专利名称：电机的冷却罩壳的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于冷却电机/电气机械的系统，并具体涉及一种用于冷却具有高散热要求的电动机和/或发电机的冷却罩壳。
背景技术：
本发明与名称为“电动机冷却罩壳组件以及制造方法”并转让给Emerson Electric Co.的美国专利No.6300693属于同一技术领域，该专利结合在本说明书中作为参考。该’693专利公开了一种具有轴向通道的冷却罩壳，冷却剂流过所述通道来冷却电机(电动机或发电机)例如一高速工作并由燃料动力涡轮驱动以产生电能的无刷永磁电动机的定子。尽管该专利中所述的冷却罩壳总体上是令人满意的，但是从成本和传热效率上考虑该设计中所使用的流道构造不是最优的。
发明内容
本发明的几个目的是提供一种改进的用于电机(例如电动机和/或发电机)的冷却罩壳；提供一种包括一种可较经济地生产并易于装配的零件的组件的罩壳；提供一种适于有效地冷却具有高散热要求的电机的罩壳；提供一种具有冷却剂流道的罩壳，所述流道设计成使得在使传热效率最大化的同时使所用材料的数量最小化。
通常，本发明的冷却罩壳用于冷却一电机的定子。该罩壳包括一具有同轴的内表面和外表面的罩壳体部，所述内表面和外表面限定了一用于接纳该定子的总体上为圆柱形的腔，从而该定子与该内表面传热地接触。所述体部具有用于从其中通过的冷却剂流的轴向流道，每个流道具有一由三条或更多基本上为直线的侧边完整地限定的径向横截面。一第一端盖与该冷却罩壳体部的一端相连接，并限定一环绕该体部并与所述流道流体连通的环形管道，一第二端盖与该冷却罩壳体部的相对端相连接，并限定一环绕该体部并与所述流道流体连通的环形管道。在一个或另一个端盖上设置有一入口以便使冷却剂流入相应管道，在一个或另一个端盖上设置有一出口以便使冷却剂流出相应管道。管道内的阻挡件沿一从该入口通过所述流道到该出口的路径引导流体。
在本发明的另一方面中，体部内的轴向流道具有由四条基本上为直线的侧边限定的矩形的径向横截面。所述基本上为直线的侧边在四个拐角处相连接，每个拐角具有小的曲率半径从而与具有方角的相同流道相比所述流道的周长减小不超过25％。该管道内的阻挡件沿一单个的从该入口通过所述流道到该出口的蛇形路径引导冷却剂。
在本发明的另一方面中，该流路径包括多个平行的流区段，所述流区段在管道之间沿该冷却罩壳体部的轴向延伸。所述流路径的每个流区段包括一组流道，且每个区段具有一用于使冷却剂进入相应的一组流道的入口端和一用于使冷却剂从该流道中流出的出口端。管道内的倾斜部跨越该平行流动区段的入口和出口端延伸以在该管道内在每个区段的流道中获得基本上一致的静压。
在本发明的另一方面，阻挡件引导进入该入口的所有流体仅沿一个蛇形路径流过所述流道，该蛇形路径在入口处开始并在出口处结束，并基本上环绕该罩壳体部的整个周向延伸。
下文中，部分说明并部分指出了本发明的其它目的和特征。
图1是本发明的一冷却罩壳组件的垂直剖视图；图2是该冷却罩壳的罩壳体部的俯视图；图2A是该罩壳体部的一组流道的放大俯视图；图3是沿图2的线3-3的剖视图；
图4是该罩壳体部的另一实施例的俯视图；图5是该组件的一第一端盖的俯视图；图6是该第一端盖的仰视图；图7是沿图5的线7-7的剖视图；图8是沿图6的线8-8的剖视图；图9是该组件的一第二端盖的仰视图；图10是该第二端盖的俯视图；图11是沿图10的线11-11的剖视图；图12是示出冷却剂通过该冷却罩壳的流路径的示意图。
在附图的几个视图中，相应的部分由相应的标号和字符表示。
具体实施例方式
现在参照附图尤其是图1，本发明的一冷却罩壳整体用参考标号11表示。该罩壳包括一限定了一用于接纳一电机的定子17的腔15的罩壳体部13，和总体上分别由21和23表示并与体部的相对端相连接的第一和第二端盖。(这里所用的术语“电机”是指作为一电动机或发电机工作的机械。)作为示例，该冷却罩壳11可用于冷却一电动车辆的电动机，其中传热效率和重量是重要因素。一常规的总体上用25表示的转子和轴组件可在定子17内旋转。
参照图1到3，罩壳体部13由一导热材料制成并具有同轴的内表面27和外表面29，以及位于体部的相对端处的环形端面31和33。内表面27限定定子腔15并与定子17的层压金属体部传热地接触以便从体部吸取热量。体部13形成有划分成多个组的环绕体部周向的轴向冷却流道35，每组都具有多个流道35，例如四个，但该数目是可变的。如下面更详细地说明的那样，这些组限定一用于使冷却剂(例如油或水)流通过罩壳11以实现必要的冷却的蛇形流路径的平行区段。在所示实施例中，罩壳体部13是由一导热材料例如挤出铝或铸铝制成的整体式的体部，但是可设想，体部可包括保持在一组件中的分离的内壳和外壳，如上述美国专利6300693中那样。
