CN109831054B - 一种具有冷却系统的电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冷却系统的电机，电机包括外壳，外壳内设有转子和定子；转子包括转子轴，转子轴的内部开设有用于空气流通的转子轴轴向孔，转子轴的外侧壁上开设有与转子轴轴向孔连通的转子轴径向孔；转子轴径向孔和转子轴轴向孔形成转子冷却流道；外壳和定子之间设有定子冷却流道。该电机通过转子轴向孔和转子轴径向孔可冷却转子的内部，通过定子冷却流道可冷却定子，并且无需额外的介质，通过空气可同时冷却转子和定子，提高电机的耐热等级，确保电机可长期稳定运行。

Description

一种具有冷却系统的电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种具有冷却系统的电机。

背景技术

电机在额定运行中势必会产生一系列的损耗，而这种损耗将会以热的形式散发出去，温度过高将威胁设备的安全以及绝缘性能，严重时会造成无法挽回的损失，因此电机的通风结构显得尤为重要，良好的通风系统将会将电机内部产生的热量最大限度的带走，从而保证电机的各个部件温度保持在合理范围内。如果电机的冷却性能差，将造成电机各个部件因温度过高，从而不能够保证电机的正常运行，损坏设备造成经济损失，特别是现代电机普遍采用高电磁负荷，虽然这种方式节省制造成本，但是造成电机内产生的热量过大。

电机容量的提高主要通过增大电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现。然而增大线性尺寸同时会增大损耗( 因为电机的损耗是与线性尺寸的三次方成正比) ，造成电机效率下降。而增加磁负荷，由于受到磁路饱和的限制也很难实现。所以提高单机容量的主要措施就在于增加线负荷了。但增加线负荷就同时会增加线棒铜损，使得线圈温度升高，此时就必须采用强化冷却技术， 以保证电机安全可靠地运行。所以冷却技术的进步是电机向大容量发展的保证。电机的冷却方式分为气冷和液冷两大类，其中气冷的冷却介质包括空气和氢气。

电机中的热量主要是绕组及其铁芯中的损耗。绕组和铁芯内部都会产生热量,绕组中的损耗与电流的平方成正比。铁芯内部热量是涡流产生的。绕组中产生的热量借传导作用从铜线穿过绝缘层传到铁芯, 加上铁芯中产生的热量, 一起由铁芯传到电枢表面,然后借助于对流以及辐射作用, 把热量散发到周围的空气中。现有的电机采用的冷却系统一般是将空气对着转子的表面直接吹入，然后沿转子表面流动，虽然可以将转子表面的热量带走，但是转子内部的温度场并不均匀，气流大时还容易使转子受力不平衡。此外还需要对于定子进行水冷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有冷却系统的电机，来通过空气冷却定子和转子的内部。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有冷却系统的电机，所述电机包括外壳，所述外壳内设有转子和定子；

所述转子包括转子轴，所述转子轴的内部开设有用于空气流通的转子轴轴向孔，所述转子轴的外侧壁上开设有与所述转子轴轴向孔连通的转子轴径向孔；所述转子轴径向孔和转子轴轴向孔形成转子冷却流道；

所述外壳和定子之间设有定子冷却流道；所述外壳内设有进风流道，所述外壳上开设有至少一个进风孔；所述进风流道通过所述进风孔连通大气；所述定子冷却流道和转子冷却流道的进口均连通所述进风流道；

所述外壳内设有出风流道，所述外壳上开设有至少一个出风孔，所述出风流道通过所述出风孔连通大气；所述定子冷却流道和所述转子冷却流道的出口均连通所述出风流道。

可选的，所述定子上套设有定子冷却套，所述定子冷却套上环形均布有多个用于空气流通的定子轴向冷却槽；多个所述定子轴向冷却槽组成定子冷却流道。

可选的，所述转子轴上套设有永磁体；所述永磁体上开设有与所述转子轴径向孔连通的永磁体径向孔；所述永磁体径向孔、转子轴径向孔、转子轴轴向孔形成转子冷却流道。

可选的，所述永磁体上还套设有钢套，所述钢套上开设有与所述永磁体径向孔连通的钢套径向孔；

所述永磁体上还开设有永磁体轴向孔；所述永磁体轴向孔贯通所述永磁体的两端；所述永磁体轴向孔开设于所述永磁体朝向所述转子轴的一面。

可选的，所述转子和所述定子之间留有空气隙；

所述空气隙的进口和所述永磁体轴向孔的进口连通所述进风流道；所述空气隙的出口和所述永磁体的出口连通所述出风流道；

所述转子轴轴向孔为盲孔，转子轴轴向孔的开口连通大气；

空气从进风流道分流至转子冷却流道后，一部分沿着空气隙和永磁体轴向孔流动，流至出风流道和定子冷却流道流出的空气汇合；另一部分沿着钢套径向孔、永磁体径向孔和转子轴径向孔流动，流至转子轴轴向孔内，之后从转子轴轴向孔的开口排出。

