CN110518738B - 一种基于丁胞的电机通风冷却结构及风冷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于丁胞的电机通风冷却结构及风冷电机，电机通风冷却结构包括由机座内风道、定子风沟、定子和转子之间的气隙及转子通风孔构成的风路，机座内风道的内表面、定子铁芯的内表面、转子铁芯的外表面及转子通风孔的内表面具有均匀的凹陷状丁胞。电机运行时，由输出轴带动的风扇驱动空气，空气流经风路带走电机内部的热量，利用丁胞截断空气沿电机内部壁面流动的边界层，增大机座内风道的内表面、定子铁芯内表面、转子铁芯的外表面和转子通风孔的内表面的努赛尔系数，加强对流换热的效果，提高电机的散热能力；同时减少相应表面的空气阻力，减少摩擦造成的热损耗，有效提高电机的稳定性、可靠性和运行效率。

Description

一种基于丁胞的电机通风冷却结构及风冷电机

技术领域

本发明涉及电机冷却系统的设计与优化，具体涉及一种基于丁胞的电机通风冷却式散热结构。

背景技术

电机是将电能转化为动能的一种装置，广泛应用于日常生活和工业生产中。电机运转过程中会产生多种损耗，使电机内部的温度上升，不但会降低其运行效率，而且会损坏设备，导致其停止工作。因此，电机冷却一直是电机性能研究的热点。

通风冷却是目前最为广泛使用的电机冷却方法，这种冷却方式中空气大多是流经风路中光滑的电机部件壁面而带走热量，空气流动的动力源一般采用的是与电机输出轴同步转动的风扇，但是空气在光滑壁面（例如，机座内流道内壁、气隙处的定子、转子表面，及转子通风孔内壁等）会产生边界层，边界层的空气对流速度极慢，影响换热效果。

中国专利CN107070062A公开了一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机，其通过设计水冷流道的管路结构，从而可以通过在管路结构上布置球形凸胞状丁胞，以增加换热面积以及破坏流道界面层，增强水冷壳体的冷却性能。但是水冷散热并不适宜对电机内部转子、定子等进行散热，并且球形凸胞状丁胞导致丁胞处流道壁面向流道内凸出，增大了流道摩擦阻力。而利用空气对电机内部进行散热时，尚缺乏有效的丁胞结构设计，以同时满足破坏风路内空气界面层和减少摩擦（摩擦会导致空气在风扇负压侧发生回流）。另外，通风冷却主要以流经风路的气流（例如，空气）作为散热媒介，除气隙、转子通风孔之外，目前尚缺乏其他有效的电机内部散热通路。因此，电机通风冷却结构的散热效率亟待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服电机通风冷却式散热结构效率低的缺点，提供一种基于丁胞的电机通风冷却结构及风冷电机。该电机通风冷却结构减少了气流在电机内部的回流和由气流摩擦造成的损耗，同时使电机散热能力增强。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于丁胞的电机通风冷却结构，包括由机座内风道和电机内部风道构成的循环风路以及设置在电机输出轴一端上的用于将电机内部风道的气流分散至机座内风道的风扇，所述电机内部风道包括定子和转子之间的气隙及转子通风孔，所述风路中与气流接触的局部或全部壁面上设置有相互间隔的多个凹陷状丁胞。

较佳地，所述凹陷状丁胞均匀的布置在机座内风道的内表面、定子铁芯的内表面、转子铁芯的外表面及转子通风孔的内表面。

较佳地，所述凹陷状丁胞的表面形状为球面或圆柱面，丁胞的尺寸规格、间隔距离可基于电机的转速和风扇风速进行优化设计。

较佳地，所述凹陷状丁胞在其布置的区域内沿直线排列，相邻行或列的凹陷状丁胞的相对位置可基于电机安装地点当地的风速及风向进行优化设计。

较佳地，所述电机内部风道还包括定子风沟，定子风沟的背风侧壁面端部（与转子相对）设置有由凹陷状丁胞的背风侧表面形成的豁口。

较佳地，所述凹陷状丁胞的表面设置有耐高温导热材料覆层。

一种风冷电机，包括机座、输出轴、定子、转子及循环风路，所述输出轴设置在机座上，定子设置在机座内，转子与输出轴相连，循环风路由机座内风道和电机内部风道构成，电机内部风道包括定子和转子之间的气隙及转子通风孔，输出轴的一端上设置有用于将电机内部风道的气流分散至机座内风道的风扇，循环风路中与气流接触的局部或全部壁面上设置有上述凹陷状丁胞。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过在风冷电机的风路中设置凹陷状丁胞，使在电机运转过程中，气流（例如，空气）在电机内部沿壁面的边界层被不断破坏，增加壁面的努赛尔系数，强化对流换热。同时，丁胞结构降低了壁面和气流的摩擦系数，减少了气流在电机内部的回流，也减少了由于气流摩擦造成的损耗。因此，本发明可以提高电机通风冷却结构的冷却性能，从而提高电机的稳定性、可靠性和运行效率，另外，本发明的结构简单，便于加工，适合大规模推广应用。

