉(zhuǎn)子的至少一個徑向冷卻槽連通，其中，以所述轉(zhuǎn)子的軸線為參照，所述沿軸向分布的冷卻通道中的第一冷卻通道的中心軸所處的徑向高度不同于所述沿軸向分布的冷卻通道中的第二冷卻通道，所述至少一個徑向冷卻槽上設(shè)有一間隔件，一第一冷卻流可在所述間隔件的導(dǎo)引下從其中一個所述第一冷卻通道進入其中一個所述第二冷卻通道。本發(fā)明此外還提供一種對一包括一轉(zhuǎn)子的電機進行冷卻的方法，其中，用一第一冷卻流冷卻所述轉(zhuǎn)子，所述第一冷卻流沿軸向進入所述轉(zhuǎn)子，其中，所述第一冷卻流進入所述轉(zhuǎn)子時沿流動方向具有一中心線，所述中心線相對于所述轉(zhuǎn)子的軸線處于一第一徑向高度，所述第一冷卻流在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)向，使其中心線到達一不同于所述第一徑向高度的第二徑向高度。根據(jù)本發(fā)明，所述冷卻流在轉(zhuǎn)子內(nèi)優(yōu)選從一徑向高度到達另一徑向高度。從徑向剖面看，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)子內(nèi)的冷卻劑平面發(fā)生了變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子在不同的徑向高度上有不同程度的發(fā)熱時，這一點特別有利。這樣就可以在轉(zhuǎn)子內(nèi)部將吸熱不多的冷卻流選擇性地送到需要有效散熱的徑向位置上。所述間隔件優(yōu)選具有多個墊圈，每個所述墊圈都具有通孔，其中，所述墊圈上的通孔以能夠使所述第一冷卻流轉(zhuǎn)到徑向的方式進行布置。亦即，所述間隔件的墊圈除提供徑向冷卻槽這一功能外，還獲得了一項附加功能使冷卻流轉(zhuǎn)到徑向。
根據(jù)一種特殊的實施方式，所述轉(zhuǎn)子內(nèi)可以只設(shè)單獨一個徑向冷卻槽。其優(yōu)點是， 在兩個鐵芯元件的磁體凹槽內(nèi)安裝磁體較為方便。此外，當(dāng)鐵芯元件數(shù)量為兩個時，用絕緣灌封材料封裝磁體凹槽相對來說較為簡單。根據(jù)另一實施方式，可將一第二冷卻流送入其中一個所述沿軸向分布的冷卻通道，并通過所述間隔件使其沿徑向向外轉(zhuǎn)向。第二冷卻流轉(zhuǎn)向外部后，已經(jīng)到達第二冷卻流所在徑向位置的第一冷卻流就可承擔(dān)第二冷卻流在第二分疊片鐵芯(即所述轉(zhuǎn)子的另一軸向區(qū)域)內(nèi)的冷卻任務(wù)。所述第一冷卻通道在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的徑向高度優(yōu)選低于所述第二冷卻通道。在此情況下，所述第一冷卻流將先在機軸附近流動且只吸收很少熱量。經(jīng)過一段軸向距離后，第一冷卻流轉(zhuǎn)向進入第二冷卻通道并以“新鮮”狀態(tài)提供高質(zhì)量的冷卻效果。所述轉(zhuǎn)子可由永磁體激勵。永磁體只會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較少損耗，因此，將轉(zhuǎn)子分成兩個鐵芯元件并且在轉(zhuǎn)子中央只設(shè)置單獨一個冷卻空氣槽就夠了。借此可以簡化永磁激勵轉(zhuǎn)子的制造。如果轉(zhuǎn)子上裝有短路條，也可以設(shè)置兩個以上的鐵芯元件，此時，冷卻流在轉(zhuǎn)子中也可以分布在兩個以上的不同平面內(nèi)。進一步地，一(包含所述第一冷卻通道的)鐵芯元件和一包含所述第二冷卻通道的鐵芯元件可在圓周方向上相對偏移布置。這種方案有助于減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)，通過為所述間隔件設(shè)置多個墊圈就可以直接實現(xiàn)，因為這種偏移一般情況下程度極小。因此， 這種偏移布置同樣不會影響所述間隔件的徑向?qū)бδ堋?br>

下文將借助附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明，其中圖1為一氣冷式永磁體發(fā)電機的局部截面圖；圖2為圖1的局部放大圖，以便更準(zhǔn)確地示意冷卻流在轉(zhuǎn)子內(nèi)的層次變化；圖3為圖1所示轉(zhuǎn)子的透視圖；以及圖4為圖3所示轉(zhuǎn)子的徑向冷卻槽的局部俯視圖。
