具有改进的冷却的电机绕组
阅读说明：本技术 具有改进的冷却的电机绕组 (Electric machine winding with improved cooling ) 是由 萨布丽娜·阿亚特 卡梅尔·塞尔金 托马斯·克洛诺夫斯基 于 2020-02-19 设计创作，主要内容包括：一种组件,其包括绕组(20)和与绕组的导体接触的冷却器,该冷却器包括形成热耗散器的容器(26),并且包括相变材料(28),当绕组的导体受到它们的电流密度的增加时,该相变材料具有吸收多余热量的能力,并且热耗散器由彼此分开和嵌套的用于容纳相变材料的至少两个中空部件(26A、26B)形成。(An assembly comprising a winding (20) and a cooler in contact with conductors of the winding, the cooler comprising a container (26) forming a heat dissipator and comprising a phase change material (28) having the ability to absorb excess heat when the conductors of the winding are subjected to an increase in their current density, and the heat dissipator being formed from at least two hollow components (26A, 26B) separate from and nested within one another for containing the phase change material.)
技术领域
本发明涉及具有高功率密度的电机的冷却领域，并且更具体地涉及具有改进的冷却的绕组和包括这种绕组的任何组件。
背景技术
“更多电力”航空器的发展以及随后对高功率电机(约一百千瓦到几兆瓦)的需要要求从电机的设计阶段考虑热传递，因为电流密度可以达到非常高的值。
在这种情况下，绕组经常是电机中损耗的主要来源。然而，绕组的最高温度(由导体的绝缘体的最高温度决定)限制了机器可以承受的电流密度。此外，这些绕组的导体电阻率和随后的焦耳损耗随温度升高而增加，这会降低机器的效率。
通常用于冷却电机的解决方案主要有三种：自然对流、空气强制对流和液体强制对流。自然对流是最简单的解决方案，大部分热量由机器外壳排出。空气强制对流一般包括风扇，其增加了整体热交换系数，但在可靠性和减少整体重量方面存在缺点。“水护套”型液体强制对流允许良好的热提取，但流体循环系统可能需要添加泵和热交换器，这尤其会使冷却系统复杂化。然而，在前面描述的大多数冷却系统中，绕组中产生的热量必须先穿过磁轭，然后再穿过机器的外壳，然后才能排到外面。
因此，用于改进热传递的解决方案是提供绕组的线圈头部的直接冷却，由于它们定位在机器的周边，通常形成机器的热点。各种已知的方法允许线圈头部的这种直接冷却。喷嘴可用于冷却线圈头部的轴向或外周边(如果它是所谓的喷射冷却方法)。作为替代方案，冷却流体可以在机器的转子中循环，通常是油或燃料，并利用转子旋转引起的离心效应被直接地喷射到线圈头部上。在这种情况下，流体与线圈头部的内周边接触。这些方法的一个缺点是油会渗入气隙，这可以导致额外的摩擦损耗。另一个缺点在于，如果喷射速度太高，因侵蚀现象引起绝缘体的潜在损坏。
图3是电机40的简化分解图，该电机具有纵向旋转轴42并包括在安装有永磁体的其槽中的叠片转子44和等量地叠片的静子46，转子-静子组件被安装在外壳48中。静子包括多个绕组(导体50)，其围绕静子的相应部分(铁芯、磁轭或磁极52)并且其部分54暴露在外周边。每个导体的该暴露部分与翅片耗散器型冷却器56接触，以将线圈头部中产生的热量向机器的周边排出。通过线圈头部和耗散器的交换表面之间的传导完成耗散，然后通过该耗散器的翅片与环境空气对流，翅片增加对流表面，因此热耗散。
