CN101095274B - 在定子铁心中嵌入热管的电动机 - Google Patents

Abstract

电动机的热管理通过下述实现，即选择用于电动机的定子铁心结构，并确定将铁心段结构的温度在励磁期间维持在可接收的极限内所需要的最小热耗散。铁心模型用于确定峰值励磁处的热分布。因此，在所选择的铁心段结构中建立图案，用于放置至少一个用于从铁心中移除热量的热管。热管位于铁心段的高热点处，并与绘制的磁通线路对准。通过将热管放置在铁心的中心处或铁心和绕组之间凹进边界层处，热管可以从铁心的热量产生区域捕获并传导多余的热量离开，从而将铁心和励磁绕组保持在期望的温度。

Description

在定子铁心中嵌入热管的电动机

技术领域

本发明涉及一种用于电动机的冷却系统，并且更具体地，涉及一种在定子铁心元件中嵌入有冷却管的电动机。

背景技术

作为内燃机驱动的可行替代或辅助，具有改进的电子控制系统和便携式电源的效率较高的电动机驱动的发展引起了越来越多的重视。例如，Maslov等的美国专利6,492,756和Maslov等的美国专利6,617,746都和本发明一起转让，它们描述了能够以最小功耗提供高转矩输出性能的电动机结构，这尤其适用于电动汽车的推进装置。电磁体用作在定子环孔中构造的且分离的磁性可渗透结构。图1是诸如在6,492,756专利中描述的电动机的平面图。转子部件20是具有永久磁铁22的环孔结构，其中该永久磁铁22沿圆柱形后板24充分均匀地分布。永久磁铁是转子磁极，这些磁极沿环孔的内周交替改变磁极性。转子围绕着定子部件30，转子和定子部件通过环形的径向气隙隔离。定子30包括多个具有统一结构的电磁铁心段，这些电磁铁心段沿气隙均匀分布。每个铁心段包括通常为U形的磁性结构36，该磁性结构形成两个磁极，其中这两个磁极具有面对气隙的表面32。每个铁心段的磁极对准到与电动机旋转轴垂直的方向上。磁极对的腿用绕组34缠绕，虽然铁心段可以构造为提供形成在连接磁极对的部分上的单个绕组。每个定子电磁铁心结构是与相邻定子铁心元件分离且磁性隔离的。定子元件36固定到非磁性可渗透的支撑结构，由此形成环孔结构。

图2是诸如在6,617,746专利中所述的电动机的部分三维透视图。每个铁心段的磁极32与旋转轴的平行方向对准。定子铁心段牢固地固定至板42，图中只示出其中一个。该板以该专利中所述的更具体的方式固定到固定轴38上。由此形成定子铁心段的环孔，其中这些定子铁心段同时延伸地对准到横跨从转子的气隙的转子气隙的轴向上。该环形转子的后板和附着的永久磁铁固定到外壳40上，其中该外壳通过恰当的轴套和轴承到板的外部上的轴。

上述结构的电磁体组的隔离允许该组的磁心中的磁通的单独集中，且实际上没有磁通损耗或没有对其他电磁部件产生有害的变压器干扰效应。从该分段的电磁结构可以获得运行的优点。独立磁极对与其他磁极组的磁路隔离消除了当切换极对绕组的励磁时作用于相邻组上的磁通变压器效应。

正如上述专利中所讨论的，通过改进定子和转子组成成分的结构配置来增加电动机的转矩和功率密度是显然受到鼓励的。已经开发了磁路拓扑，其显著地减少了磁块重量，以及获得了对于磁性设计的形状因数的改进。共同转让的未决的相关申请也就是2004年6月4日Soghomonian申请的名为“具有多个偏斜定子磁极和/或转子磁极的旋转电动机”的美国专利申请10/160,257描述了电动机结构的三维方面的使用所获得的好处。从诸如软磁可渗透介质的材料的使用中获知了优势，其中该软磁可渗透介质能够形成各种特定的形状。例如，铁心材料可以由软磁级别的Fe，SiFe，SiFeCo，SiFeP粉末材料制造，这些材料中的每一个具有唯一的功率损耗、可渗透性和饱和水平。定子元件的铁心形状和铁心尺寸利用相关公差可以在无需形成叠片的情况下制造。这样，在转子永久磁铁和定子电磁铁的耦合磁极之间产生的磁势梯度可以最优化。2004年1月22日Soghomonian提交的名为“软磁复合体”的共同转让的未决美国专利申请10/761,305公开了软磁可渗透材料的电动机铁心的制造。该申请的公开通过参考在这里包括在本说明中。

