CN1989679A - 带有内置热交换器的电动机 - Google Patents

Abstract

具有定子和转子的电动机，其封装在密封壳体中。固定到转子轴上的叶轮，通过壳体和电机部件产生空气循环，用于与冷却介质的一个或多个密封容器接触。通过冷却介质的蒸发，密封容器提供从循环空气的热传递。密封容器具有在壳体内的一个封闭端和在壳体外的另一封闭端。通过在容器的外端处的蒸汽的冷凝，来自于蒸发冷却介质的热传递到壳体外的外部环境。密封容器可以是固定的或可随转子轴旋转。可提供多个热传递容器。

Description

带有内置热交换器的电动机

技术领域

本发明涉及用于电动机的冷却系统，更特别地涉及具有带有内置热交换器的封闭结构的电机。

背景技术

立式实心轴泵最初用于工业和公用事业水以及污水深井应用。典型地，立式实心轴泵用马达具有开放防水风扇冷却结构或者是密闭的潜水密封实心轴电动机驱动。开放防水马达仅仅适于干井位置并且不满足潜水和防爆应用的要求。

当在户外连续地操作时，仅仅通过暴露于潜水环境冷却到某一程度的潜水马达趋向于过热。如果潜水环境不足以充分地冷却潜水马达，或者如果将在户外使用马达，典型地提供附加的冷却装置。图1示出了传统的液体冷却系统。马达10包在液体冷却套12中，该冷却套12具有入口14和出口16。从马达的角度看该系统是开环系统，其需要外部装置，例如泵或其它原动机，用于保持冷却液的流动。

为了适应随马达特定用途而变化的马达冷却需求，实心轴泵用马达出现了特殊的挑战。存在对于具有独立的(self-contained)冷却系统的实心轴泵用马达的需求，这种马达可在各种环境下操作，包括干井、干竖潜水和防爆情况。这种泵用马达应满足最小的调整要求，例如U/L(保险商试验所认证)、Factory Mutual(工厂互助保险协会认证)、CE(欧洲统一安全认证)以及CSA(加拿大标准协会认证)要求，而无需外部冷却，并且能够处理在回流期间发生的高反向负载。

发明内容

通过提供潜水内置冷却实心轴泵用马达结构，本发明至少在部分上实现上述需求。具有定子和转子的电动机封装在密封的壳体中。空气能通过用于与冷却介质的密封容器接触的壳体和电机部件循环。冷却介质可包括例如水。通过冷却介质的蒸发，密封容器提供来自循环空气的热传递。密封容器可以是圆柱空心管，该圆柱空心管具有在壳体中的一个封闭端以及在该壳体外的另一封闭端。通过在容器的外端处的蒸汽的冷凝，来自于蒸发的冷却介质的热能够被传递到壳体外的环境。尽管该布置适于潜水泵用马达应用，但该电机冷却系统在多种马达和发电机应用中是有益的。

优选地，密封壳体包括中心部分，其中电机定子安装到该壳体上，而转子安装到轴颈(journal)连接到该壳体上的轴上用于围绕纵向轴旋转。壳体中在纵向上邻近该中心部分的每端的空腔为气流循环提供相当大的容积，其中该气流循环由在一端部空腔处安装在轴上的叶轮产生。冷却介质容器可安装到隔离物上并延伸通过壳体端盖，其中该隔离物从相对端部划分该中心部分。通过在容器的外端处提供一个和多个散热片以促进热传递。多个这种冷却介质容器可位于端部空腔中以增加传热能力。

作为本发明的另一方面，可提供构造成环孔的附加密封冷却管，使之围绕轴并且与该轴固定接触来随之旋转。包含冷却介质的该管优选地延伸通过相对的壳体端盖，并且其封闭端位于壳体之外。由马达驱动的泵的叶轮可作为附加装置安装在冷却管的外端，用于将热从该管传递到外部环境。在热管内可提供内螺纹以帮助在垂直方向上的冷却介质的流动。外加螺纹和外部热传递装置，环孔冷却管本身提供足够的马达冷却。

通过以下的详细描述，对于那些本领域的技术人员，本发明其它的优点将变得显而易见，其中简单地通过设想实现本发明的最优模式的描述，仅仅示出和描述了本发明的优选实施例。如将意识到的那样，本发明能够有其它并且不同的实施例，并且其多个细节能在各个明显的方面进行改进，而不会脱离本发明。因此，实质上附图和描述将被认为是描述性的，而非限制性的。

