热交换单元的制作方法

本发明涉及一种包括被串联连接的热交换外壳和热交换器的热交换单元。本发明还涉及一种使用所述热交换单元的全封闭式电机系统以及一种用于冷却此类电机系统的方法。

背景技术：

全封闭式电机(例如发电机和马达)产生热，其将增加包围在机器外壳内的机器组件和空气的温度。作为其结果，必须将电机冷却以避免诸如定子、转子或其它电子设备之类的组件变得过热。

冷却全封闭式电机的常规方法包括使用空气至空气热交换器或液体至空气热交换器。空气至空气热交换器按照惯例结合了管式热交换器，而液体至空气热交换器通常是翅片管类型的。

液体至空气热交换器通常被认为比管式空气至空气热交换器更加高效，主要是由于特定的热交换器设计。管式空气至空气系统一般地也比液体至空气冷却系统更笨重。

然而，管式空气至空气热交换器与液体至空气热交换器相比具有优点，即不需要诸如水或冷却剂之类的液体，控制系统不那么复杂，需要较少的零件，并且一般地成本较低。

技术实现要素：

本发明的目的是缓解上述问题，并且提供电机(诸如发电机和马达)的高效、不复杂且轻质的冷却。

根据本发明的第一方面，用包括热交换外壳的热交换单元来达到这些目的，两个热交换器布置被布置在热交换外壳内，每个热交换布置包括外和内空气至空气板式热交换器，所述外和内热交换器被串联连接，并且其中，每个热交换布置内的气流可以当在已连接的热交换器之间流动时偏转。

此类热交换单元具有高冷却性能，同时具有不复杂的设计。例如，本发明包括很少的零件，要求最低的维护，并且具有较低的总成本。并且，其不要求液体的使用。使两个热交换器被串联地布置使得热交换过程与具有仅一个热交换器的常规热交换布置相比更加高效，并且在一个热交换单元内具有两个此类热交换器布置促进甚至更加高效的热交换过程，并且在将被冷却的电机的每一侧提供均匀温度分布。并且，作为气流被偏转的结果，进一步改善了电机的总体冷却。

外热交换器的一侧可以包括外部空气进口，并且内热交换器的一侧可以包括外部空气出口。此外，可以将外和内热交换器布置成使得内热交换器的外部空气出口侧被相对于外热交换器的外部空气进口侧以一定角度布置。内和外热交换器被相对于彼此以各角度布置以便改善电机的总体冷却，例如由于热交换单元与电机之间的接口中的开口面积的增加。

在一个实施例中，内热交换器的外部空气出口侧被相对于外热交换器的外部空气进口侧以45°角布置。此配置允许在保持热交换单元的宽度尽可能小的同时有改善的总体冷却。

在另一实施例中，内热交换器的外部空气出口侧被相对于外热交换器的外部空气进口侧以90°角布置。此配置允许在保持热交换单元的高度尽可能小的同时有改善的总体冷却。

该热交换布置可以被布置在热交换外壳内，使得每个外热交换器的外部空气进口侧可以分别地位于热交换外壳的一端处，并且两个内热交换器的外部空气出口侧可以位于热交换外壳的中心区段处。这允许有两个单独的外部空气回路，促进当与相应内部空气回路相互作用时的甚至更加高效的热交换过程。

外和内热交换器可以被借助于空气偏转板而互连，是用来避免需要单独的管、连接及其它额外组件以便将外部空气回路与相应内部空气回路分离的简单且成本有效的解决方案。

热交换单元可以包括至少一个外部空气回路风扇以便实现用于外部空气回路的所需气流。

根据本发明的第二方面，还用具有空气至空气冷却的全封闭式电机来达到这些目的，其包括如上所述的热交换单元和电机单元，所述热交换单元包括热交换外壳和两个热交换布置，每个热交换布置包括外和内空气至空气板式热交换器，电机单元包括电机和电机外壳，其中，每个外热交换器的一侧包括内部空气出口，并且每个内热交换器的一侧包括内部空气进口，每个热交换布置适合于允许外部空气沿着从外面开始延伸、通过外热交换器和内热交换器、返回至外面的外部空气回路流动，并且允许内部空气沿着从电机单元开始延伸、通过内热交换器和外热交换器、返回至电机单元的内部空气回路流动，并且其中，一个外部空气回路和一个内部空气回路跨一个热交换器布置彼此相互作用，而不将空气回路的空气混合。