求助于相变材料(PCM)作为用于冷却电机和变压器的简单而轻便的替代品，特别是热管的使用或结合到要冷却的电机的外壳或电子元件中，这些是已知的。还提供了将这些相变材料直接地用于绕组的浸渍材料(通常是环氧树脂)中，以改进它们的机械和热耐受性，并增加导体之间的电绝缘。
然而，在有限的环境中(机架或通风不良的热机)，这些解决方案不允许绕组的充分冷却，以吸收与高功率所需的电流密度相关联的损耗。这是由相变材料与绕组(线圈头部)的最大热应力区域之间的距离来解释的，这不允许足够快地吸收热量，因此导致绕组温度增加。
现有的解决方案将PCM结合到机器的活动部分(即槽内部)中。然而，这个空间通常充满了导体，并且导体中的焦耳损耗与其截面面积成反比，将PCM结合到槽中并不总是最佳解决方案，因为它减少了导体可用的空间，因此潜在地会增加绕组内的焦耳效应损耗。必须在产生损耗的最小化和冷却系统的安装之间找到折衷。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于冷却绕组的新结构，其通过对流，如通过传导，改进电机的传热特性(最大化热交换)。本发明的一个目的还在于尽可能地减少焦耳效应损耗。
为此，公开了一种组件，其包括绕组和与该绕组的导体接触的冷却器，该冷却器包括形成热耗散器的容器和相变材料，并且，当绕组的导体受到它们的电流密度的增加时，该相变材料具有吸收多余热量的能力，其特征在于，热耗散器包括彼此分开和嵌套的用于容纳相变材料的至少两个中空部件。
因此，通过在机器内不通常地未使用的区域设置新的冷却结构，并且通过求助于相变材料来冷却例如，电机的绕组的导体，并且特别地冷却线圈头部(感应电机中静子线圈头部，或转子线圈头部)，可以吸收大量热量，同时限制达到的最高温度。此外，冷却得到改善(并减少焦耳效应损耗)，而不会增加导体内损耗的产生，并且通过将这些材料靠近绕组放置，可以快速提取绕组产生的热量。
特别地，容器是可嵌套的这一事实允许用PCM进行简化的预填充和快速结合到线圈头部中。具体地，根据情况，可以在已经完成的机器中或者在缠绕过程中将耗散器插入。
优选地，相变材料具有在100℃和300℃之间的相变温度，并且有利地是优选地填充有石墨的硝酸盐或氢氧化物。
根据特定实施例，热耗散器优选地由具有大于10W/(m.K)的热导率的电绝缘和导热材料制成。
优选地，当热耗散器由导电材料制成时，电绝缘和导热的材料设置在导体和热耗散器之间。例如，这种电绝缘和导热材料是氧化铝或尼龙混合铝粉(Alumide)。
有利地，热耗散器与外壳直接接触，以允许在相变材料的相变之前或之后通过传导向外部传递热量。
根据另一实施例，热耗散器可包括外翅片以提供导体之间的绝缘，或包括内翅片以更好地在相变材料内传递热量，并且容器也可以形成覆盖绕组的导体和在相变材料中嵌入导体的模具。
本发明还涉及包括如前所述的绕组的电机、变压器或电感器的元件，或者电机、变压器或电感器。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从下面给出的详细描述中变得显而易见，参考以下附图而没有任何限制，其中：
图1A：图1A以简化方式示出了包括具有根据本发明的改进的冷却的绕组的电机的外部视图。
图1B：图1B示出了根据本发明的分布式绕组电机的几个线圈头部及其相关联的冷却器的外部视图。
图1C：图1C示出了分布式绕组电机的几个线圈头部和圆形导体及其相关冷却器的外部视图。
图2：图2是曲线，示出了绕组的不同热接触电阻的温度变化，以及
图3：图3示出了现有技术的电机的示例。
具体实施方式
图1A非常示意性地示出了电机，该电机包括外转子和内静子，外转子包括转子磁轭12，其表面上设置有永磁体14，内静子包括与转子同心的静子磁轭16。围绕该静子的每个齿18缠绕有绕组20，该绕组20由多个导体形成并具有线圈主体22和暴露在该主体的周边18A处的两个线圈头部24(与第一个相对的第二个未示出)。每个线圈头部20包括内周边表面20A、内径向周边表面20B和外径向周边表面20C。
