冷卻式磁馬達(dá)的制作方法
【專利摘要】一種電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括：轉(zhuǎn)子，其具有安裝在轉(zhuǎn)子的表面上的磁體，磁體面向在間隙對面的定子。磁體具有非常高的通量密度，而對于在高溫下承受高的定子電流能力有限，優(yōu)選地磁體由N48H材料制成。通過提供由冷卻流體來使磁體溫度降低的轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)，允許使用具有較低最大工作溫度和較高通量密度的磁體，并因此能夠從該磁體獲得較高的通量。
【專利說明】冷卻式磁馬達(dá)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冷卻式電動馬達(dá)和發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]具有永磁體轉(zhuǎn)子的發(fā)電機和電動馬達(dá)常由與定子熱接觸的液體進(jìn)行冷卻。大多數(shù)熱量在定子鐵磁極(iron stator pole)、定子繞組(stator winding)中產(chǎn)生并且較小程度地在轉(zhuǎn)子磁體中產(chǎn)生。在多數(shù)情況下磁體在定子內(nèi)側(cè)的馬達(dá)中心內(nèi)。熱量大部分在磁體和冷卻罩(cooling mantle)之間的定子中產(chǎn)生，并且冷卻在定子的外側(cè)進(jìn)行。因此磁體的溫度是高的。
[0003]磁體和繞組的溫度以兩種方式影響馬達(dá)/發(fā)電機的損耗。在繞組中的銅的溫度影響銅材料的電阻，因為電阻隨著溫度而增大。因此，對于給定的電流而言，較多的熱量在熱的繞組中產(chǎn)生。如果(通常是這種情況)來自繞組的熱量使磁體的溫度上升，那么磁通量將降低，這樣對于給定的電流而言產(chǎn)生了更小的扭矩。這兩個因素彼此加強。熱的磁體將帶來更低的磁場。為了維持同樣的扭矩，必須使用更多的電流。這將導(dǎo)致繞組變得更熱，其將增大繞組電阻，導(dǎo)致繞組變得甚至更熱等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供用于待被冷卻的轉(zhuǎn)子磁體的機構(gòu)(means)，以便允許使用具有較低最大工作溫度和較高通量密度的磁體，并且由此從磁體獲得較高的通量。
[0005]本發(fā)明的另一個目的在于提供用于待被冷卻的轉(zhuǎn)子磁體的機構(gòu)，以便從磁體獲得較高的通量。
[0006]本發(fā)明的另一個目的在于提供用于待被冷卻的轉(zhuǎn)子磁體的機構(gòu)，以便降低磁體的退磁的危險。
[0007]本發(fā)明的另一個目的在于提供對定子線圈和定子軟鐵部件的非常有效的冷卻，以此降低來自這些部件的磁體的升溫(heating)。
[0008]為允許在馬達(dá)間隙中使用內(nèi)部冷卻流體，必須處理流體膨脹。本發(fā)明的目的在于在沒有增大馬達(dá)尺寸的情況下，提供處理該流體膨脹的機構(gòu)。
[0009]場的減弱是允許馬達(dá)高速運行的方法，而速度太高以致來自馬達(dá)繞組的電動勢(emf)接近或高于將電流輸送(feed)至馬達(dá)的逆變器系統(tǒng)中的干線電壓(rail voltage)。已知的是，由于高的磁體應(yīng)力和高的磁體溫度的結(jié)合，這種操作模式導(dǎo)致磁體退磁的危險增大。本發(fā)明的目的在于為馬達(dá)電流逆變器提供關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)，使得控制器能夠?qū)ⅠR達(dá)電流限制至不會使磁體過應(yīng)力(overstress)的值。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括:轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有安裝在該轉(zhuǎn)子的表面上的磁體，磁體面向在間隙對面的定子，磁體具有非常高的通量密度，而對于在高溫下承受高的定子電流能力有限，優(yōu)選地磁體由N48H材料制成；以及轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)，其通過冷卻流體來降低磁體的溫度。通過提供由冷卻流體來降低磁體溫度的轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)，允許使用具有較低最大工作溫度和較高通量密度的磁體，并由此能夠從磁體獲得較高的通量。
[0011]在優(yōu)選的實施例中，轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)包括迫使來自馬達(dá)/發(fā)電機的外部的源的冷卻流體經(jīng)過由兩個相鄰的磁體、磁體承載軟鐵轉(zhuǎn)子和磁體保持輪箍(bandage)組成的通道(channel)的機構(gòu)，以此在磁體的兩側(cè)上直接對磁體進(jìn)行冷卻，并且經(jīng)由軟鐵轉(zhuǎn)子在磁體的第三側(cè)上間接對磁體進(jìn)行冷卻。
[0012]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機適于容許所有冷卻流體進(jìn)入馬達(dá)/發(fā)電機中，并且適于進(jìn)一步將所有冷卻流體通過路徑引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子磁體通道，其中流體的升溫被保持為低的，優(yōu)選地低于4°C。
