用于旋转电机的冷却系统的制作方法

1.本发明总体涉及一种旋转电机，尤其涉及一种用于旋转电机的冷却系统。


背景技术：

2.作业机器由电力推进系统提供动力。电力推进系统有时包括将驱动力提供给作业机器的牵引装置的电驱动牵引系统。在一些电驱动牵引系统中，使用开关磁阻电机提供驱动力。
3.开关磁阻电机具有各种不同的电机拓扑(如，定子磁极数量、线圈数量和转子磁极数量)。此外，开关磁阻电机可配置有多相(如，2相、3相、4相或更多相)。开关磁阻电机具有多个定子磁极，每个定子磁极具有环绕其定位的导电线绕组或线圈。线数量和线圈配置是影响开关磁阻电机运行效率的一个因素。
4.开关磁阻电机的运行会在电机内产生大量热量。能以许多方式冷却开关磁阻电机。在一些情况下，提供对流冷却系统将热从开关磁阻电机中排出。希望在冷却开关磁阻电机方面作出改进，以提高发电能力、效率，增加寿命。
5.美国专利号为9,621,011的美国专利公开了一种开关磁阻电机，其具有定子和转子，定子具有多个定子磁极，定子磁极上具有绕组，转子能相对于定子旋转。定子套筒环绕定子芯布置，包括对流储液器，对流储液器沿绕组的至少一部分延伸并与所述至少一部分建立导热处理关系。传送储液器设置有使对流储液器与传送储液器流体连通的多个传送孔。
6.前面背景技术部分展开的论述仅旨在帮助读者理解，并非旨在限制文中所述的创新，也并非限制或扩大所讨论的现有技术。因此，前面展开的论述不应理解为表示，现有系统的任何特定元件不适于与文中所述的创新方面一起使用，前面展开的论述也不旨在表示任何元件在实施文中所述的创新时是必须的。文中所述的创新的实施和应用由所附权利要求书限定。


技术实现要素：

7.一方面，一种旋转电机包括定子、转子、多个线圈和多个隔离物。定子具有定子主体和多个定子磁极，定子主体具有内圆周面，多个定子磁极远离内圆周面径向延伸。每个定子磁极具有一对相对的侧表面，相邻定子磁极的侧表面面向彼此。转子定位于定子内，具有多个转子磁极。一个线圈环绕每个定子磁极设置，每个线圈具有限定一组线的多个导电线。该组线环绕其各自的定子磁极缠绕，以限定该组线绕定子磁极缠绕多圈。每个线圈还具有内表面、插入端和转子端，内表面大致邻近其各自的定子磁极的侧表面，插入端大致邻近定子主体，转子端与插入端相对。每个隔离物设置在一个线圈与定子主体内表面和定子主体侧表面中的至少一个之间，以在线圈和定子之间限定流体流动开口。
8.另一方面，一种旋转电机包括定子、转子、多个线圈、多个隔离物和流体系统。定子具有定子主体和多个定子磁极，定子主体具有内圆周面，多个定子磁极远离内圆周面径向
延伸。每个定子磁极具有一对相对的侧表面，相邻定子磁极的侧表面面向彼此。转子定位于定子内，具有多个转子磁极。一个线圈环绕每个定子磁极设置，每个线圈具有限定一组线的多个导电线。该组线环绕其各自的定子磁极缠绕，以限定该组线绕定子磁极缠绕多圈。每个线圈还具有内表面、插入端和转子端，内表面大致邻近其各自的定子磁极的侧表面，插入端大致邻近定子主体，转子端与插入端相对。每个隔离物设置在一个线圈与定子主体内表面和定子主体侧表面中的至少一个之间，以在线圈和定子之间限定流体流动开口。与流体流动开口的至少一端相邻处设置有孔。流动系统包括流经流体流动开口和孔的冷却流体。
附图说明
9.图1是开关磁阻电机的一部分的示意性侧视图；
10.图2是组合有文中公开的原理的开关磁阻电机的剖视图；
11.图3是与图2中的开关磁阻电机一起使用的线圈的透视图；
12.图4是图3的线圈大致沿线4
‑
4的截面图；
13.图5是定子的一部分的局部侧视图，该定子与图2中的开关磁阻电机一起使用，图3中的线圈设置在该定子上；
14.图6是类似于图5的局部侧视图，但示出的线圈是其截面，示出了隔离物的第一实施例；
