专利名称：用于轴承的感应马达通风热屏蔽物的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机械的转轴轴承热屏蔽物，其中电动机械包括电感应马达。本发 明的一个具体示例性应用涉及全封闭风扇冷却(TEFC)马达的轴承热屏蔽物。
背景技术：
当在已施加负荷下将电磁能转化为旋转马达轴所需要的动能时，感应马达产生热 量。全封闭风扇冷却(TEFC)马达具有密封的壳体。热量从内部转子和定子传递到马达壳 体上的外围冷却翅片。马达驱动轴从马达的一个轴向端突出。轴的另一端容纳被壳体/罩 体结构包围的冷却风扇，该壳体/罩体结构沿着马达周缘轴向地引导气体，以增加从马达 到大气的对流热传递。当从动风扇辅助从马达内的转子和定子组件热传递时，与从动风扇 相对的驱动侧轴承是热积聚的潜在区域。驱动侧轴承没有直接通向从动风扇冷却气体的通 路。
在过去，向驱动轴承提供冷却气体的一个方案是为马达在驱动侧构造另一个风 扇。这种构造增加了马达的多余长度和复杂性。
另一方案是在马达壳体内部及沿其周缘外围增加密封的冷却管和导流板，以引导 冷却气体从风扇直接流入马达壳体。这种方案试图降低驱动侧轴承附近的马达壳体温度。 但是，驱动侧轴承仍然暴露于马达产生的热量。事实上这种方案试图在轴承壳体附近引入 冷却气体，以增强对流热量从轴承传递出去。气流速率会随马达转速而改变。当马达在高 负荷和高转速下减速时，随之而来的是正好在马达非常需要增加气流来减少马达壳体内的 热容量时，马达风扇产生的对流气流速率降低。这增加了在驱动侧轴承壳体中不能接受的 热积聚的风险。
其他感应马达的设计，如立轴马达具有构造的润滑井以提供环绕轴承和壳体的油 池。某些立式马达具有合并的辅助油/气热交换器以辅助油冷却。其他的密封闭式马达在 轴承壳体上结合了换相含氯氟烃液体制冷剂喷射物。但这些冷却方案在典型的工业应用中 实际上不适用于水平轴感应全封闭风扇冷却马达。
至于通风壳体马达，过去曾尝试在驱动侧马达轴承和较热的转子/定子组件之间 的内部马达空腔中插入金属片气体导流板，以使空腔内的冷却气流能从马达壳体区域带走 热量。这种屏蔽还能提供额外的相对于从转子/定子到轴承的对流热传递的热阻力。但是， 在马达持续运行时，这种屏蔽最终吸收马达热量，并继而向轴承壳体辐射热量。单层的部分 屏蔽物/导流板在屏蔽物达到运行温度之前，实际上仅向轴承提供了暂时的热屏蔽。
因此，本领域需要一种马达轴承冷却方案来减少全封闭风扇冷却马达和其他类型 的电动机械从马达转子和定子到驱动侧轴承的热传递。发明内容
相应的，本发明的一个目的是实现电动机械转轴轴承的更冷却的运行，所述轴承 包括全封闭风扇冷却感应马达驱动轴承。
本发明的另一个目的是以最小化再设计和制造的方式实现现有设计的全封闭风 扇冷却感应马达及其他马达驱动轴承中的电动机械转轴轴承的更冷却的运行。
本发明的另一个目的是改进当前已安装的全封闭风扇冷却感应马达和其他马达， 以实现轴承的更冷却运行。
参照本发明，以上和其它目的由双壁感应马达轴承屏蔽物实现，其在屏蔽物内外 壁之间限定出气体通道腔室。内外壁可具有不同的热传导率，即外壁壳比内壳具有较高或 较低的传导率，这取决于所选择的应用场合。相应壳壁的传导率可通过使用不同的物理材 料(例如，铜相对钢)或应用于壳的涂层(例如，传导率增加相对绝缘涂层)和/或绝缘层 来实现。气体通道腔室内不流动的气体空间减少了从外壳至内壳的热传递。
任选的，内外壳之间的气体通道腔室可构造为，在热隔离轴承壳体时使得循环气 流能够从马达壳体吸走热量。在本发明的这个实施例中，热屏蔽物具有与气流源相通的入 口，该气流源例如是全封闭风扇冷却马达轴向冷却风扇引导的气体。这样的循环气流腔室 还限定出口以提供腔室内的气流循环。在该实施例中，腔室内的气流从马达壳体向外传递 热量，降低马达壳体内的运行温度。在腔室内相对较热的转子/定子和轴承壳体之间插入 相对较冷的气体区，这也增加了额外的热传递热屏障阻隔，以维持轴承壳体区域内相对较 冷的绝缘温度。在内外壳之间的气流腔室中可以构造任选的气流引导叶片。
