使用徑向安裝風(fēng)扇的馬達的冷卻的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用徑向安裝風(fēng)扇的馬達的冷卻，具體提供了一種馬達冷卻系統(tǒng)，其包括電馬達、馬達殼體、包封所述馬達殼體的馬達封罩和冷卻風(fēng)扇。所述電馬達包括轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子具有第一和第二軸向端，并且所述定子具有第一和第二軸向端。所述馬達殼體圍繞所述馬達，包括繞所述馬達延伸且軸向地沿所述馬達長度的空氣室。所述冷卻風(fēng)扇徑向地安裝到所述馬達封罩并且適于操作性地冷卻所述電馬達。
【專利說明】使用徑向安裝風(fēng)扇的馬達的冷卻

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及使用徑向安裝風(fēng)扇的馬達的冷卻。

【背景技術(shù)】
[0002]電機冷卻的基本要求在于實現(xiàn)所需要的熱量移除，使得由與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的損耗導(dǎo)致的溫度分布不會導(dǎo)致部件溫度超過部件的熱能力。溫度分布隨著馬達的操作條件、占空因數(shù)以及環(huán)境條件(包括冷卻的類型)而變化?？梢杂帽粍雍椭鲃永鋮s方法來進行冷卻。被動冷卻包括自然對流、輻射和熱傳導(dǎo)到安裝結(jié)構(gòu)。主動冷卻包括強制空氣和強制流體冷卻。主動冷卻可應(yīng)用于電機的內(nèi)部部件和外部結(jié)構(gòu)。可用于牽引應(yīng)用的冷卻系統(tǒng)的主要要求在于耐受在此類設(shè)備處由于嚴苛環(huán)境引起的污染。需要適當熱管理的關(guān)鍵部件是電機的繞組、軸承、磁體和觸摸表面。
[0003]常用于冷卻電機的方法取決于電機的類型，并且包括開放的、防滴的和受保護的電機。這些電機在物理上是對環(huán)境開放的，使得在內(nèi)部馬達部件和環(huán)境之間發(fā)生對流。常常提供護罩和防護裝置以防止直接觸碰馬達部件或者與馬達部件接觸。
[0004]然而，完全封閉的電機不對環(huán)境開放。這主要用于保護，避免環(huán)境的影響。僅僅利用到結(jié)構(gòu)和外部封罩對流的傳導(dǎo)來實現(xiàn)將熱量從這些電機排出，因為電機的內(nèi)部不能通達外部冷卻。
[0005]完全封閉的強制通風(fēng)電機是被封裝的電機，通常利用外部風(fēng)扇來提供馬達殼體上的強制空氣。通常利用冷卻翅片和溝道來引導(dǎo)冷卻劑流并且改善從電機殼體到冷卻介質(zhì)的熱傳遞。液體冷卻也可以用于該類型的電機。
[0006]航空航天和運輸應(yīng)用的典型設(shè)備需要電機的協(xié)調(diào)的封裝和布局以符合運輸工具的空間和包絡(luò)限制。在該結(jié)構(gòu)中，風(fēng)扇通常是軸安裝的并且冷卻劑被強迫軸向地流動在電機外殼體上。盡管如此，不管風(fēng)扇是電驅(qū)動還是機械驅(qū)動的，軸向空間被風(fēng)扇占用，從而不能用于主電機。
[0007]因此，在航空航天工業(yè)中需要利用徑向安裝的風(fēng)扇對可變速馬達進行空氣冷卻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在本發(fā)明的一個方面，提供了一種馬達冷卻系統(tǒng)，其包括電馬達、馬達殼體、包封所述馬達殼體的馬達封罩和冷卻風(fēng)扇。所述電馬達包括轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子具有第一和第二軸向端，并且所述定子具有第一和第二軸向端。所述馬達殼體圍繞所述馬達，包括繞所述馬達延伸且軸向地沿所述馬達長度的空氣室。所述冷卻風(fēng)扇徑向地安裝到所述馬達封罩并且適于操作性地冷卻所述電馬達。
