旋轉設備、馬達以及冷卻馬達的方法
【專利說明】旋轉設備、馬達以及冷卻馬達的方法
[0001]本發(fā)明涉及旋轉設備、馬達以及冷卻馬達的方法。本發(fā)明還涉及發(fā)電機以及冷卻發(fā)電機的方法。
[0002]電動馬達被廣泛用作生成牽引力的裝置。然而，已知的是，牽引馬達引起的一個問題是，會在牽引馬達內(nèi)生成大量的熱。馬達的冷卻是重要的，以便避免對馬達內(nèi)的熱敏感部件的損害。期望提供成本較低或性能密集較大的馬達。然而，如下文將解釋的，滿足此期望的馬達會在正常操作中經(jīng)歷馬達內(nèi)轉子的更顯著加熱。
[0003]一種馬達(諸如三相同步馬達)通常將包括一個定子和一個轉子。定子被布置成，在使用中接收電功率以生成變化的磁場。轉子被同軸地布置在定子以內(nèi)且通常由定子圍住，該轉子包括若干永磁體，所述永磁體在該變化的磁場的影響下引起轉子旋轉。因此，通過提供電功率，可以得到旋轉輸出。實質(zhì)上，可以以相反順序使用相同的設備生成電力。換言之，如果通過旋轉驅(qū)動輸入驅(qū)動轉子，則在定子線圈中將生成電壓。
[0004]隨著對減小的馬達質(zhì)量和物理尺寸的需求增加，這必然導致馬達中的定子在使用中變得更熱。例如，這是由于減小的銅含量導致定子繞組中的較高的電阻性損失，這因此導致繞組它們自身更熱。在馬達中的定子運行得更熱的情形下，這一般減小轉子的自然冷卻能力，因為定子運行得比轉子更熱，則不存在從轉子到定子的熱損失的可能。這尤其適用于密封圍住的馬達，在此情況下轉子不能夠容易地被空氣冷卻。這對高性能液體冷卻的馬達而目是典型的。
[0005]此外，對較低制造成本的需求偏愛能夠?qū)е麓朋w和轉子的磁渦流電流加熱增加的馬達構架。具體地，S卩，馬達內(nèi)的永磁體的結構越簡單，生成的渦流電流和作為結果的加熱越大。減小轉子的渦流電流加熱的常規(guī)方法包括層壓轉子和磁體。這確保在磁體和轉子以內(nèi)不會具有空間來生成大渦流電流。然而，如果定子以更高的溫度運行，則此種解決加熱問題的方式具有減小的益處，因為即使減小了由于渦流電流生成的熱的量，然而由于從轉子到定子的較差的或可忽略的熱損失，此相對小的生成的熱的量會成為一個問題。
[0006]此外，如果由于定子的高溫使得轉子經(jīng)由氣隙向定子損失熱是無效的，則轉子可用的用于熱損失的剩余熱路徑是經(jīng)由軸和軸承。這通常是一個較差的熱路徑，該熱路徑不會提供顯著的傳熱，因此盡管通過層壓轉子產(chǎn)生較少的熱，但是由于可用的非常差的熱損失機制使得轉子仍然會容易地過熱。
[0007]為了以最低的成本實現(xiàn)最大功率密度馬達，有必要使定子運行得盡可能熱(高溫度的定子材料相對便宜)且使轉子盡可能冷卻以保持磁體成本最小。
[0008]如何有效地冷卻馬達的問題已經(jīng)存在了一段時間且已經(jīng)提出了多種解決方案。
[0009]在US-A-7，579，725 (Zhou等人)中，描述了一種轉子組件冷卻系統(tǒng)，在該轉子組件冷卻系統(tǒng)中，轉子軸的一部分是中空的且包括一個打開端和一個封閉端。一個冷卻劑饋送管剛性地附接到該轉子軸。因此，引起該軸和該饋送管以相同的速率旋轉。冷卻劑被泵送穿過該饋送管直到它離開該饋送管的端部且抵靠該轉子軸的封閉端的內(nèi)表面流動，轉子軸的封閉端引起冷卻劑改變方向且向回流動穿過冷卻劑流動區(qū)域。因此，引起流體流進在饋送管的外表面和中空轉子軸的內(nèi)表面之間的空間內(nèi)。以連續(xù)支撐支柱(strut)的形式提供一個連續(xù)螺旋形構件，該支撐支柱螺旋形地包裹在該饋送管周圍且將它耦合到該軸。由于該構件的螺旋形形狀，冷卻劑被主動地泵送到使該饋送管與該軸分開的區(qū)域中，因此確保連續(xù)的冷卻劑流動到該轉子組件。US-A-7，489，057是Zhou的一個相關專利。
