用于轴向磁通电机的定子的冷却机构的制作方法

1.本发明总体上涉及用于轴向磁通电机的定子领域。更具体地说，本发明涉及一种用于冷却这种定子的冷却机构及其方法。


背景技术：

2.轴向磁通电机是本领域已知的具有多种不同术语的电机类型。特别地，但不排他地限制于此，其被指定为无轭分段电枢(yasa)电动机或发电机、无轭轴向磁通电机、轴向气隙电子电动机或发电机、轴向磁通永磁电机或仅为轴向磁通电机。这些术语可表示这种电机的特定实施例，然而，在本文的后续部分中，将使用术语轴向磁通电机。然而，应当理解，轴向磁通电机的基本原理仍然适用。
3.基本原理广义地说，轴向磁通电机包括与中心轴线同轴地布置的盘形或环形转子和定子结构。典型地，定子包括多个定子元件，每个定子元件包括围绕所述中心轴线旋转对称布置的线圈和铁磁芯，并且转子包括安装在轴承上使得其可以围绕中心轴线旋转的一组永磁体。根据工作条件，转子或者由源自定子的场驱动从而机器作为电动机操作，或者由外力驱动(例如风车)从而作为发电机操作。轴向磁通电机与其它电机相比具有更高的功率密度。换句话说，它是一种较轻的机器，但与其它机器相比具有相似的功率。
4.当轴向磁通电机运行时，热量在其定子内部消散。出于安全原因，而且出于机器效率的原因，需要排出热量。例如，在wo2010/092400中公开了一种定子，其中轴向磁通电机包括具有两个环形板和两个圆柱形壁的定子壳体。环形板包括容纳定子元件的靴(shoe)的凹部，并且当定子的两个蛤壳式壳体组装在一起时，环形板用于定位多个定子元件。此外，当组装时，定子壳体设置有端口，该端口允许诸如不导电液体的冷却流体被泵送到定子元件之间的空间中以便冷却它们。
5.因此，为了排出所耗散的热量，冷却流体被泵送通过定子，并且当热量被吸收时，冷却流体被排出。然而，缺点是冷却流体将以不受控制的方式在定子内部流动，从而导致局部流动涡流，这可在定子中引起大的温度梯度。这可能导致不期望的情况，例如热量集中在专用的点，这可能使定子的功能恶化。这导致冷却流体的低效使用，这导致定子具有用于排出所耗散的热的较小能力，并且因此导致较低的功率和效率。cn109474114公开了具有类似相应缺点的类似解决方案。
6.在de102014221648中提出了另一种解决方案。其公开了一种具有l形或u形横截面的冷却槽道装置，目的在于改进定子芯的冷却直到接近定子和转子之间的气隙的区域。冷却槽道装置包括两个周向槽道和连接两个周向槽道的径向槽道。冷却槽道装置被界定，并且径向槽道位于定子的盖中，在定子的外表面处。因此，可用的冷却槽道与线圈完全分离，并且在冷却槽道中流动的流体不与线圈进行任何接触。因此，不能获得线圈的有效冷却。
7.因此，本发明的目的是减轻上述缺点并提供一种具有改进的冷却系统的定子。


技术实现要素：

8.根据第一方面，该目的通过一种用于轴向磁通电机的定子来实现，该定子包括：
9.中心轴线，在安装好的情况下，所述中心轴线对应于所述轴向磁通电机的旋转轴线；以及
10.用于供应和排出冷却流体的第一端口和第二端口；以及
11.内部结构、中间结构和外部结构，所述内部结构、所述中间结构和所述外部结构围绕所述中心轴线同轴地布置，所述中间结构布置在所述内部结构与所述外部结构之间；其中，
12.所述外部结构包括：
13.外部冷却槽道，所述外部冷却槽道被构造成使所述冷却流体围绕所述中心轴线切向地流动；以及
14.所述内部结构包括：
15.内部冷却槽道，所述内部冷却槽道被构造成使所述冷却流体围绕所述中心轴线切向地流动；以及
16.所述中间结构包括：
17.多个对称布置的定子构件，其中定子构件包括铁磁芯和线圈，所述线圈包括围绕所述铁磁芯缠绕的多个匝；
18.其特征在于，
19.所述定子还包括位于所述定子构件之间的多个引导壁，从而限定了外部冷却槽道和内部冷却槽道之间的流体通道，使得流动通过流体通道的流体被迫抵靠线圈流动。