进一步的，本发明通过在机座的内表面、定子铁芯的内表面、转子铁芯的外表面及转子通风孔的内表面设置均匀的凹陷状丁胞，不仅提高了电机通风冷却结构的散热效率，而且有利于在电机运转中实现动平衡的控制。

进一步的，本发明通过在定子风沟背风侧设置丁胞，增强了定子铁芯的径向散热能力，增加了电机内部有效的散热通路，提高了电机通风冷却结构的散热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中电机的整体结构示意图；图1中带箭头的虚线自内（输出轴）而外分别代表空气在转子通风孔、气隙、机座内风道的流动方向；

图2为本发明实施例中丁胞结构及其布置位置的示意图；其中：（a）机座内风道；（b）定子铁芯内表面；（c）转子铁芯外表面；（d）丁胞结构；

图3为本发明实施例中定子铁芯内表面的丁胞与定子风沟的相对位置示意图；

图中：1.机座，2.定子线圈，3.定子铁芯，4.转子铁芯，5.转子导条，6.风扇，7.输出轴，8.转子通风孔，9.风路，10.丁胞，11.定子风沟。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅用来解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

参见图1，本发明的电机包括机座1、定子、转子、输出轴7及风扇6，所述定子包括定子线圈2、定子铁芯3和定子风沟11（为了减少定子铁芯中无法做功的轴向磁场引起的损耗，定子铁芯由圆盘型硅钢片叠加而成，硅钢片之间用于通风的缝隙为定子风沟11，定子风沟11的朝向为径向，各定子风沟11沿定子铁芯3轴向布置），所述转子4包括沿轴向贯通转子铁芯4的转子通风孔8以及镶嵌在转子铁芯4表面的沿轴向延伸的转子导条5（位于转子通风孔8外侧）。所述输出轴7支撑在机座1上，定子铁芯3固定在机座1内，定子线圈2固定在定子铁芯3两端，转子通过输出轴7固定在定子铁芯3内部并可相对定子铁芯3的内表面转动，转子的多个转子通风孔8以及转子导条5沿输出轴7周向间隔分布在转子铁芯4上。所述电机采用通风冷却式散热结构，其风路9由机座内风道、定子铁芯3和转子之间的气隙、转子通风孔8及定子风沟11构成，风扇6固定在输出轴7一端，从而使空气沿所述气隙及转子通风孔8流向机座1内安装风扇6的一端，并由风扇6分散至机座内风道，经过机座内风道于机座1内的另一端流入所述气隙和转子通风孔8，使空气形成循环流动的气流。

参见图2（颜色加深区域为布置丁胞的区域），本发明在机座1内表面（即机座内风道的内表面，图2(a)中颜色加深区域具体为机座内风道入口/出口）、定子铁芯3内表面（图2(b)，具体在拼接定子铁芯的各硅钢片的内表面）、转子4外表面（图2(c)，具体在各转子导条5之间的转子铁芯4表面）及转子通风孔8内表面加工了规则排列的大小相同的球面凹陷状丁胞10（图2(d)，丁胞10采用直线布置，相邻行的丁胞10错开一定距离，形成菱形区域排布）。

参见图3，箭头为所述气隙内空气流动方向，由于定子风沟11端部在丁胞10相对于风扇6产生的对流的迎风侧，增加了通过定子风沟11传导至定子铁芯3内部的空气流量（这部分空气由定子铁芯3内表面出发，沿着定子风沟11经过定子铁芯3内部，最终沿定子铁芯3外侧到达机座内风道），增强了定子铁芯3的径向散热能力。

在上述电机运行过程中，输出轴7带动风扇6转动，产生反向于定子3和转子4的空气对流（即风扇产生的负压使空气由相对于风扇的远端通过气隙及转子通风孔流向风扇），空气从定子风沟11、定子铁芯3和转子之间的气隙及转子通风孔8通过电机内部，在此期间定子铁芯3内表面、转子铁芯4外表面、转子通风孔8内表面的丁胞10形成了涡旋，增强了与空气的对流，增加了努赛尔系数，使定子铁芯3和转子铁芯4可以将更多的热量通过表面传导至空气，定子铁芯3和转子铁芯4的散热能力增强，温度得到降低，空气在吸收了热量之后经由风扇6分散至机座1，通过机座内风道的内表面的丁胞10增强与机座1的换热，使热量传导至电机外，此时，冷却后的空气继续由于风扇6形成的负压引流并至电机内部，重新吸收热量，以此形成工作循环，使电机内部的热量源源不断地通过空气对流换热传导至机座1进行散热。