本发明易用于现有的感应马达内部几何结构，包括现有的全封闭风扇冷却感应马 达的设计，而且可以在现场或者工厂里改装到现有运行的马达。
本发明的另一方面从辅助气体源引导外部气流进入热屏蔽物。外部气体源可包括 可变速马达驱动的风扇和/或热交换器，以向马达热屏蔽物提供比环境温度冷的气体。辅 助气体源的流率、温度和湿度可由马达驱动控制器控制，以使冷却率与随施加的负荷和转 速而变的马达热传递需求相匹配，或响应于控制器检测到的马达运行情况的变化。
考虑到随后结合相应附图的详细描述，本发明的教导可易于理解，其中
图1示出了本发明的包括热屏蔽气体导流管的全封闭风扇冷却(TEFC)感应马达 的透视图2是图1中全封闭风扇冷却感应马达的驱动侧的端部前视图3是图1中的马达沿3-3线截取的轴向截面图4是图3中的不含马达部件的热屏蔽物的轴向截面图，以示出热屏蔽部件的相 对定位和功能；
图5是图1中从马达和气体导流管移除的热屏蔽物的透视图，以剖面图示出了形 成在其中的任意气体流通/循环引导叶片；
图6是图1中气体导流管的透视图；以及
图7是图1中的热屏蔽物连接至由马达驱动控制装置控制的辅助冷却风扇和热交 换器的示意图。
为了便于理解，在可能的地方应用相同的附图标记指代附图中共有的相同元件。
具体实施方式
在考虑到随后的说明之后，本领域技术人员将清楚地认识到本发明中的教导能够 容易地应用于本发明的电动机械中。
图1-3示出了一个示例的含有本发明的热屏蔽物的全封闭风扇冷却感应马达10。 马达10具有壳体12，壳体12具有周缘轴向冷却翅片14的阵列。具有大体环形外形的定子 15容纳在壳体10内。旋转驱动轴16和转子17同心地安装在定子15的环形孔内。关注马 达的驱动端，图1和3的右侧，驱动轴16由轴承支架18和位于相对的马达风扇端侧的类似 支架支撑。驱动轴16在轴承19A上旋转，轴承19A继而保持在轴承壳体19中。驱动端轴 承壳体与轴承支架18相连接。风扇罩20引导由驱动轴风扇21产生的冷却气流径向向外 地流向壳体12的周缘外围，并且轴向大致平行于冷却翅片14流动，如示意标记箭头“A”所 示。参考图1中的气流箭头A可以理解，继而风扇21的气流直接吹向风扇侧轴承壳体19’。
考虑到马达10的结构后，由于被定子15和转子17的结构轴向地阻挡，风扇21吹 向驱动侧轴承壳体19是不可能的。至此描述的马达10的结构特点都是传统的、已知的设 计。它们自身及其内的这些已知的特点不向驱动侧轴承壳体19提供冷却气体循环，该壳体 否则以别的方式与产生热量的定子15和转子17 —起定位在马达壳体的相对较热的、密封 的边界内。本发明未提出时，驱动侧轴承壳体19遭受由定子15和转子17产生的所有径向 和对流热流。已知马达结构中的轴承壳体19也遭受从驱动轴16传来的直接传导热，但是 这种传递较之定子15和转子17产生的对流和径向热传递来说相对较小。
现在参考图2-6，本发明的热屏蔽物40将驱动侧轴承壳体19和轴承19A与马达壳 体12内的作为热产生源的定子15和转子17热隔离。当热屏蔽物40连接至流通气体源时， 其任选的和优选的提供围绕轴承壳体的循环气体热分流，例如如下所述的气体导流管30。 参照图4，热屏蔽物40连接至驱动侧轴承支架18，如下将要描述的，且与由轴承支架限定的 出口孔22流体连通。轴承支架18限定的入口孔M与热屏蔽物40和穿过入口孔的气体导 流管30相互流体连通。
如图6所示，气体导流管30具有安装法兰32以用于由螺栓34连接至轴承支架 18。管道入口 36在一部分马达壳体12翅片14上拦截轴向气流A，并通过与轴承支架入口 孔M连通的管道出口 37使拦截的气流转向，如图1所示。管道衬垫38，位于管道安装法兰 32和轴承支架18之间，阻止了这两个配合部件在结合点处的气流损失。