20.定子包括三个主要部件，即内部结构、中间结构和外部结构。这三个部件围绕轴向磁通电机的、在安装好的情况下作为共同的中心轴线的旋转轴线同轴地布置。更特别地，内部结构定位成最靠近中心轴线，外部结构定位成最远离中心轴线，并且中间结构位于内部结构和外部结构之间。
21.定子还包括用于供应和排出冷却流体的两个端口。例如，第一端口将冷却流体供应到定子中，而第二端口将冷却流体排出定子。第一端口和第二端口的功能也可以颠倒，即第一端口用于排出，而第二端口用于供给。因此，还应当理解，定子包括用于使冷却流体循环通过定子的两个端口。循环还可以由外部泵驱动，其中外部泵不形成定子的一部分。第一端口和第二端口可以布置在定子的不同位置处，这将通过不同的实施例进一步示出。
22.外部结构包括外部冷却槽道，冷却流体可以流动通过该外部冷却槽道。当流动时，冷却流体绕中心轴线切向地流动，即绕中心轴线的圆周运动。
23.内部结构同样包括冷却槽道，即内部冷却槽道，冷却流体通过该内部冷却槽道围绕中心轴线切向地流动，即绕中心轴线的圆周运动。
24.中间结构包括多个对称布置的定子构件。定子构件包括铁磁芯和围绕铁磁芯缠绕的多个匝。这样，匝形成围绕芯部缠绕的线圈。因此，铁磁芯和线圈形成适用于轴向磁通电机的电磁体。
25.定子的特征还在于，其包括多个引导壁。引导壁位于定子构件之间。因此，它们限定了外部冷却槽道和内部冷却槽道之间的流体通道。这意味着冷却流体从外部冷却槽道到内部冷却槽道(反之亦然)在相邻的定子构件之间流动，从而由引导壁引导。
26.因此，冷却流体在围绕中心轴线的切向方向上流动通过内部冷却槽道和外部冷却槽道。接着，冷却流体被迫径向流动通过内部冷却槽道和外部冷却槽道之间的定子。该被迫通过引导壁实现，所述引导壁被构造成以受控的方式在内部槽道和外部槽道之间引导冷却流体。
27.引导壁设计成使得它们适于冷却流体的流体动力学特性、适于由外部泵的力施加的流率、以及适于冷却槽道的尺寸。引导壁的形状及其材料因此适于这些上述列出的参数。
28.引导壁还适于将冷却流体从外部冷却槽道引导到内部冷却槽道、从内部冷却槽道引导到外部冷却槽道，或者在两个方向上都引导冷却流体，由此，流动方向将由施加在冷却流体上的力以及第一端口和第二端口上的位置确定。这将通过定子的不同实施例进一步说明。
29.识别出不同的优点。首先，引导壁迫使冷却流体以预定方式在内部槽道和外部槽道之间流动，而不是仅提供其中在线圈之间具有空间的内部冷却槽道和外部冷却槽道。因此，不是依赖于冷却流体的不受控制的流动，而是迫使流动，从而控制在定子内的特定位置处的流体的路径和流动速度两者。这样，冷却介质流体的路径和速度可被优化以从定子提取最大量的热。
30.其次，由于流动的路径和速度受到控制，冷却流体将停留在定子内的时间同样可由施加在定子上的力控制。这样，冷却流体在其冷却能力方面可以适应于这个时间，或者，另外，时间可以适应于冷却流体的冷却能力。
31.第三，由于定子内特定位置处的流体路径和速度受到控制，所以定子的冷却也得到有效控制。其优点是避免了热集中，并且定子中的温度梯度可以被限制到期望的水平。
32.引导壁定位成使得流动通过流体通道的流体被迫抵靠线圈流动。这意味着，当在定子构件之间流动时，流体被迫沿着线圈的匝抵靠线圈流动。因此，当引导壁在内部槽道和外部槽道之间引导冷却流体时，冷却流体进一步被迫使抵靠线圈，从而增加了流体与线圈直接接触的部分，并且使经过线圈而不与线圈直接接触的流体部分最小化。
33.因此，由于在本领域已知的定子中的定子元件之间存在间隙，其中该间隙允许大部分流体不受限制地在定子元件之间通过并且不必然与线圈接触，因此仅小部分泵送的冷却流体能够吸收热量，相反，所述引导壁确保了相当大部分的冷却流体被迫抵靠线圈流动。
34.当轴向磁通电机运行时，电流流动通过线圈，并且由于铜损，热量被耗散。因此，线圈需要被冷却。因此，通过迫使冷却流体抵靠线圈流动，线圈将以有效的方式被冷却。
