用于軸向電機(jī)的極靴冷卻間隙的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)，并且具體地但并不唯一地，涉及一種電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，該電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)通常被稱為無磁軛分段電樞(YASA)電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，在這種電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)中，定子設(shè)置有纏繞在極片上的電磁線圈，轉(zhuǎn)子設(shè)置有永磁體，該永磁體與跨過所述轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣間隙的所述電磁線圈相配合。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁線圈由極柄(pole shank)和位于極柄的任一端的兩個(gè)極靴(pole shoe)制成。極柄約束螺線管線圈，并且極靴具有兩個(gè)作用:a)將螺線管線圈限定在極柄上，S卩:金屬絲纏繞在極柄上，并且金屬絲緊靠極靴纏繞并通過極靴容納在極柄上，以及b)從極柄通過極柄和轉(zhuǎn)子上的磁體之間的空氣間隙傳遞磁通量，并因此降低穿過空氣間隙的磁阻。復(fù)合結(jié)構(gòu)由極柄、極靴和來自電磁線圈的螺線管線圈組成。
[0003]在GB 2468018A 中，牛津 YASA 電動(dòng)機(jī)(Oxford YASA Motors)公開了一種機(jī)械，該機(jī)械包括一系列纏繞在極片上的線圈，極片繞定子周向隔開并軸向設(shè)置(即平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線)。轉(zhuǎn)子具有兩個(gè)臺(tái)階(stage)，該兩個(gè)臺(tái)階包括設(shè)置有永磁體的磁盤，永磁體朝向定子的每個(gè)電磁線圈的任一端。
[0004]在GB 2482928A 中，牛津 YASA 電動(dòng)機(jī)(Oxford YASA Motors)公開了一種與上文所述類似的結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)中包括模壓外殼結(jié)構(gòu)(over-moulded casing arrangement),該模壓外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為將磁體和位于模壓外殼中的結(jié)構(gòu)的線圈封裝，以便于保持極靴從而保持電磁體，外殼部分延伸到間隙中，否則，間隙將會(huì)形成在線圈和定子棒的端面之間，磁體安裝在定子棒上。
[0005]在JP2009142095A中，住友(Sumitomo)公開了一種用于冷卻定子鐵芯的結(jié)構(gòu)，磁體安裝在定子鐵芯上，所述結(jié)構(gòu)包括多個(gè)切割形成在定子棒的端面的表面中的冷媒凹槽。線圈自身緊靠在端面的表面上，并且線圈與端面之間沒有間隙。由于流過凹槽的冷卻液即使有也很少，和/或凹槽本身設(shè)置在圍繞線圈的周向上有限的部分，因此通過這種結(jié)構(gòu)提供的冷卻程度是有限的。
[0006]參考圖1，示出了一種軸向磁通分段電樞電動(dòng)機(jī)I的原理圖，電路布置為激勵(lì)電磁線圈50以便于電磁線圈50的極性交替用于引起線圈在不同的時(shí)間與不同的磁體對(duì)對(duì)齊，產(chǎn)生施加在轉(zhuǎn)子和定子之間的扭矩。轉(zhuǎn)子10通常連接在一起(例如通過軸，未示出)并且一起繞X軸線相對(duì)于定子20轉(zhuǎn)動(dòng)，定子20通常固定在例如殼體20中。圖1中所示的結(jié)構(gòu)示出了由相鄰的定子棒和磁體對(duì)提供的磁路的一部分，同時(shí)，轉(zhuǎn)子10用于連接背向各自的線圈的每個(gè)磁體15的背面之間的磁通量。