CN103618394A - 一种采用热管绕组的盘式电机定子 - Google Patents

Abstract

一种采用热管绕组的盘式电机定子，其特征在于，所述的盘式电机定子采用热管绕组，将热管绕组排列并连接，形成一个定子绕组盘。每相热管绕组均由多个线圈串联或并联组成。每一个线圈（2）由一个或多个热管（3）组成；组成同一个线圈的热管（3）通过热管的端部连接在一起。热管（3）为两端封闭的中空管道，热管（3）内部充有不导电的冷却液。热管（3）的外表面做绝缘处理。

Description

一种采用热管绕组的盘式电机定子

技术领域

本发明涉及一种盘式电机的定子结构，特别涉及一种适用于永磁盘式电机的热管绕组的结构。

背景技术

永磁盘式电机主要由定子和转子两部分构成，电机外形呈扁平盘状。定子和转子也分别为盘状结构，这里称为定子盘和转子盘，通常定子盘为绕组盘，转子盘为磁钢盘。定子绕组盘一般由多匝线圈缠绕而成，或者由扁铜线组成，转子磁钢盘则一般由多块磁钢按充磁方向的不同依次排列而成，定子盘和转子盘垂直于电机轴向安装。

现有的盘式电机定子绕组盘的结构通常如图1所示，以8极12槽的电机为例，一个定子绕组盘由多个如图2所示的线圈按一定方式排列而成。每个线圈可以由扁铜线组成，也可以由导线按一定方式绕制而成，或者由其它现有的制作线圈的方式制成。现有的组成整个定子绕组盘的线圈的排列方式在这里皆适用。转子磁钢盘如图12所示。

盘式电机的体积小、重量轻、功率密度高，是一种较为理想的驱动装置。近年来，随着盘式电机的发展，以及应用领域的不断扩大，对其性能要求也越来越高。电机的温升是电机性能的一个重要指标，而在相同工况下，电机的温升取决于电机的散热能力。

盘式电机主要的发热部位是定子，通常采用自然风冷的方式或在电机外壳中设置水道的水冷方式来对盘式电机定子进行散热。自然风冷的散热方式在电机大功率运行时，不足以带走足够的热量，从而容易造成电机过热，缩短大功率运行的时间及电机寿命。由于盘式电机的定子绕组盘垂直于轴向放置，只有定子盘外侧的绕组端部接近电机外壳，因此，利用在电机外壳中设置水道的方法对电机进行水冷散热，也不足以将绕组的热量散发出去，效果较差。另外，在用环氧树脂浇铸成的定子盘结构中，现有技术中有采用在环氧树脂中加入氮化铝等导热绝缘粉末的方法，来提高环氧树脂的导热率，但是该方法一方面制造工艺较为复杂，另一方面仍不足以将大功率的盘式电机运行时定子绕组产生的热量散发出去。

热管主要由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将热管内抽成负压后，充入适量的液体，热管内壁上有吸液芯结构，吸液芯毛细多孔材料中充满液体后，将热管密封。热管沿轴向分为蒸发段和冷凝段，当热管的蒸发段受热时，吸液芯中的液体受热蒸发汽化，在热管内部封闭空间中微小的压差作用下，汽化了的蒸汽由蒸发段向冷凝段流动，在冷凝段蒸汽遇冷凝结成为液体，放出热量，然后，冷凝的液体在吸液芯产生的毛细力作用下流回到蒸发段，继续吸热汽化，这一过程为热管散热的一个循环。热管靠内部工作液体的相变来实现传热，靠毛细作用使冷却液体回流完成一个循环。如此不断循环，热量由热管的热端传至冷端，即由蒸发段传至冷凝段。只要有热源加热，这一过程就会循环进行。热管具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度的可变性、热流方向的可逆性、环境的适应性等许多优点，且结构简单、工作可靠、温度均匀性好。近年来，热管技术越来越多地应用于各个领域。

