CN110718979A - 一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构及电机和电机散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构及电机和电机散热方法，其中热管沿周向贯穿放置在转子铁芯中，并在转子铁芯两端沿径向向内弯曲，热管内装有相变工质。转子中心沿轴向放置输出轴，并将两个风扇分布套在输出轴两端，由输出轴带动风扇驱动空气流动。在电机工作时，热管内的液相相变工质吸收转子热量变为气态，并流到热管两端与流动的空气进行对流换热变为液态，随后空气被输送至外壳，将热量传递到环境中。热管两端的液态相变工质靠离心力作用重新回到转子内的热管内进行吸热。本发明能够有效地将转子铁芯内部的热量传递至环境中，解决现有技术难以冷却电机转子铁芯的难题，对提高电机工作寿命和效率有重要的意义。

Description

一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构及电机和电机散 热方法

技术领域

本发明涉及电机散热领域，具体涉及一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构及电机和电机散热方法。

背景技术

电机是将电能转化为机械能的一种装置，广泛应用于生活和工业生产过程中。在电机运行过程中，会产生多种损耗，这些损耗会使电机各部位的温度升高，降低其工作效率，严重时甚至会损坏电机。电机转子在电机的中心位置，相对与其他部件，转子铁芯内部的热量更难散发到电机外，有着更剧烈的温升，这也是目前电机领域有待解决的难题之一。

目前工业上广泛采用风扇强迫空气通过转子表面和其内部的通风孔的方式冷却电机转子。但由于空气的比热容较低，在电机中容易发生回流、涡旋等问题，所以这种冷却方式难以达到理想的转子铁芯冷却效果。基于流体的气液相变吸收热量是一种非常有效的冷却方式，中国专利CN108258852A公布了一种转子轴内蒸发冷却高速冷却永磁电机，沿转轴设置一空腔，用相变工质填充，利用工质气液相变吸收转子热量，工质在转轴中吸收热量后变成气态，会流向转轴两端进行冷凝。但是该专利仅靠转轴的冷却并不能直接快速地降低转子铁芯的温度，而且仅在转子轴中心填充工质，吸热量较低、难以满足转子铁芯冷却的需求。另一方面，该专利将转轴的热量传递到转子外部转轴，使其温度慢慢升高，会降低工质的冷凝效果，并且热管两端为锥形，换热面积小，难以满足工质的冷凝量和速率需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构及电机和电机散热方法，以解决现有技术中心电机转子散热效率不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，包括风扇和热管，热管沿电机转子的转子铁芯的轴向贯穿转子铁芯，热管位于转子铁芯两端的部分均沿转子铁芯的径向向内弯曲并形成弯曲部；热管内部添加有相变工质；所述热管沿所述转子铁芯的周向均匀分布若干个；所述风扇设置两个，两个风扇能够分别套设于电机的输出轴，两个风扇分别与热管两端的弯曲部相对设置，用于为所述弯曲部散热。

还包括用于将吸弯曲部热量后的空气进行冷却的风道，风道设置于电机的机壳内，风道一端的开口设置于吸收了弯曲部热量的空气的上风向，另一端的开口设置于吸收了弯曲部热量的空气的下风向。

热管的横截面为矩形、圆形、椭圆形或弧底梯形。

所述风扇为在叶轮尾缘附近带有导流罩的轴流风扇，风扇的导流罩直径与所有热管沿转子铁芯周向分布所构成的圆形直径相等。

所述相变工质为能够在热管内处于气液相平衡状态的相变工质。

所述相变工质采用R1233zd(E)或R410a这些环境友好型制冷剂。

当相变工质采用R1233zd(E)时，热管内部压强为0.3MPa～1MPa；当相变工质采用R410a时，热管内部压强为1.6MPa～3.2Mpa；应保证相变工质在设定压力下的沸点低于电机温度场达到稳态之后转子铁芯的温度。

