CN108649748A - 一种全封闭电机内循环冷却结构 - Google Patents

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陈炜
鞠宇宁
史婷娜
夏长亮
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    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium

Abstract

本发明公开了一种全封闭电机内循环冷却结构，包括电机的定子、转子和转轴，所述转子一端设置有随所述转轴同步旋转的轴流风扇以增强电机端部空气的流动并改善散热；转子上设置有转子轴向通风孔，在轴流风扇的作用下，电机端部空气从转子一端经转轴向转子轴向通风孔流向转子另一端，以加快转子内部热量的转移；所述定子铁心外侧沿圆周方向设置有定子轴向通风孔以实现内部空气循环流动，定子轴向通风孔为端部空气提供了回流路径，空气在回流过程中被外部冷却结构冷却。本发明的冷却结构容易实现，无需复杂的制造工艺；转子轴向通风孔除了降低转子温度也能抑制永磁体温升，适用于各种带外部冷却结构的全封闭电机，可以同其它冷却结构组合搭配。

Description

一种全封闭电机内循环冷却结构
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种全封闭电机的内循环冷却结构，其充分发挥强迫风冷对转子部分冷却的优势，抑制电机内部温升，提高电机的功率密度。
背景技术
全封闭电机的端部空气无法同外界流通，电机内部散热条件差、温升高。全封闭电机目前采用的主流冷却方法是设置外部冷却结构，例如外部冷却水套，但其对电机转子和绕组端部的散热效果不佳。
转子的热量向外传递主要有以下两条路径：
其它热量则通过转轴进行热传导。通过增大转子和绕组端部与空气的接触面积以及增强流固交界面的对流传热系数来可以有效降低转子以及端部(空气、绕组)的温升。
传统的外部冷却结构无法很好地冷却绕组端部和转子，而传统的风扇冷却无法直接用到全封闭电机上。
以一台20kW全封闭永磁电机为例进行阐述，其外部冷却结构为冷却水套，转子为内置式“U”型磁极结构。采用上述的方案，利用端部空气循环冷却的方式对转子、永磁体和绕组端部进行冷却。目前现有的对转子进行冷却的新型冷却方式，如蒸发冷却、沉浸式冷却等都对制造工艺、加工成本以及后期维护有较高要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种全封闭电机的内循环冷却结构，为改善电机内部冷却，本方案在定、转子上设置轴向通风孔，同时添加轴流风扇以构成内循环风路来对转子和端部绕组进行冷却。本发明的冷却结构容易实现，无需复杂的制造工艺；转子轴向通风孔除了降低转子温度也能抑制永磁体温升，考虑到永磁体的安放位置，本发明中转子轴向通风孔设置在永磁体上方的转子铁心区域；此外本发明适用于各种带外部冷却结构的全封闭电机，可以同其它冷却结构组合搭配。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种全封闭电机内循环冷却结构，包括电机的定子、转子和转轴，所述转子一端设置有随所述转轴同步旋转的轴流风扇以增强电机端部空气的流动并改善散热；转子上设置有转子轴向通风孔，在轴流风扇的作用下，电机端部空气从转子一端经转轴向转子轴向通风孔流向转子另一端，以加快转子内部热量的转移；所述定子铁心外侧沿圆周方向设置有定子轴向通风孔以实现内部空气循环流动，定子轴向通风孔为端部空气提供了回流路径，空气在回流过程中被外部冷却结构冷却。
进一步的，所述轴流风扇紧贴于转子的端面。
进一步的，转子轴向通风孔设置于靠近转子铁心外侧的转子铁心区域
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.采用轴流风扇，最大限度发挥风冷的冷却效果，无需额外的循环动力设备，加工成本低，加工难度小。
2.在转子铁心远离转轴的位置设置转子轴向通风孔可以在相同转速下产生更大的压强差，加快转子轴向通风孔内空气的流动，改善转子铁心的冷却环境。
3.采用定子轴向通风孔构造电机内部循环风路，冷却空气能够不断与外界冷却结构进行热交换，进一步改善了内部冷却环境。
4.轴流风扇加强端部空气的流动，从而可以冷却绕组端部。
附图说明
图1为现有技术中20kW原电机定子、转子装配示意图。
图2为轴流风扇结构示意图。
图3(a)、(b)、(c)分别为改进后的转子结构示意图以及转子和轴流风扇装配正视图和等轴测图。
图4为本发明定子结构示意图。
图5为本发明定子、转子装配示意图。
图6为本发明电机剖面示意图，图中箭头表示内循环风路方向。
