具有可變流量的淹沒式可變速電機的製作方法
2023-04-23 13:00:16
專利名稱：具有可變流量的淹沒式可變速電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機，更具體地涉及用於淹沒式可變速電機的冷卻系統。
背景技術：
諸如電動機和發電機之類的電機是功率轉換裝置。電機中的功率轉換與導致發熱的機械摩擦和電損耗相關聯。所產生的熱是不期望的，因此，常規方法用空氣、液體或者用空氣和液體的組合來冷卻電機。至少有三種不同類型的液體冷卻的電機，即(a)護鐵冷卻式、(b)噴油冷卻式、以及(C)淹沒式(浸沒在油中)
發明內容
公開了一種淹沒式電機。所述淹沒式電機包括流體密封殼體、位於所述殼體內的轉子、以及位於所述殼體內並且與所述轉子間隔徑向距離的定子。空氣隙由所述轉子和所述定子之間的徑向距離限定。所述淹沒式電機還包括冷卻流體的體積，其位於所述空氣隙內並且與所述轉子和所述定子接觸。控制器根據所述電機的速度來調整所述空氣隙內的所述冷卻流體的體積。還公開了一種用於可變速電機的冷卻系統，所述可變速電機具有轉子、定子以及限定在轉子和定子之間的空氣隙。所述冷卻系統包括位於所述空氣隙內並與所述轉子和所述定子接觸的冷卻劑的體積。用於存儲冷卻劑的儲池與所述電機閉環流體連通。用於在所述電機和所述儲池之間移動冷卻劑的至少一個泵位於所述儲池和所述電機之間的管道上。用於感測關於所述電機的信息的傳感器與所述電機相關聯。控制器接收所感測到的關於所述電機的信息並且響應性地改變所述至少一個泵的速度，從而所述電機的所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積根據所感測到的信息變化。還公開了一種用於冷卻電機的方法，所述電機具有轉子、定子以及由所述轉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的速度並且響應於所感測到的所述電機的速度改變位於所述空氣隙內的冷卻劑的體積。
圖IA是用於以中速操作的電機的冷卻系統的示意圖。圖IB是圖IA的電機的剖面圖。圖2A是用於以低速操作的電機的冷卻系統的示意圖。圖2B是圖2A的電機的剖面圖。圖3A是用於以高速操作的電機的冷卻系統的示意圖。圖3B是圖3A的電機的剖面圖。
具體實施例方式本公開提供了一種用於冷卻淹沒式可變速電機的系統，其最大化電機的效率。可根據操作期間發生的能量損耗來測量電機效率。能量損耗可以是本質上電的或機械的。電損耗包括鐵和銅，而機械損耗包括摩擦和空氣阻力。空氣阻力損耗作為電機速度的三次函數增加。當前公開的冷卻系統通過以與電機速度的相反關係改變電機中的冷卻劑的量而為電機最小化空氣阻力損耗並且最大化冷卻效率。圖IA是用於以中速操作的電機12的冷卻系統10的示意圖。圖IA中示出了用於電機12的冷卻系統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10向電機12提供冷卻劑34以管理電機12的操作期間產生的熱。電機12經由閉環冷卻劑34迴路與儲池14流體連通，閉環冷卻劑34迴路由冷卻系統10操作。冷卻系統10的冷卻劑34迴路或環路包括供給側(供給管道16、供給泵18和供給孔20)和相對的返回側(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12之間延伸並且將儲池14連接到電機12。供給泵18位於沿供給管道16的大約半 途處。供給孔20位於供給泵18和電機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12和儲池14之間延伸並且將電機12連接到儲池14。返回泵24位於沿返回管道22的大約半途處。返回孔26位於返回泵24和電機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。在所示實施例中，冷卻劑34的中間電機體積(IMV)位於電機12內。電機12可以是用於商業或工業用途的發電機、電動機或者是發電機和電動機的組合。電機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中並且經由冷卻劑34環路的供給側提供到電機12。更特別地，冷卻劑34從儲池14通過供給管道16流入電機12中。在經過供給管道16時，冷卻劑34流過供給泵18並然後流過供給孔20。供給泵18是可變速泵，用於以給定速度將冷卻劑34從儲池14泵到電機12。供給孔20是固定的或者可變的孔，用於允許冷卻劑34以全流量或者降低的/部分的/無流量流入電機12。冷卻劑34從電機12經由冷卻劑34環路的返回側流回儲池14。更特別地，冷卻劑34從電機12通過返回管道22流入儲池14中。在經過返回管道22時，冷卻劑34流過返回孔26並然後流過返回泵24。返回孔26是固定的或者可變的孔，用於允許冷卻劑34以全流量或者降低的/部分的/無流量流出電機12。返回泵24是可變速泵，用於以給定速度將冷卻劑34從電機12泵到儲池14。供給泵18、供給孔20、返回泵24、返回孔26的每一個均由控制器30控制，以降低電機10內的空氣阻力損耗並最大化電機10的冷卻效率。在操作中，電機12具有一定的頻率或旋轉速度，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12的速度發送到控制器30。控制器30使用所感測到的電機12的速度來確定電機12內的冷卻劑34的優化的流體水平或體積。控制器30在查找表中參考所感測到的電機12的速度，從而為以給定速度操作的電機12確定冷卻劑34的優化的流體水平。