根据本发明的一个方面，每个流道35具有一由三条或更多基本上为直线的侧边47完整地限定的径向横截面形状(如图2、2A和4中所示)，所述侧边优选地不超过四条并且不小于三条。例如，每个流道35可具有如图2和2A中所示的矩形形状或如图4中所示的三角形形状。这里所用的“基本上为直线的侧边”是指在拐角49处连接的总体上直的侧边，每一个所述拐角49的曲率半径与绕该流道的周长的总长相比较小，并尤其优选地小于相交形成该拐角的两条侧边47的长度(见图2)。优选地，在一拐角49处的曲率半径使得与具有精确方角的相同流道相比流道35的周长减小不超过25％。优选地周长减小不超过20％，尤其优选地不超过10％，并且更优选地不超过约5％。另外，优选地该曲率半径小于大约0.125英寸，优选地小于大约0.06英寸，尤其优选地小于大约0.03英寸。使用基本上为直线的侧边47增加了暴露给冷却剂的面积以提高传热效率，并减小了制造该罩壳体部13所需的材料数量以降低重量和成本。本技术领域内的技术人员应理解，根据冷却需求，可以改变各流道35的精确的形状(例如矩形、三角形)、流道的数量以及各流道的径向横截面面积。
每一组的流道35优选地较紧密地间隔设置，在相邻流道之间形成沿罩壳体部13的轴向从一端面31延伸到另一端面33的冷却翅片37，每个冷却翅片的两个相对侧由两个相邻流道的两个相邻侧边47形成(图2、2A和4)。如果如图2和2A中所示流道35的形状是矩形，则这些翅片37的径向横截面总体上也为矩形。根据以下因素，即所使用的材料、流速、冷却剂选择、翅片长度(在相对于体部13的径向上)、热消散等，每一组的相邻流道35之间的间隔即由两个相邻流道限定的翅片37的厚度会发生变化。当然，如果流道35的形状不是矩形(包括正方形)，则翅片37的形状也不是矩形。
该第一端盖21(图1中示出为上部端盖)优选地是一铸造金属零件，例如由铝制成，并具有一具有一其中限定了一与罩壳体部13同心的中部开口65的圆形内缘63的环形端壁61，和一从该端壁向下延伸的环形侧壁67(图1和5-8)。一内部环形肋或凸缘69总体上与该侧壁67同心地从端壁61向下延伸，并径向向内地与该侧壁间隔开以形成一环绕该端盖21的环形的向下开口的凹槽71。类似地，第二端盖23形成有一具有一与相对端盖21中的中部开关65同轴的中部开口83的环形端壁81，一从该端壁向上延伸的环形侧壁85，以及一内部环形肋或凸缘87，所述肋或凸缘87总体上与侧壁85同心并径向向内地与该侧壁间隔开以形成一环绕端盖23的环形的向上开口的凹槽89(图1和9-11)。
如图1所示，端盖21、23和罩壳体部13装配到一起，从而该体部的上部端面31与侧壁67和内部环形凸缘69的朝下的表面密封地接触，以封闭凹槽71的开口侧并由此形成一环绕上端盖21周向的环形上管道73。同样，体部13的下端面33与下端盖23的内部环形凸缘87和侧壁85朝上的表面密封地接触，以封闭凹槽89的开口侧从而形成一环绕该下端盖周向的环形下管道91。体部13和两个端盖21、23(组成的)的组件使该罩壳体部内的流道35与端盖中的两个管道73和91流体连通。优选地，罩壳体部13的外径与端盖21、23的侧壁67、85的外径大致相同，从而这些部件之间的配合是平齐的。通过适当的螺纹紧固件51将端盖21、23固定在罩壳体部13上，紧固件51通过端盖21、23的间隙孔53、55延伸到体部中的螺纹孔57内。可使用其它用于将所述部件紧固到一起的方法(例如焊接)。
第一端盖21具有一入口101，该入口用于连接到一在适当的热交换回路(未示出)内循环的液体冷却剂(例如水和乙二醇的混合物)的源以使该液体冷却剂流入该上部环形管道73；以及一使冷却剂从导管内流出的出口105(图5和6)。在示出的实施例中，入口101和出口105较靠近在一起地设置，因为冷却剂只沿一条在入口处开始并在出口处结束的蛇形路径流动，并基本上环绕罩壳体部13的整个周向(例如优选地至少环绕整个周向的75-100％)延伸。然而，如上所述的这种设置是可变的。
第一和第二端盖形成有多个跨越相应的管道73和91延伸以便防止液体从那里流过的阻挡件，分别用103和107表示。(尽管示出这些阻挡件与端盖21、23是一体的，但它们可以是与端盖分离的，或者是体部13的一部分。)如将要描述的那样，设置阻挡件103、107以实现上述通过冷却罩壳11的蛇形流。为了实现这种流，端盖21和23相互之间的走向应确定成使由第二(例如下面的)端盖23形成的环形管道91内的阻挡件107相对于由第一(例如上面的)端盖21形成的环形管道73内的阻挡件103沿周向偏置。此偏置的量应等于阻挡件103、107的间隔的一半，或一组流道35的宽度。这样的设置使得进入入口101的冷却剂流进第一端盖21的管道73，并被一相邻的阻挡件103引导沿一蛇形流路径环绕罩壳11的体部13流到出口105，冷却剂从该出口流出该罩壳。图12是一示出从入口101到出口105通过罩壳11的冷却剂流的路径的示意图。为了便于说明，将该蛇形流路径的不同轴向区段标记为1A-10A。引导进入入口101的冷却剂沿包括区段1A-10A的蛇形路径顺次流动，直到流出出口105。本领域内的技术人员应理解，根据所需的传热率和其它因素，入口压力和通过冷却罩壳11的流速是可变的。
