专利名称：包含径向偏移冷却流的电机及冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种包括一转子的电机，所述转子具有至少一个径向冷却槽和沿轴向分布的冷却通道，所述冷却通道与所述转子的至少一个径向冷却槽连通。本发明此外还涉及一种对一包括转子的电机进行冷却的方法，其中，用一沿轴向进入所述转子的冷却流冷却所述转子。
背景技术：
原则上需要用均勻的冷空气(或冷却剂)为电机转子通风。同时还应确保磁体凹槽便于封装，以便为磁体提供防腐保护以及防止磁体发生移动。在传统技术中，有一种永磁激励同步电机只具有一个铁芯元件。这种结构的缺点是无法为中部区域的定子提供足够的冷却空气。而且单独一个冷却剂流也无法使转子得到均勻冷却。还有一种永磁激励同步电机的磁体是固定(例如粘接)在多个单个的分叠片铁芯上。这种结构虽能获得更均勻的冷却效果，但是要想通过封装磁体来为磁体提供防腐保护以及防止磁体发生移动，实施起来非常麻烦。
发明内容
本发明的目的是在确保便于安装的情况下使电机转子得到更均勻的散热。本发明的另一目的是提供一种相应适用于电机转子的冷却方法。本发明用以达成上述目的的解决方案为一种包括一转子的电机，所述转子具有至少一个径向冷却槽，其中，所述转子具有沿轴向分布的冷却通道，所述冷却通道与所述转子的至少一个径向冷却槽连通，其中，以所述转子的轴线为参照，所述沿轴向分布的冷却通道中的第一冷却通道的中心轴所处的径向高度不同于所述沿轴向分布的冷却通道中的第二冷却通道，所述至少一个径向冷却槽上设有一间隔件，一第一冷却流可在所述间隔件的导引下从其中一个所述第一冷却通道进入其中一个所述第二冷却通道。本发明此外还提供一种对一包括一转子的电机进行冷却的方法，其中，用一第一冷却流冷却所述转子，所述第一冷却流沿轴向进入所述转子，其中，所述第一冷却流进入所述转子时沿流动方向具有一中心线，所述中心线相对于所述转子的轴线处于一第一径向高度，所述第一冷却流在所述转子内部发生转向，使其中心线到达一不同于所述第一径向高度的第二径向高度。根据本发明，所述冷却流在转子内优选从一径向高度到达另一径向高度。从径向剖面看，也可以认为是转子内的冷却剂平面发生了变化。当转子在不同的径向高度上有不同程度的发热时，这一点特别有利。这样就可以在转子内部将吸热不多的冷却流选择性地送到需要有效散热的径向位置上。所述间隔件优选具有多个垫圈，每个所述垫圈都具有通孔，其中，所述垫圈上的通孔以能够使所述第一冷却流转到径向的方式进行布置。亦即，所述间隔件的垫圈除提供径向冷却槽这一功能外，还获得了一项附加功能使冷却流转到径向。
根据一种特殊的实施方式，所述转子内可以只设单独一个径向冷却槽。其优点是， 在两个铁芯元件的磁体凹槽内安装磁体较为方便。此外，当铁芯元件数量为两个时，用绝缘灌封材料封装磁体凹槽相对来说较为简单。根据另一实施方式，可将一第二冷却流送入其中一个所述沿轴向分布的冷却通道，并通过所述间隔件使其沿径向向外转向。第二冷却流转向外部后，已经到达第二冷却流所在径向位置的第一冷却流就可承担第二冷却流在第二分叠片铁芯(即所述转子的另一轴向区域)内的冷却任务。所述第一冷却通道在所述转子内的径向高度优选低于所述第二冷却通道。在此情况下，所述第一冷却流将先在机轴附近流动且只吸收很少热量。经过一段轴向距离后，第一冷却流转向进入第二冷却通道并以“新鲜”状态提供高质量的冷却效果。所述转子可由永磁体激励。永磁体只会使转子产生较少损耗，因此，将转子分成两个铁芯元件并且在转子中央只设置单独一个冷却空气槽就够了。借此可以简化永磁激励转子的制造。如果转子上装有短路条，也可以设置两个以上的铁芯元件，此时，冷却流在转子中也可以分布在两个以上的不同平面内。进一步地，一(包含所述第一冷却通道的)铁芯元件和一包含所述第二冷却通道的铁芯元件可在圆周方向上相对偏移布置。这种方案有助于减小转子的转矩波动系数，通过为所述间隔件设置多个垫圈就可以直接实现，因为这种偏移一般情况下程度极小。因此， 这种偏移布置同样不会影响所述间隔件的径向导引功能。