[0009]參考附圖、說明書和權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1A和圖1B是徑向安裝風(fēng)扇1200的第一示例性實施例的圖示。
[0011]圖2A和圖2B是徑向安裝風(fēng)扇2200的第二示例性實施例的圖示。
[0012]圖3A和圖3B是徑向安裝風(fēng)扇3200的第三示例性實施例的圖示。
[0013]圖4A和圖4B是徑向安裝風(fēng)扇4200的第四示例性實施例的圖示。
[0014]圖5是通過徑向安裝風(fēng)扇4200的殼體冷卻通道的空氣流的等溫壓力測試結(jié)果的圖示。
[0015]圖6是通過徑向安裝風(fēng)扇4200的殼體冷卻通道的空氣流的熱傳遞結(jié)果的圖示。

【具體實施方式】
[0016]以下的詳細描述是用于實施本發(fā)明的當前構(gòu)想的最佳模式。所述描述不應(yīng)被認為是限制性的，而是僅僅出于說明本發(fā)明的一般性原理的目的，因為本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求最佳地限定。
[0017]下面描述了各種創(chuàng)造性特征，每個特征可以彼此單獨使用或者與其他特征組合起來使用。然而，任何單個創(chuàng)造性特性可能不解決任何上面討論的問題或者僅僅解決上面討論的問題之一。此外，上面討論的問題中的一個或多個可能不由下面描述的任何特征完全解決。
[0018]某些示例性實施例提供了一種系統(tǒng)，其可包括電馬達徑向安裝的冷卻風(fēng)扇。該冷卻風(fēng)扇可以是徑向安裝的并且可以被輔助馬達驅(qū)動，該輔助馬達不同于適于被冷卻風(fēng)扇冷卻的電馬達。該系統(tǒng)可包括電馬達和輔助馬達的馬達封罩。馬達封罩可構(gòu)造成預(yù)定的通風(fēng)樣式。本發(fā)明的示例性實施例可例如用于冷卻所有類型的馬達、發(fā)電機、電力制動器或其他能量轉(zhuǎn)換裝置。
[0019]圖1A是電馬達系統(tǒng)100的示例性實施例的透視圖，該電馬達系統(tǒng)100可包括電馬達1100。電馬達1100可包括永磁體同步馬達或構(gòu)造成經(jīng)由以循環(huán)通風(fēng)樣式循環(huán)的空氣來冷卻的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。電馬達1100的操作所產(chǎn)生的熱量可以從內(nèi)部部件經(jīng)由冷卻空氣傳遞，電馬達冷卻風(fēng)扇1200可以使冷卻空氣循環(huán)。馬達冷卻風(fēng)扇1200可以是徑向安裝的并且可以被輔助冷卻風(fēng)扇馬達1030驅(qū)動，該輔助冷卻風(fēng)扇馬達1030不同于電馬達1100。電馬達1100可以適于被徑向安裝的冷卻風(fēng)扇1200冷卻。如圖所示，徑向安裝的冷卻風(fēng)扇1200可安裝到電馬達1100的頂表面。
[0020]電馬達1100的馬達封罩1040可構(gòu)造成選自多種通風(fēng)樣式的通風(fēng)樣式，包括徑向和循環(huán)空氣流的組合。在該構(gòu)造中，空氣可以在電馬達1100處被沿徑向方向引導(dǎo)。冷卻流可以被沿兩個方向驅(qū)動，即，風(fēng)扇可構(gòu)造成將空氣推入冷卻空氣通道或者將空氣拉動通過冷卻空氣通道?？梢允褂梅忾]溝道和冷卻翅片的組合。徑向安裝風(fēng)扇1200可以在軸向上定位在不同的軸向位置?？諝饬鞒隹诳梢怨室獾夭皇禽S向的，以允許電馬達1100利用電馬達1100的軸向空間并且提供最大化的扭矩產(chǎn)出。馬達封罩1040可以適于被徑向安裝的冷卻風(fēng)扇1200操作性冷卻。
