CN102025222B - 一种电动机风冷却结构及一种卧式电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电动机风冷却结构，定子和转子之间间隔的气隙为楔形气隙，所述楔形气隙的小端口位于所述转子的低温侧，所述楔形气隙的大端口位于所述转子的高温侧。采用本发明所提供的电动机风冷却结构，利用在定子和转子之间形成楔形气隙，能够提高定子和转子冷却温度的均匀性和散热效率，并且结构简单。此外，本发明还提供了一种具备上述风冷却结构的卧式电动机，该卧式电动机相对于采用现有技术中风冷却结构的电动机具有较高的工作效率和工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电动机冷却技术领域，尤其是涉及一种电动机风冷却结构。此外，本发明还涉及一种具有上述风冷却结构的卧式电动机。
背景技术
电动机的发展带动人类进入电气化时代，经过百年的发展，电动机在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面的应用十分广泛。电动机主要包括定子(静止部分)、转子(旋转部分)、定子与转子之间的中间间隔(气隙)，转子相对于用于产生磁场的定子高速旋转，形成对回转轴的电磁转矩，进而带动回转轴上连接的驱动设备运动，气隙是上述磁场的通路，是实现能量转换的通道。
基于电动机驱动负载运动的要求，电动机必须保持平稳、可靠的工作，尤其在大工业生产中，对电动机的工作稳定性要求更高。工作过程中，定子与转子内产生的电流、转子的高速旋转以及机械摩擦都会产生大量的热，这些热量如果得不到及时的排除将累积影响电动机的工作性能，甚至造成电动机因温度过高而损坏。
目前，大多数电动机都设置有必要的风冷结构。下面以常规使用的异步电动机风冷结构为例，说明现有技术中的风冷系统。
在电动机的前轴承盖和后端盖均设置有轴向通孔，两端的轴向通孔沟通壳体内腔的通风道，转子旋转时，从后端盖的轴向通孔吸进外界的空气，相对较冷的空气通过定子与壳体配合的槽流向前轴承座，再从前轴承盖的轴向通孔流出，通过上述流动空气实现热交换，完成电动机的冷却。此外，在部分大功率电动机中还设置有转子风扇，以提高散热效率。
在上述冷却系统中，当电动机运行时，定子的内表面与转子的外表面之间存在温差，气隙内的流体质点将在浮力的作用下产生相对运动，并沿径向由高温表面流向低温表面，即产生自然对流，这种自然对流只是在部件之间进行的热交换，对于现有技术中在前轴承盖和后端盖设置轴向通孔的风冷却方式，会影响冷空气的轴向流动，造成冷却温度不均匀，影响冷却效果。现有技术中，电动机的气隙只是作为磁场通路，不属于电动机的冷却结构，定子和转子完全依靠冷却系统的工作达到冷却目的，对定子和转子端部的冷却存在局部盲区，温度不均匀，冷却效率低，常常会出现转子导条的断条等问题。
因此，提供一种能够提高定子和转子的冷却效率，并且结构简单的电动机风冷却结构是本领域技术人员所要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动机风冷却结构，该风冷却结构能够提高定子和转子冷却温度的均匀性和散热效率，并且结构简单。本发明的另一个目的是提供一种具备上述风冷却结构卧式电动机。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动机风冷却结构，定子和转子之间间隔的气隙为楔形气隙，所述楔形气隙的小端口位于所述转子的低温侧，所述楔形气隙的大端口位于所述转子的高温侧。
优选地，所述定子的定子铁心内周表面的直径为渐缩变化，所述转子的转子铁心外周表面设置为等径。
优选地，所述转子的转子铁心外周表面的直径为渐缩变化，所述定子的定子铁心内周表面设置为等径。
