CN109787405A - 一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,包括机壳、设置在机壳内的定子组件以及转子组件，机壳包括电机内壳体和电机外壳体，电机内壳体与电机外壳体之间形成冷却液通道，在电机的外壳体上设有进液口和出液口，进液口和出液口均与冷却通道连通，定子组件包括定子、形成在定子中的定子齿以及绕设在定子齿中的绕组，还包括安装在定子组件中的热管，热管具有蒸发段和冷凝段，还包括多个磁通壁垒槽，磁通壁垒槽从所述定子的外壁延伸至所述定子齿中，多个磁通壁垒槽沿所述定子的周向布设，所述热管为非导磁材料热管，所述蒸发段安装在磁通壁垒槽中，所述冷凝段设置在所述冷却液通道中。本发明具有散热速率快的优点，能提升电机效率。

Description

一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机

技术领域

本发明涉及一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机，属于电机技术领域。

背景技术

电机工作时会产生大量的热，特别是大功率电机，发热量大，需要及时排出。而对于防水防尘等级要求较高的电机，由于电机密封性的提高导致电机内部温升更加严重。电机定子绕组产生的铜损和定子冲片产生的铁损只能通过热传导的方式经由定子铁芯传至机壳表面，再经对流换热将热量带走。热量传输过程繁琐，导致电机内部定子绕组局部温度高。电机的工作温度直接影响电机效率、可靠性和使用寿命。温度过高，加速电机绝缘材料老化，缩短使用寿命；电机效率下降，导致发热量增加，进一步推高温升。因此，温升控制对电机工作的效率、稳定性和可靠性至关重要。

目前电机冷却方式分风冷、水冷等。风冷系统由于接触部位面积仅占机壳内壁面积的1/3，机壳局部温度高，温度梯度大。因此，主流的电机冷却方式为水冷，但仍存在很多不足：定子覆水面积小，冷却效果差，且转子和轴承得不到充分冷却。对高转速、高功率电机而言，在体积有限的情况下，现有的电机水冷技术直接应用于其上是不适合的，因此需要进一步对电机的冷却系统进行改进，以提高其散热能力。

电机中定子绕线的绕制是电机制造的重要环节，决定机械强度和抗短路能力。分布式绕组由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成，线圈跨距、角度应合适，如果跨距不够，会导致嵌线困难，或绝缘层不同程度的受损。并且由于受限于国内使用的绕线机自动化生产工艺水平低的问题，分布式绕组存在绕线绕制精度不足，缠绕不均匀，以及线材堆积等问题。

集中式绕组具有结构紧凑、制造简单、槽满率高、端部绕组短、铜损耗低等优势，但会增加定子磁场的空间谐波含量。谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中会产生集肤效应和磁势涡流损耗，导致电机的整体能量效率降低。而谐波电流会使电机的铜耗增加，当电机在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加、导致绝缘层老化加速，缩短电动机和系统机械寿命。

鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提升换热速率的高效磁通壁垒电机。

为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,包括机壳、设置在机壳内的定子组件以及设置在定子组件内的转子组件，机壳包括电机内壳体和电机外壳体，电机内壳体与电机外壳体之间形成冷却液通道，在电机的外壳体上设有进液口和出液口，进液口和出液口均与冷却通道连通，定子组件包括定子、形成在定子中的定子齿以及绕设在定子齿中的绕组，还包括安装在定子组件中的热管，热管具有蒸发段和冷凝段，还包括多个磁通壁垒槽，磁通壁垒槽从所述定子的外壁延伸至所述定子齿中，多个磁通壁垒槽沿所述定子的周向布设，所述热管为非导磁材料热管，所述蒸发段安装在磁通壁垒槽中，所述冷凝段设置在所述冷却液通道中。

作为本发明的一种优选方式，所述定子齿为多个，多个所述定子齿均匀布设在所述定子的内壁上，所述磁通壁垒槽沿所述定子的径向延伸，所述磁通壁垒槽从所述定子轴向的一端延伸至另一端。