现有技术中有在电机中采用热管散热方式的，定子绕组采用目前常用的定子绕组材料和形式，仅在绕组布置上留出一定的空间放置热管，而热管仅作传热散热用。这种配置一方面由于热管布置的不均匀，使得散热效果达不到最佳，也容易造成定子绕组的温度分布不均匀。另一方面，要在绕组的合适位置放置热管，还需要考虑热管的固定方式，使得电机结构的复杂度增加，放置在绕组中的热管是否对电机的电磁性能及机械性能造成影响也需要进一步讨论。

有现有技术将热管制作成U型，U型热管的两端臂不等长。将U型热管固定在电机机壳与定子绕组之间，机壳内设置水道，电机工作时水道中有冷却水流通。U型热管较长的一段靠近定子绕组，作为蒸发段，较短的一段靠近机壳，作为冷凝段。电机工作中，定子绕组产生的热量从热管的蒸发段传递到冷凝段，再通过靠近冷凝段的水道中的冷却水将热量带走，达到对定子绕组散热的目的。这种现有技术只是在传统电机结构的基础上加设了热管的传热结构，在电机定子绕组结构上并没有实质性的变化，这种方式增大了电机外径，使得电机体积有所增大，同时也不适用于盘式电机定子绕组的散热。

还有现有技术提供了一种永磁电机绕组的冷却装置，该装置包含多根设置于定子槽中与绕组交叉分布的热管，每根热管均与绕组紧密接触，每根热管均延伸出绕组的端部，与绕组端部外部的空气接触。这种技术结构简单，容易实现，却无法保证定子绕组散热的均匀性和高效性，且在盘式电机中不太实用。

在以上现有技术中，均没有突破传统的定子绕组结构形式，且都是在径向磁通电机的结构基础上提出的，不适用于盘式电机的特殊结构。

发明内容

本发明的目的是针对盘式电机定子绕组散热能力不足的问题，利用热管优良的传热散热性能，及金属管壳的导电性能，提出一种用热管构成绕组的盘式电机定子。本发明可克服现有技术中电机定子绕组的散热能力不足，以及现有技术在盘式电机上的适用性差的缺点。

本发明的特征在于充分利用热管的传热散热能力，以及铜质管壳的良好的导电性能，根据定子绕组的需求，将热管作适当的变形，来构造盘式电机的定子绕组，盘式电机热管绕组在保证电机性能的同时具有自散热能力。另外，本发明根据盘式电机的特殊结构及其对组成定子绕组的线圈结构的需求设计热管的形状，突破了现有盘式电机的绕组形式。从盘式电机的定子绕组结构形式来说，简化了因散热需要在扁铜线或者其他形式的导线构成的绕组中设置散热器件的结构。从盘式电机定子绕组的散热角度来说，热管绕组的自散热能力，加上辅助风冷或者水冷的散热形式，大大提高了盘式电机定子绕组的散热能力。

本发明采用热管代替传统的盘式电机定子绕组，采用多个热管以一定方式排列且连接在一起的方式，构成盘式电机的定子绕组，再经一定的工艺制成定子绕组盘。用热管构成定子绕组的盘式电机利用热管内工作液体的相变和吸液芯的毛细作用来进行热交换，把热量有效地从热管的蒸发段传递到冷凝段，实现定子绕组的自身散热。在热管自身散热的同时，可以辅助其他散热方式进一步增强电机的散热能力，特别是需要对作为冷凝段的绕组端部进行散热，以提高热管的热交换能力，同时将交换到冷凝段的热量有效地散发出去。比如在电机端部机壳内壁上加设风叶来增强空气的流动，加强自然风冷的散热效果，带走绕组产生的一部热量。还可以在电机外壳中设置水道，采用水冷的方式，将定子绕组产生的热量通过冷却水的循环散发出去，特别是对贴近电机外壳内壁的作为冷凝段的定子绕组端部的冷却进行有效的冷却。为了达到更好的散热效果，可以采用多种冷却方式的结合。