35.根据一个实施例，每个引导壁位于两个相邻的定子构件之间，并且在径向方向上延伸。例如，在一个实施例中，引导壁可以具有在径向方向上延伸的细长主体。在一个实施例中，定子元件和引导壁交替，即引导壁存在于每对相邻的定子构件之间。引导壁可以根据关于中心轴线的旋转对称模式来放置。
36.根据一个实施例，匝被布置成在线圈的两个或更多个相邻缠绕的连续匝之间形成间隔，间隔被布置成将径向槽道形成为外部冷却槽道与内部冷却槽道之间的流体通道；并且其中，所述引导壁还构造成迫使所述冷却流体流动通过所述径向槽道。
37.当匝围绕铁磁芯缠绕从而形成线圈时，匝被定位或布置成使得槽道形成在线圈中。这些槽道，即径向槽道，进一步被构造成使得冷却流体可在其中流动。在本文的后续部分中，术语流体通道因此也将用于表示径向槽道。此外，引导壁被构造成使得当它们引导冷
却流体时，冷却流体被朝向径向槽道引导并且在径向槽道内部被引导。这样，线圈和与冷却流体接触的芯的表面面积被扩大，并且因此由线圈和/或铁磁芯耗散的热量可以以甚至更有效的方式被排出。
38.根据一个实施例，匝具有渐缩的(tapered)横截面，所述渐缩的横截面包括大于第二端的第一端，第一端在缠好时面向铁磁芯，使得径向槽道包括v形横截面。
39.优选地，匝具有渐缩的横截面，其中一端(即第一端)大于相对端(即第二端)。因此，横截面的形状是锥形的、扁平的或截头的。换句话说，渐缩的形状包括多种形状，例如三角形或l形，由此侧面之间的拐角可以进一步被倒圆。当缠绕匝从而形成径向槽道时，横截面的较大端(即第一端)面向铁磁芯，而较小端(即第二端)背离铁磁芯。这样，径向槽道具有v形横截面。v形意味着当远离铁磁芯的圆周移动时径向槽道的宽度变得更大。这样，与冷却流体接触的线圈的表面区域进一步扩大，从而进一步增强了流体的来自线圈的热传递。
40.现在将进一步讨论定子的不同实施例，其中用于供应和排出冷却流体的第一端口和第二端口定位在专用位置处。
41.根据一个实施例，外部冷却槽道包括第一端口，并且内部冷却槽道包括第二端口，使得流动通过流体通道的流体全部从外部冷却槽道流到内部冷却槽道，或者反之亦然。
42.因此，第一端口联接或连接到外部冷却槽道。通过该第一端口，冷却流体可被供应或排出到外部冷却槽道。接着，将第二端口连接到内部冷却槽道。根据第一端口的功能，即排出或供应冷却流体，第二端口的功能将是互补的。因此，当第一端口用于供应冷却流体时，第二端口将排出冷却流体，或反之亦然。
43.冷却流体在径向方向上在外部冷却槽道与内部冷却槽道之间流动。冷却流体从外部冷却槽道流向内部冷却槽道，反之亦然。
44.当第一端口用于供应冷却流体时，冷却流体在外部冷却槽道中进入定子，并且引导壁将冷却流体引向内部冷却槽道。接下来，冷却流体通过联接到内部冷却槽道的第二端口从定子排出。当冷却流体在定子中时，它吸收其中耗散的热量，并且热量因此从定子排出。接下来，当冷却流体在定子外部再次冷却时，它再次适于将其供应到定子。如已经强调的，冷却流体的供应可以通过内部冷却槽道进行，并被引导到外部冷却槽道以将其排出。
45.根据另一实施例，外部槽道包括分隔件，从而形成第一分隔外部槽道和第二分隔外部槽道，第一分隔外部槽道包括第一端口，并且第二分隔外部槽道包括第二端口，使得流体通道根据交替模式布置，包括流体从第一分隔外部槽道流动到内部冷却槽道所通过的流体通路，以及流体从内部冷却槽道流动到第二分隔外部槽道所通过的流体通道。
46.分隔件将外部槽道分成两个相邻的外部槽道，即第一和第二分隔外部槽道。接着，第一端口和第二端口分别连接或联接到第一和第二分隔外部槽道。没有端口连接或联接到内部槽道。
47.冷却流体被供应到第一端口，并且冷却流体经由第二端口被排出。如已经强调的，端口的功能可以颠倒。现在将讨论其中第一端口用作供应端口的实施例。
48.冷却流体通过第一端口被供应，并经由第一分隔外部槽道进入定子。接着，引导壁通过中间结构将冷却流体引导到内部冷却槽道。
