CN108199532B - 一种电机低温冷却机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机低温冷却机构，包括机壳以及在机壳前后端对应设置的前端盖和后端盖，所述后端盖的中心处设有中空的安装腔，安装腔内设有与电机转轴传动连接的凸轮，且后端盖内环绕所述安装腔排布设有至少一个径向压力腔，径向压力腔内配设有与其密封滑动连接的压力塞，压力塞内端伸出对应的径向压力腔并与凸轮连接，压力塞随凸轮的转动在对应的径向压力腔内部作往复运动；径向压力腔上由内至外依次设有内孔和外孔，内孔与后端盖一侧的电机内腔连通，且该连通处设有内压力阀；外孔处对应设有沿轴向贯通机壳的轴向通道，外孔与轴向通道的后端连通，且该连通处设有外压力阀。本发明的散热能力强，能够直接对电机内部进行散热。

Description

一种电机低温冷却机构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种电机低温冷却机构。

背景技术

电动机和发电机在整个社会的发展中扮演着重要的角色，能够高效的实现电能和机械能的相互转化，不仅（发电机）让世界亮了起来，（电动机）也让世界动了起来。随着社会的发展，人们对电机也提出来了越来越多的要求，对电机的安装空间提出了越来越苛刻的要求，期望电机在满足负荷条件的基础上，体积和重量越小越好，换句好话说，就是希望电机功率密度越高越好。尤其是在航空航天，船舶等高端应用场合，对电机体积和重量的要求更加苛刻。

由电机设计的基本理论可知，当电机转速一定时，功率密度越高，电机的热负荷也就越大，电机的发热量增大。如果不能及时散去热量，将直接影响电机的性能表现和安全运行。目前，电机的散热方式主要为风冷、水冷和油冷等等。除了散热能力的限制以外，这些散热方式也存在很多局限性，如散热不均匀，导致局部温度过高。如风冷电机风扇装在电机非驱动端，这就导致近风扇端散热效果高于远风扇段，使得电机温度不均匀分布。除此之外，电机端部绕组在定子铁心之外，与空气接触，散热效果较差，导致端部绕组温度高于定子铁心槽内绕组的温度。除此之外，电机转子位于电机内部，也能产能热量，传统的散热方式也很难直接对转子进行散热。特别是对于永磁电机来说，转子上温度过高很容易导致永磁体高温失磁。上述问题的存在大大限制了电机的应用领域和安全运行。综上所述，对于电机低温（超低温）冷却机构的发明至关重要。

发明内容

针对现有电机冷却方式存在的种种缺陷，本发明提供一种电机低温冷却机构，其散热能力强，能够直接对电机内部进行散热，极大程度上降低电机温度，大大提高电机的热负荷上限，提升了电机的功率密度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电机低温冷却机构，包括机壳以及在机壳前后端对应设置的前端盖和后端盖，所述后端盖的中心处设有中空的安装腔，安装腔内设有与电机转轴传动连接的凸轮，且后端盖内环绕所述安装腔排布设有至少一个径向压力腔，径向压力腔内配设有与其密封滑动连接的压力塞，压力塞内端伸出对应的径向压力腔并与凸轮连接，压力塞随凸轮的转动在对应的径向压力腔内部作往复运动；

径向压力腔上由内至外依次设有内孔和外孔，内孔与后端盖一侧的电机内腔连通，且该连通处设有内压力阀；外孔处对应设有沿轴向贯通机壳的轴向通道，外孔与轴向通道的后端连通，且该连通处设有外压力阀；轴向通道的前端通过布设在前端盖处的径向通道与前端盖一侧的电机内腔连通，且径向通道与电机内腔的连通处均配设前压力阀；

压力塞从外向内移动的过程为减小径向压力腔内压强的过程，径向压力腔内压强减小到一定程度时，内压力阀打开，此时电机内腔压强大于径向压力腔内的压强，电机内腔内的气态冷却媒质由于压强差流入后端盖的径向压力腔内，此时径向压力腔与电机内腔的压强差减小，内压力阀关闭；