具體實施例方式下文中將要詳細(xì)介紹的實施例為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖1為包含冷卻器2的發(fā)電機1。冷卻器2具有風(fēng)扇3，以便吸入冷卻空氣并將其吹入換熱器4。該換熱器內(nèi)的空氣經(jīng)排氣管5流到外部。由此形成外冷卻循環(huán)。換熱器4通過外冷卻循環(huán)6對封閉式內(nèi)冷卻循環(huán)7進行冷卻。驅(qū)動內(nèi)冷卻循環(huán) 7的是安裝在發(fā)電機1的機軸9的B側(cè)的軸風(fēng)扇8。所述內(nèi)冷卻循環(huán)以風(fēng)扇8為起點穿過所述換熱器并在發(fā)電機A端(驅(qū)動端)進入繞組端部區(qū)域。該內(nèi)冷卻循環(huán)繞過繞組端部 (winding overhang) 10和繞組電路(winding circuit) 31后穿過轉(zhuǎn)子11和定子12，下文將對此予以詳述。最后，冷卻劑(特別是空氣)穿過發(fā)電機B側(cè)(非驅(qū)動端)的繞組端部區(qū)域，重新到達軸風(fēng)扇8。轉(zhuǎn)子11具有端面裝有壓縮環(huán)(pressure ring) 14和15的疊片鐵芯13。轉(zhuǎn)子11 在軸向上被徑向冷卻槽16分為兩部分。在本實施例中，這個冷卻槽16由帶墊圈四的間隔件構(gòu)成。
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轉(zhuǎn)子11此外還具有多個沿軸向分布的冷卻通道，這些冷卻通道的軸向中心位于兩個同軸圓柱體上。下文中將冷卻通道的中心軸與機軸9的軸線之間的徑向距離稱作該冷卻通道的“徑向高度”。在本實施例中，轉(zhuǎn)子11具有(第三)冷卻通道17和在徑向上位于該冷卻通道下方(即徑向高度較小)的第一軸向冷卻通道18。將轉(zhuǎn)子中分的徑向冷卻槽 16的右側(cè)設(shè)有徑向高度與第一冷卻通道17相同的第二冷卻通道19。其徑向下方則是徑向高度與第二冷卻通道18相同的第四冷卻通道20。在疊片鐵芯13上的專設(shè)凹槽內(nèi)安裝有多個沿周邊分布的永磁體21。這些永磁體從兩個端面插入轉(zhuǎn)子，并在兩個端面上都得到封裝處理。轉(zhuǎn)子11僅有一個中央徑向冷卻槽16，因此，磁體的插入和封裝相應(yīng)比較容易。定子12的繞組支架是疊片鐵芯22，大量沿徑向分布的冷卻槽23貫穿該疊片鐵芯。 所述疊片鐵芯的外護套上設(shè)有多個形成于疊片鐵芯22上的沿軸向分布的散熱片24。散熱片M放射狀突出于定子12之外且這些散熱片可以焊接在疊片鐵芯上。作為替代方案，疊片鐵芯22中的每個單個疊片均具有徑向突出的突起部，疊裝單個疊片時便可形成散熱片24。在此情況下，定子冷卻流25僅在軸向上沿定子護套分布。這個冷卻流基本上直接由換熱器4以幾乎不吸熱的方式提供，可以對定子的軸向散熱片對進行有效冷卻。這個第一冷卻流25還能用來對B側(cè)端的繞組端部進行冷卻。如圖1中的實施例所示，本發(fā)明設(shè)有第一冷卻流28，該冷卻流在A側(cè)經(jīng)壓力板14 進入第一冷卻通道18。轉(zhuǎn)子11的徑向冷卻槽16上設(shè)有間隔件。本實施例中的間隔件是三個墊圈四。這些墊圈四采用不同設(shè)計且在彼此錯開的位置上具有空隙30。因此，如圖1 所示徑向冷卻槽16中的第一冷卻流觀向上進入位于冷卻槽16右側(cè)且徑向高度大于第一冷卻通道18的第二冷卻通道19。最后，第一冷卻流28經(jīng)B側(cè)壓力板15離開第二冷卻通道19。為此，壓力板15上設(shè)有多個開口，這些開口的尺寸使得第一冷卻流28的阻力不至過低，而且第二冷卻流沈也具有足夠大的體積流量。穿過壓力板15上的開口后，第一冷卻流觀與第二及第三冷卻流沈、25在發(fā)電機1位于軸風(fēng)扇8前方的端面區(qū)域匯合。由此可見，第一冷卻流觀在轉(zhuǎn)子的第一部分(附圖中的左半部分)穿過的是溫度相對較低的區(qū)域 (接近機軸的區(qū)域)。在此過程中，所述第一冷卻流幾乎不吸收熱量。隨后，所述第一冷卻流在轉(zhuǎn)子的右半部分向上流動并對轉(zhuǎn)子的右半部分實施有效冷卻。如前所述，轉(zhuǎn)子的左半部分主要由第二冷卻流沈冷卻。穿過轉(zhuǎn)子的第二冷卻流沈則是由已在A側(cè)的繞組端部區(qū)域?qū)@組端部10和繞組電路31進行過冷卻的冷卻劑或冷卻空氣提供。