液體冷卻的電機的製作方法

2023-04-29 01:26:58 2

本發明涉及一種具有冷卻的轉子的電機、尤其異步機。

背景技術：

電機用於將電能變換成機械能並且相反進行的能量變換。在將機械能變換成電能的能量變換時，電機用作為發電機。在將電能變換成機械能的能量變換時，電機用作為發動機。在這兩種情況下，都希望在高功率密度的情況下達到高效率。高效率是必要的，以能夠成本適宜地且節約資源地提供能量。高功率密度是必要的，因為希望成本更適宜地製造具有較小的材料投入的電機或者由於電機的重量敏感的應用而希望具有較低質量的電機。重量敏感的應用的實例是如下應用：其中用於電機的承載結構是昂貴的，或者電機在該應用中從一個地點運輸至另一地點。這例如涉及車輛製造，即尤其電動車輛或還有混合動力車輛中的電機。為了在功率密度高的情況下達到高效率，對電機的原理和構造以及其冷卻進行改進。

從DE 10 2012 203 697 A1中例如已知一種電機，所述電機具有軸，所述軸具有軸向鑽孔。導流元件延伸到軸向鑽孔中，使得冷卻劑、尤其冷卻液體能夠從導流元件流入軸向鑽孔中。為了密封設有密封件，所述密封件設置在軸上，使得冷卻液體能夠將密封件朝軸擠壓。密封件被空氣壓向軸，所述空氣處於在保留元件、即間隙密封件和另一密封件之間的空腔中。

技術實現要素：

本發明的目的是：提出一種具有有效密封冷卻介質的電機。

所述目的的解決方案在具有根據權利要求1的特徵的電機中和在根據權利要求9的用於運行電機的方法中得出。解決方案的其他的設計方案根據從屬權利要求2至8或10得出。

電機、尤其是異步機具有定子和轉子。轉子可扭轉地支承並且與軸抗扭地連接。因此軸是轉子的一部分。軸具有軸向鑽孔。為了冷卻電機設有冷卻介質，其特別是冷卻液體。所述冷卻介質冷卻轉子進而尤其經由轉子的軸冷卻電機。冷卻介質能夠引入到軸的軸向鑽孔中。這藉助於導流元件來進行。導流元件在軸向鑽孔中引導冷卻介質流。例如，導流元件延伸到軸向鑽孔中，使得冷卻劑、尤其冷卻液體能夠從導流元件流入軸向鑽孔中、或者能夠從軸向鑽孔流出進入導流元件中。為了密封軸向鑽孔的開口存在滑動環密封件。密封例如涉及相對於電機的空間的密封性，所述電機具有轉子和定子之間的氣隙，或者在其中存在定子的繞組頭。滑動環密封件是壽命長的穩固的密封件，使得在電機的使用壽命期間不必須考慮更換密封件。滑動環密封件相對於一個相對於軸旋轉固定的元件密封具有軸向鑽孔的能旋轉運動的軸。該元件例如是用於輸送或導出冷卻介質的連接法蘭。

在電機的一個設計方案中，滑動環密封件具有滑動環和配對環，其中滑動環與軸連接，並且配對環與相對於轉子固定的元件連接。固定的元件例如是軸承蓋或承載件，以固定導流元件或連接元件，即用將冷卻介質導入電機的軸中或從中導出的連接法蘭。在滑動環和配對環之間形成一個面，所述面密封將具有冷卻介質的空間與沒有冷卻介質的空間密封。滑動環能隨軸運動至配對環。滑動環和配對環因此能夠相互運動。

