CN111009993B - 旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转电机。提供了一种旋转电机,其包括:转子、定子和流体控制机构,流体控制机构具有第一构件和第二构件,并且被构造成在转子的外周上形成在旋转轴的轴向方向上从一侧引向另一侧的流体的流动。第一构件具有在其处外径从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分,并且被构造成使得外周表面的形状与转子的在轴向方向上的端部的外周表面的形状连续。第二构件被构造成使得在面向第一构件的在其处外径逐渐增大的那个部分的部分处内径从一侧朝向另一侧逐渐增大。
Description
技术领域
本公开涉及一种旋转电机。
背景技术
日本专利申请特开No.2003-250248描述了一种包括转子和定子的旋转电机。在该旋转电机中,进入转子和定子之间的环形间隙的制冷剂被风扇排出,风扇在间隙内部形成朝向间隙的在轴向方向上的开口端导向的气流。
发明内容
然而,已经找到一种新技术,该新技术可以在不使用风扇形成气流的情况下在转子和定子之间形成流体的流动以冷却转子。
本公开可以在以下形式的实施方式中得以实现。
(1)作为本公开的一个形式的实施方式,提供一种旋转电机。该旋转电机包括:转子,所述转子被布置在旋转轴的外周上并且被构造成随着旋转轴一起旋转;定子,所述定子被构造成包围转子;和流体控制机构,所述流体控制机构被构造成在转子的外周上形成在旋转轴的轴向方向上从一侧引向另一侧的流体的流动。流体控制机构具有第一构件和第二构件。第一构件被布置在旋转轴的外周上,被构造成随着旋转轴旋转,并且具有在其处第一构件的外径从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分,并且被构造成使得第一构件的外周表面的形状与转子的在轴向方向上的端部的外周表面的形状连续。第二构件被布置在定子的内周上以一定间隙与第一构件和转子分开,并且被构造成使得第二构件的内径在面向第一构件的在其处外径逐渐增大的所述部分的部分处从所述一侧朝向另一侧逐渐增大。在该形式的实施方式中,旋转的第一构件和转子的离心力使第一构件和转子周围的流体朝向第二构件流动,所述第二构件被布置在定子的内周上以以所述间隙与第一构件和转子分开。因为第一构件具有在其处外径在轴向方向上从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分,并且第二构件的内径在面向第一构件的在其处外径逐渐增大的所述部分处的部分从所述一侧朝向另一侧逐渐增大,所以已经从第一构件朝向第二构件流动并撞到第二构件的流体被给予在轴向方向上从所述一侧引向另一侧的速度分量。已经被给予从所述一侧引向另一侧的速度分量的流体从所述一侧朝向另一侧流过第一构件或转子与第二构件之间的间隙,同时重复撞击第一构件或转子与第二构件。因而,从所述一侧引向另一侧的流体的流动可以被形成在转子的外周上,这可以增强转子冷却效率。
(2)在以上形式的实施方式中,调节间隙中的流体的流动的流动调节结构可以被形成在以下表面中的至少一个上:(A)第二构件的内周表面;和(B)转子的外周表面和第一构件的外周表面中的至少一个外周表面。在该形式的实施方式中,间隙中的流体的流动可以被调节。因而,转子冷却效率可以被进一步增强。
(3)在以上形式的实施方式中,第一构件可以包括第一衬套,第一衬套与转子的在所述一侧上的端部接触。在该形式的实施方式中,从所述一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于第二构件和与转子的在所述一侧上的端部接触的第一衬套形成在转子的外周上。
(4)在以上形式的实施方式中,第一构件可以包括第二衬套,第二衬套与转子的在所述另一侧上的端部接触。在该形式的实施方式中,从所述一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于第二构件和与转子的在所述另一侧上的端部接触的第二衬套形成在转子的外周上。