這個第二冷卻流沈經(jīng)々側(cè)壓力墊圈14進入轉(zhuǎn)子11的第三冷卻通道17。第二冷卻劑流沈在位于轉(zhuǎn)子中央的徑向冷卻槽16處沿徑向向外轉(zhuǎn)向。所述第二冷卻劑流沿軸向分布在轉(zhuǎn)子11和定子12之間的整個氣隙27中。由于壓力墊圈14和15的直徑略大于包含永磁體21的轉(zhuǎn)子疊片鐵芯的直徑，因此，該冷卻劑流從所述氣隙沿徑向向外穿過定子的冷卻槽23。第二冷卻流或氣流沈在定子外表面與第三冷卻流25匯合。第二冷卻流沈通過這種方式對轉(zhuǎn)子如圖1所示的左半部分以及在定子的整個軸向長度上對定子內(nèi)部進行冷卻。因此，第二冷卻流沈大體呈Z形分布。亦即，先軸向，再徑向，最后再軸向。由此，盡管轉(zhuǎn)子僅具有一個徑向冷卻槽16而不是多個這樣的徑向槽，所述第二冷卻流也能與線性的定子冷卻流配合作用，對定子12進行有效散熱。圖2為轉(zhuǎn)子11中如圖1所示的冷卻槽16區(qū)域的放大圖。所述轉(zhuǎn)子在軸向上被冷卻槽16分為兩個分疊片鐵芯Tl和T2。徑向冷卻槽16由在兩分疊片鐵芯Tl和T2之間起間隔件作用的墊圈四構(gòu)成。如圖2中的放大圖所示，墊圈四具有可供冷卻流穿過的空隙或開口 30。在本實施例中，第一冷卻流觀從其中一個第一冷卻通道18經(jīng)開口 30穿過冷卻槽16或墊圈四后進入其中一個第二冷卻通道19。因此，各墊圈的開口 30的中心是在徑向上沿冷卻流方向逐漸升高。亦即，第一冷卻通道18與第二冷卻通道19流體連通。墊圈四具有其他空隙32，穿過第三冷卻通道17進入轉(zhuǎn)子的第二冷卻流沈可以透過這些其他空隙沿徑向向外流動。視情況可利用面向第二冷卻通道19的右側(cè)墊圈四將第二冷卻通道19和第三冷卻通道17予以密封隔離，從而防止到達冷卻槽16時就已大幅受熱的第二冷卻流26進入第二冷卻通道19。而第一分疊片鐵芯Tl中的第一冷卻流28發(fā)生徑向?qū)哟巫兓缶涂蓪τ来朋w21區(qū)域(即轉(zhuǎn)子外側(cè)區(qū)域)內(nèi)的第二分疊片鐵芯T2進行冷卻。當(dāng)然，每個冷卻流的流向也可以反過來。圖3進一步示出本發(fā)明轉(zhuǎn)子的透視圖。如上文聯(lián)系圖1所述，機軸9上除了轉(zhuǎn)子 11的分疊片鐵芯Tl和T2外，其B側(cè)還設(shè)有軸風(fēng)扇8。分疊片鐵芯Tl和T2被徑向冷卻槽 16隔開。第二冷卻流沈經(jīng)該冷卻槽流到轉(zhuǎn)子外部。從圖3中還可看出，分疊片鐵芯Tl和 T2在周向上相對偏移布置。圖4對這一偏移V作了放大示意處理。利用周向偏移V可以減小轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)。但墊圈四上的空隙32還是能確保所述徑向冷卻槽發(fā)揮其應(yīng)有的作用。綜上所述，本發(fā)明可以借助永磁激勵轉(zhuǎn)子的兩個或兩個以上分疊片鐵芯取得可靠的通風(fēng)效果。另外，通過采用不同的冷卻平面或?qū)哟危€可在轉(zhuǎn)子的整個長度范圍內(nèi)為轉(zhuǎn)子提供近乎完全新鮮的冷卻空氣。其他方面也能產(chǎn)生諸多優(yōu)點。首先，用于安裝永磁體的凹槽具有很好的可及性，這就方便了永磁體的封裝。而封裝可以增強磁體的固定效果，提供高質(zhì)量的防腐保護。其次，用于分隔轉(zhuǎn)子的分疊片鐵芯的轉(zhuǎn)子壓力墊圈四具有通風(fēng)器的功能， 可以用來對定子進行通風(fēng)。需要時還可采用上述結(jié)構(gòu)，即通過分疊片鐵芯之間的相對偏移來減小止動轉(zhuǎn)矩。如果兩個分疊片鐵芯使用相同的疊片，還能進一步產(chǎn)生其他優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種電機，包括一轉(zhuǎn)子(11)，所述轉(zhuǎn)子具有至少一個徑向冷卻槽(16)，其中，所述轉(zhuǎn)子(11)具有沿軸向分布的冷卻通道，所述冷卻通道與所述轉(zhuǎn)子的至少一個徑向冷卻槽(16)連通，其特征在于，以所述轉(zhuǎn)子(11)的軸線為參照，所述沿軸向分布的冷卻通道中的第一冷卻通道(18) 