专利名称：具有可变流量的淹没式可变速电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机，更具体地涉及用于淹没式可变速电机的冷却系统。
背景技术：
诸如电动机和发电机之类的电机是功率转换装置。电机中的功率转换与导致发热的机械摩擦和电损耗相关联。所产生的热是不期望的，因此，常规方法用空气、液体或者用空气和液体的组合来冷却电机。至少有三种不同类型的液体冷却的电机，即(a)护铁冷却式、(b)喷油冷却式、以及(C)淹没式(浸没在油中)
发明内容
公开了一种淹没式电机。所述淹没式电机包括流体密封壳体、位于所述壳体内的转子、以及位于所述壳体内并且与所述转子间隔径向距离的定子。空气隙由所述转子和所述定子之间的径向距离限定。所述淹没式电机还包括冷却流体的体积，其位于所述空气隙内并且与所述转子和所述定子接触。控制器根据所述电机的速度来调整所述空气隙内的所述冷却流体的体积。还公开了一种用于可变速电机的冷却系统，所述可变速电机具有转子、定子以及限定在转子和定子之间的空气隙。所述冷却系统包括位于所述空气隙内并与所述转子和所述定子接触的冷却剂的体积。用于存储冷却剂的储池与所述电机闭环流体连通。用于在所述电机和所述储池之间移动冷却剂的至少一个泵位于所述储池和所述电机之间的管道上。用于感测关于所述电机的信息的传感器与所述电机相关联。控制器接收所感测到的关于所述电机的信息并且响应性地改变所述至少一个泵的速度，从而所述电机的所述空气隙内的所述冷却剂的体积根据所感测到的信息变化。还公开了一种用于冷却电机的方法，所述电机具有转子、定子以及由所述转子和所述定子之间的空间限定的空气隙。所述方法包括感测所述电机的速度并且响应于所感测到的所述电机的速度改变位于所述空气隙内的冷却剂的体积。
图IA是用于以中速操作的电机的冷却系统的示意图。图IB是图IA的电机的剖面图。图2A是用于以低速操作的电机的冷却系统的示意图。图2B是图2A的电机的剖面图。图3A是用于以高速操作的电机的冷却系统的示意图。图3B是图3A的电机的剖面图。
具体实施例方式本公开提供了一种用于冷却淹没式可变速电机的系统，其最大化电机的效率。可根据操作期间发生的能量损耗来测量电机效率。能量损耗可以是本质上电的或机械的。电损耗包括铁和铜，而机械损耗包括摩擦和空气阻力。空气阻力损耗作为电机速度的三次函数增加。当前公开的冷却系统通过以与电机速度的相反关系改变电机中的冷却剂的量而为电机最小化空气阻力损耗并且最大化冷却效率。图IA是用于以中速操作的电机12的冷却系统10的示意图。图IA中示出了用于电机12的冷却系统10的部件储池14、供给管道16、供给泵18、供给孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度传感器28、控制器30、流体或冷却剂传感器32以及冷却流体或冷却剂34。冷却系统10向电机12提供冷却剂34以管理电机12的操作期间产生的热。电机12经由闭环冷却剂34回路与储池14流体连通，闭环冷却剂34回路由冷却系统10操作。冷却系统10的冷却剂34回路或环路包括供给侧(供给管道16、供给泵18和供给孔20)和相对的返回侧(返回管道22、返回泵24和返回孔26)。供给管道16在储池14和电机12之间延伸并且将储池14连接到电机12。供给泵18位于沿供给管道16的大约半 途处。供给孔20位于供给泵18和电机12之间。供给泵18和供给孔20电连接到控制器30。类似地，返回管道22在电机12和储池14之间延伸并且将电机12连接到储池14。返回泵24位于沿返回管道22的大约半途处。返回孔26位于返回泵24和电机12之间。返回泵24和返回孔26电连接到控制器30。速度传感器28和冷却剂传感器32均电连接到控制器30。在所示实施例中，冷却剂34的中间电机体积(IMV)位于电机12内。电机12可以是用于商业或工业用途的发电机、电动机或者是发电机和电动机的组合。电机12被用冷却剂34 (例如油)浸没或“淹没”。冷却剂34存储在储池14中并且经由冷却剂34环路的供给侧提供到电机12。更特别地，冷却剂34从储池14通过供给管道16流入电机12中。在经过供给管道16时，冷却剂34流过供给泵18并然后流过供给孔20。