(5)在以上形式的实施方式中,第一构件可以包括在旋转轴的径向方向上凸出的凸缘。在该形式的实施方式中,从所述一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于旋转轴的凸缘和第二构件形成在转子的外周上。
(6)在以上形式的实施方式中,第一构件可以是转子的一部分。在该形式的实施方式中,从所述一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于转子的一部分和第二构件形成在转子的外周上。
(7)在以上形式的实施方式中,间隙可以具有不小于第一构件的在所述一侧上的端部的外径的0.5%且不大于该外径的5%的尺寸。在该形式的实施方式中,转子冷却效率可以被进一步增强。
(8)在以上形式的实施方式中,流动调节结构可以是沿着流体的流动形成的凸部。
(9)在以上形式的实施方式中,流动调节结构可以是沿着流体的流动形成的凹部。
也可以上述旋转电机以外的各种形式的实施方式实现本公开。例如,可以包括旋转电机的压缩装置、包括该压缩装置的燃料电池系统等的形式的实施方式实现本公开。
附图说明
以下将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业意义,在附图中,相同的标记指示相同的元件,并且其中:
图1是作为实施例的压缩装置的示意性剖视图;
图2是图1中所示的马达部的截面II-II的视图;
图3是图1中所示的马达部的截面III-III的视图;
图4是图1中所示的马达部的截面IV-IV的视图;
图5是图示第一构件和第二构件之间的间隙中的流体的流动的视图;
图6是示出在一个第一构件、转子和另一个第一构件被当成一个旋转体的情形中在旋转体周围发生流体的流动的CAE分析的结果的视图;
图7是第二实施例中的马达部的第一构件的示意图;
图8是图7中所示的第一构件的截面VIII-VIII的视图;
图9是第三实施例中的压缩装置的示意性剖视图;
图10是第四实施例中的压缩装置的示意性剖视图;
图11是第一构件周围的放大剖视图;并且
图12是第一构件周围的放大剖视图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1是作为实施例的压缩装置200的示意性剖视图。压缩装置200是所谓的离心电动压缩机。在该实施例中,压缩装置200供应压缩空气到燃料电池组(未示出)。燃料电池组通过氢气和包含在从压缩装置供应的空气中的氧气之间的电化学反应来发电。
压缩装置200包括第一叶轮部10、第二叶轮部20和马达部100。马达部100包括旋转轴31、转子32、定子40、第一构件60、80和第二构件70。马达部100也称为“旋转电机”。在该实施例中,马达部100进一步包括轴承51、52、轴承壳体53、54和马达外壳90。在图1中,除了压缩装置200以外,还示出均被连接到压缩装置200的第一流路110和第二流路120。在图1中,示出大体上彼此正交的X轴、Y轴和Z轴。Y轴方向是竖直方向。Z轴方向是马达部100的旋转轴31的轴向方向。X轴方向是与Y轴方向和Z轴方向垂直的方向。图1是旨在清晰地示出压缩装置200的技术特征但不示出每个部分的精确尺寸的视图。下文中,+Z轴侧将称为“旋转轴31的轴向方向上的一侧”,或者简称为“一侧”,而-Z轴侧将称为“旋转轴31的轴向方向上的另一侧”,或者简称为“另一侧”。
第一流路110是将通到大气的开口和燃料电池组彼此连接的流路,并且供应到燃料电池组的空气流过该流路。第二流路120是将燃料电池组和到大气的开口彼此连接的流路,并且从燃料电池排出的排气流过该流路。
第一叶轮部10包括第一叶轮11和容置第一叶轮11的第一叶轮容置部12。第一叶轮11被设置在第一流路110中。第一叶轮11被连接到旋转轴31的在另一侧上的端部e1并且随旋转轴31一起旋转。在第一叶轮11旋转时,第一叶轮容置部12内部的空气在被传送到燃料电池组之前被压缩。第一叶轮11也称为压缩机轮。