15.图7是图6的一部分的放大的局部侧视图；
16.图8是定子磁极和线圈的局部部件分解图，包括文中公开的隔离物的第一实施例；
17.图9是类似于图8的视图，但示出了文中公开的隔离物的第二实施例；
18.图10是类似于图6的局部侧视图，但示出了文中公开的隔离物的第三实施例；
19.图11是图10的一部分的放大局部侧视图；
20.图1 2是定子磁极和线圈的局部部件分解图，类似于图8，但包括文中公开的隔离物的第三实施例；
21.图13是类似于图12的视图，但示出了文中公开的隔离物的第四实施例；并且
22.图14是与图2中的开关磁阻电机一起使用的定子套筒的透视图。
具体实施方式
23.参见图1
‑
2，旋转电机(如，开关磁阻电机10)包括定子11和转子12，转子12可旋转地设置在定子11中。环形定子套筒13包围定子11的外圆周面19，并在圆周方向上与该外圆周面19接合。外壳14包围定子套筒13的外圆周面，并在圆周方向上与该外圆周面接合。电机10包括旋转轴线27，转子12绕旋转轴线27旋转。
24.定子11具有定子主体16，定子主体16的内圆周面20面向转子12。多个定子磁极17从定子主体16的内圆周面20径向向内延伸。每个定子磁极17具有一对相对的侧表面21。相邻定子磁极17的面向对方的侧表面21之间的空间限定定子槽22，绕组或线圈30的导线位于定子槽22内。换句话说，每个定子磁极17具有导电绕组或绕其周围缠绕的线圈30，因此每个线圈的一部分位于相邻的定子槽22中。
25.位于每组相组(a ，a
‑
和b ，b
‑
)的定子磁极17周围的线圈30电连接，被配置为并联或串联电路的一部分。定子11是通过将多个整体式连续环形铁构件堆叠在一起而形成的。
一层绝缘材料(未示出)设置在每个铁构件之间。
26.转子12具有转子主体25，转子主体25的多个转子磁极25从主体径向向外延伸。在开关磁阻电机中，转子12不具有绕组或磁铁。转子12由一堆层叠铁，整体式连续环形构件(未示出)形成。能考虑具有其他结构和配置的转子12，这对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。此外，尽管示出图2中的电机为开关磁阻电机，但是，文中公开的概念适用于其他旋转电机，如开关磁阻发电机或转子12具有永久磁铁或其他结构或配置的发电机。
27.如图所示，定子11包括八个径向向内伸展的定子磁极17，转子12包括四个径向向外伸展的转子磁极26。开关磁阻电机10的相数以及定子磁极17和转子磁极26的数量仅是示例的，不是限制性的。
28.参照图3
‑
4，每个线圈30由多个导电线31形成，导电线31限定一组线，该组线以大致椭圆的方式缠绕预定次数或圈数以限定中央开口32。中央开口32的尺寸大致对应于定子磁极17的横截面尺寸，因此，在制造开关磁阻电机10期间线圈30能滑动到定子磁极上。
29.每个线圈30包括插入端33和转子端34，插入端33大致靠近定子11的定子主体16，转子端34与插入端相对，大致靠近定子磁极17的端面。内表面35被配置成靠近或邻近其各自的定子磁极17，复合外表面36与内表面35大致相对。因此，从插入端33或转子端34的角度观察，内表面35和外表面36均限定大致为椭圆形的表面。插入端33和转子端34使内表面35和复合外表面36相互连接。每个线圈30具有一对主要部分37和一对次要部分38，每个次要表面与该对主要部分相互连接。
30.复合外表面36包括第一支腿部分39和第二支腿部分40。第一支腿部分39从线圈30的插入端33朝转子端34延伸。第二支腿部分40从转子端34朝插入端33延伸，与第一支腿部分39在相交处41相交。第一支腿部分39和第二支腿部分40被定位或配置成在相交处41以角度42相交。因此，第一支腿部分39限定宽度大致一致(即，从内表面35至外表面36的距离)的第一部分44。第二支腿部分40限定宽度逐渐变小的第二部分45。角度42基于或取决于定子11的定子磁极17的数量。在一个实施例中，角度42大致等于360
