CN101764468B - 密闭式永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决在煤矿运输等领域中使用的密闭式永磁同步电动机散热困难的问题，提供一种安全可靠、散热效果好的密闭式永磁同步电动机。该电动机，机壳为密闭式结构，机壳外表面设有水冷结构，通过端环的端面上设置的叶片，使得空气机壳经内表面的第一通风道，绕组中部设有多个第二通风道，转子中部的第二通风孔，进入转子的第一通风孔对转子进行冷却。本发明在满足电动机转子和绕组散热需求的情况下，尽可能地缩小的了电动机的轴向长度，使得本发明的电动机能方便的在运煤隧道等空间狭窄的地方使用，密闭式的永磁同步电动机也具有良好的冷却效果，完全可以满足长期运行、免维护的要求。

Description

密闭式永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，更具体地说，涉及一种密闭式永磁同步电动机，尤其是低速大扭矩，并且具有防爆要求的密闭式永磁同步电动机。

背景技术

在煤矿运输领域由于工作需要和工作环境的要求，驱动运输设备的电动机需要具备低速、大转矩并且具有防爆功能，这样，通常是采用低速大扭矩的永磁同步电动机对运输机械设备直接进行驱动。这样的永磁同步电动机通常转速为150～300r/min，由于运煤隧道宽度受限，电动机的安装尺寸受到严格限制，尤其是电动机轴向方向，因而需要尽量缩短铁心长度。

在降低永磁同步电动机轴向长度的同时，还需要提高其功率密度，以使电动机获得更大的扭矩，使得电动机端部绕组长度相对铁心长度的比例较大，功率密度的提高使电动机运行时产生的单位体积损耗增加，引起电动机各部分温度升高。尤其是绕组的端部，由于大的电流作用，热量囤积较多，容易成为电动机中的局部过热点，久而久之发生损坏。缩短了电动机寿命，且不利于实现电动机的免维护。

为了满足散热的需要，通常是在永磁同步电动机机壳外表面设置水冷结构进行冷却。但由于上述电动机应用的场合要求电动机具有防爆功能，一般机壳均是密闭式的结构，机壳内外的空气是不能流通的，而转子和绕组端部却只能通过电动机内部的空气传热，热量传递路径为：热量——空气——机壳，这样导热效果是很差的。

而在机壳内端，由于轴向体积限制，在转轴上设置风扇会使得轴承室向外扩展，从而增加轴的长度，一方面造成空间的浪费，另一方面不利于在空间严重受限的隧道中使用。而且由于电动机的机壳是密闭的，转子附近空气的温度是相对较高的，传统的风冷方式并不能满足散热的需要，而且对电动机内温度最高的绕组端部也很难进行冷却。

发明内容

本发明的目的是为了解决在煤矿运输等领域中使用的密闭式永磁同步电动机散热困难的问题，提供一种安全可靠、散热效果好的密闭式永磁同步电动机，以使该永磁同步电动机能满足长期运行、免维护的要求。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种密闭式永磁同步电动机，机壳为密闭式结构，机壳外表面设有水冷结构，其特征在于：转子两端部设有固定转子的端环，端环的端面上设有多个叶片，机壳内表面设有多个沿电动机轴向的第一通风道，转子设有多个沿转子轴向的第一通风孔，绕组中部设有多个第二通风道，所述第二通风道的一端与对应的第一通风道连通，第二通风道的开口端延伸至电动机气隙处，转子中部设有多个第二通风孔，所述第二通风孔的一端与对应的第一通风孔连通，第二通风孔开口端延伸至电动机气隙处，转子在转动时，每个第二通风孔的开口端至少能够与一个第二通风道的开口端相对。

本发明中，为了保证电动机输出大扭矩，所述转子采用V形布置的永磁体，每对V形永磁体下端隔磁桥孔处的端环端面上设有开孔，以使得隔磁桥孔裸露在空气中，构成小的轴向通风孔，利于永磁体热量散发。