参照图2，4和5，本发明的轴承热屏蔽物40具有安装法兰42，该安装法兰邻接轴 承支架18的内表面。热屏蔽物40具有外壳44，其内嵌套有内壳46，在这些附示的示 例实施例中具有截头圆锥体外形以求制造方便。可以理解，当本领域技术人员实施本发明 时也可以选择其他外形。
环形法兰48连接嵌套的外壳44和内壳46并在其中的环形孔内接收驱动轴。环形 法兰的内孔构造为具有比驱动轴16的直径大近似0. 125-0. 250英寸(3mm-6mm)的直径，以 允许热膨胀、振动和气流波动的间距。热屏蔽物40的外壳44和内壳46将轴承壳体19和 轴承19A完全包覆并将其与定子15和转子16产生的热进行热隔离。通过环形法兰48和 驱动轴44之间的环形间隙的气流和对流热传递较之定子15和转子17产生的总热量来说 相对较小，向驱动侧轴承壳体传递的热被热屏蔽物40有效减弱。
热屏蔽物40的内壁46和外壁44可具有不同的热传导性，如果这些壳之间存在不流动、不循环的气体空间，那么外壁壳44的传导率低于内壳46。内外壳46、44之间的不流 动的气体空间减少了从外壳至内壳的热传递。反之，如果在各个壳之间存在流通气体，则外 壳44的传导率可高于内壳46，如下面优选的实施例中作为替代方案所述的那样。各个壳壁 44，46的传导率可通过使用不同的物理材料(例如，铜相对钢)或应用于壳的涂层(例如， 传导率增加相对绝缘涂层)和/或绝缘层来实现。
优选的，本发明的热屏蔽物40在外壳44和内壳46之间提供环境压力或较高压力 驱使的气流。如图4所示，气体通道M是封闭的截头圆锥体环形腔室，该腔室由内壳46和 外壳44、安装法兰42及环形法兰48的间隔相对的内表面所限定。热屏蔽安装法兰42限 定屏蔽物入口 50，其通过轴承支架入口孔M与气体导流管出口 37流体相通。安装法兰42 还限定屏蔽出口 52，其与轴承支架出口孔22流体相通。
气体通道54通过从导流管30经由屏蔽物入口 50接收流通气体以及经由屏蔽物出 口 52排出气体来促进气流流通。气体通道54内的气体流通从暴露于相对较热的定子15和 转子16的外壳44传递热量。通道54内的循环气体作为定子15和转子17的散热器发挥功 能，从而在轴承壳体19和马达内部的其他部分之间插入功能性热屏障。任选的流动叶片55 可构造在气体通道54内，以引导通道内的气流。在热屏蔽物结构的设计选择中，也可以不采 用环形法兰48，认识到这样能实现从较热的定子15和转子17到轴承壳体的额外的对流热传 递，并允许气体通道54内的气体流通通过内壳46和外壳44之间的间隙而分流入马达壳体。
法兰衬垫56插入在热屏蔽物安装法兰42和轴承支架18之间，有效阻止了马达壳 体中由较热的定子15和转子17产生的、从围绕热屏蔽物40分流至轴承壳体19的对流热 流。屏蔽物螺栓58将热屏蔽法兰42连接至轴承支架18。如下所述，当热屏蔽物40连接至 马达10时，轴承壳体19轴向和径向地完全由马达壳体12的其余部件环绕，除了轴16和存 在于轴16外径和环绕轴的环形环法兰48内径之间的相对较小的径向气隙。
本领域技术人员将从上面的说明和相应的附图知道，本发明的热屏蔽物40在马 达10运行过程中将驱动轴承壳体19和轴承19A包覆并且将其与定子15和转子17产生的 直接对流和辐射热量进行热隔离。通常分析从热量产生源定子15和转子17到驱动侧轴承 壳体19的热传递，转子/定子是能够向轴承壳体对流地、径向地直接传递热量的主热源，因 为它们都容纳在马达壳体12内。本发明的热屏蔽物40由于其双壳结构44、46而给那些转 子17和定子15的热传递方式提供了重要的热屏障。气体通道M内的循环气体带走外壳 44吸收的热量。轴16因其直接连接转子结构而成为来自定子15和转子17的次级热传递 路径，但本领域技术人员能够知道该次级热传递路径比起如前所述的直接主加热路径而言 相对较小。从轴16到驱动侧轴承壳体19的转轴热传递路径在于由连接到轴承19的转轴 热量引起的直接传导加热，和从轴到壳体的对流热传递。应当注意到，轴16的轴颈表面与 相配合的轴承19之间插入的流体动力油膜对直接导热传递提供了相对较高的热阻力。形 成上述油膜的循环油也带走热量。类似地，那些部件之间的气隙减弱了从轴16到轴承壳体 的对流热传递。
