机器冷却系统技术方案

本发明专利技术阐述了一种冷却轴向磁通永磁机器的方法，该机器具有：定子，该定子包括封装有成组的线圈的定子壳体，所述成组的线圈缠绕在各自的定子棒上，并且绕所述机器的轴线圆周地间隔设置；以及转子，该转子支承成组的永磁体并且安装围绕所述轴线旋转，并且其中，所述转子和定子沿所述轴线间隔，以在所述转子和所述定子之间限定出间隙，在该间隙中，所述机器中的磁通量通常沿轴线方向，所述方法包括：使得冷却剂流过围绕所述线圈的所述定子壳体，以使得所述冷却剂在所述线圈之间流动；以及通过控制相邻的所述线圈之间的间隙，控制所述线圈之间的所述冷却剂的流动；其中，所述控制所述间隙包括：为每个所述线圈提供在所述定子棒上的单层绕组，所述单层绕组包括带形导线，该带形导线的横跨所述带的表面的宽度大于穿过所述带的厚度；其中，所述绕组沿所述定子棒水平地堆叠，以使得所述带的相邻的带表面彼此紧靠，其中，所述带的所述宽度限定垂直于所述绕组堆叠的方向横跨所述线圈的距离；以及通过控制横跨所述线圈的所述距离控制所述间隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于冷却轴向磁通永磁机器的改进技术，并且涉及使用这种技术的机器。
技术介绍
在本说明书中，涉及轴向磁通永磁机器。广义上讲，这些轴向磁通永磁机器具有围绕轴线布置的盘形或环形转子和定子结构。典型地，定子包括一组线圈，每个线圈平行于轴线，并且转子支撑一组永磁体且安装在轴承上，以在来自于定子线圈的场的驱动下能够关于轴线旋转。图1a示出了轴向磁通机器的常规结构，该轴向磁通电机具有一对转子R1和R2，转子R1和R2分别位于定子S的一侧——尽管简单的配置可以省略转子中的一个。正如此处能够看到的，转子和定子之间存在空气间隙G，并且在轴向磁通机器中穿过空气间隙的磁通的方向基本是轴向的。根据转子的北极和南极的布置，轴向磁通永磁机器可以有多种配置。图1b示出了环形NS极机器(Torus NS machine)、环形NN极机器(Torus NN machine)(由于NN极布置需要磁通流动穿过磁轭的厚度，因此环形线圈NN电机具有较厚的磁轭)以及无磁轭分段电枢(YASA)(Yokeless and Segmented Armature)拓扑结构。所示的YASA拓扑结构示出了穿过两个线圈的横截面、围绕每个线圈的绕组的交叉线区域(cross-hatched area)。可以理解的是，具有定子磁轭的分配大大降低了重量和铁损，但一个缺点是失去了用于热量从定子线圈逃出的路线。因此，优选地，用于机器的冷却剂流过定子壳体。我们已经在WO2012/022974中描述了一种夹盖(clamshell)式定子壳体。有利的是，缠绕有定子线圈的定子棒的靴(shoes)浇铸在壳体的径向壁中。因此，壳体同时提供结构强度和冷却剂室。首先参考图1c、图2和图3(取自于我们的PCT申请WO2012/022974)，图1c示出了无磁轭分段电枢机器10的原理图。机器10包括定子12和两个转子14a和14b。定子12为单个定子棒16的聚集，定子棒16绕转子14a和14b的旋转轴线20周向间隔。每个棒16具有自己的轴线(未示出)，优选地但不是本质上地，棒16自己的轴线平行于旋转轴线20设置。每个定子棒的每一端设置有靴18a和18b，靴18a和18b用于限制线圈堆22的物理目的，线圈堆22优选地为正方形/矩形截面的绝缘线，以能够实现高填充率。线圈22连接于电路(未示出)，对电机来说，电路激发线圈以使得通过线圈中流动的电流产生的合成磁场在相邻的定子线圈22中的极性是相反的。两个转子14a和14b携带相互朝向的永磁体24a和24b，定子线圈22位于永磁体24a和24b之间(当定子棒偏斜时——未示出——磁体同样也偏斜)。两个空气间隙26a和26b分别设置在靴和磁体对18a/24a和18b/24b之间。绕旋转轴线20间隔设置有偶数个线圈和磁体，并且优选地，线圈和磁体的数量不同，以使得在同一时间和转子相对于定子的同一旋转位置，线圈并不是全部进入相应的磁体对中登记(registration)。这有助于减少接头。在电机中，线圈22是通电的，以使得线圈22的两极交替，以用于引起线圈在不同的时间对齐于不同的磁体对，导致扭矩施加在转子和定子之间。转子14a和14b通常连接在一起(例如通过轴，未示出)，并且一起绕轴20相对于定子12旋转。