优选地，还包括套装于所述定子和所述转子之间的套筒，所述套筒的两端分别连接有两个圆环状侧壁；每个所述侧壁的内缘和外缘分别与所述套筒和机壳连接，形成将定子单独密封的密封腔；所述密封腔内设置冷却介质，所述冷却介质的上方设置有冷凝管，所述冷凝管封固穿过两个所述侧壁插装于所述机壳内，所述冷凝管的进口和出口位于所述机壳外，所述套筒的内周表面的直径为渐缩变化，所述转子的转子铁心外周表面设置为等径。
优选地，所述渐缩变化的斜度不超过5度。
优选地，所述转子的转子铁心周向设置有若干组径向通风沟，每组所述径向通风沟沿所述转子铁心的轴向依次设置，每组所述径向通风沟之间通过轴向通风沟贯通。
优选地，位于所述高温侧的所述径向通风沟的通流截面积大于位于所述低温侧的所述径向通风沟的通流截面积。
优选地，位于所述高温侧的所述轴向通风沟的通流截面积大于位于所述低温侧的所述轴向通风沟的通流截面积
优选地，所述定子的内周表面上沿轴向依次设置有若干条径向定子通风沟，位于所述转子高温侧的所述定子通风沟通的流截面积大于位于所述转子低温侧的定子通风沟的通流截面积。
本发明还提供了一种卧式电动机，包括定子和转子，所述转子设置在所述定子内，所述卧式电动机还具有上述任一项所述的风冷却结构。
本发明所提供的电动机风冷却结构，定子和转子之间间隔的气隙设置为楔形气隙，楔形气隙的小端口位于转子的低温侧，楔形气隙的大端口设置在转子的高温侧。当电动机运行时，定子固定不动转子高速旋转，由于转子铁心上设置有槽和齿，此时，转子可以视为表面具有凸起的高速旋转的发热圆柱体，在楔形气隙内的空气形成旋转流。这种旋转流对于由于定子内表面与转子外表面之间温差而产生的自然对流，具有抑制作用，从而有效克服了由于自然对流的存在而对电动机的定子和转子冷却所带来的消极影响。工作过程中，楔形气隙中空气的流动方向是由小端口流向大端口，将楔形气隙的小端口设置在转子的低温侧，大端口设置在转子的高温侧，能够充分发挥楔形气隙风冷却的作用。与现有技术相比，采用本发明所提供的风冷却结构，不需要增加散热部件，便可以提高定子和转子冷却的冷却效率，并且结构简单。
在一种优选的实施方式中，本发明所提供的电动机风冷却结构，还包括套装于定子和转子之间的套筒，套筒的两端分别连接有两个圆环状侧壁；两个侧壁的内缘和外缘分别与套筒和机壳连接，两个侧壁与套筒和机壳构成将定子单独密封的密封腔，密封腔内设置冷却介质，冷却介质的上方设置有冷凝管，冷凝管封固穿过两个侧壁插装于机壳内，冷凝管的进口和出口位于机壳外，套筒的内周表面为直径线性变化的不等径，转子的转子铁心外周表面设置为等径。在这种结构中，定子单独密封并采用蒸发冷却的冷却方式，将套装在定子和转子之间的套筒设置为带有一定斜度的结构，而转子铁心外圆周面设置为均匀结构，就可以在定子和转子之间构成楔形气隙。
经过理论计算和试验测试可得出以下结论，楔形气隙的大端口和小端口导出的热量与定子套筒壁吸收的热量之和随着转子功率密度与转速的变化，存在一个峰值区域，当转子功率密度达到1000w/m2-2000w/m2时，转速达到3000转/分钟时，两者的散热之和达到顶峰。可以理解为，尽管转子高速旋转而发热，但其本身就能够有效的进行自我冷却，此时，可以省去转子风扇。在这种结构中，定子采用蒸发冷却，转子则采用本发明所提供的风冷却结构，能够简化现有技术中转子冷却结构，同时降低了机械损耗，减小了电动机运行时产生的噪音。同时，由于楔形气隙可以带走一定的热量，对于需要使用辅助散热风扇的特定使用工况，还可以降低风扇的使用功率，从而进一步降低能耗及工作噪声。
附图说明
图1为本发明所提供的电动机风冷却结构一种具体实施方式的示意图；
图2为本发明所提供的电动机风冷却结构的另一种具体实施方式的示意图；
图3为本发明所提供的电动机风冷却结构的转子结构示意图；