49.内部冷却槽道接收冷却流体，并且接下来，引导壁通过中间结构将流体引导到第二分隔外部槽道。冷却流体因此遵循从第一分隔外部冷却槽道通过中间结构到内部冷却槽
道并再次回到第二分隔外部冷却槽道的路径。
50.为了避免冷却流体在同一流体通道内沿两个相反的方向被引导通过中间结构，引导壁还被构造成按照(alongside)旋转对称模式沿径向交替的方向引导冷却流体。例如，通过中间结构的相邻流体通道在指向外部冷却槽道的端部处以交替方式分别联接到第一和第二分隔外部冷却槽道。这样，产生了分别将第一分隔外部冷却槽道连接到内部冷却槽道、将第二分隔外部冷却槽道连接到内部冷却槽道的流体通路的交替模式。
51.根据一个实施例，中间结构还包括环形盖，该环形盖布置成密封定子的外表面。
52.为了确保冷却流体保持在定子中，中间结构还由环形覆盖件覆盖，该环形覆盖件在定子的外表面处密封定子。该环形盖可以包括完整的整体。替代地，环形盖可以包括多个结构元件，所述多个结构元件一起形成环形盖。然后将结构元件放置在外表面处，从而构成环形盖。
53.根据一个实施例，外部结构包括被配置为构成外部结构的多个结构模块。
54.包括外部冷却槽道的外部结构，无论是否被分隔，都可以由多个构建块、结构模块组成，所述多个构建块、结构模块可以被联接和/或连接在一起，从而包括外部结构。
55.根据一个实施例，引导壁包括电绝缘材料。
56.通过使用电绝缘材料，当用于轴向磁通电机中时，引导壁将不会影响定子的功能。此外，这增加了其安全性。
57.引导壁可以包括例如聚合物。这也是一个优点，因为它将减小定子的重量。
58.根据一个实施例，引导壁具有大约0.1mm至大约1.0mm的厚度，优选地大约0.5mm。
59.根据第二方面，本发明涉及一种包括根据第一方面的定子的轴向磁通电机。
60.根据第三方面，本发明涉及一种冷却根据第一方面的用于轴向磁通电机的定子的方法，该方法包括以下步骤：
61.使冷却流体围绕所述中心轴线切向地流动通过所述外部冷却槽道和所述内部冷却槽道；以及
62.使冷却流体通过由引导壁限定的流体通道在外部冷却槽道和内部冷却槽道之间流动，从而迫使冷却流体抵靠线圈流动。
附图说明
63.现在将参照附图描述一些示例性实施例。
64.图1示出了根据本发明的实施例的用于轴向磁通电机的定子；
65.图2示出了用于轴向磁通电机的定子，出于说明的目的，该定子具有敞开的横截面，该定子包括外部冷却槽道；
66.图3示出了用于轴向磁通电机的定子，出于说明的目的，该定子具有敞开的横截面，该定子包括分隔的外部冷却槽道；
67.图4示出了用于轴向磁通电机的定子，出于说明的目的，该定子具有敞开的横截面，该定子包括环形盖；
68.图5示出了围绕铁磁芯缠绕的匝，所述匝形成径向槽道；
69.图6示出了根据包括外部冷却槽道的实施例的定子中的冷却流体的流动通路；
70.图7示出了根据包括分隔的外部冷却槽道的实施例的定子中的冷却流体的流动通
路；
71.图8示出了根据包括外部冷却槽道的实施例的定子中的冷却流体的流动通路，其中示意性地示出了供应和排放端口；
72.图9a示出了包括具有v形横截面的匝的定子构件；以及
73.图9b示出了包括v形横截面的匝的详细视图。
具体实施方式
74.在图1中，示出了用于轴向磁通电机的定子。定子100包括中心轴线103，当定子100安装在其中时，该中心轴线对应于轴向磁通电机的中心轴线。定子100还包括外部结构101、内部结构102和中间结构106。中间结构106包括多个对称布置的定子元件，例如定子元件105。图5中进一步示出了定子元件105。定子元件105包括铁磁芯500和缠绕在铁磁芯500周围的匝501-504，从而形成电磁体。定子100还包括引导壁，例如引导壁104。在图1的实施例中，引导壁104具有在径向方向上延伸的细长形状。此外，引导壁104定位在每对相邻的定子元件105之间。