在電機的一個設計方案中，第一密封環相對於軸密封滑動環。第一密封環和滑動環能夠隨軸運動。藉此，第一密封件相對於滑動環是固定的。

在電機的一個設計方案中，第二密封環相對於固定的元件密封配對環。藉此，第二密封環相對於固定的元件是固定的。

在電機的一個設計方案中，冷卻液體具有水和/或甘醇、或由它們構成。水與甘醇的比例例如為50％比50％。

在電機的一個設計方案中，滑動環密封件的滑動環以相對於配對環軸向作用的方式設置。軸通過軸承軸向地還有徑向地固定。藉此，通過對此能夠例如相對於承載件調節配對環的軸向位置的方式，能夠簡單地確定配對環相對於滑動環的位置，其中所述滑動環固定在軸上。因此，能夠通過配對環相對於配對環的承載件的可變的軸向定位改變滑動環和配對環之間的軸向壓力。如果在滑動環和配對環之間不施加壓力，那麼能夠改變滑動環和配對環之間的軸向間隙。配對環相對於其承載件的定位例如經由間隔件、如不同厚度的螺釘或插入件來進行。

在電機的一個設計方案中，滑動環密封件的滑動環具有陶瓷、尤其是燒結的陶瓷。陶瓷是低磨損的進而有助於電機的長壽命。

在電機的一個設計方案中，所述電機具有溼度傳感器。溼度傳感器設置在空腔中，這表示：溼度傳感器至少安置在電機中或電機上，使得藉助該溼度傳感器能夠測量電機的空腔中的溼度。因此，例如能夠確定：是否面臨腐蝕威脅。如果確定過高的溼度，那麼例如能夠接通電機中的加熱裝置，這尤其在電機的停機時間時是必需的。

在用於運行所描述的設計方案之一的電機的方法中，確定電機的空腔中的溼度的數值。所確定的數值於是能夠被評估。

在該方法的一個設計方案中，將數值傳輸給評估裝置，其中藉助於評估裝置確定：是否要更換滑動環密封件。如果滑動環密封件洩漏，那麼冷卻劑能夠進入到電機的乾燥部件中並且引起損壞。這能夠通過評估裝置來防止。這例如通過如下方式進行：電機在溼度值過高的情況下(在超過閾值時)不再能夠運行並且不再能夠施加電壓。

電機例如是用於車輛的驅動器。車輛例如是電動汽車或混合動力汽車，所述電動汽車或混合動力汽車的推進能夠藉助於電機實現。滑動環密封件的應用結合經由具有鑽孔的軸對轉子進行冷卻實現緊湊的結構。該緊湊的機構適合於車輛中的狹窄的裝入空間。

通過應用滑動環密封件能夠實現不同的正面的效果，即例如：

-維護友好的密封系統，

-可簡單更換的密封系統，因為能夠軸向地取下一部分；

-在周向速度較高的情況下的良好的密封性；

-用於密封作為冷卻介質的水/甘醇混合物的良好的能力；

-發動機軸和密封系統之間的形狀和/或長度和/或位置偏差的良好的平衡可能性，和

-密封系統對於變化的系統壓力的良好匹配性，所述系統壓力例如通過設計變化產生。

滑動環密封件具有藉助徑向軸密封環來密封轉子冷卻系統的優點。由於高周向速度和形狀和位置偏差和潤滑不足，在徑向軸密封環中能夠造成密封唇片的磨損提高。當然，密封唇片能夠藉助專用的填充材料來加強，以便實現對於高周向速度的能力。填充材料當然能夠導致軸表面上的磨損提高，這使得附加昂貴的加工步驟、如硬化、打磨和拋光是必需的。為了防止在安裝軸密封環時產生的損壞，在軸上需要安裝輔助裝置或專用的幾何形狀。

這種問題能夠通過應用滑動環密封件來減少和/或避免。滑動環密封件的密封系統在通常潤滑時是無磨損的並且良好地適合於在轉速高(>20000/min)的情況下密封水/甘醇-冷卻介質。通過密封件幾何形狀的巧妙的造型能夠實現與系統壓力無關地作用的密封系統。密封系統軸向地作用於由燒結的工程專用陶瓷構成的配對環上。密封系統、即例如軸密封環直接徑向地作用於發動機軸上，進而引起在所述發動機軸處的磨損，這又可能需要進行更換。在滑動環密封件的情況下，在發動機軸處不存在磨損。滑動環密封件能夠簡單地安裝和拆卸。

