[0001] 本
发明涉及一种电机(electric machine)，其包含
定子和由轴颈支承(journalled)的用于围绕定子旋转的
转子。该定子设置有线圈，并且该转子设置有产生穿过转子与定子之间的气隙的转子
磁场以与线圈配合的装置。该机器将经常作为
电动机，但也可以将其作为发电机且在许多的实施方式中作为轴向磁通机(axial flux machine)。尤其地，它涉及无磁轭分段电枢机(以下称为“Y机”)，尤其是永磁机(permanent magnet machine)。
背景技术
[0002] Woolmer和McCulloch[1]描述了Y机的拓扑结构，讨论了它的优点，该优点使定子中的
铁得以减少，从而使改进转矩
密度成为可能。它包含一系列绕在线棒(bar)上的线圈，这些线棒围绕该定子沿周向间隔开，并理想地轴向设置，(即与该转子的旋
转轴线平行)。该转子具有包括这样的盘的两级(stage)，所述盘设置有面向该定子的每个线圈的任一端的
永磁体。在任一级的操作的磁路是：穿过第一线圈进入转子的第一级上的第一磁体；穿过转子的背铁到达第一级上的相邻第二磁体；穿过定子的与第一线圈相邻的第二线圈；进入转子的第二级上的与第一级上的第二磁体对齐的第一磁体；穿过第二级的背铁到达第二级上的且与第一级上的第一磁体对齐的第二磁体；并且穿过第一线圈完成回路。
[0003] 电机的一个难点一般是提供足够的冷却。这对于具有高转矩密度的Y机来说尤其是个问题，大量的热量产生在高转矩处的线圈内，且经常是能够采用的转矩的一个限制因素，至少在延长时间段内。另外，线圈是互相隔离的，因此只冷却电动机的一个区域是不够的，因为线圈之间的导热率是低的。
[0004] WO-A2006/066740披露了一种Y机，其包括具有圆柱形套筒的壳体，套筒在内部安装有定子线圈，套筒为中空的，由此冷却介质得以流通。然而，线圈被嵌入热传导材料中以将热量带到定子壳体。转子可旋转地轴颈支承在壳体中。定子线棒呈现为
层压型的，正如披露了一种Y机的GB-A-2379093以及WO-A-03/094327中描述的那样。但并没有提到冷却布置方式。
[0005] US-A-6720688披露了一种Y机，其中的转子像
叶片泵一样使
流体在由定子壳体限定的腔室内流通，在壳体内
支撑于
轴承上并承载转子的转子轴穿过该定子壳体延伸出来。流体冷却定子线圈。
[0006] 当然，冷却问题并不仅限于Y电动机。
[0007]
蒸发冷却的想法早已被采用，例如，在SU-955379中，中空转子轴呈现为延伸至一个外部旋转壳体内以使制冷剂在轴内蒸发冷却该转子，并且
蒸汽在变回液体之前便在外部壳体内
凝结释放其热量。US5394040披露了类似的布置方式。同样地，SE-A-7411152呈现为披露电动机的蒸发冷却。这些装置是被动式的，其中的冷却回路是自驱动的，但是更多的主动式布置方式被披露。US-A-3217193在电动机或者发电机的热部件上喷洒液体制冷剂。US-A-2007/0199339披露了一种带有
阀的完整制冷剂回路，该阀在穿过定子和外部
热交换器的通道之间确保正确的定向流动。该发展对本发明有着特别的意义，它发现了用于车辆的
车轮电动机中的主要应用。
[0008] 事实上，本发明的一个目的是提供一种电机，该电机具有有效但非被动式的蒸发冷却布置。本发明的具体目的是为了使用于冷却所需的额外元件和设备最少化，由此使由冷却布置所损失动
力的成本能够最小化。
发明内容
[0009] 根据本发明提供了一种电机，该电机包括具有转子磁场的转子以及具有线圈的定子，该线圈用于与穿过转子与定子之间限定的气隙的转子磁场
磁性相互作用，其中，定子相对于用于机器的安装部(mounting)是固定部件，并且转子在定子外部围绕定子旋转形成旋转壳体，该旋转壳体在转子和定子之间限定出容纳用于冷却线圈的冷却介质的密封腔室，并且其中，该冷却介质具有低于定子的运行设计
温度且高于转子壳体的运行设计温度的沸点，并且其中，转子壳体具有能够被冷却剂接近(accessible)的
散热外表面。优选地，该冷却剂是开放环境里的周围空气。
[0010] 使用中的腔室包括这样的体积，其优选地填充小于约25％体积的所述冷却介质(当液体时)。液体与蒸汽的体积比随着温度的升高以及压力的增加而改变。小于25％的填充体积参照环境条件(ambient condition)。优选地，剩余的体积仅由蒸汽形式的冷却介质来填充。当电机未运行时，该腔室内压优选地是周围环境。压力与所可提供的装置相适应。