可选的，所述转子轴的第一端部还套设有压缩叶轮；所述定子朝向所述转子轴的第一端部的位置还固定设有导向叶轮；空气从进风流道进入转子冷却流道之前，先经过导向叶轮调整风向，然后被压缩叶轮压缩成带压气流。

可选的，所述转子轴的第二端部还套设有用于使空气流通顺畅的外通风叶轮；所述永磁体位于所述压缩叶轮和所述外通风叶轮之间；所述转子轴轴向孔内还设有用于使空气流通顺畅的内通风叶轮。

可选的，所述电机还包括用于从出风流道抽气的径向叶轮，所述径向叶轮连接所述转子轴；所述径向叶轮的中央设有与所述转子轴轴向孔的开口连通的叶轮中心孔；所述叶轮中心孔连通大气。

可选的，所述外壳上设有多个所述出风孔，多个所述出风孔包括与所述转子轴轴向孔连通的第一出风孔、与所述出风流道连通且设于所述外壳的端面的第二出风孔、和与所述出风流道连通且设于所述外壳的侧面的第三出风孔；

所述外壳上设有多个所述进风孔，多个所述进风孔均设置于所述外壳的侧面上；所述外壳呈圆柱体，多个所述进风孔环绕所述外壳的中心轴等间距分布。

可选的，所述定子冷却套上还开设有一圈连通各所述定子轴向冷却槽的环形通风槽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的具有冷却系统的电机，通过转子轴向孔和转子轴径向孔可冷却转子的内部，通过定子冷却流道可冷却定子，并且无需额外的介质，通过空气可同时冷却转子和定子，提高电机的耐热等级，确保电机可长期稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的电机的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的电机的部分结构示意图。

图示说明：1、外壳；11、进风孔；121、第二出风孔；122、第三出风孔；21、转子轴；211、转子轴轴向孔；212、转子轴径向孔；22、永磁体；221、永磁体轴向孔；23、钢套；31、定子芯；32、定子绕组；33、定子冷却套；330、定子轴向冷却槽；331、环形通风槽；41、导向叶轮；42、压缩叶轮；43、外通风叶轮；44、内通风叶轮；441、内通风轮毂；45、径向叶轮；451、叶轮中心孔。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种具有冷却系统的电机，请参考图1。

该电机包括包括外壳1，外壳1内设有转子和定子。转子包括转子轴21，转子轴21上套设有永磁体22。转子轴21的内部开设有用于空气流通的转子轴轴向孔211，转子轴21的外侧壁上开设有与转子轴轴向孔211连通的转子轴径向孔212。永磁体22上开设有与转子轴径向孔212连通的永磁体径向孔。永磁体径向孔、转子轴径向孔212、转子轴轴向孔211形成转子冷却流道。

环绕定子设有定子冷却流道。定子冷却流道的进口和出口分别连通大气，转子冷却流道的进口和出口分别连通大气。

通过转子冷却流道可以冷却转子轴21内部和永磁体22内部，通过定子冷却流道可以冷却定子，由此可大幅提高转子、定子与空气的对流换热系数，提高电机的耐热等级，确保电机可长期稳定运行。

外壳1内设有进风流道，外壳1上开设有至少一个进风孔11。进风流道通过进风孔11连通大气，定子冷却流道和转子冷却流道的进口均连通进风流道。

外壳1内设有出风流道，外壳1上开设有至少一个出风孔，出风流道通过出风孔连通大气。定子冷却流道和转子冷却流道的出口均连通出风流道。

在本实施例中，定子包括定子芯31，定子芯31上设有定子绕组32。

定子上套设有定子冷却套32，定子冷却套32上环形均布有多个用于空气流通的定子轴向冷却槽330。多个定子轴向冷却槽330组成前述的定子冷却流道。定子冷却套32上还开设有一圈连通各定子轴向冷却槽330的环形通风槽331，以使得部分无法直接连通进风流道的定子轴线冷却槽可以流通空气。