电力牵引系统需要来自低压推进单元的高转矩。低压的限制使蓄电池组电池的数量最小化以及消除了高压保护所需要的额外绝缘，从而满足了节省空间的需要。为了从低压电源传送高转矩，有必要通过电动机绕组汲取大电流。大电流运行会产生过多的热量，该热量必须被消除，以保持有效的连续的运行和避免对电动机的损害。这需要热管理系统，以将电动机的运行保持在热极限内。这样的系统应当重量轻，并且能够安装在各种电动机拓扑中。典型的有关铜耗、磁滞损耗和过度涡流损耗的问题倾向于指示对于新的冷却方法的需要。电动机通常具有嵌入其外部壳体的冷却套或放置在内部的热交换器，也可能具有液体冷却管。在具有叠片状定子铁心的电动机中，几乎没有调节冷却路径的自由。液体冷却系统需要将加压的冷却液引导通过管道或冷却套，其具有固有的风险。过大的压力会使冷却液体泄漏；连接点的不良密封会使电动机中出现电气短路，同时也导致局部化的电气腐蚀和电动机元件的腐蚀。

Matin等的共同转让的未决美国申请即2004年7月20日申请的申请号为10/893,878且名称为“具有嵌入的热交换器的电动机”的申请描述了一种用于电动机的冷却系统，该冷却系统尤其适用于潜水式实心轴泵电动机。该电动机封装在密封的壳体中，在壳体内部，空气可以通过电动机的元件循环，以接触一个或多个密封的容器。该密封的容器公知为“热管”，它封装冷却介质诸如水。该热管以多孔的“吸液芯结构(wick structure)”来填充。该吸液芯浸透适当量的工作液。热管内部的气压利用液体和蒸汽的平衡来设置。当热量进入热管的汽化器部分时，该平衡被打破，且在稍高的气压下产生蒸汽。高压蒸汽移动到热管的冷凝器端部，在这里，稍低的温度使得蒸汽冷凝，释放其汽化的潜在热量。然后冷凝的液体通过吸液芯结构中产生的毛细力，被泵回至汽化器。

未决的Matin的申请中的电动机壳体结构包括中心部分和与中心部分纵向相邻的空腔，其中中心部分包括定子和转子元件，以及多个热管安装在空腔内。热管延伸穿过壳体至外端部，其中该外端部附着到冷却片，以便于将热量从热管传递至外界环境。热管提供来自循环通过电动机的气体的热传递。汽化部件中吸收的热量使得液体沸腾至气相。热能在冷凝部件处释放至冷却片，其中该冷却片将热量从热管耗散。

Matin等的申请中的冷却系统被放置在相对较大的结构中，其中该结构尤其不受空间和重量考虑的限制。Matin等的申请中描述的优势对于汽车牵引驱动中的电动机有利，例如，其中SMC铁心的恰当的热管理对于令人满意的运行来说是必需的。这样的冷却系统应当可以容易地适用于安装在热量产生源的紧邻处，同时节省了电动机的空间和重量。

发明内容

本发明通过提供一种对于具有定子的电动机的热管理方法至少部分地实现了上述的需要，其中该定子至少部分地由多个围绕旋转轴沿圆周分布的软磁复合(SMC)铁心段形成。根据特定电动机应用的至少一个标准，来选择定子铁心段的结构。确定为了将选择的铁心段结构在峰值励磁时的温度保持在可接受的极限内所必需的最小热量耗散。具有与所选择结构对应的结构的铁心模型用作确定峰值励磁时的热量分布。基于确定的模型中的热量分布，在选择的铁心段结构中建立用于放置至少一个热管的图案，其中该热管用于从铁心移除热量。按照具有根据建立的图案放置的至少一个热管的所选择的结构用软磁复合材料形成铁心段。选择铁心结构的标准与铁心中形成的凸极数有关，与特定的软磁复合材料的特性有关，与铁心段的数量有关，以及与铁心段相对于电动机的旋转轴的定位有关。可以通过绘制铁心模型中在励磁下产生的磁通线路来确定铁心模型的热量分布，然后通过将热管的定位设定为与绘制的磁通线路一致来建立图案。优选地，根据确定的热量分布模型，热管被定位在铁心段中的高热量点处。可以根据最小热量耗散确定，来选择铁心中放置的热管的数量。