供给泵18是可变速泵，用于以给定速度将冷却剂34从储池14泵到电机12。供给孔20是固定的或者可变的孔，用于允许冷却剂34以全流量或者降低的/部分的/无流量流入电机12。冷却剂34从电机12经由冷却剂34环路的返回侧流回储池14。更特别地，冷却剂34从电机12通过返回管道22流入储池14中。在经过返回管道22时，冷却剂34流过返回孔26并然后流过返回泵24。返回孔26是固定的或者可变的孔，用于允许冷却剂34以全流量或者降低的/部分的/无流量流出电机12。返回泵24是可变速泵，用于以给定速度将冷却剂34从电机12泵到储池14。供给泵18、供给孔20、返回泵24、返回孔26的每一个均由控制器30控制，以降低电机10内的空气阻力损耗并最大化电机10的冷却效率。在操作中，电机12具有一定的频率或旋转速度，其由速度传感器28来感测。速度传感器28将所感测到的电机12的速度发送到控制器30。控制器30使用所感测到的电机12的速度来确定电机12内的冷却剂34的优化的流体水平或体积。控制器30在查找表中参考所感测到的电机12的速度，从而为以给定速度操作的电机12确定冷却剂34的优化的流体水平。冷却剂34的优化流体水平是在制造期间确定的值，其降低以给定速度操作的电机12的空气阻力损耗并最大化冷却效率。控制器30调整供给泵18、供给孔20、返回孔26和返回泵24中的一个或多个的参数，以增加电机12内的冷却剂34的量，从而其更加紧密地近似优化的流体水平。冷却剂传感器32被任选地包括在冷却系统10中，以帮助感测电机12内的冷却剂34的当前体积并且向控制器30提供反馈。在图IA中，电机12以中速操作。速度传感器28感测到电机12以中速操作并且向控制器30提供中速信号。控制器30在查找表中参考电机12的中速并且确定冷却剂34的中间量或中间电机体积(MV)是最优的。控制器30然后设置供给泵18、供给孔20、返回泵24和/或返回孔26的参数以在电机12内实现IMV。如果在电机12内需要更多的冷却剂34，则控制器30可增大供给泵18的速度以更快地从储池14向电机12泵送冷却剂34，扩大/打开供给孔20以允许冷却剂34更快地流入电机12，限制/关闭返回孔26以减小流出电机12的冷却剂34流，和/或减小返回泵24的速度以减小从电机12流向储池14的冷却剂34流。如果在电机12内需要更少的冷却剂34，则控制器30可减小供给泵18的速度以更慢地从储池14向电机12泵送冷却剂34，限制/关闭供给孔20以减小流入电机12的冷却剂34流，扩大/打开返回孔26以增大流出电机12的冷却剂34流，和/或增大返回泵24的速度以更快地从电机12向储池14泵送冷却剂34流。冷却剂传感器32可向控制器30提供关于IMV的实现情况的反馈，使得控制器30可进一步增加或微调冷却系统10的参数以实现MV。图IB是图IA的电机12的剖面图，电机12以中速操作并且实现MV。图IB中示出了电机12的部件冷却剂34、壳体36、定子38、转子40和空气隙42。当电机12以中速操作并且冷却剂34水平处于IMV时，空气阻力损耗被最小化并且冷却效率被最大化。电机12的工作零件被容纳在流体密封的壳体36中。壳体36是电机12的径向最外部分。定子38径向地位于壳体36内，定子38是电机12的静止部分。转子40径向地位于定子38内，转子40是电机12的旋转部分。机械空气隙42在定子38的最内部分和转子40的最外部分之间径向地延伸。冷却剂34位于空气隙42内并且与定子38的最内部分和转子40的最外部分接触。在图IB中，电机12以中速操作，因此MV是冷却剂34的最优量。如图所示，IMV填充了空气隙42的大约一半。对于电机的中速，IMV达成了最小化空气阻力损耗和最大化冷却效率之间的平衡。然而，电机12是可变速电机并且当以不同速度操作时将会需要不同水平的冷却剂34。图2A是用于以低速操作的电机12的冷却系统10的示意图。图2A中示出了用于电机12的冷却系统10的部件储池14、供给管道16、供给泵18、供给孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度传感器28、控制器30、冷却剂传感器32以及冷却剂34。图2A基本类似于图IA并且示出了冷却系统10的相同部件。