因此，通過電磁線圈供給的合適的能量，迫使轉(zhuǎn)子繞X軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，在發(fā)電機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)在定子線圈中感應(yīng)出電流，該電流與定子棒中的隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化的磁通量對(duì)應(yīng)。
[0007]由于不同的部件上的溫度的限制，電動(dòng)機(jī)的功率和扭矩通常受到限制。能量在線圈中金屬絲中通過I2R損耗而損失，在極柄和極靴中能量通過渦流和磁滯損失而損耗。對(duì)于雙轉(zhuǎn)子軸向磁通無磁軛分段電樞電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)來說，上述的電磁線圈以順時(shí)針布置的方式安裝保持并夾在電力地絕緣定子板之間，電力地絕緣定子板使線圈和極片與任何大散熱器之間熱隔離。
[0008]通過使用如W02010/092403 A2中所述的軟的磁性復(fù)合材料能夠克服由于渦流損耗而導(dǎo)致的極柄和極靴中的能量消散。然而，軟的磁性復(fù)合材料仍然容易受到磁滯損失的影響，軟的磁性復(fù)合材料由于磁滯損失而損失的能量約為娃鋼疊片(silicon steellaminat1n)的3倍，并且這些損失在高的旋轉(zhuǎn)速度和扭矩需求時(shí)變得更加明顯。在大量生產(chǎn)中，易于模塑極柄和極靴，并且?guī)缀鯙榱愕臏u流損失使得軟的磁性復(fù)合材料保持高于硅鋼疊片的可行性，盡管磁滯損失較高。
[0009]因此，這種結(jié)構(gòu)具有的問題是極片中的溫度過度升高，具體地該溫度過渡升高由磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生，并且通過由于電動(dòng)機(jī)以高的旋轉(zhuǎn)速度和扭矩需求運(yùn)行而產(chǎn)生的I2R的損耗而加重了溫度的過度升高。這種結(jié)合的損耗促進(jìn)極靴中熱量的產(chǎn)生，并且因此促進(jìn)了極靴中溫度的升高。通常地，磁效率需求要求線圈覆蓋極柄和極靴的表面，除了通過線圈金屬絲層的熱傳導(dǎo)并且沒有機(jī)會(huì)將熱量從這些表面中移除。對(duì)于雙轉(zhuǎn)子軸向磁通YASA電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)來說，極靴外表面由聚合物或樹脂覆蓋，聚合物或樹脂用于將極片連接于定子組件。由于外極靴表面沒有發(fā)現(xiàn)用于徑向磁通旋轉(zhuǎn)冷卻機(jī)械的冷卻空氣，YASA機(jī)械中的極靴的溫度可以升高以妨礙從線圈到冷卻流體的熱傳導(dǎo)，并且因此，極靴到定子板的連接可以熱量折中(thermally compromised)，并且這種構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)由于功率受限從而滿足這些熱限制(thermal limitat1n)。
[0010]在自激發(fā)電機(jī)(dynamo electric machine)中，由于線圈是主要的產(chǎn)熱來源，因此傳統(tǒng)的方法關(guān)注于線圈冷卻。為了克服電動(dòng)機(jī)線圈中熱量的產(chǎn)生，GB626823公開了內(nèi)徑比電極大的線圈，線圈和電極之間設(shè)置有環(huán)形間隙，環(huán)形間隙形成為用于允許空氣穿過線圈的內(nèi)側(cè)邊緣，之后，空氣穿過位于線圈端的開有溝槽或管道的絕緣件。這種方法為線圈金屬絲提供冷卻，但也減少了磁極中磁通量的產(chǎn)生，產(chǎn)生比當(dāng)線圈緊緊纏繞在極柄上(本發(fā)明中提供的一個(gè)特征)時(shí)更小的扭矩和功率。本發(fā)明的主要目的是使得GB626823中啟示的能夠支撐線圈的開有溝槽或管道的絕緣件還能夠防止極端件(極靴)冷卻。