附图说明

在附图的图形中，通过实例而非通过限制示出本发明，并且附图中相同的附图标记指示相似的元件，在附图中：

图1是现有技术的马达液体冷却系统的视图。

图2是具有根据本发明的内置独立冷却系统的密封马达的透视图。

图3是图2系统的部分透视图。

图4是图2系统中的元件的分解视图。

图5是具有根据本发明第二实施例的内置独立冷却系统的密封马达的剖视图。

图6是图5中所示的本发明的轴和旋转热管的部分放大剖视图。

具体实施方式

参考图2，密封壳体20包括终止在端盖22和24中的三个纵向部分。如在图3的局部视图和图4的分解视图中可以更清楚见到的那样，中心定位定子铁芯壳体26经由相应的隔离物28和30固定到端盖22和24上。这些隔离物从端盖限定的端部划分容纳电机元件的中心部分。每个端盖具有铸铁、锻钢或其它满足防爆要求的材料的一体结构。用于贯穿螺栓36的孔设置在端盖、隔离物和中心壳体部分中，并具有最小的边距以满足防爆要求。利用经由隔离物螺栓连接到中心部分的端盖，形成防爆和防水接合。一体的不锈钢制成的轴32，通过在端盖22和隔离物30处的轴承34和未显示的密封，安装用于旋转。可单独或组合使用O型环、迷宫式连接或紧配合公差以提供足够的密封来防止由于马达内压力改变所引起的流体转移。使用中的马达规定为使得端盖24在端盖22之上地垂直定位。

将定子铁芯26开槽以容纳定子绕组27。电机转子包括多个永久磁铁36，这些永久磁铁36安装到圆柱形支承结构38的外圆周上。间隔径向间距的支承结构的肋连接到外圆周并连接到内环孔。环孔的内圆周被固定到轴32上。支承结构38可例如由实心低碳钢或叠置低碳钢迭片制成，以提供邻近的永久磁铁之间的护铁磁通路径。当永久磁铁相对定子旋转时，连续的具有交变磁极性的永久磁铁提供高振幅交变磁场。

端盖22和24的内部形成用于内部强迫通风冷却系统的变换流道，并成形为使内部气流平滑的形状。在电机运行期间，安装在由端盖22限定的端部内的轴32上的叶轮40产生气流。空气通过在转子支承结构中的开口、通过转子与定子元件之间的径向气隙、并通过开槽定子铁芯中的通道在端部之间循环。封闭的热传递管42在轴向上从隔离物30延伸通过端盖24到外部环境。该管道包含流体冷却介质，例如水。外部散热片44安装到在壳体外的热传递管的末端。

在电机运行期间，通过强迫通风气流从马达除去热。热传递管由空气对流地加热，该空气已经被强迫通过马达。管中的工作流体吸收热、蒸发成气体并朝端盖24和外部散热片44升高热传递管的温度。热从热传递管中的气体传递到端盖24和散热片44，它们对流地由外部空气冷却。冷却使气体冷凝回液体，然后该液体在热传递管中向下朝隔离物30流动以继续热传递循环。

工作流体的最小质量流速由流体蒸发的潜热决定。毛细管作用是基于流体和管芯材料结构的表面张力。冷却系统材料可以是铜或铝，并且基于马达的操作温度范围，在结构上构造成使得流体在特定的温度处经历液体到气体的相转化。利用在本发明中设置的热传递管，由电机例如由泵用马达产生的热迅速地耗散。因此泵能够在长的持续时间上以较均衡的内部温度分布运转，而不需要外部冷却系统。作为另一结果，对于给定的额定功率，马达的外部尺寸可减小。

图5是上述马达冷却系统的改进实施例的剖视图。其上形成有定子绕组27的中心铁芯26包含在外壳21内。外壳21构造带有在顶面25中达到顶点的圆柱轴向侧面23。外壳21在其底部连接到端盖22而在其顶部连接到端盖24。固定到端盖24的隔离物30限定上冷却区域，该上冷却区域包含封闭热传递管42。该热传递管延伸通过外壳表面21的表面25。散热片44安装在热传递管的外部上。端盖24限定用于放置电机的配线和控制装置的区域。

