專利名稱：具有可變流量的淹沒式可變速電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)，更具體地涉及用于淹沒式可變速電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
諸如電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之類的電機(jī)是功率轉(zhuǎn)換裝置。電機(jī)中的功率轉(zhuǎn)換與導(dǎo)致發(fā)熱的機(jī)械摩擦和電損耗相關(guān)聯(lián)。所產(chǎn)生的熱是不期望的，因此，常規(guī)方法用空氣、液體或者用空氣和液體的組合來冷卻電機(jī)。至少有三種不同類型的液體冷卻的電機(jī)，即(a)護(hù)鐵冷卻式、(b)噴油冷卻式、以及(C)淹沒式(浸沒在油中)
發(fā)明內(nèi)容

公開了一種淹沒式電機(jī)。所述淹沒式電機(jī)包括流體密封殼體、位于所述殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子、以及位于所述殼體內(nèi)并且與所述轉(zhuǎn)子間隔徑向距離的定子?？諝庀队伤鲛D(zhuǎn)子和所述定子之間的徑向距離限定。所述淹沒式電機(jī)還包括冷卻流體的體積，其位于所述空氣隙內(nèi)并且與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸。控制器根據(jù)所述電機(jī)的速度來調(diào)整所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻流體的體積。還公開了一種用于可變速電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，所述可變速電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子以及限定在轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣隙。所述冷卻系統(tǒng)包括位于所述空氣隙內(nèi)并與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸的冷卻劑的體積。用于存儲冷卻劑的儲池與所述電機(jī)閉環(huán)流體連通。用于在所述電機(jī)和所述儲池之間移動(dòng)冷卻劑的至少一個(gè)泵位于所述儲池和所述電機(jī)之間的管道上。用于感測關(guān)于所述電機(jī)的信息的傳感器與所述電機(jī)相關(guān)聯(lián)?？刂破鹘邮账袦y到的關(guān)于所述電機(jī)的信息并且響應(yīng)性地改變所述至少一個(gè)泵的速度，從而所述電機(jī)的所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積根據(jù)所感測到的信息變化。還公開了一種用于冷卻電機(jī)的方法，所述電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子以及由所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的空間限定的空氣隙。所述方法包括感測所述電機(jī)的速度并且響應(yīng)于所感測到的所述電機(jī)的速度改變位于所述空氣隙內(nèi)的冷卻劑的體積。


圖IA是用于以中速操作的電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的示意圖。圖IB是圖IA的電機(jī)的剖面圖。圖2A是用于以低速操作的電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的示意圖。圖2B是圖2A的電機(jī)的剖面圖。圖3A是用于以高速操作的電機(jī)的冷卻系統(tǒng)的示意圖。圖3B是圖3A的電機(jī)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式本公開提供了一種用于冷卻淹沒式可變速電機(jī)的系統(tǒng)，其最大化電機(jī)的效率?？筛鶕?jù)操作期間發(fā)生的能量損耗來測量電機(jī)效率。能量損耗可以是本質(zhì)上電的或機(jī)械的。電損耗包括鐵和銅，而機(jī)械損耗包括摩擦和空氣阻力?？諝庾枇p耗作為電機(jī)速度的三次函數(shù)增加。當(dāng)前公開的冷卻系統(tǒng)通過以與電機(jī)速度的相反關(guān)系改變電機(jī)中的冷卻劑的量而為電機(jī)最小化空氣阻力損耗并且最大化冷卻效率。圖IA是用于以中速操作的電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的示意圖。