第二叶轮部20包括第二叶轮21和容置第二叶轮21的第二叶轮容置部22。第二叶轮21被设置在第二流路120中。第二叶轮21被连接到旋转轴31的在一侧上的端部e2。第二叶轮21通过被流过第二流路120的排气旋转而使旋转轴31一起旋转。第二叶轮21也称为涡轮机轮。
马达外壳90位于第一叶轮部10和第二叶轮部20之间。马达外壳90是容置转子32、定子40、轴承51、52、轴承壳体53、54、第一构件60、80和第二构件70的壳体。马达外壳90被设置有通孔93,旋转轴31延伸通过该通孔。从在轴向方向上的一侧上的通孔93,旋转轴31的在一侧上的端部e2凸出到第二叶轮容置部22中。从在轴向方向上的另一侧上的通孔93,旋转轴31的在另一侧上的端部e1凸出到第一叶轮容置部12中。在马达外壳90内部,轴承52、第一构件60、转子32、第一构件80和轴承51按该顺序在轴向方向上从一侧朝向另一侧布置在旋转轴31的外周上。油供应流路91和油排出流路92被形成在马达外壳90中。已经被油冷却器(未示出)冷却的油被油泵(未示出)通过油供应流路91供应到马达外壳90中。已经使马达外壳90内部的部件冷却的油被油泵通过油排出流路92排出到马达外壳90的外侧。
轴承51、52可旋转地支撑旋转轴31。轴承壳体53、54分别容置轴承51、52。轴承壳体53、54每个通过被配合到朝向马达外壳90的内部凸出的环形容置凸部94中而被固定在马达外壳90内部。
机械密封件(未示出)被设置成靠近马达外壳90的通孔93,在轴承51和第一叶轮11之间和在轴承52和第二叶轮21之间。机械密封件是如下的密封部件,其包括与旋转轴31一体旋转的旋转环(未示出)和固定到马达外壳90的固定环(未示出)。机械密封件限制已经被供应到马达外壳90中的油通过通孔93从马达外壳90内部流出到第一叶轮部10和第二叶轮部20。
转子32被布置在旋转轴31的外周上,并且随旋转轴31一起旋转。转子32具有柱形形状,磁体设置在表面上。定子40包括定子芯41和线圈42。定子40被布置在转子32的外周上并且包围转子32。定子40通过转子32使旋转轴31一起旋转,其中通过控制器(未示出)控制到定子40的电流的施加。
图2是图1中所示的马达部100的截面II-II的视图。图3是图1中所示的马达部100的截面III-III的视图。图4是图1中所示的马达部100的截面IV-IV的视图。在图2至图4中,马达外壳90未被示出。在以下,将参考图1至图4描述马达部100的第一构件60、80和第二构件70。第一构件60、80和第二构件70在转子32的外周上形成从一侧引向另一侧的流体的流动。第一构件60、80和第二构件70也被称为“流体控制机构”。
第一构件60被布置在旋转轴31的外周上,并且随旋转轴31一起旋转。在该实施例中,第一构件60是被固定在转子32在轴向方向上的位置的衬套,并且与转子32的在一侧上的端部接触。第一构件60也称为“第一衬套”。第一构件60的外径在旋转轴31的轴向方向上从一侧朝向另一侧逐渐增大。在该实施例中,第一构件60具有截头圆锥形状,其底表面在轴向方向上的另一侧上。如在图1中所示,在另一侧上的第一构件60的端部的外径大体上等于转子32的在一侧上的端部的外径。
第一构件80被布置在旋转轴31的外周上,并且随旋转轴31一起旋转。在该实施例中,第一构件80是被固定在转子32在轴向方向上的位置的衬套,并且与转子32的在另一侧上的端部接触。第一构件80也称为“第二衬套”。如在图1中所示,第一构件80的外径在面向第二构件70的部分处远离转子32在轴向方向上逐渐增大。如在图1中所示,第一构件80的在一侧上的端部的外径大体上等于转子32的在另一侧上的端部的外径。
如在图1中所示,第一构件60、80具有外径从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分,并且第一构件60、转子32和第一构件80被形成为使得其外周表面的形状连续。外周表面的形状连续意味着在第一构件60和转子32之间不存在具有比转子32的外径小的外径的部分。第一构件60、80由非磁性材料制成。钛或不锈钢可以被用作第一构件60、80的材料。“构件的外径从一侧朝向另一侧逐渐增大”可以包括该构件的外径在一部分处从一侧朝向另一侧增大并且在另一部分处保持恒定的情形。