[0021]馬達封罩1040可以選自包括以下的封罩的組:開放式電機(防滴的(ODP)以及天氣保護的(WPI/WPII))以及完全封閉電機(風(fēng)扇冷卻的(TEFC)、管道通風(fēng)的(TEPV)、氣冷的(TEAO)、非通風(fēng)的(TENV)、空氣到空氣的(TEAAC)、水到空氣的(TEffAC)以及防爆炸的(XP));以及那些具有封裝或密封繞組的電機。徑向安裝的冷卻風(fēng)扇1200可適于操作性地聯(lián)接到和/或操作性地冷卻馬達封罩1040。
[0022]圖1B是圖1A的電馬達系統(tǒng)1000的示例性實施例的剖切圖，電馬達系統(tǒng)1000可包括電馬達1100和徑向安裝的冷卻風(fēng)扇1200。冷卻空氣可從電馬達冷卻風(fēng)扇1200接收原動力并且可經(jīng)由一個或多個限定的排氣端口 1800離開電馬達1100。
[0023]圖2A是電馬達系統(tǒng)2000的示例性實施例的透視圖，電馬達系統(tǒng)2000可包括電馬達2100。電馬達2100可以是永磁體同步馬達或構(gòu)造成經(jīng)由以循環(huán)通風(fēng)樣式或者具有軸向流動離開方向的周向流動方向通風(fēng)樣式循環(huán)的空氣來冷卻的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。電馬達2100的操作所產(chǎn)生的熱量可以從內(nèi)部部件經(jīng)由冷卻空氣傳遞，電馬達冷卻風(fēng)扇2200可以使冷卻空氣循環(huán)。如圖所示，徑向安裝的冷卻風(fēng)扇2200可安裝到電馬達2100的頂表面。
[0024]圖2B是圖2A的電馬達系統(tǒng)2000的示例性實施例的剖切圖，電馬達系統(tǒng)2000可包括電馬達2100和徑向安裝的冷卻風(fēng)扇2200。冷卻空氣可經(jīng)由空氣溝道2700被傳送到電馬達冷卻風(fēng)扇2200并且冷卻流可以被沿兩個方向驅(qū)動，即壓力或真空。可以使用封閉溝道和冷卻翅片的組合。冷卻空氣可從電馬達冷卻風(fēng)扇2200接收原動力并且可經(jīng)由一個或多個限定的排氣端口 2800軸向地在電馬達2100的一端或兩端上離開電馬達2100。
[0025]圖3A是電馬達系統(tǒng)3000的示例性實施例的透視圖，電馬達系統(tǒng)3000可包括電馬達3100和徑向安裝的冷卻風(fēng)扇3200。電馬達3100可以是永磁體同步馬達或構(gòu)造成經(jīng)由以循環(huán)通風(fēng)樣式循環(huán)的空氣來冷卻的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。電馬達3100的操作所產(chǎn)生的熱量可以從內(nèi)部部件經(jīng)由冷卻空氣傳遞，徑向安裝的冷卻風(fēng)扇3200可以使冷卻空氣循環(huán)。如圖所示，徑向安裝的冷卻風(fēng)扇3200可安裝到電馬達3100的頂表面。
[0026]圖3B是圖3A的電馬達系統(tǒng)3000的示例性實施例的剖切圖，電馬達系統(tǒng)3000可包括電馬達3100和徑向安裝的冷卻風(fēng)扇3200，徑向安裝的冷卻風(fēng)扇3200可以定位在不同的軸向位置(請示出)。電馬達3100可以是基本完全封閉的，冷卻空氣可以被引導(dǎo)到，空氣流動路徑在殼體周邊的周圍。冷卻流可以被沿兩個方向驅(qū)動，即壓力或真空?？梢允褂梅忾]溝道和冷卻翅片的組合。冷卻空氣可從電馬達冷卻風(fēng)扇3200接收原動力。