定子轴向冷却槽330的设计使得空气顺畅流通，并且增大了空气和定子的换热面积，进一步提高了电机的耐热等级。

在本实施例中，永磁体22上还套设有钢套23，钢套23和转子轴21组成转子铁芯。钢套23上开设有与永磁体径向孔连通的钢套径向孔。

永磁体22上还开设有永磁体轴向孔221，永磁体轴向孔221贯通永磁体22的两端。永磁体轴向孔221开设于永磁体22朝向转子轴21的一面。永磁体轴向孔221的设置进一步增加了空气对于永磁体22的冷却效果。

在本实施例中，转子和定子之间留有空气隙。空气隙的进口和永磁体轴向孔221的进口连通进风流道。空气隙的出口和永磁体22的出口连通出风流道。转子轴轴向孔211为盲孔，转子轴轴向孔211的开口连通大气。

空气从进风流道分流至转子冷却流道后，一部分沿着空气隙和永磁体轴向孔221流动，流至出风流道和定子冷却流道流出的空气汇合。另一部分沿着钢套径向孔、永磁体径向孔和转子轴径向孔212流动，流至转子轴轴向孔211内，之后从转子轴轴向孔211的开口排出。

空气隙可以将转子中永磁体22损耗产生的热量带走，也可将定子绕组32中损耗产水的热量带走，以降低转子和定子的温度。

在本实施例中，转子轴21的第一端部还套设有压缩叶轮42，定子芯31朝向转子轴21的第一端部的位置固定设有导向叶轮41。压缩叶轮42位于导向叶轮41和永磁体22之间。空气从进风流道进入转子冷却流道之前，先经过导向叶轮41调整风向，然后被压缩叶轮42压缩成带压气流。转子轴21的第二端部还套设有用于使空气流通顺畅的外通风叶轮43。永磁体22位于压缩叶轮42和外通风叶轮43之间。转子轴轴向孔211内还设有用于使空气流通顺畅的内通风叶轮44。

具体的，外通风叶轮43和内通风叶轮44处于同一平面上。转子轴轴向孔211内固定设有内通风轮毂441，内通风叶轮44固定连接内通风轮毂441。

空气隙中的气流可流至定子绕组32内，外通风叶轮43可确保空气隙和定子绕组32内的气流顺畅流动。

电机还包括用于从出风流道抽气的径向叶轮45，径向叶轮45连接转子轴21。径向叶轮45的中央设有与转子轴轴向孔211的开口连通的叶轮中心孔451。叶轮中心孔451连通大气。

在本实施例中，导向叶轮41不发生转动，压缩叶轮42、外通风叶轮43、内通风叶轮44和径向叶轮45均随着转子轴21的转动而转动。

具体的，外壳1上设有多个出风孔，多个出风孔包括与转子轴轴向孔211连通的第一出风孔、与出风流道连通且设于外壳1的端面的第二出风孔121、和与出风流道连通且设于外壳1的侧面的第三出风孔122。外壳1上设有多个进风孔11，多个进风孔11均设置于外壳1的侧面上。外壳1呈圆柱体，多个进风孔11环绕外壳1的中心轴等间距分布。

综上所述，外部空气通过进风孔11被吸入电机内的进风流道。然后被分为两路分别进入定子冷却流道和转子冷却流道，进入定子冷却流道的气流通过定子轴向冷却槽330流至出风流道。进入转子冷却流道的气流首先经过导向叶轮41调整风向，然后被压缩叶轮42压缩成带压气流；带压气流一部分通过永磁体轴向孔221和空气隙流至出风流道，和定子冷却流道流出的气体汇合后通过径向叶轮45排出；另一部分通过钢套径向孔、永磁体径向孔和转子轴径向孔212进入转子轴轴向孔211内，通过转子轴轴向孔211的开口排出。外通风叶轮43和内通风叶轮44可以确保气流顺畅流动，尤其是空气隙中和定子绕组32中的气流。

以上述永磁电机为基础，当该电机的冷却系统只有径向叶轮45时，称为方案Ⅰ；在方案Ⅰ基础上只增加压缩叶轮42时为方案Ⅱ；在方案Ⅱ基础上再增加外通风叶轮43时为方案Ⅲ；在方案Ⅲ基础上增加冷却冲击孔（冷却冲击孔包括前述钢套径向孔、永磁体径向孔、永磁体轴向孔221和转子轴径向孔212）为方案Ⅳ；在方案Ⅳ基础上增加内通风叶轮44为方案Ⅴ。各方案的对流换热效果分析见表1，总体可见，在增加压缩叶轮42及冷却冲击孔后，转子侧换热效果明显提升，转子铁芯（转子铁芯包括转子轴21和钢套23）和永磁体22上没有冷却孔时，损耗产生热量主要传导至空气隙被轴向气流带走，此时热流虽然被带走，但永磁体22中的温度场并不均匀；增加冷却冲击孔后空气直接进入永磁体22和铁芯的内部，平均温升大幅降低，且温度场较为均匀。

