用于轴向电机的极靴冷却间隙的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电机，并且具体地但并不唯一地，涉及一种电动机或发电机，该电动机或发电机通常被称为无磁轭分段电枢(YASA)电动机或发电机，在这种电动机或发电机中，定子设置有缠绕在极片上的电磁线圈，转子设置有永磁体，该永磁体与跨过所述转子和定子之间的空气间隙的所述电磁线圈相配合。
【背景技术】
[0002]电磁线圈由极柄(pole shank)和位于极柄的任一端的两个极靴(pole shoe)制成。极柄约束螺线管线圈，并且极靴具有两个作用:a)将螺线管线圈限定在极柄上，S卩:金属丝缠绕在极柄上，并且金属丝紧靠极靴缠绕并通过极靴容纳在极柄上，以及b)从极柄通过极柄和转子上的磁体之间的空气间隙传递磁通量，并因此降低穿过空气间隙的磁阻。复合结构由极柄、极靴和来自电磁线圈的螺线管线圈组成。
[0003]在GB 2468018A 中，牛津 YASA 电动机(Oxford YASA Motors)公开了一种机械，该机械包括一系列缠绕在极片上的线圈，极片绕定子周向隔开并轴向设置(即平行于转子的旋转轴线)。转子具有两个台阶(stage)，该两个台阶包括设置有永磁体的磁盘，永磁体朝向定子的每个电磁线圈的任一端。
[0004]在GB 2482928A 中，牛津 YASA 电动机(Oxford YASA Motors)公开了一种与上文所述类似的结构，但是该结构中包括模压外壳结构(over-moulded casing arrangement),该模压外壳结构设计为将磁体和位于模压外壳中的结构的线圈封装，以便于保持极靴从而保持电磁体，外壳部分延伸到间隙中，否则，间隙将会形成在线圈和定子棒的端面之间，磁体安装在定子棒上。
[0005]在JP2009142095A中，住友(Sumitomo)公开了一种用于冷却定子铁芯的结构，磁体安装在定子铁芯上，所述结构包括多个切割形成在定子棒的端面的表面中的冷媒凹槽。线圈自身紧靠在端面的表面上，并且线圈与端面之间没有间隙。由于流过凹槽的冷却液即使有也很少，和/或凹槽本身设置在围绕线圈的周向上有限的部分，因此通过这种结构提供的冷却程度是有限的。
[0006]参考图1，示出了一种轴向磁通分段电枢电动机I的原理图，电路布置为激励电磁线圈50以便于电磁线圈50的极性交替用于引起线圈在不同的时间与不同的磁体对对齐，产生施加在转子和定子之间的扭矩。转子10通常连接在一起(例如通过轴，未示出)并且一起绕X轴线相对于定子20转动，定子20通常固定在例如壳体20中。图1中所示的结构示出了由相邻的定子棒和磁体对提供的磁路的一部分，同时，转子10用于连接背向各自的线圈的每个磁体15的背面之间的磁通量。因此，通过电磁线圈供给的合适的能量，迫使转子绕X轴线旋转。当然，在发电机的情况下，转子的转动在定子线圈中感应出电流，该电流与定子棒中的随着转子的旋转而变化的磁通量对应。
[0007]由于不同的部件上的温度的限制，电动机的功率和扭矩通常受到限制。能量在线圈中金属丝中通过I2R损耗而损失，在极柄和极靴中能量通过涡流和磁滞损失而损耗。对于双转子轴向磁通无磁轭分段电枢电动机或发电机来说，上述的电磁线圈以顺时针布置的方式安装保持并夹在电力地绝缘定子板之间，电力地绝缘定子板使线圈和极片与任何大散热器之间热隔离。
[0008]通过使用如W02010/092403 A2中所述的软的磁性复合材料能够克服由于涡流损耗而导致的极柄和极靴中的能量消散。然而，软的磁性复合材料仍然容易受到磁滞损失的影响，软的磁性复合材料由于磁滞损失而损失的能量约为娃钢叠片(silicon steellaminat1n)的3倍，并且这些损失在高的旋转速度和扭矩需求时变得更加明显。在大量生产中，易于模塑极柄和极靴，并且几乎为零的涡流损失使得软的磁性复合材料保持高于硅钢叠片的可行性，尽管磁滞损失较高。
