用于电动马达的内部冷却系统及电动马达

技术领域

本发明涉及用于航空推进应用的电机(电机)的内部冷却系统，该电机由于所提出的内部冷却系统实现了提高的性能。

具体地，本发明专注于用于永磁同步电机的内部冷却系统，在该内部冷却系统中，损耗主要位于导体和定子叠片中并且减少的损耗位于转子中。

背景技术

专利公开CN107919745A涉及一种用于车辆的电机的定子，该定子包括头部绕组，其中，该头部绕组具有多个绕组。该头部绕组的绕组是使用灌封材料铸造的。该公开描述了一种冷却系统，该冷却系统使用与定子叠片和带有铸造材料的浸渍的头部绕组接触的周缘壳体液体冷却护套。

所提及的冷却系统包括与浸渍的头部绕组接触的非驱动端部(NDE)壳体液体冷却护套和驱动端部(DE)壳体液体冷却护套。周缘壳体液体冷却护套用于通过传导来提取定子叠片铁损耗。NDE壳体液体冷却护套和DE壳体液体冷却护套用于提取头部绕组损耗。

在电动马达(电动马达)中，为了提高电机性能，必须通过(例如，使用高导热性材料)降低热阻和减少源与散热器(壳体液体冷却护套)之间的热路径来改进冷却系统。CN107919745A的所提及的冷却系统并非如此。

因此，CN107919745A的冷却系统中呈现的改进的性能由于导体(即绕组匝)在槽内部达到的高温以及由于这些导体与壳体液体冷却护套之间的高热阻路径而受到限制。

因此，需要在绕组损耗和热阻路径的管理方面对已知的冷却系统进行改进。本发明满足了这种需求。

发明内容

本发明涉及一种用于电动马达(即电机)、特别是用于永磁同步电机(PMSM)的内部冷却系统。该马达包括DE壳体和NDE壳体、具有叠片和槽的定子、包括头部绕组(例如，浸渍的头部绕组)和定子槽中的绕组匝(即定子槽绕组匝)的马达绕组以及电动马达的其他常规元件。

根据本发明的冷却系统的目的是由于所提出的内部冷却系统而提高电机品质因数(即功率密度和效率)，该内部冷却系统可以经由以下结构提取导体损耗：

-周缘液体冷却护套，周缘液体冷却护套与定子叠片接触以提取定子叠片铁损耗并且与封装头部绕组的高导电性基质接触以提取头部绕组损耗。

-槽通式液体冷却护套，槽通式液体冷却护套与产生“中心”导体损耗的定子槽绕组接触并与封装电动马达的头部绕组的高导电性基质接触，在头部绕组中产生“末端部”导体损耗。

-NDE液体冷却护套和DE液体冷却护套，NDE液体冷却护套和DE液体冷却护套也与封装头部绕组的高导电性基质接触，从而使得能够以低导电性(即电绝缘)提取“末端部”或“中心”导体损耗。

所提出的冷却系统(例如，通过使用高导热性材料)减小了热阻并且(例如，通过将壳体液体冷却护套与高导热性基质组合使用)减小了源与散热器之间的热路径。因此，与热源(马达绕组和铁材料)接触的集成且具体化的冷却系统能够提高电机的品质因数(即功率密度和效率)，并且因此，它提高了电机性能。

本发明的主要方面涉及一种用于马达的内部冷却系统，该马达包括DE壳体和NDE壳体、具有叠片和槽的定子、头部绕组和定子槽绕组匝。该内部冷却系统包括第一液体冷却通道“冷却入口”和第二液体冷却通道“冷却出口”、连接至第一液体冷却通道“冷却入口”且连接至第二液体冷却通道“冷却出口”的周缘壳体液体冷却护套。周缘壳体液体冷却护套可以构造成与定子叠片接触以提取定子叠片铁损耗并且与高导电性基质接触以提取头部绕组损耗。

此外，内部冷却系统包括DE壳体液体冷却护套和NDE壳体液体冷却护套，DE壳体液体冷却护套和NDE壳体液体冷却护套构造成分别(轴向地或径向地以封装的方式)建立在DE壳体和NDE壳体内部，并且分别连接至第一液体冷却通道“冷却入口”和第二液体冷却通道“冷却出口”。DE壳体液体冷却护套和NDE壳体液体冷却护套构造成与头部绕组的侧表面接触以提取头部绕组损耗。