本发明的这些方面适用于具有一个铁磁性凸极定子铁心的电动机，以及适用于包括多个分离的多磁极铁心段的电动机。至少部分嵌入定子铁心中的一个或多个热管将热量从热源移除，其中该热量是在凸极上形成的绕组的峰值励磁期间产生的。定子铁心可以部分或全部由SMC材料形成。热管的一部分可以从铁磁性定子铁心伸出，以结合至热交换器，用于从热管将来自定子铁心的热量移除。可选择地，热交换器可以位于定子铁心内的一个位置，该位置远离产生热的磁极的位置。

定子可以包括多个围绕旋转轴沿圆周分布的多磁极铁心段，每个铁心段中嵌入有至少一个热管。优选地，热管位于定子铁心中且与在绕组的励磁期间在铁心中产生的磁通线路对准，以避免对磁通分布产生负面影响。一个热管可以位于每个定子铁心的磁极的中心部分中，并从轴沿径向延伸。这样的热管结构可以有利地在具有与垂直于轴的方向对准的磁极的定子铁心段中实现，也可以在具有与平行于轴的方向对准的磁极的定子铁心段中实现。

热管可以形成为T形结构。第一部分沿径向部分地嵌入定子铁心中，而第二部分位于定子铁心的外部，第一和第二部分通常彼此垂直。在本发明的另一方面中，两磁极铁心段可以共享U形热管。该热管可以完全嵌入在铁心段中，每个腿延伸至每个相邻磁极的热量产生中心部分中。将腿连接起来的热管部分远离极面地放置。

本发明提供了一种电动机包括：铁磁性凸极定子铁心；在定子铁心的磁极上形成的绕组；至少部分嵌入所述定子铁心中的至少一个热管；其中在绕组的峰值励磁期间产生的热量被传递至所述热管，其中所述定子铁心包括软磁复合材料，其中所述热管包括冷却液，该热管被封装入软磁复合材料内，且该热管的一部分结合至位于定子铁心内的热交换器。

对于本领域技术人员来说，本发明的其他优势将从下述详细的描述中变得显而易见，其中仅仅简单地通过说明实现本发明的预期最佳方法，来显示和描述本发明的优选实施例。正如要实现的，本发明可以有其他和不同的实施例，并且本发明的多个细节可以在各种明显的方面作出修改，所有这些都不脱离本发明。因此，附图和描述都被认为实际上是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

本发明通过附图中的图的示例而非限制进行描述，在附图中，相同的参考标记代表相同的元件，其中：

图1是具有分离的电磁定子铁心段的电动机的平面图，每个铁心段的磁极定位在垂直于电动机的旋转轴的方向上。

图2是具有分离的电磁定子铁心段的电动机的部分透视图，每个铁心段的磁极定位在与电动机旋转轴平行的方向上。

图3是根据本发明的具有冷却配置的定子铁心段的图示。

图4是根据本发明的具有另一冷却配置的定子铁心段的图示。

图5是根据本发明的具有又一冷却配置的定子铁心段的图示。

具体实施方式

计算流体动力学(CFD)模型已经确认，在典型的磁性设计中，卷绕式磁性铁心材料在峰值励磁下可以表现出非常高的热特性。根据铜或铝制绕组和铁心的热容量和导电性，热耗散可能受到对流和传导的影响。随着SMC技术的发展，在本发明中使用热管用于定子铁心的局部冷却。热管有利地嵌入SMC材料中，且与叠片铁心形成对比，对于叠片铁心来说，这样的过程不能有效实现。热管可以以下述两种方式中的一种嵌入SMC部分中；即要么通过冷缩配合，要么将热管粘结在SMC铁心中的已有空腔中。在上述任一方法中，在SMC铁心的容积中形成较深的空腔。该空腔的直径与热管的外径成比例。该空腔的长度不是一直延伸至铁心极靴的表面。在该部分的压实期间，利用在软磁粉末工具中的插入杆来形成空腔。粉末部分的工具设计允许在将粉末注入模腔期间引入插入杆，这之后，在预定的压实压力下，通过上下冲床来压实粉末。在压实循环后，在不会使形成的空腔周围产生细微裂缝的情况下，抽出插入杆，取出该部分。然后对该部分进行加热，准备用于热管的组装。