圖IA中示出了用于電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的部件儲池14、供給管道16、供給泵18、供給孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度傳感器28、控制器30、流體或冷卻劑傳感器32以及冷卻流體或冷卻劑34。冷卻系統(tǒng)10向電機(jī)12提供冷卻劑34以管理電機(jī)12的操作期間產(chǎn)生的熱。電機(jī)12經(jīng)由閉環(huán)冷卻劑34回路與儲池14流體連通，閉環(huán)冷卻劑34回路由冷卻系統(tǒng)10操作。冷卻系統(tǒng)10的冷卻劑34回路或環(huán)路包括供給側(cè)(供給管道16、供給泵18和供給孔20)和相對的返回側(cè)(返回管道22、返回泵24和返回孔26)。供給管道16在儲池14和電機(jī)12之間延伸并且將儲池14連接到電機(jī)12。供給泵18位于沿供給管道16的大約半 途處。供給孔20位于供給泵18和電機(jī)12之間。供給泵18和供給孔20電連接到控制器30。類似地，返回管道22在電機(jī)12和儲池14之間延伸并且將電機(jī)12連接到儲池14。返回泵24位于沿返回管道22的大約半途處。返回孔26位于返回泵24和電機(jī)12之間。返回泵24和返回孔26電連接到控制器30。速度傳感器28和冷卻劑傳感器32均電連接到控制器30。在所示實(shí)施例中，冷卻劑34的中間電機(jī)體積(IMV)位于電機(jī)12內(nèi)。電機(jī)12可以是用于商業(yè)或工業(yè)用途的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的組合。電機(jī)12被用冷卻劑34 (例如油)浸沒或“淹沒”。冷卻劑34存儲在儲池14中并且經(jīng)由冷卻劑34環(huán)路的供給側(cè)提供到電機(jī)12。更特別地，冷卻劑34從儲池14通過供給管道16流入電機(jī)12中。在經(jīng)過供給管道16時(shí)，冷卻劑34流過供給泵18并然后流過供給孔20。供給泵18是可變速泵，用于以給定速度將冷卻劑34從儲池14泵到電機(jī)12。供給孔20是固定的或者可變的孔，用于允許冷卻劑34以全流量或者降低的/部分的/無流量流入電機(jī)12。冷卻劑34從電機(jī)12經(jīng)由冷卻劑34環(huán)路的返回側(cè)流回儲池14。更特別地，冷卻劑34從電機(jī)12通過返回管道22流入儲池14中。在經(jīng)過返回管道22時(shí)，冷卻劑34流過返回孔26并然后流過返回泵24。返回孔26是固定的或者可變的孔，用于允許冷卻劑34以全流量或者降低的/部分的/無流量流出電機(jī)12。返回泵24是可變速泵，用于以給定速度將冷卻劑34從電機(jī)12泵到儲池14。供給泵18、供給孔20、返回泵24、返回孔26的每一個(gè)均由控制器30控制，以降低電機(jī)10內(nèi)的空氣阻力損耗并最大化電機(jī)10的冷卻效率。在操作中，電機(jī)12具有一定的頻率或旋轉(zhuǎn)速度，其由速度傳感器28來感測。速度傳感器28將所感測到的電機(jī)12的速度發(fā)送到控制器30?？刂破?0使用所感測到的電機(jī)12的速度來確定電機(jī)12內(nèi)的冷卻劑34的優(yōu)化的流體水平或體積?？刂破?0在查找表中參考所感測到的電機(jī)12的速度，從而為以給定速度操作的電機(jī)12確定冷卻劑34的優(yōu)化的流體水平。冷卻劑34的優(yōu)化流體水平是在制造期間確定的值，其降低以給定速度操作的電機(jī)12的空氣阻力損耗并最大化冷卻效率?？刂破?0調(diào)整供給泵18、供給孔20、返回孔26和返回泵24中的一個(gè)或多個(gè)的參數(shù)，以增加電機(jī)12內(nèi)的冷卻劑34的量，從而其更加緊密地近似優(yōu)化的流體水平。冷卻劑傳感器32被任選地包括在冷卻系統(tǒng)10中，以幫助感測電機(jī)12內(nèi)的冷卻劑34的當(dāng)前體積并且向控制器30提供反饋。在圖IA中，電機(jī)12以中速操作。速度傳感器28感測到電機(jī)12以中速操作并且向控制器30提供中速信號?？刂破?0在查找表中參考電機(jī)12的中速并且確定冷卻劑34的中間量或中間電機(jī)體積(MV)是最優(yōu)的?？刂破?0然后設(shè)置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數(shù)以在電機(jī)12內(nèi)實(shí)現(xiàn)IMV。如果在電機(jī)12內(nèi)需要更多的冷卻劑34，則控制器30可增大供給泵18的速度以更快地從儲池14向電機(jī)12泵送冷卻劑34，擴(kuò)大/打開供給孔20以允許冷卻劑34更快地流入電機(jī)12，限制/關(guān)閉返回孔26以減小流出電機(jī)12的冷卻劑34流，和/或減小返回泵24的速度以減小從電機(jī)12流向儲池14的冷卻劑34流。