附图标记：1-定子2-转子3-永磁体4-轴流风扇5-转子轴向通风孔6-定子轴向通风孔7-冷却水套8-端部绕组9-转轴10-端部空气
具体实施方式
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述的实例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
见图1为现有技术中20kW全封闭永磁电机的定子、转子装配示意图；见图3至图5所示，分别提供了本发明在20kW全封闭永磁电机基础上改进后的转子结构示意图、定子结构示意图和定子、转子装配图。图2是本实施例中所采用的轴流风扇结构示意图。
本实例中，在转子2铁心内设置转子轴向通风孔5来进一步增大传热接触面积，借助轴流风扇4来加快流固接触面间的对流传热速率，从而改善转子2及永磁体3的冷却。但针对全封闭电机，端部空气10的流动空间有限且端部空气10同外界传热条件较差，当端部空气10温度升高后无法对转子2及永磁体3进行良好的冷却，所以仅采用上述的冷却设计无法达到长期冷却的效果，如图3(a)、(b)、(c)所示。全封闭电机通常都会在定子1外侧采用散热翅或冷却水套7等外部冷却结构来加强冷却，为了实现端部空气10循环流动以及加强端部空气10同外界的传热，本实施例在定子1外侧沿圆周方向均匀设置矩形定子轴向通风孔6，如图4所示，定子1外侧设置了若干个矩形定子轴向通风孔6，定子轴向通风孔6的数量以及大小需经电磁校核来确定。最终改进后的定子、转子装配图如图5所示，图6更详细地展示了本样机改进后的结构，包括冷却水套7、改进后的定子1、改进后的转子2以及轴流风扇4等其它结构，剖面图详细地展示了端部空气10的流动情况。
具体地，定子轴向通风孔6和转子轴向通风孔5的数量、位置及大小最终需要通过电磁校核来确定。
具体地，为抑制永磁体3的最高温度，转子轴向通风孔5的位置应考虑靠近永磁体3，同时数量至少与永磁体3数量一致。
本实例中轴流风扇4是端部空气10流动的主要动力，本实例采用的是未经优化的风扇模型，若要增强冷却效果，可对轴流风扇4结构进行再优化，转子轴向通风孔5的位置及尺寸也是优化变量。
本实例的具体实现方法和原理如下：
(1)转子轴向通风孔的位置靠近转子铁心外侧，转子轴向通风孔距离转轴9轴线的旋转半径要大于传统的转子轭部轴向通风孔所对应的旋转半径，在相同转速下，其转子轴向通风孔两侧产生更大的压差；
(2)为防止轴流风扇周围的回流阻碍端部空气流动，轴流风扇紧贴转子端面，端部空气由非风扇端被吸到风扇端；
(3)为了实现端部空气循环流动并对端部空气进行冷却，在定子外侧沿圆周方向均匀设置数个轴向通风孔；
(4)为实现最优冷却结构设计，本发明中的转子轴向通风孔的尺寸和相对永磁体的位置借助电磁校核和正交试验获得；
(5)由于轴流风扇是端部空气循环流动的动力，空气的流动状态直接影响其对转子、永磁体和端部绕组8的冷却效果，因此可对轴流风扇结构进行优化设计来进一步加强冷却效果；
(6)本实施例冷却结构是在20kW全封闭永磁电机基础上进行优化设计，但并不局限本方案所指电机类型，该方案需在电机设计阶段进行考虑。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，例如“轴向”、“外侧”、“轭部”、“上方”、“风扇端”、“非风扇端”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作。对于形状的描述，例如“圆形”、“矩形”也仅限于附图中的形状描述，这些方位词和形状的描述不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全封闭电机内循环冷却结构，包括电机的定子(1)、转子(2)和转轴(9)，其特征在于，所述转子(2)一端设置有随所述转轴(9)同步旋转的轴流风扇(4)以增强电机端部空气(10)的流动并改善散热；转子(2)上设置有转子轴向通风孔(5)，在轴流风扇(4)的作用下，电机端部空气(10)从转子(2)一端经转轴(9)向转子轴向通风孔(5)流向转子(2)另一端，以加快转子(2)内部热量的转移；所述定子(1)铁心外侧沿圆周方向设置有定子轴向通风孔(6)以实现内部空气循环流动，定子轴向通风孔(6)为端部空气(10)提供了回流路径，空气在回流过程中被外部冷却结构冷却。
2.根据权利要求1所述一种全封闭电机内循环冷却结构，其特征在于，所述轴流风扇(4)紧贴于转子(2)的端面。
3.根据权利要求1所述一种全封闭电机内循环冷却结构，其特征在于，转子轴向通风孔(5)设置于靠近转子(2)铁心外侧的转子铁心区域。
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