在外部冷却对电机散热的同时，热管构成的绕组可以实现自身散热，达到了双重散热的效果。

本发明所采用的技术方案是：

本发明一种采用热管绕组的盘式电机定子，将热管绕组按一定方式排列并连接，形成一个定子绕组盘。每相热管绕组均由多个线圈串联或并联组成，目前可用的组成盘式电机定子绕组盘的线圈的排列方式本发明皆适用。每一个线圈由一个或多个热管组成。组成同一个线圈的热管通过热管的端部连接在一起，可以选择使用扁铜线或者其它形式的导线连接。定子绕组盘由热管组成时，按照盘式电机的结构及定子盘尺寸，将构成定子绕组的热管制作成U型，多个U型热管大小嵌套排列并经导线通过热管端部连接组成一个线圈，多个线圈排列组成整个定子绕组盘。作为一个线圈的主要组成部分，每个热管的外表面需要根据电机的绝缘等级做相应的绝缘处理。

U型热管分为三段，分别为靠近热管端部的左右两段和位于热管中间位置的中间段，靠近热管端部的左右两段沿电机径向放置，中间段则沿电机定子外侧切向放置。热管为两端封闭的中空管道，热管内部充有不导电的冷却液，在电机工作时，热管管壁金属部分有电流通过，热管绕组发热。由于定子绕组盘径向位置的热管绕组较密集，因此位于电机径向位置的两段热管散热效果不如中间段的热管散热效果好。因此，在工作过程中，沿电机径向放置的靠近热管端部的左右两段温度较高，作为蒸发段，沿电机定子外侧切向放置的中间段温度较低，作为冷凝段。当热管的蒸发段受热时，位于热管内壁上的吸液芯中的液体受热蒸发汽化，汽化了的蒸汽在微小的压差作用下向冷凝段流动。在冷凝段蒸汽遇冷凝结成为液体，放出热量。然后，冷凝的液体在吸液芯产生的毛细力作用下流回到蒸发段，继续吸热汽化，为盘式电机热管绕组自散热的一个循环。如此继续循环下去，电机运行过程中热管绕组产生的热量通过热管内部工作液体的相变消耗掉，达到散热的目的。在热管自身散热的同时，辅助使用风冷或者水冷的冷却方式进一步增强电机的散热能力，特别是在电机外壳中设置水道的水冷方式对贴近电机外壳内壁作为冷凝段的绕组端部进行有效散热，从而提高热管的热交换能力，同时将交换到热管冷凝段的热量有效地散发出去。整个定子绕组盘可以采用目前任一种适用于盘式电机的定子盘制作工艺做成，比如将线圈封装在含聚酯纤维塑料或酚醛塑料的绝缘材料中，压制成整个定子绕组盘。

进一步地，为了节省空间和方便绕组排布，将每个U型热管位于径向方向上的靠近热管端部的左右两段，即热管的蒸发段做成扁平状，且该段扁平状热管的扁平面与热管所在的平面垂直或成某一角度，所述的热管所在的平面即为垂直于电机轴向的平面，位于定子外侧切向方向上热管中间的冷凝段保持原形状不变。这样，一方面扁平状的热管便于放置，另一方面也可以节省空间，还可以根据两端扁平状热管与电机轴向的角度来调整气隙长度，优化电磁性能。

进一步地，一个线圈由多个热管组成时，相邻热管的端部依次连接，组成一个线圈，为此，热管端部做成扁平状的接头，用扁铜线或者其它形式的导线将内外相邻的热管连接在一起，可使用焊接等任一种适用的方式连接。

进一步地，线圈与线圈之间也需要用扁铜线或者其它形式的导线连接在一起，根据电机绕组配置形式串联或者并联成为盘式电机定子的某一相绕组。再由多相绕组组成盘式电机的整个定子绕组盘。