压力塞从内向外移动的过程为增大径向压力腔内压强的过程，径向压力腔内压强增加达到一定程度后，气态冷媒介质转化为高压液态冷媒介质并把吸收的热量释放出来；随着径向压力腔内的压强继续增加，外压力阀打开，高压液态冷却媒质流入轴向通道及径向通道中；当径向通道的压强到一定程度后，前压力阀打开；轴向通道内的高压液态冷却媒质经径向通道流入电机内腔，电机内腔压强远小于通道内压强，由于压强急剧减小，高压液态冷却液急速吸收电机内腔内部的热量变为低压气态冷媒介；当通道内高压液态冷却媒质流入电机内腔一定程度后通道内压强减小，前压力阀关闭，外压力阀也关闭。

所述径向压力腔外壁缠绕设有水道，水道内通有冷却液。

所述压力塞的径向长度大于径向压力腔的长度。

所述凸轮的最大半径与压力塞的径向长度相加等于凸轮中心处到径向压力腔顶部的长度。

所述凸轮内部嵌有磁铁使凸轮与压力塞形成磁吸连接，且压力塞连接处的端部内嵌有滚珠，滚珠直接与凸轮连接。

所述机壳和前端盖处设置有隔热层。

所述轴向通道和径向通道均为管状通道。

所述内压力阀、外压力阀、和前压力阀均为单向自动压力阀。

所述后端盖采用不导磁材料制成；所述电机转轴为非导磁转轴，电机转轴非驱动端端部与凸轮固定连接在一起。

所述后端盖上设有连接外部与电机内腔的通孔，通孔端口处安装有密封塞。

本发明的有益效果是：

本发明冷却机构的散热能力极强，能够直接对电机内部进行散热，能够在极大程度上降低电机温度，甚至使得电机温度低于外界环境温度，能够大大提高电机的热负荷上限，提升了电机的功率密度，同时也提高了电机对极端高温环境下的耐受能力，扩大了电机应用场合，尤其是在航空航天，船舶等高端应用领域。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图；

图2是本发明后端盖径向结构示意图一；

图3是本发明后端盖径向结构示意图二；

图4是实施例二后端盖径向结构示意图一；

图5是实施例二后端盖径向结构示意图二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图中的箭头表示冷却媒质走向。

实施例一：

如图1至图3所示，本发明的一种电机低温冷却机构，包括机壳7以及在机壳7前后端对应设置的前端盖8和后端盖9，所述后端盖9的中心处设有中空的安装腔，安装腔内设有与电机转轴19传动连接的凸轮10，且后端盖9内环绕所述安装腔排布设有一个径向压力腔11，径向压力腔11内配设有与其密封滑动连接的压力塞12，压力塞12内端伸出对应的径向压力腔11并与凸轮10连接，压力塞12随凸轮10的转动在对应的径向压力腔11内部作往复运动。

所述径向压力腔11外壁缠绕设有水道21，水道21内通有冷却液。

为保证往复运动效果，所述压力塞12的径向长度大于径向压力腔11的长度，使所述凸轮10的最大半径与压力塞12的径向长度相加等于凸轮10中心处到径向压力腔11顶部的长度。

所述凸轮10内部嵌有磁铁16使凸轮10与压力塞12形成磁吸连接，且压力塞12连接处的端部内嵌有滚珠17，滚珠17直接与凸轮10连接，这是为了减少凸轮在旋转的时候与压力塞端部的摩擦力以及转子在转动时对压力塞产生切向力。