[0009]因此，这种结构具有的问题是极片中的温度过度升高，具体地该温度过渡升高由磁滞现象产生，并且通过由于电动机以高的旋转速度和扭矩需求运行而产生的I2R的损耗而加重了温度的过度升高。这种结合的损耗促进极靴中热量的产生，并且因此促进了极靴中温度的升高。通常地，磁效率需求要求线圈覆盖极柄和极靴的表面，除了通过线圈金属丝层的热传导并且没有机会将热量从这些表面中移除。对于双转子轴向磁通YASA电动机或发电机来说，极靴外表面由聚合物或树脂覆盖，聚合物或树脂用于将极片连接于定子组件。由于外极靴表面没有发现用于径向磁通旋转冷却机械的冷却空气，YASA机械中的极靴的温度可以升高以妨碍从线圈到冷却流体的热传导，并且因此，极靴到定子板的连接可以热量折中(thermally compromised)，并且这种构造的电动机由于功率受限从而满足这些热限制(thermal limitat1n)。
[0010]在自激发电机(dynamo electric machine)中，由于线圈是主要的产热来源，因此传统的方法关注于线圈冷却。为了克服电动机线圈中热量的产生，GB626823公开了内径比电极大的线圈，线圈和电极之间设置有环形间隙，环形间隙形成为用于允许空气穿过线圈的内侧边缘，之后，空气穿过位于线圈端的开有沟槽或管道的绝缘件。这种方法为线圈金属丝提供冷却，但也减少了磁极中磁通量的产生，产生比当线圈紧紧缠绕在极柄上(本发明中提供的一个特征)时更小的扭矩和功率。本发明的主要目的是使得GB626823中启示的能够支撑线圈的开有沟槽或管道的绝缘件还能够防止极端件(极靴)冷却。
[0011]GB2468018涉及一种YASA电动机，在这种电动机中，冷却流体被约束在定子线圈之间，通过设置的阻塞件转移，以迫使冷却剂流体在线圈之间交替地向后向前流动，从而带走热量。尽管与传统的技术相比具有显著地更高的效率，这种启示针对将热量从线圈中移出，并且极靴保持绝热，该极靴一方面通过树脂或粘于定子板的胶粘剂覆盖，另一方面通过金属线圈覆盖。因此，极靴的温度能够增长到不可接受的程度。
[0012]US3633054用于冷却极靴，并且给出了用于腿型电极自激发电机的结构的启示，其中，铜环与冷却通道一起设置为直接与极靴接触，从而将热量从极靴中带走。这种方法并不适用于轴向磁通同步电机，因为导热环产生干涉电动机工作的涡流损耗。本发明提出液体冷却剂与SMC极靴的内表面直接接触，相对于给出了中间冷却金属通道的启示的US3633054来说显著提高了热量的移除。本发明不需要额外的构造部件(buildcomponent)，从而使得成本和电动机的体积最小化，并且在显著提尚热量移除的同时避免涡流损耗。
【发明内容】
[0013]因此，本发明的一个目的在于通过在线圈和极靴之间设置间隙以使得冷却流体撞击线圈靴(coil shoe)来冷却双转子轴向磁通无磁轭电枢分段电动机或发电机中的极靴，并达到提高从极靴到冷却剂流动的热转移的同时允许线圈紧紧地缠绕在极柄上，从而使得产生的磁通量最大化。
[0014]根据本发明的一个方面，提供一种轴向磁通电动机，该轴向磁通电动机包括:一个或多个旋转盘；定子，该定子具有形成在壁之间的腔体，并且其中，所述定子包括多于一个的电磁线圈组件，该电磁线圈组件包括多于一个的极片(pole Piece)，每个所述极片具有轴向延伸的柄部分(shank port1n);第一径向延伸的端靴(end shoe)和第二径向延伸的端靴，所述第一径向延伸的端靴和第二径向延伸的端靴位于所述一个或多个柄部分的端部；以及一个或多个线圈，每个所述线圈分别围绕柄部分缠绕，其中:所述端靴包括一个或多个外表面，所述外表面中的一个或多个连接于所述壁中的一者或另一者；所述第一或第二靴中的一者或两者还包括朝向所述线圈的热交换表面，以在所述热交换表面中的一者或两者与所述线圈之间限定一个或多个第一冷却通道，并且，所述电动机还包括第二流动通道，该第二流动通道通过所述线圈和相邻的线圈之间的间隔限定。
[0015]优选地，每个所述热交换表面与所述线圈隔开，以便于在每个热交换表面和所述线圈之间限定第一冷却通道。
[0016]优选地，所述线圈通过垫片(spacer)与所述一个或多个热交换表面隔开。优选地，所述垫片的尺寸为使得冷却剂能够到达所述热交换表面，同时使得电动机的功率密度最大化。有利地，所述垫片包括位于所述柄部分的突出(protrus1n)或绕所述柄部分设置的单独的环。可选择地，所述线圈包括锥形线圈，该锥形线圈的基部宽于其顶部，并且其中，所述基部沿着所述柄部分延长的长度大于所述顶部沿着所述柄部分延长的长度，以限定锥形冷却通道。更