[0013]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機適于容許冷卻流體進(jìn)入馬達(dá)/發(fā)電機中，并且適于進(jìn)一步將一部分冷卻流體通過路徑引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子磁體通道，其中溫度的升溫被保持為低的，優(yōu)選地低于4°C。
[0014]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機包括布置成與磁體緊密接觸的至少一個溫度換能器(temperature transducer),其中該溫度換能器適于感測至少一個磁體的溫度。
[0015]在優(yōu)選的實施例中，溫度換能器被連接至信號傳輸單元，該信號傳輸單元適于傳輸與由溫度換能器感測到的溫度相對應(yīng)的溫度信號，其中溫度信號通過下述從諸如轉(zhuǎn)子盤的旋轉(zhuǎn)部分傳輸至靜止部分:例如馬達(dá)殼體內(nèi)側(cè)的無線電線路(radio link)、藍(lán)牙裝置、使用了頻率調(diào)制(frequency modulation)或感應(yīng)稱合裝置(inductive coupling device)的在轉(zhuǎn)子上的一組LED和在馬達(dá)機殼(motor chassis)上的一組光接收器。
[0016]在優(yōu)選的實施例中，磁體的冷卻是借助于填充了轉(zhuǎn)子磁體和定子之間的間隙的來自馬達(dá)/發(fā)電機內(nèi)部的源的冷卻流體而實現(xiàn)的，以此降低了通過定子磁極(stator pole)和定子管從磁體到外部冷卻流體的路徑中的熱阻(thermal resistance)。
[0017]在優(yōu)選的實施例中，借助于泵送裝置使內(nèi)部冷卻流體從由外部冷卻流體直接冷卻的表面?zhèn)鬏數(shù)皆谵D(zhuǎn)子磁體和定子之間的間隙，磁體的冷卻得到進(jìn)一步的改善。
[0018]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機包括:在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子腔體；在馬達(dá)腔體內(nèi)側(cè)的冷卻流體和空氣兩者；以及在轉(zhuǎn)子中的孔，這些孔允許馬達(dá)內(nèi)部的冷卻流體進(jìn)入并離開轉(zhuǎn)子，其取決于由馬達(dá)溫度差引起的在冷卻流體體積上的改變。
[0019]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機包括通風(fēng)管(ventilation tube),該通風(fēng)管在一端上具有至周圍環(huán)境空氣的自由通路，并且該通風(fēng)管具有其在轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的另一端。
[0020]在優(yōu)選的實施例中，對轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的通風(fēng)管口狀物(mouthpiece)的位置以及冷卻流體的體積以這樣的方式進(jìn)行選擇:無論馬達(dá)如何傾斜，冷卻流體的表面都不會到達(dá)通風(fēng)管的口狀物。
[0021]在優(yōu)選的實施例中，對冷卻流體的體積進(jìn)行選擇，使得當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子-定子間隙中總是存在流體，并且使得馬達(dá)內(nèi)側(cè)的壓力在任何溫度下都是足夠低的，以避免通過軸密封泄漏。
[0022]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機包括具有控制單元的控制系統(tǒng)，該控制單元適于通過插入一些定子線圈中的優(yōu)選地為熱敏電阻(thermistor)的至少一個傳感器來獲得關(guān)于定子線圈溫度的數(shù)據(jù)，并且從放置在轉(zhuǎn)子磁體中的一個上或放置成用熱的方式(thermally)靠近轉(zhuǎn)子磁體中的一個的至少一個傳感器來獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù),該控制單元能夠通過控制冷卻液流體泵和/或散熱器來調(diào)整冷卻流體溫度或流量，以便影響定子線圈和磁體的溫度。
[0023]在優(yōu)選的實施例中，電動馬達(dá)/發(fā)電機包括具有控制單元的控制系統(tǒng)，該控制單元通過開關(guān)來控制到達(dá)定子線圈的電流，并且適于從放置在轉(zhuǎn)子磁體中的一個上或放置成用熱的方式靠近轉(zhuǎn)子磁體中的一個的至少一個傳感器來獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)，該控制單元將到達(dá)定子線圈的電流限制至在實際磁體溫度下將不會導(dǎo)致磁體的不能改變的消磁的值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]現(xiàn)在通過實例的方式參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，在其中:
