CN110994899A - 一种用于电机的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的冷却结构，外层机壳内设有内层机壳，内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽内设置半导体制冷片；电机轴的前、后端分别设置径流叶片和轴流叶片，后端盖设有通气孔。实施中，电机的内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽内设置半导体制冷片，并与风冷结构相配合形成流道气流，可以达到快速制冷散热的效果，制冷效果非常优良。

Description

一种用于电机的冷却结构

技术领域

本发明涉及电机冷却的技术领域，具体地说是一种用于电机的冷却结构,尤其涉及一种半导体制冷和风冷制冷复合的电机冷却结构。

背景技术

电机在运行过程中，由线圈铜耗、铁芯损耗及转子风摩损耗等带来的热量，使电机各部件温度上升，当电机部件温升过高时，会影响电机使用寿命，甚至引起电机故障，尤其在电机体积较小或运行速度较高的情况下，电机散热更加困难，对电机冷却系统要求更高。常用的电机冷却方式有风冷、水冷和油冷，单一的风冷方式冷却效率低，散热能力有限；水冷方式在密封条件差的情况下，易产生液体泄漏，影响电机使用寿命；油冷方式虽然降温效果好，但其结构复杂，因此需要设计一种简单有效，安全可靠的电机冷却结构。

而半导体制冷又称热电制冷，可靠性高，制冷时间快，适用于空间受限的场合。半导体制冷片由两片陶瓷片组成，当陶瓷片中间的N型与P型半导体材料连结成电偶对时，通以直流电流，热量由N型元件转移到P型元件，N型元件为冷端，P型元件为热端。

但现有技术中往往采用单一的制冷方式，因此不仅制冷效果差，而且结构错综复杂，很容易造成安全隐患。

因此，市场上急需要一种新型的具有较强制冷能力的，运行更为安全可靠的电机冷却结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于电机的冷却结构，通过设置双层机壳，在机壳内嵌设制冷片，并与风冷结构相配合形成流道气流，使得冷却效果优良，同时运行安全可靠。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于电机的冷却结构，包括外层机壳，与外层机壳相连的前、后端盖，以及设在外层机壳内的电机轴，电机轴上设有转子、定子及电枢绕组，其特征在于：外层机壳内设有内层机壳，内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽内设置半导体制冷片；电机轴的前、后端分别设置径流叶片和轴流叶片，后端盖设有通气孔。

优选的，外层机壳内壁设有若干个轴向矩形齿，与内层机壳的每个凹槽位置相对应并嵌入凹槽内，使内、外层机壳固定连接；每个凹槽内设置至少3个半导体制冷片。

进一步，后端盖设有若干个沿圆周分布的扇形通气区域，扇形通气区域的数量和位置与凹槽的位置相对应，每个扇形通气区域设有依次排列的若干条通气孔。

更进一步，径流叶片的叶片外径与转子外径相同；轴流叶片沿圆周方向均匀排列，轴流叶片与电机轴之间的安装夹角为130°-150°，径流叶片和轴流叶片的数量均为奇数。

相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本发明所述的改进方案，电机的内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽内设置半导体制冷片，并与风冷结构相配合形成流道气流，可以达到快速制冷散热的效果，制冷效果非常优良，一般半导体制冷片两端温差可达到40-65℃之间，本发明通过风冷主动散热降低热端温度，可进一步实现冷端温度降低；

2、本发明的技术方案的中，电机轴的前、后端分别设置径流叶片和轴流叶片，后端盖设有通气孔，通过叶片和通气孔的对应设置和共同作用，可以促进电机内腔的空气流动，进一步提升冷却效果；

3、本发明的后端盖设有若干个沿圆周分布的扇形通气区域，扇形通气区域的数量和位置与凹槽的位置相对应，每个扇形通气区域依次排列有若干条通气孔，形成风冷通道与半导体制冷进行叠加的技术，同时结构简单，易于实施；

4、本发明的结构布局合理，便于安装和拆卸，降低了维护和保养的成本。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图。

图2为本发明的机壳的侧视图。

图3为本发明的后端盖的结构示意图。

附图标记：

1、外层机壳；2、内层机壳；3、前端盖；4、定子；5、转子；6、电枢绕组；7、径流叶片；8、电机轴；9、轴流叶片；

10、通气孔；10-1、进气孔；10-2、出气孔；11、半导体制冷片；12、温度传感器；13、自动控制器；14、电流控制器；15、后端盖；16、凹槽；17、矩形齿。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种用于电机的冷却结构，具体参见图1，包括外层机壳，与外层机壳相连的前、后端盖，以及设在外层机壳内的电机轴，电机轴上设有转子、定子及电枢绕组，其与现有技术的区别在于：外层机壳内设有内层机壳，内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽内设置半导体制冷片；电机轴的前、后端分别设置径流叶片和轴流叶片，后端盖设有通气孔。