表1 额定工况下对流换热效果对比

冲击冷却是增强局部换热效果非常有效的一种手段，冲击冷却的局部换热效率能够达到没有冲击冷却时效果的 15~20 倍左右，高速射流冲击可得到引起气流边界分离增加紊乱度，因此冲击处的换热系数显著增加，大幅度提高努赛尔数，当孔内气体的流速度达到90m/s时，局部换热系数可达300W/ m2-K以上，冲击冷却孔的直径和数目通过转子轴21的强度和通气量确定，在满足强度要求的条件下确定孔径和孔间距，本实施例中各冲击冷却孔的孔径为2mm，其中，永磁体轴向孔221为半圆孔，钢套径向孔、永磁体径向孔和转子轴径向孔212为圆孔。通过孔内气体流速确定孔的排数。

转子铁芯和永磁体22换热系数沿径向分布是非线性变化的，总体变化趋势是随流体流速的增大而增大，流场计算出换热系数最大区域基本是流速较高的区域，说明流体流速与换热系数之间的关系非常密切，流场的分布一定程度上反映了换热系数的分布趋势。

压缩叶轮42在额定转速时可将气体压力提升7~10Kpa，经过冲击冷却孔通道的节流后的气体压力略低于大气压；通风叶轮和径向叶轮45将经过冲击冷却孔的气体增压排出。

空气隙的冷却通风量对整个电机的温升有较大的影响，主要作用是将永磁体22中损耗产生的热量带走，降低永磁体22的温度，保证永磁体22不会因为温度过高而退磁，其次将定子齿和定子绕组32中损耗产生的热量带走，降低定子的温度。增大风量会使电机的通风性能变好，增加电机冷却系统的冷却能力，但也由于风量的增大也会使电机冷却统成本提高，因此在满足电机安全可靠性的同时，尽可能减小冷却系统的耗功，本实施例中的叶轮可根据电机的功率调整叶片型线、出口角度等参数来改变进气风量达到冷却系统耗功与电机功率的匹配。

针对不同功率等级的电机，其散热量是不同的，对应的风量也是不一样的。调整叶轮型线的意思是通过调整叶轮的出口面积，气流角度等几何参数达到改变风量和风压的效果。压缩叶轮42将气流进行压缩，导向叶轮41是将带压气流的角度对正至空气隙口，调整型线时导向叶轮41和压缩叶轮42都需要调整。

在电机内部由于定子散热面积较大，而转子散热空间较小，因此定子轴向冷却槽330和空气隙的通风量需要合理匹配，本实施例中通过叶轮及间隙尺寸来调整确保空气隙的风量是定子轴向冷却槽330的风量的1.3倍以上。该比例是通过调整出口间隙和前后压差来实现的，风量主要和出口对应间隙的环形出口面积、风流速相关，流量M=密度*截面面积*速度，压力、密度又与速度满足能量方程和状态方程；改变其中任何两个变量都可以改变转子冷却流道和定子冷却流道的风量。

该技术也可以应用在同步电机和异步电机中，只不过开设冷却孔时避开线圈不影响磁路，并确保轴系的机械强度。

假定定子内侧与和转子外侧为光滑壁面，则气隙雷诺数为雷诺数；其中ρ、v、L、μ分别代表流体的密度、流体速度、特征长度、粘度系数，ρ和μ由工质物性决定，v由工质流量和阻力决定，L为气体间隙尺寸；

普朗特数 ；表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响；μ为动力粘度，cp为气体等压比热容，k为热导系数；