此外，内部冷却系统包括槽通式液体冷却护套，槽通式液体冷却护套连接至NDE壳体液体冷却护套和DE壳体液体冷却护套并构造成与头部绕组和定子槽绕组匝接触以提取绕组损耗。

在一些示例中，槽通式液体冷却护套构造成在马达包括集中式绕组构型时通过定子槽绕组匝而建立，或者在马达包括分布式绕组构型时建立在定子槽绕组匝的一侧。

内部冷却系统构造成经由第一液体冷却通道或者经由第二液体冷却通道接收冷却剂、如例如说液体，将液体分配通过周缘壳体液体冷却护套、DE壳体液体冷却护套、NDE壳体液体冷却护套和槽通式液体冷却护套，并且经由第二液体冷却通道或第一液体冷却通道排出冷却剂(因此，提供功能性)。

在一些示例中，第一液体冷却通道和/或第二液体冷却通道具有圆形形状。

在一些示例中，周缘壳体液体冷却护套具有螺旋形状。

在一些示例中，DE壳体液体冷却护套和NDE壳体液体冷却护套具有螺旋形状并且可以分别轴向地或径向地封装在DE壳体和NDE壳体内部。

在一些示例中，内部冷却系统还包括高导热性基质，高导热性基质与NDE壳体液体冷却护套和DE壳体液体冷却护套以及头部绕组接触并且配置成提取头部绕组损耗。DE液体冷却护套和NDE液体冷却护套可以通过高导热性基质(树脂、浸渍物、环氧树脂等)与头部绕组接触。在一些示例中，高导热性基质包括树脂、浸渍物或环氧树脂

在一些示例中，包括周缘壳体液体冷却护套、DE液体冷却护套和NDE液体冷却护套以及由第一液体冷却通道“冷却入口”和第二液体冷却通道“冷却出口”连接的槽通式液体冷却护套的内部冷却系统包括小齿方形槽构型，该小齿方形槽构型与高导热性基质相关联以增大热交换表面并增加冷却系统与电动马达头部绕组热源之间的热交换。

在一些示例中，第一液体冷却通道“冷却入口”、第二液体冷却通道“冷却出口”、周缘壳体液体冷却护套、DE壳体液体冷却护套、NDE壳体液体冷却护套和槽通式液体冷却护套包括使用聚合物搪瓷涂层或芳族聚酰胺纸或聚酰亚胺膜或衬里绝缘的金属材料、比如铝、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、不锈钢或钛。

在先前的示例中，冷却系统在冷却系统包括金属材料时可以包括建立在由聚醚醚酮、聚醚酮酮或碳纤维制成的槽通式液体冷却护套中以切断电路径/磁路径的非金属屏障。

在一些实施方式中，第一液体冷却通道“冷却入口”、第二液体冷却通道“冷却出口”、周缘壳体液体冷却护套、DE壳体液体冷却护套、NDE壳体液体冷却护套和槽通式液体冷却护套包括非金属和非导电材料、比如BeO、碳化硅(SSiC)、反应烧结碳化硅(RBSiC)、氮化硅(Si3N4)、聚醚醚酮、聚醚醚酮、环氧树脂或碳纤维。

本发明的又一方面涉及一种包括根据本发明第一方面的内部冷却系统的电动马达。

此外，该电动马达可以包括轴和转子，并且其中，该轴包括用以通过与内部冷却系统的对流和热交换而冷却转子的翅片。

在一些示例中，电动马达包括具有聚酯或硅环氧树脂的浸渍物的浸渍的头部绕组。

在电动马达的第一构型中，内部冷却系统在第一液体冷却通道“冷却入口”、第二液体冷却通道“冷却出口”、周缘壳体液体冷却护套、DE壳体液体冷却护套、NDE壳体液体冷却护套和槽通式液体冷却护套包括金属材料时包括作为冷却剂的介电流体、比如矿物油。

在电动马达的另一构型中，内部冷却系统在第一液体冷却通道“冷却入口”、第二液体冷却通道“冷却出口”、周缘壳体液体冷却护套、DE壳体液体冷却护套、NDE壳体液体冷却护套和槽通式液体冷却护套包括非金属材料时包括作为冷却剂的乙二醇水。