圖1至圖11示出了具有通過外部冷卻液流體來對轉(zhuǎn)子和定子部件進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，該外部冷卻液流體在馬達(dá)/發(fā)電機中被加熱并且在馬達(dá)的外側(cè)被冷卻，在這些圖中:
圖1示出了在圖2中示出的馬達(dá)或發(fā)電機的截面。
[0025]圖2示出了具有永磁體轉(zhuǎn)子的馬達(dá)或發(fā)電機，該馬達(dá)或發(fā)電機布置成以冷卻流體將轉(zhuǎn)子磁體冷卻至低的溫度并且將定子冷卻至更低的溫度。
[0026]圖3示出了定子齒部至齒部的密封。
[0027]圖4示出了在圖5中示出的馬達(dá)或發(fā)電機的截面。
[0028]圖5示出了具有永磁體轉(zhuǎn)子的馬達(dá)或發(fā)電機，該馬達(dá)或發(fā)電機布置成以冷卻流體將轉(zhuǎn)子磁體冷卻至低的溫度并且將定子冷卻至更低的溫度。
[0029]圖6示出了用于轉(zhuǎn)子上的冷卻流體的通道的放大圖(enlargement)。
[0030]圖7示出了適合用于均勻冷卻線圈的線圈形狀。
[0031]圖8示出了磁體溫度測量裝置。
[0032]圖9示出了磁體溫度測量裝置及布置，以減少大量流體的旋轉(zhuǎn)。
[0033]圖10示出了在圖11中示出的馬達(dá)或發(fā)電機的截面。
[0034]圖11示出了適合用于均勻冷卻線圈的線圈形狀和裝置，以確保冷卻流體的均勻分布。
[0035]圖12至圖15示出了具有通過內(nèi)部冷卻液流體對轉(zhuǎn)子和定子部件進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，內(nèi)部冷卻液流體由馬達(dá)/發(fā)電機中的磁體加熱并且在馬達(dá)的內(nèi)側(cè)被冷卻，在這些圖中:
圖12示出了具有永磁體轉(zhuǎn)子的馬達(dá)或發(fā)電機，該馬達(dá)或發(fā)電機布置成通過在諸如油等熱的傳輸流體之上的定子齒部來冷卻轉(zhuǎn)子，并且意欲消除馬達(dá)和周圍環(huán)境之間的壓力差。
[0036]圖13示出了具有永磁體轉(zhuǎn)子的馬達(dá)或發(fā)電機，該馬達(dá)或發(fā)電機布置成通過在諸如油等熱的傳輸流體之上的定子齒部來冷卻轉(zhuǎn)子，并且意欲降低馬達(dá)和周圍環(huán)境之間的壓力差。
[0037]圖14示出了圖13的馬達(dá)的部分放大圖。
[0038]圖15示出了與圖13的馬達(dá)相似的馬達(dá)，但該馬達(dá)具有部分封裝(potted)的定子并且不具有內(nèi)部泵。
[0039]圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的實例?！揪唧w實施方式】
[0040]在下文中，將給出本發(fā)明的詳細(xì)描述。將認(rèn)識到的是，這些圖僅用于圖示且不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0041]圖1示出了與在圖2中示出的馬達(dá)或發(fā)電機的軸線相垂直的截面A-A。
[0042]圖2示出了與同樣的永磁體馬達(dá)/發(fā)電機201的軸線平行的截面B-B。磁體具有非常高的磁性能積(BH product),而對于在高溫下承受高的定子電流能力有限。磁體的冷卻通過冷卻流體流進(jìn)行，該冷卻流體流在進(jìn)入馬達(dá)/發(fā)電機之后通過路徑(202-208)被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子磁體通道，該路徑未引起流體的任何實質(zhì)性升溫。
[0043]流體沿著由從202至203的細(xì)線所指示的路徑而行。轉(zhuǎn)子204具有盤形部205和空心筒形部206，磁體207裝配在該空心筒形部206上。
[0044]冷卻流體可通過三個開口中的一個從右腔體208通行至左腔體209。(在一些實施例中，這些開口中的一個或兩個可能被省略，或給予非常低的流量)。最低的開口是進(jìn)入通道形成部210和磁體承載器206之間并且進(jìn)一步通過開口 211的。第二路徑是通過在兩個相鄰的磁體207、磁體承載器206和零件(item) 213之間(在放大圖圖3中示出)限定的通道212。零件213在行業(yè)中經(jīng)常使用以使磁體保持就位，并且可由碳纖維、玻璃纖維、熱收縮薄膜(heat shrink film)、不銹鋼管等組成。第三開口是在轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙228中。開口 211的面積取決于在磁體之間的開口 212的面積。低且寬的磁體將導(dǎo)致用于開口212的面積較小，并且可能需要較大的開口 211。
[0045]在進(jìn)入腔體209之后，流體將被迫使經(jīng)過在兩個線圈215之間的腔體214或在定子齒部217之間的腔體216。為避免流體從腔體208泄漏至上腔體219，存在與定子磁極尖端220中的凹陷相適配的彈性密封件218以及在定子磁極217和右馬達(dá)護(hù)罩222之間的另一個密封件221。
[0046]基本上，整個轉(zhuǎn)子205-206浸泡在冷卻流體中。這也為整個轉(zhuǎn)子提供了一些冷卻，并且由此也為磁體提供了一些冷卻。
[0047]流體將最終通過開口 227進(jìn)入上腔體219。該腔體部分地由類似于管224上的零件223的螺旋成形螺紋構(gòu)成的螺紋裝置組成。軟鐵定子磁極的外部225與管224直接接觸，并且因此來自定子磁極的熱量能夠通過管224流動并且進(jìn)一步流動至冷卻流體。