磁路30设置有两个相邻的定子棒16和两个磁体对24a和24b以及护铁32a和32b，以使得每个转子连接背向各自的线圈22的每个磁体24a和24b的背面之间的磁通。定子线圈16封装在延伸穿过空气间隙26a和26b的壳体中，该壳体限定提供有冷却介质的室。参考图3，示出了定子12a，其中，定子线圈位于塑料材料的夹盖42a和42b之间。这些夹盖具有圆柱形的外壁44、圆柱形的内壁46和径向设置的环形壁48。在图3所示的现有技术中，径向壁48包括内槽(internal pocket)50，以容纳定子棒16的靴18a和18b，并且用于当定子12a的两个夹盖壳体42a和42b装配在一起时定位定子线圈组件16、22、18a和18b。定子壳体42a和42b限定线圈22内部的间隙52和绕线圈22的外部的间隙54，并且线圈之间存在间隙56。间隙52、54和56相互连接以限定冷却室。尽管图3中未示出，但当装配时，定子壳体42a和42b设置有端口，该端口允许冷却介质例如油泵送进入间隙52、54和56，以绕线圈循环并冷却线圈。在操作中，围绕冷却室中的线圈的间隙优选地基本上完全填充有冷却剂，优选地，冷却室基本上完全填满冷却剂(油)。在轴向磁通永磁机器(例如电机)中，实现冷却是主要的问题，在某种程度上是因为轴向磁通永磁机器能够达到非常高的功率密度。在实践中，至少当在延长的时间段中连续运转电机时，对于能够实现的扭矩来说，热量从电机移除的速度通常是最重要的限制因素。我们之前已经在GB2,468,018A中描述了一些用于提高轴向磁通电机的冷却的技术。另外，在GB2,482,928A、JP2009/142095A、US2010/0141373、US2010/180977、US2010/000624、JP2006/288025A、JP2002/184639A、GB2,741,135A、JP2009/225507A、US4,446,393、JP2006/014530、JP2011/091920、US6,555,942以及GB1,519,813A中，可以发现一般的现有技术背景。我们早些的专利申请GB2,468,018A描述了冷却技术，在该冷却技术中，随着循环穿过定子壳体，冷却剂(典型地为油)被迫使穿过相邻的定子线圈之间的间隙。在环形壳体中，这通过提供彼此相近或相邻的入口端和出口端实现，入口端和出口端之间具有内部隔栅，以阻挡入口端和出口端之间的直接路径，以使得冷却剂被迫围绕环循环。另外，隔栅绕线圈之间的环和环形壳体的径向的内壁和外壁间隔设置，以限定用于冷却剂的弯曲路径：广泛来说，冷却剂绕环的外边缘流动，直到冷却剂遇到隔栅，在此，冷却剂被迫在线圈之间朝向环的内壁，其中，冷却剂沿内壁流动，直到遇到下一个隔栅，并且被迫向外朝向外壁，再次到达线圈之间。然而，更具体地，在具体实施方式中，定子线圈和内外壳体壁之间的隔栅和并不是从一个线圈到另一个线圈地交替提供，相反地，每n个线圈设置有内隔栅(外隔栅)，其中，n≥2。因此，在具体实施方式中，线圈之间的两个或更多的径向向内的路径平行设置，随后是线圈之间的平行的两个或多个径向向外的路径，如此等等。在具体实施方式中，冷却油基本上填充定子壳体所有的自由体积，该自由体积为没有被定子的其它部件占据的体积，并且优选地，基本上没有空气(空气可以流出，或者在真空条件下填充室)。为了最大化给定体积的电机的可用功率，原理上，定子线圈应该占据尽可能多的定子体积。然而，为了能够维持高功率输出操作，机器还需要有效的冷却，并且冷却剂需要能够环流，更具体地，在定子线圈之间流动。通常需要的是，保持相邻的线圈之间的间隙小的同时，还保证线圈之间的充足的流动，并且在实践中，定子组件中的公差堆叠对于最大功率具有非常惊人的大影响，电机能在最大功率运转延长的时段。当间隙小时，间隙宽度的小的绝对变化能够引起宽度上大的百分比变化，尤其是，由于线圈一侧的分界层，流体力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷却轴向磁通永磁机器的方法，所述机器具有：定子，该定子包括封装有成组的线圈的定子壳体，所述成组的线圈缠绕在各自的定子棒上并且围绕所述机器的轴线周向间隔设置；以及转子，该转子支撑成组的永磁体并且安装为围绕所述轴线旋转，并且其中，所述转子和定子沿所述轴线间隔以在所述转子和所述定子之间限定出间隙，在该间隙中，所述机器中的磁通量通常沿轴线方向，所述方法包括