本发明除采用热管做定子绕组外，其他的电机部件及工艺可以是适用于盘式电机的任意一种形式。如，本发明的转子磁钢盘可以是适用于盘式电机转子的任意一种形式。

本发明具有的有益效果是：本发明一种采用热管绕组的盘式电机定子，将盘式电机的定子绕组用热管来构造，解决了盘式电机定子的散热问题，提高了盘式电机的性能。

附图说明

图1现有技术的盘式电机定子绕组盘的示意图；

图2现有技术的盘式电机组成定子绕组盘的线圈的示意图；

图3本发明实施例的盘式电机定子绕组盘的示意图；

图4盘式电机定子A相绕组的各组线圈连接示意图；

图5组成一组线圈的热管排列示意图；

图6组成一组线圈的多个热管连接示意图；

图7a为构成绕组的单个热管的蒸发段和冷凝段的平面示意图，图7b为热管及吸液芯部分的平面示意图；

图8本发明实施例的组成定子绕组的单个U型热管的三维图；

图9两端制作成扁平状的单个U型热管的三维图；

图10a为组成绕组的热管圆形段的横截面示意图，图10b为组成绕组的热管扁平段的横截面示意图；

图11本发明实施例的组成定子绕组的热管端部示意图；

图12转子磁钢盘示意图；

图中：1现有技术盘式电机中组成定子绕组盘的线圈，2线圈，3热管，4导线，5热管端部接头，6管壳，7内壁，8吸液芯，9端盖，10蒸发段，11冷凝段，12永磁体，13转子磁钢盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图3所示，本发明的实施例用热管3构成绕组的盘式电机定子，将多相热管绕组按一定方式连接，形成一个定子绕组盘，其中A相绕组的各组线圈连接方式如图4所示。每相热管绕组均由多个线圈2串联或并联组成，目前可用的组成盘式电机定子绕组盘的线圈的排列方式在这里皆适用。每一个线圈2由一个或几个热管3组成，如图5所示，本实施例中一个线圈2由三个热管3组成，热管3制作成U型，内外嵌套排列。根据定子盘的尺寸和定子槽数来选择热管3的尺寸和形状。组成同一个线圈2的热管3通过热管端部接头5连接在一起，可以选择使用扁铜线或者其它形式的导线4连接。本实施例中用三相绕组的连接来说明。图3中A、B、C表示三相绕组各相的正极端线，X、Y、Z表示对应各相的负极端线。A、B、C端分别作为三相线引出，X、Y、Z端通常按星形接法或者三角形接法连接。

盘式电机的定子绕组由热管3组成时，根据盘式电机的结构及定子盘的尺寸，将组成定子绕组的热管3做成U型，每个热管的外表面根据电机的绝缘等级做相应的绝缘处理。组成定子绕组的U型热管3在工作时分为三段，分别为靠近热管端部的两段和位于热管中间位置的中间段。靠近热管端部的两段沿电机径向放置，中间段则沿电机定子外侧切向放置。热管3为两端封闭的中空管道，热管内部充有不导电的冷却液，在电机工作时，热管管壁金属部分即管壳6中有电流通过，热管绕组发热。定子绕组盘径向位置的热管绕组较密集，这样就造成位于电机径向位置的两段热管没有中间段与外界的接触面积大，靠近端部的两段热管散热效果比中间段略差。因此，在电机工作过程中，沿电机径向放置的靠近端部的热管的两段温度较高，作为蒸发段10，沿电机定子外侧切向放置的热管的中间段温度较低，作为冷凝段11，如图7a和图7b所示。当热管3的蒸发段9受热时，位于热管3的内壁7上的吸液芯8中的液体受热蒸发汽化，汽化了的蒸汽在微小的压差作用下向冷凝段11流动，在冷凝段11蒸汽遇冷凝结成为液体，放出热量，然后，冷凝的液体在吸液芯8产生的毛细力作用下流回到蒸发段10，继续吸热汽化，为盘式电机热管绕组自散热的一个循环。如此循环下去，电机运行中热管绕组产生的热量通过热管3内部工作液体的相变消耗掉，达到散热的目的。在热管3自身散热的同时，辅助使用风冷或者水冷的冷却方式进一步增强电机的散热能力，特别是在电机外壳中设置水道的水冷方式对贴近电机外壳内壁作为冷凝段的绕组端部进行有效散热，从而提高热管的热交换能力，同时将交换到冷凝段的热量有效地散发出去。