附图说明

为了更好地理解上述说明，并且出于仅提供示例的目的，包括了示意性描绘实际实施方式的一些非限制性附图。

图1示出了建立在电动马达中的根据本发明的内部冷却系统的示例。

图2示出了根据本发明的内部冷却系统的槽通式液体冷却护套的特定构型。

具体实施方式

图1示出了建立在电机中、特别地建立在电动马达(1000)中的根据本发明的内部冷却系统(100)，如图中所示出的。电动马达(1000)包括DE壳体(1010)和NDE壳体(1020)、具有定子叠片(1030a)和定子槽(1030b)的定子(1030)、头部绕组(1040)和定子槽绕组匝(1050)。此外，在图1中还示出了电动马达(1000)的常规元件、如例如说轴(1060)、翅片(1070)、磁体(1080)和转子(1090)，以给读者说明。

内部冷却系统(100)包括可以通过传导作为冷却剂的液体的液体冷却通道而互连在一起的子系统或子通道。特别地：

-内部冷却连接可以通过进入第一冷却子系统或第一冷却子通道、第二冷却子系统和第三冷却子系统并终止于第二液体冷却通道(冷却出口)的第一液体冷却通道(冷却入口)来实现。

-内部冷却连接也可以通过进入第一冷却子系统或第一冷却子通道、第二冷却子系统和第三冷却子系统并终止于第一液体冷却通道(冷却入口)的第二液体冷却通道(冷却出口)来实现。

因此，所提出的内部冷却系统可以用作冷却系统。

第一冷却子系统

内部冷却系统(100)包括第一冷却子系统，该第一冷却子系统包括连接至第一液体冷却通道(冷却入口)并且连接至第二液体冷却通道(冷却出口)的周缘壳体液体冷却护套(110)。该周缘壳体液体冷却护套(110)可以与电动马达(1000)的定子(1030)接触。特别地，周缘壳体液体冷却护套(110)可以与产生铁损耗的定子叠片(1030a)接触。此外，周缘壳体液体冷却护套(110)可以与产生“末端部”导体损耗的头部绕组(1040)的顶表面接触。

第二冷却子系统

内部冷却系统(100)包括第二冷却子系统，该第二冷却子系统包括DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)，DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)构造成分别地且以封装的方式(轴向地或径向地)建立在电动马达(1000)的DE壳体(1010)和NDE壳体(1020)内部。DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)可以分别连接至第一液体冷却通道(冷却入口))并连接至第二液体冷却通道(冷却出口)。DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)可以与产生“末端部”导体损耗的头部绕组(1040)的侧表面接触。DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)构造成将由头部绕组(1040)产生的任何局部热点移除。

在该示例中，DE壳体液体冷却护套(120)和NDE壳体液体冷却护套(130)与头部绕组(1040)表面之间的接触可以利用高导热性基质(160)来改进，以提取头部绕组损耗。

第三冷却子系统

内部冷却系统(100)还包括第三冷却子系统(第三冷却子系统可以被认为是第二冷却子系统的延续部)，该第三冷却子系统包括槽通式液体冷却护套(140)，槽通式液体冷却护套(140)连接至NDE壳体液体冷却护套(120)和DE壳体液体冷却护套(130)且与产生“末端部”导体损耗的头部绕组(1040)接触并且与产生“中心”导体损耗的定子槽绕组匝(1050)接触。

在图1的示例中，电动马达(1000)包括集中式绕组构型。因此，槽通式液体冷却护套(140)可以通过定子槽绕组匝(1050)建立，如图1的截面A所示出的。在图2中示出用于槽通式液体冷却护套(140)的第二构型。

因此，三个冷却子系统(110、120、130、140)可以通过形成如图1中示出的以3D表示(B)所示出的内部冷却系统(100)的液体冷却通道而互连在一起。

在图1的示例中，内部冷却系统(100)构造成经由第一液体冷却通道(冷却入口)接收冷却剂、特别是液体。内部冷却系统(100)还构造成将液体分配通过周缘壳体液体冷却护套(110)(即，电动马达周缘)、DE壳体液体冷却护套(120)、NDE壳体液体冷却护套(130)和槽通式液体冷却护套(140)，并将液体通过第二液体冷却通道(冷却出口)排出。

液体(例如，乙二醇水或矿物油、如硅油)可以通过DE壳体(1010)中的第一液体冷却通道(冷却入口)(或者经由NDE壳体(1020)中的第二液体冷却通道(冷却出口))进入电机内部冷却系统(100)，这取决于内部冷却系统(100)径向(如图1中所示出)或轴向地集成在另一构型中并以两条平行路径行进：