第二构件70被布置在定子40的内周上以便以间隙G与第一构件60、80和转子32分开,并且包围第一构件60、80和转子32。在该实施例中,第二构件70包围从第一构件60的在一侧上的端部通过转子32伸展到第一构件80的外径最大的点的部分。在该实施例中,间隙G具有在不小于第一构件60的在一侧上的端部的外径的0.5%且不大于该外径的5%的范围内的尺寸。第二构件70的内径在面向第一构件60、80的在外径逐渐增大的那些部分的部分处从一侧朝向另一侧逐渐增大。在该实施例中,如在图2至图4中所示,第二构件70被配合在定子芯41中。第二构件70由非磁性材料制成。钛、不锈钢、树脂等可以用作第二构件70的材料。“构件的内径从一侧朝向另一侧逐渐增大”可以包括该构件的内径在一部分处从一侧朝向另一侧增大并且在另一部分处保持恒定的情形。
图5是图示第一构件60和第二构件70之间的间隙G中的流体的流动的视图。图5以放大比例示出图1的部分A。图6是示出在第一构件60、转子32和第一构件80被当成一个旋转体30的情形中在旋转体30周围发生的流体的流动的CAE分析的结果的视图。图6中所示的结果是如下情形的CAE分析的结果:第二构件70在旋转体70的外周上被布置成以间隙G与旋转体30分开。图6中的旋转体30上的箭头指示流体的流动方向。图6中的小插图以放大比例示出分析结果的一部分。在下文中,将通过使用图5和图6描述旋转体30周围的流体的流动。
如在图5中所示,旋转的第一构件60和转子32的离心力使第一构件60和转子32周围的流体朝向第二构件70流动。第一构件60的外径在轴向方向上从一侧朝向另一侧逐渐增大,并且第二构件70的内径在面向第一构件60的部分处从一侧朝向另一侧增大逐渐增大。如在图5中所示,因此,已经从第一构件60朝向第二构件70流动并撞击第二构件70的流体被给予在轴向方向上从一侧引向另一侧的速度分量。具有在轴向方向上从一侧引向另一侧的速度分量的流体从一侧朝向另一侧流过第一构件60或转子32与第二构件70之间的间隙G,同时重复撞击第一构件60或转子32与第二构件70。因而,如在图6中所示,从一侧引向另一侧的流体的流动发生在转子32的外周上。在该实施例中,第一构件60和第二构件70在从第一构件60和第二构件70的一侧上将马达外壳90内部的空间中的流体吸引到第一构件60和第二构件70之间的间隙G中,并且将流体朝向转子32传递。
类似地,已经从位于转子32的另一侧上的第一构件80朝向第二构件70流动并撞击第二构件70的流体也被给予在轴向方向上从一侧引向另一侧的速度分量。具有在轴向方向上从一侧引向另一侧的速度分量的流体从一侧朝向另一侧流过第一构件80与第二构件70之间的间隙G,同时重复撞击第一构件80与第二构件70。因而,从一侧引向另一侧的流体的流动也发生在第一构件80的外周上。在该实施例中,第一构件80和第二构件70将在转子32的外周上流动的流体朝向第一构件80吸引,并且在从第一构件80和第二构件70的另一侧上,通过第一构件80和第二构件70之间的间隙G将流体排出到马达外壳90内部的空间。
在该形式的实施方式中,从一侧引向另一侧的流体的流动可以被形成在转子32的外周上。因而,转子32的冷却效率可以被增强。
在该形式的实施方式中,从一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于第二构件70和用作与转子32的在一侧上的端部接触的第一衬套的第一构件60形成在转子32的外周上。因而,与当风扇等被用于形成这样的流体的流动时相比,构造可以被简化。
在该形式的实施方式中,从一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于第二构件70和用作与转子32的在另一侧上的端部接触的第二衬套的第一构件80形成在转子32的外周上。因而,与当未使用第一构件80时相比,从一侧引向另一侧的较大速度分量可以被给予到流体。相应地,转子32的冷却效率可以被进一步增强。此外,与当风扇等被用于形成这样的流体的流动时相比,构造可以被简化。
B.第二实施例
