TWI692177B - 具有內部冷卻機制的電機機械裝置 - Google Patents

Abstract

一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置，包含沿軸向方向設置的中心軸、套設於中心軸的轉子以及環繞轉子設置的定子。中心軸內部具有沿著軸向方向延伸的容油通道，且中心軸的一端開設注油口，連通容油通道。透過中心軸的環狀溝槽以及出油孔、轉子的徑向通道以及軸向通道，冷卻油可由注油口被送至位於轉子於軸向方向上的兩端面的灑油口，達到冷卻轉子上永磁元件之目的。定子的線圈是突出於定子的兩端面，且轉子的灑油口是沿著垂直於軸向方向的方向，對應於線圈突出於定子的兩端面的部分，因此可直接將冷卻油灑向線圈，以直接對線圈冷卻。

Description

具有內部冷卻機制的電機機械裝置

本發明與電機機械裝置的冷卻有關，特別是關於一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置。

電機機械裝置，不論是電動馬達或是發電機，都需要運用繞線線圈，以承載電流。使用永磁磁鐵的電機機械裝置，通常是將永磁磁鐵配置於轉子，而線圈配置於定子，並且定子是環繞轉子設置。

電動馬達驅動時必須對線圈送入電流，而發電機發電過程則是線圈感應磁場變化產生電流。此時，電流將使得線圈發熱，而迅速提昇線圈溫度。線圈溫度提昇後，將會使得電阻也會跟著提昇，而逐漸降低電機機械裝置的運作效率。

轉子本身也會發生鐵損，因導磁體受到變動磁場的影響，在鐵芯中損耗的部份能量，損耗的能量會以熱的方式散失，使得轉子上的永磁磁鐵溫度提昇。永磁磁鐵溫度提昇之後，磁力將出現暫時性衰減。若溫度持續提昇，永磁磁鐵將出現退磁現象，使得磁力出現永久性衰減，甚至完全失去磁性。

因此，電機機械裝置必須有良好的冷卻方案，以確保運作效率，同時避免永磁磁鐵受到破壞，進而影響整體電機性能。

鑑於上述問題，本發明提出一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置，內部配置有冷卻機構，可使冷卻油直接而有效地冷卻線圈以及永磁元件。

本發明提出一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置，包含一中心軸、一轉子以及一定子。

中心軸沿一軸向方向設置；中心軸內部具有沿著軸向方向延伸的一容油通道，且中心軸的一端開設一注油口，連通容油通道；中心軸更具有一環狀溝槽以及至少一出油孔，環狀溝槽環繞中心軸的一外週面設置，且出油孔連通環狀溝槽以及容油通道。

轉子至少包含一徑向通道、一軸向通道、一灑油口以及一導流結構，轉子可轉動地套於中心軸；徑向通道的一端對應於環狀溝槽，以透過環狀溝槽以及出油孔連通於容油通道；軸向通道連接於徑向通道，而至少在轉子於軸向方向的一端面形成灑油口；導流結構遮擋於灑油口，而形成連通灑油口且垂直於軸向方向的一折流油道。

定子至少有一定子高導磁結構以及多個線圈；定子高導磁結構環繞轉子，線圈固定於定子高導磁結構；其中，線圈是突出於定子高導磁結構的至少一端面，且轉子的灑油口是沿著垂直於軸向方向的方向，對應於線圈突出於定子高導磁結構的端面的部分，且折流油道是指向線圈突出於定子高導磁結構的端面的部分。

在本發明至少一實施例中，轉子至少具有一轉子襯套、一轉子高導磁結構以及多個永磁元件；轉子襯套可轉動地套於中心軸，且徑向通道連接轉子襯套的內側與外側；轉子高導磁結構設置於轉子襯套的外側，且軸向通道位於轉子襯套與轉子高導磁結構之間；永磁元件間隔地設置於轉子高導磁結構中。

在本發明至少一實施例中，導流結構是一轉子壓板，固定於轉子高導磁結構的端面，且折流油道形成於轉子壓板朝向轉子高導磁結構的一側面。

在本發明至少一實施例中，轉子壓板朝向轉子高導磁結構一面設有至少一淺溝，淺溝連通轉子壓板的邊緣，且淺溝覆蓋於灑油口而形成折流油道。

在本發明至少一實施例中，轉子壓板為一環狀結構，且轉子襯套於軸向方向上突出於轉子高導磁結構的端面；轉子壓板內側邊緣設置有至少一第一卡扣結構，轉子襯套突出於轉子高導磁結構的端面的部份設置有至少一第二卡扣結構，第一卡扣結構以及第二卡扣結構互相卡扣。

在本發明至少一實施例中，導流結構是一延伸部，延伸於轉子襯套的一端面，且垂直於軸向方向向外延伸，並遮擋於灑油口：延伸部與轉子高導磁結構的端面保持一間隔距離，形成連通於灑油口的折流油道。

在本發明至少一實施例中，折流油道的開口的方向是垂直於軸向方向而向外。

在本發明至少一實施例中，電機機械裝置更包含二油封環，嵌設於中心軸的外週面，且位於環狀溝槽的兩側。

在本發明至少一實施例中，電機機械裝置，包含一外殼，內部設有二軸承，二軸承於軸向方向同軸設置；中心軸設置於外殼內部，且中心軸透過二軸承連接於外殼。

在本發明至少一實施例中，電機機械裝置更包含一油泵，中心軸的注油口透過一注油管連接於油泵，油泵推送一冷卻油進入容油通道，且外殼的底部以一回油管連接油泵，以回收冷卻油至油泵。

本發明在不改變電機機械裝置的元件組成以及元件配置關係的前提下，加入輸送冷卻油的通道，而可使得冷卻油可以直接、有效地對轉子上的永磁元件以及定子上的線圈進行冷卻，而可避免永磁元件以及線圈的溫度過高。因此，可以有效維持電機機械裝置的工作效率，同時避免永磁元件以及線圈被高溫破壞。

請參閱圖1、圖2、圖3以及圖4所示，為本發明第一實施例所揭露的一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置100。具有內部冷卻機制的電機機械裝置100具有一外殼110、一中心軸120、一轉子130、一轉子壓板140以及一定子150。前述具有內部冷卻機制的電機機械裝置100可為一電動馬達，也可以是一發電機。

如圖1所示，外殼110的內部設置有二軸承112，二軸承112相對設置，且二軸承112於一軸向方向L上同軸設置。

如圖1以及圖2所示，中心軸120設置外殼110內部，並且中心軸120透過二軸承112連接於外殼110，而沿軸向方向L設置。中心軸120內部具有沿著軸向方向L延伸的容油通道122。此外，中心軸120的一端設置一注油口124，連通容油通道122。注油口124用於供一油泵200將冷卻油注入容油通道122中。

如圖2以及圖5所示，中心軸120更具有一環狀溝槽128以及至少一出油孔126，環狀溝槽128環繞中心軸120的一外週面設置，且出油孔126連通環狀溝槽128以及容油通道122。

如圖1、圖2、圖3、圖4以及圖5所示，轉子130至少包含一徑向通道132a、一軸向通道134a、一灑油口134b以及一導流結構。轉子130可轉動地套於中心軸120。徑向通道132a的一端位於轉子130的內側，而對應於環狀溝槽128，以透過環狀溝槽128以及出油孔126連通於容油通道122。軸向通道134a連接於徑向通道132a，而至少在轉子130於軸向方向L的一端面形成灑油口134b。導流結構遮擋於灑油口134b，而形成連通灑油口134b且垂直於軸向方向L的一折流油道139,142。徑向通道132a的延伸方向與軸向方向L形成一夾角，較佳地為徑向通道132a的延伸方向垂直於軸向方向L。

如圖1、圖2、圖3、圖4以及圖5所示，具體而言，轉子130具有一轉子襯套132、一轉子高導磁結構134以及多個永磁元件136。轉子襯套132可轉動地套於中心軸120，徑向通道132a連接轉子襯套132的內側與外側。徑向通道132a的另一端延伸至轉子襯套132的外側。轉子襯套132的內、外壁之間會進行挖空處理，以降低轉子襯套132的重量以及轉動慣量。

如圖5所示，具有內部冷卻機制的電機機械裝置100更包含二油封環160，嵌設於中心軸120的外週面，且位於環狀溝槽128的兩側，用以避免冷卻油沿著軸向在中心軸120以及轉子襯套132之間滲漏，並形成環繞中心軸120外週面且位於中心軸120以及轉子襯套132之間的環狀通道。

如圖2、圖3以及圖4所示，轉子高導磁結構134設置於轉子襯套132的外側，而環繞轉子襯套132的外壁配置，並且緊密連接於轉子襯套132。於一具體實施例中，轉子高導磁結構134是用於作為磁鐵架，以嵌埋永磁元件136於其中。轉子高導磁結構134是由多個矽鋼片層疊而成，用以降低因磁場所產生的渦電流。轉子襯套132上可進一步延伸形成減速齒輪結構（圖未示），以連接於負載或動力源。此外，軸向通道134a位於轉子襯套132與轉子高導磁結構134之間，連接位於於轉子襯套132的徑向通道132a。在一具體實施例中，轉子高導磁結構134的矽鋼片內緣開設有缺口，該些缺口在多個矽鋼片層疊之後，就可以構成軸向通道134a。

如圖2與圖3所示，永磁元件136間隔地設置於轉子高導磁結構134中。同樣地，在一具體實施例中，轉子高導磁結構134的矽鋼片開設有對應於永磁元件136的孔洞，該些孔洞在多個矽鋼片層疊之後，就可以形成用於嵌埋永磁元件136的空間。

如圖1、圖2以及圖3所示，轉子130的兩端面，分別形成一導流結構。導結構遮擋於灑油口134b，而形成連通灑油口134b且垂直於軸向方向L的折流油道139,142。導流結構可以是一體成形於轉子襯套132，也可以是由轉子壓板140所提供。

如圖1、圖2、圖4及圖6所示，轉子壓板140固定於轉子高導磁結構134的端面，一或多個折流油道142設置於轉子壓板140朝向轉子高導磁結構134的一側，並連通於灑油口134b，且各折流油道142的開口位於轉子壓板140的邊緣，且開口的方向是垂直於軸向方向L而向外。如圖4以及圖6所示，於一具體實施例中，轉子壓板140為環狀結構，且轉子襯套132於軸向方向L上突出於轉子高導磁結構134的端面。轉子壓板140內側邊緣設置有一或多個第一卡扣結構144，例如一凸軌；轉子襯套132突出於轉子高導磁結構134的端面的部份設置有一或多個第二卡扣結構133，例如一導槽。第一卡扣結構144以及第二卡扣結構133可以互相卡扣，例如將凸軌滑動將入導槽中，並以轉子壓板140內徑與轉子襯套132外徑進行干涉配合，而緊密結合轉子壓板140於轉子襯套132，進而固定轉子壓板140於轉子高導磁結構134的端面。除了凸軌與導槽的組合之外，第一卡扣結構144以及第二卡扣結構133不排除是其他卡扣結構的組合。轉子壓板140朝向轉子高導磁結構134一面設有多個淺溝，當轉子壓板140固定於轉子高導磁結構134的端面，淺溝是覆蓋於灑油口134b，淺溝即被封閉形成折流油道142，且使得折流油道142連通於灑油口134b。此外，轉子壓板140也可以作為配重結構，以對中心軸的轉動進行動平衡的調整，降低偏心震動振幅。

如圖1、圖3以及圖4所示，轉子襯套132的端面進一步形成垂直於軸向方向L向外延伸的延伸部138，遮擋於灑油口134b，且與轉子高導磁結構134的端面保持間隔距離，形成連通於灑油口134b的折流油道139，該些折流油道139的開口的方向同樣是垂直於軸向方向L而向外。

當冷卻油經由灑油口134b朝軸向方向L噴出時，折流油道139,142可改變冷卻油流向，而讓冷卻油噴出的方向改變為朝徑向向外灑出。圖2及圖3的導流結構以及折流油道139,142可以選擇一種型態實施，並且分別開設位於轉子高導磁結構134的不同端面的灑油口134b。也可以是兩種混合，也就是轉子高導磁結構134的不同端面各自設置不同的導流結構以及折流油道139,142。

如圖1、圖2、圖3以及圖4所示，定子150具有一定子高導磁結構152以及多個線圈154。定子高導磁結構152直接或間接地固定於外殼，且環繞轉子130。定子高導磁結構152是用於作為線圈架，以纏繞線圈154於其上。定子高導磁結構152同樣是由多個定子矽鋼片152a層疊而成，並且以塑料進行包覆絕緣，以利線圈154纏繞於其上。多個線圈154以集中繞線方式固定於定子高導磁結構152。其中，線圈154的繞線軸線，是垂直於軸向方向L。多個線圈154是間隔地設置，用以提供交替變換的磁場。

如圖1、圖2、圖3與圖7所示，於平行於軸向方向L的方向上，線圈154是突出於定子高導磁結構152的兩端面。轉子130的灑油口134b是沿著垂直於軸向方向L的方向，對應於線圈154突出於定子高導磁結構152的兩端面的部分，並且折流油道139,142是指向線圈154突出於定子高導磁結構152的至少一端面的部分。

因此，當轉子130轉動時，經由灑油口134b流出的冷卻油，將因為離心力直接被甩離而灑向線圈154突出於定子高導磁結構152的兩端面的部分。此外，導流結構的折流油道139,142是沿著徑向指向線圈154突出於定子高導磁結構152的兩端面的部分，而可確保經由灑油口134b流出的冷卻油，可以沿徑向直接灑出而落在線圈154，以對線圈154進行冷卻，避免線圈154的阻抗因為高溫而提昇。同時，由於冷卻油是直接流經轉子襯套132以及轉子高導磁結構134，而可直接對轉子襯套132以及轉子高導磁結構134冷卻，因此也可以透過轉子襯套132以及轉子高導磁結構134的熱傳導對永磁元件136進行冷卻，以避免永磁元件136因為溫度過高而退磁。

如圖1所示，中心軸120的注油口124，是直接或是透過注油管210間接地連接於油泵200。於具有內部冷卻機制的電機機械裝置100運轉時，油泵200經由注油口124對容油通道122注入冷卻油。接著，透過出油孔126以及環狀溝槽128的連接，冷卻油進入徑向通道132a。隨著轉子130轉動產生的離心力，冷卻油流通於徑向通道132a以及軸向通道134a，而由灑油口134b流出。此時，離心力作用使得冷卻油可以朝向徑向向外灑出，而導流結構的折流油道139,142，則確保冷卻油灑出的方向，可以盡可能的朝向徑向，而直接噴灑於線圈154上，以對線圈154進行冷卻，藉以避免因為高溫，使得線圈154的電阻值大幅提昇，甚至發生燒毀。

如圖1所示，噴灑於線圈154的冷卻油，會受重力而落下至外殼110底部。外殼110底部以回油管220連接油泵200，而構成冷卻油循環迴路。此外，冷卻油可以並聯或串聯於冷卻器230，以將經由回油管220回流的冷卻油進行冷卻。一般而言，經由出油管推送出的冷卻油會維持在攝氏80度以下，先對轉子130以及永磁元件136進行冷卻，使得永磁元件136溫度維持在攝氏120度以下，以避免永磁元件136的磁性明顯衰減。接著再對線圈154進行冷卻，將線圈154的溫度維持在攝氏140度以下，以防止線圈154的電阻值明顯上升。因此，不論具有內部冷卻機制的電機機械裝置100是作為電動馬達或是發電機，都可以維持較好的工作效率。

請參閱圖8以及圖9所示，為本發明第二實施例所揭露的一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置100。具有內部冷卻機制的電機機械裝置100具有一外殼110、一中心軸120、一轉子130、一轉子壓板140以及一定子150。

第二實施例與第一實施例的差異在於，軸向通道134a是由徑向通道132a一分為二，將徑向通道132a導向轉子高導磁結構134軸向的兩端面都形成一灑油口134b。因此，軸向通道134a是於平行於軸向方向L，貫通轉子高導磁結構134，而在轉子高導磁結構134軸向的兩端面都形成灑油口134b。轉子壓板140固定於轉子高導磁結構134的一端面，轉子襯套132的延伸部138與轉子高導磁結構134的另一端面保持間隔距離，而在轉子高導磁結構134的兩端面都提供折流油道139,142，以改變冷卻油流向。折流油道139,142是沿著徑向指向線圈154突出於定子高導磁結構152的兩端面的部分，使得讓冷卻油經由折流油道142噴出後，可以直接噴灑於線圈154。

請參閱圖10所示，為本發明第三實施例所揭露的一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置100。具有內部冷卻機制的電機機械裝置100具有一外殼110、一中心軸120以及多組電機總成。中心軸120沿一軸向方向設置於外殼110中。中心軸120具有多個環狀溝槽128以及多個出油孔126，每一出油孔126連通一環狀溝槽128與中心軸122內部的容油通道122。每一組電機總成分別包含一轉子130、一轉子壓板140以及一定子150。每一組電機總成的轉子130對應於一環狀溝槽128，而可轉動地套於中心軸120，使得每一組電機總成都可以在中心軸120上形成一個獨立的具有內部冷卻機制的電機機械裝置100。前述電機總成可為電動馬達或發電機的任意組合，並聯配置在中心軸120上，使得具有內部冷卻機制的電機機械裝置100具有多重電機機械裝置的功能。

本發明在不改變具有內部冷卻機制的電機機械裝置100的元件組成以及元件配置關係的前提下，加入輸送冷卻油的通道，而可使得冷卻油可以直接、有效地對轉子130上的永磁元件136以及定子150上的線圈154進行冷卻，而可避免永磁元件136以及線圈154的溫度過高。因此，可以有效維持具有內部冷卻機制的電機機械裝置100的工作效率，同時避免永磁元件136以及線圈154被高溫破壞。

100:具有內部冷卻機制的電機機械裝置 110:外殼 112:軸承 120:中心軸 122:容油通道 124:注油口 126:出油孔 128:環狀溝槽 130:轉子 132:轉子襯套 132a:徑向通道 133:第二卡扣結構 134:轉子高導磁結構 134a:軸向通道 134b:灑油口 136:永磁元件 138:延伸部 139:折流油道 140:轉子壓板 142:折流油道 144:第一卡扣結構 150:定子 152:定子高導磁結構 152a:定子矽鋼片 154:線圈 160:油封環 200:油泵 210:注油管 220:回油管 230:冷卻器 L:軸向方向

圖1是本發明第一實施例的電機機械裝置的剖面示意圖。 圖2是本發明第一實施例中，部分元件的局部剖面示意圖。 圖3是本發明第一實施例中，部分元件的剖面分解示意圖。 圖4是本發明第一實施例中，部分元件的剖面分解示意圖。 圖5是圖2中，區域A的放大圖。 圖6是本發明第一實施例中，部分元件的局部立體圖。 圖7是本發明第一實施例中，部分元件的局部剖面示意圖，揭示冷卻油流向。 圖8是本發明第二實施例的電機機械裝置的剖面示意圖。 圖9是本發明第二實施例中，部分元件的剖面分解示意圖。 圖10是本發明第三實施例的電機機械裝置中部分元件的剖面示意圖。

120:中心軸

122:容油通道

124:注油口

126:出油孔

130:轉子

132:轉子襯套

132a:徑向通道

134:轉子高導磁結構

134a:軸向通道

134b:灑油口

136:永磁元件

139:折流油道

140:轉子壓板

142:折流油道

150:定子

152:定子高導磁結構

154:線圈

L:軸向方向

Claims (10)

1. 一種具有內部冷卻機制的電機機械裝置，包含： 一中心軸，沿一軸向方向設置；該中心軸內部具有沿著該軸向方向延伸的一容油通道，且該中心軸的一端開設一注油口，連通該容油通道；該中心軸更具有一環狀溝槽以及至少一出油孔，該環狀溝槽環繞該中心軸的一外週面設置，且該出油孔連通該環狀溝槽以及該容油通道； 一轉子，至少包含一徑向通道、一軸向通道、一灑油口以及一導流結構，該轉子可轉動地套於該中心軸，該徑向通道的一端位於該轉子的內側，而對應於該環狀溝槽，以透過該環狀溝槽以及該出油孔連通於該容油通道；該軸向通道連接於該徑向通道，而至少在該轉子的一端面形成該灑油口；該導流結構遮擋於該灑油口，而形成連通該灑油口且垂直於該軸向方向的一折流油道；以及 一定子，至少具有一定子高導磁結構以及多個線圈；該定子高導磁結構環繞該轉子，且該些線圈固定於該定子高導磁結構；其中，該些線圈是突出於該定子高導磁結構的兩端面，該轉子的該灑油口是沿著垂直於該軸向方向的方向，對應於該些線圈突出於該定子高導磁結構的至少一端面的部分，且該折流油道是指向該些線圈突出於該定子高導磁結構的該至少一端面的部分。
2. 如請求項1所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該轉子至少具有一轉子襯套、一轉子高導磁結構以及多個永磁元件；該轉子襯套可轉動地套於該中心軸，且該徑向通道連接該轉子襯套的內側與外側；該轉子高導磁結構設置於該轉子襯套的外側，且該軸向通道位於該轉子襯套與該轉子高導磁結構之間；該些永磁元件間隔地設置於該轉子高導磁結構中。
3. 如請求項2所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該導流結構是一轉子壓板，固定於該轉子高導磁結構的該端面，且該折流油道形成於該轉子壓板朝向該轉子高導磁結構的一側面。
4. 如請求項3所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該轉子壓板朝向該轉子高導磁結構一面設有至少一淺溝，該淺溝連通該轉子壓板的一邊緣，且該淺溝覆蓋於該灑油口而形成該折流油道。
5. 如請求項3所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該轉子壓板為一環狀結構，且該轉子襯套於該軸向方向上突出於該轉子高導磁結構的該端面；該轉子壓板內側邊緣設置有至少一第一卡扣結構，該轉子襯套突出於該轉子高導磁結構的該端面的部份設置有至少一第二卡扣結構，該第一卡扣結構以及該第二卡扣結構互相卡扣。
6. 如請求項2所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該導流結構是一延伸部，延伸於該轉子襯套的一端面，且垂直於該軸向方向向外延伸，並遮擋於該灑油口：該延伸部與該轉子高導磁結構的該端面保持一間隔距離，形成連通於該灑油口的該折流油道。
7. 如請求項3或6所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，其中，該折流油道的該開口的方向是垂直於該軸向方向而向外。
8. 如請求項2所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，更包含二油封環，嵌設於該中心軸的該外週面，且位於該環狀溝槽的兩側。
9. 如請求項1所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，更包含一外殼，內部設有二軸承，該二軸承於該軸向方向同軸設置；該中心軸設置於該外殼內部，且該中心軸透過該二軸承連接於該外殼。
10. 如請求項9所述的具有內部冷卻機制的電機機械裝置，更包含一油泵，該中心軸的該注油口透過一注油管連接於該油泵，該油泵推送一冷卻油進入該容油通道，且該外殼的底部以一回油管連接該油泵，以回收該冷卻油至該油泵。

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