[0048]圖3是圖1的一部分的放大圖。在定子磁極220和轉(zhuǎn)子輪箍213之間的間隙228在該放大圖中清晰可見。此間隙通常命名為“空氣間隙”。由于在本申請中所描述的實施例中該間隙由冷卻流體填充，在本文中使用了詞語“間隙”。
[0049]作為實例，冷卻流體可以進(jìn)入具有55°C入口溫度的馬達(dá)。在磁體下方經(jīng)過的流體將從磁體承載器206吸取熱量。該熱量由磁體承載器中與磁體207中的渦流產(chǎn)生。一些熱量也從定子磁極217傳導(dǎo)至“間隙”228中的冷卻流體。穿過腔體212的流體將從磁體207并且從磁體承載器206吸收熱量。如果輪箍213具有差的導(dǎo)熱性，這是有利的，例如由浸潰的(impregnated)玻璃纖維制成。最后，剩余的流體將穿過間隙228。它將從定子磁極217吸收熱量。重要的是，在“間隙”中的流體被新鮮冷卻的流體替代；這可通過調(diào)整腔體211和212的面積來控制。
[0050]隨后流體將經(jīng)過腔體214或216。腔體214面向定子線圈215的外繞組層。最外層226將因此與流體直接接觸。在定子繞組215的最內(nèi)層中產(chǎn)生的熱量將向外傳遞至最外層226或通過定子磁極朝管224傳遞。通過提供定子線圈的有效冷卻，面向轉(zhuǎn)子磁體207的定子磁極217的溫度將是較低的，以此降低了磁體的溫度。
[0051]圖4示出了在圖5中示出的馬達(dá)或發(fā)電機的截面。
[0052]圖5示出了具有永磁體轉(zhuǎn)子的馬達(dá)或發(fā)電機500，該馬達(dá)或發(fā)電機500布置成以在501處進(jìn)入并在502處離開的冷卻流體對轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行冷卻。它以這樣的形式布置:冷卻流體將首先到達(dá)磁體，因此磁體可被保持在與進(jìn)入流體的溫度接近的溫度下。
[0053]流體通過口狀物503進(jìn)入，并且進(jìn)一步至軸505中的通道504。自通道504存在至少一個另外的通道506，該通道506在流體貯存器(reservoir) 507中終結(jié)。貯存器壁508a的外端部508b將流體向上引導(dǎo)至在磁體510、磁體支承圓筒(magnet supportcylinder) 511和輪箍512之間的腔體509，這些零件在放大圖圖6中示出。冷卻流體將由此直接到達(dá)磁體510的左側(cè)和右側(cè)，但也將對磁體支承圓筒(其由類似于鐵的軟磁性材料制成)進(jìn)行冷卻，并且由此也通過支承圓筒511對磁體的下側(cè)進(jìn)行冷卻。上側(cè)由輪箍512覆蓋，該輪箍512優(yōu)選地具有低的導(dǎo)熱性。
[0054]在經(jīng)過通道509之后，流體進(jìn)入另一個貯存器513。從那里，唯一的出口是腔體519和520以及定子磁極冷卻通道514。
[0055]定子磁極的下部以515示出。中部被隱藏在繞組215的內(nèi)側(cè)，并且上部以516示出。在上定子磁極中的切口 514允許冷卻流體與定子材料直接接觸。
[0056]在經(jīng)過了三個通道214、216和/或514中的一個之后，流體進(jìn)入貯存器517，其通過出口 518退出。
[0057]圖7示出了不同形狀的線圈701和702。這種形狀產(chǎn)生了具有兩個平行側(cè)的通道703，由此產(chǎn)生了在線圈之上的冷卻流體的均勻速度。存在用于流體的兩個其他通道。通道704對定子疊片(stator lamination) 706進(jìn)行冷卻，并且通道705對磁體進(jìn)行冷卻。
[0058]圖8示出了通過在轉(zhuǎn)子中的孔802而裝配在磁體表面上的溫度測量裝置801。該裝置可以例如是熱敏電阻或PtlOO電阻器。
[0059]圖9示出了具有轉(zhuǎn)子901、具有永磁體902的馬達(dá)或發(fā)電機900，并且布置成對轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻并測量磁體的溫度。磁體和定子由在903處進(jìn)入并在904處退出的冷卻流體進(jìn)行冷卻。
[0060]流體通過口狀物905進(jìn)入，并且進(jìn)一步到達(dá)軸907中的通道906。自通道906存在至少一個另外的通道908，通道908在流體貯存器909中終結(jié)。貯存器具有在徑向方向上的翅片(fin)910，這些翅片910相對于前部護(hù)罩911固定。它們的目的在于將另外促使貯存器909中的流體旋轉(zhuǎn)的力抵消掉。
[0061]冷卻流體流將通過在圖7中以703、704和705示出的通道而分成三個部分。在圖5中示出的布置下，整個流將首先到達(dá)磁體，該磁體因此可被保持在與進(jìn)入流體的溫度接近的溫度下。為了獲得在圖9中示出的布置下的相同低溫，將需要較高的總流體流，因為只有一部分的流將穿過磁體之間的通道705。
[0062]在經(jīng)過通道703-705之后，流體進(jìn)入另一個貯存器913。同樣地，此體積具有徑向翅片914，以減少腔體913中的流體的旋轉(zhuǎn)。最后，流體通過口狀物915退出。
[0063]溫度測量裝置801也在圖9中示出，并且在圖中被連接到安裝在轉(zhuǎn)子盤912上的信號傳輸單元916。該單元包含能量存儲器(energy storage),當(dāng)馬達(dá)/發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時,該能量存儲器通過稱合線圈(pick-up coil)917進(jìn)行充電,該稱合線圈917由在類似于914的靜止翅片上的一組磁體918饋電。