进一步地，在图3所示的实施例中，如图9所示的每个U型热管3位于径向方向上的热管3的蒸发段10做成扁平状，且该段扁平状热管的扁平面与热管所在的平面，即垂直于电机轴向的平面垂直或成某一角度，位于定子外侧切向方向上热管3的冷凝段11保持原形状不变。这样，两端扁平状的热管一方面便于放置，另一方面也为定子绕组盘节省空间，还可以根据两端扁平状热管与电机轴向的角度来调整气隙长度，优化电磁性能。

图9所示的两端做成扁平状的U型热管的横截面如图10所示，图10a所示为图9所示热管3圆形段的横截面，在热管3工作过程中作为冷凝段11，图10b所示为图9所示热管3扁平段的横截面，在热管工作过程中作为蒸发段10。电机工作时，金属管壳6中有电流通过，位于热管3的内壁7上的吸液芯8中充满液体，在蒸发段10受热汽化，在冷凝段11凝结的液体通过吸液芯8的毛细作用流回到蒸发段10继续吸收热量。

进一步地，如图6所示，一个线圈2由多个热管3组成时，相邻热管3的端部要依次连接起来，组成一个线圈2，为此，热管端部制作成如图11所示的扁平接头，这里称为热管端部接头5，用扁铜线或者其它形式的导线4将内外相邻的热管3连接在一起，连接方式可以使用焊接等任何一种适用的方式。

图8所示为未做成扁平状前的圆形热管3的三维示意图，在热管的两个端部制作接头5，接头5做成扁平状，以方便热管3直接用扁铜线或者其他形式的导线连接。

进一步地，单个线圈连接完成后，线圈与线圈之间也需要用扁铜线或者其它形式的导线4连接，根据电机的绕组配置形式选择串联或者并联形成盘式电机定子的某一相绕组，图4所示为本实施例中由4个线圈串联而成的A相绕组示意图。再由多相绕组组成盘式电机的整个定子绕组盘，图3所示为由三相绕组组成的盘式电机的定子绕组。

本发明除采用热管3做定子绕组外，其他的电机部件及工艺可以是适用于盘式电机的任意一种形式。如转子磁钢盘13可以是适用于盘式电机转子的任意一种形式，本实施例中的转子磁钢盘结构如图12所示。在本实施例中转子磁钢盘13采用8个磁极的结构，S极永磁体12和N极永磁体12交替排列。转子磁钢盘13的设计可以采用目前任意一种适用的盘式电机的磁钢盘设计方法。

用热管3构成盘式电机的定子绕组的盘式电机，有利于电机的散热，特别适用于需要大功率运行的发热量较高的盘式电机。

Claims (4)

1.一种采用热管绕组的盘式电机定子，其特征在于，所述的盘式电机定子采用热管绕组，将热管绕组排列并连接，形成一个定子绕组盘；每相热管绕组均由多个线圈串联或并联组成；每一个线圈（2）由一个或多个热管（3）组成；组成同一个线圈的热管（3）通过热管的端部连接在一起；热管（3）为两端封闭的中空管道，热管（3）内部充有不导电的冷却液；热管（3）的外表面做绝缘处理。

2.如权利要求1所述的盘式电机定子，其特征在于，所述的热管（3）为U型；靠近热管端部的U型的热管（3）的左右两段沿电机径向放置，作为蒸发段，位于热管中间位置的U型热管（3）中间段沿电机定子外侧切向放置，作为冷凝段。

3.如权利要求2所述的盘式电机定子，其特征在于，位于径向方向上的所述的热管（3）的蒸发段（10）为扁平状，且该段扁平状热管的扁平面制作成与热管（3）所在的平面垂直或成某一角度，所述的热管（3）所在的平面为垂直于电机轴向的平面。

4.如权利要求2或3所述的盘式电机定子，其特征在于，所述的热管（3）的热管端部接头（5）为扁平状。

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