固定到马达轴32上用于随之旋转的是密封管50，其在图6中更详细地描述。转子支承结构38直接安装到密封管50。轴32经由密封管50和轴承34连接到固定隔离物30和端盖22。叶轮40安装在管道50上用于随之旋转，以提供通过电机内部结构的空气循环。轴32和管道50连在外部泵的叶轮片46上，该外部泵将由马达驱动。如图6所示，管道50包括剖视面所示的环形部分52，以及一体化螺旋螺纹部分54。该螺纹将环形部分52连接到轴32以形成其间保存有例如水的冷却剂的分离通道56。

泵叶轮46提供用于马达冷却的外部散热器。转动用于将冷凝物返回到马达内的热蒸发器侧，该冷凝物在外热传递到叶轮期间在管道中形成。螺纹54起到抵抗重力的作用，以提供向上的流体流动而无需毛细作用。如图5所示，在冷凝器方向上的微小的锥度提供帮助冷凝物返回到蒸发器的离心力的轴向分量。当该轴旋转时，通过向上的推力将冷凝材料推回进入蒸发器侧。由于使管道中的冷凝膜的产生被最小化，所以与非渐缩旋转热管相比，锥体增大传热系数。与没有螺纹的热管相比，在低速处管道中螺纹插入物的提供增强旋转热管的性能。旋转热管的离心力取决于轴的旋转速度。当转速低时，没有内螺纹时，离心力单独足以将冷凝物返回到蒸发器侧。通过提供一体化螺纹部分，由此保持连续的热传递环，而无需使用阀、泵或压缩机。

在本公开中，示出和描述了本发明仅仅优选的实施例以及其多功能性的仅仅少数实例。要理解本发明能够在各种其它组合和环境下使用，并且能够在在此表达的独创性概念的范围内改变和改进。例如当需要马达的高压密封时，定子铁芯26可由装配进入铁壳的软磁铁合成物制造，该铁壳提供用于特殊情形的改进的环境密封。上端盖的外表面具有许多散热片以增强与外部空气的对流热传递。

示出的四组三热传递管，各组连接到相应的外部散热片的布置仅仅是示例性的。热传递管和外部散热片的数目以及它们的相对结构可适当地改变以服从电机的物理尺寸和预期负载。此外，尽管实施例被示例为包括有固定热传递管和旋转热传递管，但带有一体螺旋螺纹而无附加的固定冷却管的旋转热传递管的提供对于特殊的电机应用需要足够了。

可改进转子结构以进一步增强强迫通风循环，例如在护铁中提供孔或间隔。可将间隔物放置在转子磁铁之间，以当转子旋转时控制脉动，从而提高从转子到包含在马达内的空气的热传递速度，并还使作用在转子上的空气牵引阻力最小。磁铁还可具有产生特定的接头和主动扭矩剖面的轮廓。

本发明不限于泵应用，并且可用于其它应用，例如涡轮、深井、防洪、农业和灌溉、矿浆、通风和混合、甲板船下和干井环境。当浸入盐水、油和未处理的污水时，所有的材料可根据它们经受极端环境条件的能力来选择。

Claims (28)

1.一种用于冷却电动机的方法，该电动机具有封装在壳体内的定子和转子部件，所述方法包括的步骤为：

通过电机的部件引导空气，以与冷却介质的密封容器接触；

在所述容器内蒸发所述冷却介质，以将热从在所述引导步骤中引导的空气传递到所述冷却介质；和

在所述壳体外的位置处冷凝在所述容器内的所述蒸发的冷却介质，以将热从所述冷却介质传递走。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却介质是水。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述密封容器包括圆柱形空心管，该空心管具有在所述壳体内的一个封闭端和在所述壳体之外的另一封闭端。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述引导步骤还包括循环所述空气以与多个所述管接触。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述引导步骤还包括通过所述电机部件，使在所述蒸发步骤中热从其传递的所述空气循环流通。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述电机是潜水泵用马达。