在图1-6所示的实施例中，全封闭风扇冷却马达10热屏蔽物40的流通气体源是 轴向风扇21，其被风扇罩20和气体导流管30偏转导流入屏蔽物入口 50。如图7所示，将 其他流通气体源供给到屏蔽物入口 50中是可能的。外部气体源导管70连接气体导流管 30’，气体导流管30’继而连接屏蔽物入口 50。屏蔽物40结构如前所述的那样来构造和操作。外部导管70气流源由箭头A示出。外部导管70可连接至单速或变速风扇75和热交 换器76，热交换器继而连接至冷却单元80。风扇75和热交换器76能够改变气流源A的温 度、湿度含量和流率。已知的连接至马达10的马达驱动控制器85尤其控制马达运行速度 和发电量。马达控制器85继而经由通信路径86控制风扇，经由通信路径87控制冷却单元 80，以使马达控制器能响应于控制器确定或检测的马达运行情况的变化来选择性地改变循 环气体A的流率、温度和湿度以及其他已知参数。例如，控制器85能在其使马达10改变运 行参数(如，改变速度或负荷)时向风扇75和冷却单元80发出预设的操作命令。控制器 85也能响应控制器检测到的马达运行情况变化(如，马达轴承油或马达壳体12温度超过阈 值)而向风扇75和冷却单元80发出响应运行命令。
虽然本发明不同的实施例已被示出和描述，本领域技术人员应领会到，在不背离 如所附权利要求所述的本发明的精神和范围下可作出变化和改变。
权利要求
1.在具有壳体的电动机械中，该壳体在其中包括能够在安装于机械壳体中的至少一个 轴承壳体内旋转的轴，轴承热屏蔽物包括嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内壳在其之间限定气体通道空腔，所述外壳 和内壳将轴承壳体完全包围且热隔离轴承壳体与机械壳体的其余部分之间的热连通。
2.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接 至机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连接至内壳和外壳。
3.如权利要求1的轴承热屏蔽物，其中内壳和外壳具有不同的热传导性。
4.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括相应的屏蔽物入口和出口，其均与气体通道 相通，屏蔽物入口用于接收流入气体通道的循环气流，屏蔽物出口用于从气体通道排出气 流。
5.如权利要求4的轴承热屏蔽物，还包括气体导流管，与屏蔽物入口流体相通，用于将 气流引导至气体通道。
6.如权利要求5的轴承热屏蔽物，还包括可变速的风扇，与气体导流管流体相通，用于 选择性地改变进入气体通道的气体流率。
7.如权利要求5的轴承热屏蔽物，还包括热交换器，与气体导流管热连通，用于选择性 地改变进入气体通道的气流温度。
8.如权利要求4的轴承热屏蔽物，还包括限定在气体通道内的气流引导叶片。
9.如权利要求1的轴承热屏蔽物，还包括其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连 接至内壳和外壳；由热屏蔽法兰限定的相应的屏蔽物入口和出口，其均与气体通道相通，屏蔽物入口用 于接收流入气体通道的循环气流，屏蔽物出口用于从气体通道排出气流；及气体导流管，与屏蔽物入口流体相通，用于将气流引导至气体通道。