附圖說明

下面示例地藉助於附圖描述本發明。在附圖中，針對相同類型的元件應用相同的附圖標記。在此示出：

圖1示出具有滑動環密封件的電機；

圖2示出第一電機的一個部段；

圖3示出徑向軸密封件；

圖4示出滑動環密封件和

圖5示出電機與冷卻介質流的視圖。

具體實施方式

根據圖1的視圖示出具有殼體101的電機1。在殼體101中存在定子2和轉子4，其中轉子4圍繞軸線3能夠在軸承8和8』之上轉動。定子2具有疊片組16並且轉子具有疊片組16』。電機是具有短路環17的異步機。轉子4的軸5具有軸向鑽孔6，用於引導冷卻劑的導流元件7伸入到所述鑽孔中，其中導流元件7具有進入管9。通過冷卻劑入口34對進入管9饋送冷卻劑，所述冷卻劑入口處於承載管9的承載件37中，所述承載件為固定的元件。冷卻劑再次經由冷卻劑出口33離開電機1，所述冷卻劑出口連接到空心柱形的空間32上。藉助於滑動環密封件40實現軸6的開口相對於轉子4的另外的部分和相對於定子2的密封，所述滑動環密封件在圖4中詳細地示出。在軸5中的冷卻介質流在圖5中示出。

根據圖2的視圖除了圖1的元件之外還示出具有滑動環41和配對環42的滑動環密封件40(參見圖4)。滑動環41與軸5連接，其中第一密封件48處於軸5和滑動環41之間。滑動環41例如具有接合在塑料中的碳，以便實現良好的滑動作用。配對環42與承載件37連接，其中在承載件37和配對環42之間存在第二密封環49。密封環48和49例如是O形環。配對環42例如具有SiC。配對環42尤其具有轉矩支柱21和單彈簧22，以便配對環42抵靠滑動環41。除了洩漏腔46之外，電機也具有空腔55，其中傳感器56測量空腔55中的溼度。測量出的傳感器值在評估裝置57中評估。傳感器也能夠定位在定子的繞組頭的區域中，然而這在圖2中未被示出。經由球形閥47能夠附加地將冷卻劑從電機中引出。

根據圖3的視圖示出根據現有技術的徑向軸密封件53作為滑動環密封件的替選方案。徑向軸密封件53具有繞組加強部54和彈簧52，所述彈簧將密封件擠壓到軸5上。

根據圖4的視圖設計出滑動環密封件(40)，其中滑動環41經由橡膠彈性的減震件43與軸連接。滑動環41面狀地貼靠配對環42，其中配對環42經由橡膠彈性的風箱44與承載件37連接。該承載件是固定的且不能在軸承之上旋轉運動。風箱44尤其是彈性體折箱。彈簧45、尤其螺旋彈簧將配對環42擠壓到滑動環41上。彈簧45尤其是單彈簧。彈簧45在此至少間接地支撐在承載件37上。所示出的減壓的滑動環密封件能夠作為預安裝的單元構建。

圖5示出電機1，具有冷卻介質流。通過軸5經由軸承8、8』支撐在殼體101中的方式，轉子4可圍繞轉動軸線3轉動地支承。軸承8和8』在該實施例中是球軸承。也能夠應用其他的軸承、如桶形滾子軸承、滾針軸承等，但是未被示出。將冷卻液體作為冷卻劑15用於冷卻，所述冷卻液體由水和各裡散亭(Glysantin)以比例50:50構成，或者具有所述材料。

轉子4的軸5具有軸向鑽孔6。導流元件7從軸5的敞開的端部延伸到軸向鑽孔6中，使得冷卻液體15能夠從導流元件7流入到軸向鑽孔6中。導流元件7具有進入管9，所述進入管固定在導流元件7的承載件37中或其上。承載件37固定在電機1的殼體101上。