[0011] 优选地，电机是轴向磁通机，线圈被绕在线棒上，线棒围绕形成转子的
旋转轴线的该机器的固定轴沿周向间隔设置。优选地，线棒平行于旋转轴线，转子包括两级，每级具有与线棒的每端相互作用的永磁体。
[0012] 优选地，该定子被安装在所述安装部的短轴(stub axle，
转向轴)上，并且所述转子可旋转地轴颈支承在该短轴上。
[0013] 优选地，转子级各自包括环形盘，环形盘的外边缘通过套筒连接在一起并且其上安装有所述永磁体，一级的内边缘被轴颈支承在所述短轴上，而另一级被板封闭。
[0014] 优选地，所述板也被轴颈支承在延伸穿过所述定子的所述短轴的端部上。
[0015] 优选地，所述套筒具有向外散热的翼片(fin)。这些翼片可以是径向定向或者轴向定向。该套筒可以是圆锥形的以保证它的一些区域可以用来与冷却介质蒸汽
接触。优选地，该腔室在所述短轴上由唇式
密封件密封。然而，任何合适的替代方式都可以使用。
[0016] 优选地，扩散材料被设置在所述线圈的周围和之间，由此俘获并运送液体冷却介质到线圈，并且从该线圈蒸发的液体冷却介质的蒸汽逸出。扩散材料作为一种芯，类似于它在
热管中的应用。
[0017] 优选地，在转子壳体的内部设置有桨(paddle)，以围绕定子冲刷液体冷却介质。
[0018] 优选地，在定子上设置有刮刀(scraper)，以将由于向心
加速度而保留在转子壳体的内侧上的液体冷却介质铲到定子上。
[0019] 在一个实施方式里，所述机器是电动机。事实上，它可以是车辆的车轮电动机。
[0020] 所以，在一方面，本发明提供一种车辆，其具有从车辆悬挂的短轴，并且其上安装有如上所限定的电动机。优选地，车辆的车轮被安装在所述转子壳体上。优选地，
再生制动被用来使车辆减速。在任何情形下，优选地，制动片被安装在所述转子壳体上。所述片可安装在转子的所述一级上。车轮优选地具有孔，以允许通向经过车辆的空气，以使其流过车轮并作为所述冷却剂来冷却转子壳体。优选地，所述翼片的形状被制成吸取空气穿过所述孔。所述形状可以是翼片在所述壳体上具有螺旋形状。
[0021] 在另一个实施方式中，所述机器是一个发电机，被设置用来使转子围绕所述定子旋转的装置。所述装置可以包括皮带和
滑轮。既然本发明能够作为发电机完美地、可行地运行，在此情形下，如果发电机是静止的且易被使用者接触到，那么防护旋转转子与使用者的意外接触则是可能必须的，或至少是期望的。这种防护需要能接触到冷却剂流(优选地为空气流)以使转子能够散热。
附图说明
[0022] 将参照附图在下面进一步描述本发明的实施方式，在附图中：
[0023] 图1是本发明主要(但不限于)涉及的无磁轭分段电枢机的示意性侧视图；
[0024] 图2是图1的布置的透视图；
[0025] 图3a和3b分别是根据本发明的电动机的侧剖视图和在图3a中沿线B-B的剖视图；
[0026] 图4a和4b分别是图3电动机的定子的透视图和图4a详情的侧视图；
[0027] 图5是图3a的类似图，但是其中的轴承布置有所
修改；
[0028] 图6是根据本发明的发电机布置的示意图；
[0029] 图7是图4和5的布置的另一个示意性变型；以及
[0030] 图8是穿过类似于图3a中所示电动机和车轮的侧剖视图。
具体实施方式
[0031] 在图1中示意性地示出了无磁轭分段电枢机10。该机器10包括一个定子12和两个转子14a、14b。定子12是独立的定子线棒16的集合，这些定子线棒围绕转子14a、14b的旋转轴线20沿轴向间隔开。每个线棒16具有其自身的轴线16a，该轴线与旋转轴线20平行设置。然而，这个并不是绝对必要的。在轴向磁通机里，轴线16a确实与旋转轴线20平行。然而，它能够被布置与其成任何
角度，甚至相对于旋转轴线20径向地设置。下面的讨论与轴向磁通机有关，但是这不应被理解为在任何意义上的限制，并且在上下文中允许本发明同等适用于定子线棒16的其他倾斜度。
[0032] 每个定子线棒的每端设置有极靴(shoe)18a、18b，其用于限定线圈栈22的物理用途，栈22优选地为正方形截面的绝缘线(或者可能为矩形截面)，以便能够达到高的填充因数。线圈22被连接至使线圈通电的