的中心軸所處的徑向高度不同于所述沿軸向分布的冷卻通道中的第二冷卻通道(19)，以及所述至少一個徑向冷卻槽(16)上設(shè)有一間隔件，一第一冷卻流08)可在所述間隔件的導(dǎo)引下從其中一個所述第一冷卻通道(18)進入其中一個所述第二冷卻通道(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其中，所述間隔件具有多個墊圈( )，所述墊圈每一個都具有通孔(30)，其中，所述墊圈09)上的通孔(30)以能夠使所述第一冷卻流08)轉(zhuǎn)到徑向的方式進行布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機，其中，所述轉(zhuǎn)子(11)設(shè)有單獨一個徑向冷卻槽 (16)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其中，一第二冷卻流06)可進入其中一個所述沿軸向分布的冷卻通道并通過所述間隔件沿徑向向外轉(zhuǎn)向。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其中，所述第一冷卻通道(18)在所述轉(zhuǎn)子(11)內(nèi)所處的徑向高度低于所述第二冷卻通道(19)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其中，所述轉(zhuǎn)子(11)受永磁體 (21)的激勵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項權(quán)利要求所述的電機，其中，所述轉(zhuǎn)子(11)具有短路條。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其中，一包含所述第一冷卻通道 (18)的分疊片鐵芯(Tl)和一包含所述第二冷卻通道(19)的分疊片鐵芯(T2)在圓周方向上相對偏移布置。
9.一種對一包括一轉(zhuǎn)子(11)的電機進行冷卻的方法，用一沿軸向進入所述轉(zhuǎn)子(11) 的第一冷卻流08)冷卻所述轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述第一冷卻流08)具有一中心線，當(dāng)所述第一冷卻流08)沿流動方向進入所述轉(zhuǎn)子時，所述中心線相對于所述轉(zhuǎn)子的軸線處于一第一徑向高度，以及所述第一冷卻流08)在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)向，使其中心線到達一不同于所述第一徑向高度的第二徑向高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第一冷卻流08)在所述轉(zhuǎn)子(11)內(nèi)僅在單獨一個徑向冷卻槽(16)上轉(zhuǎn)到徑向。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，一第二冷卻流06)沿軸向進入所述轉(zhuǎn)子 (11)并在所述轉(zhuǎn)子中央沿徑向向外流動。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第一冷卻流08) 的第一徑向高度低于其第二徑向高度。
全文摘要
本發(fā)明的目的是簡化電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)并對其實施有效冷卻。為此，本發(fā)明提供一種包括一轉(zhuǎn)子的電機，所述轉(zhuǎn)子具有至少一個徑向冷卻槽(16)和多個沿軸向分布的冷卻通道。以所述轉(zhuǎn)子(11)的軸線為參照，第一冷卻通道(18)的中心軸所處的徑向高度不同于第二冷卻通道(19)。所述至少一個徑向冷卻槽(16)上設(shè)有一間隔件，一第一冷卻流(28)可在所述間隔件的導(dǎo)引下從其中一個所述第一冷卻通道(18)進入其中一個所述第二冷卻通道(19)。在此情況下，當(dāng)冷空氣在溫度較低的區(qū)域(例如機軸附近)穿過第一分疊片鐵芯(T1)時，這部分冷空氣也可用來對流動方向上的第二分疊片鐵芯(T2)進行冷卻。
文檔編號H02K9/18GK102265484SQ200980152270
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者卡爾·森寧格, 奧利弗·梅明杰, 諾貝特·舍恩鮑爾, 貢特爾·埃倫德爾 申請人:西門子公司