旋转设备、马达以及冷却马达的方法
【专利说明】旋转设备、马达以及冷却马达的方法
[0001]本发明涉及旋转设备、马达以及冷却马达的方法。本发明还涉及发电机以及冷却发电机的方法。
[0002]电动马达被广泛用作生成牵引力的装置。然而，已知的是，牵引马达引起的一个问题是，会在牵引马达内生成大量的热。马达的冷却是重要的，以便避免对马达内的热敏感部件的损害。期望提供成本较低或性能密集较大的马达。然而，如下文将解释的，满足此期望的马达会在正常操作中经历马达内转子的更显著加热。
[0003]一种马达(诸如三相同步马达)通常将包括一个定子和一个转子。定子被布置成，在使用中接收电功率以生成变化的磁场。转子被同轴地布置在定子以内且通常由定子围住，该转子包括若干永磁体，所述永磁体在该变化的磁场的影响下引起转子旋转。因此，通过提供电功率，可以得到旋转输出。实质上，可以以相反顺序使用相同的设备生成电力。换言之，如果通过旋转驱动输入驱动转子，则在定子线圈中将生成电压。
[0004]随着对减小的马达质量和物理尺寸的需求增加，这必然导致马达中的定子在使用中变得更热。例如，这是由于减小的铜含量导致定子绕组中的较高的电阻性损失，这因此导致绕组它们自身更热。在马达中的定子运行得更热的情形下，这一般减小转子的自然冷却能力，因为定子运行得比转子更热，则不存在从转子到定子的热损失的可能。这尤其适用于密封围住的马达，在此情况下转子不能够容易地被空气冷却。这对高性能液体冷却的马达而目是典型的。
[0005]此外，对较低制造成本的需求偏爱能够导致磁体和转子的磁涡流电流加热增加的马达构架。具体地，S卩，马达内的永磁体的结构越简单，生成的涡流电流和作为结果的加热越大。减小转子的涡流电流加热的常规方法包括层压转子和磁体。这确保在磁体和转子以内不会具有空间来生成大涡流电流。然而，如果定子以更高的温度运行，则此种解决加热问题的方式具有减小的益处，因为即使减小了由于涡流电流生成的热的量，然而由于从转子到定子的较差的或可忽略的热损失，此相对小的生成的热的量会成为一个问题。
[0006]此外，如果由于定子的高温使得转子经由气隙向定子损失热是无效的，则转子可用的用于热损失的剩余热路径是经由轴和轴承。这通常是一个较差的热路径，该热路径不会提供显著的传热，因此尽管通过层压转子产生较少的热，但是由于可用的非常差的热损失机制使得转子仍然会容易地过热。
[0007]为了以最低的成本实现最大功率密度马达，有必要使定子运行得尽可能热(高温度的定子材料相对便宜)且使转子尽可能冷却以保持磁体成本最小。
[0008]如何有效地冷却马达的问题已经存在了一段时间且已经提出了多种解决方案。
[0009]在US-A-7，579，725 (Zhou等人)中，描述了一种转子组件冷却系统，在该转子组件冷却系统中，转子轴的一部分是中空的且包括一个打开端和一个封闭端。一个冷却剂馈送管刚性地附接到该转子轴。因此，引起该轴和该馈送管以相同的速率旋转。冷却剂被泵送穿过该馈送管直到它离开该馈送管的端部且抵靠该转子轴的封闭端的内表面流动，转子轴的封闭端引起冷却剂改变方向且向回流动穿过冷却剂流动区域。因此，引起流体流进在馈送管的外表面和中空转子轴的内表面之间的空间内。以连续支撑支柱(strut)的形式提供一个连续螺旋形构件，该支撑支柱螺旋形地包裹在该馈送管周围且将它耦合到该轴。由于该构件的螺旋形形状，冷却剂被主动地泵送到使该馈送管与该轴分开的区域中，因此确保连续的冷却剂流动到该转子组件。US-A-7，489，057是Zhou的一个相关专利。