[0010]在US-A-3，260，872 (Potter)中，提供了一種油冷卻發(fā)電機。在這里，經(jīng)由一個開口提供冷卻劑油的流動。冷卻劑油然后流動穿過螺旋形路徑之后進入該發(fā)電機轉子的軸向軸。該流體朝向轉子的端部傳遞，在該端部從轉子殼體的內(nèi)表面反射且向回傳遞穿過進一步的螺旋形路徑。最終，冷卻劑傳遞出該設備。因此，提供了一種油冷卻發(fā)電機，其中螺旋形路徑用于控制冷卻油的流動且其中流體饋送管與轉子一起旋轉。
[0011]流體冷卻馬達或發(fā)電機的其他實施例包括如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]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種旋轉設備，包括:一個定子，用于接收或輸出電功率；一個轉子，被同軸地布置在該定子內(nèi)且具有一個或多個布置在其上的磁體，該轉子包括一個具有一內(nèi)壁的轉子殼體，所述磁體被布置在該殼體周圍，且其中該轉子還包括導管，該導管具有一個用于冷卻劑在該轉子的第一端和該轉子的第二遠端之間流動的軸向分量(axial component);該轉子還包括一個或多個徑向流體導管，所述徑向流體導管被流體地耦合到軸向流體導管且被布置成在使用中從軸向流體導管接收冷卻劑或向該軸向流體導管提供冷卻劑，該內(nèi)壁具有一個或多個用于冷卻劑流動的流體路徑，從而冷卻該轉子；以及一個流體葉輪，所述流體葉輪被布置在轉子的第一端或遠端處且被布置成與該轉子一起旋轉，且向進入該旋轉設備的流體給予旋轉移動或從離開該旋轉設備的流體去除旋轉移動。
[0013]提供了一種旋轉設備。該旋轉設備可以起馬達或發(fā)電機的作用。作為馬達，向定子提供電功率，該定子生成變化的磁場且通過與轉子上的磁體的相互作用引起轉子旋轉。在作為發(fā)電機使用時，驅(qū)動轉子，圍繞該轉子借助該轉子所暴露到的變化的磁場在定子中生成功率。設置了一個葉輪，該葉輪被布置成與轉子一起旋轉且向進入該旋轉設備的流體給予和/或維持旋轉移動或?qū)⑿D移動從離開該旋轉設備的流體去除。這意味著，在流動穿過該旋轉設備的冷卻流體中避免了壓力損失。設置了一個軸向流體導管，該軸向流體導管使得流體能夠在大體軸向方向上(即，從轉子的一端向另一端和/或再次返回)流動。該軸向流體導管優(yōu)選地被中心地布置成使得流體可以在中心縱向軸向位置中流動穿過該軸向流體導管。在另一個實施例中，軸向流體導管(一個或多個)被布置在距轉子的中心縱向軸線某一徑向距離處。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種旋轉設備，包括:一個定子，用于接收或輸出電功率；一個轉子，被同軸地布置在該定子內(nèi)且具有一個或多個布置在其上的磁體，該轉子包括一個具有一內(nèi)壁的轉子殼體，所述磁體被布置在該殼體周圍，且其中該轉子還包括一個用于冷卻劑在該轉子的第一端和該轉子的第二遠端之間流動的軸向流體導管；該轉子還包括一個或多個徑向流體導管，所述徑向流體導管被流體地耦合到該軸向流體導管且被布置成在使用中從該軸向流體導管接收冷卻劑或向該軸向流體導管提供冷卻劑，該內(nèi)壁具有一個或多個用于冷卻劑流動的曲折路徑，從而冷卻該轉子；以及一個流體葉輪，該流體葉輪被布置在轉子的第一端或遠端處且被布置成與該轉子一起旋轉且向進入該旋轉設備的流體給予旋轉移動或?qū)⑿D移動從離開該旋轉設備的流體去除。
[0015]提供了一種旋轉設備，該旋轉設備可以起馬達或發(fā)電機的作用。作為馬達，向定子提供電功率，該定子生成變化的磁場且通過與轉子上的磁體的相互作用引起轉子旋轉。在作為發(fā)電機使用時，驅(qū)動轉子，圍繞該轉子借助該轉子所暴露到的變化的磁場在定子中生成功率。設置了一個葉輪，該葉輪被布置成與轉子一起旋轉且向進入該旋轉設備的流體給予和/或維持旋轉移動或?qū)⑿D移動從離開該旋轉設備的流體去除。這意味著，在流動穿過該旋轉設備的冷卻流體中避免了壓力損失。在該內(nèi)壁上設置了一個或多個用于冷卻劑流動的曲折路徑。這些提供了一種裝置，通過該裝置可以使流體覆蓋顯著比例的內(nèi)壁的表面，從而確保流體與轉子大部分的良好熱接觸。