作为本发明的一种优选方式，所述热管呈扁平状，所述磁通壁垒槽为扁平槽，所述冷凝段沿所述定子的外壁的周向延伸。

作为本发明的一种优选方式，每个所述磁通壁垒槽中配设多根所述热管，多根所述热管沿所述定子的轴线叠设在所述磁通壁垒槽中。

作为本发明的一种优选方式，所述蒸发段呈扁平状，所述热管为两根，设为第一热管和第二热管，第一热管具有呈扁平状的第一蒸发段、第一冷凝段以及设置在第一蒸发段与第一冷凝段之间的第一衔接段，第二热管具有呈扁平状的第二蒸发段、第二冷凝段以及设置在第二蒸发段与第二冷凝段之间的第二衔接段，第一蒸发段和第二蒸发段均沿所述定子的轴向设置在所述磁通壁垒槽中，第一蒸发段与第二蒸发段平行设置且分别位于所述磁通壁垒槽的内侧和外侧，第一衔接段位于所述定子沿轴向的一端，第二衔接段位于所述定子沿轴向的另一端，第一冷凝段与第二冷凝段通过密封胶衔接。

作为本发明的一种优选方式，所述蒸发段与所述磁通壁垒槽的槽壁之间设有导热硅胶。

作为本发明的一种优选方式，所述冷却液通道中设有隔板，隔板的一端连接在所述电机内壳体的外壁，另一端连接在所述电机外壳体的内壁，隔板从所述冷却液通道轴向的一端延伸至另一端。

作为本发明的一种优选方式，所述定子的绕组采用集中式绕组，绕组采用对称绕组的Y联结。

本发明具有散热速率快的优点，热管能快速导出定子铁芯和绕组产生的热量，热量从蒸发段传递至冷凝段，与冷却液通道中的冷却液进行热交换，从而实现对电机的降温效果，散热效果佳，通用性强。本发明中开设的磁通壁垒槽一方面可以作为蒸发段安装的载体，另一方面能够减轻定子铁芯的使用量，使得电机整机重量减少，实现电机的轻量化。而且在使用集中绕组时，磁通壁垒槽还可以增加相邻线圈互感磁路的磁阻，使得磁链主要集中在励磁定子齿的两侧，能够有效的消除或抑制集中式绕组在气隙处产生的高低次非工作谐波含量，降低谐波漏磁通，减少非工作谐波产生的各项损耗，降低电机转子的铁芯损耗和永磁体的涡流损耗，减少发热量，提升电机效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明第一种实施方式的内部结构示意图；

图3为本发明第一种实施方式的局部立体结构示意图；

图4为本发明第二种实施方式的局部立体结构示意图；

图5为本发明中第二种实施方式中热管的结构示意图；

图6为本发明中热管的原理结构示意图；

图7为本发明在单相激励下的磁链分布；

图8为现有技术电机在单相激励下的磁链分布。

图中：

10-机壳 11-电机外壳体

12-电机内壳体 13-进液口

14-出液口 20-定子

21-定子齿 22-绕组

23-磁通壁垒槽 30-转子组件

40-热管 41-蒸发段

42-冷凝段 401-第一冷凝段

402-第一蒸发段 403-第一衔接段

404-第二冷凝段 405-第二蒸发段

406-第二衔接段 407-密封胶

100-冷却液通道 200-隔板

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图8，一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,包括机壳10、设置在机壳10内的定子组件以及设置在定子组件内的转子组件，机壳10包括电机内壳体12和电机外壳体11，电机内壳体12与电机外壳体11之间形成冷却液通道100，电机内壳体12的两端和电机外壳体11的两端均形成封盖，在电机外壳体11上设有进液口13和出液口14，进液口13和出液口14均与冷却通道连通，实施例中，冷却液为水。