[0010]在US-A-3，260，872 (Potter)中，提供了一种油冷却发电机。在这里，经由一个开口提供冷却剂油的流动。冷却剂油然后流动穿过螺旋形路径之后进入该发电机转子的轴向轴。该流体朝向转子的端部传递，在该端部从转子壳体的内表面反射且向回传递穿过进一步的螺旋形路径。最终，冷却剂传递出该设备。因此，提供了一种油冷却发电机，其中螺旋形路径用于控制冷却油的流动且其中流体馈送管与转子一起旋转。
[0011]流体冷却马达或发电机的其他实施例包括如US-A-4，647，805、US-A-5，589，720、W0-A-90/09053、DE-A-19913199、US-A-4, 692，644、US-A-8, 022，582、US-A-2001/0308071、US-A-3, 521，094、US-A-3, 060，335、US-A-3, 240，967、US-A-4, 350，908、US-A-5, 424，593、GB-A-16979、GB-A-2483122 以及 DE-A-3622231 中所描述的那些。
[0012]根据本发明的第一方面，提供了一种旋转设备，包括:一个定子，用于接收或输出电功率；一个转子，被同轴地布置在该定子内且具有一个或多个布置在其上的磁体，该转子包括一个具有一内壁的转子壳体，所述磁体被布置在该壳体周围，且其中该转子还包括导管，该导管具有一个用于冷却剂在该转子的第一端和该转子的第二远端之间流动的轴向分量(axial component);该转子还包括一个或多个径向流体导管，所述径向流体导管被流体地耦合到轴向流体导管且被布置成在使用中从轴向流体导管接收冷却剂或向该轴向流体导管提供冷却剂，该内壁具有一个或多个用于冷却剂流动的流体路径，从而冷却该转子；以及一个流体叶轮，所述流体叶轮被布置在转子的第一端或远端处且被布置成与该转子一起旋转，且向进入该旋转设备的流体给予旋转移动或从离开该旋转设备的流体去除旋转移动。
[0013]提供了一种旋转设备。该旋转设备可以起马达或发电机的作用。作为马达，向定子提供电功率，该定子生成变化的磁场且通过与转子上的磁体的相互作用引起转子旋转。在作为发电机使用时，驱动转子，围绕该转子借助该转子所暴露到的变化的磁场在定子中生成功率。设置了一个叶轮，该叶轮被布置成与转子一起旋转且向进入该旋转设备的流体给予和/或维持旋转移动或将旋转移动从离开该旋转设备的流体去除。这意味着，在流动穿过该旋转设备的冷却流体中避免了压力损失。设置了一个轴向流体导管，该轴向流体导管使得流体能够在大体轴向方向上(即，从转子的一端向另一端和/或再次返回)流动。该轴向流体导管优选地被中心地布置成使得流体可以在中心纵向轴向位置中流动穿过该轴向流体导管。在另一个实施例中，轴向流体导管(一个或多个)被布置在距转子的中心纵向轴线某一径向距离处。
[0014]根据本发明的第二方面，提供了一种旋转设备，包括:一个定子，用于接收或输出电功率；一个转子，被同轴地布置在该定子内且具有一个或多个布置在其上的磁体，该转子包括一个具有一内壁的转子壳体，所述磁体被布置在该壳体周围，且其中该转子还包括一个用于冷却剂在该转子的第一端和该转子的第二远端之间流动的轴向流体导管；该转子还包括一个或多个径向流体导管，所述径向流体导管被流体地耦合到该轴向流体导管且被布置成在使用中从该轴向流体导管接收冷却剂或向该轴向流体导管提供冷却剂，该内壁具有一个或多个用于冷却剂流动的曲折路径，从而冷却该转子；以及一个流体叶轮，该流体叶轮被布置在转子的第一端或远端处且被布置成与该转子一起旋转且向进入该旋转设备的流体给予旋转移动或将旋转移动从离开该旋转设备的流体去除。
