CN110581625A - 电机定子绕组的散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供电机定子绕组的散热结构，包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组，定子绕组与定子铁芯之间设置有绝缘套管，定子绕组伸出定子铁芯的两端均形成绕组端部，绕组端部与定子铁芯之间设置有导热结构层，导热结构层为绝缘材料；导热结构层包覆在绕组端部的侧表面上，且导热结构层与定子铁芯紧密接触，定子绕组的热量自导热结构层传导至定子铁芯的表层散热；因为定子绕组的温升以端部的线圈最为严重，并且定子绕组和定子铁芯之间还具有一层绝缘套管隔绝，便降低了导热的效率；而本发明中的导热材料直接和定子绕组、定子铁芯接触，为定子绕组和定子铁芯之间架起了高效率的导热通道，提高了定子绕组散热能力的同时，也提升了电机的工作寿命。

Description

电机定子绕组的散热结构

技术领域

本发明涉及电机定子绕组的散热技术领域，尤其涉及一种电机定子绕组的散热结构。

背景技术

电机的热源来源于它自身的损耗，包括铁芯损耗、绕组损耗和机械损耗。铁芯损耗包括铁芯中主要磁场变化时产生的铁芯损耗，这种损耗一般称为基本损耗同时，电机本身就是一个由多种材料组合而成的组合体，它的发热过程比较复杂，因而它的温升过程也较为复杂，但在一定的容量下，各个部分的温升是一定的，温度分布也是一定的。那么就热源来说，一般小型电机损耗所占比重：定子铜损＞转子铜损＞铁耗＞机械损耗。所以，能够对定子铜损产生的热量更高效的挥发出去，或者是通过更有效的热传递效应就能够将定子铜损所产生的热量导向更易散热的结构中，从而降低电机整体的工作温度，也就能够延长电机的实用寿命，并且在设计上也就能够提高功效设计。在现有的散热方法上，主要有水氢冷、全氢冷、双水内冷及全空冷。但是，这种方法都依赖风扇和外加水冷壳体，冷却效果不佳，并且依赖多层外部结构，给电机的运行带来了一定的隐患和限制。

所以，市面上亟需一种散热效果好、结构合理的定子绕组散热结构。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种具有，以解决上述背景技术中提出的现有电机散热结构过于复杂，并且效能不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种电机定子绕组的散热结构，包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组，定子绕组与定子铁芯之间设置有绝缘套管，所述定子绕组伸出所述定子铁芯的两端均形成绕组端部，所述绕组端部与所述定子铁芯之间设置有导热结构层，所述导热结构层为绝缘材料；所述导热结构层包覆在所述绕组端部的侧表面上，且所述导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，所述绕组端部的热量自所述导热结构层传导至所述定子铁芯的表层散热。

作为优选，所述导热结构层完全包覆在其中一侧的所述绕组端部的侧表面上，形成套设在所述绕组端部上的环形结构，且与所述定子铁芯紧密接触。

作为优选，所述导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，并沿所述定子铁芯的外表面向另一端所述绕组端部延伸，所述定子铁芯的热量传导至所述导热结构层进行散热。

作为优选，所述导热结构层完全包覆在所述绕组端部的侧表面上，并沿所述定子绕组延伸至所述绝缘套管内的散热空间内，并藉由所述导热结构层传导所述定子绕组的热量。

作为优选，延伸至所述绝缘套管内的所述导热结构层为非密封式填充结构，所述定子绕组的热量藉由所述导热结构层传导，并通过所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间进行热对流散热。

作为优选，两侧的所述绕组端部分别设置有第一导热结构层和第二导热结构层；所述第一导热结构层包覆在所述绕组端部的侧表面上，且与所述定子铁芯紧密接触，所述定子绕组的热量自所述第一导热结构层传导至所述定子铁芯的表层散热；所述第二导热结构层填充在所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间内，所述定子绕组的热量藉由所述第二导热结构层传导热量进行散热。

作为优选，所述第一导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，并沿所述定子铁芯的外表面向另一端所述绕组端部延伸，所述定子铁芯的热量传导至所述第一导热结构层进行散热。

作为优选，延伸至所述绝缘套管内的所述第二导热结构层为非密封式填充结构，所述定子绕组的热量藉由所述第二导热结构层传导，并通过所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间进行热对流散热。

作为优选，所述导热结构层为导热粘合剂石墨烯、导热硅脂、导热膏、散热膏、散热硅胶其中的一种。

作为优选，所述导热结构层通过填充设置在所述绕线端部的侧表面上，且与所述定子铁芯紧密接触。

本发明的有益效果是：在现有技术中，定子绕组的散热基本是藉由电机内的风机进行散热，并且由于定子绕组与矽钢片之间有绝缘套管隔绝，阻碍了热量的传递和散发，并且定子绕组的温升较高，所以针对定子绕组的降温设计也非常的多，比如较为常见的外部水冷循环系统、定子蒸发冷却系统等，这种现有的设计系统都需要在电机的现有结构中进行大规模的结构添加，但是对于一些体积相对较小、安装环境相对有限的电机来说，这种散热方式就会受到限制、且散热结构过于复杂。