本发明中定子组件包括定子20、形成在定子20中的定子齿21以及绕设在定子齿21中的绕组22，在实施例中，采用现有的集中式绕组，针对定子绕组集中式绕组22内的谐波电动势使电机的杂散损耗增大，效率下降，温升增加的问题，采用三相对称绕组的Y联结，消除3次及3倍次谐波电流。采用集中式绕组，绕线无需跨槽绕制，线圈规整性好，制造工艺简单，极大的简化绕线生产工艺，易于实现自动化批量生产。

本发明中，还包括安装在定子组件中的热管40，热管40具有蒸发段41和冷凝段42，热管40结构原理由图6所示，容器(即热管)由管壳、吸液芯和端盖组成，将热管40内抽成1.3×(10^-1-10^-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。工作液体沸点低，容易挥发。管的一端为蒸发段41(加热段)，另一端为冷凝段42(冷却段)。热管40是利用工作液体在热管40蒸发段41蒸发后再冷凝段冷凝的相变过程(即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热)，使热量快速传导。当热管40一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发汽化，蒸发在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷凝段冷凝释放出热量结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发段，如此循环不止，直至两端温度相等(此时蒸汽热扩散停止)。热管40的热容量低，有着异常迅速的热传导性能，是非常有效的快速传热导管，其传导热量的速度是铜导热的1000倍以上。使用此种导热管40可以有效地将电机内部温度导至外部，进行散热。

本发明中，热管40为铜热管、铝热管或复合热管，热管40为扁平热管或圆柱形热管。热管40形状可适用于各种电机结构。各种电机可根据结构不同而选择不同的位置使用该结构，可单一使用，也可同时使用。本发明冷却效果显著，具有较高的经济性。

本发明还包括多个磁通壁垒槽23，磁通壁垒槽23从所述定子20的外壁延伸至所述定子齿21中，多个磁通壁垒槽23沿所述定子20的周向布设，所述热管40为非导磁材料热管，所述蒸发段41安装在磁通壁垒槽23中，所述冷凝段42设置在所述冷却液通道100中。磁通壁垒槽的设计，增加相邻线圈互感磁路的磁阻，使得磁链主要集中在励磁定子齿21的两侧(参照图7)，能够有效的消除或抑制集中式绕组在气隙处产生的高低次非工作谐波含量，降低谐波漏磁通，减少非工作谐波产生的各项损耗，降低电机转子的铁芯损耗和永磁体的涡流损耗，减少发热量，提升电机效率。其中，工作谐波的定义：N对极的永磁电机，只有第N次定子谐波与永磁体产生的磁场能够相互作用产生理想的连续转矩，故N次谐波定义为工作谐波。

作为本发明的一种优选方式，所述定子齿21为多个，多个所述定子齿21均匀布设在所述定子20的内壁上，相邻定子齿21之间形成用于供绕组22绕制的通道，所述磁通壁垒槽23沿所述定子20的径向延伸并延伸至相邻的通道之间，所述磁通壁垒槽23从所述定子20轴向的一端延伸至另一端。

作为本发明的一种优选方式，所述热管40呈扁平状，所述磁通壁垒槽23为扁平槽，所述冷凝段42沿所述定子20的外壁的周向延伸，在实施例中，沿与水流的流动方向相反的方向延伸。作为本发明的一种优选方式，所述冷却液通道100中设有隔板200，隔板200的一端连接在所述电机内壳体12的外壁，另一端连接在所述电机外壳体11的内壁，隔板200从所述冷却液通道100轴向的一端延伸至另一端，所述进液口13和所述出液口14分设在隔板200的两侧。热管40的安置对冷却水起到导流和扰流的作用，增强冷却水的湍流强度，提高冷却水的换热系数，同时免去传统水道的导流槽，生产工艺简单。机壳10的材质采用铝合金机壳10，提高轻量化和功率密度，具有较好的导热性能，并显著降低制造成本。