图7是第二实施例中的马达部100a的第一构件60a的示意图。图8是图7中的截面VIII-VIII的视图。在以下描述中,与第一实施例相同的那些部件将被以相同的附图标记指示,同时将省略其描述。该实施例中的马达部100a与第一实施例中的马达部100的不同之处在于凸部62被形成在第一构件60a的外周表面61上。根据图6中所示的CAE分析的结果,凸部62被沿着流体的流动方向形成在第一构件60a的外周表面61上。第一构件60a具有大体上截头圆锥形状,其底表面在另一侧上。凸部62也被称为“流动调节机构”,其调节间隙G中的流体的流动。
在该形式的实施方式中,间隙G中的流体的流动可以被调节。因而,转子32的冷却效率可以被进一步增强。
第二实施例中已经描述的设置流动调节结构的地方不限于第一构件60a,而是也可以是转子32的外周表面或者第一构件80的外周表面。如果流动调节结构被设置在第一构件60a、转子32和第一构件80中的一个中,则这些部件的动能可以被直接转移到流体。可替选地,流动调节结构可以被设置在第二构件70的内周表面上。替代凸部62,沿着流体的流动形成的凹部可以被用作流动调节结构。
在以上实施例中,在作为流动调节结构的凸部62被设置在转子32的外周表面上的情形中,凸部62也用作使转子32的热量耗散的翅片。因而,转子32的冷却效率可以被更多地增强。
C.第三实施例
图9是第三实施例中的压缩装置200b的示意性剖视图。该实施例中的压缩装置200b的马达部100b与第一实施例中的马达部100的不同在于旋转轴31b具有在径向方向上凸出的凸缘60b。凸缘60b的外径在轴向方向上从一侧朝向另一侧逐渐增大。凸缘60b的在另一侧上的端部与转子32的在一侧上的端部接触。在该实施例中,凸缘60b也称为“第一构件”。凸缘60b和第二构件70在转子32的外周上形成从一侧引向另一侧的流体的流动。
在该形式的实施方式中,从一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于旋转轴31的凸缘60b和第二构件70形成在转子32的外周上。因而,转子32的冷却效率可以被增强。
D.第四实施例
图10是第四实施例中的压缩装置200c的示意性剖视图。该实施例中的压缩装置200c的马达部100c与第一实施例中的马达部100的不同在于马达32c具有部分60c,在部分60c处,外径从一侧朝向另一侧逐渐增大。在该实施例中,作为马达32c的一部分的部分60c也称为“第一构件”。部分60c和第二构件70在转子32c的外周上形成从一侧引向另一侧的流体的流动。
在该形式的实施方式中,从一侧引向另一侧的流体的流动可以借助于转子32c的部分60c和第二构件70形成在转子32c的外周上。因而,转子32c的冷却效率可以被增强。
E.其它实施例
E1.另一实施例1
在以上实施例中,第一构件60、60a、80具有外径从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分。然而,当第一构件60、60a或第一构件80具有外径在轴向方向上从一侧朝向另一侧逐渐增大的部分时,从一侧引向另一侧的流体的流动可以被形成在转子32的外周上。
E2.另一实施例2
图11是另一实施例2中的马达部100d的第一构件60d周围的放大剖视图。图11中所示的第一构件60d由多个衬套60d1、60d2组成。衬套60d1的外径从一侧朝向另一侧逐渐增大,而衬套60d2的外径恒定。与转子32接触的衬套60d2的端部的外周表面的形状与转子32的外周表面的形状连续。如在以上实施例中,在该形式的实施方式中,转子32的冷却效率也可以被增强。可替选地,第一构件80和第二构件70也可以具有如第一构件60d的分体式结构。
E3.另一实施例3
图12是另一实施例3中的马达部100e的第一构件60e周围的放大剖视图。图12中所示的第一构件60e的外周表面弯曲使得外径从一侧上的端部朝向与转子32接触的另一侧上的端部逐渐增大。当使用该形状的第一构件60e时,也可以像以上实施例中增强转子32的冷却效率。第二构件70的面向第一构件60e的部分的内周表面可以弯曲使得内径从一侧朝向另一侧逐渐增大。