[0015]提供了一种旋转设备，该旋转设备可以起马达或发电机的作用。作为马达，向定子提供电功率，该定子生成变化的磁场且通过与转子上的磁体的相互作用引起转子旋转。在作为发电机使用时，驱动转子，围绕该转子借助该转子所暴露到的变化的磁场在定子中生成功率。设置了一个叶轮，该叶轮被布置成与转子一起旋转且向进入该旋转设备的流体给予和/或维持旋转移动或将旋转移动从离开该旋转设备的流体去除。这意味着，在流动穿过该旋转设备的冷却流体中避免了压力损失。在该内壁上设置了一个或多个用于冷却剂流动的曲折路径。这些提供了一种装置，通过该装置可以使流体覆盖显著比例的内壁的表面，从而确保流体与转子大部分的良好热接触。
[0016]在一个实施例中，叶轮被布置成朝向转子轴线导引流体以从马达去除或朝向一个或多个曲折路径径向向外地导引流体。这在一个实施例中是特别有用的:在该实施例中，流体(在一个流动方向上)从一个最初中心轴向位置、沿着转子的长度流动，径向向外地流动以沿着所述曲折路径流动且然后被带回到一个轴向位置中。在此实施例中，叶轮提供了一个用于流体的连续导管同时不允许流体相对于该叶轮旋转地流动，以使得当流体被带回到一个轴向位置时，已经使旋转移动从该流体去除。在流体在相反方向上流动的情况下，该叶轮提供了一种装置，通过该装置流体可以旋转地加速而不引入相对于转子的任何旋转速度。
[0017]在一个实施例中，叶轮是具有引导冷却剂的导引肋(guide rib)的单一模制部件。
[0018]在一个实施例中，叶轮肋是弯曲的。
[0019]在一个实施例中，叶轮肋是弯曲的，具有变化的曲率。
[0020]在一个实施例中，叶轮肋是直的。
[0021]在一个实施例中，叶轮是由钻孔(诸如，圆柱形钻孔)形成的。
[0022]在一个实施例中，冷却剂在转子的相同的轴向端进入和离开转子。
[0023]在一个实施例中，冷却剂轴向地进入和离开转子。
[0024]在一个实施例中，冷却剂轴向地进入转子且径向地离开转子。
[0025]在一个实施例中，冷却剂径向地进入转子且轴向地离开转子。
[0026]在一个实施例中，定子具有一个限定在其内用于冷却剂流动的迷宫式路径(labyrinthine path)。
[0027]在一个实施例中，磁体是交错的或随着沿转子的轴向位移而旋转偏移变化的。
[0028]根据本发明的第三方面，提供了一种用于生成旋转功率的马达，该马达包括:一个定子，用于接收电功率；一个转子，被同轴地布置在该定子以内且具有一个或多个布置在其上的磁体，以便响应于接收电功率的该定子，来引起该转子旋转，该转子包括一个具有一内壁的转子壳体，所述磁体被布置在该壳体周围，且其中该转子还包括一个用于冷却剂在该转子的第一端和该转子的第二远端之间轴向流动的中心流体导管；该转子还在该转子的第二远端处包括一个或多个径向流体导管，所述导管被流体地耦合到该中心流体导管且被布置成在使用中从该中心流体导管接收冷却剂或向该中心流体导管提供冷却剂，该内壁具有多个用于冷却剂流动的曲折路径，从而冷却该转子。
[0029]在一个实施例中，转子具有一个圆柱形主体，其中一个或多个曲折路径布置在该圆柱形主体上。换言之，内壁是圆柱形的。当向定子施加功率(例如，向定子施加电压)时，引起转子旋转。所述曲折路径在该圆柱形主体的表面上导引冷却剂，因此确保由冷却剂良好地覆盖该圆柱形主体。此外，设置了径向流体导管以将冷却剂从转子内的一个轴向位置导引到该圆柱形主体的外部表面上的路径(或在相反方向上，这取决于流体流动方向)。以此方式使用径向导管确保流体被方便地递送到用于向前传播的路径(或从所述路径接收流体)。径向导管和曲折路径的结合提供了一种有效且有效率的方式以使得能够实现转子的冷却。此外，使用用于流体的导管确保流体可以被递送到所述曲折路径或从所述曲折路径接收该流体而转子部分与流体之间的相对速度不突然改变，因此最小化对冷却剂的流动的阻力。
[0030]使用径向导管的另一个优点是，允许以(如果有的话)相对低的压力损失将流体从中心轴线转移到靠近热源的圆筒的外部且再次转移回来(或反之亦然)。