径向压力腔11上由内至外依次设有内孔和外孔，内孔与后端盖一侧的电机内腔13连通，且该连通处设有内压力阀1；外孔处对应设有沿轴向贯通机壳的轴向通道14，外孔与轴向通道14的后端连通，且该连通处设有外压力阀2；轴向通道14的前端通过布设在前端盖8内的径向通道15与前端盖一侧的电机内腔13连通，且径向通道15与电机内腔13的连通处均配设前压力阀；本实施例中连通处设有四个，四个连通处分别设置的前压力阀为前压力阀3、前压力阀4、前压力阀5和前压力阀6。需要注意的是，连通处设置的数量是不固定的，根据电机散热的不同需要可以灵活改变。

本实施例中，所述机壳7和前端盖8处设置有隔热层18，防止电机内温度低于外部温度时外部环境对电机温度的影响，从而使电机内部温度低于电机外部环境温度。

所述轴向通道14和径向通道15均为管状通道。

所述内压力阀1、外压力阀2、前压力阀3、前压力阀4、前压力阀5和前压力阀6选用单向自动压力阀，且外压力阀2打开所需要的压强，与前压力阀3、4、5和6一致。

所述后端盖9采用不导磁材料制成；所述电机转轴19为非导磁转轴，电机转轴19非驱动端端部与凸轮10固定连接在一起。

所述后端盖9上设有连接外部与电机内腔13的通孔，通孔端口处安装有密封塞20，用于在电机制造完成后向电机内腔充入气态冷却介质。

本发明中压力塞12随凸轮10的转动在对应的径向压力腔11内部作往复运动，压力塞12就会改变对应的径向压力腔内部的压强。

凸轮10由图3旋转到图2的过程即压力塞12从外向内移动的过程，为减小径向压力腔11内压强的过程，径向压力腔内压强减小到一定程度时，内压力阀1打开，此时，电机内腔13压强大于径向压力腔11内的压强，电机内腔13内的气态冷却媒质由于压强差流入后端盖9的径向压力腔11内，此时径向压力腔11与电机内腔13的压强差减小，内压力阀1关闭；

凸轮10由图2旋转到图3的过程即压力塞从内向外移动的过程，为增大径向压力腔11内压强的过程，径向压力腔内压强增加达到一定程度后，气态冷媒介质转化为高压液态冷媒介质并把吸收的热量释放出来。所述径向压力腔11外壁水道21通有冷却液（可以采用水或油，优选水，因为其散热能力强），释放的热量通过冷却液带走热量。随着径向压力腔11内的压强继续增加，压力阀2打开，高压液态冷却媒质流入轴向通道14及径向通道15中；当径向通道15的压强到一定程度后，前压力阀3、4、5、6打开。轴向通道14内的高压液态冷却媒质经径向通道15流入电机内腔13，电机内腔13压强远小于通道内压强，由于压强急剧减小，高压液态冷却液急速吸收电机内腔13内部的热量变为低压气态冷媒介；当通道内高压液态冷却媒质流入电机内腔一定程度后，通道内压强减小，前压力阀3、4、5、6关闭，外压力阀2关闭。

随着转轴转动，当凸轮10再一次由图3旋转到图2的时候，径向压力腔11内压强减小到一定程度时，内压力阀1打开，电机内腔13内气态冷却媒质再一次由于压强差流入径向压力腔11内，径向压力腔11与电机内腔13内压强差减小，内压力阀1关闭。

针对上述压力阀的导通和关断规则进行详述。首先，上述所有压力阀只能单向导通，即只能单方向流通。对于内压力阀1，主要靠压力腔与电机内腔之间的压强差控制开通关断，当电机内腔的压强大于电机空腔的压强时才能导通否则就闭合，里面的冷却媒质由电机内腔流入到后端盖压力腔内。对于外压力阀2，主要靠压力腔与管道之间的压强差控制开通关断，当压力腔的压强大于通道内压强一定程度后，才能打开，否则就关闭。对于前压力阀3、4、5、6，依靠的是管道与电机内腔的压强差，当管道内压强增大到一定程度后导通，否则就关闭。