在冷缩配合的方法中，在组装期间，这些部分可以在清洁、干燥和不潮湿的空气中稍微加热至大约100-110℃，以允许该部分稍微且均匀地膨胀。在该点处，热管可以插入膨胀的空腔，且被留下与该部分在室温下冷却。该部分的自然收缩将使热管牢固的保持在该部分的适当位置处。在粘结的方法中，在组装期间，热传导环氧树脂的薄层被应用于热管，然后插入SMC部分的空腔中。该方法不需要该部分的预热。环氧树脂完全在室温下处理。在这两种方法中，热管的暴露末端必须小心处理，以不刺破、弯折或损坏热管的外管道，其中该末端可以由柔性材料构成。在卷绕式SMC铁心的组装期间，热管的暴露管道可以插入热交换器的模块中且结合在适当位置。

经由传导的热交换是利用具有高导热性的热管从铁心去除多余热量的有效方式。通过将热管放置在铁心的中心或铁心和绕组之间凹进的边界层处，热管可以捕捉并传导多余的热量，从而将铁心和励磁绕组保持在期望的温度。要注意的是热管的位置要避免与所需的磁路通量分布进行干扰。因此，重要的是热管要沿着不正交地或不以更小角度切割磁通通路的路径对准，这可以使得铁心中局部磁通形成环流。

根据本发明，选择电动机的元件，以在形状和结构上适应上下文中特殊电动机可应用的需要尺寸、质量、功能和体积限制。元件被认为是独立的，以识别用于重复部件的对称设计平面。这些部件可以是分离的铁心段或整体铁心的部分。确定每个部件中磁通的理想图案。用于热管的一个或多个空腔与磁通的有效通路对准。空腔优选地放置在表现出最大磁通或MMF浓度的区域处，其中该空腔通常位于接近励磁线圈的位置。每个独立元件的铁心模型以及整个磁路上的CFD分析，可以精确确认该结构的热传导和对流的特性。对应于原型的元件分析，将一个或多个具有恰当吸液芯结构设计的热管嵌入电动机的元件中。

图3是根据本发明的具有冷却配置的定子铁心段的图示。铁心段36由SMC材料构造，并以在与旋转轴垂直的平面上的横截面表示。铁心段可以是诸如图1所示的多个分离的铁心段的一个，或者可以是整体定子铁心的一个部分，其中该整体定子铁心具有围绕气隙沿圆周分布的相同部分。该铁心包括一对通过连接部分33连接的磁极32。每个磁极具有面对气隙的部分和在其上形成的绕组34。绕组的励磁在极对中产生磁通图案，该磁通图案引起磁极磁化，其中这些磁极在气隙处具有相反的磁性。在电动机运行期间，绕组励磁以高速改变极性，用以影响电动机(或发电机)的功能，同时也引起热量的产生。

与铁心段36的下部结合的是包括多孔部分46的非磁性散热结构44。多孔部分可以包括散热片、蜂窝状固体，碳泡沫或其他有助于传热的材料。圆柱形热管42嵌入每个磁极32中，并从一个方向上的磁极表面正下方的区域沿延伸至另一个方向上的结构44。热管位于磁极的中心，并且当绕组处于励磁的情况下，热管与产生的磁通线路的方向对准。结构44和多孔部分46由高导热性材料形成，诸如铝。当部分46的多孔属性增强了散热功能时，如果需要的话，部分44和46可以代之以由单一的材料制成。