為了冷卻電機51，冷卻液體15穿過冷卻劑入口34流入進入管9中。在進入管9中，冷卻劑15沿朝軸向鑽孔6的封閉的端部的方向流動，在那裡所述冷卻劑從進入管9中流出並且通過傳遞元件13偏轉。對此，傳遞元件13具有凹處14，所述凹處相對於轉動軸線3旋轉對稱地構成，使得冷卻液體僅具有少量通過冷卻液體偏轉引起的渦流。傳遞元件13由鋁構成，使得所述傳遞元件將廢熱以良好的程度能夠傳遞到冷卻液體15上，所述傳遞元件在軸向鑽孔6的邊緣12處或在軸向鑽孔6的封閉的端部處吸收所述廢熱。軸5以常規的方式由鋼製成。由於傳遞元件13相對於軸5的常規的鋼的熱膨脹係數較大，將所述傳遞元件壓向軸向鑽孔6的邊緣12，使得隨著溫度增加，在軸向鑽孔6的邊緣12和傳遞元件13之間存在更好的熱過渡。在冷卻液體15已經通過傳遞元件13偏轉之後，冷卻液體15流入到空心柱形的通道31中，所述通道通過軸向鑽孔6的邊緣12和進入管9的外表面10形成。隨後，冷卻液體15在軸5的敞開的端部處從空心柱形的通道31流入到空心柱形的空間32中。冷卻液體15從那裡穿過冷卻劑出口33離開空心柱形的空間32，所述冷卻劑出口以其貫穿空心柱形的空間32的徑向邊緣的一個部段的橫截面的一部分延伸到空心柱形的空間32中。

定子2具有疊片組16並且轉子4具有疊片組16』。轉子4還具有銅棒23，所述銅棒設置在疊片組16』的槽25中。銅棒23通過由鋁澆注的短路環17來短接。在圖5中，沿徑向方向除銅棒23之外以與短路環17不同的陰影線繪製剩餘橫截面。槽25的剩餘橫截面能夠獨立於短路環17的澆鑄件來鑄造，或者在用鋁24澆鑄短路環17時鑄造。

澆鑄的短路環17具有固定區域18。所述固定區域直接地聯接在軸5上。這就是說，短路環17的表面在固定區域18附近接觸軸5的表面。為了在大溫度範圍上確保短路環17和軸5之間的該接觸，將收縮環19設置在短路環17上，使得固定區域18處於收縮環19和軸5之間。收縮環19由鋼構成，所述鋼隨著溫度增加比短路環17的鋁更微弱地顯著膨脹。收縮環19在轉子平衡的情況下用於安置平衡鑽孔20。平衡鑽孔20的數量和深度以及其在收縮環上的布置與轉子4的個別的不平衡相關。

如果現在轉子4的組成部分、尤其短路環23在電機1運行時發熱，那麼廢熱經由銅棒23的良好的導熱性運輸到短路環17中並且從短路環17經由其固定區域18運輸到軸5中。

這針對圖5中的短路環17中的一個通過箭頭35再現，所述箭頭表明到傳遞元件13中的熱傳遞的方向。冷卻液體15從傳遞元件13吸收廢熱並且能夠將所述冷卻液體運輸至冷卻劑出口33。在多個短路環17的另一個短路環中，熱量從軸5直接地傳遞到冷卻液體15上，如箭頭36表明這種情況。

進入管9是由鋁構成的壓鑄件。通過鋁的良好的導熱性，實現沿著轉動軸線3更均勻地冷卻軸5。冷卻液體15在空心柱形的通道31中吸收的廢熱因此能夠通過進入管9的良好的導熱性以更高的程度傳遞到進入管9之內的冷卻液體15上。因此，進入管9之內的軸向鑽孔6的敞開的端部附近的相對冷的冷卻液體15通過如下方式輔助空心柱形通道31中的冷卻液體15：即所述相對冷的冷卻液體通過進入管9的鋁從所述空心柱形通道中的冷卻液體已經吸收了一定量的廢熱。