此类电机具有高冷却性能，同时具有不复杂的设计。例如，本解决方案包括很少的零件，要求最低的维护，并且具有较低的总成本。并且，其不要求液体的使用。

在一个实施例中，电机外壳包括第一末端隔室、中间隔室以及第二末端隔室，并且其中，每个内部空气回路分别地流过隔室中的两个和一个热交换布置。此类实施例促进整个电机的均匀冷却。

电机可以是发电机或马达。

根据本发明的第三方面，用一种冷却包括热交换单元和电机单元的全封闭式电机的方法来达到这些目的，其中，所述热交换单元包括第一和第二热交换布置及热交换外壳，并且其中，所述电机单元包括电机和电机外壳，所述方法促进第一外部空气回路和第一内部空气回路跨第一热交换布置相互作用且第二外部空气回路和第二内部空气回路跨第二热交换布置相互作用的两个同时事件中的热交换，而不使所述空气回路的空气混合，每个外部空气回路包括以下连续事件：外部空气进入布置在热交换单元的一端处的外部空气进口，外部空气流过热交换布置，外部空气离开布置在热交换单元的中心顶部区段处的外部空气出口，每个内部空气回路包括以下连续事件：内部空气至少部分地流过电机单元，内部空气离开电机单元并进入热交换布置中的一个的内部空气进口侧，内部空气流过热交换布置，内部空气离开热交换布置的内部空气出口侧并再进入电机单元。

如上所述，本解决方案具有高冷却性能，同时具有不复杂的设计。本解决方案还包括很少的零件，要求低维护，并且具有较低总成本。此外，其不要求液体的使用。

在一个实施例中，所述外壳包括第一、中间以及第二隔室，并且所述方法还包括内部空气从中间隔室离开电机单元，并且内部空气再进入电机单元至第一或第二隔室中。此类实施例正常地适合于提供有一个内部空气回路风扇、两个内部空气回路风扇或者没有内部空气回路风扇的发电机。

一般地，在权利要求中使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通意义来解释，除非在本文中另外明确地定义。应将对“一/一个/该元件、装置、组件、部件、步骤等”的所有提及开放地解释为提及元件、装置、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另外明确地说明。此外，用术语“包括”，其遍及本申请意指“包括但不限于”。

附图说明

现在将参考示出本发明的当前优选实施例的附图来更详细地描述本发明的这些及其它方面。

图1示出了根据本发明的一个实施例的提供有热交换单元的电机的透视图，为了明了起见而仅用正面的剖视图。

图2示出了根据本发明的另一实施例的提供有热交换单元的电机系统的透视图，为了明了起见而仅用正面的剖视图。

图3示出了根据图2中的实施例的热交换单元的示意图。

图4示出了图1中的电机系统的透视图，包括正面。

图5示出了图2中的电机系统的透视图，包括正面。

具体实施方式

电机(例如发电机和马达)产生不期望的热，要求对机器进行冷却。全封闭式电机系统因此通常包括被用于散热的管式、空气至空气类型或翅片管、液体至空气类型的一个或多个热交换器。

然而，传统冷却技术具有多个缺点。管式空气至空气热交换器通常被认为是具有大的重量的低效率冷却系统。管式空气至空气热交换器的结构设计通常包括从机器的驱动端(de)侧延伸至非驱动端(nde)侧的管式热交换器元件。此类设计(与利用两个内部空气回路的电机组合)导致效率的下降和de和nde侧之间的不均匀温度差。然而，液体至空气冷却系统通常设计有两个热交换器，电机的每侧一个，允许两个内部空气回路，其导致电机的对称冷却。换言之，与较高效率热交换器组合的双回路冷却布置导致改善的总体性能。

需要一种新的冷却系统，其可以使总体散热最大化，使在de与nde侧之间的温度差最小化，并且提供促进不使用液体的轻质、成本有效的系统的机械设计。电马达被不断地改善并在额定功率和物理尺寸两方面增加，并且因此需要用于电机的更高效的冷却系统。

图1、图2、图3和图5示出了根据本发明的包括热交换单元1的实施例的全封闭式电机。该电机包括两个主要部分，即具有空气至空气板式热交换器5a、5b的热交换单元1以及电机单元2。电机单元2包括外壳8和优选地发电机或马达形式的电机7。为了简单和理解起见，下面的描述将遍及本文参考发电机，但是当然在所有情况下可以用马达来替换发电机。用“全封闭式”意指外部空气回路6与内部空气回路12完全分离，如下面更详细地描述的。