7.电动机包括：

定子；

转子；

密封壳体，该壳体封装所述定子和转子，所述定子安装到所述壳体上，而所述转子安装到轴颈连接到所述壳体上的轴上，用于围绕纵向轴旋转；

用于通过所述壳体循环空气的装置；

用于将热从通过所述定子和转子引导的空气传递走的热传递装置。

8.如权利要求7所述的电动机，其中所述壳体包括中心部分，其中装配所述定子和转子，并且第一和第二端部分别限定在纵向上邻近所述中心部分的空腔。

9.如权利要求8所述的电动机，其中用于循环的所述装置包括叶轮，该叶轮在第一端部空腔中安装在所述轴上；而所述热传递装置包括密封容器，该容器其中具有冷却介质并安装在第二端部空腔中。

10.如权利要求9所述的电动机，其中所述密封容器包括圆柱空心管，该圆柱空心管具有在所述壳体内的一个封闭端和在所述壳体外的另一封闭端。

11.如权利要求10所述的电动机，其中所述密封容器包括热传递散热片，该热传递散热片安装到所述壳体外的封闭端。

12.如权利要求9所述的电动机，其中所述冷却介质是水。

13.如权利要求9所述的电动机，其中所述热传递装置包括多个密封容器，这些密封容器的每个其中具有冷却介质并安装在所述第二端部空腔中。

14.如权利要求13所述的电动机，其中所述多个密封容器为大致在纵向上排列的管道，并共同地与第二端部空腔外的热传递散热片连接。

15.如权利要求9所述的电动机，其中所述壳体还包括：

第一隔离物，该第一隔离物从所述中心部分隔离第一端部空腔；

第一端盖，该第一端盖封装所述第一端部；

第二隔离物，该第二隔离物从所述中心部分隔离第二端部空腔；

第二端盖，该第二端盖封装所述第二端部；

其中所述密封容器固定到所述第二隔离物上并通过所述第二端盖延伸到所述壳体外。

16.如权利要求7所述的电动机，其中所述热传递装置包括：

用于蒸发冷却介质以将热从所述循环空气传递至所述冷却介质的装置；和

用于冷凝所述蒸发的冷却介质以在所述壳体外的位置处将热从所述冷却介质传递走的装置。

17.如权利要求7所述的电动机，其中所述电机是潜水泵用马达。

18.一种马达，包括：

定子；

转子；

密封壳体，该壳体封装所述定子和转子，所述定子安装到所述壳体上，而所述转子安装到轴颈连接到所述壳体上的轴用于围绕纵向轴旋转，所述定子限定在轴向上邻近所述定子和转子的空腔；和

密封管，该密封管其中包含有冷却介质，该管的一个封闭端位于所述空腔内而该管的另一封闭端位于所述壳体外。

19.如权利要求18所述的马达，还包括围绕所述轴并与之接触的管状密封管，所述管状密封管包含冷却介质并具有位于所述壳体外的个一封闭端。

20.如权利要求19所述的马达，其中所述密封管和所述管状密封管每个连接到所述壳体外的相应的热交换表面。

21.如权利要求18所述的马达，其中所述密封管构造成圆柱形环孔并固定到所述轴上用于随之旋转，所述管还包括用于在管中分配冷却流体的内螺纹。

22.如权利要求21所述的马达，其中所述管连接到所述壳体外的叶轮用于所述管和所述叶轮之间的热交换。

23.如权利要求21所述的马达，还包括第二密封管，该第二密封管其中包含冷却介质，该管的一个封闭端位于所述空腔内而该管的第二封闭端位于所述壳体外，所述第二封闭端连接到外热交换表面。

24.如权利要求21所述的马达，其中所述密封管沿纵向方向渐缩。

25.一种马达，包括：

定子；

转子；

密封壳体，该壳体封装所述定子和转子，所述定子安装到所述壳体上，而所述转子安装到轴颈连接到所述壳体上的轴上用于围绕纵向轴旋转，所述定子限定在轴向上邻近所述定子和转子的空腔；和

多个密封管，这些多个密封管其中分别具有冷却介质，所述密封管的第一管具有位于所述壳体中的封闭端和在第一轴向上位于所述壳体外的另一封闭端，而所述密封管的第二管具有位于所述壳体中的封闭端和在第二轴向上位于所述壳体外的另一封闭端。

26.如权利要求25所述的马达，其中所述第一管道是固定的并具有圆柱形结构。

27.如权利要求25所述的马达，其中所述第二管道安装用于随所述轴旋转。

28.如权利要求26所述的马达，其中所述第二管道安装用于随所述轴旋转。

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