电机转子冷却系统和方法技术方案

一种电机，其具有转子、定子和壳体。转子包括径向安装的永久磁体阵列，并且定子包括围绕转子径向定位的多个电磁体。该电机包括流体通路，该流体通路包括由定子包围并定位在所述转子和壳体之间的第一空腔和第二空腔。所述流体通路还包括定子和转子之间的气隙以及延伸穿过所示转子的多个通风通道。所述气隙和通风通道与第一空腔和第二腔体流体连通。所述转子还包括延伸到第一空腔或第二空腔中的内部风扇。当使转子相对于定子旋转时，所述风扇使空气或其他流体流通通过所述流体通路以冷却转子。

A Cooling System for Motor Rotor

A motor has a rotor, a stator and a housing. The rotor includes a radially mounted permanent magnet array, and the stator includes a plurality of electromagnets positioned radially around the rotor. The motor comprises a fluid path comprising a first cavity and a second cavity surrounded by a stator and positioned between the rotor and the housing. The fluid path also includes an air gap between the stator and the rotor and a plurality of ventilation channels extending through the rotor shown. The air gap and ventilation passage are fluidly connected with the first cavity and the second cavity. The rotor also includes an internal fan extending into the first or second cavity. When the rotor is rotated relative to the stator, the fan causes air or other fluid to flow through the fluid passage to cool the rotor.