下文将借助附图对本发明进行详细说明，其中图1为一气冷式永磁体发电机的局部截面图；图2为图1的局部放大图，以便更准确地示意冷却流在转子内的层次变化；图3为图1所示转子的透视图；以及图4为图3所示转子的径向冷却槽的局部俯视图。
具体实施例方式下文中将要详细介绍的实施例为本发明的优选实施方式。图1为包含冷却器2的发电机1。冷却器2具有风扇3，以便吸入冷却空气并将其吹入换热器4。该换热器内的空气经排气管5流到外部。由此形成外冷却循环。换热器4通过外冷却循环6对封闭式内冷却循环7进行冷却。驱动内冷却循环 7的是安装在发电机1的机轴9的B侧的轴风扇8。所述内冷却循环以风扇8为起点穿过所述换热器并在发电机A端(驱动端)进入绕组端部区域。该内冷却循环绕过绕组端部 (winding overhang) 10和绕组电路(winding circuit) 31后穿过转子11和定子12，下文将对此予以详述。最后，冷却剂(特别是空气)穿过发电机B侧(非驱动端)的绕组端部区域，重新到达轴风扇8。转子11具有端面装有压缩环(pressure ring) 14和15的叠片铁芯13。转子11 在轴向上被径向冷却槽16分为两部分。在本实施例中，这个冷却槽16由带垫圈四的间隔件构成。
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转子11此外还具有多个沿轴向分布的冷却通道，这些冷却通道的轴向中心位于两个同轴圆柱体上。下文中将冷却通道的中心轴与机轴9的轴线之间的径向距离称作该冷却通道的“径向高度”。在本实施例中，转子11具有(第三)冷却通道17和在径向上位于该冷却通道下方(即径向高度较小)的第一轴向冷却通道18。将转子中分的径向冷却槽 16的右侧设有径向高度与第一冷却通道17相同的第二冷却通道19。其径向下方则是径向高度与第二冷却通道18相同的第四冷却通道20。在叠片铁芯13上的专设凹槽内安装有多个沿周边分布的永磁体21。这些永磁体从两个端面插入转子，并在两个端面上都得到封装处理。转子11仅有一个中央径向冷却槽16，因此，磁体的插入和封装相应比较容易。定子12的绕组支架是叠片铁芯22，大量沿径向分布的冷却槽23贯穿该叠片铁芯。 所述叠片铁芯的外护套上设有多个形成于叠片铁芯22上的沿轴向分布的散热片24。散热片M放射状突出于定子12之外且这些散热片可以焊接在叠片铁芯上。作为替代方案，叠片铁芯22中的每个单个叠片均具有径向突出的突起部，叠装单个叠片时便可形成散热片24。在此情况下，定子冷却流25仅在轴向上沿定子护套分布。这个冷却流基本上直接由换热器4以几乎不吸热的方式提供，可以对定子的轴向散热片对进行有效冷却。这个第一冷却流25还能用来对B侧端的绕组端部进行冷却。如图1中的实施例所示，本发明设有第一冷却流28，该冷却流在A侧经压力板14 进入第一冷却通道18。转子11的径向冷却槽16上设有间隔件。本实施例中的间隔件是三个垫圈四。这些垫圈四采用不同设计且在彼此错开的位置上具有空隙30。因此，如图1 所示径向冷却槽16中的第一冷却流观向上进入位于冷却槽16右侧且径向高度大于第一冷却通道18的第二冷却通道19。最后，第一冷却流28经B侧压力板15离开第二冷却通道19。为此，压力板15上设有多个开口，这些开口的尺寸使得第一冷却流28的阻力不至过低，而且第二冷却流沈也具有足够大的体积流量。穿过压力板15上的开口后，第一冷却流观与第二及第三冷却流沈、25在发电机1位于轴风扇8前方的端面区域汇合。由此可见，第一冷却流观在转子的第一部分(附图中的左半部分)穿过的是温度相对较低的区域 (接近机轴的区域)。