冷卻劑34的優化流體水平是在製造期間確定的值，其降低以給定速度操作的電機12的空氣阻力損耗並最大化冷卻效率。控制器30調整供給泵18、供給孔20、返回孔26和返回泵24中的一個或多個的參數，以增加電機12內的冷卻劑34的量，從而其更加緊密地近似優化的流體水平。冷卻劑傳感器32被任選地包括在冷卻系統10中，以幫助感測電機12內的冷卻劑34的當前體積並且向控制器30提供反饋。在圖IA中，電機12以中速操作。速度傳感器28感測到電機12以中速操作並且向控制器30提供中速信號。控制器30在查找表中參考電機12的中速並且確定冷卻劑34的中間量或中間電機體積(MV)是最優的。控制器30然後設置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數以在電機12內實現IMV。如果在電機12內需要更多的冷卻劑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12泵送冷卻劑34，擴大/打開供給孔20以允許冷卻劑34更快地流入電機12，限制/關閉返回孔26以減小流出電機12的冷卻劑34流，和/或減小返回泵24的速度以減小從電機12流向儲池14的冷卻劑34流。如果在電機12內需要更少的冷卻劑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12泵送冷卻劑34，限制/關閉供給孔20以減小流入電機12的冷卻劑34流，擴大/打開返回孔26以增大流出電機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提供關於IMV的實現情況的反饋，使得控制器30可進一步增加或微調冷卻系統10的參數以實現MV。圖IB是圖IA的電機12的剖面圖，電機12以中速操作並且實現MV。圖IB中示出了電機12的部件冷卻劑34、殼體36、定子38、轉子40和空氣隙42。當電機12以中速操作並且冷卻劑34水平處於IMV時，空氣阻力損耗被最小化並且冷卻效率被最大化。電機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12的徑向最外部分。定子38徑向地位於殼體36內，定子38是電機12的靜止部分。轉子40徑向地位於定子38內，轉子40是電機12的旋轉部分。機械空氣隙42在定子38的最內部分和轉子40的最外部分之間徑向地延伸。冷卻劑34位於空氣隙42內並且與定子38的最內部分和轉子40的最外部分接觸。在圖IB中，電機12以中速操作，因此MV是冷卻劑34的最優量。如圖所示，IMV填充了空氣隙42的大約一半。對於電機的中速，IMV達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12是可變速電機並且當以不同速度操作時將會需要不同水平的冷卻劑34。圖2A是用於以低速操作的電機12的冷卻系統10的示意圖。圖2A中示出了用於電機12的冷卻系統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基本類似於圖IA並且示出了冷卻系統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12以相對低速操作並且向控制器30提供低速信號。控制器30在查找表中參考電機12的低速並且確定冷卻劑34的相對高量或高電機體積HMV是最優的。控制器30然後設置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數以在電機12內實現HMV。由於在電機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12泵送冷卻劑34，擴大/打開供給孔20以允許冷卻劑34更快地流入電機12，限制/關閉返回孔26以減小流出電機12的冷卻劑34流，和/或減小返回泵24的速度以減小從電機12流向儲池14的冷卻劑34流。增加這些參數中的一個或多個將會導致更多的冷卻劑34從儲池14流入電機12並且將MV增大到HMV。冷卻劑傳感器32可向控制器30提供關於HMV的實現情況的反饋，使得控制器30可進一步增加或微調冷卻系統10的參數以實現HMV。、
圖2B是圖2A的以低速操作的電機12的剖面圖。圖2B中示出了電機12的部件冷卻劑34、殼體36、定子38、轉子40和空氣隙42。圖2B基本類似於圖IB並且示出了電機12的相同部件。在圖2B中，電機12以低速操作，HMV是冷卻劑34的最優量。如圖所示，HMV基本充滿了空氣隙42，並且冷卻劑34與定子38的最內部分和轉子40的最外部分接觸。對於電機12的低速而言，空氣阻力損耗較不成問題，並且更多的冷卻劑34是最優的。圖3A是用於以高速操作的電機12的冷卻系統10的示意圖。圖3A中示出了用於電機12的冷卻系統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基本類似於圖1A、2A並且示出了冷卻系統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12以相對高速操作並且向控制器30提供高速信號。控制器30在查找表中參考電機12的高速並且確定冷卻劑34的相對低量或低電機體積LMV是最優的。控制器30然後設置供給泵18、供給孔20、返回泵24和/或返回孔26的參數以在電機12內實現LMV。由於在電機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12泵送冷卻劑34，限制/關閉供給孔20以減小流入電機12的冷卻劑34流，擴大/打開返回孔26以增大流出電機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12向儲池14泵送冷卻劑34流。