【技术实现步骤摘要】
电机转子冷却系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年10月10日提交的标题为“PermanentMagnetMotorwithTestedEfficiencyBeyondUltra-Premium/IE5Levels”的第62/570441号美国专利申请的优先权，该申请的内容以引用的方式全部并入本文。版权声明本专利文件公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对专利文献或专利公开内容进行复制，因为它出现在专利和商标局的专利文件或记录中，但在其他方面保留所有版权。
本专利技术大体上涉及用于冷却电机(例如电动机或发电机)的转子的方法、系统和装置。更具体地，本专利技术涉及永磁(PM)电机的转子的冷却。
技术介绍
在商业和工业应用中使用的电机通常需要在100％的适用额定功率下运行，超过了通常是60000小时的使用寿命。因此，在商业或工业环境中使用的电动机或其他电机必须既可靠又通用。机器的可靠性和使用寿命可能受到许多因素的影响，包括但不限于：1)导致热致部件失效的高温操作；2)振动、加热、摩擦、不平衡操作、污染、不适当的材料选择或引起机械诱发组件失效的其他原因；或3)电介质故障导致电气短路或由于热量、不适当的材料选择或其他原因引起的开路。电机通常配备有机械冷却系统，例如风扇以及罩，所述罩配置为将空气引导到浇铸在机器壳体中的散热片上。许多此类设备被归类为全封闭风扇冷却(TEFC)设备。由于电动机输出的总功率的一部分必须用于转动冷却风扇，因而不能用于输出，因此TEFC电动机遭受固有的低效率。例如，附接到传送带的TEFC电动机必须同时运行冷却风扇和传送带，因此转动风扇所需的电动机输出部分不可用于传送带。TEFC机器的风扇和罩装置容易损坏，并且在典型的工业环境中存在安全风险。此外，由于TEFC机器在电机轴的一侧驱动冷却风扇，因此将两台下游机器附接到单台TEFC电动机上是不可能的或困难的。传统的电机通常通过实施具有大而重的部件的机器而制成坚固且耐用。为了促进稳定的长期运行而需要的较大和较重的部件会增加机器成本和重量。具有直接通风并因此部分敞开的壳体以促进冷却的其他电机，可能遭受水分和颗粒物质污染，这又会导致机械部件退化和导线绝缘或电接点退化和过早失效。由于全封闭非通风(TENV)设备缺乏直接通风或外部风扇以将空气移动到外部散热片上，因此全封闭非通风(TENV)电机面临独特的冷却挑战。本文公开的实施例被设计为将上述问题中的一个或多个问题最小化。
技术实现思路
本文公开的实施例包括电机冷却装置和方法。其他实施例包括赋予电机增强的鲁棒性和耐久性的元件。如本文所使用的，被称为电机的设备类别同时包括发电机和电动机。本文描述的某些实施例是具有径向通量配置的永磁电机。许多公开的方法和装置也适用于传递热量或部分地传递鲁棒性到轴向通量机器、传递通量机器和线性机器。某些方法和装置可适用于非旋转转矩电动机、变压器或电感器。虽然示出了关于永磁电动机的许多具体实施例，但是本公开和权利要求不限于任何特定的装置配置并且可应用于任何类型的电机。本文公开的某些电机实施例将由永久磁体、转子背部组件、电磁芯或其他结构中的涡流引起的热量的产生最小化。此外，公开了利用通过机器的内腔和部件或子系统的各种热量路径的传导、对流和辐射从电机去除热量的方法和装置。本文公开的实施例是具有转子、定子和壳体的电机。转子包括限定纵向轴线的轴。轴由转子背部组件包围，该转子背部组件也称为背铁组件。转子还包括围绕转子背部组件的周边定位的径向安装的永久磁体阵列。机器定子包括围绕转子径向定位的多个电磁体，其在转子的永久磁体的外表面和定子的电磁体的内表面之间限定了气隙。转子和定子由壳体支撑并封闭在壳体内。在某些实施例中，壳体是完全封闭的不通风(TENV)壳体。在一个实施例中，定子和壳体在气隙内限定了大致圆柱形的转子空腔，并且由壳体端板或类似结构限制了转子空腔的边界。当转子定位在转子空腔内时，转子空腔可进一步分成第一空腔和第二空腔。具体地，在转子和位于转子的邻近壳体端板的一端处的壳体之间存在第一空腔。在转子和位于转子的邻近另一端板的另一端处的壳体之间存在第二空腔。壳体端板可以是附接到壳体周边部分的分离的板，可选地，端板和壳体周边中的一个可以是铸造的、机械加工的或以其他方式整体或共同形成的壳体元件。第一空腔和第二空腔通过气隙连接。另外，可以提供穿过转子背部组件的一个或多个通风通道，该通风通道从第一空腔延伸到第二空腔。因此，第一空腔和第二空腔、气隙以及通风通道限定围绕转子背铁外部且穿过转子背铁的流体通路。转子还可以包括延伸到第一空腔或第二空腔中的内部风扇。内部风扇是转子的一部分或连接到转子，并配置为在气隙或通风通道中的一处产生低压，且在气隙和通风通道中的另一处产生高压。因此，当转子旋转时，使空气或其他流体，例如空气和油混合物，围绕流体通路从一个空腔通过气隙流通到另一空腔并且通过通风通道返回到原始空腔。因此，在运行期间，转子中产生的热量可传递到在流体通路中流动的空气或其他流体以冷却转子。转子风扇可以是单独的结构，或者可以是形成在转子背部组件的外部表面中的转子风扇叶片。另外，转子背部组件、风扇叶片或风扇可以被处理以增强对流体通路的热辐射，并因此增强对第一空腔或第二空腔的热辐射。合适的表面处理包括但不限于表面粗糙化或表面阳极氧化。在电机运行期间，主要通过永久磁体中的磁感应涡流以及转子背部组件内的磁感应涡流和磁滞，在转子内产生热量。在某些实施例中，通过同时实施永久磁体和具有一组叠片的转子背部组件，可以减少转子内的热量产生。可以通过用面向气隙围绕磁体的外表面的固定带将永久磁体接合到转子背部组件，来提供结构支撑和有利的热传递特性。各种热传递结构可以促进从转子到流体通路的热传递和随后从第一空腔和第二空腔到机器壳体的热传递。一类热传递结构安装至面向第一空腔或第二空腔的转子。另一类热传递热结构可以安装至壳体，典型地在端板处，面向第一空腔和/或第二空腔。这些热传递结构中的任何一个可以包括销、鳍、销/鳍的组合或其他结构的阵列以增加表面积和湍流，并且因此促进前往或来自附接的转子或壳体结构的有效热传递。另外，热传递结构可以由具有相对高导热率的材料(例如铝或铜)制成。热传递结构可以被纹理化、着色、具有表面处理，或者被制造成有效地将热量传递到流体通路或从流体通路传递热量。通过在相邻永久磁体之间的间隙中包括导热填料或密封剂材料，额外的热量可以被传递远离所述永久磁体。导热密封剂材料可以是例如环氧树脂的聚合物，该聚合物具有悬浮在聚合物基质内的添加剂，以将转子密封剂的导热率提高到高于聚合物、环氧树脂或其他转子密封剂材料的天然导热率。导热密封剂用于在转子运行期间，将朝向第一空腔和第二空腔，远离永久磁体的侧面传导热量。附接到转子的任何热传递结构可以被放置成与导热密封剂区域热接触以促进与流体通路的热交换。相邻永磁体之间的间隙中的导热密封剂还为转子提供了结构的刚性和鲁棒性。密封剂用于额外地将永久磁体固定到转子背部组件，并且防止磁体在负载下围绕转子的圆周滑动。在一些实施例中，转子背部组件可以限定在相邻永久磁体之间的锚定表面，该锚定表面用于更加可靠地将密封剂锚定到转子背部组件的。锚定表面可以是形成在从转子背部组件延伸出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机，包括转子，所述转子包括：轴，所述轴限定了纵向轴线；转子背部组件，所述转子背部组件围绕所述轴的一部分；以及多个永久磁体，所述多个永久磁体围绕所述转子背部组件径向定位；定子，所述定子包括多个电磁体，所述多个电磁体围绕所述转子径向定位；壳体，所述壳体支撑所述转子和所述定子，其中，部分的所述转子的、定子和壳体限定：第一空腔，所述第一空腔位于在所述转子的一端处的所述转子和所述壳体之间；第二空腔，所述第二空腔位于所述壳体和所述转子的相对端之间；气隙，所述气隙在所述转子和所述定子之间，从所述第一空腔延伸到所述第二空腔；以及通风通道，所述通风通道穿过所述转子背部组件，从所述第一空腔延伸到所述第二空腔；以及转子风扇，所述转子风扇延伸进入所述第一空腔和所述第二空腔中的一个空腔，使得当所述转子相对于所述定子旋转时，引起流体通过所述通风通道，且通过所述气隙，在所述第一空腔和所述第二空腔之间流通。