如果在電機(jī)12內(nèi)需要更少的冷卻劑34，則控制器30可減小供給泵18的速度以更慢地從儲池14向電機(jī)12泵送冷卻劑34，限制/關(guān)閉供給孔20以減小流入電機(jī)12的冷卻劑34流，擴(kuò)大/打開返回孔26以增大流出電機(jī)12的冷卻劑34流，和/或增大返回泵24的速度以更快地從電機(jī)12向儲池14泵送冷卻劑34流。冷卻劑傳感器32可向控制器30提供關(guān)于IMV的實(shí)現(xiàn)情況的反饋，使得控制器30可進(jìn)一步增加或微調(diào)冷卻系統(tǒng)10的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)MV。圖IB是圖IA的電機(jī)12的剖面圖，電機(jī)12以中速操作并且實(shí)現(xiàn)MV。圖IB中示出了電機(jī)12的部件冷卻劑34、殼體36、定子38、轉(zhuǎn)子40和空氣隙42。當(dāng)電機(jī)12以中速操作并且冷卻劑34水平處于IMV時(shí)，空氣阻力損耗被最小化并且冷卻效率被最大化。電機(jī)12的工作零件被容納在流體密封的殼體36中。殼體36是電機(jī)12的徑向最外部分。定子38徑向地位于殼體36內(nèi)，定子38是電機(jī)12的靜止部分。轉(zhuǎn)子40徑向地位于定子38內(nèi)，轉(zhuǎn)子40是電機(jī)12的旋轉(zhuǎn)部分。機(jī)械空氣隙42在定子38的最內(nèi)部分和轉(zhuǎn)子40的最外部分之間徑向地延伸。冷卻劑34位于空氣隙42內(nèi)并且與定子38的最內(nèi)部分和轉(zhuǎn)子40的最外部分接觸。在圖IB中，電機(jī)12以中速操作，因此MV是冷卻劑34的最優(yōu)量。如圖所示，IMV填充了空氣隙42的大約一半。對于電機(jī)的中速，IMV達(dá)成了最小化空氣阻力損耗和最大化冷卻效率之間的平衡。然而，電機(jī)12是可變速電機(jī)并且當(dāng)以不同速度操作時(shí)將會需要不同水平的冷卻劑34。圖2A是用于以低速操作的電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的示意圖。圖2A中示出了用于電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的部件儲池14、供給管道16、供給泵18、供給孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度傳感器28、控制器30、冷卻劑傳感器32以及冷卻劑34。圖2A基本類似于圖IA并且示出了冷卻系統(tǒng)10的相同部件。將在下面著重介紹圖2A和圖IA之間的差別。在圖2A中，電機(jī)12的速度從圖IA所示的中速減小。速度傳感器28感測到電機(jī)12以相對低速操作并且向控制器30提供低速信號。控制器30在查找表中參考電機(jī)12的低速并且確定冷卻劑34的相對高量或高電機(jī)體積HMV是最優(yōu)的。控制器30然后設(shè)置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數(shù)以在電機(jī)12內(nèi)實(shí)現(xiàn)HMV。由于在電機(jī)12中(相比圖IA所示的MV)需要更多的冷卻劑34，控制器30可增大供給泵18的速度以更快地從儲池14向電機(jī)12泵送冷卻劑34，擴(kuò)大/打開供給孔20以允許冷卻劑34更快地流入電機(jī)12，限制/關(guān)閉返回孔26以減小流出電機(jī)12的冷卻劑34流，和/或減小返回泵24的速度以減小從電機(jī)12流向儲池14的冷卻劑34流。增加這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)將會導(dǎo)致更多的冷卻劑34從儲池14流入電機(jī)12并且將MV增大到HMV。冷卻劑傳感器32可向控制器30提供關(guān)于HMV的實(shí)現(xiàn)情況的反饋，使得控制器30可進(jìn)一步增加或微調(diào)冷卻系統(tǒng)10的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)HMV。、
圖2B是圖2A的以低速操作的電機(jī)12的剖面圖。圖2B中示出了電機(jī)12的部件冷卻劑34、殼體36、定子38、轉(zhuǎn)子40和空氣隙42。圖2B基本類似于圖IB并且示出了電機(jī)12的相同部件。在圖2B中，電機(jī)12以低速操作，HMV是冷卻劑34的最優(yōu)量。如圖所示，HMV基本充滿了空氣隙42，并且冷卻劑34與定子38的最內(nèi)部分和轉(zhuǎn)子40的最外部分接觸。對于電機(jī)12的低速而言，空氣阻力損耗較不成問題，并且更多的冷卻劑34是最優(yōu)的。圖3A是用于以高速操作的電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的示意圖。圖3A中示出了用于電機(jī)12的冷卻系統(tǒng)10的部件儲池14、供給管道16、供給泵18、供給孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度傳感器28、控制器30、冷卻劑傳感器32以及冷卻劑34。圖3A基本類似于圖1A、2A并且示出了冷卻系統(tǒng)10的相同部件。將在下面著重介紹圖3A和圖1A、2A之間的差別。