[0031]此外，设置在圆柱形主体的表面上的曲折路径确保流体以相对高的速率流动(即，比在没有所述路径的情况下流体流动的速率更高)。流体使用相对高的速率流动意味着，存在向流体内的良好的传热。使用曲折的路径而不是直的、窄的路径作为生成高速率的装置在抗堵塞和所要求的制造容差方面是有利的，尽管如下文所讨论的也可以使用直的路径。
[0032]此外，流体在圆柱形表面之上的流动确保冷却剂靠近热源(磁体)且因此有效地管理来自该源的传热。
[0033]在一个实施例中，曲折路径是由内表面上的导引肋或内表面中的凹槽限定的。
[0034]在一个实施例中，肋和凹槽是螺旋形的。
[0035]在一个实施例中，螺旋形的肋或凹槽的角度在某一范围以内。
[0036]在一个实施例中，内壁是圆柱形的，使得转子壳体是中空的。
[0037]在一个实施例中，马达包括一个流体入口和一个流体出口，其中该流体出口在比该流体入口更大的半径处。
[0038]在一个实施例中，肋或凹槽的数目与径向流体导管的数目相同。
[0039]在一个实施例中，肋或凹槽的数目是4。
[0040]在一个实施例中，一个或多个径向导管被形成为在一个固定地安装到内壁的端盖中的钻孔或洞。
[0041]在一个实施例中，中心流体导管和一个或多个径向流体导管被形成为一个单一部件。
[0042]在一个实施例中，一个或多个径向流体导管是弯曲的。
[0043]在一个实施例中，中心流体导管用作一个转子轴且具有第一端和第二端，该第一端被安装在转子的第一端处的一个轴承中且该第二端被安装该转子的第二远端处的一个轴承中。
[0044]在一个实施例中，中空的圆筒在所述马达内的一个传热区域下面包括一个密封的充气腔。
[0045]在一个实施例中，所述马达包括一个流体叶轮，该流体叶轮被布置在转子的第一端处以从螺旋形肋接收冷却剂或向螺旋形肋提供冷却剂且朝向转子轴线导引流体以从所述马达去除或朝向该螺旋形肋径向向外地导引流体。
[0046]在一个实施例中，叶轮是一个具有导引冷却剂的导引肋的单一模制部件。
[0047]在一个实施例中，叶轮肋是弯曲的。
[0048]在一个实施例中，叶轮肋是弯曲的，具有变化的曲率。
[0049]在一个实施例中，叶轮肋是直的。
[0050]在一个实施例中，冷却剂在转子的相同的轴向端处进入和离开转子。
[0051]在一个实施例中，冷却剂轴向地进入和离开转子。
[0052]在一个实施例中，冷却剂轴向地进入转子且径向地离开转子。
[0053]在一个实施例中，冷却剂径向地进入转子且轴向地离开转子。将理解，可以在转子内在任何期望的方向上提供流体流动。在一个实施例中，径向地提供流体且在流体通过转子之后从该转子的相同的端部取得该流体。在另一个实施例中，在一端处轴向地提供流体且在另一端处径向地离开。在另一个实施例中，在一端处径向地提供流体且在相对端处径向地离开。在流体从与流体输入的端部不同的端部离开的实施例中，流体通常被直接馈送到曲折路径内以用于在第二端处，在流体离开之前沿转子向下单向传递。
[0054]在一个实施例中，定子具有一个限定在其内用于冷却剂流体流动的迷宫式路径。
[0055]在一个实施例中，磁体是交错的或随着沿转子的轴向位移而旋转偏移变化的。
[0056]根据本发明的第四方面，提供了一种电力发电机，包括:一个定子，具有用于输出生成的功率的电触头；一个转子，被同轴地布置在该定子内且具有一个或多个布置在其上的磁体，该转子具有一个用于接收旋转输入的驱动输入，以便响应于被驱动的转子，来在该定子中生成电功率；该转子包括一个具有一内壁的壳体，所述磁体被布置在该壳体周围，且其中该转子还包括一个用于冷却剂在该转子的第一端和该转子的第二远端之间轴向流动的中心流体导管；该转子还在该转子的第二远端处包括一个或多个径向流体导管，所述径向流体导管被流体地耦合到该中心流