【技术特征摘要】
2017.10.10 US 62/570,441;2018.01.12 US 15/870,4581.一种电机，包括转子，所述转子包括：轴，所述轴限定了纵向轴线；转子背部组件，所述转子背部组件围绕所述轴的一部分；以及多个永久磁体，所述多个永久磁体围绕所述转子背部组件径向定位；定子，所述定子包括多个电磁体，所述多个电磁体围绕所述转子径向定位；壳体，所述壳体支撑所述转子和所述定子，其中，部分的所述转子的、定子和壳体限定：第一空腔，所述第一空腔位于在所述转子的一端处的所述转子和所述壳体之间；第二空腔，所述第二空腔位于所述壳体和所述转子的相对端之间；气隙，所述气隙在所述转子和所述定子之间，从所述第一空腔延伸到所述第二空腔；以及通风通道，所述通风通道穿过所述转子背部组件，从所述第一空腔延伸到所述第二空腔；以及转子风扇，所述转子风扇延伸进入所述第一空腔和所述第二空腔中的一个空腔，使得当所述转子相对于所述定子旋转时，引起流体通过所述通风通道，且通过所述气隙，在所述第一空腔和所述第二空腔之间流通。2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子风扇包括多个风扇叶片，所述多个扇叶形成在所述转子背部组件的外表面中。3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述转子背部组件和多个风扇叶片中的至少一个包括表面处理，以增强对所述第一空腔或所述第二空腔的热辐射。4.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述转子背部组件包括多个叠片。5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个永久磁体中的至少一个永久磁体包括多个永久磁体叠片。6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，还包括固定带，所述固定带围绕所述多个永久磁体中的每个永久磁体的面向所述气隙的外部表面。7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，还包括第一热传递结构，所述第一热传递结构与所述壳体热接触，且延伸到所述第一空腔中。8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，还包括第二热传递结构，所述第二热传递结构与所述壳体热接触，且延伸到所述第二空腔中。9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子包括延伸到所述第一空腔中的第三热传递结构。10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述转子包括延伸到所述第二空腔中的第四热传递结构。11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述转子还包括：间隙，所述间隙位于相邻的永久磁体之间；以及热传导材料，所述热传导材料填充位于相邻的永久磁体之间的所述间隙，其中，所述第三热传递结构与所述热传导材料的第一端部热连通。12.根据权利要求11所述的电机，其特征在于，所述第四热传递结构与所述热传导材料的第二端部热连通。13.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述流体包括空气以及不是空气的其他热传递流体。14.根据权利要求1所述的电机，还包括热传导轴芯，所述热传导轴芯包括具有与所述轴围绕所述热传导轴芯的部分不同成分的热传导材料。15.一种电机，包括：转子，所述转子包括；轴，所述轴限定了纵向轴线；转子背部组件，所述转子背部组件围绕所述轴的一部分；以及多个永久磁体，所述多个永久磁体围绕所述转子背部组件径向定位；定子，所述定子包括多个电磁体，所述多个电磁体围绕所述转子径向定位；壳体，所述壳体支撑所述转子和所述定子，其中，所述转子的一些部分、所述定子和所述壳体限定：第一空腔，所述第一空腔位于所述转子和所述壳体之间；以及第二空腔，所述第二空腔位于所述壳体和所述转子的相对端部之间；间隙，所述间隙位于相邻的永久磁体之间；以及热传导材料，所述热传导材料包括掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·H·霍普金斯，费利佩·J·卡斯蒂略，斯科特·T·格雷厄姆，基思·W·克朗茨，
申请(专利权)人：零意技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US