[0064]將數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)子傳輸至馬達(dá)機殼的信號傳輸單元916能夠基于例如馬達(dá)殼體內(nèi)側(cè)的無線電鏈接(radio link)、藍(lán)牙裝置、使用了頻率調(diào)制或感應(yīng)耦合裝置的在轉(zhuǎn)子上的一組LED和在馬達(dá)機殼上的一組光接收器。安裝在機殼上的接收器的未被不出。傳輸單?？商幚戆惭b在不同磁體上的若干個溫度傳感器。
[0065]圖10和圖11示出了與在圖4-6中示出的馬達(dá)相似的馬達(dá)。該馬達(dá)具有適用于使線圈均勻冷卻的線圈形狀及裝置1001，以確保冷卻流體的均勻分布。裝置1001產(chǎn)生了在優(yōu)選方向上對于流具有低阻力的區(qū)段。該區(qū)段在兩個磁體和三個出口 1002、1003及1004之間平均包含一個流體入口 1005(取決于轉(zhuǎn)子的位置)。裝置1001產(chǎn)生了用于流體從一個區(qū)段流至相鄰區(qū)段的狹窄通道。
[0066]圖12示出了通過具有永磁體轉(zhuǎn)子1201的馬達(dá)或發(fā)電機1200的截面，馬達(dá)或發(fā)電機1200布置成通過諸如油等內(nèi)部熱量傳輸流體來對轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，該內(nèi)部熱量傳輸流體將轉(zhuǎn)子磁體1202和轉(zhuǎn)子背鐵(rotor back iron) 1203中產(chǎn)生的熱量傳輸至定子齒部1204，并且在此之后傳輸至定子管1205。在示出的實施例中，定子管由在通道1206中運行的外部冷卻液體進(jìn)行冷卻。備選地，定子管可被空氣冷卻。定子繞組1207由線軸(bobbin) 1217保持就位，并且進(jìn)一步由諸如環(huán)氧樹脂或娃樹脂1208的封裝材料(potting material)絕熱。腔體1209和定子至轉(zhuǎn)子間隙被內(nèi)部熱量傳輸流體填充，該內(nèi)部熱量傳輸流體可通過移除密封螺栓1216而填充。對于非旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的過剩流體以體積1210示出。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，過剩流體將被離心力推動以填充間隙和在該間隙外側(cè)的其他體積，并且剩余流體將在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)產(chǎn)生均勻?qū)印?br> [0067]磁體溫度并非由與磁體緊密接觸的傳感器感測。相反，諸如熱敏電阻的傳感器1218位于靠近磁體處，并且當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時該傳感器浸沒在冷卻流體中。
[0068]當(dāng)流體由于升溫而膨脹時，流體將通過孔1211移入轉(zhuǎn)子腔體中。壓力將保持在周圍環(huán)境下，因為轉(zhuǎn)子腔體中的空氣將通過具有在口狀物1213中的空氣通道1212的通風(fēng)管1220而具有至周圍環(huán)境的自由通路。當(dāng)馬達(dá)關(guān)閉并且流體收縮時，必須存在與轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的體積接觸的至少一個孔1211。針對孔1211周圍的材料流體必須浸濕。相反地，針對在口狀物1213中的開口周圍的材料流體不得浸濕。更進(jìn)一步地，無論馬達(dá)如何傾斜，即使在流體的最大的膨脹狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的流體體積也不應(yīng)到達(dá)口狀物中的開口。當(dāng)這些條件都滿足時，流體將無法通過通道1212而退出至周圍環(huán)境。由此在密封軸承1214和1215之上沒有壓力差的情況下，能夠?qū)︸R達(dá)部件和流體的膨脹及收縮進(jìn)行處理。
[0069]圖13示出了具有雙回路冷卻的馬達(dá)或發(fā)電機1301的截面。內(nèi)部回路具有液體冷卻。外部冷卻能夠使用液體或空氣。
[0070]馬達(dá)具有帶繞組1303的軟鐵定子1302以及帶永磁體1305的轉(zhuǎn)子1304。
[0071]馬達(dá)系統(tǒng)具有內(nèi)部液體冷卻回路，該內(nèi)部液體冷卻回路包含儲藏裝置(magazine)、泵送裝置、將該內(nèi)部冷卻回路用熱的方式(thermally)連接到外部冷卻裝置的熱交換裝置、磁體冷卻通道和返回通道。
[0072]在示出的實施例中，儲藏裝置和返回通道由在轉(zhuǎn)子中的腔體1306組成。在旋轉(zhuǎn)期間，冷卻流體將由離心力徑向向外推動，如以液面(level) 1307所示。冷卻回路也包含一些空氣，以便降低由于部件的不同熱膨脹而出現(xiàn)的壓力差，空氣體積以1308示出。
[0073]對內(nèi)部回路液體起作用的泵是基于由轉(zhuǎn)子的表面1401(在圖14中示出)產(chǎn)生的、對旋轉(zhuǎn)表面1401和后部護(hù)罩1309的靜止表面之間的液體起作用的離心力。表面1401的適當(dāng)形狀取決于速度、溫度和液體，并且可以是從粗糙表面到如圖14中示出的常規(guī)扇翼(fanwing)的任何形狀。