75.在图2中，为了说明的目的，定子进一步以敞开部段200示出。在该说明性视图中，可以观察到，外部结构101包括外部冷却槽道201，并且内部结构102包括内部冷却槽道202。外部冷却槽道201和内部冷却槽道202两者均围绕中心轴线103切向地延伸，并且被布置成使冷却流体围绕中心轴线103切向地流动。引导壁104还布置成使冷却流体通过中间结构106在外部结构101和内部结构102之间流动，以冷却定子元件105，特别是其匝501-504。现在将参照图6进一步示出冷却流体所遵循的路径。
76.在图6中，示出了根据图2的实施例的定子200中的冷却流体的流动的路径或通路。冷却流体所遵循的路径由包括箭头的线示出，诸如在外部冷却槽道201处的线600以及在中间结构106处的线602和603。在该实施例中，冷却流体经由供应端口供应到外部冷却槽道201。该供应端口未示出，但是应当理解，该供应端口是本领域中已知的用于将冷却流体供给到轴向磁通电机的定子的端口。
77.冷却流体被供应到外部冷却槽道201，并且在外部冷却槽道201中切向地围绕定子100、200的中心轴线103循环，如线600所示。当冷却流体经过外部冷却槽道201和内部冷却槽道202之间的流体通道时(例如流体通道610)，引导壁(例如引导壁104)将冷却流体引导到中间结构106，抵靠定子元件105的匝501和504。这由线602和603示出。这将参照图5进一步示出。
78.除了铁磁芯500和围绕铁磁芯500缠绕的匝501-504之外，定子元件105还包括径向槽道510-512。径向槽道510-512通过匝501-504的布置而产生。径向槽道510-512形成了外部槽道201和内部槽道202之间的流体通道，冷却流体可流动通过该流体通道。
79.径向槽道510-512的形状可以是v形、矩形、三角形、截头的或任何其它适于用作流体通道的形状。还应当理解，径向槽道510-512的形状由匝501-504的横截面形状以及匝501-504围绕铁磁芯500缠绕的方式确定。现在将参照图9a和图9b进一步示出径向槽道的实施例。
80.在图9a中，示出了中间结构106的横截面。所示的横截面900包括两个定子元件，每个定子元件包括一组匝和位于定子元件的线圈之间的引导壁104。该图示还包括在上侧和
下侧的密封件401，其将参照图4进一步示出。现在将参照图9b中进一步示出的细节a 902讨论在图9a的右侧示出的匝901。径向槽道904是v形的，并且构造成在外部结构201和内部结构202之间引导冷却流体。v形端部的宽度905由匝901的尺寸确定。匝901在其顶部906处可以进一步是圆化的，从而避免尖锐边缘。这降低了在组装定子100时损坏引导壁104的风险。此外，通过将径向槽道904成形为v形，用于冷却匝的表面被扩大，从而提高了冷却定子元件105及其匝501-504的效率。
81.再次参照图6，冷却流体由引导壁104引导通过流体通道610而抵靠匝501-505，使得冷却流体通过径向槽道510-512流入内部冷却槽道202。当冷却流体流动通过径向槽道510-512时，它吸收当定子100、200在轴向磁通电机中工作时从定子元件105耗散的热量，尤其是其匝501-505的热量。
82.然后，冷却流体收集在内部冷却槽道202中，如箭头601所示。因此，与外部冷却槽道201中的冷却流体相比，内部冷却槽道202中的冷却流体具有更高的温度。然后，冷却流体通过排放端口从内部冷却槽道202排出。
83.循环方向也可以颠倒，即从内部冷却槽道202通过通道510-512到外部冷却槽道201。然而，应当理解，其功能与所示出的实施例类似。
84.图8进一步示意性地示出了冷却流体的流动方向。附图标记800示出了外部冷却槽道201的供应端口，附图标记801示出了内部冷却槽道202的排出端口。图8的示意图因此示出了其中冷却流体从外部冷却槽道201通过中间结构106流到内部冷却槽道202的实施例。附图标记802示出了外部冷却槽道201，其中冷却流体绕中心轴线103切向地流动。冷却流体然后流动通过804中间结构105，并且进入808内部冷却槽道803。