参照图3，针对12齿/14极的电机定子组件结构，在定子磁轭中采用单层集中式绕组，每隔1个定子齿21，于定子齿21中间位置设置磁通壁垒槽23，每个所述磁通壁垒槽23中配设多根所述热管40(实施例为4根)，多根所述热管40沿所述定子20的轴线叠设在所述磁通壁垒槽23中。其中，蒸发段41通过导热硅胶安插在磁通壁垒槽23中，冷凝段42通过胀管工艺与电机内壳体12紧密连接，冷凝段42的弯曲弧度与定子20外壁弧度相同。使用时，冷却水通过进液口13进入冷却液通道100，在隔板200的作用下，水流逆向冲刷热管40，与水道中的冷凝段42进行热量交换，吸收热管40的热量后从出液口14口流出。

参照图4和图5，作为本发明的一种优选方式，所述蒸发段41呈扁平状，所述热管40为两根，设为第一热管和第二热管，第一热管具有呈扁平状的第一蒸发段402、第一冷凝段401以及设置在第一蒸发段402与第一冷凝段401之间的第一衔接段403，第二热管具有呈扁平状的第二蒸发段405、第二冷凝段404以及设置在第二蒸发段405与第二冷凝段404之间的第二衔接段406，第一蒸发段402和第二蒸发段405均沿所述定子20的轴向设置在所述磁通壁垒槽23中，第一蒸发段402与第二蒸发段405平行设置且分别位于所述磁通壁垒槽23的内侧和外侧(靠近电机内壳体12的一侧)，第一衔接段403位于所述定子20沿轴向的一端，第二衔接段406位于所述定子20沿轴向的另一端，第一冷凝段401与第二冷凝段404通过密封胶407衔接。第一蒸发段402和第二蒸发段405通过导热硅胶安置在磁通壁垒槽23中，第一冷凝段401和第二冷凝段404通过胀管工艺与电机内壳体12紧密连接，第一衔接段403和第二衔接段406为绝热段。冷却水通过进液口13进入冷却通道，在隔板200的作用下，水流直接冲刷热管40，依次与第一冷凝段401和第二冷凝段404进行对流换热，吸收热管40的热量后从出液口14流出。

本发明将磁通壁垒技术和蒸发冷却技术进行有机的结合，将热管40的一端置于磁通壁垒槽23中，通过焊接、胀接或胶接工艺与电机定子20紧密连接，如使用导热硅胶进行填充连接。将热管40的另一端置于冷却液通道100内。利用热管40的快速热传递性质，热管40的蒸发段41吸收定子20(为定子铁芯)及绕组22产生的热量后，其管内的工作介质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差作用下上升到热管40的冷凝段42，热量通过冷凝段42传递给水冷循环系统中的冷却水，工作介质蒸汽冷凝变液体，在毛细力的作用下回流到热管40的蒸发段41，如此循环不止，使得冷却水通过热管40带走电机内的热量，起到快速冷却的目的，保证电机在最佳工作温度范围内，从而实现对电机的降温效果，散热效果佳，通用性强。相对于单独的水冷电机，增强导热的效果，具备更好的散热性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、高效率。集中式绕组具有结构紧凑、制造简单、端部绕组短、铜损耗低等优势，但会增加定子20磁场的空间谐波含量。通过新型磁通壁垒的定子20结构设计，结合不同的极槽配合，有效的消除或抑制高低次谐波含量，降低电机的铁芯损耗和涡流损耗以及谐波电动势产生的杂散损耗，提升电机效率。

2、生产制造工艺简单。一方面，本发明在定子20磁轭中采用集中式绕组，绕线无需跨槽绕制，线圈规整性好，制造工艺简单，极大的简化绕线生产工艺，易于实现自动化批量生产。另一方面，无需采用复杂且成本较高的水道，热管40的排布增强冷却水的湍流强度，无流动死区，对流换热系数高，换热效果好，水道结构简单，无需开设水道槽，生产成本低。