为了在每一组流道35的范围内保持更均匀的静压，并由此促使冷却液在每一组的所有流道中分配得更均匀，端盖可具有在管道73、91中定位在对应于该蛇形冷却剂流路径的区段1A-10A的入口和出口端的位置处的倾斜部109(图12中示意性示出)。优选地，为每对相邻的流区段设置两个倾斜部109，第一倾斜部(图12中的109a)用于引导从一个区段的出口端总体上朝向相邻流区段的入口端的流，第二倾斜部(109b)用于引导流从第一倾斜部进入相邻流区段的入口端。倾斜部109a、109b优选地沿相对的方向倾斜，由各自环形管道73、91的由管道的一非倾斜的面121连接的倾斜面形成。每一倾斜部109在相应的管道73、91内基本上跨越相应的流区段1A-10A整个宽度(管道的这一部分称为“顶部区域”)延伸。倾斜部109有助于在整个相应的顶部区域内实现较均匀的流体静压，从而使得在每个区段的流道35中的流分布得较均匀。(没有所述倾斜部，则流体速度和静压倾向于在整个顶部区域内变化，从而通过一些流道的流较多而通过其它流道的流较少)该倾斜部应具有适当的形状并处于一适当的角度以在整个顶部区域内将流体流速保持在一基本上恒定的值。倾斜部优选地一体地形成为端盖21、23的一部分，但是它们也可形成为分离的部分。
示例性而不是限制性地，本发明的一冷却罩壳可具有以下近似的尺寸罩壳体部13的内径为8.85英寸；罩壳体部13的轴长为8.50英寸；蛇形路径的每一区段的流道35的数量为四；蛇形路径的每一区段的周向尺寸为24°；各倾斜部109的周向尺寸为15°；图12中W1处的管道73、91的有效宽度为1.0英寸；倾斜部109的倾斜角A为25°。
转子和轴组件25具有常规结构，并包括一转子39，该转子在定子17内安装在一可在端盖21、23的轴承43中旋转的轴41上，该轴延伸通过该端盖内的同心的中心开口65、83(图1)。一总体上用45表示的传感器组件通过适当的紧固件连接在所述端盖中的一个(如图中所示为上端盖21)上以便检测轴41和轴上的转子39的角位置。
在使用中，冷却剂流过罩壳11的入口101，并在通过出口105流出该罩壳之前被引导沿上述蛇形路径流动。当冷却剂沿所述路径流动时，它接触体部13并通过对流使热量离开体部，从而冷却该体部以及由罩壳11环绕的定子17。由于冷却流道35具有基本上为直线的侧边的上述形状，所以对流尤其有效。由于冷却剂基本上不受限制地流过流道35，所以流道内的压降较小。冷却剂的速率优选地应足以形成湍流和实现较大的热传递效率。倾斜部109还确保通过任何给定区段的所有流道35的流量基本上均匀地分配以增加热效率。应注意，尽管在电机工作中冷却罩壳11的体部13的温度可达到较高的温度，该温度不应该高到使罩壳的体部膨胀到使定子17和体部之间的配合变松的程度。
上述的冷却罩壳设计可修改成具有不同数量、形状和设置的流道35以形成通过该罩壳的蛇形流。例如，每个流路径可具有数量多于或少于图12中所示的区段的数量的平行区段。另外，可改变入口和出口位置以改变蛇形流路径的数量。例如，可以有一个、两个或更多的蛇形流路径。还可设想，冷却剂流的路径可以不是蛇形的。用于一给定应用场合的特定流路径的设置和构造取决于尺寸、热传递要求或其它可能的因素。
还应注意，本发明的冷却罩壳可用于冷却高速工作并产生大量热的电机，但该冷却罩壳不局限于这种机械。
从上述内容中可见，已实现本发明的几个目标并获得了其它有利的结果。
因为在不背离本发明的范围的情况下可对上述构造进行各种改动，所以应注意，上面说明书中或附图中包含的所有内容是用于说明目的而不是限制性的。
权利要求
1.一种用于冷却一电机的定子的冷却罩壳，所述罩壳包括一具有同轴的内表面和外表面的罩壳体部，所述内表面限定一用于接纳所述定子的总体上为圆柱形的腔，以使所述定子与所述内表面传热地接触，在所述体部内的用于使冷却剂流过的轴向流道，每个流道具有一由三条或多条基本上为直线的侧边完整地限定的径向横截面形状，一第一端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一第二端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一相对端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流入一相应的管道的入口，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流出一相应的管道的出口，位于所述管道中的并用于沿一从所述入口通过流道到所述出口的路径引导流体的阻挡件。