图4为图3中A部位的剖视图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电动机风冷却结构，该风冷却结构能够利用电动机自身结构，提高定子和转子冷却温度的均匀性，并且结构简单。本发明的另一核心是提供一种具有上述风冷却结构的卧式电动机。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明所提供的电动机风冷却结构一种具体实施方式的示意图。
在一种具体实施方式中，电动机的定子1和转子6之间形成的气隙为楔形气隙5，楔形气隙5的小端口位于转子6的低温侧，大端口位于转子6的高温侧。当电动机运行时，定子1固定不动，转子6高速旋转，从而在楔形气隙5内形成旋转流。这种旋转流对部件之间的自然对流有一定的抑制作用，具体地，当楔形气隙5的旋转流区域中出现流体质点的径向相对运动时，运动的流体质点将受到科氏力的作用，科氏力的作用方向与转子的旋转方向相反，从而使流体质点产生与旋转方向相反的切向速度。因此，可以实现对自然对流的限制，提高冷却效率和冷却温度的均匀性。楔形气隙5中空气的流动方向是由小端口流向大端口，将楔形气隙5的小端口设置在转子6的低温侧，大端口设置在转子6的高温侧，能够充分发挥楔形气隙5风冷却的作用。采用上述风冷却结构，不需要增加散热部件，便可以提高定子1和转子6的冷却效率，并且结构简单。
转子6的低温侧和高温侧可以根据电动机采用的风冷却结构具体确定，在本实施方式中，转子6一侧的机壳2上设置有进风口3，在进风口3一侧的转子轴上设置有风扇8；转子6另一侧的机壳2上设置有出风口4，电动机运行时，转子6高速旋转吸进冷空气，在风扇8和楔形气隙5形成的旋转流的作用下，将冷空气吹向转子6的另一端，即设置有出风口4的高温侧，空气的流动方向如图中所示。
需要指出的是，风扇8的设置并不是必需的，在某些情况下，利用楔形气隙5的散热和其他方式结合能够满足电动机的散热要求时，可以不设置风扇8。
进一步地，楔形气隙5可以通过定子1和转子6的结构配合形成。可以如图中所述，将定子1定子铁心内周表面的直径设置为渐缩变化，转子6的转子铁心外周表面设置为等径；也可以将转子6的转子铁心外周表面的直径为渐缩变化，定子1的定子铁心内周表面设置为等径，都可以形成冷却结构所需的楔形气隙5。这里的渐缩变化可以是均匀的线性变化，也可以是不均匀的变化，只要能够在定子1和转子6之间形成楔形气隙5即可。
楔形气隙5的形成还可以根据定子1和转子6之间设置的部件的具体结构，采用不同的形成方式。
请参考图2，图2为本发明所提供的电动机风冷却结构的另一种具体实施方式的示意图。
在本实施方式中，本发明所提供的电动机，还包括套装于所述定子24和所述转子27之间的套筒26，套筒26的两端分别连接有两个圆环状侧壁22；侧壁22的内缘与套筒26的端部连接，外缘与机壳21连接，两个侧壁22与套筒26和机壳21构成将定子24单独密封的密封腔，密封腔内设置冷却介质25，冷却介质25的上方设置有冷凝管23，冷凝管23穿过两个侧壁22插装于机壳21内，冷凝管23与侧壁22的连接处采用密封连接，根据冷凝管23和侧壁22的材质可以选择焊接或者其他的密封方式，冷凝管23的进口和出口位于机壳21外，套筒26的内周表面的直径为渐缩变化，转子27的转子铁心外周表面设置为等径。
对定子24采用蒸发冷却的冷却方式能有效解决定子24散热不均的问题，并且上述结构中冷凝管23穿过两个侧壁22插装在机壳21内，这样蒸发冷却的冷凝过程在机壳21内进行，冷凝管23内的冷凝介质的热量交换也有利于转子的冷却。由于定子24的密封只利用了机壳21的部分空间，在机壳21的两侧仍存在可供转子27进行风冷却的空间。因此，可以采用本发明所提供的风冷却结构对转子27进行冷却。具体地，将套筒26的内周表面的直径设置为渐缩变化，转子27的转子铁心的外周表面设置为等径，这样就在定子24和转子27之间形成了楔形气隙28，楔形气隙28的小端口位于冷凝管23的进口端，大端口位于冷凝管23的出口端，也即转子27的低温侧为冷凝管23的进口端，转子27的高温侧为冷凝管23的出口端。