而在本发明中，包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组，定子绕组与定子铁芯之间设置有绝缘套管，定子绕组伸出定子铁芯的两端均形成绕组端部，绕组端部与定子铁芯之间设置有导热结构层，导热结构层为绝缘材料；导热结构层包覆在绕组端部的侧表面上，且导热结构层与定子铁芯紧密接触，定子绕组的热量自导热结构层传导至定子铁芯的表层散热；因为定子绕组的温升以端部的线圈最为严重，并且定子绕组和定子铁芯之间还具有一层绝缘套管隔绝，便降低了导热的效率；而本发明中的导热材料直接和定子绕组、定子铁芯接触，为定子绕组和定子铁芯之间架起了高效率的导热通道，并且从电机的整体结构来看，并没有对电机的体积和装配结构造成影响，提高了定子绕组散热能力的同时，也提升了电机的工作寿命。

附图说明

图1为现有的定子绕组立体图；

图2为本发明的立体图；

图3为本发明的爆炸图；

图4为本发明的剖视图。

主要元件符号说明如下：

1、定子铁芯；2、定子绕组；21、绕组端部；3、绝缘套管；4、导热结构层；41、第一导热结构层。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

本发明提供一种电机定子绕组的散热结构，请参阅图2，包括定子铁芯1和缠绕在定子铁芯上的定子绕组2，定子绕组2与定子铁芯1之间设置有绝缘套管3，定子绕组2伸出定子铁芯1的两端均形成绕组端部21，绕组端部21与定子铁芯1之间设置有导热结构层4，导热结构层4为绝缘材料；导热结构层4包覆在绕组端部21的侧表面上，且导热结构层4与定子铁芯1紧密接触，绕组端部21的热量自导热结构层4传导至定子铁芯1的表层散热。因为电机本身需要将定子绕组和定子铁芯进行绝缘处理，请参阅图1，所以在电机结构中定子绕组和定子铁芯不是直接接触的，也就是有绝缘套管在中间充当一个热对流的效果以及热传递阻碍，所以对于定子绕组的端部来说，其温升相对电机的其它部分来说都是最高的，但是没有有效的散热措施，所以对于电机来说，降温是第一个难点和痛点。而在本发明中，通过将导热材料层填充在绕组端部与定子铁芯之间，将绕组端部和定子铁芯之间架起一个能够热传导的结构层，是固体热传递的主要方式。在原有电机的定子结构中，定子绕组设置在绝缘导管中具有一定散热空间，然后绝缘导管与矽钢片接触，但是这样的热传导效率是非常低的，如空气的导热率是0.01-0.04W/mK，这就说明在定子绕组到定子铁芯的热传递效率非常之低，所以利用导热结构层进行这个空间的填补，因为常说的导热材料如普通氮化铝粉导热硅胶的导热率为1.134W/mK，是要远远高于空气的。

所以当热量在定子绕组的端部产生时，一小部分热量通过热辐射的方式散发到电机的内部结构中，再由电机的风机产生气流将热量带出电机结构实现降温，那么很大一部分就依赖本发明中的导热结构层进行固体之间的热传导，将绕组端部产生的热量经由导热结构层传第到定子铁芯上进行散热，我们可以知道，定子铁芯的材料一般采用的是硅钢片制成，查询常见的材料导热系数表可知，一般型号的硅钢热导率约为52W/mK，可见其是一个良好的导热材料，并且硅钢片的涡轮损耗已经相对较小了，所以绕线端部产生的热量能够通过导热结构层进行更高效率的热传导，也就能够直接的把绕线端部的温度降下，而定子铁芯的外表面散热面积大，并且电机中的风机能够直接在定子铁芯的外表面产生气流，使得定子铁芯吸收的热量能够与外界空气进行热对流和热交换，从而降低电机的工作温度，也就能够提高电机的使用寿命。

在本实施例中，请参阅图3，导热结构层4完全包覆在其中一侧的绕组端部21的侧表面上，形成套设在绕组端部上的环形结构，且与定子铁芯紧密接触。因为如分布式绕组的接线是有互相交叉的，所以在添加导热结构层时，需要紧贴着绕组端部的线圈进行浇筑或者浸泡，然后再填充到一定厚度与定子铁芯的端面进行接触，以形成一个圆环状的热传导结构，防止导热不均匀以出现局部温升过高的状况。再比如集中式绕组，通常每级有一只线圈，所以在填充导热结构层时为了保证施工简便，同时保证导热材料层和绕组端部以及定子铁芯部分紧密接触导热，所以圆环状的导热结构层是较为合适和合理的。