°
除以定子磁极17的数量。图3
‑
4所示的线圈30与具有十二个定子磁极17的定子11一起使用，因此，角度42被配置为大致30
°
。在许多应用场合，角度42在大致15
°
至60
°
之间。
31.尽管附图中示出复合外表面36环绕线圈30的整个外表面延伸，但是在一些配置中，仅主要部分37包括复合外表面36。
32.耐热的电绝缘层或包覆层43沿主要部分37应用于外表面36上。在某示例中，绝缘包覆层43由一种或多种材料形成，如包覆层43由一种或多种材料形成，如云母或具有类似性质的其他材料。另外，包覆层43由不同材料或材料组合形成、和/或包覆层43在线圈30周围不同位置的厚度不同。在一些实施例中，包覆层43沿线圈30的全部或一部分形成刚性外表面。
33.如图4所示，每个导电线31具有大致为圆形的横截面。在一些配置中，导电线31的横截面可以是非圆形，如椭圆形、正方形或矩形。导电线31由高导电柔性材料(如，铜)形成，其上具有绝缘层。在某实施例中，使用具有一层漆包绝缘材料的磁导线。
34.在组装定子11期间，第一支腿部分39和第二支腿部分40之间的角度42可让每个线圈30的插入端33滑动到定子磁极17上，而不会与安装在相邻定子磁极上的相邻线圈接合或接触。换句话说，角度42形成了能让相邻线圈30的第一支腿部分39穿过的间隙或开口。
35.参照图5，一将线圈30安装在定子磁极17上，相邻线圈的第一支腿部分39之间的空间就限定大致为v形的第一通道50，第一通道50靠近定子主体16，沿相邻线圈对的相邻的主要部分37的整个长度延伸。v形第一通道50的较宽部分设置成靠近定子主体16。相邻线圈30的第二支腿部分40之间的空间限定大致为v形的第二通道，第二通道51也沿相邻线圈对的相邻的主要部分37的整个长度延伸。v形第二通道51被配置在与v形第一通道50相对的方位上，因此，通道的最窄部分靠得最近。v形第一通道50和v形第二通道51通过通道的较窄部分相互保持流体连通。
36.在开关磁阻电机10运行期间，提供所需大小和持续时间的电压脉冲，在定子磁极17的线圈30内产生直流电流，按顺序激发各相邻组定子磁极17或使其按顺序通电，从而使转子12旋转。定子磁极17的通电产生磁力线，引起朝磁力线吸引转子磁极26，从而倾向于使转子磁极与通电的定子磁极17对准。
37.当转子磁极26与一组通电的定子磁极17对准时，电压脉冲终止，随后被输送给相继的下一定子磁极17，因而通向通电磁极的直流电流终止，随后被输送给相继的下一定子磁极17。然后，向相继的下一组定子磁极17吸引转子磁极26，从而使转子12连续旋转。开关磁阻电机10运行期间该过程持续进行。转子磁极16倾向于与通电的定子磁极17对准，从而产生转矩。在发电机运行期间，使线圈通电和断电的顺序是相反的。
38.由于开关磁阻电机10的运行，会在电机10内产生热。冷却开关磁阻电机10会让电机的运行更高效、寿命更长。特别地，线圈30会产生大量热，因此，在一些情况下，油、空气或另一冷却流体或介质流经相邻线圈30的各第一支腿39之间的v形第一通道50、和相邻线圈的各第二支腿40之间的v形第二通道51，从而提高开关磁阻电机10内的冷却效果。
39.为了增大线圈30的接触油、空气或另一冷却流体或介质的表面面积，隔离物设置在线圈和定子主体16之间，以沿线圈限定一个或多个流体流动开口。这类流体流动开口能采用任何形式(如，间隙或通道)，能减小为了去除线圈30的热量，而对定子套筒13、定子主体16和定子磁极17之间进行热传导的依赖程度。