将在下面着重介绍图2A和图IA之间的差别。在图2A中，电机12的速度从图IA所示的中速减小。速度传感器28感测到电机12以相对低速操作并且向控制器30提供低速信号。控制器30在查找表中参考电机12的低速并且确定冷却剂34的相对高量或高电机体积HMV是最优的。控制器30然后设置供给泵18、供给孔20、返回泵24和/或返回孔26的参数以在电机12内实现HMV。由于在电机12中(相比图IA所示的MV)需要更多的冷却剂34，控制器30可增大供给泵18的速度以更快地从储池14向电机12泵送冷却剂34，扩大/打开供给孔20以允许冷却剂34更快地流入电机12，限制/关闭返回孔26以减小流出电机12的冷却剂34流，和/或减小返回泵24的速度以减小从电机12流向储池14的冷却剂34流。增加这些参数中的一个或多个将会导致更多的冷却剂34从储池14流入电机12并且将MV增大到HMV。冷却剂传感器32可向控制器30提供关于HMV的实现情况的反馈，使得控制器30可进一步增加或微调冷却系统10的参数以实现HMV。、
图2B是图2A的以低速操作的电机12的剖面图。图2B中示出了电机12的部件冷却剂34、壳体36、定子38、转子40和空气隙42。图2B基本类似于图IB并且示出了电机12的相同部件。在图2B中，电机12以低速操作，HMV是冷却剂34的最优量。如图所示，HMV基本充满了空气隙42，并且冷却剂34与定子38的最内部分和转子40的最外部分接触。对于电机12的低速而言，空气阻力损耗较不成问题，并且更多的冷却剂34是最优的。图3A是用于以高速操作的电机12的冷却系统10的示意图。图3A中示出了用于电机12的冷却系统10的部件储池14、供给管道16、供给泵18、供给孔20、返回管道22、返回泵24、返回孔26、速度传感器28、控制器30、冷却剂传感器32以及冷却剂34。图3A基本类似于图1A、2A并且示出了冷却系统10的相同部件。将在下面着重介绍图3A和图1A、2A之间的差别。
在图3A中，电机12的速度从图IA所示的中速或者图2A所示的低速增大。速度传感器28感测到电机12以相对高速操作并且向控制器30提供高速信号。控制器30在查找表中参考电机12的高速并且确定冷却剂34的相对低量或低电机体积LMV是最优的。控制器30然后设置供给泵18、供给孔20、返回泵24和/或返回孔26的参数以在电机12内实现LMV。由于在电机12中(相比图IA所示的MV和/或图2A所示的HMV)需要更少的冷却剂34，控制器30可减小供给泵18的速度以更慢地从储池14向电机12泵送冷却剂34，限制/关闭供给孔20以减小流入电机12的冷却剂34流，扩大/打开返回孔26以增大流出电机12的冷却剂34流，和/或增大返回泵24的速度以更快地从电机12向储池14泵送冷却剂34流。增加这些参数中的一个或多个将会导致更多的冷却剂34从电机12流向储池并且将MV或HMV减小到LMV。冷却剂传感器32可向控制器30提供关于LMV的实现情况的反馈，使得控制器30可进一步增加或微调冷却系统10的参数以实现LMV。图3B是图3A的以高速操作的电机12的剖面图。图3B基本类似于图1B、2B并且示出了电机12的相同部件。在图3B中，电机12以高速操作，因此LMV是冷却剂34的最优量。如图所示，LMV填充了空气隙42的大约四分之一，但是冷却剂34仍然与定子38的最内部分和转子40的最外部分接触。对于电机12的高速而言，空气阻力损耗最成问题，并且更少的冷却剂34是最优的。虽然已经参照(一个或多个)示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可作出各种变化并对其元件进行等同物替换。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可对本发明的教导作出许多修改以适应具体情况或材料。因此，所意图的是本发明不限于所公开的(一个或多个)具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种淹没式电机,包括 流体密封壳体； 转子，其位于所述壳体内； 定子，其位于所述壳体内并且与所述转子间隔径向距离； 空气隙，其由所述转子和所述定子之间的径向距离限定； 冷却流体的体积，其位于所述空气隙内并且与所述转子和所述定子接触；和 控制器，其用于根据所述电机的速度来调整所述空气隙内的所述冷却流体的体积。