[0074]隨后，內(nèi)部回路流體穿過在定子1302和轉(zhuǎn)子磁體1305之間的間隙1316，由此對磁體進(jìn)行冷卻。
[0075]最終，流體返回至存儲器1307。這種從定子-轉(zhuǎn)子磁體間隙到存儲器1307的路徑也將起到泵的作用，產(chǎn)生了朝向(direct against)內(nèi)部回路液體的預(yù)期流的壓力。通過對旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的距離、表面精加工以及最終表面1401上的扇翼進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，能以適當(dāng)?shù)拈g隔保持該流。在轉(zhuǎn)子軸1315中的密封螺栓被用來使冷卻流體填充入馬達(dá)中。
[0076]在示出的實施例中的外部冷卻由用于諸如水或水乙二醇混合物等冷卻流體的通道組成。備選地，可使用空氣冷卻。流體通過入口 1310進(jìn)入至在后部護(hù)罩1309中的循環(huán)路徑1311。在路徑1311中經(jīng)過180度之后，該流體進(jìn)入了引導(dǎo)至定子管1314中的螺旋形路徑1313的通道1312。冷卻流體將定子管1314保持在低溫下，并且由此直接地對定子鐵1302進(jìn)行冷卻，并且間接地對定子線圈1303進(jìn)行冷卻(定子線圈是用熱的方式連接至定子鐵的)。
[0077]在轉(zhuǎn)子磁體-定子間隙中具有油冷卻的基本原則可以通過不同的方式以增加的復(fù)雜性而實現(xiàn):
在沒有泵送裝置的情況下，一種非常簡單的系統(tǒng)能夠運行，該系統(tǒng)具有外部流體通道1311或1302或兩者兼具并且具有大到足以填充轉(zhuǎn)子磁體-定子間隙的第二流體體積。如果定子磁極溫度顯著低于就磁體而言的臨界溫度，那么這樣的系統(tǒng)可能限制磁體溫度。即使銅繞組在130°C時，定子磁極將處于繞組的溫度和定子管的溫度之間的某個溫度，并且例如當(dāng)如以1313所示出的螺旋形通道輸送有低溫水時，定子管的溫度可以是相當(dāng)?shù)偷摹?br> [0078]定子繞組可為磁體冷卻內(nèi)部回路流體所能接近的(accessible)，如在圖13中所示。然而，與示出的實施例相比，這將使磁體冷卻內(nèi)部回路流體的溫度增大。
[0079]定子繞組可被灌封在一些封裝化合物中，以此限制了從繞組到磁體冷卻內(nèi)部回路流體的熱量傳輸，如圖15中所示。
[0080]圖15示出了馬達(dá)或發(fā)電機1501的截面，該馬達(dá)或發(fā)電機1501具有類似于圖13的馬達(dá)的雙回路液體冷卻，但不具有泵翅片而具有封裝的定子。封裝化合物1516填充了馬達(dá)中的大部分腔體，腔體是在接觸了繞組線軸1503的內(nèi)端部的圓筒的外側(cè)。
[0081]馬達(dá)具有帶繞組1503的軟鐵定子1502以及帶永磁體1505的轉(zhuǎn)子1504。
[0082]馬達(dá)系統(tǒng)具有包含流體儲藏裝置的內(nèi)部液體冷卻回路以及氣體壓力變化減少體積1506,該氣體壓力變化減少體積1506通過類似于1508的輸送孔來將熱傳導(dǎo)流體輸送至轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙1507中。在轉(zhuǎn)子鐵和磁體中產(chǎn)生的熱量通過在轉(zhuǎn)子-定子間隙1507中的流體和定子磁極被傳導(dǎo)至由外部冷卻流體冷卻的定子管1509。流體在1513處進(jìn)入，在螺旋形形狀的通道1510中運行,并且在1514處退出。[0083]對馬達(dá)內(nèi)側(cè)的冷卻流體的體積進(jìn)行選擇，使得在所有高速操作條件下，在轉(zhuǎn)子-定子間隙1507中都存在流體。在離心力已將幾乎所有流體推出轉(zhuǎn)子腔體1506之外并因此使空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔體之后，空氣將被流體替代，該空氣最初可能在轉(zhuǎn)子-定子間隙1507的外側(cè)(如在外側(cè)從轉(zhuǎn)子軸的軸線所看見的那樣)諸如1511的腔體的內(nèi)側(cè)。
[0084]如果在馬達(dá)內(nèi)側(cè)不存在空氣(或一些其他氣體)，當(dāng)該馬達(dá)變熱時，流體的不同的(通常較高的)熱膨脹將在馬達(dá)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生高的壓力。那將在軸密封1512或諸如電氣連接器(未示出)的部件中產(chǎn)生流體泄漏。通過在轉(zhuǎn)子-定子間隙1507內(nèi)側(cè)采用相對較大的腔體和適當(dāng)體積的流體，冷和熱的馬達(dá)之間的壓力差可降低至幾分之一巴(a fraction of oneBar)，對于具有比圖15中示出的轉(zhuǎn)子直徑低得多的轉(zhuǎn)子直徑的馬達(dá)而言同樣如此。流體可例如通過移除螺栓1515并且用口狀物取代它而進(jìn)入，口狀物首先施加真空以移除空氣，隨后用適當(dāng)體積的油來填充馬達(dá)。