电路(未显示)(如果是电动机)，从而在相邻定子线圈22中由线圈内
电流所产生的合成磁场的磁极相反。
[0033] 两个转子14a、14b承载彼此面对的永磁体24a、24b，永磁体之间具有定子线圈22。事实上，在轴向磁通机里，转子和其磁体是径向设置的，但是当定子线棒为倾斜时，则它们也是一样的情况。两个气隙26a、26b被设置在相应的极靴与磁体对18a/24a、18b/24b之间。
相等数量的线圈和磁体呈间隔围绕旋转轴线20，并且优选地，线圈和磁体的数量不相同，以便在所有相同时间以及转子相对于定子的相同旋转
位置处，不会使每个线圈进入与对应的磁体对配准。这个用来减少嵌齿(cogging)。
[0034] 在电动机内(本发明主要关注的)，上述电路被布置成为线圈22通电，从而使它们的极性交替以使线圈在不同的时间与不同的磁体对对齐，以产生应用于转子与定子之间的转矩。转子14a、14b通常连接在一起(例如，通过轴，下面可看到但未在图中显示)，并且围绕轴线20相对于定子12一起旋转，该定子通常是被固定的(例如在壳体内，同样，下面可看到但未在图中显示)。在图1中示出了这种布置的一个优点在于磁路30由两个相邻的定子线棒16和两个磁体对24a、24b来提供。所以，尽管背铁32a、32b是每个转子所需的用来链接背对相应线圈22的每个磁体24a、24b的背面之间的磁通，但是定子12并不需要磁轭。
[0035] 所以，在电动机的情形下，通过使线圈22恰当地通电，转子14能够被驱动绕轴线20进行旋转。当然，在发电机的情况下，根据当转子14a、14b旋转时定子线棒16内感应的磁通量变化，转子14a、14b的旋转在定子线圈12内感应出电流。
[0036] 然而，在任何情形下，在线圈22内产生热量，如果这个热量得不到消除，机器的效率便会降低，其能力也受到了限制。因此，本发明建议将定子线圈16封闭于壳体内部，该壳体由转子形成并且设置有制冷剂冷却介质。
[0037] 转到图3a，根据本发明的电动机100包括安装在车辆(未显示)的短轴50上的定子12。该定子包括安装在线棒16上的线圈22，线棒在固定于短轴50的定
子板52之间获得支撑。转子14包括壳体54，该壳体由两个环板56、58形成并通过套筒60在它们的外边缘处连接。环板58通过轴承62被可旋转地轴颈支承在短轴60上，该短轴穿过环板58中的孔64。环板56填充有中心板66，该中心板也同样通过轴承68被轴颈支承在短轴的端部50a上。由环板56、58，套筒60以及端板66形成的转子壳体14包围出一腔室70，该腔室被布置在环板58与短轴50之间的旋转唇形密封件72所密封。
[0038] 转子板56、58由任何合适的材料制成，优选地是非
铁磁性的材料。在此情形下，所提供的环形背铁32a、32b为磁性链接材料，并且在其上布置有永磁体24a、24b，与定子线棒16对齐，并且限定它们之间的气隙26a、26b。
[0039] 通过各种合适的装置(未显示)将车辆的车轮90安装在转子壳体14上。另外，在壳体板58的内侧，可将制动片(未显示)安装在转子壳体54上，用于与安装在短轴50上的卡尺(未显示)相配合。
[0040] 用于运行电动机100的动力
电子装置92可安装在短轴50的前
法兰50b上。它们可由穿过通路(未显示)(该通路穿过短轴50)的缆线从车辆来供电。动力电子装置92控制线圈22的通电，来促使与磁体24a、24b磁性相互作用，如以上参照图1和图2所述，并且用来围绕短轴50、围绕旋转轴线80驱动转子。
[0041] 由线圈22产生的热量必须消除；否则电动机的
最大转矩将会受限。为此目的，腔室70容纳液体制冷冷却剂82，当车辆静止时，制冷冷却剂受重力被收集到腔室70的最低点处。然而，当转子开始旋转的时候，围绕套筒60的内侧83周期性设置的桨84铲取液体冷却剂82并且喷溅(splash)围绕短轴50整个周边的线圈16。随着转子14的旋转速度增加，离心加速度会使液体滞留在转子14的内壁上。因此，在定子12的顶部，以及其周围可能的某些地方，均设置有铲子86来获取液体并将之喷溅与线圈22相接触。
[0042] 当满足速度增加时线圈的冷却通常将不是必需的时候，可以省略这些桨84。当速度增加时，然而，液体与套筒的内表面83之间的离心加速度以及