在此过程中，所述第一冷却流几乎不吸收热量。随后，所述第一冷却流在转子的右半部分向上流动并对转子的右半部分实施有效冷却。如前所述，转子的左半部分主要由第二冷却流沈冷却。穿过转子的第二冷却流沈则是由已在A侧的绕组端部区域对绕组端部10和绕组电路31进行过冷却的冷却剂或冷却空气提供。这个第二冷却流沈经々侧压力垫圈14进入转子11的第三冷却通道17。第二冷却剂流沈在位于转子中央的径向冷却槽16处沿径向向外转向。所述第二冷却剂流沿轴向分布在转子11和定子12之间的整个气隙27中。由于压力垫圈14和15的直径略大于包含永磁体21的转子叠片铁芯的直径，因此，该冷却剂流从所述气隙沿径向向外穿过定子的冷却槽23。第二冷却流或气流沈在定子外表面与第三冷却流25汇合。第二冷却流沈通过这种方式对转子如图1所示的左半部分以及在定子的整个轴向长度上对定子内部进行冷却。因此，第二冷却流沈大体呈Z形分布。亦即，先轴向，再径向，最后再轴向。由此，尽管转子仅具有一个径向冷却槽16而不是多个这样的径向槽，所述第二冷却流也能与线性的定子冷却流配合作用，对定子12进行有效散热。图2为转子11中如图1所示的冷却槽16区域的放大图。所述转子在轴向上被冷却槽16分为两个分叠片铁芯Tl和T2。径向冷却槽16由在两分叠片铁芯Tl和T2之间起间隔件作用的垫圈四构成。如图2中的放大图所示，垫圈四具有可供冷却流穿过的空隙或开口 30。在本实施例中，第一冷却流观从其中一个第一冷却通道18经开口 30穿过冷却槽16或垫圈四后进入其中一个第二冷却通道19。因此，各垫圈的开口 30的中心是在径向上沿冷却流方向逐渐升高。亦即，第一冷却通道18与第二冷却通道19流体连通。垫圈四具有其他空隙32，穿过第三冷却通道17进入转子的第二冷却流沈可以透过这些其他空隙沿径向向外流动。视情况可利用面向第二冷却通道19的右侧垫圈四将第二冷却通道19和第三冷却通道17予以密封隔离，从而防止到达冷却槽16时就已大幅受热的第二冷却流26进入第二冷却通道19。而第一分叠片铁芯Tl中的第一冷却流28发生径向层次变化后就可对永磁体21区域(即转子外侧区域)内的第二分叠片铁芯T2进行冷却。当然，每个冷却流的流向也可以反过来。图3进一步示出本发明转子的透视图。如上文联系图1所述，机轴9上除了转子 11的分叠片铁芯Tl和T2外，其B侧还设有轴风扇8。分叠片铁芯Tl和T2被径向冷却槽 16隔开。第二冷却流沈经该冷却槽流到转子外部。从图3中还可看出，分叠片铁芯Tl和 T2在周向上相对偏移布置。图4对这一偏移V作了放大示意处理。利用周向偏移V可以减小转子11的转矩波动系数。但垫圈四上的空隙32还是能确保所述径向冷却槽发挥其应有的作用。综上所述，本发明可以借助永磁激励转子的两个或两个以上分叠片铁芯取得可靠的通风效果。另外，通过采用不同的冷却平面或层次，还可在转子的整个长度范围内为转子提供近乎完全新鲜的冷却空气。其他方面也能产生诸多优点。首先，用于安装永磁体的凹槽具有很好的可及性，这就方便了永磁体的封装。而封装可以增强磁体的固定效果，提供高质量的防腐保护。其次，用于分隔转子的分叠片铁芯的转子压力垫圈四具有通风器的功能， 可以用来对定子进行通风。需要时还可采用上述结构，即通过分叠片铁芯之间的相对偏移来减小止动转矩。如果两个分叠片铁芯使用相同的叠片，还能进一步产生其他优点。
权利要求