如上所述过程，随着转子转动依次循环，迅速带走电机定、转子部分产生的热量，大大降低电机温度，提高电机运行性能和安全性能，同时也能有效解决高功率密度电机散热问题，扩大了电机的应用场合。

优选地，所述冷媒介质具有良好的绝缘性能，能够较容易实现气态和液态的转化；

优选地，所述冷媒介质在常压下为气态。

优选地，所述滚珠17为具有高导磁性能和高机械强度性能的钢珠。

实施例二：

不同的电机发热程度也不同，所需要的散热能力也不同。针对这个问题，我们可以在电机后端盖中通过适当增加或减少类似的径向压力腔结构，满足散热的需要。例如，当电机发热量较高的时候，可以采用如图4和图5所示的具有4个径向压力腔的轮辐式结构。当然4个并不是一个确定的数字，也可以为2个、3个或更多个。这里只是提供了一种拓展结构。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电机低温冷却机构，包括机壳以及在机壳前后端对应设置的前端盖和后端盖，其特征在于：所述后端盖的中心处设有中空的安装腔，安装腔内设有与电机转轴传动连接的凸轮，且后端盖内环绕所述安装腔排布设有至少一个径向压力腔，径向压力腔内配设有与其密封滑动连接的压力塞，压力塞内端伸出对应的径向压力腔并与凸轮连接，压力塞随凸轮的转动在对应的径向压力腔内部作往复运动；

径向压力腔上由内至外依次设有内孔和外孔，内孔与后端盖一侧的电机内腔连通，且连通处设有内压力阀；外孔处对应设有沿轴向贯通机壳的轴向通道，外孔与轴向通道的后端连通，且连通处设有外压力阀；轴向通道的前端通过布设在前端盖处的径向通道与前端盖一侧的电机内腔连通，且径向通道与电机内腔的连通处均配设前压力阀；

压力塞从外向内移动的过程为减小径向压力腔内压强的过程，径向压力腔内压强减小到一定程度时，内压力阀打开，此时电机内腔压强大于径向压力腔内的压强，电机内腔内的气态冷却媒质由于压强差流入后端盖的径向压力腔内，此时径向压力腔与电机内腔的压强差减小，内压力阀关闭；

压力塞从内向外移动的过程为增大径向压力腔内压强的过程，径向压力腔内压强增加达到一定程度后，气态冷媒介质转化为高压液态冷媒介质并把吸收的热量释放出来；随着径向压力腔内的压强继续增加，外压力阀打开，高压液态冷却媒质流入轴向通道及径向通道中；当径向通道的压强到一定程度后，前压力阀打开；轴向通道内的高压液态冷却媒质经径向通道流入电机内腔，电机内腔压强远小于通道内压强，由于压强急剧减小，高压液态冷却液急速吸收电机内腔内部的热量变为低压气态冷媒介；当通道内高压液态冷却媒质流入电机内腔一定程度后通道内压强减小，前压力阀关闭，外压力阀也关闭。

2.根据权利要求1所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述径向压力腔外壁缠绕设有水道，水道内通有冷却液。

3.根据权利要求2所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述压力塞的径向长度大于径向压力腔的长度。

4.根据权利要求3所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述凸轮的最大半径与压力塞的径向长度相加等于凸轮中心处到径向压力腔顶部的长度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述凸轮内部嵌有磁铁使凸轮与压力塞形成磁吸连接，且压力塞连接处的端部内嵌有滚珠，滚珠直接与凸轮连接。

6.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述机壳和前端盖处设置有隔热层。

7.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述轴向通道和径向通道均为管状通道。

8.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述内压力阀、外压力阀、和前压力阀均为单向自动压力阀。

9.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述后端盖采用不导磁材料制成；所述电机转轴为非导磁转轴，电机转轴非驱动端端部与凸轮固定连接在一起。

10.根据权利要求1-4任一项所述的电机低温冷却机构，其特征在于：所述后端盖上设有连接外部与电机内腔的通孔，通孔端口处安装有密封塞。