热交换单元1包括热交换外壳3，其围绕在热交换单元1的每一侧(即在相对末端处)并行地且对称地布置的两个热交换布置4。每个热交换布置4包括串联地布置的两个热交换器5a、5b。这由于外部和内部空气回路6、12的扩展而允许发电机7的每一侧的高效且对称的冷却，如下面更详细地描述的。

热交换单元1包括两个外部空气回路6，每个流过一个热交换布置4、热交换外壳3以及单元1内的任何适当盖板或隔板。每个外部空气回路6流过仅一个热交换布置4，即通过串联的两个热交换器5a、5b。

热交换单元1可以在必要时进一步包括两个外部空气进口14和至少一个外部空气出口15。外部空气回路6在一个进口14与一个出口15之间延伸，两者都将外部空气回路6与外部相连。用外部意指热交换单元1的外部，例如热交换外壳3的外面或围绕电机的开放环境空气。外部空气回路6可以连接到同一出口，例如热交换单元1可以具有两个单独的进口14但具有仅一个公共出口15。

进口14和出口15被布置在热交换外壳3上的任何适当位置处，但是优选地在热交换外壳3的每侧(即在相对末端处)布置一个进口14，并且在热交换外壳3的顶部上布置一个或两个出口15。还可以将出口15布置在热交换外壳3的侧面上。

每个进口14和/或出口15可以提供有或者连接到具有推或拉配置的至少一个外部空气回路风扇。应理解的是推配置意指在外部空气进入热交换单元1之前布置的向外部回路输送空气的风扇，并且拉配置意指在外部空气离开热交换单元1之后布置的外部空气回路风扇。对于推和拉配置两者而言都可以将风扇集成到热交换外壳3中。并且，风扇可以(如果使用单独且独立式类型的风扇的话)借助于单独的空气管道连接到热交换外壳3。风扇的数目和类型很容易适应于特定需要。外部空气回路风扇可以连接到控制系统，其被用于例如响应于所需冷却性能而调整风扇速度。

在图1和2中示出且在下面被称为发电机单元的电机单元2包括在下面称为发电机外壳的电机外壳8，其围绕在下面称为发电机7的电机。

发电机外壳8可以在其内部包括串联布置的三个隔室，下面称为第一末端隔室9、中间隔室10以及第二末端隔室11。隔室被相互串联地布置，使得末端隔室9、11被布置在中间隔室10的每一侧。“第一”和“第二”的使用本身不包括限制；其仅仅用于促进理解。如所述，中间隔室10被布置在第一末端隔室9与第二末端隔室11之间。发电机7或者至少发电机轴延伸通过隔室，使得每个末端隔室9、11包括发电机的各部分或者每个一个轴端。即，发电机7和/或其轴从第一末端隔室9延伸至第二末端隔室11。

发电机单元2还包两个内部空气回路12，每个由存在于发电机7、发电机外壳8、热交换布置4、热交换外壳3以及热交换单元1或发电机单元2内的任何其它适当盖板或隔板之间的空间形成。内部空气回路12完全与外部空气回路6分离。

每个内部空气回路12中的空气流过仅一个末端隔室9、11，并且至少部分地通过中间隔室10，在那之后其仅流过热交换单元1中的两个热交换布置4中的一个。换言之，空气流过第一末端隔室9或第二末端隔室11，在那之后其进入中间隔室10。空气然后离开发电机单元2的中间隔室10且同时地进入热交换单元1。空气然后流过两个热交换布置4中的一个，由此热量在流动在每个热交换布置4内的内部空气回路12与一个相应外部空气回路6之间耗散，而不使空气回路6、12的空气混合。随后，内部空气回路12中的空气离开热交换单元1并同时地进入发电机单元2的第一末端隔室9或第二末端隔室11。

两个外部和内部空气回路6、12的使用促进发电机单元(2)的两侧(也称为驱动端(de)侧和非驱动端(nde)侧)的对称冷却，因为一个外部和一个内部空气回路6、12仅冷却发电机单元2的一半。使用仅一个外部空气回路6和一个或两个内部空气回路12进行冷却通常导致发电机2的一个末端侧比相对末端侧稍微更热，这可能对所包含的组件有害。无论正在使用哪种类型的空气至空气热交换器都是如此。