[0027]圖4A是電馬達4000的示例性實施例的透視圖，電馬達4000可包括電馬達4100。電馬達4100可以是永磁體同步馬達或構(gòu)造成經(jīng)由以多方向流動通風(fēng)樣式循環(huán)的空氣來冷卻的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。電馬達4100的操作所產(chǎn)生的熱量可以從內(nèi)部部件經(jīng)由冷卻空氣傳遞，電馬達冷卻風(fēng)扇4200可以使冷卻空氣循環(huán)。如圖所示，電馬達冷卻風(fēng)扇4200可安裝到電馬達4100的側(cè)表面。
[0028]圖4B是圖4A的電馬達4000的示例性實施例的剖切圖，電馬達4000可包括電馬達4100。電馬達4100可以是永磁體同步馬達或可構(gòu)造成經(jīng)由以徑向、周向和軸向冷卻空氣流動路徑通風(fēng)樣式的組合循環(huán)的空氣來冷卻的任何能量轉(zhuǎn)換裝置。電馬達4100的操作所產(chǎn)生的熱量可以從內(nèi)部部件經(jīng)由冷卻空氣傳遞，電馬達冷卻風(fēng)扇4200可以使冷卻空氣循環(huán)。如圖所示，電馬達冷卻風(fēng)扇4200可安裝到電馬達4100的側(cè)表面。
[0029]電馬達冷卻風(fēng)扇4200可以向冷卻空氣提供原動力。冷卻空氣可以被傳送到電馬達4100的產(chǎn)熱部分的第一端4300。電馬達4100的產(chǎn)熱部分可包括轉(zhuǎn)子4600和定子4500。
[0030]如圖4B所示，冷卻路徑采用徑向、周向和軸向冷卻空氣流動路徑方向的組合。冷卻流可以被沿兩個方向驅(qū)動，即壓力或真空。可以使用封閉溝道和冷卻翅片的組合。徑向安裝的冷卻風(fēng)扇4200可以軸向地定位在不同的軸向位置。還可以在冷卻劑入口和出口處使用強制通風(fēng)室(plenum)。這種布置結(jié)構(gòu)的一個益處可在于冷卻空氣路徑不是軸向離開的，這可允許電馬達4100利用全部可用的軸向空間。
[0031]制造和測試了具有圖4的流動構(gòu)造的工作裝置，其中，冷卻路徑包括徑向、周向和軸向空氣流動方向。進行了兩項相關(guān)的測試。
[0032]在第一項測試中，在從大約7到20 lbm/min的流量時測量了冷卻空氣壓力損失。在20 lbm/min的空氣流量測試條件下，觀察到流過冷卻溝道的空氣的密度校正的壓力損失是大約0.75 psido
[0033]在第二項測試中，還是在從大約7到20 lbm/min的流量時評價了冷卻溝道中的熱傳遞系數(shù)。在20 lbm/min的空氣流量測試條件下,觀察到大約60 BTU/(hr*ft2*F)的熱傳遞系數(shù)，與馬達殼體和外殼的所觀察到的溫度響應(yīng)相符。
[0034]如此獲取的壓力損失和熱傳遞系數(shù)的組合顯示出為圖4的裝置選擇的冷卻溝道樣式和冷卻空氣風(fēng)扇將會提供足以將驅(qū)動馬達維持在大約392 F的最大可允許繞組溫度之下的冷卻流。獲取壓力損失和熱傳遞數(shù)據(jù)時的流量范圍使得當具有合理類似的已知性能特性的不同的冷卻空氣風(fēng)扇與相同的殼體和冷卻溝道構(gòu)造聯(lián)接時能夠預(yù)測空氣流率和冷卻能力。
[0035]通過從導(dǎo)管供應(yīng)空氣直接進入風(fēng)扇殼體來測量穿過殼體的冷卻空氣壓力損失。為了此項測試，移除了實際的冷卻風(fēng)扇，并且空氣被允許直接流動穿過風(fēng)扇殼體進入冷卻通道?？諝饨?jīng)過殼體封罩的兩端處的若干個縫槽離開。在從大約7到20 lbm/min的流量時測量了風(fēng)扇入口殼體處的空氣溫度、流率和計示壓力。在環(huán)境溫度以及在250° F時運行了每個流率。已經(jīng)建立了流量與壓力升高的曲線的風(fēng)扇特性。馬達殼體壓力損失曲線和風(fēng)扇壓力升高曲線的組合確認了冷卻空氣流與先前的分析預(yù)測相符。圖5示出了來自等溫壓力損失測試的測試結(jié)果。