40.隔离物具有任何所需的配置和/或结构。更具体而言，参照图6
‑
9，多个隔离物60、61、63、64与定子主体16和定子磁极17一体形成。如图所示，一对定子磁极隔离物60、61沿每个定子磁极17的侧表面21间隔开。定子磁极隔离物60被设置成大致靠近或朝向定子主体16的内圆周面20和定子磁极17的侧表面21的相交处24，而定子磁极隔离物61被设置成大致靠近定子磁极17的端部23。定子磁极隔离物60、61在定子磁极17的侧表面21和线圈30的内表面35之间限定定子磁极开口62。
41.一对定子主体隔离物63、64沿定子主体16的内圆周面20间隔开，靠近每个定子磁极17。定子主体隔离物63被设置成大致靠近或朝向定子主体16的内圆周面20和定子磁极17的侧表面21的相交处24，而定子主体隔离物64沿内圆周面20设置，但与定子主体隔离物63隔开。定子主体隔离物63、64在定子主体16的内圆周面20和线圈30的插入端33之间限定定子主体开口65。
42.如图6
‑
9所示，定子磁极隔离物60和定子主体隔离物63相连接，使得定子11的内圆周面在定子主体16和定子磁极17之间的拐角66的相交处是弯曲的。因此，在某实施例中，单个隔离元件而非定子主体16和定子磁极17的各不同隔离物，能与支撑线圈30的单个隔离元件一起使用，以将线圈与定子主体和定子磁极均隔开。根据前面所述能理解为，定子磁极隔
离物60和定子主体隔离物63是在圆周方向上间隔开的单独部件，或者它们能在拐角66处相互连接。另外，沿内圆周面20位于单个定子槽22内的各定子主体隔离物64通过腹板67相互连接(如图6
‑
7所示)，或作为单独元件沿内圆周面在圆周方向上间隔开。
43.参照图8，在某实施例中，定子磁极隔离物60、61和定子主体隔离物63、64是细长的，沿定子11的整个或几乎整个轴向长度69(即，平行于转子的旋转轴线27)延伸。在这种情况下，定子磁极开口62和定子主体开口65在定子11的相对轴向端之间限定细长的流体流动通道或具有所述相对轴向端之间的细长流体流动通道的特征。
44.在图9所示的另一实施例中，没有将定子磁极隔离物60和定子主体隔离物63配置成沿定子11的整个或几乎整个轴向长度69延伸的细长构件，而是定子磁极隔离物60和定子主体隔离物63包括多个轴向隔开的单独隔离元件60a、63a。这种配置能让冷却流体定子磁极开口62和定子主体开口65之间流动。在这种情况下，定子磁极开口62和定子主体开口62的特征在于或称之为流体流动间隙，而非通道(尽管定子磁极开口62和定子主体开口65能共同起到一个或多个流体流动通道的作用)。
45.根据前面所述能理解到，连续的细长定子磁极隔离物60、61和连续的细长定子主体隔离物63、64的形成方式为，使用于形成定子主体16的每层或每个叠层上包括隔离物。为了形成间隔开的定子磁极隔离物60a和定子主体隔离物63a，用于形成定子主体的仅一些层或叠层上能包括这类隔离物。
46.如果需要，定子磁极隔离物61和定子主体隔离物64中的任一个或两者也能形成为轴向隔开的构件。由轴向隔开的各构件形成定子磁极隔离物61，便于冷却流体流经线圈30的转子端34。由轴向隔开的各构件形成定子主体隔离物64，便于冷却流体在一个定子槽22内的相邻定子主体开口65之间流动。
47.在其他实施例中，定子磁极隔离物60、61和定子主体隔离物63、64中的一些或全部为独立于定子11形成的部件。例如，参照图10
‑
13，设置有独立于定子11的隔离部件70，隔离部件70包括第一支腿71和第二支腿72，第一支腿71起到定子磁极隔离物的作用，第二支腿72起到定子主体隔离物的作用。在所示的实施例中，定子磁极隔离物61与定子磁极17一体形成，定子主体隔离物64与定子主体16一体形成，但在替换实施例中，这类隔离物也可以是独立于定子11形成的元件或构件。隔离部件70可以是图12所示的整体式细长构件，其工作方式类似于或相同于图8的结构；或者隔离部件70能形成为轴向隔开的多个隔离元件70a(如图13所示)，其工作方式类似于或相同于图9的结构。