图1和2还示出了布置在发电机7的轴上的两个内部空气回路风扇16，在每个末端隔室9、11中布置了一个风扇。当使用两个风扇时，可以在相反方向上引导气流。还可以将风扇布置除直接地在发电机轴上之外的隔室内的位置处。然而，根本不需要在内部空气回路上为发电机提供风扇，例如当内部气流由发电机的转子部分引发时。这使得能够不使用风扇，或者如果风扇被布置在中间隔室10中的话，仅一个风扇用于图1和2中所示的两个内部空气回路12。

热交换单元1和发电机单元2共享公共接口13。用接口意指热交换单元1与发电机单元2之间的连接，即热交换外壳3与发电机外壳8之间的区域，包括隔室9、10和11之间的过渡区域。

本发明的实施例可以使用交叉流板式热交换器、逆流板式热交换器或者交叉流和逆流板式热交换器两者的组合。逆流板式热交换器可以被串联地或者在单步设计中使用。单步设计意指每个热交换器布置使用仅一个热交换器。

本发明包括热交换单元1的两个优选实施例，如图1至图3所示。

热交换单元1的两个实施例包括热交换外壳3，两个热交换布置4位于其内部。每个热交换布置4包括两个空气至空气板式热交换器，即串联连接的外5a和内5b热交换器。热交换器是本质上矩形长方体，即每个热交换器的板优选地在形状方面是正方形的，而热交换器可以在垂直于板的平面的方向上具有任何适当尺寸。术语“外”和“内”仅仅用来将热交换器5a、5b相互区别开。外热交换器5a被邻近于热交换外壳3的相对末端布置，即外热交换器5a每个被邻近于一个外部空气进口14布置。内热交换器5b优选地被布置在热交换外壳3的中间区段处，相互邻近且邻近于外部空气出口15。

每个热交换布置4内的气流、即流过外部空气回路6和内部空气回路12的空气当在每对串联连接的热交换器5a、5b之间流动时偏转。每个外热交换器5a的一侧17包括外部空气进口且每个内热交换器5b的一侧18包括外部空气出口。即，外热交换器5a的外部空气进口侧17被邻近于布置在热交换外壳3的一端处的外部空气进口14布置，并且内热交换器5b的外部空气出口侧18被邻近于近似布置在热交换外壳3的中间区段处的外部空气出口15布置。相应地，每个外热交换器5a的一侧19包括内部空气出口，并且每个内热交换器5b的一侧20包括内部空气进口。即，外热交换器5a的内部空气出口侧19被布置在热交换外壳3的一端处，并且内热交换器5b的内部空气进口侧20被近似布置在热交换外壳3的中间区段处。

为了提供空气的上述偏转，外和内热交换器5a、5b被布置成使得内热交换器5b的外部空气出口侧18被相对于外热交换器5a的外部空气进口侧17以一定角度布置。相应地，内热交换器5b的内部空气进口侧19被相对于外热交换器5a的内部空气进口侧20以一定角度布置。

在图1和图4中所示的实施例中，内热交换器5b的外部空气出口侧18被相对于外热交换器5a的外部空气进口侧17以45°角布置。换言之，外加热器5a被布置成使得外部空气回路6在平行于发电机轴的方向上流动，并且内热交换器5b被布置成使得外部空气回路6相对于发电机轴的方向以一定角度流动。在图1中，内热交换器5b相对于外热交换器5a以大约45°倾斜，使得正方形板的一个对角线在平行于发电机轴的方向上延伸。此类解决方案促进可能意外地进入热交换器布置4的任何水的容易排出，因此避免了水在单元内部静止不动。这还允许有具有尽可能小的宽度的热交换单元，宽度是在平行于发电机轴的方向上延伸的尺寸。

在图2、图3和图5中所示的实施例中，内热交换器5b的外部空气出口侧18被相对于外热交换器5a的外部空气进口侧17以90°角布置。换言之，外和内热交换器5a、5b两者被布置成使得外部空气回路6相对于发电机轴的方向以一定角度流动。这意味着所有热交换器5a、5b被布置成使得正方形板的一个对角线在平行于发电机轴的方向上延伸。这还允许有具有尽可能小的高度的热交换单元，高度是垂直于平行于发电机轴的方向且平行于板的平面延伸的尺寸。