一种具有上述基于气液相变的电机转子铁芯散热结构的电机。

一种上述电机的散热方法，包括如下过程：

电机工作时，转子铁芯旋转，热管随转子铁芯同步旋转，输出轴带动风扇旋转；

弯曲部内液态的相变工质沿热管内腔的外缘流入热管位于转子铁芯内部的部分，液态的相变工质蒸发吸收转子铁芯产生的热量，并变为气态的相变工质；

气态的相变工质沿热管内腔的内缘流入弯曲部；

风扇驱动的空气将弯曲部内气态的相变工质液化，形成液态的相变工质；

热管内的相变工质重复进行液态向气态的相变过程以及气态向液态的相变过程。

所述电机上设有所述风道，弯曲部利用所述风道进行冷却，使得弯曲部内气态的相变工质液化并放热，吸收了弯曲部放出热量的空气被加热，被加热的空气从位于下风向一侧的开口进入风道内部，进入风道内部的热空气沿着风道流动并将热量传递给机壳，同时使热空气冷却，机壳将热量散至电机外部并进一步传递至外部环境中，冷却后的空气从位于上风向一侧的开口流出并接着吸收弯曲部热量，使弯曲部进行冷却，空气被加热，如此循环实现对弯曲部的持续冷却。

所述电机中设有所述风道，弯曲部内气态的相变工质液化后被加热的空气经所述风道流向电机外壳，电机外壳将热量传递到环境中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于气液相变的电机转子铁芯散热结构中，热管位于转子铁芯两端的部分均沿转子铁芯的径向向内弯曲，热管内部添加有相变工质；因此当电机工作时，转子铁芯旋转，热管随转子铁芯同步旋转，弯曲部内液态的相变工质沿热管内腔的外缘流入热管位于转子铁芯内部的部分，液态的相变工质蒸发吸收转子铁芯产生的热量，并变为气态的相变工质；气态的相变工质沿热管内腔的内缘流入弯曲部；风扇驱动的空气将弯曲部内气态的相变工质液化，形成液态的相变工质；热管内的相变工质重复进行液态向气态的相变过程以及气态向液态的相变过程，从而实现持续地、直接有效地冷却转子铁芯，防止转子铁芯温度过高，因此本发明的基于气液相变的电机转子铁芯散热结构能够提高电机转子的散热效率，避免电机转子内部温度过高所导致的电机工作寿命缩短和损坏等问题。

本发明的电机有与具有本发明上述转子铁芯散热结构，因此能够避免电机转子内部温度过高所导致的电机工作寿命缩短和损坏等问题，电机的效率和使用寿命较高。

由上述可以看出，本发明电机的散热方法能够有效降低电机转子内部的温度、提高电机的效率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明电机中转子铁芯轴向视图；

图2为本发明电机中热管在转子铁芯外侧弯曲部分的细节图；

图3为本发明电机中风扇的相对位置示意图；

图4为本发明电机中热管内相变工质流向图；

图5为本发明电机中风道示意图。

图中：11.转子铁芯，12.转子导条，13.热管，14.弯曲部，15.输出轴，33.风扇，42.热管，43.液态相变工质蒸发吸热过程，44.气态工质流动方向，45.液态工质流动方向，51.机壳，52.输出轴，53.风道。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过附图和具体实施案例来对本发明进行详细阐述。

参照图1～图4，本发明基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，包括风扇33和热管13，热管13沿电机转子的转子铁芯11的轴向贯穿转子铁芯11，热管13位于转子铁芯11两端的部分均沿转子铁芯11的径向向内弯曲形成弯曲部14，弯曲部14的存在能够使液相相变工质能够靠离心力回到转子铁芯内部热管内；热管13内部添加有相变工质；所述热管13沿所述转子铁芯11的周向均匀分布若干个；所述风扇33设置两个，两个风扇33能够分别套设于电机的输出轴15，两个风扇33分别与热管13两端的弯曲部14相对设置，用于为所述弯曲部14散热。输出轴15设置于转子铁芯11中心，输出轴15能够带动风扇33驱动空气流动。

作为本发明优选的实施方案，本发明上述基于气液相变的电机转子铁芯散热结构还包括用于将吸弯曲部14热量后的空气进行冷却的风道53，风道53设置于电机的机壳51内，风道53一端的开口设置于吸收了弯曲部14热量的空气的上风向，另一端的开口设置于吸收了弯曲部14热量的空气的下风向。

作为本发明优选的实施方案，风道53可以设置为孔洞式的流道，此时机壳51在输出轴52的周向均匀设置多个风道53。

作为本发明优选的实施方案，参照图5，风道53的机构还可以为：将机壳51做成具有空心夹层的结构，在空心夹层的两端沿输出轴52的周向均匀开设多个开口，所述开口与空心夹层是连通的。