3、散热速率快。本发明利用热管40热阻几乎为零，快速热传递的性质，吸收电机定子20(为定子铁芯)和绕组22产生的热量，热量被内部介质传导至冷凝段42，与冷却液通道100中通入的冷水进行热交换，由冷水带走产生的热量，从而实现对电机的降温效果，散热效果佳，通用性强。

4、轻量化。在输出相同功率的情况下，通过磁通壁垒槽23的优化设计，使用非磁性材料或空气替代磁轭减少定子铁芯的使用量，使得电机整机重量减少，有效的控制电机制造成本，实现电机的轻量化。

5、低成本。在定子20(为定子铁芯)上使用磁障，减少定子20(为定子铁芯)硅钢片的使用，而磁障为非导磁材料的热管40，使电机在同样的成本下能输出更高的功率或在输出同等功率下能使电机材料用的更少、成本更低。

6、高功率密度。通过改善电机的散热性能，可促使电机电磁性能往更高功率密度方向设计。

7、通用性强。本发明可应用至永磁同步电机、爪极电机、鼠笼电机等，通用性强。

本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,包括机壳、设置在机壳内的定子组件以及设置在定子组件内的转子组件，机壳包括电机内壳体和电机外壳体，电机内壳体与电机外壳体之间形成冷却液通道，在电机的外壳体上设有进液口和出液口，进液口和出液口均与冷却通道连通，定子组件包括定子、形成在定子中的定子齿以及绕设在定子齿中的绕组，还包括安装在定子组件中的热管，热管具有蒸发段和冷凝段，其特征在于：还包括多个磁通壁垒槽，磁通壁垒槽从所述定子的外壁延伸至所述定子齿中，多个磁通壁垒槽沿所述定子的周向布设，所述热管为非导磁材料热管，所述蒸发段安装在磁通壁垒槽中，所述冷凝段设置在所述冷却液通道中。

2.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述定子齿为多个，多个所述定子齿均匀布设在所述定子的内壁上，所述磁通壁垒槽沿所述定子的径向延伸，所述磁通壁垒槽从所述定子轴向的一端延伸至另一端。

3.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述热管呈扁平状，所述磁通壁垒槽为扁平槽，所述冷凝段沿所述定子的外壁的周向延伸。

4.如权利要求3所述的所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：每个所述磁通壁垒槽中配设多根所述热管，多根所述热管沿所述定子的轴线叠设在所述磁通壁垒槽中。

5.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述蒸发段呈扁平状，所述热管为两根，设为第一热管和第二热管，第一热管具有呈扁平状的第一蒸发段、第一冷凝段以及设置在第一蒸发段与第一冷凝段之间的第一衔接段，第二热管具有呈扁平状的第二蒸发段、第二冷凝段以及设置在第二蒸发段与第二冷凝段之间的第二衔接段，第一蒸发段和第二蒸发段均沿所述定子的轴向设置在所述磁通壁垒槽中，第一蒸发段与第二蒸发段平行设置且分别位于所述磁通壁垒槽的内侧和外侧，第一衔接段位于所述定子沿轴向的一端，第二衔接段位于所述定子沿轴向的另一端，第一冷凝段与第二冷凝段通过密封胶衔接。

6.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述蒸发段与所述磁通壁垒槽的槽壁之间设有导热硅胶。

7.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述冷却液通道中设有隔板，隔板的一端连接在所述电机内壳体的外壁，另一端连接在所述电机外壳体的内壁，隔板从所述冷却液通道轴向的一端延伸至另一端，所述进液口和所述出液口分设在隔板的两侧。

8.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述定子的绕组采用集中式绕组，绕组采用对称绕组的Y联结。

9.如权利要求1所述的一种基于混合冷却技术的高效磁通壁垒电机,其特征在于：所述热管为铜热管、铝热管或者复合热管。