2.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每个流道具有一矩形的径向横截面形状。
3.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每个流道具有一三角形的径向横截面形状。
4.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，所述罩壳体部是一整体式的挤出金属件。
5.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，所述阻挡件设计成用于沿一单一的从所述入口到所述出口的蛇形路径引导所述冷却剂。
6.一种根据权利要求5的冷却罩壳，其特征在于，所述单一路径包括多个沿该冷却罩壳体部的轴向延伸并由所述管道连接的平行的区段，该路径的每一区段包括一组所述流道。
7.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，还包括位于所述冷却流道之间的轴向传热翅片，每一个这种翅片具有一对间隔开的相对侧，所述相对侧沿所述体部的轴向延伸并由两个相邻流道的一对相邻的基本上为直线的侧边限定。
8.一种根据权利要求7的冷却罩壳，其特征在于，每一个所述传热翅片具有一对应于所述两个相邻流道之间的间距的厚度。
9.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，所述路径包括多个在所述管道之间沿所述冷却罩壳体部的轴向延伸的平行的流区段，该路径的每一流区段包括一组所述流道，且每个区段具有一使冷却剂进入一组相应的流道内的入口端，一使冷却剂从所述组的流道中流出的出口端，和位于所述管道内的倾斜部，该倾斜部跨越所述平行的流区段的入口端和出口端延伸，以便在所述管道内在每一流区段的流道上保持一基本均匀的静压。
10.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每一流道的基本为直线的侧边在倒圆的拐角处相交，每一拐角具有一小的曲率半径以使所述流道的周长与具有方角的相同流道相比减小不超过25％。
11.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每一流道的基本为直线的侧边在倒圆的拐角处相交，每一拐角具有一小的曲率半径以使所述流道的周长与具有方角的相同流道相比减小不超过20％。
12.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每一流道的基本为直线的侧边在倒圆的拐角处相交，每一拐角具有一小的曲率半径以使所述流道的周长与具有方角的相同流道相比减小不超过10％。
13.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，每一流道的基本为直线的侧边在倒圆的拐角处相交，每一拐角具有一小的曲率半径以使所述流道的周长与具有方角的相同流道相比减小不超过5％。
14.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径小于大约0.06英寸。
15.一种根据权利要求1的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径小于大约0.03英寸。
16.一种用于冷却一电机的定子的冷却罩壳，所述罩壳包括一具有同轴的内表面和外表面的罩壳体部，所述内表面限定一用于接纳所述定子的总体上为圆柱形的腔，以使所述定子与所述内表面传热地接触，在所述体部内的用于使冷却剂流过的轴向流道，每个流道具有一由四条基本上为直线的侧边限定的矩形的径向横截面形状，所述四条基本上为直线的侧边在四个拐角处连接，每一拐角具有一小的曲率半径以使所述流道的周长与具有方角的相同流道的周长相比减小不超过25％，一第一端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一第二端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一相对端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流入一相应的管道的入口，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流出一相应的管道的出口，位于所述管道内的并用于沿一单一的从所述入口通过所述流道到所述出口的蛇形路径引导所述冷却剂的阻挡件。
17.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述路径包括多个在所述管道之间沿所述冷却罩壳体部的轴向延伸的平行的流区段，该路径的每一流区段包括一组所述流道，且每个区段具有一使冷却剂进入一组相应的流道内的入口端，一使冷却剂从所述组的流道中流出的出口端，和位于所述管道内的倾斜部，该倾斜部跨越所述平行的流区段的入口端和出口端延伸，以便在所述管道内在每一流区段的流道上保持一基本均匀的静压。