48.隔离部件70和隔离元件70a能由任何合适材料形成。在某示例中，隔离部件70和隔离元件70a能由绝缘材料(如高温塑料或树脂)形成。在另一实施例中，隔离部件70和隔离元件70a能由玻璃纤维或另一类似材料形成。尽管示出独立于线圈30将隔离部件70和隔离元件70a插入定子槽22中，但是在一些实施例中，合适的做法是，将隔离部件70和隔离元件70a形成为线圈的绝缘材料的一部分，或随后在单个组装操作中，将隔离部件70和隔离元件70a固定于线圈上，然后将线圈和隔离物插入槽中。
49.无论形成隔离物的方式如何，定子磁极开口62和定子主体开口65能具有任何所需的尺寸或配置。在各实施例中，定子磁极开口62和定子主体开口65的尺寸可被配置为使线圈30暴露于冷却流体的表面面积最大。另外，在各实施例中，选择定子磁极开口62和定子主体开口65的宽度(即，线圈30分别与定子磁极17或定子主体16的距离)，以使流经开口的冷
却流体的冷却特性和/或流速最优化。例如，合适的做法为，对定子磁极开口62和定子主体开口65进行配置，使流经开口的冷却流体的速度达到最大，以提高热传递过程的效率。
50.在某实施例中，定子磁极开口62和定子主体开口65的宽度均大致为2mm。在另一实施例中，定子磁极开口62和定子主体开口65的宽度均大致为1
‑
3mm。在又一实施例中，定子磁极开口62和定子主体开口65的宽度均大致为0.5
‑
2.5mm。考虑其他尺寸和范围的定子磁极开口62和定子主体开口65。
51.尽管示出定子磁极开口62和定子主体开口65的宽度(即，线圈30分别与定子磁极17或定子主体16之间的距离)相等，但是，各开口能具有不同的宽度。另外，在某些实施例中，定子11能仅包括定子磁极开口62或定子主体开口65。
52.能通过流体系统以任何所需方式供送冷却流体流经与线圈30邻近的定子磁极开口62和/或定子主体开口65，以达到所需的冷却效果。在未示出的相对简单的某示例中，定子磁极开口62和定子主体开口65的第一端能被配置成起到入口的作用，开口的相对第二端能被配置成起到出口的作用。引导冷却流体在第一端和第二端之间流经定子磁极开口62和定子主体开口65，以冷却线圈30。
53.参照图2，示出开关磁阻电机10具有更复杂的冷却系统。在某实施例中，冷却流体首先以圆周方式被供送到定子套筒13和外壳14之间，然后径向流经定子套筒，进入定子主体16上的孔中。冷却流体轴线流经定子磁极开口62和定子主体开口65，从开口的第一和第二端流出。考虑供送冷却流体的其他方式。
54.更具体而言，在某实施例中，开口或孔75(图2、图7)径向穿过定子主体和其中一个定子磁极17，与定子磁极相对侧的定子磁极开口62相交。每个孔75与定子磁极开口62保持流体相通，因而起到让流体进入定子磁极开口的入口的作用。类似地，开口或孔76(图7)在对准一个定子主体开口65的位置径向贯穿定子主体16。每个孔76与定子主体开口65保持流体连通，因而起到让流体进入定子主体开口的入口的作用。冷却流体流经每个孔75，进入其各自的定子磁极开口62，从开口的第一和第二端流出。类似地，冷却流体流经每个孔76，进入其各自的定子主体开口65，从开口的第一和第二端流出。
55.定子套筒13包括多个径向开口或套筒孔90，每个套筒孔与穿入定子11的孔75、76之一对准。在某实施例中，定子套筒13包括径向伸展的多个圆周隆起91(图2、图14)，它们朝外延伸，与外壳14接合。圆周隆起91和外壳14的内表面限定多个外冷却通道92，以连续盘旋的方式配置多个外冷却通道92。换句话说，圆周隆起91限定连续盘旋的圆周通道，其环绕定子套筒13的外表面延伸，多次起始于定子套筒的第一边缘93处、终止于相对的第二边缘94处。