在本实施例中，请参阅图4，导热结构层4与定子铁芯1紧密接触，并沿定子铁芯1的外表面向另一端绕组端部21延伸，定子铁芯1的热量传导至导热结构层4进行散热。因为硅钢片中会有一些装配缝隙，所以在导热结构层延伸至硅钢片表面上时能够很自然的填充这些难以散热的热空气，将原本的热辐射稳流转变成硅钢片上的热传导导热方式再进行散热，提高了散热效率。

更进一步的是，导热结构层4完全包覆在绕组端部21的侧表面上，并沿定子绕组2延伸至绝缘套管3内的散热空间内，并藉由导热结构层4传导定子绕组2的热量。因为绝缘套管与定子绕组的铜线并非是紧密贴合的，会留有一定的空隙，所以当导热材料层延伸至这个散热空间中时，将相对位置处于定子铁芯内部的铜线也能够与绝缘套管紧密贴合，从而达到一个固体热传导的效果来提高散热效益，并且，延伸至绝缘套管内的导热结构层为非密封式填充结构，留有一定的散热空间提供一定的层流空间，在转子旋转后能对这个预留的散热空间中进行一定的热交换。

在本实施例中，两侧的绕组端部分别设置有第一导热结构层41和第二导热结构层；第一导热结构层41包覆在绕组端部21的侧表面上，且与定子铁芯1紧密接触，定子绕组2的热量自第一导热结构层41传导至定子铁芯的表层散热；第二导热结构层填充在定子绕组与绝缘套管之间的散热空间内，定子绕组的热量藉由第二导热结构层传导热量进行散热。在具体的实验中发现，当两侧的绕组端部都填充有导热材料层进行热传递至定子铁芯上时，会产生两股相对方向传递的热流，造成热乱流现象，反而降温效果没有单侧设置导热材料层好。所以为了散热效果的最优化，将第一导热结构层设置在一端建立绕组端部和定子铁芯的热传导桥梁，将第二导热结构层设置在另一端，以建立绝缘套管中的铜线绕组和定子铁芯内壁的热传导；那么第一导热结构层形成的热传导方向是自绕组端部传导到定子铁芯的表面进行散热的，而第二导热结构层形成的热传导方向是自绝缘套管内的铜线绕组传导到定子铁芯的内壁，藉由转子转动产生的气流进行散热，两个散热方向不一致，不会造成热量散发途径的交叉，也就不会由于热流的导向汇聚而降低散热效能。

作为更加优化的方案，第一导热结构层41与定子铁芯1紧密接触，并沿定子铁芯的外表面向另一端绕组端部延伸，定子铁芯的热量传导至第一导热结构层进行散热。更值得一提的是，延伸至绝缘套管内的第二导热结构层为非密封式填充结构，定子绕组的热量藉由第二导热结构层传导，并通过定子绕组与绝缘套管的散热空间进行热对流散热。

在以上本实施例中，导热结构层可以为导热粘合剂石墨烯、导热硅脂、导热膏、散热膏、散热硅胶其中的一种，也可以为其它效果更好的绝缘导热材料，如现在效果较为优良的纳米散热材料；导热结构层通过填充设置在绕线端部的侧表面上，且与定子铁芯紧密接触。

实施例1

以马尔风电机为测试电机定子绕组，且采用的集中式绕组方式，电机绝缘等级为B级；测试采用电阻式测温法进行，测试时环境温度为28℃；并且准备了两个电机作为本次实验的样品，并编号为1号电机、2号电机；其中：

1号电机：为未处理的空白电机，并没有其余附加散热结构；

2号电机：为采用了导热结构层设置在绕组端部和定子铁芯之间的处理电机；

导热结构层使用的是导热硅脂，待导热硅脂完全固化后进行试验。

在1号电机和2号电机上，均设置有9个测温点，编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I。在1号电机上，两端的绕线端部分别设置有A、B、C和D、E、F且每侧的测温点是等距均匀分布的，在定子铁芯的外表面上，且是定子铁芯母线中点处设置有G、H、I测温点，且G、H、I测温点在定子铁芯的圆柱外表面上等距均匀分布。同理，在2号电机的相同位置也设置有A-I6个测温点，不同的是，A、B、C三个测温点分布在设置有导热结构层包覆的绕线端部上；具体实验数据如下表所示：

表1

从表1可以知道，整体测温点来看设置有导热结构层的电机定子相较未设置导热结构层的定子绕组的绕组温度均有所下降，其中，绕线端部的温度下降最为明显，以A-F测温点的温差平均值来看，平均下降温度达到10.8℃，这九个测温点又以A-C测温点的温度下降最为明显，最高能够达到15℃的降温效果，且相对为设置有导热结构层的绕线端部来说，降温效果明显要好，我们从实验数据可以明显看出，绕组端部设置有导热结构层承担了大部分的热传导通道，也就给其一侧提供了最高效的散热效果。