将定子24的蒸发冷却与转子27的风冷却结合，能有效提高电动机的整体散热效率。只要冷却介质25保持沸腾状态，则套筒26的壁温可以保持相对恒定的、不超过沸点温度的状态，其温度明显低于转子27的温度。经过理论计算和试验测试可得出以下结论，楔形气隙28的大端口和小端口导出的热量与定子24内套装的套筒26内周表面吸收的热量之和随着转子27功率密度与转速的变化，存在一个峰值区域，当转子功率密度达到1000w/m2-2000w/m2时，转速达到3000转/分钟时，两者的散热之和达到顶峰，可以理解为，尽管转子27高速旋转发热，但其本身就能够有效的进行自我冷却，此时，可以省去转子风扇。在这种结构中，定子24采用蒸发冷却，转子27则采用本发明所提供的风冷却结构，能够简化现有技术中转子冷却结构，同时降低了机械损耗，减少发热量，省去转子风扇还减小了电动机运行时产生的噪音。
对于特定使用工况，比如，当转子功率密度增大到3000w/m2，转子27转速达到3000转/分钟时，进、出口空气流体带走的热量仅占总热量的26.3％，套筒26带走的热量占总热量的40.2％，说明两者叠加不足以冷却转子27的高发热，则需要其他的辅助散热结构，比如轴流式风扇等，增强散热力度。此时，由于楔形气隙28可以带有一定的热量，可以降低风扇的使用功率。
当定子24和转子27之间设置有套筒26时，还可以将转子27的转子铁心外周表面设置为具有一定斜度，渐缩变化的不等径结构，只要能够形成楔形气隙28的结构即可。
进一步地，上述具体实施方式中所示的渐缩变化的斜度不超过5度。即楔形气隙28的倾斜度要在一定的合理范围内，超过5度影响磁场的分配，会影响电动机的正常工作，在不超过5度的范围内，保证电动机的正常工作并且达到风冷却的目的。在图2所示的实施方式中，套筒26的内周表面在加工制造时，由于拔模的需要会形成圆台面，进而可以在套筒26的内周表面与转子27的外周表面之间形成楔形气隙28，不需要特殊加工，进一步简化了加工工艺，改善电动机冷却效果。
请参考图3和图4，图3为本发明所提供的电动机风冷却结构的转子结构示意图，图4为图3中A部位的剖视图。
如图中所示，沿转子6的转子铁心周向设置有若干组径向通风沟62，每组径向通风沟62沿转子铁心轴向方向依次设置，每组径向通风沟62之间通过轴向通风沟61贯通。在转子6的转子铁心设置径向通风沟62能够增加转子铁心散热面积，提高散热效率，每组径向通风沟62之间通过轴向通风沟61贯通，这样转子铁心的轴向和径向都设置通风沟，使转子6的散热面积更均匀合理。
进一步地，如图3中所示，位于转子6高温侧的径向通风沟62通流截面积大于位于转子6低温侧的径向通风沟62通流截面积。
将转子6的径向通风沟62设置为不同的尺寸，具体位于不同位置的径向通风沟62采用的尺寸根据电动机的损耗分布、散热需要进行选择，从而充分发挥转子散热冷却的效果。位于转子6高温侧的径向通风沟62可以采用较宽的通流截面积，位于转子6低温侧的径向通风沟62可以采用相对较窄的通流截面积。在实际的生产加工中，径向通风沟62之间存在的尺寸差还与电动机的功率大小和应用领域等因素有关。根据实践经验，在大功率电动机中，径向通风沟62可以取10毫米，在功率相对较小的电动机中，径向通风沟62的取值范围可以为5-10毫米。
径向通风沟62采用的具体形状结构可以设置为楔形，利用楔形空气流动特点改善散热效果，也可以设置为其他形式。