作为本发明优选的实施方案，热管13的和截面可以根据需求进行选择，其横截面选用矩形、圆形、椭圆形或弧底梯形。

作为本发明优选的实施方案，参照图3，风扇33为在叶轮尾缘附近带有导流罩的轴流风扇，风扇33的导流罩直径与所有热管13沿转子铁芯11周向分布所构成的圆形直径相等，使产生的空气可以接触热管在转子铁芯外侧的弯曲部分(即弯曲部14)，增加散热效果。

作为本发明优选的实施方案，相变工质为能够在热管13内一直处于气液相平衡状态的相变工质，使整个所述转子铁芯的热量都能传导至热管。相变工质在热管13内压力下的饱和温度低于电机工作安全温度。

作为本发明优选的实施方案，相变工质采用R1233zd(E)或R410a这些环境友好型制冷剂。

作为本发明优选的实施方案，热管13使用R1233zd(E)时，内部压强为0.3MPa～1MPa；使用R410a时，内部压强为1.6MPa～3.2MPa。

作为本发明优选的实施方案，热管的数量和相变工质的充注量可根据转子的冷却需求进行调整。

本发明的电机具有上述基于气液相变的电机转子铁芯散热结构。

本发明电机的散热方法，包括如下过程：

电机工作时，转子铁芯11旋转，热管13随转子铁芯11同步旋转，输出轴15带动风扇33旋转；

弯曲部14内液态的相变工质沿热管13内腔的外缘流入热管13位于转子铁芯11内部的部分，液态的相变工质蒸发吸收转子铁芯11产生的热量，并变为气态的相变工质；

气态的相变工质沿热管13内腔的内缘流入弯曲部14；

风扇33驱动的空气将弯曲部14内气态的相变工质液化，形成液态的相变工质；

热管13内的相变工质重复进行液态向气态的相变过程以及气态向液态的相变过程。

作为本发明优选的实施方案，电机中设有上述风道53，弯曲部14内气态的相变工质液化后被加热的空气经所述风道53流向电机外壳，电机外壳将热量传递到环境中。

作为本发明优选的实施方案，如图5所示，电机上设有所述风道53，弯曲部14利用所述风道53进行冷却，使得弯曲部14内气态的相变工质液化并放热，吸收了弯曲部14放出热量的空气被加热，被加热的空气从位于下风向一侧的开口进入风道53内部，进入风道53内部的热空气沿着风道53流动并将热量传递给机壳51，同时使热空气冷却，机壳51将热量散至电机外部，冷却后的空气从位于上风向一侧的开口流出并接着吸收弯曲部14热量，使弯曲部14进行冷却，空气被加热，被加热的空气再次从位于下风向一侧的开口进入风道53内部进行冷却，如此循环能够实现对弯曲部14的持续冷却。

实施例

本实施例的电机中，热管13沿转子铁芯11的周向均匀分布，热管13沿转子铁芯11的轴向贯穿放置在空心圆柱状的转子铁芯11中，热管13的两端分别延伸出转子铁芯11的两端，并且热管13延伸出转子铁芯11的部分沿转子铁芯11的径向向内弯曲，热管13内添加有一直处于气液相平衡状态的相变工质。转子铁芯11的中心沿轴向设置输出轴15，并将两个风扇33分布套在输出轴15两端，由输出轴15带动风扇33并驱动空气流动。风扇33为在叶轮尾缘附近带有导流罩的轴流风扇，风扇33的导流罩直径与所有热管13周向排列所构成的圆形的直径相等(参见图3)。电机设计有风道53，风道53的一端开口设置于吸收了热管13热量的空气的上风向，风道53的另一端开口延伸至电机的机壳夹层内，空气在弯曲部14吸收热管放出的热量后进入风道53，进入风道53的热空气经过机壳内部的夹层向电机外散热，使得空气冷却，冷却后的空气随后通过风道53的另一端开口流至空气的上风向完成工作循环(参见图5)。在本实施例中，热管13的横截面选择为长方形，选用相变工质为R1233zd(E)，热管13内部压强为0.3MPa，此时该相变工质的沸点为50℃