10.一种感应马达，包括壳体，其中包括大体上环形的定子；在定子内定位的转子；与转子连接的旋转轴；使得轴能够在其中旋转的至少一个轴承壳体；及轴承热屏蔽物，其具有嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内壳在其之间限定气 体通道空腔，所述外壳和内壳将轴承壳体完全包围且热隔离轴承壳体与马达壳体的其余部 分之间的热连通。
11.如权利要求10的感应马达，其中轴承热屏蔽物还包括其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至机械壳体的热屏蔽法兰，两个法兰均连 接至内壳和外壳。
12.如权利要求11的感应马达，其中轴承热屏蔽物还包括相应的屏蔽物入口和出口，其均与气体通道相通，屏蔽物入口用于接收流入气体通道 的循环气流，屏蔽物出口用于从气体通道排出气流。
13.如权利要求12的感应马达，还包括气体导流管，与屏蔽物入口流体相通，用于将气流引导至气体通道。
14.如权利要求13的感应马达，还包括可变速的风扇，与气体导流管流体相通，用于 选择性地改变进入气体通道的气体流率。
15.如权利要求13的感应马达，还包括热交换器，与气体导流管热连通，用于选择性 地改变进入气体通道的气流温度。
16.如权利要求13的感应马达，其中马达是全封闭风扇冷却感应马达，其具有与轴连 接的风扇，与气体导流管流体相通，用于产生进入热屏蔽物气体通道中的气流。
17.如权利要求10的感应马达，其中马达是全封闭风扇冷却感应马达，其具有与轴连接的风扇，用于向马达壳体产生气流， 并且具有驱动侧轴承支架，其限定轴承支架入口孔和出口孔；轴承热屏蔽物还包括其内部容纳所述轴的环形法兰，和用于连接至驱动侧轴承支架的热屏蔽法兰，两个法 兰均连接至内壳和外壳；由热屏蔽法兰限定的相应的屏蔽物入口和出口，其均与气体通道相通，屏蔽物入口与 轴承支架入口孔流体相通，用于接收流入气体通道的循环气流，屏蔽物出口与轴承支架出 口孔相通，用于从气体通道排出气流；及气体导流管，与屏蔽物入口和风扇流体相通，用于将风扇产生的气流引导至气体通道。
18.在具有壳体的感应马达中，该壳体在其中包括大体上环形的定子；在定子内定位 的转子；与转子连接的旋转轴；使得轴能够在其中旋转的至少一个轴承壳体；轴承热屏蔽 物，具有嵌套的、间隔开的外壳和内壳，所述外壳和内壳在其之间限定气体通道空腔，所述 外壳和内壳将轴承壳体完全包围且热隔离轴承壳体与马达壳体之间的热连通；相应的屏蔽 物入口和出口，其均与气体通道相通，屏蔽物入口用于接收流入气体通道的循环气流，屏蔽 物出口用于从气体通道排出气流，一种调节来自马达的热传递的方法，包括连接热屏蔽物入口和气体导流管，使两者之间流体连通；及将气流引入气体导流管和气体通道以从马达壳体传递热量；及根据马达运行状况来改变气体导流管中的气体流率、温度或湿度参数中的至少一个。
19.如权利要求18的方法，其中改变气流参数的步骤由控制马达运行参数的马达驱动 控制器执行。
20.如权利要求19的方法，其中当马达驱动控制器使马达改变运行参数或响应于控制 器检测到马达运行情况的改变时，马达驱动控制器执行改变气流参数的步骤。
全文摘要
本发明涉及用于轴承的感应马达通风热屏蔽物。一种电动机械，例如全封闭风扇冷却(TEFC)感应马达，具有双壁轴承壳体热屏蔽物，该屏蔽物将轴承壳体包裹且将其与马达壳体内部的其他部分热隔离。屏蔽物在其内外壁之间限定出气体通道。任选的，该气体通道可构造为使得循环气流通过与气流源相通的屏蔽物进口，例如从全封闭风扇冷却马达轴向冷却风扇引导的气体。该气体通道还限定了出口。气体通道内的气流将热量传递至马达壳体外部，降低轴承壳体运行温度。气体流率可响应于马达运行参数而变化。
文档编号H02K9/04GK102035286SQ20101054033
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月23日 优先权日2009年9月24日
发明者T·坎普 申请人:西门子工业公司