[0036]使用瞬時測試建立了空氣和殼體之間的熱傳遞速率。通過測量殼體金屬溫度對流過冷卻溝道的空氣溫度的階梯變化的響應(yīng)速度來評價熱傳遞。被預(yù)加熱到已知溫度的已知流率的空氣被引導(dǎo)到殼體內(nèi)，其總是在均勻的環(huán)境溫度開始瞬時測試。殼體溫度響應(yīng)于進入空氣的而增大的速率被用于評價空氣和殼體之間的熱傳遞系數(shù)。圖6給出了進入空氣溫度、平均金屬溫度以及與金屬溫度數(shù)據(jù)匹配的分析結(jié)果的曲線圖。使用放置在殼體內(nèi)部周圍的熱電偶來測量殼體金屬溫度。使用了三組，每組四個熱電偶，圍繞殼體內(nèi)部直徑周向地間隔90度定位，每個端部各一組并且殼體的中心處一組。在多個不同的空氣流率和溫度下進行了計算。圖6示出了來自于瞬時熱傳遞測試條件之一的測得結(jié)果和匹配的分析預(yù)測。
[0037]在本發(fā)明的各種可能的實施例的情況下，可以尋求多個期望的結(jié)果。例如，由于用徑向安裝的風(fēng)扇來代替軸向安裝的冷卻風(fēng)扇，可用于主推進電機的體積可增大。由于增大的可用體積，電馬達的扭矩產(chǎn)出可增大。殼體的表面可以更大，從而允許改善的冷卻。冷卻流可以被沿兩個方向驅(qū)動，即，被推入空氣室或者被拉動通過空氣室，這可以為特定實施方式提供額外的靈活性。徑向安裝的風(fēng)扇可定位在不同的軸向位置，這可以為特定實施方式提供額外的靈活性。單獨供能的徑向安裝風(fēng)扇的使用可獨立于電馬達軸速度和負載而提供連續(xù)的最大化冷卻。各種可能的實施例可提供對污染的耐受性，因為所有馬達部件可以被完全封裝在殼體內(nèi)；從而所有部件和空氣隙可以不暴露于環(huán)境。在存在外來物體的情況下由于多個通道和翅片，各種可能的實施例可提供對污染的耐受性。在存在外來物體的情況下由于多個通道和翅片，各種可能的實施例可提供基于感應(yīng)式電機的風(fēng)扇的失速保護。
[0038]當然，應(yīng)當理解的是前面的內(nèi)容涉及本發(fā)明的示例性實施例并且可以在不偏離如所附權(quán)利要求闡述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出修改。
【權(quán)利要求】
1.一種馬達系統(tǒng)(1000),包括: 電馬達(1100)，所述電馬達(1100)包括: 轉(zhuǎn)子(4600)，和 定子(4500)； 馬達封罩(1040)，所述馬達封罩(1040)圍繞所述電馬達(1100)，限定繞所述馬達延伸且軸向地沿所述馬達長度的空氣流通道；以及 冷卻風(fēng)扇(1200)，所述冷卻風(fēng)扇(1200)徑向地安裝到所述馬達封罩(1040)并且適于操作性地冷卻所述電馬達(1100)。
2.如權(quán)利要求1所述的馬達系統(tǒng)(1000)，其中，所述徑向安裝的冷卻風(fēng)扇(1200)與所述空氣流通道流體連通。
3.如權(quán)利要求2所述的馬達系統(tǒng)(1000)，其中，所述空氣流通道提供循環(huán)通風(fēng)樣式，其具有徑向于所述電馬達(I 100)的出口流方向。
4.如權(quán)利要求2-3所述的馬達系統(tǒng)(1000)，其中，所述空氣流通道還包括軸向于所述電馬達(1100)的出口流方向。
5.如權(quán)利要求1-4所述的馬達系統(tǒng)(1000)，其中，所述電馬達(1100)被完全封閉在所述馬達封罩(1040)內(nèi)。
【文檔編號】H02K9/04GK104242549SQ201410266081
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】加涅夫 E., L. 懷特 S., A. 菲澤爾 L., 克拉姆皮特 N. 申請人:霍尼韋爾國際公司