本实施例电机的散热过程如下：

如图4所示，电机工作时，转子铁芯11旋转所产生的离心力使热管13的弯曲部14内的液态相变工质沿液态工质流动方向45回流到转子铁芯11内部的对应热管内。热管13位于转子铁芯11内的部分，其中的液态相变工质蒸发吸收转子铁芯11产生的热量，气态的相变工质通过密度差作用沿气态工质流动方向44流向热管13在转子铁芯外侧的弯曲部分(即弯曲部14)。风扇33驱动的空气对流将弯曲部14内部的相气态变工质液化，液化后的相变工质通过离心力沿液态工质流动方向45重新回到热管13位于转子铁芯11内的部分，再次吸热。同时，吸收了弯曲部14热量的空气通过风道53流向外壳并将热量传递到环境中。如此循环工作，将转子内的热量快速转换至环境中，本实施例的电机可以直接有效地对转子铁芯进行冷却，能够防止转子铁芯温度过高，具有能够高效散热冷却的特点。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其的限制，尽管参照全书式实力对本发明进行了说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以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，而这些修改或替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，包括风扇(33)和热管(13)，热管(13)沿电机转子的转子铁芯(11)的轴向贯穿转子铁芯(11)，热管(13)位于转子铁芯(11)两端的部分均沿转子铁芯(11)的径向向内弯曲，并形成弯曲部(14)；热管(13)内部添加有相变工质；所述热管(13)沿所述转子铁芯(11)的周向均匀分布若干个；所述风扇(33)设置两个，两个风扇(33)能够分别套设于电机的输出轴(15)，两个风扇(33)分别与热管(13)两端的弯曲部(14)相对设置，用于为所述弯曲部(14)散热。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，还包括用于将吸弯曲部(14)热量后的空气进行冷却的风道(53)，风道(53)设置于电机的机壳(51)内，风道(53)一端的开口设置于吸收了弯曲部(14)热量的空气的上风向，另一端的开口设置于吸收了弯曲部(14)热量的空气的下风向。

3.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，热管(13)的横截面为矩形、圆形、椭圆形或弧底梯形。

4.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，所述风扇(33)为在叶轮尾缘附近带有导流罩的轴流风扇，风扇(33)的导流罩直径与所有热管(13)沿转子铁芯(11)周向分布所构成的圆形直径相等。

5.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，所述相变工质为能够在热管(13)内处于气液相平衡状态的相变工质。

6.根据权利要求5所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，所述相变工质采用R1233zd(E)或R410a。

7.根据权利要求6所述的一种基于气液相变的电机转子铁芯散热结构，其特征在于，当相变工质采用R1233zd(E)时，热管(13)内部压强为0.3MPa～1MPa；当相变工质采用R410a时，热管(13)内部压强为1.6MPa～3.2MPa。

8.一种具有权利要求1-7任意一项所述的基于气液相变的电机转子铁芯散热结构的电机。

9.一种权利要求8所述电机的散热方法，其特征在于，包括如下过程：

电机工作时，转子铁芯(11)旋转，热管(13)随转子铁芯(11)同步旋转，输出轴(15)带动风扇(33)旋转；

弯曲部(14)内液态的相变工质沿热管(13)内腔的外缘流入热管(13)位于转子铁芯(11)内部的部分，液态的相变工质蒸发吸收转子铁芯(11)产生的热量，并变为气态的相变工质；

气态的相变工质沿热管(13)内腔的内缘流入弯曲部(14)；

风扇(33)驱动的空气将弯曲部(14)内气态的相变工质液化，形成液态的相变工质；

热管(13)内的相变工质重复进行液态向气态的相变过程以及气态向液态的相变过程。

10.根据权利要求9所述的散热方法，其特征在于，所述电机上设有所述风道(53)，弯曲部(14)利用所述风道(53)进行冷却，使得弯曲部(14)内气态的相变工质液化并放热，吸收了弯曲部(14)放出热量的空气被加热，被加热的空气从位于下风向一侧的开口进入风道(53)内部，进入风道(53)内部的热空气沿着风道(53)流动并将热量传递给机壳(51)，同时使热空气冷却，机壳(51)将热量散至电机外部，冷却后的空气从位于上风向一侧的开口流出并接着吸收弯曲部(14)热量，使弯曲部(14)进行冷却，空气被加热。

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