摩擦力将使液体滞留在表面上，由此，其也随着转子14绕着短轴50旋转。在这种情形下，铲子86可以布置成靠近套筒60的表面83。事实上，参照图3b，在旋转的方向上(例如按照箭头C的方向旋转车轮)，铲子86a、86b、86c可以逐步靠近表面。因此，如果具有如所示的三个铲子，并处于九十度的位置，桨86a将刮至旋转液体82的第一深度(显示的在底部收集)，铲子86b刮至靠近表面83的第二深度，且铲子86c刮掉所剩的绝大部分。
[0043] 然而，在线圈22之间和周围分散的是用来吸收液体冷却剂并弄湿线圈22的扩散材料94(见图4a、4b)。事实上，该材料可以是吸湿材料(wickingmaterial)，类似原
棉，例如
石棉。当线圈22开始产生热量时，热量便被传导至液体制冷剂。这被布置成具有在线圈22的期望
工作温度之下的一个沸点。因此，当达到该温度时，液体
沸腾并蒸发以使其从线圈
22中排出并带走热量，更多的液体冷却剂被吸湿材料94所吸收。随后注入腔室70的蒸汽与壳体14的表面相接触，该壳体至少在其周边设置有翼片96。在周围温度下，冷却剂被布置以凝结并释放热量至转子壳体14的材料并变回液体，以使循环得以重复。
[0044] 随着电动机温度的增高，腔室70内的
蒸汽压力也增高，但如果唇形密封件72提供的密封是气密的，那么蒸汽便无法逸出。当蒸汽无法逸出且因线圈22产生更多的热量而导致压力上升，液体的沸点温度就会增加以使转子壳体的温度也增加，散热更加迅速。因此，尽管线圈的温度也上升，系统却在其变得更热的同时进行自我调节使散热更快。然而，凭借蒸发传递热量，尽管仍在传导热量，在线圈22与壳体54之间的温度梯度变得更小。
[0045] 本发明的一个优点是转子96(当其被驱动旋转时)是暴露于冷却气流的，这不仅是在其自身的运行中，也在车辆的运行中(当如图3a所示，电动机安装在车辆中)。当车轮电动机也如图3a所示的情形下，车轮90可以在98处有孔，借以使气流a能够从车辆的外部冲刷转子壳体14。事实上，车轮90以及翼片96都可以被布置以铲取空气并将之吸到壳体14上。例如，车轮90可以设置有扇形孔98，以使空气朝向转子壳体14被引导。可选择地，或者另外，翼片96可以被布置成螺旋状螺杆以使空气被泵入，例如，沿图3a的箭头BB的方向泵入。
[0046] 轴承62、68被示出为与腔室70接触。如果是这样的情形，那么冷却剂82作为轴承的
润滑剂是非常重要的。可选择地，将轴承68与腔室70进行隔离是可能的。例如，密封件72可能(相对于腔室70)在轴承64的内侧。对于轴承68，为了将其与腔室70隔离，则需要另一个唇形密封件。同样重要的是，冷却剂82并不影响电子装置92。
[0047] 转到图5，示出了另一可选择实施方式的电动机100’。这里，车辆的短轴50’(未显示)具有在钻孔102内的中空端部50a’，该钻孔接收转子板66’的轴104。轴104被支撑在轴承62’、68’上，轴承被间隔件106分隔开并由簧环108、110所保持。簧环110可以被用来预压轴承62’、68’的
螺母所代替。密封件112将轴承62’、68’与含有液体制冷冷却剂82的腔室70’隔离。
[0048] 转子14’具有被连接至转子壳体板56’的板66’，该转子壳体板自身通过锥形套筒元件60被连接至对应的转子壳体板58’。套筒60的锥度保证液体冷却剂82在腔室的(距旋转轴线80)径向最远的角70a内得以收集，以便在腔室70内，套筒60的更多内表面60a被暴露以与蒸汽直接接触，而不是在此被液体冷却剂82所隔离。
[0049] 如上述实施方式中，翼片96被布置在套筒60上。另外，然而，翼片96a、96b(轴向地定向并且沿周向设置)被设置在环板56’、58’上。此外，该布置方式大部分如上所述，其中车轮90由螺母118栓接在接收于板66’中的柱
螺栓120上。制动片122安装在内侧环板58’上，且密封件72’将腔室70’与外界环境隔离。另一个轴承62a可以支撑制动片122。
[0050] 在图6里，发电机100”具有基本上如图5或6所示电动机的内部结构。这里短轴50”安装在地面上，且转子壳体14”由滑轮150和皮带152所驱动。转子具有翼片96并且整个旋转组件由带孔防护装置154所保护。