在圖3A中，電機(jī)12的速度從圖IA所示的中速或者圖2A所示的低速增大。速度傳感器28感測到電機(jī)12以相對高速操作并且向控制器30提供高速信號?？刂破?0在查找表中參考電機(jī)12的高速并且確定冷卻劑34的相對低量或低電機(jī)體積LMV是最優(yōu)的?？刂破?0然后設(shè)置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數(shù)以在電機(jī)12內(nèi)實(shí)現(xiàn)LMV。由于在電機(jī)12中(相比圖IA所示的MV和/或圖2A所示的HMV)需要更少的冷卻劑34，控制器30可減小供給泵18的速度以更慢地從儲池14向電機(jī)12泵送冷卻劑34，限制/關(guān)閉供給孔20以減小流入電機(jī)12的冷卻劑34流，擴(kuò)大/打開返回孔26以增大流出電機(jī)12的冷卻劑34流，和/或增大返回泵24的速度以更快地從電機(jī)12向儲池14泵送冷卻劑34流。增加這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)將會導(dǎo)致更多的冷卻劑34從電機(jī)12流向儲池并且將MV或HMV減小到LMV。冷卻劑傳感器32可向控制器30提供關(guān)于LMV的實(shí)現(xiàn)情況的反饋，使得控制器30可進(jìn)一步增加或微調(diào)冷卻系統(tǒng)10的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)LMV。圖3B是圖3A的以高速操作的電機(jī)12的剖面圖。圖3B基本類似于圖1B、2B并且示出了電機(jī)12的相同部件。在圖3B中，電機(jī)12以高速操作，因此LMV是冷卻劑34的最優(yōu)量。如圖所示，LMV填充了空氣隙42的大約四分之一，但是冷卻劑34仍然與定子38的最內(nèi)部分和轉(zhuǎn)子40的最外部分接觸。對于電機(jī)12的高速而言，空氣阻力損耗最成問題，并且更少的冷卻劑34是最優(yōu)的。雖然已經(jīng)參照(一個(gè)或多個(gè))示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可作出各種變化并對其元件進(jìn)行等同物替換。另外，在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可對本發(fā)明的教導(dǎo)作出許多修改以適應(yīng)具體情況或材料。因此，所意圖的是本發(fā)明不限于所公開的(一個(gè)或多個(gè))具體實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種淹沒式電機(jī),包括 流體密封殼體； 轉(zhuǎn)子，其位于所述殼體內(nèi)； 定子，其位于所述殼體內(nèi)并且與所述轉(zhuǎn)子間隔徑向距離； 空氣隙，其由所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的徑向距離限定； 冷卻流體的體積，其位于所述空氣隙內(nèi)并且與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸；和 控制器，其用于根據(jù)所述電機(jī)的速度來調(diào)整所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻流體的體積。
2.如權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，所述電機(jī)是電動(dòng)機(jī)。
3.如權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，所述電機(jī)是發(fā)電機(jī)。
4.如權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸，而無論所述電機(jī)的速度如何。
5.如權(quán)利要求4所述的電機(jī)，其中，當(dāng)所述電機(jī)的速度低時(shí)，所述冷卻流體的體積基本充滿所述空氣隙。
6.如權(quán)利要求4所述的電機(jī)，其中，當(dāng)所述電機(jī)的速度高時(shí)，所述冷卻流體的體積部分地填充所述空氣隙。