56.在某实施例中，第一孔95起到第一入口的作用，设置在定子套筒13的第一边缘93处；第二孔96起到第二入口的作用，设置在定子套筒的第二边缘94处。一提供冷却流体使其流经第一和第二入口时，冷却流体就以盘旋方式流经连续的圆周通道，朝贯穿定子套筒13的孔90流动，穿过孔90。
57.考虑引导冷却流体流经定子磁极开口62和定子主体开口65的其他方式。例如，在其他实施例中，将冷却流体引入定子11上的每个孔75、76中，而不使用定子套筒13上的圆周冷却通道。
58.外壳14包括沿定子11和转子12的端部设置的重力回流通道100(图2)，其起到冷却
流体回路的作用。如图2中的箭头131所示，冷却流体由于重力作用流经重力回流通道100，流入槽101内，槽101位于外壳14内或与外壳14相关联。冷却流体流经散热器112以将流体冷却，然后流回到箱110中，从而在箱110中通过泵111使流体改变方向返回到定子套筒13的入口。因而，开关磁阻电机10、散热器112、箱110和泵111限定用于冷却电机的流体系统。在一种配置中，箱110和泵111是独立的，或被配置为开关磁阻电机10的一部分。在另一配置中，箱110和泵是与开关磁阻电机10分开的独立部件。散热器112能沿流体通路设置在任何位置，如箱110和泵111的上游或下游、或两者之间。
59.尽管示出线圈30具有复合外表面36，但是，文中公开的原理能与任何类型或配置的线圈一起使用。另外，尽管示出线圈30具有包围线圈的每个表面的包覆层43，但是在替换实施例中，线圈的一些或全部表面上不包括包覆层。
60.工业实用性
61.根据前述讨论，将能容易理解文中所述的旋转电机的工业实用性。前述讨论适用于需要提高其电效率和性能并增加其寿命的旋转电机，如开关磁阻电机10。
62.线圈30与定子磁极开口62和定子主体开口65配置在一起，增强了机器的冷却效果，从而提高了电效率和性能，增加了旋转电机的寿命。由于冷却作用得到增强，因而旋转电机能以产生更多电能和更多热量而不会由此降低寿命的方式运行。
63.运行中，泵111将冷却流体从箱110引入定子套筒13的孔95、96处的第一和第二入口，使冷却流体流经盘旋通道102进入定子套筒上的孔90中。冷却流体径向流经定子套筒13上的孔90，进入延伸入定子11中的孔75、76，进入定子磁极开口62和定子主体开口65。迫使冷却流体轴向流经定子磁极开口62和定子主体开口65，从开口端部流出。冷却流体然后由于重力作用沿定子11和转子12的端部流经外壳14上的通道100。流经通道100之后，冷却流体流入槽101中，返回到箱110中。
64.将能理解为，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。但是，能想到，本发明的其他实施方案在细节上与前述示例不同。对本发明或其示例的说明旨在说明当时正在讨论的特定示例，并非旨在暗含对本发明的范围作出任何一般性的限制。针对某些特征作出任何对比和非优选的语言表达，旨在表示不优选这些特征，并非将它们完全排除在本发明的范围之外，除非另有说明。
65.在文中列举数值范围仅旨在用一种便捷方式来单独描述落入该范围内的每个单独数值，除非文中另有说明；每个单独数值组合到说明书中，正如在文中单独将其列举一样。文中所述的所有方法能以任何合适的次序执行，除非文中另有说明或与上下文明显矛盾。
66.因此，本发明包括对所附权利要求书所述的主题，在适用法律允许情况下作出的所有改进和等同。并且，上述元件的所有可能变化形式的任何组合均包含在本发明内，除非文中另有说明或与上下文明显矛盾。