1.一种电机，包括一转子(11)，所述转子具有至少一个径向冷却槽(16)，其中，所述转子(11)具有沿轴向分布的冷却通道，所述冷却通道与所述转子的至少一个径向冷却槽(16)连通，其特征在于，以所述转子(11)的轴线为参照，所述沿轴向分布的冷却通道中的第一冷却通道(18) 的中心轴所处的径向高度不同于所述沿轴向分布的冷却通道中的第二冷却通道(19)，以及所述至少一个径向冷却槽(16)上设有一间隔件，一第一冷却流08)可在所述间隔件的导引下从其中一个所述第一冷却通道(18)进入其中一个所述第二冷却通道(19)。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述间隔件具有多个垫圈( )，所述垫圈每一个都具有通孔(30)，其中，所述垫圈09)上的通孔(30)以能够使所述第一冷却流08)转到径向的方式进行布置。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述转子(11)设有单独一个径向冷却槽 (16)。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，一第二冷却流06)可进入其中一个所述沿轴向分布的冷却通道并通过所述间隔件沿径向向外转向。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，所述第一冷却通道(18)在所述转子(11)内所处的径向高度低于所述第二冷却通道(19)。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子(11)受永磁体 (21)的激励。
7.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的电机，其中，所述转子(11)具有短路条。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其中，一包含所述第一冷却通道 (18)的分叠片铁芯(Tl)和一包含所述第二冷却通道(19)的分叠片铁芯(T2)在圆周方向上相对偏移布置。
9.一种对一包括一转子(11)的电机进行冷却的方法，用一沿轴向进入所述转子(11) 的第一冷却流08)冷却所述转子，其特征在于，所述第一冷却流08)具有一中心线，当所述第一冷却流08)沿流动方向进入所述转子时，所述中心线相对于所述转子的轴线处于一第一径向高度，以及所述第一冷却流08)在所述转子内部发生转向，使其中心线到达一不同于所述第一径向高度的第二径向高度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一冷却流08)在所述转子(11)内仅在单独一个径向冷却槽(16)上转到径向。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，一第二冷却流06)沿轴向进入所述转子 (11)并在所述转子中央沿径向向外流动。
12.根据权利要求9至11中任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一冷却流08) 的第一径向高度低于其第二径向高度。
全文摘要
本发明的目的是简化电机转子的结构并对其实施有效冷却。为此，本发明提供一种包括一转子的电机，所述转子具有至少一个径向冷却槽(16)和多个沿轴向分布的冷却通道。以所述转子(11)的轴线为参照，第一冷却通道(18)的中心轴所处的径向高度不同于第二冷却通道(19)。所述至少一个径向冷却槽(16)上设有一间隔件，一第一冷却流(28)可在所述间隔件的导引下从其中一个所述第一冷却通道(18)进入其中一个所述第二冷却通道(19)。在此情况下，当冷空气在温度较低的区域(例如机轴附近)穿过第一分叠片铁芯(T1)时，这部分冷空气也可用来对流动方向上的第二分叠片铁芯(T2)进行冷却。
文档编号H02K9/18GK102265484SQ200980152270
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年12月23日
发明者卡尔·森宁格, 奥利弗·梅明杰, 诺贝特·舍恩鲍尔, 贡特尔·埃伦德尔 申请人:西门子公司