本发明提出的电机通风冷却式散热结构（简称风冷结构）由所述输出轴7驱动的风扇6带动空气通过风路9，利用丁胞10截断空气沿电机内部壁面流动的边界层，增大机座内风道内表面、定子铁芯3内表面、转子铁芯4外表面和转子通风孔8内表面的努赛尔系数，使空气在电机内部各壁面的对流换热得到强化，加强对流换热的效果；同时减少机座内风道内表面、定子铁芯3内表面、转子铁芯4外表面和转子通风孔8内表面的空气阻力，在使电机散热能力增强的同时减少摩擦造成的机械损耗和热损耗。

电机散热所要解决的关键问题在于其温度场达到稳态时，机座（温度最低处）与转子铁芯（温度最高处）有着巨大的温差，现有技术提出的基于丁胞的水冷结构仅对电机机座进行了冷却，对电机内部的冷却不足。本发明的风冷结构主要增强了电机内部与机座的热交换，减少了温差，对冷却效果提升明显。同时，风冷电机由于重量轻、结构简单、对密封性要求相对于水冷电机更低，在自动化、电动汽车、航空航天等领域拥有着不可替代性。

本发明中，由于丁胞不断地截断边界层以及改善了电机内部的回流和涡旋问题，使电机内部空气流场的流速分布更加均匀，减少了空气间的摩擦，可以减少风冷电机的噪声，理论上可以降低3%以上。

总之，本发明通过提高电机的冷却性能，使电机的稳定性、可靠性、运行效率提高，且具有结构简单、便于加工的优点，适合大规模推广使用。

Claims (5)

1.一种基于丁胞的电机通风冷却结构，其特征在于：包括由机座内风道和电机内部风道构成的循环风路（9）以及设置在电机输出轴（7）一端上的用于将电机内部风道的气流分散至机座内风道的风扇（6），所述电机内部风道包括定子和转子之间的气隙及转子通风孔（8），所述循环风路（9）中与气流接触的局部壁面上设置有相互间隔的多个凹陷状丁胞（10）；

所述凹陷状丁胞（10）均匀的布置在机座内风道的内表面、定子铁芯（3）的内表面、转子铁芯（4）的外表面及转子通风孔（8）的内表面；

所述凹陷状丁胞（10）沿直线排列，相邻行的凹陷状丁胞（10）错开一定距离；

所述电机内部风道还包括定子风沟（11），定子风沟（11）的背风侧壁面上设置有由凹陷状丁胞（10）的背风侧表面形成的豁口；

固定在输出轴（7）一端的风扇（6）使空气沿所述气隙及转子通风孔（8）流向机座（1）内安装风扇（6）的一端，并由风扇（6）分散至机座内风道，经过机座内风道于机座（1）内的另一端流入所述气隙和转子通风孔（8），使空气形成循环流动的气流；

所述气隙内的部分空气由定子铁芯（3）内表面出发，沿着定子风沟（11）经过定子铁芯（3）内部，最终沿定子铁芯（3）外侧到达机座内风道。

2.根据权利要求1所述一种基于丁胞的电机通风冷却结构，其特征在于：所述凹陷状丁胞（10）的表面形状为球面或圆柱面。

3.根据权利要求1所述一种基于丁胞的电机通风冷却结构，其特征在于：所述凹陷状丁胞（10）的表面设置有导热材料覆层。

4.一种风冷电机，其特征在于：包括机座（1）、输出轴（7）、定子、转子及循环风路（9），所述输出轴（7）设置在机座（1）上，定子设置在机座（1）内，转子与输出轴（7）相连，循环风路（9）由机座内风道和电机内部风道构成，电机内部风道包括定子和转子之间的气隙及转子通风孔（8），输出轴（7）的一端上设置有用于将电机内部风道的气流分散至机座内风道的风扇（6），循环风路（9）中与气流接触的局部壁面上设置有相互间隔的多个凹陷状丁胞（10）；

所述凹陷状丁胞（10）均匀的布置在机座内风道的内表面、定子铁芯（3）的内表面、转子铁芯（4）的外表面及转子通风孔（8）的内表面；所述凹陷状丁胞（10）沿直线排列，相邻行的凹陷状丁胞（10）错开一定距离；

所述电机内部风道还包括定子风沟（11），定子风沟（11）的背风侧壁面上设置有由凹陷状丁胞（10）的背风侧表面形成的豁口；

所述电机采用通风冷却式散热结构，固定在输出轴（7）一端的风扇（6）使空气沿所述气隙及转子通风孔（8）流向机座（1）内安装风扇（6）的一端，并由风扇（6）分散至机座内风道，经过机座内风道于机座（1）内的另一端流入所述气隙和转子通风孔（8），使空气形成循环流动的气流；

所述气隙内的部分空气由定子铁芯（3）内表面出发，沿着定子风沟（11）经过定子铁芯（3）内部，最终沿定子铁芯（3）外侧到达机座内风道。

5.根据权利要求4所述一种风冷电机，其特征在于：所述凹陷状丁胞（10）的表面形状为球面或圆柱面；所述凹陷状丁胞（10）的表面设置有导热材料覆层。

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