[0016]在一個實施例中，葉輪被布置成朝向轉子軸線導引流體以從馬達去除或朝向一個或多個曲折路徑徑向向外地導引流體。這在一個實施例中是特別有用的:在該實施例中，流體(在一個流動方向上)從一個最初中心軸向位置、沿著轉子的長度流動，徑向向外地流動以沿著所述曲折路徑流動且然后被帶回到一個軸向位置中。在此實施例中，葉輪提供了一個用于流體的連續(xù)導管同時不允許流體相對于該葉輪旋轉地流動，以使得當流體被帶回到一個軸向位置時，已經(jīng)使旋轉移動從該流體去除。在流體在相反方向上流動的情況下，該葉輪提供了一種裝置，通過該裝置流體可以旋轉地加速而不引入相對于轉子的任何旋轉速度。
[0017]在一個實施例中，葉輪是具有引導冷卻劑的導引肋(guide rib)的單一模制部件。
[0018]在一個實施例中，葉輪肋是彎曲的。
[0019]在一個實施例中，葉輪肋是彎曲的，具有變化的曲率。
[0020]在一個實施例中，葉輪肋是直的。
[0021]在一個實施例中，葉輪是由鉆孔(諸如，圓柱形鉆孔)形成的。
[0022]在一個實施例中，冷卻劑在轉子的相同的軸向端進入和離開轉子。
[0023]在一個實施例中，冷卻劑軸向地進入和離開轉子。
[0024]在一個實施例中，冷卻劑軸向地進入轉子且徑向地離開轉子。
[0025]在一個實施例中，冷卻劑徑向地進入轉子且軸向地離開轉子。
[0026]在一個實施例中，定子具有一個限定在其內(nèi)用于冷卻劑流動的迷宮式路徑(labyrinthine path)。
[0027]在一個實施例中，磁體是交錯的或隨著沿轉子的軸向位移而旋轉偏移變化的。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于生成旋轉功率的馬達，該馬達包括:一個定子，用于接收電功率；一個轉子，被同軸地布置在該定子以內(nèi)且具有一個或多個布置在其上的磁體，以便響應于接收電功率的該定子，來引起該轉子旋轉，該轉子包括一個具有一內(nèi)壁的轉子殼體，所述磁體被布置在該殼體周圍，且其中該轉子還包括一個用于冷卻劑在該轉子的第一端和該轉子的第二遠端之間軸向流動的中心流體導管；該轉子還在該轉子的第二遠端處包括一個或多個徑向流體導管，所述導管被流體地耦合到該中心流體導管且被布置成在使用中從該中心流體導管接收冷卻劑或向該中心流體導管提供冷卻劑，該內(nèi)壁具有多個用于冷卻劑流動的曲折路徑，從而冷卻該轉子。
[0029]在一個實施例中，轉子具有一個圓柱形主體，其中一個或多個曲折路徑布置在該圓柱形主體上。換言之，內(nèi)壁是圓柱形的。當向定子施加功率(例如，向定子施加電壓)時，引起轉子旋轉。所述曲折路徑在該圓柱形主體的表面上導引冷卻劑，因此確保由冷卻劑良好地覆蓋該圓柱形主體。此外，設置了徑向流體導管以將冷卻劑從轉子內(nèi)的一個軸向位置導引到該圓柱形主體的外部表面上的路徑(或在相反方向上，這取決于流體流動方向)。以此方式使用徑向?qū)Ч艽_保流體被方便地遞送到用于向前傳播的路徑(或從所述路徑接收流體)。徑向?qū)Ч芎颓勐窂降慕Y合提供了一種有效且有效率的方式以使得能夠?qū)崿F(xiàn)轉子的冷卻。此外，使用用于流體的導管確保流體可以被遞送到所述曲折路徑或從所述曲折路徑接收該流體而轉子部分與流體之間的相對速度不突然改變，因此最小化對冷卻劑的流動的阻力。
[0030]使用徑向?qū)Ч艿牧硪粋€優(yōu)點是，允許以(如果有的話)相對低的壓力損失將流體從中心軸線轉移到靠近熱源的圓筒的外部且再次轉移回來(或反之亦然)。