努塞尔数； 表征特征长度与热边界层厚度之比，h、L、k分别是对流传热系数、特征长度和热传导系数；

间隙中为强制对流换热时，，其中m=0.3；

机壳外表面与外界空气的换热系数，其中T0为环境温度，v为电机内部的空气流速，α0为自然条件下的换热系数。

本实施例提供的电机，通过设置钢套径向孔、永磁体径向孔、永磁体轴向孔221和转子轴径向孔212等冷却冲击孔，利用了冷却冲击来对转子的内部进行冷却，转子轴轴向孔211进一步增强了对于转子轴21内部的冷却效果，该电机还通过定子轴向冷却槽330对定子进行冷却，避免了需要对定子进行水冷的成本，开式冷却无需第二介质做再循环。电子通过导向叶轮41和压缩叶轮42的设置，为转子冷却流道提供带压气流，增强了冷却效果，通过外通风叶轮43、内通风叶轮44和径向叶轮45来使得空气顺畅流动和排出，通过各叶轮的设置，使得电机内通入的空气量增大，并且空气量随着转子转速增加而增大，在转速高时冷却效果好。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种具有冷却系统的电机，其特征在于，所述电机包括外壳，所述外壳内设有转子和定子；

所述转子包括转子轴，所述转子轴的内部开设有用于空气流通的转子轴轴向孔，所述转子轴的外侧壁上开设有与所述转子轴轴向孔连通的转子轴径向孔；所述转子轴径向孔和转子轴轴向孔形成转子冷却流道；

所述外壳和定子之间设有定子冷却流道；所述外壳内设有进风流道，所述外壳上开设有至少一个进风孔；所述进风流道通过所述进风孔连通大气；所述定子冷却流道和转子冷却流道的进口均连通所述进风流道；

所述外壳内设有出风流道，所述外壳上开设有至少一个出风孔，所述出风流道通过所述出风孔连通大气；所述定子冷却流道和所述转子冷却流道的出口均连通所述出风流道；

所述转子轴上套设有永磁体；所述永磁体上开设有与所述转子轴径向孔连通的永磁体径向孔；所述永磁体径向孔、转子轴径向孔、转子轴轴向孔形成转子冷却流道；

所述永磁体上还套设有钢套，所述钢套上开设有与所述永磁体径向孔连通的钢套径向孔；

所述永磁体上还开设有永磁体轴向孔；所述永磁体轴向孔贯通所述永磁体的两端；所述永磁体轴向孔开设于所述永磁体朝向所述转子轴的一面；

所述转子和所述定子之间留有空气隙；

所述空气隙的进口和所述永磁体轴向孔的进口连通所述进风流道；所述空气隙的出口和所述永磁体的出口连通所述出风流道；

所述转子轴轴向孔为盲孔，转子轴轴向孔的开口连通大气；

空气从进风流道分流至转子冷却流道后，一部分沿着空气隙和永磁体轴向孔流动，流至出风流道和定子冷却流道流出的空气汇合；另一部分沿着钢套径向孔、永磁体径向孔和转子轴径向孔流动，流至转子轴轴向孔内，之后从转子轴轴向孔的开口排出；

所述转子轴的第一端部还套设有压缩叶轮；所述定子朝向所述转子轴的第一端部的位置还固定设有导向叶轮；空气从进风流道进入转子冷却流道之前，先经过导向叶轮调整风向，然后被压缩叶轮压缩成带压气流；

所述转子轴的第二端部还套设有用于使空气流通顺畅的外通风叶轮；所述永磁体位于所述压缩叶轮和所述外通风叶轮之间；所述转子轴轴向孔内还设有用于使空气流通顺畅的内通风叶轮；

所述电机还包括用于从出风流道抽气的径向叶轮，所述径向叶轮连接所述转子轴；所述径向叶轮的中央设有与所述转子轴轴向孔的开口连通的叶轮中心孔；所述叶轮中心孔连通大气。

2.根据权利要求1所述的具有冷却系统的电机，其特征在于，所述定子上套设有定子冷却套，所述定子冷却套上环形均布有多个用于空气流通的定子轴向冷却槽；多个所述定子轴向冷却槽组成定子冷却流道。

3.根据权利要求1所述的具有冷却系统的电机，其特征在于，所述外壳上设有多个所述出风孔，多个所述出风孔包括与所述转子轴轴向孔连通的第一出风孔、与所述出风流道连通且设于所述外壳的端面的第二出风孔、和与所述出风流道连通且设于所述外壳的侧面的第三出风孔；

所述外壳上设有多个所述进风孔，多个所述进风孔均设置于所述外壳的侧面上；所述外壳呈圆柱体，多个所述进风孔环绕所述外壳的中心轴等间距分布。

4.根据权利要求2所述的具有冷却系统的电机，其特征在于，所述定子冷却套上还开设有一圈连通各所述定子轴向冷却槽的环形通风槽。