[0051] 在图7中，转子壳体14x具有直接安装在壳体的法兰162上的车辆轮胎160。在这种情况下，转子可以有两个构件，由螺栓118栓接在车辆毂66x上的第一毂构件5660，以及由螺栓162栓接在毂构件5660上的第二法兰构件58x，并且未示出密封在其上的方式。如图5的布置方式中，毂66x被轴颈支承以便在短轴50x中旋转，悬挂于车辆(未显示)。翼片96x在转子14x的侧面。转子14x可以在胎边168之间的166处凹入，以将液体冷却剂82集中起来并允许腔室70x的边缘/角70b、70c免于接触液体，使蒸汽直接接近转子14x的冷却器表面。
[0052] 在图8中，电动机100包括用来固定于车辆悬架上的毂50”(未显示)。该毂承载轴承62”，该轴承可旋转地安装转子法兰56”。法兰56”借助柱螺栓和螺母59”安装转子壳体件54”和制动片57”。如参照图3a所描述的，转子壳体件54”在96”处有翼片用来散热。
[0053] 毂50”还安装有定子片52”，片上固定有许多定子线棒16，环绕线棒的是缠绕线圈22”。片52”安装有动力电子装置
电路板92”。由
紧固件53”将带孔转子板58”固定至杯形转子壳体件54”的面边缘。其孔61”由盖板66”所封闭和密封，但如果去除紧固件63”，还是可以到达电路板92”。转子部件54”、58”安装有永久磁体24”a、24”b，两个磁体邻近定子线圈22设置。
[0054] 密封件72”封闭由转子14”与毂50”限定并环绕定子12”的腔室70”。毂50”有一个开放的中心钻孔51”，但是该钻孔被(用一个未显示的塞子)塞住来完成密封和封闭腔室70”，尽管从车辆过来的用于供电和控制电动机100”的缆线(未显示)将穿过塞子与电路板92”连接。
[0055] 转子板58”通过柱螺栓和螺母94”安装车轮90”，为此目的车轮具有内部法兰92”。另外，布置方式如上所述，并且在腔室70”内的制冷剂冷却线圈22”和电路板92”两者。翼片96”可以呈螺旋形地布置在转子壳体件54”的面上，用来在转子围绕毂50”旋转的时候加快循环。
[0056] 对于本技术领域人员而言，合适的冷却剂(如
水，乙酸甲酯，氟基苯(f1ouro benzene)，2-庚烯(2-heptene))是已知的，这些冷却剂可以被布置以使线圈的工作温度为周围-150℃的范围内，其中冷却剂沸点在50-80℃的范围且在0.1帕至0.5帕的压力下，而这取决于用途。在这种情形下，壳体54的温度将在周围-80℃的范围内。
[0057] 贯穿本
说明书的描述和
权利要求，词语“包括”和“包含”以及它们的
变形意指“包括但不限于”，且它们并不旨在(且不是)排除其他组成部分、添加、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，除非上下文中另有所指，否则单数包括复数。特别是，在使用不定冠词时，除非上下文中另有所指，否则说明书将被理解成包含复数个以及单数个。
[0058] 与本发明的特殊方面、实施方式或者实例结合描述的特征、整体、特点、化合物、化学组成部分或组应理解成也能被应用于本文所描述的其他任何方面、实施方式或者实例，除非它们彼此不相容。在本说明书(包括任何所附权利要求、
摘要和附图)中披露的所有特性、和/或披露的任何办法或者过程的所有步骤，都可以以任何组合方式相组合，除了这些特性和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外。本发明并不局于前述任何实施方式的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所述权利要求、摘要以及附图)中所披露的特征中的任一个新颖特征、或者这些特征的任何新颖组合，或者扩展至所披露的任何方法或者过程的步骤中的任一个新颖步骤、或者这些步骤的任何新颖组合。
[0059] 读者的注意力应指向与本
申请的相关说明书一起提交或之前提交的所有文件和文档，其与本说明一起公开让公众查阅，且所有这些文件和文档的内容以引证方式结合于此。
[0060] 参考文献
[0061] [1]TJ Woolmer 和 MD McCulloch ″ Analysis of the Yokeless and SegmentedArmature Machine ″，International Electric Machines and Drives Conference(IEMDC)，3-5，2007年5月。