7.一種用于可變速電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，所述可變速電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子以及限定在轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣隙，所述冷卻系統(tǒng)包括 位于所述空氣隙內(nèi)的冷卻劑的體積，所述冷卻劑的體積與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸； 用于存儲冷卻劑的儲池，所述儲池與所述電機(jī)閉環(huán)流體連通； 用于在所述儲池和所述電機(jī)之間移動(dòng)冷卻劑的至少一個(gè)泵，所述至少一個(gè)泵位于所述儲池和所述電機(jī)之間的管道上； 用于感測關(guān)于所述電機(jī)的信息的傳感器；和 控制器，所述控制器用于接收所感測到的關(guān)于所述電機(jī)的信息并且響應(yīng)性地改變所述至少一個(gè)泵的速度，從而所述電機(jī)的所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積根據(jù)所感測到的信息變化。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器是用于感測所述電機(jī)的速度的速度傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器是用于感測所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積的冷卻劑水平傳感器。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)泵包括 位于第一管道上的可變速供給泵，所述供給泵用于將冷卻劑從所述儲池泵到所述電機(jī)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括 位于所述第一管道中所述供給泵和所述電機(jī)之間的孔，所述孔用于限制流入所述電機(jī)的冷卻劑流。
12.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)泵包括 位于第二管道上的可變速返回泵，所述返回泵用于將冷卻劑從所述電機(jī)泵到所述儲池。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括位于所述第二管道中所述返回泵和所述電機(jī)之間的孔，所述孔用于限制流出所述電機(jī)的冷卻劑流。
14.一種用于冷卻電機(jī)的方法，所述電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子以及由所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的空間限定的空氣隙，所述方法包括 感測所述電機(jī)的速度；并且 響應(yīng)于所感測到的所述電機(jī)的速度改變位于所述空氣隙內(nèi)的冷卻劑的體積。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積與所述轉(zhuǎn)子和所述定子接觸，而無論所感測到的所述電機(jī)的速度如何。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，改變所述冷卻劑的體積包括 當(dāng)所感測到的所述電機(jī)的速度相對低時(shí)，增大位于所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積，使得所述空氣隙包含相對大體積的冷卻劑。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，改變所述冷卻劑的體積還包括 當(dāng)所感測到的所述電機(jī)的速度相對高時(shí)，減小位于所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積，使得所述空氣隙包含相對小體積的冷卻劑。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括 感測位于所述空氣隙內(nèi)的所述冷卻劑的體積。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可變流量的淹沒式可變速電機(jī)。具體地，一種電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子以及由轉(zhuǎn)子和定子之間的空間限定的空氣隙。冷卻流體的體積位于空氣隙內(nèi)并且與轉(zhuǎn)子和定子接觸。一種用于冷卻電機(jī)的方法包括感測電機(jī)的速度并且響應(yīng)于所感測到的電機(jī)的速度改變位于空氣隙內(nèi)的冷卻劑的體積。
文檔編號H02K9/19GK102638132SQ20121002973
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月11日
發(fā)明者D.達(dá)菲克, M.J.沙 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司