2.如权利要求I所述的电机，其中，所述电机是电动机。
3.如权利要求I所述的电机，其中，所述电机是发电机。
4.如权利要求I所述的电机，其中，所述空气隙内的所述冷却剂的体积与所述转子和所述定子接触，而无论所述电机的速度如何。
5.如权利要求4所述的电机，其中，当所述电机的速度低时，所述冷却流体的体积基本充满所述空气隙。
6.如权利要求4所述的电机，其中，当所述电机的速度高时，所述冷却流体的体积部分地填充所述空气隙。
7.一种用于可变速电机的冷却系统，所述可变速电机具有转子、定子以及限定在转子和定子之间的空气隙，所述冷却系统包括 位于所述空气隙内的冷却剂的体积，所述冷却剂的体积与所述转子和所述定子接触； 用于存储冷却剂的储池，所述储池与所述电机闭环流体连通； 用于在所述储池和所述电机之间移动冷却剂的至少一个泵，所述至少一个泵位于所述储池和所述电机之间的管道上； 用于感测关于所述电机的信息的传感器；和 控制器，所述控制器用于接收所感测到的关于所述电机的信息并且响应性地改变所述至少一个泵的速度，从而所述电机的所述空气隙内的所述冷却剂的体积根据所感测到的信息变化。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述传感器是用于感测所述电机的速度的速度传感器。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述传感器是用于感测所述空气隙内的所述冷却剂的体积的冷却剂水平传感器。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个泵包括 位于第一管道上的可变速供给泵，所述供给泵用于将冷却剂从所述储池泵到所述电机。
11.如权利要求10所述的系统，还包括 位于所述第一管道中所述供给泵和所述电机之间的孔，所述孔用于限制流入所述电机的冷却剂流。
12.如权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个泵包括 位于第二管道上的可变速返回泵，所述返回泵用于将冷却剂从所述电机泵到所述储池。
13.如权利要求12所述的系统，还包括位于所述第二管道中所述返回泵和所述电机之间的孔，所述孔用于限制流出所述电机的冷却剂流。
14.一种用于冷却电机的方法，所述电机具有转子、定子以及由所述转子和所述定子之间的空间限定的空气隙，所述方法包括 感测所述电机的速度；并且 响应于所感测到的所述电机的速度改变位于所述空气隙内的冷却剂的体积。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述空气隙内的所述冷却剂的体积与所述转子和所述定子接触，而无论所感测到的所述电机的速度如何。
16.如权利要求15所述的方法，其中，改变所述冷却剂的体积包括 当所感测到的所述电机的速度相对低时，增大位于所述空气隙内的所述冷却剂的体积，使得所述空气隙包含相对大体积的冷却剂。
17.如权利要求16所述的方法，其中，改变所述冷却剂的体积还包括 当所感测到的所述电机的速度相对高时，减小位于所述空气隙内的所述冷却剂的体积，使得所述空气隙包含相对小体积的冷却剂。
18.如权利要求14所述的方法，还包括 感测位于所述空气隙内的所述冷却剂的体积。
全文摘要
本发明涉及具有可变流量的淹没式可变速电机。具体地，一种电机包括转子、定子以及由转子和定子之间的空间限定的空气隙。冷却流体的体积位于空气隙内并且与转子和定子接触。一种用于冷却电机的方法包括感测电机的速度并且响应于所感测到的电机的速度改变位于空气隙内的冷却剂的体积。
文档编号H02K9/19GK102638132SQ20121002973
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月10日 优先权日2011年2月11日
发明者D.达菲克, M.J.沙 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司