增加這些參數中的一個或多個將會導致更多的冷卻劑34從電機12流向儲池並且將MV或HMV減小到LMV。冷卻劑傳感器32可向控制器30提供關於LMV的實現情況的反饋，使得控制器30可進一步增加或微調冷卻系統10的參數以實現LMV。圖3B是圖3A的以高速操作的電機12的剖面圖。圖3B基本類似於圖1B、2B並且示出了電機12的相同部件。在圖3B中，電機12以高速操作，因此LMV是冷卻劑34的最優量。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的最內部分和轉子40的最外部分接觸。對於電機12的高速而言，空氣阻力損耗最成問題，並且更少的冷卻劑34是最優的。雖然已經參照(一個或多個)示例性實施例描述了本發明，但本領域技術人員將會理解的是，在不偏離本發明的範圍的情況下，可作出各種變化並對其元件進行等同物替換。另外，在不偏離本發明的實質範圍的情況下，可對本發明的教導作出許多修改以適應具體情況或材料。因此，所意圖的是本發明不限於所公開的(一個或多個)具體實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種淹沒式電機,包括 流體密封殼體； 轉子，其位於所述殼體內； 定子，其位於所述殼體內並且與所述轉子間隔徑向距離； 空氣隙，其由所述轉子和所述定子之間的徑向距離限定； 冷卻流體的體積，其位於所述空氣隙內並且與所述轉子和所述定子接觸；和 控制器，其用於根據所述電機的速度來調整所述空氣隙內的所述冷卻流體的體積。
2.如權利要求I所述的電機，其中，所述電機是電動機。
3.如權利要求I所述的電機，其中，所述電機是發電機。
4.如權利要求I所述的電機，其中，所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積與所述轉子和所述定子接觸，而無論所述電機的速度如何。
5.如權利要求4所述的電機，其中，當所述電機的速度低時，所述冷卻流體的體積基本充滿所述空氣隙。
6.如權利要求4所述的電機，其中，當所述電機的速度高時，所述冷卻流體的體積部分地填充所述空氣隙。
7.一種用於可變速電機的冷卻系統，所述可變速電機具有轉子、定子以及限定在轉子和定子之間的空氣隙，所述冷卻系統包括 位於所述空氣隙內的冷卻劑的體積，所述冷卻劑的體積與所述轉子和所述定子接觸； 用於存儲冷卻劑的儲池，所述儲池與所述電機閉環流體連通； 用於在所述儲池和所述電機之間移動冷卻劑的至少一個泵，所述至少一個泵位於所述儲池和所述電機之間的管道上； 用於感測關於所述電機的信息的傳感器；和 控制器，所述控制器用於接收所感測到的關於所述電機的信息並且響應性地改變所述至少一個泵的速度，從而所述電機的所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積根據所感測到的信息變化。
8.如權利要求7所述的系統，其中，所述傳感器是用於感測所述電機的速度的速度傳感器。
9.如權利要求7所述的系統，其中，所述傳感器是用於感測所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積的冷卻劑水平傳感器。
10.如權利要求7所述的系統，其中，所述至少一個泵包括 位於第一管道上的可變速供給泵，所述供給泵用於將冷卻劑從所述儲池泵到所述電機。
11.如權利要求10所述的系統，還包括 位於所述第一管道中所述供給泵和所述電機之間的孔，所述孔用於限制流入所述電機的冷卻劑流。
12.如權利要求7所述的系統，其中，所述至少一個泵包括 位於第二管道上的可變速返回泵，所述返回泵用於將冷卻劑從所述電機泵到所述儲池。
13.如權利要求12所述的系統，還包括位於所述第二管道中所述返回泵和所述電機之間的孔，所述孔用於限制流出所述電機的冷卻劑流。
14.一種用於冷卻電機的方法，所述電機具有轉子、定子以及由所述轉子和所述定子之間的空間限定的空氣隙，所述方法包括 感測所述電機的速度；並且 響應於所感測到的所述電機的速度改變位於所述空氣隙內的冷卻劑的體積。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積與所述轉子和所述定子接觸，而無論所感測到的所述電機的速度如何。
16.如權利要求15所述的方法，其中，改變所述冷卻劑的體積包括 當所感測到的所述電機的速度相對低時，增大位於所述空氣隙內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 當所感測到的所述電機的速度相對高時，減小位於所述空氣隙內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.如權利要求14所述的方法，還包括 感測位於所述空氣隙內的所述冷卻劑的體積。
全文摘要
本發明涉及具有可變流量的淹沒式可變速電機。具體地，一種電機包括轉子、定子以及由轉子和定子之間的空間限定的空氣隙。冷卻流體的體積位於空氣隙內並且與轉子和定子接觸。一種用於冷卻電機的方法包括感測電機的速度並且響應於所感測到的電機的速度改變位於空氣隙內的冷卻劑的體積。
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 優先權日2011年2月11日
發明者D.達菲克, M.J.沙 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司