在电动机运行中，在对给出的磁性部件进行励磁之后，热管可以吸收在绕组附近产生的热量，使得吸液芯结构中的工作液汽化。蒸气通过管子且由于在汽化部件中的压差而冷凝。灯芯结构提供了吸收来自冷凝部件的湿气的性能。在冷凝部件处，汽化的潜在热量被去除，并在散热片结构44中释放。该过程持续并达到一个稳定状态，直到已经达到吸液芯的全部汽化能力。选择热管和吸液芯结构，以实现用于电动机的峰值和连续运行状态的稳定的热交换系统。

图4是根据本发明的具有另一冷却配置的定子铁心段的横截面图。在该配置中，每个相邻的磁极嵌入有相同的柔性U形热管42的端部。热管的端部被结合在铁心段外部的散热结构44中。如图3所示，散热结构可以包括有助于传热的多孔或格子结构46。

图5是根据本发明的具有又一冷却配置的定子铁心段的图示。磁极32可以是排列在与旋转轴平行的方向上的多磁极铁心段的一个磁极，诸如图2所示。该横截面是在与旋转轴垂直的面上得到的。图5还示出磁极32，该磁极32是整体铁心的多个磁极中或者是分离的磁极对段中的一个。在后一种情况下，该横截面是在与旋转轴平行的平面上得到的。热管42形成为T形结构。圆柱腿43沿径向部分嵌入定子铁心中。腿部分44位于定子铁心的外部，且具有足够的表面积，用以在没有另外的外部散热片的情况下充分耗散铁心的热。如果有必要的话，可以实现与图3和4所示的类似的散热结构。

在该公开本文中，仅表示和描述了本发明的优选实施例以及本发明变形的一些示例。可以理解，本发明能够用于各种其他的组合和环境中，也能够在这里表述的本发明理念的范围内作出变化或修改。例如，如果CFD分析显示需要另外的冷却，那么热管可以嵌入对于电动机运行来说不关键的磁通通路的位置中。一些电动机的应用可以适用于将热管放置在铁心段的外围或将热管放置在铁心和绕组之间。本发明可以以各种电动机拓扑实现，诸如径向结构、轴向结构，其中定子相对于转子要么倒置要么不倒置。对于特定的热管结构，可以考虑各种吸液芯设计以及多种热交换结构的使用。

Claims (13)

1.一种电动机，包括：

铁磁性凸极定子铁心；

在定子铁心的磁极上形成的绕组；

至少部分嵌入所述定子铁心中的至少一个热管；

其中在绕组的峰值励磁期间产生的热量被传递至所述热管，

其中所述定子铁心包括软磁复合材料，

其中所述热管包括冷却液，该热管被封装入软磁复合材料内，且该热管的一部分结合至位于定子铁心内的热交换器。

2.如权利要求1所述的电动机，其中所述热管包括冷却液，热管的一部分从所述铁磁性定子铁心伸出，且该伸出部分被结合至热交换器，以从所述定子铁心外部的热管传递热量。

3.如权利要求2所述的电动机，其中所述热管具有圆柱形结构。

4.如权利要求1所述的电动机，其中在每一个磁极的中心部分中具有所述至少一个热管中的一个，以及每个热管位于至少一个磁极的中心位置。

5.如权利要求1所述的电动机，其中所述热管位于定子铁心中，且与在绕组励磁期间在铁心中产生的磁通线路平行对准。

6.如权利要求1所述的电动机，其中所述定子铁心包括多个多磁极铁心段，每个铁心段内嵌入有至少一个热管。

7.如权利要求6所述的电动机，其中所述多个多磁极铁心段围绕旋转轴沿圆周分布，以及每个热管从所述轴沿径向延伸。

8.如权利要求7所述的电动机，其中所述热管具有T形结构，并包括沿径向部分嵌入所述定子铁心中的第一部分，以及位于定子铁心外部的第二部分，所述第一和第二部分通常彼此垂直。

9.如权利要求7所述的电动机，其中每个铁心段包括一对与轴垂直的方向对准的磁极。

10.如权利要求7所述的电动机，其中每个铁心段包括多个与轴平行的方向对准的磁极。

11.如权利要求6所述的电动机，其中铁心段的相邻磁极每一个都嵌入有通常为U形的热管的部分。

12.如权利要求11所述的电动机，其中位于所述相邻磁极之间的U形热管的部分被结合至热交换器。

13.如权利要求12所述的电动机，其中所述热交换器在铁心内。

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