为了提高散热效果，至少部分隔磁桥孔的中部与该隔磁桥孔邻近的第二通风孔连通。

本发明中，为了增强叶片转动时带动空气流动的效果，所述叶片为圆弧状叶片，转子两端叶片均朝向转子转动方向凹陷；亦或者叶片为相对转子径向倾斜设置的直线形叶片。

为了使得空气尽可能地流通至绕组端部，所述叶片的高度不小于绕组端部的长度。

本发明中，所述多个第二通风道的开口端和多个第二通风孔的开口端处于电动机同一径向截面上，使得电动机转动时，每个第二通风孔的开口端与每个第二通风道的开口端均能相对。

由于第一通风孔的孔径相对较大，在开孔后为了使转子重量分布均匀，不影响电动机运行，所述多个第一通风孔与转子轴孔的距离相等，并且多个第一通风孔彼此等间距设置。

同理，所述多个第二通风孔沿转子径向设置，处于转子同一径向截面上，并在所述径向截面上等间距设置，所述径向截面位于转子轴向的正中间。

本发明密闭式永磁同步电动机，在满足电动机转子和绕组散热需求的情况下，尽可能地缩小的了电动机的轴向长度，使得本发明的电动机能方便的在运煤隧道等空间狭窄的地方使用；在电动机内部无需填充导热胶质，完全满足电动机防爆的要求；电动机转动时带动叶片一起旋转，使得叶片附近的空气密度大于电动机机壳内表面处的空气密度，空气从电动机中部朝向电动机机壳内表面处流动，进入第一通风道经水冷结构冷却后，依次通过第二通风道、第二通风孔、第一通风孔对电动机的绕组和转子进行冷却，被加热的空气最终通过第一通风孔再到达转子两端的叶片处，重复进行循环，使得密闭式的永磁同步电动机也具有良好的冷却效果，完全可以满足长期运行、免维护的要求。

附图说明

图1为本发明密闭式永磁同步电动机的轴向结构示意图。

图2为本发明密闭式永磁同步电动机的径向结构示意图。

图3为本发明另一实施例端环的结构示意图。

图4为本发明转子端部拆卸下端环后结构示意图。

图5为本发明第一通风道、第二通风道、第一通风孔、第二通风孔的分布位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于提供一种在煤矿运输等领域中，需要在狭小空间使用的永磁同步电动机。该电动机需要具有较短的轴向长度，进而具备较大的扭矩，并且具备防爆要求，这就要求该电动机只能采用密闭式的结构，而且不能填充任何提高散热效果的导热胶质，否则根本无法满足防爆的要求。电动机采用密闭式的结构后，即使采用水冷结构进行散热，也很难达到理想的散热效果，如果不解决好散热问题，永磁同步电动机根本不可能满足在煤矿运输等领域长期运行的要求。本发明的目的就是为了解决在上述特殊情况下，密闭式永磁同步电动机的散热问题。

参见图1，本发明的密闭式永磁同步电动机轴向长度较短，图1中在电动机上部沿轴向进行了剖视，从图中可以看出，本发明的永磁同步电动机的机壳1为密闭式的结构，机壳1外表面设有沿电动机轴向的水道11，水道11中通入冷媒对电动机内部进行冷却。可以理解的是，本实施例中仅仅是示意性的表示本发明的电动机机壳1为密闭式的结构，对于图1中出现的螺栓等结构并不是对本发明的限制，只要机壳1采用密闭式的结构即应在本发明所要求保护的范围内。同理，机壳1外表面设有沿电动机轴向的水道11也只是一种水冷结构，对于常规的水冷结构本领域的技术人员对其结构和工作原理都是熟知的，任意一种可完成水冷功能的结构也应在本发明所要求保护的范围内。

结合图1、参见图2，首先需要指出的是，图2仅对电动机的机壳1、绕组2部分进行了剖视，转子3部分为转子3的端部结构，这样更利于说明本发明的结构；同时，为了对结构进行简化，电动机的机壳1部分省略了众多无技术特征的结构(例如底座、连接用的螺栓等等)，截面以圆形进行示意；另外，图1和图2中的相同组件也并非完全以相同的尺寸和/或比例进行绘制的，一切以清楚说明本发明的结构为目的。

参见图2，首先对本发明的永磁同步电动机转子端部的结构进行说明。对于本发明这类低速、大扭矩的永磁同步电动机，转子是由多个冲片叠加而成的，再利用设置在转子端部的端环4通过螺栓对转子冲片进行固定(图2中，为了结构简单并未对固定用的螺栓进行表示，仅对螺栓孔41进行了示意)。本发明中，在端环4端面上设置了多个叶片42，叶片42固定在端环4的端面上，在转子3转动时，可随转子3一起旋转。