85.根据另一实施例，冷却流体还可遵循与从外部冷却槽道201流动到内部冷却槽道202(或反之亦然)的路径不同的另一路径。将参考图3和图7说明该另一实施例。
86.在图3中，示出了定子300的实施例，其中，外部冷却槽道通过分隔件303分隔成两个外部冷却槽道301和302。内部冷却槽道202包括一个分隔件，这对应于图2所示实施例的内部冷却槽道202。在本实施例300中，供应端口和排出端口分别连接到第一外部冷却槽道301和第二外部冷却槽道302。
87.在继续讨论该实施例300时，将考虑到用于供应冷却流体的供应端口连接到第一外部冷却槽道301，并且用于排出的端口连接到第二外部冷却槽道302。然而，应当理解，这些端口的连接可以颠倒。
88.冷却流体所遵循的路径将参照图7进一步示出。冷却流体通过供应端口700进入定子300。接着，冷却流体将通过中间结构106流向内部冷却槽道202。在该实施例300中，第一外部冷却槽道301通过交替的模式连接到中间结构106的流体通路。因此，当冷却流体进入第一外部冷却槽道301时，冷却流体可以流动通过流体通道710-711和712-713到达内部冷却槽道202。因此存在流体通道的交替模式例如710-711和712-713。然后，内部冷却槽道202中的冷却流体经由通路720-721和722-723流动到第二外部冷却槽道302。因此，在定子的圆周上产生流体通道的、以交替的方式将第一外部冷却槽道301连接到内部冷却槽道202以及将内部冷却槽道202连接到第二外部冷却槽道302的模式。
89.现在参照图4，根据实施例200以及实施例300的定子由环形盖401覆盖。环形盖401不仅保护定子元件105，而且确保冷却流体保持在定子中并且流体通道被良好地密封。因
此，环形盖401联接或连接到引导壁，如图9a所示。环形盖401可以由整个盖制成，或者可以由分隔件或构建模块制成，以在定子的外表面上形成盖401。密封盖401位于定子的两侧，使得定子的所有外表面都被密封。
90.尽管已经参照具体实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员来说，显然本发明不限于上述说明性实施例的细节，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用各种改变和修改来实施本发明。因此，本发明的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述来指示，并且因此，在权利要求的等同方案的含义和范围内的所有改变都应被涵盖在其中。换句话说，可以预期的是，覆盖落入基本原理的范围内的任何和所有修改、变化或等同物，以及其基本属性在本专利申请中要求保护。此外，本专利申请的读者将理解，词语“包括”或“包含”不排除其它元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，并且单个元件，例如计算机系统、处理器或另一集成单元可以实现权利要求中所述的若干装置的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制所涉及的相应权利要求。术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等用在说明书或权利要求书中时被引入以区分类似的元件或步骤，并且不一定描述顺序或时间次序。类似地，术语“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等被引入用于描述性目的，并且不一定表示相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例能够按照本发明以其他顺序或以不同于上面描述或说明的方向的方向进行操作。