实施例2

以温州伟普电机为测试电机定子绕组，且采用的分布式绕组方式，电机绝缘等级为E级；测试采用直接给定子绕组施加电压方法进行，并且准备了两个电机作为本次实验的样品，并编号为1号电机、2号电机；测试时间为120min，其中：

1号电机：为未处理的空白电机，并没有其余附加散热结构；

2号电机：为采用了导热结构层设置在绕组端部和定子铁芯之间的处理电机；

在1号电机和2号电机上，均设置有4个测温点，编号为A、B、C、D。在1号电机上，一侧的绕线端部设置有A、B且测温点是等距均匀分布的；在定子铁芯的外表面上，且是定子铁芯母线中点处设置有C、D测温点，且C、D测温点在定子铁芯的圆柱外表面上等距均匀分布。同理，在2号电机的相同位置也设置有A-D共4个测温点，不同的是，A、B两个个测温点分布在设置有导热结构层包覆的绕线端部上；且设置了五组加载电压进行对比，具体实验数据如下表：

表2

从表2可以知道，整体测温点来看设置有导热结构层的电机定子相较未设置导热结构层的定子绕组的绕组温度均有所下降，其中，绕线端部的温度下降最为明显，以A-D测温点的温差平均值来看，平均下降温度达到14.94℃，这四个测温点的温度下降最高能够达到16.5℃的降温效果，对设置有导热结构层的绕线端部来说，降温效果明显要好，我们从实验数据可以明显看出，绕组端部设置有导热结构层承担了大部分的热传导通道，提供了散热效果更为散热方案。

本发明的优势在于：

1)现有的电机散热结构复杂，散热效能不高，本发明在绕组端部与定子铁芯之间创造性的用导热材料进行桥接，使得热传导方向变为绕组端部传导至定子铁芯进行散热，很大程度上提高了散热效能；

2)电机整体装配结构未发生改变，所以对现有使用环境不会增加限制条件，并且能够达到15℃左右的降温效能，大大提高了电机的使用寿命。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电机定子绕组的散热结构，包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组，定子绕组与定子铁芯之间设置有绝缘套管，其特征在于，所述定子绕组伸出所述定子铁芯的两端均形成绕组端部，所述绕组端部与所述定子铁芯之间设置有导热结构层，所述导热结构层为绝缘材料；所述导热结构层包覆在所述绕组端部的侧表面上，且所述导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，所述绕组端部的热量自所述导热结构层传导至所述定子铁芯的表层散热。

2.根据权利要求1所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述导热结构层完全包覆在其中一侧的所述绕组端部的侧表面上，形成套设在所述绕组端部上的环形结构，且与所述定子铁芯紧密接触。

3.根据权利要求2所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，并沿所述定子铁芯的外表面向另一端的所述绕组端部延伸，所述定子铁芯的热量传导至所述导热结构层进行散热。

4.根据权利要求2所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述导热结构层完全包覆在所述绕组端部的侧表面上，并沿所述定子绕组延伸至所述绝缘套管内的散热空间内，并藉由所述导热结构层传导所述定子绕组的热量。

5.根据权利要求4所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，延伸至所述绝缘套管内的所述导热结构层为非密封式填充结构，所述定子绕组的热量藉由所述导热结构层传导，并通过所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间进行热对流散热。

6.根据权利要求1所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，两侧的所述绕组端部分别设置有第一导热结构层和第二导热结构层；所述第一导热结构层包覆在所述绕组端部的侧表面上，且与所述定子铁芯紧密接触，所述定子绕组的热量自所述第一导热结构层传导至所述定子铁芯的表层散热；所述第二导热结构层填充在所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间内，所述定子绕组的热量藉由所述第二导热结构层传导热量进行散热。

7.根据权利要求6所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述第一导热结构层与所述定子铁芯紧密接触，并沿所述定子铁芯的外表面向另一端所述绕组端部延伸，所述定子铁芯的热量传导至所述第一导热结构层进行散热。

8.根据权利要求6所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，延伸至所述绝缘套管内的所述第二导热结构层为非密封式填充结构，所述定子绕组的热量藉由所述第二导热结构层传导，并通过所述定子绕组与所述绝缘套管的散热空间进行热对流散热。

9.根据权利要求1-8任一项所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述导热结构层为导热粘合剂石墨烯、导热硅脂、导热膏、散热膏、散热硅胶其中的一种。

10.根据权利要求9所述的电机定子绕组的散热结构，其特征在于，所述导热结构层通过填充设置在所述绕线端部的侧表面上，且与所述定子铁芯紧密接触。