该连接是通过进入两个路径或子通道、即壳体液体冷却护套(110)和DE壳体液体冷却护套(120)的一个圆形通道(冷却入口)来实现的。每个子通道可以定形状为螺旋形，因此使热源与内部冷却系统(100)之间的热交换表面最大化。

第一路径：在图1的示例中，周缘壳体液体冷却护套(110)可以在X轴上以螺旋形状(即围绕X轴的圆形)朝向NDE壳体液体冷却护套(130)延伸，在NDE壳体液体冷却护套(130)中，周缘壳体液体冷却护套(110)可以重新连接到可以具有圆形形状的第二液体冷却通道(冷却出口)中。

第二路径：在图1的示例中，DE壳体液体冷却护套(120)可以在Y轴上以螺旋形状在DE壳体(1010)(DE壳体1010可以是围绕X轴的圆形)内延伸，并且DE壳体液体冷却护套(120)然后可以串联地连接到槽通式液体冷却护套(140)中并且然后连接到NDE壳体液体冷却护套(130)中。最后，DE壳体液体冷却护套(120)可以重新连接到可以具有圆形形状的第二液体冷却通道(冷却出口)中。

最后，内部冷却系统(100)可以构造成经由第二液体冷却通道(冷却出口)排出液体。

在另一示例中，内部冷却系统(100)构造成经由第二液体冷却通道(冷却出口)接收液体。内部冷却系统(100)构造成将液体分配通过周缘壳体液体冷却护套(110)(即，电动马达周缘)、DE壳体液体冷却护套(120)、NDE壳体液体冷却护套(130)和槽通式液体冷却护套(140)。最后，内部冷却系统(100)可以构造成经由第一液体冷却通道(冷却入口)排出液体。

电机内部冷却系统(100)的子系统可以具有与高导热性基质(160)结合以增大热交换表面并增加内部冷却系统(100)与头部绕组热源之间的热交换的小齿方形槽构型(如图1中所示出的)。

在图1的示例中，电动马达(1000)的轴(1060)可以包括翅片(1070)，以混合来自电动马达(1000)外部的内部马达流(从环境或安全性或EMH(有效市场假说)观点来看，取决于马达关闭)并且通过与内部冷却系统(100)的对流和热交换而冷却转子(1090)。

槽通式冷却护套(140)在集中式绕组构型的情况下(如图1的截面A中所示出的)可以建立在例如定子槽绕组匝(1050)的中间，或者在分布式绕组构型的情况下(如图2中所示出的)可以建立在侧面上。

该内部冷却系统(100)可以通过加层制造或者通过机械加工和焊接的组合由金属材料而制成。所使用的材料可以是铝、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、不锈钢或钛(良好的体积重量比)，所述材料可能需要在与绕组接触的表面上是绝缘的(例如，聚合物搪瓷涂层、或芳族聚酰胺纸(例如，Nomex)、或聚酰亚胺膜(例如，Kapton)、或衬垫(例如聚醚醚酮或聚醚酮酮))。

金属材料可以在内部冷却系统(100)内引起感应电流，从而产生泄漏电流，该泄漏电流可以由于楞次定律而抵消由绕组产生的磁通量。这可能对冷却剂和材料可靠性产生退化效应。为此，经由如图1中所示出的非金属屏障(150)来切断电路径和/或磁路径是方便的。非金属屏障(150)可以是例如聚醚醚酮、聚醚酮酮或以混合设计概念建立的碳纤维，如图1中所示出的。介电流体作为冷却剂(例如，矿物油)的使用可以适于这种类型的构型。

该内部冷却系统(100)可以由非金属材料、如例如说BeO、碳化硅(SSIC)、反应烧结碳化硅(RBSiC)、氮化硅(Si3N4)、聚醚醚酮、聚醚酮酮、环氧树脂、碳纤维等制成，该非金属材料能够经受高T℃并具有高导热性，同时保持良好的体积重量比并且不导电。

对于绕组的浸渍，可以使用能够经受高T℃并具有高热导性同时保持良好体积重量比的材料、如聚酯和硅环氧树脂。

图2示出了根据本发明的内部冷却系统(100)的槽通式液体冷却护套(140)的特定构型。在该特定构型中，槽通式冷却护套(140)在电动马达(1000)包括分布式绕组构型时可以建立在定子槽绕组匝(1050)的一侧。