在端环4的端面上设置叶片42的目的在于，在电动机运行时，通过叶片42旋转对转子3端部附近的空气进行搅动，由于本发明电动机的机壳1是密闭的，因此通过叶片42的搅动使得转子3端部附近的空气密度相对电动机两端机壳1内表面附近的空气密度更大。而空气总是朝向密度较小的地方进行流动的，这样在电动机的两端，会促使空气从转子3端部附近(即电动机两端的中心部位)向机壳1的内表面进行流动。

为了增强叶片42转动时带动空气流动的效果，在端环4端部尺寸确定的情况下，叶片42应具备尽可能大的宽度。例如，本实施例中叶片42为圆弧状叶片，叶片42垂直与端环4的端面设置，转子3两端叶片42均朝向转子3转动方向凹陷，对于本实施例从图2这一侧看过去，转子是逆时针方向转动的。这样做的目的在于，在端环4端部尺寸确定的情况下，圆弧状的叶片使得叶片具有更大的宽度，叶片42朝向转子3转动方向凹陷，也使得叶片42对空气的搅动效果进一步提高。

参见图3，在另外一个实施例中，叶片42为相对转子3径向倾斜设置的直线形叶片，这样做的目的同样是，在端环4端部尺寸确定的情况下，使得叶片42具有更大的宽度，以提高叶片42对空气的搅动效果。实际上，叶片42的结构还可以进行各种变化和改进，在不脱离本发明精神的前提下，以增强对空气搅动效果的各种变化和改进，都应落入本发明要求保护的范围。

同时，由于绕组端部21的温度较高，为了使得空气尽可能地流通至绕组端部21，叶片42的高度应不小于绕组端部21的长度(如图1所示)。另外，需要指出的是，图1中只是示例性的表示叶片42的高度，并非是对上述圆弧状或者直线形叶片进行结构描述。

参见图4，为了保证本发明的永磁同步电动机输出比较大的扭矩，转子3采用V形布置的永磁体31，每对V形永磁体31的下端设有隔磁桥孔32，为了利于隔磁桥孔32处永磁体31散热，转子两端的端环4端面隔磁桥孔32的位置设有开孔43(如图2、图3所示)，这样使得隔磁桥孔32裸露在空气中，隔磁桥孔32构成小的轴向通风孔。

设置叶片42对电动机两端中心部位的空气进行搅动，使得空气可朝向电动机两端机壳1内表面流动，只完成了本发明的一部分，如何使密闭的机壳1内的空气进行循环冷却，才是本发明需要解决的重要问题。

参见图1和图5，与图2相似，为了对结构进行简化，图5中电动机的机壳1部分也省略了众多无技术特征的结构(例如底座、连接用的螺栓等等)，截面以圆形进行示意，绕组2部分剖视后将绕组部分进行了省略，转子3部分进行剖视后也仅保留了隔磁桥孔32，将永磁体进行了省略。以下将详细描述本发明的是如何实现在密闭的机壳1内进行循环冷却的。

首先，在机壳1的内表面设置多个沿电动机轴向的第一通风道51，第一通风道51的数量和分布方式可根据电动机散热的实际需要进行选择，当然优选的方式如图5所示，多个第一通风道51在机壳1的圆周上等间距设置，以利于实际制造。

这样，当电动机两端的空气由中间部位流动到机壳1内表面附近时，空气会从电动机的两端继续向第一通风道51流动，第一通风道51周围布满了水冷结构，进入第一通风道51中的空气会被快速冷却，从第一通风道51两端进入第一通风道51被冷却的空气会向第一通风道51的中部汇聚。

本发明，接着在绕组2中部设置与每个第一通道51相对应的第二通风道52，第二通风道52的一端与其对应的第一通风道51连通，由于从第一通风道51两端进入第一通风道51被冷却的空气会在第一通风道51的中部汇聚，第二通风道52最好在第一通风道51的中部与第一通风道51连通；第二通风道52的开口端则延伸至电动机气隙6处。

本实施例是一种较优的实施方式，每个第二通风道52均沿电动机径向设置，并且多个第二通风道52位于电动机同一径向截面上。实际上，第二通风道52的作用在于沟通第一通风道51和电动机的气隙6，使得冷却后的冷空气经绕组2的中部最终流通到电动机气隙6处，这样一方面冷空气可从绕组2中部向两端对绕组2进行冷却，增强了绕组2的散热效果；另一方面使冷空气可达到电动机气隙6处，进一步对电动机转子3进行冷却。

因此，对于每个第二通风道52只要能满足上述连通的要求，并非必须严格的沿电动机径向设置，第二通风道52在空间上也可以不位于电动机同一径向截面上，在不影响绕组2装配以及绕组2的功能的情况下进行合理的设置。当然，较佳的方式是，至少多个第二通风道52的开口端位于电动机同一径向截面上，至于每个第二通风道52与其对应的第一通风道51连通的位置，只要大致处于每个第一通风道51的中间部位即可，其理由在下文中再进行描述。

与在机壳1内表面设置多个第一通风道51相似，在转子3上沿转子轴向也设置了多个第一通风孔71，每个第一通风孔71具有与其对应的第二通风孔72，第二通风孔72设置在转子3中部，其一端与对应的第一通风孔71连通，其开口端延伸至电动机气隙6处。

对于第一通风孔71，其孔径可以开设的比较大，在进行通风的同时，可以作为减重孔，这样能减少转子3的转动惯量，提高了电机响应时间。尽管本发明转子3的转速较低，但在设置第一通风孔71和第二通风孔72时还是必需要考虑转子3重量平衡的问题，否则会对电动机的运行产生比较大的影响。

本实施例中采用了一种较优的实施方式，多个第一通风孔71与转子轴孔33的距离相等，并且多个第一通风孔71彼此等间距设置；多个第二通风孔72沿转子3径向设置，并处于转子3同一径向截面上，并在上述径向截面上等间距设置，该径向截面则位于转子3轴向的正中间。这样设置可以最大程度地平衡转子3的重量，避免电动机运行时出现问题。

但是，实际上最为必要的是将第一通风孔71在转子3上等距的均匀设置，对于第二通风孔72由于孔径并不会太大，第二通风孔72稍微倾斜的设置，或者并不完全处于转子同一径向截面上，也并不会对转子3的运转产生太大的影响。

第二通风孔72的作用在于沟通第一通风孔71和电动机的气隙6，对于每一个第二通风孔72如果其开口端与某个第二通风道52的开口端处于电动机同一径向截面的话，转子3在转动到上述两开口端相对的位置时，冷却的空气可经第二通风道52流入第二通风孔72，进入流入与该第二通风孔72对应的第一通风孔71中，空气再向第一通风孔71的两端流动，对转子3内部进行冷却，最终重新流动到转子3端部附近，完成一次循环。

这样，对于每个第二通风孔72的开口端在转子3转动中，至少要能与一个第二通风道52的开口端相对，否则空气无法流动到与该第二通风孔72对应的第一通风孔71中。很明显的是，在转子3转动时，每个第二通风孔72的开口端在转子3转动一周的过程中，能够相对的第二通风道52的开口端越多，将越有利于散热。

因此，所有第二通风道52的开口端和所有第二通风孔72的开口端最好全部位于电动机同一径向截面上，这样在转子3转动一周的过程中，任意一个第二通风孔72的开口端会与每一个第二通风道52的开口端相对，大大提高了通风、散热的效果。

第二通风孔72还可以与其邻近的隔磁桥孔32中部连通，或者说至少部分隔磁桥孔33的中部可以与该隔磁桥孔32邻近的第二通风孔72连通。这样，第二通风孔72可使冷却的空气流入隔磁桥孔32中，再从转子3两端流出，可大大加强对永磁体31的冷却效果。如果电动机永磁体31处产生的热量较大，在不严重影响转子3重量分布的情况下，一方面增加第二通风孔72的数量，另一方面将第二通风孔72倾斜设置，可使每一个隔磁桥孔32都与其邻近的第二通风孔72连通，这些变化在此不再进行累述。

以下简述本发明电动机冷却循环的工作原理：叶片42随着转子3的转动搅动转子3两端部附近的空气，通过叶片42的搅动使得转子3两端部的附近的空气密度相对电动机两端机壳1内壁附近的空气密度增大，空气朝向电动机3两端机壳1内壁附近流动，由于叶片42的高度不小于绕组端部21的长度，空气在向电动机两端机壳1内壁附近流动的时，会流经绕组端部21，进而对绕组端部21进行一定程度的冷却。

空气流动到电动机两端机壳1内壁附近后，会从多个第一通风道51的两端进入第一通风道51，由于每个第一通风道51都由密布的水冷结构包围，进入第一通风道51中的空气会得到比较好的冷却效果，经过冷却的空气逐步向第一通风道51的中部汇集，然后通过第二通风道52流动到绕组2的中部，在第二通风道52中流动的过程中，部分冷空气从绕组2中部向两端流动，可对绕组2内部进行冷却，大多数冷空气则顺着第二通风道52流动到电动机的气隙6处。由于电动机的气隙6处也具有一定间隙，少部分冷空气会顺着气隙6由转子3表面向电动机两端流到，对转子表面进行冷却。

转子3转动过程中，对于任意的第二通风孔72，当其开口端转动到正对某一第二通风道52开口端时，冷空气将进入第二通风孔72中，通过第二通风孔72进入与该第二通风孔72对应的第一通风孔71中，冷空气进入第一通风孔71中后，从转子3内中间部分向转子3两端进行流动，进而在转子3内部对转子进行冷却，由于第一通风孔71在转子3中是均匀分布的，对转子3的冷却也是非常均匀的，不会出现转子3局部过热的情况。空气流经绕组2和转子3被加热后，又重新流动到转子3端部附近，即可重新进行上述循环。

例如，当转子3转动到图5所示的位置时(实际上，图1即转子3转动到图5所示位置时，电动机上半部的轴向结构示意图)，此时处于转子3上部竖直的第二通风孔72的开口端正对电动机上部竖直的第二通风道52的开口端，冷空气便可从上述第二通风道52流动到上述第二通风孔72中。对于该第二通风孔72，还与其邻近的隔磁桥孔32相通，还有部分冷空气从隔磁桥孔32向转子3两端流动，对永磁体31也可以进行冷却。转子3转动的其他位置时，本发明的循环过程是相通的，在此不再累述。

综上所述，本发明的密闭式永磁同步电动机，内部冷却循环可充分地对绕组2、转子3甚至是永磁体31进行冷却，保证了电动机的稳定运行，完全可以满足长期运行、免维护的要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.密闭式永磁同步电动机，机壳为密闭式结构，机壳外表面设有水冷结构，其特征在于：转子两端部设有固定转子的端环，端环的端面上设有多个叶片，机壳内表面设有多个沿电动机轴向的第一通风道，转子设有多个沿转子轴向的第一通风孔，绕组中部设有多个第二通风道，所述第二通风道的一端与对应的第一通风道连通，第二通风道的开口端延伸至电动机气隙处，转子中部设有多个第二通风孔，所述第二通风孔的一端与对应的第一通风孔连通，第二通风孔开口端延伸至电动机气隙处，转子在转动时，每个第二通风孔的开口端至少能够与一个第二通风道的开口端相对。

2.如权利要求1所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述转子采用V形布置的永磁体，每对V形永磁体下端隔磁桥孔处的端环端面上设有开孔，以使得隔磁桥孔裸露在空气中，构成小的轴向通风孔。

3.如权利要求2所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：至少部分隔磁桥孔的中部与该隔磁桥孔邻近的第二通风孔连通。

4.如权利要求1所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述叶片为圆弧状叶片，转子两端叶片均朝向转子转动方向凹陷。

5.如权利要求1所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述叶片为相对转子径向倾斜设置的直线形叶片。

6.如权利要求4或5所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述叶片的高度不小于绕组端部的长度。

7.如权利要求1所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述多个第二通风道的开口端和多个第二通风孔的开口端处于电动机同一径向截面上，使得电动机转动时，每个第二通风孔的开口端与每个第二通风道的开口端均能相对。

8.如权利要求1或7所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述多个第一通风孔与转子轴孔的距离相等，并且多个第一通风孔彼此等间距设置。

9.如权利要求1或7所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述多个第二通风孔沿转子径向设置，处于转子同一径向截面上，并在所述径向截面上等间距设置。

10.如权利要求9所述的密闭式永磁同步电动机，其特征在于：所述径向截面位于转子轴向的正中间。

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