使内热交换器5b相对于发电机轴的方向倾斜45°或90°将增加开放区域，内部空气回路12将从该开放区域离开发电机单元2的接口13并进入热交换单元1，从而导致发电机单元上的更加均匀分布的气流。并且，其将提供用于外部空气回路6的更平稳的路径，导致较低的压力损耗和更加均匀的速度剖面，这改善了热交换单元1的冷却性能。即，当内热交换器5b成角度时，热交换单元1与发电机单元2的中间隔室10之间的接口13开放区域增加，这改善气流，并且空气更加均匀地分布在发电机外壳3的中间隔室10与热交换单元1之间。

在两个实施例中，可以沿着一个纵向边缘以抵靠方式布置每组串联连接的外和内热交换器5a、5b，并且沿着邻近纵向边缘借助于至少一个空气偏转板21互连。在这种情况下，纵向意指垂直于热交换器板的平面的方向。换言之，空气偏转板21优选地被安装在外热交换器5a的外部空气出口侧的一个边缘与内热交换器5b的外部空气进口侧的一个边缘之间，即空气偏转板21在外和内热交换器5a、5b之间延伸。

空气偏转板21充当用于外部和内部空气回路6、12两者的气流偏转板。

如前所述，可以在热交换外壳3的中心顶部区段上、在外部空气出口15上方且因此与两个内热交换器5b的外部空气出口侧18相连地布置至少一个外部空气回路风扇。

如图1、图2、图4和图5中所示，热交换单元1优选地被安装在发电机单元2的顶部上，然而，本领域的技术人员应理解的是热交换单元1还可以被安装在发电机单元2下面或其侧面上。

每个热交换布置4适合于允许外部空气沿着从外面开始延伸、首先通过外热交换器5a且然后通过内热交换器5b并返回到外面的外部空气回路6流动，并且允许内部空气沿着内部空气回路12流动，该内部空气回路12是从发电机单元2开始延伸、首先通过内热交换器5b且然后通过外热交换器5a、在那里其返回到发电机单元2的闭合环路。即，仅一个外部空气回路6和一个内部空气回路12在一个热交换器布置4内相互作用。

如前所述，发电机外壳8可以被划分成第一末端隔室9、中间隔室10以及第二末端隔室11。在此类实施例中，每个内部空气回路12流过隔室中的仅两个，第一末端隔室9和中间隔室10或者第二末端隔室11和中间隔室10，并且通过一个热交换布置4。

最后，借助于在跨第一热交换布置4相互作用的第一外部空气回路6与第一内部空气回路12以及跨第二热交换布置4相互作用的第二外部空气回路6与第二内部空气回路12之间发生的两个同时事件促进了包括上文所讨论的热交换单元1和发电机单元2的发电机系统内的热交换。术语“第一”和“第二”用来在发电机系统内将两个热交换布置4和伴随的空气回路6、12相互分离。

每个外部空气回路6包括外部空气进入布置在热交换单元1的一端处的外部空气进口14、外部空气流过热交换布置4以及外部空气离开布置在热交换单元1的中心顶部区段处的外部空气出口15的连续事件。

每个内部空气回路12包括内部空气流过发电机单元2、内部空气离开发电机单元2并进入热交换布置4的内部空气进口侧20、内部空气流过热交换布置4以及内部空气离开热交换布置4的内部空气出口侧19并再进入发电机单元2的连续事件。

如前所述，发电机外壳8可以包括第一末端9、中间10以及第二末端11隔室。在本实施例中，每个内部空气回路12将从中间隔室10离开发电机单元2，并且通过第一9或第二11末端隔室再进入发电机单元2。

如上所述，图1和图2示出了根据本发明的热交换单元的两个不同实施例。图1示出了其中连接的热交换器的进口侧和出口侧被相对于彼此以45°角布置的热交换单元，而图2示出了其中连接热交换器的进口侧和出口侧被相对于彼此以90°角布置的热交换单元。本领域的技术人员认识到本发明绝不局限于上文所述的优选实施例。相反地，许多修改和变更落在所附权利要求的范围内。例如，可以将热交换单元1布置在任何适当的电机上。并且，可以将连接的热交换器的进口侧和出口侧朝着彼此以不同的角度布置。