进一步地，轴向通风沟61采用不等宽设置，位于转子6高温侧的端面宽于位于转子6低温侧的端面。即轴向通风沟61可以设置为楔形，楔形的小端口位于转子6的低温侧，大端口位于转子6的高温侧。轴向通风沟61的设置方式，利用楔形空间空气流动特点有助于提高转子6的散热效果。
需要指出的是，轴向通风沟61的截面宽度，在不同的适用情况下差别较大。在定子和转子均采用风冷却的情况下，轴向通风沟61的截面宽度取较大值，以增加散热面积；在定子采用蒸发冷却而转子采用风冷却的情况下，由于套筒可以吸收一部分的热量，散热效果能得到一定改善，轴向通风沟61的截面宽度可以取相对较小的值。具体轴向通风沟61的截面积取值范围还与电动机的型号和适用领域有关，应根据实际需要进行确定。
与转子6设置通风沟相似，在定子1的内周表面上沿轴向依次设置有若干条径向定子通风沟7，位于转子6高温侧的定子通风沟7的通流截面积大于位于转子6低温侧的定子通风沟7的通流截面积。
定子1的内周表面设置定子通风沟7的目的与转子6设置径向通风沟62和轴向通风沟61的目的相同，都是为了增加散热面积，使空气流动的方向更加合理，改善电动机的冷却效果。
定子通风沟7的形状可以参考转子6径向通风沟62和轴向通风沟6 1的设置方式，具体可以设置为楔形或者其他形式。定子通风沟7采用径向设置，其设置位置可以与转子径向通风沟62相对设置。
除上述电动机风冷却结构，本发明还提供了一种卧式电动机，包括定子和转子，转子设置在定子内，该卧式电动机还具有上述的风冷却结构。需要说明的是，该卧式电动机的其他结构部件请参考现有技术，本文不再赘述。
以上对本发明所提供的一种电动机风冷却结构及一种卧式电动机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电动机风冷却结构，其特征在于，定子和转子之间间隔的气隙为楔形气隙，所述楔形气隙的小端口位于所述转子的低温侧，所述楔形气隙的大端口位于所述转子的高温侧；
所述转子的转子铁心周向设置有若干组径向通风沟，每组所述径向通风沟沿所述转子铁心的轴向依次设置，每组所述径向通风沟之间通过轴向通风沟贯通；且，位于所述高温侧的所述径向通风沟的通流截面积大于位于所述低温侧的所述径向通风沟的通流截面积。
2.根据权利要求1所述的电动机风冷却结构，其特征在于，所述定子的定子铁心内周表面的直径为渐缩变化，所述转子的转子铁心外周表面设置为等径。
3.根据权利要求1所述的电动机风冷却结构，其特征在于，所述转子的转子铁心外周表面的直径为渐缩变化，所述定子的定子铁心内周表面设置为等径。
4.根据权利要求1所述的电动机风冷却结构，其特征在于，还包括套装于所述定子和所述转子之间的套筒，所述套筒的两端分别连接有两个圆环状侧壁；每个所述侧壁的内缘和外缘分别与所述套筒和机壳连接，形成将定子单独密封的密封腔；所述密封腔内设置冷却介质，所述冷却介质的上方设置有冷凝管，所述冷凝管封固穿过两个所述侧壁插装于所述机壳内，所述冷凝管的进口和出口位于所述机壳外，所述套筒的内周表面的直径为渐缩变化，所述转子的转子铁心外周表面设置为等径。
5.根据权利要求2-4任一项所述的电动机风冷却结构，其特征在于，所述渐缩变化的斜度不超过5度。
6.根据权利要求5所述的电动机风冷却结构，其特征在于，位于所述高温侧的所述轴向通风沟的通流截面积大于位于所述低温侧的所述轴向通风沟的通流截面积。
7.根据权利要求6所述的电动机风冷却结构，其特征在于，所述定子的内周表面上沿轴向依次设置有若干条径向定子通风沟，位于所述转子高温侧的所述定子通风沟的通流截面积大于位于所述转子低温侧的定子通风沟的通流截面积。
8.一种卧式电动机，包括定子和转子，所述转子设置在所述定子内，其特征在于，所述卧式电动机还具有上述权利要求1-7任一项所述的风冷却结构。
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