：使得冷却剂流过围绕所述线圈的所述定子壳体，以使得所述冷却剂在所述线圈之间流动；以及通过控制相邻的所述线圈之间的间隙，控制所述线圈之间的所述冷却剂的流动；其中，对所述间隙的所述控制包括：为每个所述线圈提供在所述定子棒上的单层绕组，所述单层绕组包括带形导线，该带形导线的横跨所述带的表面的宽度大于穿过所述带的厚度；其中，所述绕组沿所述定子棒水平地堆叠，以使得所述带的相邻的带表面彼此紧靠，其中，所述带的所述宽度限定出垂直于所述绕组堆叠的方向横跨所述线圈的距离；以及通过控制横跨所述线圈的所述距离，控制所述间隙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.18 GB 1402845.01.一种冷却轴向磁通永磁机器的方法，所述机器具有：定子，该定子包括封装有成组的线圈的定子壳体，所述成组的线圈缠绕在各自的定子棒上并且围绕所述机器的轴线周向间隔设置；以及转子，该转子支撑成组的永磁体并且安装为围绕所述轴线旋转，并且其中，所述转子和定子沿所述轴线间隔以在所述转子和所述定子之间限定出间隙，在该间隙中，所述机器中的磁通量通常沿轴线方向，所述方法包括：使得冷却剂流过围绕所述线圈的所述定子壳体，以使得所述冷却剂在所述线圈之间流动；以及通过控制相邻的所述线圈之间的间隙，控制所述线圈之间的所述冷却剂的流动；其中，对所述间隙的所述控制包括：为每个所述线圈提供在所述定子棒上的单层绕组，所述单层绕组包括带形导线，该带形导线的横跨所述带的表面的宽度大于穿过所述带的厚度；其中，所述绕组沿所述定子棒水平地堆叠，以使得所述带的相邻的带表面彼此紧靠，其中，所述带的所述宽度限定出垂直于所述绕组堆叠的方向横跨所述线圈的距离；以及通过控制横跨所述线圈的所述距离，控制所述间隙。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述间隙的所述控制包括：通过使用所述带形导线的所述单层绕组，将来自所述定子线圈的平均间隙的百分比的变化控制在公差极限之内，以限制所述定子的所述线圈的外边缘的位置的变化。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述间隙的最小值小于2mm，并且所述公差极限为所述间隙的20％。4.根据上述任意一项权利要求所述的方法，还包括：设置多个隔栅或阻隔件，该隔栅或阻隔件位于所述线圈的子集与所述壳体的径向内壁和径向外壁之间，以迫使所述冷却剂流穿过所述线圈之间的所述间隙。5.根据上述任意一项权利要求所述的方法，还包括：通过使用所述定子线圈的所述绕组控制相邻的成对的线圈之间的间隙的变化，平衡所述相邻的成对的线圈之间相同径向方向上的冷却剂流。6.根据上述任意一项权利要求所述的方法，还包括：在每一端为所述定子线圈提供靴，并且将所述绕组停止于一个或两个所述靴，以在所述线圈的端部和各自的所述靴之间限定出冷却剂通道。7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述线圈的端部和各自的所述靴之间的所述冷却剂通道中设置垫片。8.根据上述任意一项权利要求所述的方法，还包括：预加载处于压缩状态的所述线圈，以迫使所述线圈的所述匝朝向彼此。9.一种制造轴向磁通永磁机器的方法，该机器具有：定子，该定子包括封装有成组的线圈的定子壳体，所述成组的线圈缠绕在各自的定子棒上并且围绕所述机器的轴线周向间隔设置；以及转子，该转子支撑成组的永磁体并且安装为围绕所述轴线旋转，并且其中，所述转子和定子沿所述轴线间隔，以在所述转子和所述定子之间限定出间隙，在该间隙中，所述机器中的磁通量通常沿轴线方向，所述方法包括：设置端口，该端口用于使所述冷却剂流过围绕所述线圈的所述定子壳体，以使得所述冷却剂在所述线圈之间流动；以及通过为每一个所述线圈提供在所述定子棒之上的单层绕组，限定用于相邻的所述线圈之间的冷却剂流的间隙，所述单层绕组包括带形导线，该带形导线的横跨所述带的表面的宽度大于穿过所述带的厚度；其中，所述绕组沿所述定子棒水平地堆叠，以使得所述带...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·沃尔默，
申请(专利权)人：YASA电机有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB