TWI763184B

TWI763184B - 馬達及其轉軸冷卻裝置

Info

Publication number: TWI763184B
Application number: TW109144527A
Authority: TW
Inventors: 蔡明祺; 張始偉; 謝旻甫; 施凱中; 蔡瑋玲; 韋匕升
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-05-01
Also published as: TW202230935A

Abstract

一種馬達及其轉軸冷卻裝置，該馬達包含一殼體、一轉軸、一軸件、一軸封，以及一罩體；該轉軸有一開放端及一封閉端形成一容置空間，該軸件有一前端及一後端，該軸件上有複數穿孔，該軸件形成一流道藉由所述穿孔連通該容置空間，且所述穿孔與該後端的距離在該軸件全長的二分之一以內，所述穿孔之孔徑分布大小可視熱負載特性適當調整。一冷卻流體流經所述穿孔形成衝擊噴柱冷卻該轉軸，並在該容置空間中自該封閉端朝該開放端回流，該冷卻流體受破壞流體邊界層、提高紊流強度，強化冷卻效果，增加換熱面積，提高該轉軸冷卻效益。

Description

馬達及其轉軸冷卻裝置

本發明係關於一種馬達及其轉軸冷卻裝置。

一般馬達在使用時，隨著轉速的提升，會導致心軸溫度上升，進而增加電性損耗及滑差的大小，甚至影響加工時的熱位移及精密度，還可能減少馬達的使用效能及壽命。

讓馬達散熱的方式例如有中華民國專利公告號M412023，提供一種自內部冷卻心軸單元的主軸裝置，包含一頭座單元、一心軸單元、一殼體單元、一馬達及一軸承單元。該頭座單元的一推桿與該心軸單元的一軸套之間形成一環形空間，該推桿具有一可引入外部冷空氣的主流道及多數由該主流道貫穿至該環形空間的歧流道，藉此，該主軸裝置運轉時，利用冷空氣導入該推桿內部以及該環形空間，可自內部對該心軸單元進行冷卻，且可提高加工精度。

然而，前述專利案中，歧流道在推桿上全長度的分布，冷空氣從最接近進氣孔的歧流道流入環形空間後可能直接由排氣孔離開環形空間，因此這些冷空氣僅能接觸到最接近進氣孔的歧流道到進氣孔之間短距離的心軸單元，對心軸單元的散熱效果較為有限，且前端的這些冷空氣可能形成擾流，干擾後端冷空氣的回流，進而影響散熱效果。另外前述專利案於軸套之間的環形空間，為典型之管流，較缺乏熱傳強化效果。

爰此，本發明人提出一種馬達轉軸冷卻裝置，包含：一軸件，有相對的一前端及一後端，該軸件中空而形成一流道，該軸件上有複數穿孔，且所述穿孔與該後端的距離在該軸件全長的二分之一以內，所述穿孔之孔徑分布大小可視熱負載特性適當調整；一軸封，設置於該軸件的該前端，該軸封中空且有一入口連通該流道；以及一罩體，結合於該軸封，該罩體有一出口。

進一步，該軸件的該前端有一傳動鍵。

進一步，該軸件的該後端有一定位導翼。

進一步，該軸件外壁設置環狀或螺旋狀的一鰭翼，該鰭翼與該軸件之一軸向的夾角介於30度至90度之間。

其中，所述穿孔的直徑介於該軸件管徑的0.1至0.5倍之間，且越接近該後端，所述穿孔的直徑越小或維持相同。

本發明人再提出一種馬達，包含：一殼體；一轉軸，設置於該殼體中，該轉軸內部有一開放端及一封閉端形成一容置空間；一軸件，設置於該轉軸內部，該軸件有相對的一前端及一後端，該軸件上有複數穿孔，該軸件中空而形成一流道，該流道藉由所述穿孔連通該容置空間，且所述穿孔與該後端的距離在該軸件全長的二分之一以內，所述穿孔之孔徑分布大小可視熱負載特性適當調整；一軸封，設置於該軸件的該前端，該軸封中空且有一入口連通該流道；以及一罩體，結合於該軸封及該殼體上，該罩體有一出口連通該容置空間。

進一步，該軸件的該前端有一傳動鍵，該轉軸的該開放端有一凹槽，該軸件藉由該傳動鍵卡合於該轉軸的該凹槽。

進一步，該軸件的該後端有一定位導翼，該軸件藉由該定位導翼抵頂於該轉軸。

進一步，該軸件外壁或該轉軸內壁設置環狀或螺旋狀的一鰭翼，該鰭翼為凸出或凹入的形式，該鰭翼的截距介於該容置空間之水力直徑的8至12倍之間。

其中，該鰭翼的截距高度介於該容置空間之高度的0.1至0.2倍之間。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由流道及接近後端的穿孔，冷卻流體可以直接流入轉軸內部的容置空間，且可以對軸件全長的轉軸進行冷卻，確保冷卻流體對轉軸的冷卻效果。

2.冷卻流體流經穿孔形成衝擊噴柱冷卻轉軸，自轉軸封閉端朝向開放端流動，且冷卻流體穿越軸件外壁之環狀或螺旋狀鰭翼時，會破壞流體邊界層、提高紊流強度，再強化冷卻效果。

3.藉由軸件外壁上環狀或螺旋狀的鰭翼增加換熱面積，提高轉軸冷卻效益。

4.入口及出口都在同一側，可以搭配僅有單側開口的轉軸。

5.軸件藉由前端的傳動鍵與轉軸卡合，使軸件隨著轉軸轉動，進而讓冷卻流體被帶動，輔助冷卻流體繞軸件流動，確保轉軸可以均勻散熱。

6.軸件藉由後端的定位導翼抵頂於轉軸，使軸件在轉軸中更為穩固。

1:殼體

2:轉軸

21:開放端

211:凹槽

22:封閉端

23:容置空間

3:軸件

31:前端

311:傳動鍵

32:後端

321:定位導翼

33:穿孔

34:鰭翼

35:流道

4:軸封

41:入口

5:罩體

51:出口

H:截距高度

[第一圖]係本發明第一實施例之馬達轉軸冷卻裝置與轉軸之立體分解圖。

[第二圖]係本發明第一實施例之剖視圖。

[第三圖]係本發明第一實施例之另一剖視圖。

[第四圖]係本發明第一實施例於實施狀態下之作動圖一，示意冷卻流體進入流道。

[第五圖]係本發明第一實施例於實施狀態下之作動圖二，示意冷卻流體進入容置空間。

[第六圖]係本發明第一實施例於實施狀態下之作動圖三，示意冷卻流體由出口離開。

[第七圖]係Re為10000時，習知技術之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

[第八圖]係Re為10000時，本發明第二實施例之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

[第九圖]係Re為10000時，本發明第一實施例之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

[第十圖]係Re為20000時，習知技術之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

[第十一圖]係Re為20000時，本發明第二實施例之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

[第十二圖]係Re為20000時，本發明第一實施例之轉軸內壁面溫度分布模擬圖。

綜合上述技術特徵，本發明馬達及其轉軸冷卻裝置的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請參閱第一圖及第二圖，係揭示本發明第一實施例之馬達，包含：一殼體(1)、一轉軸(2)及一馬達轉軸冷卻裝置，該馬達轉軸冷卻裝置包含：一軸件(3)、一軸封(4)以及一罩體(5)。