根据本发明，每个线圈头部24安装在形成热耗散器26的容器上，以快速提取由这些导体产生的热量，并增加导体与环境之间的交换表面。有利地，由彼此嵌套的两个分开的中空部件26A、26B形成的热耗散器插置在线圈头部的导体和主体之间，并包括用于接收液态相变材料(PCM28)的内腔26C。当绕组的导体受到它们的电流密度增加时，该相变材料具有吸收多余热量的能力，并且不会增加由所用绝缘体的固有限制所驱动的最高达到温度。
可以考虑各种几何形状来改善线圈和耗散器之间的热接触，该耗散器还可以包括外翅片(未示出)以提供导体之间的绝缘，或包括内翅片，以便在相变材料内更好地进行热传递。更准确地说，线圈头部的内周边表面20A覆盖包括相变材料28的热耗散器的部分，并且线圈头部的内径向周边表面20B和外径向周边表面20C与该热耗散器的壁接触，因此确保导体的保持。通常在线圈头部和齿之间为这种同心绕组空闲留出的空间中容器的定位可以限制机器的体积，因为它的总长度没有增加，就像如果容器设置在线圈头部的外周边的情况。注意，该解决方案不限于同心绕组，并且可以用于下文描述的分布式绕组的情况。
为了能够将相变材料结合到电机的绕组中，这些材料必须具有约100℃至300℃的相变温度。它们可以是硝酸盐或氢氧化物(LiNO3、NaNO3、Li2CO3等)，优选地填充石墨，并且相变必须具有尽可能一致的特性，以保证非常显著的液固循环。
耗散器可以由具有良好热导率(大于10或20W/(mK))的电绝缘和导热材料制成，相变材料具有约为0.15W/(mK)的低导热率。另一方面，如果耗散器由导电材料制成，则必须在导体和热耗散器之间设置电绝缘和导热材料。合适的材料，例如氧化铝或尼龙混合铝粉(Alumide)已经被确定为良好的热导体和电绝缘体。
不限于先前同心绕组的另一种解决方案在图1B中示出，并且涉及具有分布式绕组的电机静子的分布式绕组，其中该电机的线圈头部带有附图标记30。这些线圈头部例如，可以容纳形成热耗散器32的容器，该热耗散器32可以插入到绕组的周边以冷却它们。如在前面的示例中，旨在填充有液-固相变材料的该热耗散器32可以由随后彼此嵌套的几个中空部件制造。通常在线圈头部内为这种分布式绕组空闲留出的空间中容器的定位可以限制机器的体积，因为它的总长度没有增加，就像如果容器设置在线圈头部的外周边的情况。
无论设想的情况如何，热耗散器都可以与外壳或槽楔直接接触，以允许在相变材料的相变之前或之后，通过传导向外部传递热量。
图1C的具有分布式绕组和圆形导体的机器示出的又一解决方案在于实现(电绝缘的)导体与相变材料直接地接触，然后围绕线圈头部放置(例如，“环形”的)形成密封护套34的容器，以容纳材料处于液态时材料的分散。需要注意的是，在这种情况下，相变材料与导体直接地接触，密封护套(覆盖导体并将它们嵌入在PCM中的模具)不需要由具有良好导热性的材料制成，因为热量在被相变材料吸收之前不必通过它。应该注意的是，在该方案中，线圈头部不会被浸渍。
然而，当相变材料与绕组直接地接触时，它必须不是化学不稳定的或必须具有中性(非腐蚀性)的性质，以避免损坏或腐蚀绝缘体或铜。
图2给出了在绕组附近结合相变材料的计算机模拟的第一个结果，图2示出了绕组温度对于几个接触热阻的变化。在明确定义的循环中，可以看出，在没有这种材料的情况下(参考案例-第一条直线)达到的温度可高于200℃，例如，这将导致绕组绝缘体损坏的后果。另一方面，通过添加相变材料，并考虑到材料与其背衬之间的优化热阻，敏感元件达到的最高温度将保持在其极限温度以下(下面的曲线)。
因此，对于本发明，通过增加穿过绕组的电流强度明显大于现有技术机器的电流强度而获得电磁性能的增加。作为替代的方案，获得导体的导线截面的减小，从而减少机器的重量。最后，冷却系统得到简化(没有风扇或泵，因此没有故障风险)，并且重量轻。此外，将耗散器放置在通常空闲留出的空间中的事实使得可以最小化电机占据的体积。
值得注意的是，本发明的领域不限于电机绕组的冷却，还包括任何系统的冷却，该系统包括绕组元件，例如电感器或变压器。
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