[0031]此外，設置在圓柱形主體的表面上的曲折路徑確保流體以相對高的速率流動(即，比在沒有所述路徑的情況下流體流動的速率更高)。流體使用相對高的速率流動意味著，存在向流體內(nèi)的良好的傳熱。使用曲折的路徑而不是直的、窄的路徑作為生成高速率的裝置在抗堵塞和所要求的制造容差方面是有利的，盡管如下文所討論的也可以使用直的路徑。
[0032]此外，流體在圓柱形表面之上的流動確保冷卻劑靠近熱源(磁體)且因此有效地管理來自該源的傳熱。
[0033]在一個實施例中，曲折路徑是由內(nèi)表面上的導引肋或內(nèi)表面中的凹槽限定的。
[0034]在一個實施例中，肋和凹槽是螺旋形的。
[0035]在一個實施例中，螺旋形的肋或凹槽的角度在某一范圍以內(nèi)。
[0036]在一個實施例中，內(nèi)壁是圓柱形的，使得轉子殼體是中空的。
[0037]在一個實施例中，馬達包括一個流體入口和一個流體出口，其中該流體出口在比該流體入口更大的半徑處。
[0038]在一個實施例中，肋或凹槽的數(shù)目與徑向流體導管的數(shù)目相同。
[0039]在一個實施例中，肋或凹槽的數(shù)目是4。
[0040]在一個實施例中，一個或多個徑向?qū)Ч鼙恍纬蔀樵谝粋€固定地安裝到內(nèi)壁的端蓋中的鉆孔或洞。
[0041]在一個實施例中，中心流體導管和一個或多個徑向流體導管被形成為一個單一部件。
[0042]在一個實施例中，一個或多個徑向流體導管是彎曲的。
[0043]在一個實施例中，中心流體導管用作一個轉子軸且具有第一端和第二端，該第一端被安裝在轉子的第一端處的一個軸承中且該第二端被安裝該轉子的第二遠端處的一個軸承中。
[0044]在一個實施例中，中空的圓筒在所述馬達內(nèi)的一個傳熱區(qū)域下面包括一個密封的充氣腔。
[0045]在一個實施例中，所述馬達包括一個流體葉輪，該流體葉輪被布置在轉子的第一端處以從螺旋形肋接收冷卻劑或向螺旋形肋提供冷卻劑且朝向轉子軸線導引流體以從所述馬達去除或朝向該螺旋形肋徑向向外地導引流體。
[0046]在一個實施例中，葉輪是一個具有導引冷卻劑的導引肋的單一模制部件。
[0047]在一個實施例中，葉輪肋是彎曲的。
[0048]在一個實施例中，葉輪肋是彎曲的，具有變化的曲率。
[0049]在一個實施例中，葉輪肋是直的。
[0050]在一個實施例中，冷卻劑在轉子的相同的軸向端處進入和離開轉子。
[0051]在一個實施例中，冷卻劑軸向地進入和離開轉子。
[0052]在一個實施例中，冷卻劑軸向地進入轉子且徑向地離開轉子。
[0053]在一個實施例中，冷卻劑徑向地進入轉子且軸向地離開轉子。將理解，可以在轉子內(nèi)在任何期望的方向上提供流體流動。在一個實施例中，徑向地提供流體且在流體通過轉子之后從該轉子的相同的端部取得該流體。在另一個實施例中，在一端處軸向地提供流體且在另一端處徑向地離開。在另一個實施例中，在一端處徑向地提供流體且在相對端處徑向地離開。在流體從與流體輸入的端部不同的端部離開的實施例中，流體通常被直接饋送到曲折路徑內(nèi)以用于在第二端處，在流體離開之前沿轉子向下單向傳遞。
[0054]在一個實施例中，定子具有一個限定在其內(nèi)用于冷卻劑流體流動的迷宮式路徑。
[0055]在一個實施例中，磁體是交錯的或隨著沿轉子的軸向位移而旋轉偏移變化的。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種電力發(fā)電機，包括:一個定子，具有用于輸出生成的功率的電觸頭；一個轉子，被同軸地布置在該定子內(nèi)且具有一個或多個布置在其上的磁體，該轉子具有一個用于接收旋轉輸入的驅(qū)動輸入，以便響應于被驅(qū)動的轉子，來在該定子中生成電功率；該轉子包括一個具有一內(nèi)壁的殼體，所述磁體被布置在該殼體周圍，且其中該轉子還包括一個用于冷卻劑在該轉子的第一端和該轉子的第二遠端之間軸向流動的中心流體導管；該轉子還在該轉子的第二遠端處包括一個或多個徑向流體導管，所述徑向流體導管被流體地耦合到該中心流