該轉軸(2)設置在該殼體(1)中，該轉軸(2)內部有一開放端(21)及一封閉端(22)形成一容置空間(23)，該開放端(21)有一凹槽(211)。

該軸件(3)設置於該轉軸(2)內部，該軸件(3)有相對的一前端(31)及一後端(32)分別對應該開放端(21)及該封閉端(22)，該軸件(3)的該前端(31)有一傳動鍵(311)，該後端(32)有一定位導翼(321)，且該軸件(3)上有複數穿孔(33)及環狀或螺旋狀的一鰭翼(34)，該鰭翼(34)可以為凸出或凹入的形式，該軸件(3)中空而形成一流道(35)，該流道(35)藉由所述穿孔(33)連通該容置空間(23)。所述穿孔(33)與該後端(32)的距離在該軸件(3)全長的二分之一以內，所述穿孔(33)之孔徑分布大小可視熱負載特性適當調整，所述穿孔(33)的直徑介於該軸件(3)管徑的0.1至0.5倍之間，相鄰的所述穿孔(33)中心間距介於12至19毫米之間，在本發明之實施方式中，所述穿孔(33)的直徑為3毫米，相鄰的所述穿孔(33)中心間距為16毫米，於實際實施時，越接近該後端，所述穿孔(33)的直徑也可以越小。該鰭翼(34)與該軸件(3)之一軸向的夾角介於30度至90度之間，該鰭翼(34)的截距介於該容置空間(23)之水力直徑的8至12倍之間，該鰭翼(34)的一截距高度(H)介於該容置空間(23)之高度的0.1至0.2倍之間。要特別說明的是，在本發明之實施方式中，所述穿孔(33)僅設置於該軸件(3)截面之0度及180度的方向上，於實際實施時，90度及270度上也可以設置所述穿孔(33)，或在更多角度上皆設置所述穿孔(33)。該鰭翼(34)除了設置在該軸件(3)外壁上，還可以設置在該轉軸(2)的內壁上，且該鰭翼(34)可以與該軸件(3)或該轉軸(2)一體成型，或是如彈簧般藉由套設的方式結合於該軸件(3)，惟於圖式中未繪出此些實施方式，僅於此處以文字簡單說明。

該軸封(4)設置於該軸件(3)的該前端(31)，該軸封(4)中空且有一入口(41)連通該流道(35)。

該罩體(5)結合於該軸封(4)及該殼體(1)上，該罩體(5)有一出口(51)連通該容置空間(23)。藉由該入口(41)及該出口(51)都在同一側的該馬達轉軸冷卻裝置，可以搭配一端為該開放端(21)、另一端則為該封閉端(22)的該轉軸(2)，無需更換該轉軸(2)，方便立即實施。

請參閱第二圖及第三圖，該軸件(3)藉由該傳動鍵(311)卡合於該轉軸(2)的該凹槽(211)，且該軸件(3)藉由該定位導翼(321)抵頂於該轉軸(2)，使該軸件(3)穩固的結合在該轉軸(2)中而不會傾斜、晃動，同時該軸件(3)可以與該轉軸(2)同步旋轉，且該軸件(3)的該後端(32)與該轉軸(2)的該封閉端(22)之間仍可以形成該容置空間(23)。

請參閱第四圖，將一冷卻流體，例如：冷空氣、水、切削液或其他具有冷卻效果的流體，從該軸封(4)上的該入口(41)填充進入該馬達轉軸裝置後，該冷卻流體會從中空的該軸封(4)內部往該軸件(3)中的該流道(35)流動填充。

請參閱第五圖，並請搭配第二圖及第三圖，本發明採用衝擊噴柱陣列冷卻模式，更詳細的說，該冷卻流體順著該流道(35)往該後端(32)流動後，會從所述穿孔(33)流入該容置空間(23)中，形成噴柱衝擊該轉軸(2)而對該轉軸(2)進行降溫並自該轉軸(2)的該封閉端(22)朝向該開放端(21)流動，且該冷卻流體穿越該軸件(3)外壁之環狀或螺旋狀的該鰭翼(34)時，會受到阻擋而被破壞流體邊界層、提高紊流強度，再強化冷卻效果。

當該轉軸(2)旋轉時，由於該軸件(3)藉由該傳動鍵(311)與該轉軸(2)的該凹槽(211)卡合，因此該軸件(3)會隨著該轉軸(2)轉動，進而讓該冷卻流體被帶動，藉此輔助該冷卻流體繞該軸件(3)流動，確保該轉軸(2)可以均勻散熱。該冷卻流體並沿該鰭翼(34)的螺旋方向繞該軸件(3)流動，產生泵作用，可以再提升該冷卻流體對該轉軸(2)的冷卻效果，於實際實施時，可以選擇該鰭翼(34)圈數較多的該軸件(3)以再加強該冷卻流體的冷卻效果。

請參閱第六圖，並請搭配第三圖，該冷卻流體從所述穿孔(33)流入該容置空間(23)後，順著該軸件(3)及該鰭翼(34)，該冷卻流體會從該封閉端(22)往該開放端(21)流動而吸收該轉軸(2)的熱能，接著該冷卻流體會填充進該罩體(5)與該殼體(1)之間，並從該罩體(5)上的該出口(51)排出。要特別說明的是，在該轉軸(2)的該開放端(21)，該軸件(3)僅有該傳動鍵(311)接觸該轉軸(2)的該凹槽(211)，因此該容置空間(23)及該出口(51)仍是相互連通的。於實際實施時，可以在該出口(51)連接適當的引流設備以集中使用後的該冷卻流體，惟此情景未於圖式中繪出。由於所述穿孔(33)較接近該封閉端(22)，該冷卻流體可以對該軸件(3)全長的該轉軸(2)進行冷卻，確保該冷卻流體對該轉軸(2)的冷卻效果，避免所述穿孔(33)較接近該開放端(21)時，該冷卻流體一從所述穿孔(33)進入該容置空間(23)後就立即從該開放端(21)離開該容置空間(23)，而無法對該轉軸(2)產生足夠的冷卻效果。

請參閱第二圖及下表一，為了更清楚的展示該馬達轉軸冷卻裝置的有利功效，以下表一的參數進行模擬。其中：雷諾數(Reynolds number,RE)為無因次參數；T_w為該轉軸(2)內壁的壁溫，單位為克爾文；T_in為該流道(35)進口溫度，單位為克爾文；T_out為該流道(35)出口溫度，單位為克爾文；T_f為該冷卻流體參考溫度，單位為克爾文；熱通量為輸入熱通量，單位為瓦/(公尺*公尺)；該冷卻流體熱傳導係數的單位為瓦/(公尺*克爾文)；水力直徑的單位為公尺；努塞爾數(熱傳係數)為無因次參數。

請參閱第七圖至第九圖，並請搭配第二圖及上表一。第七圖對應例一，為一習知技術[沒有所述穿孔(33)]於RE=10000時之模擬結果；第八圖對應例二，為本發明缺少該鰭翼(34)時的一第二實施例、且RE=10000時之模擬結果；第九圖對應例三，為本發明之該第一實施例於RE=10000時之模擬結果。在第七圖中，該習知技術由於沒有所述穿孔(33)，該冷卻流體會被直接送至該轉軸(2)的該封閉端(22)，因此藍色低溫區域會集中在該轉軸(2)的該封閉端(22)，也就是第七圖的右側；在第八圖中，由於所述穿孔(33)設置於該軸件(3)的後半段，該冷卻流體可以從所述穿孔(33)離開該軸件(3)而冷卻該轉軸(2)，擴大藍色低溫區域；在第九圖中，該冷卻流體受到該鰭翼(34)影響而擴大冷卻區域，不僅藍色低溫區域擴大，該轉軸(2)接近該開放端(21)處也幾乎不存在綠色區域了。從第七圖至第九圖及上表一中可以看出，本發明可以有效擴大被降溫的區域，使降溫情況更平均，且努塞爾數可以有效提升約22.8%。上表一中，例一至例三對應相對比例的欄位，分別指的是例一至例三之努塞爾數，與例一之努塞爾數的相對比例。

請參閱第十圖至第十二圖，並請搭配第二圖及上表一。第十圖對應例四，為該習知技術[沒有所述穿孔(33)]於RE=20000時之模擬結果；第十一圖對應例五，為本發明之該第二實施例、且RE=20000時之模擬結果；第十二圖對應例六，為本發明之該第一實施例於RE=20000時之模擬結果。與RE=10000時的情況類似，從第十圖至第十二圖及上表一中可以看出，本發明可以有效擴大被降溫的區域，使降溫情況更平均，且努塞爾數可以有效提升約24.52%。上表一中，例四至例六對應相對比例的欄位，分別指的是例四至例六之努塞爾數，與例四之努塞爾數的相對比例。

無論是RE=10000、該冷卻流體流量較小時，或是RE=20000、該冷卻流體流量較大時，都可以看出本發明確實具有提升該冷卻流體對該轉軸(2)冷卻效果的有利功效。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。