[0085]圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)1600的實例?？刂茊卧?601通過插入一些定子線圈中的熱敏電阻或其他傳感器1602來獲得關(guān)于定子線圈溫度的數(shù)據(jù)，并且從放置在轉(zhuǎn)子磁體中的一個上的傳感器1603獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)。此信息是通過在轉(zhuǎn)子上的傳送器1603和在轉(zhuǎn)子機殼上的接收器1605而傳輸至控制單兀1601的?；诖诵畔?控制單元可將馬達(dá)電流限制至在磁體的安全操作范圍之內(nèi)的對于磁體的當(dāng)前溫度有效的值。作為實例，磁體材料N48H在60°C時確實允許較大的定子電流，該較大的定子電流迫使其內(nèi)部B-場(B-field)(從在零定子電流下的大約1.2T)下降至大約0.3T而沒有任何不可逆的退磁。在100°C時，定子電流不得迫使磁體內(nèi)部B-場(從在零定子電流下的大約1.1T)下降至小于大約0.6T。電流由常規(guī)開關(guān)1607控制，并且所產(chǎn)生的電流以常規(guī)方式由電流換能器1606感測。磁體的實際溫度能使用數(shù)學(xué)模型來估計，其中磁體中的新近能量損耗和所估計的新近冷卻能夠被用來估計在傳感器1603的位置處的磁體熱點和磁體溫度之間的溫度差。同樣的信息能夠被用來通過改變泵1609和/或散熱器1608的速度來調(diào)節(jié)冷卻流體的流量。
[0086]如對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員顯而易見的，溫度控制可通過多種方式實現(xiàn)。安裝在轉(zhuǎn)子上的溫度傳感器可被安裝在機殼上的換能器替代，如在圖12中以零件1218所示的那樣。安裝在轉(zhuǎn)子上的溫度傳感器不得直接裝配在磁體上，但可被裝配在轉(zhuǎn)子中熱封閉的(thermally close)、即具有與轉(zhuǎn)子磁體的溫度僅偏差幾度的溫度的某個其他部分上。
[0087]冷卻流體應(yīng)具有良好的絕熱特性。變壓器油是一種可能的冷卻流體。
[0088]對適合用于根據(jù)本發(fā)明的敏感的高場強磁體的馬達(dá)/發(fā)電機的一些優(yōu)選的實施例進(jìn)行了描述。然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員意識到的是，在沒有脫離本創(chuàng)造性概念的情況下，這些實施例可在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。在沒有脫離本創(chuàng)造性概念的情況下，上文的所有已描述的備選實施例或?qū)嵤├牟糠挚勺杂山Y(jié)合，只要結(jié)合沒有矛盾。
【權(quán)利要求】
1.一種電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括: -轉(zhuǎn)子，其具有安裝在所述轉(zhuǎn)子的表面上的磁體，所述磁體面向在間隙對面的定子， -所述磁體具有非常高的通量密度，而對于在高溫下承受高的定子電流能力有限，優(yōu)選地磁體由N48H材料制成，以及 -轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)，其通過冷卻流體來降低所述磁體的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述轉(zhuǎn)子磁體冷卻機構(gòu)包括迫使來自馬達(dá)/發(fā)電機外部的源的冷卻流體經(jīng)過由兩個相鄰的磁體(207，510)、磁體承載軟鐵轉(zhuǎn)子(206，511，901)和磁體保持輪箍(213，512)組成的通道(212，509，705)的機構(gòu)，以此在所述磁體的兩側(cè)上直接對所述磁體進(jìn)行冷卻，并且經(jīng)由軟鐵轉(zhuǎn)子在所述磁體的第三側(cè)上間接對所述磁體進(jìn)行冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述電動馬達(dá)/發(fā)電機適于容許所有冷卻流體進(jìn)入馬達(dá)/發(fā)電機中，并且適于進(jìn)一步引導(dǎo)所有冷卻流體通過路徑(202，208; 501, 506, 507, 508)至轉(zhuǎn)子磁體通道，其中所述流體的升溫被保持為低的，優(yōu)選地低于4°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述電動馬達(dá)/發(fā)電機適于容許所述冷卻流體進(jìn)入馬達(dá)/發(fā)電機中，并且適于進(jìn)一步將一部分所述冷卻流體通過路徑(903，906, 908, 909)引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子磁體通道(705)，其中溫度的升溫被保持為低的，優(yōu)選地低于4°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述電動馬達(dá)/發(fā)電機包括布置成與磁體緊密接觸的至少一個溫度換能器(801)，其中所述溫度換能器(801)適于感測至少一個磁體的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述溫度換能器(801)連接至信號傳輸單元(916)，所述信號傳輸單元(916)適于傳輸與由所述溫度換能器(801)感測的溫度相對應(yīng)的溫度信號，其中所述溫度信號通過下述從諸如轉(zhuǎn)子盤(912)的旋轉(zhuǎn)部分傳輸至靜止部分:例如在馬達(dá)殼體內(nèi)側(cè)的無線電線路、藍(lán)牙裝置、使用了頻率調(diào)制或感應(yīng)耦合裝置的在轉(zhuǎn)子上的一組LED和在馬達(dá)機殼上的一組光接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，所述磁體的冷卻是借助于填充了在轉(zhuǎn)子磁體和所述定子之間的間隙(1219，1316，1507)的來自馬達(dá)/發(fā)電機的內(nèi)部的源的冷卻流體而實現(xiàn)的，以此降低了通過定子磁極(1204，1302，1502)和定子管(1205，1314，1509)從所述磁體(1202，1305, 