18.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径设置成，使得与具有方角的相同流道相比所述流道的周长减小不超过20％
19.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径设置成，使得与具有方角的相同流道相比所述流道的周长减小不超过10％。
20.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径设置成，使得与具有方角的相同流道相比所述流道的周长减小不超过5％。
21.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径小于大约0.06英寸。
22.一种根据权利要求16的冷却罩壳，其特征在于，所述曲率半径小于大约0.03英寸。
23.一种用于冷却一电机的定子的冷却罩壳，所述罩壳包括一具有同轴的内表面和外表面的罩壳体部，所述内表面限定一用于接纳所述定子的总体上为圆柱形的腔，以使所述定子与所述内表面传热地接触，在所述体部内的用于使冷却剂流过的轴向流道，一第一端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一第二端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一相对端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流入一相应的管道的入口，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流出一相应的管道的出口，位于所述管道中的并用于沿一从所述入口通过所述流道到达所述出口的路径引导流体的阻挡件，所述路径包括多个在所述管道之间沿所述冷却罩壳体部的轴向延伸的平行的流区段，该路径的每一流区段包括一组所述流道，且每个区段具有一使冷却剂进入一组相应的流道内的入口端，一使冷却剂从所述组的流道中流出的出口端，和位于所述管道内的倾斜部，该倾斜部跨越所述平行的流区段的入口端和出口端延伸，以便在所述管道内在每一流区段的流道上保持一基本均匀的静压。
24.一种根据权利要求23的冷却罩壳，其特征在于，所述倾斜部包括一用于从一流区段的出口端总体上向一相邻流区段的入口端引导流的第一倾斜部，和一用于引导流从该第一倾斜部进入所述相邻流区段的入口端的第二倾斜部。
25.一种根据权利要求24的冷却罩壳，其特征在于，所述第一倾斜部和第二倾斜部沿基本上相对的方向倾斜。
26.一种根据权利要求25的冷却罩壳，其特征在于，所述第一和第二倾斜部由一相应的环形管道的倾斜面形成。
27.一种用于冷却一电机的定子的冷却罩壳，所述罩壳包括一具有同轴的内表面和外表面的罩壳体部，所述内表面限定一用于接纳所述定子的总体上为圆柱形的腔，以使所述定子与所述内表面传热地接触，在所述体部内的用于使冷却剂流过的轴向流道，一第一端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一第二端盖，该端盖与冷却罩壳体部的一相对端相连接，并限定一环绕该体部且与所述流道流体连通的环形管道，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流入一相应的管道的入口，一位于所述端盖中的一个上的用于使冷却剂流出一相应的管道的出口，位于所述管道中的并用于沿唯一一个蛇形路径引导流体的阻挡件，所述蛇形路径在所述入口处开始并在所述出口处结束，并基本上环绕该罩壳体部的整个周向延伸，所述路径包括多个在所述管道之间沿所述冷却罩壳体部的轴向延伸的平行的流区段，该路径的每一流区段包括一组所述流道，且每个区段具有一使冷却剂进入一组相应的流道内的入口端，一使冷却剂从所述组的流道中流出的出口端。
全文摘要
一种用于冷却一电机的定子的冷却罩壳。该罩壳包括一具有一圆柱形的内表面的冷却罩壳体部，所述内表面限定了一用于接纳一电动机的定子的腔；在体部内的用于冷却剂流的轴向流道，和与体部的相对端相连接的端盖。冷却剂流过在一个端盖中的入口并被引导沿至少一个蛇形路径通过该流道到达一出口。每一流道具有一由三条或更多条基本上为直线的侧边完整地限定的横截面形状。
文档编号H02K9/19GK1656662SQ03812105
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月28日 优先权日2002年5月28日
发明者P·K·博斯特威克 申请人:美国艾默生电气公司