E4.另一实施例4
在以上实施例中,第二构件70是配合在定子芯41内部的构件。可替选地,用于将线圈42固定到定子芯41的树脂模可以被形成为与第一构件60、60a、60d、60e、80和转子32、32c的外周表面的形状相符的形状,并且树脂模的一部分可以被用作第二构件70。
E5.另一实施例5
以上实施例中的流过间隙G的流体不限于通过油供应流路91供应到马达外壳90中的油,而是也可以是气体。压缩装置200、200b、200c可以是具有空气轴承的无油压缩装置。
E6.另一实施例6
在以上实施例中,间隙G具有在不小于第一构件60的在一侧上的端部的外径的0.5%且不大于该外径的5%的范围内的尺寸。间隙G的尺寸的值可以替代地通过实验或使用第一构件60的在一侧上的端部的外径、流过间隙G的流体的粘度和转子32、32c的旋转速度的模拟来获得,以便在给予流体从一侧引向另一侧的大的速度分量,同时在转子32、32c的外周上形成从一侧引向另一侧的流通的流动。可替选地,间隙G的尺寸可以从一侧朝向另一侧不恒定。
E7.另一实施例7
以上实施例中描述的流体控制机构可以被设置在发电机中以冷却被外部装置旋转的转子32、32c的外周。
本公开不限于以上实施例,而是也可以在本公开的要点的范围内以各种构造实现。例如,为了部分地或完全地解决上述问题,或者为了获得一些或全部上述效果,与发明内容中所述的实施方式的形式中所述的技术特征相对应的实施例和其他实施例中描述的技术特征可以被适当地彼此替代或彼此组合。除非在本说明书中被描述为是必要的,否则技术特征可以被适当省略。
Claims (9)
1.一种旋转电机,其特征在于包括:
转子,所述转子被布置在旋转轴的外周上,具有柱形形状并且被构造成随所述旋转轴一起旋转;
定子,所述定子被构造成包围所述转子;和
流体控制机构,所述流体控制机构被构造成在所述转子的外周上形成在所述旋转轴的轴向方向上从一侧引向另一侧的流体的流动,
其中,所述流体控制机构包括:
第一构件,所述第一构件被布置在所述旋转轴的外周上,所述第一构件被构造成随所述旋转轴一起旋转,所述第一构件具有所述第一构件的外径从所述一侧朝向所述另一侧逐渐增大的部分,并且所述第一构件被构造成使得所述第一构件的外周表面的形状与所述转子的在所述轴向方向上的端部的外周表面的形状连续;和
第二构件,所述第二构件被布置在所述定子的内周上以便与所述第一构件及所述转子分开一间隙,并且所述第二构件被构造成使得在面向所述第一构件的所述外径逐渐增大的所述部分的部分处所述第二构件的内径从所述一侧朝向所述另一侧逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的旋转电机,其特征在于,调节所述间隙中的流体的流动的流动调节结构被形成在下列表面中的至少一个表面上:(A)所述第二构件的内周表面;以及(B)所述转子的外周表面和所述第一构件的外周表面中的至少一个外周表面。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机,其特征在于,所述第一构件包括第一衬套,所述第一衬套与所述转子的在所述一侧上的端部接触。
4.根据权利要求3所述的旋转电机,其特征在于,所述第一构件包括第二衬套,所述第二衬套与所述转子的在所述另一侧上的端部接触。
5.根据权利要求1或2所述的旋转电机,其特征在于,所述第一构件包括凸缘,所述凸缘在所述旋转轴的径向方向上凸出。
6.根据权利要求1或2所述的旋转电机,其特征在于,所述第一构件是所述转子的一部分。
7.根据权利要求1或2所述的旋转电机,其特征在于,所述间隙具有不小于所述第一构件的在所述一侧上的端部的外径的0.5%且不大于所述第一构件的在所述一侧上的端部的所述外径的5%的尺寸。
8.根据权利要求2所述的旋转电机,其特征在于,所述流动调节结构是沿着所述流体的流动形成的凸部。
9.根据权利要求2所述的旋转电机,其特征在于,所述流动调节结构是沿着所述流体的流动形成的凹部。
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