1505)到外部冷卻流體(1206，1313，1510)的路徑中的熱阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，借助于泵送裝置(1401)使內(nèi)部冷卻流體從由所述外部冷卻流體(1310)直接冷卻的表面(1309)傳輸至在轉(zhuǎn)子磁體和所述定子之間的間隙(1315)，所述磁體的冷卻得到進(jìn)一步的改善。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括: -在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子腔體， -在馬達(dá)腔體內(nèi)側(cè)的冷卻流體和空氣兩者， -在所述轉(zhuǎn)子中的孔，所述孔允許馬達(dá)內(nèi)部的冷卻流體進(jìn)入并離開所述轉(zhuǎn)子，其取決于由馬達(dá)溫度差引起的冷卻流體體積上的改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括通風(fēng)管(1220)，所述通風(fēng)管(1220)在一端中具有至周圍環(huán)境空氣的自由通路，并且所述通風(fēng)管具有其在所述轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的另一端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，對所述轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)側(cè)的通風(fēng)管口狀物(1213)的位置和所述冷卻流體的體積以這樣的方式進(jìn)行選擇:無論馬達(dá)如何傾斜，所述冷卻流體的表面都不會到達(dá)所述通風(fēng)管的口狀物。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其中，對所述冷卻流體的體積進(jìn)行選擇，使得當(dāng)所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子-定子間隙(1219，1313，1507)中總是存在流體，并且使得所述馬達(dá)內(nèi)側(cè)的壓力在任何溫度下都是足夠低的，以避免通過軸密封泄漏。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括具有控制單元(1601)的控制系統(tǒng)(1600)，所述控制單元(1601)適于通過插入一些定子線圈中的優(yōu)選地為熱敏電阻的至少一個傳感器(1602)來獲得關(guān)于定子線圈溫度的數(shù)據(jù)，并且從放置在轉(zhuǎn)子磁體中的一個上或放置成用熱的方式靠近轉(zhuǎn)子磁體中的一個的至少一個傳感器(1603)來獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)，所述控制單元能夠通過控制冷卻液流體泵(1609)和/或散熱器(1608)來調(diào)整冷卻流體溫度或流量，以便影響所述定子線圈和磁體的溫度。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括具有控制單元(1601)的控制系統(tǒng)(1600)，所述控制單元(1601)通過開關(guān)(1607)來控制到達(dá)定子線圈的電流，并且所述控制單元(1601)適于從放置在轉(zhuǎn)子磁體中的一個上或放置成用熱的方式靠近轉(zhuǎn)子磁體中的一個的至少一個傳感器(1603)來獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)，所述控制單元將到達(dá)定子線圈的電 流限制至在實際磁體溫度下將不會引起所述磁體的不能改變的消磁的值。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電動馬達(dá)/發(fā)電機，其包括具有控制單元(1601)的控制系統(tǒng)(1600)，所述控制單元(1601)通過開關(guān)(1607)來控制到達(dá)定子線圈的電流，并且所述控制單元(1601)適于從放置成用熱的方式靠近所述轉(zhuǎn)子磁體的至少一個傳感器(1208)來獲得關(guān)于磁體溫度的數(shù)據(jù)，所述控制單元將到達(dá)定子線圈的電流限制至在實際磁體溫度下將不會引起所述磁體的不能改變的消磁的值。
【文檔編號】H02K1/27GK103765730SQ201280022455
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月9日
【發(fā)明者】L.斯特里德斯伯格 申請人:斯特里茲伯格創(chuàng)新公司