[0011]GB2468018涉及一種YASA電動(dòng)機(jī)，在這種電動(dòng)機(jī)中，冷卻流體被約束在定子線圈之間，通過設(shè)置的阻塞件轉(zhuǎn)移，以迫使冷卻劑流體在線圈之間交替地向后向前流動(dòng)，從而帶走熱量。盡管與傳統(tǒng)的技術(shù)相比具有顯著地更高的效率，這種啟示針對(duì)將熱量從線圈中移出，并且極靴保持絕熱，該極靴一方面通過樹脂或粘于定子板的膠粘劑覆蓋，另一方面通過金屬線圈覆蓋。因此，極靴的溫度能夠增長到不可接受的程度。
[0012]US3633054用于冷卻極靴，并且給出了用于腿型電極自激發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的啟示，其中，銅環(huán)與冷卻通道一起設(shè)置為直接與極靴接觸，從而將熱量從極靴中帶走。這種方法并不適用于軸向磁通同步電機(jī)，因?yàn)閷?dǎo)熱環(huán)產(chǎn)生干涉電動(dòng)機(jī)工作的渦流損耗。本發(fā)明提出液體冷卻劑與SMC極靴的內(nèi)表面直接接觸，相對(duì)于給出了中間冷卻金屬通道的啟示的US3633054來說顯著提高了熱量的移除。本發(fā)明不需要額外的構(gòu)造部件(buildcomponent)，從而使得成本和電動(dòng)機(jī)的體積最小化，并且在顯著提尚熱量移除的同時(shí)避免渦流損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于通過在線圈和極靴之間設(shè)置間隙以使得冷卻流體撞擊線圈靴(coil shoe)來冷卻雙轉(zhuǎn)子軸向磁通無磁軛電樞分段電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)中的極靴，并達(dá)到提高從極靴到冷卻劑流動(dòng)的熱轉(zhuǎn)移的同時(shí)允許線圈緊緊地纏繞在極柄上，從而使得產(chǎn)生的磁通量最大化。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種軸向磁通電動(dòng)機(jī)，該軸向磁通電動(dòng)機(jī)包括:一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)盤；定子，該定子具有形成在壁之間的腔體，并且其中，所述定子包括多于一個(gè)的電磁線圈組件，該電磁線圈組件包括多于一個(gè)的極片(pole Piece)，每個(gè)所述極片具有軸向延伸的柄部分(shank port1n);第一徑向延伸的端靴(end shoe)和第二徑向延伸的端靴，所述第一徑向延伸的端靴和第二徑向延伸的端靴位于所述一個(gè)或多個(gè)柄部分的端部；以及一個(gè)或多個(gè)線圈，每個(gè)所述線圈分別圍繞柄部分纏繞，其中:所述端靴包括一個(gè)或多個(gè)外表面，所述外表面中的一個(gè)或多個(gè)連接于所述壁中的一者或另一者；所述第一或第二靴中的一者或兩者還包括朝向所述線圈的熱交換表面，以在所述熱交換表面中的一者或兩者與所述線圈之間限定一個(gè)或多個(gè)第一冷卻通道，并且，所述電動(dòng)機(jī)還包括第二流動(dòng)通道，該第二流動(dòng)通道通過所述線圈和相鄰的線圈之間的間隔限定。
[0015]優(yōu)選地，每個(gè)所述熱交換表面與所述線圈隔開，以便于在每個(gè)熱交換表面和所述線圈之間限定第一冷卻通道。
[0016]優(yōu)選地，所述線圈通過墊片(spacer)與所述一個(gè)或多個(gè)熱交換表面隔開。優(yōu)選地，所述墊片的尺寸為使得冷卻劑能夠到達(dá)所述熱交換表面，同時(shí)使得電動(dòng)機(jī)的功率密度最大化。有利地，所述墊片包括位于所述柄部分的突出(protrus1n)或繞所述柄部分設(shè)置的單獨(dú)的環(huán)。可選擇地，所述線圈包括錐形線圈，該錐形線圈的基部寬于其頂部，并且其中，所述基部沿著所述柄部分延長的長度大于所述頂部沿著所述柄部分延長的長度，以限定錐形冷卻通道。更