使用时，叶片转动后在电机壳内部形成空气流动，叶片将风流从后端盖经由定子与转子间的气隙到达前端盖，然后穿过内层机壳的凹槽，带走半导体制冷片的热量，最后从后端盖的气孔中流出，完成一个制冷循环。不仅制冷效果好，同时有效降低电机各组件温度，避免电机局部温度过高，提高电机运行稳定性。

在一个实施例中，本发明是半导体制冷与风冷复合的一种电机冷却结构，通过电机内的风流回路，一方面对定子、转子及电枢绕组直接传导散热，另一方面对半导体制冷片进行散热，提高半导体制冷片散热效果。

具体来说，外层机壳内壁设有若干个轴向矩形齿，与内层机壳的每个凹槽位置相对应并嵌入凹槽内，使内、外层机壳固定连接，这里虽然轴向矩形齿是嵌入凹槽内，但内、外层机壳之间还是留有间隙的，间隙为3-5倍半导体制冷片厚度；每个凹槽内设置至少3个半导体制冷片。

进一步，半导体制冷片为扁平状立方体，冷端N型元件一侧贴在内层机壳凹槽表面，半导体制冷片宽度略小于凹槽宽度，每一个凹槽内半导体制冷片的数量不小于3个，如图1，在水平方向上，凹槽两端分别设有至少一个半导体制冷片，两端的半导体制冷片的垂直中线位于定子端面与绕组端部顶点区域内，制冷片用导热硅胶进行固定，同时导热硅胶填充半导体制冷片侧边与凹槽侧壁间的空隙，以加快导热速度。一个凹槽内的若干个半导体制冷片以串联方式连接，多个凹槽半导体制冷片组间以并联方式连接。同时，自动控制器通过检测到的电机绕组温度，实时传递电流调整信号，调整半导体制冷片输入电流大小，以调整其冷却功率；有效降低电机各组件温度，避免电机局部温度过高，提高电机运行稳定性。

在另一个实施例中，电机本体包括前端盖、机壳、后端盖、电机轴、机壳内随电机轴转动的叶片、转子、定子及电枢绕组。所述转子与定子之间存在气隙；所述机壳包括内层机壳与外层机壳，所述内层机壳开有轴向分布的凹槽，所述凹槽内轴向安装半导体制冷片，电机定子的热量传导到半导体制冷片的冷端，热量由冷端传导到半导体制冷片热端，再经由电机内的风流把半导体制冷片热端热量带走；所述后端盖开有通气孔；所述叶片在电机壳内部形成空气流动，叶片将风流从后端盖经由定子与转子间的气隙到达前端盖，然后穿过内层机壳的凹槽，带走半导体制冷片的热量，从后端盖的气孔中流出；所述自动控制器集成了温度传感器与电流控制器，温度传感器使用现有的通用PT100热敏电阻传感器，自动控制器以单片机AT89C52为核心控制单元，温度传感器与自动控制器连接，半导体制冷片与电流控制器连接，电流控制器为LT3791-1型号电流调节控制器，可根据电机冷却需求，选取市面上现有的电流控制器型号。自动控制器将温度传感器传来的温度信号进行运算处理成电流调节信号，并将电流调节信号发送给电流控制器，电流控制器调整半导体制冷片的输入电流，以控制半导体制冷片的冷却功率。这里的电路控制部分和电路连接部分为现有技术，这里就不再赘述其具体的工作原理和运行方法了，本发明主要保护的是冷却结构的机械结构和机械连接关系。

具体来说，后端盖设有若干个沿圆周分布的扇形通气区域，扇形通气区域的数量和位置与凹槽的位置相对应，每个扇形通气区域依次排列有若干条通气孔。每个扇形通气区，由圆心至圆周方向依次排列有4-8条由小及大的通气孔，一般来说，进气孔和出气孔的数量是等分的，排列在内侧靠近圆心的通气孔为进气孔，排列在外侧靠近圆周的通气孔为出气孔，进气孔和出气孔均呈圆弧状。进气孔与电机轴平行设置，便于更好的进气，出气孔与内层机壳之间形成一个夹角θ，0°＜θ＜45°，有利于快速出气。

进一步，定子与转子之间存在间隙，形成进风流道，内层机壳和外层机壳之间设有间隙，形成出风流道，进风流道的位置与进气孔位置相对应，出风流道的位置与出气孔的位置相对应。对应的，前端盖呈圆弧状，其内壁为内凹的弧面，使得进入机壳的气流在遇到内壁受阻后形成反弹气流，后端盖呈平面状，便于气流经过反弹后经由出气孔出去。

在第三个实施例中，外层机壳内侧的轴向矩形齿圆周分布，与内层机壳的凹槽对应，实现内层机壳与外层机壳的嵌套固定。所述内层机壳凹槽圆周分布，凹槽表面为石墨烯涂层，加快导热。

进一步的，所述半导体制冷片为扁平状立方体，冷端N型元件一侧贴在内层机壳凹槽表面，半导体制冷片宽度略小于凹槽宽度，每一个凹槽内半导体制冷片的数量不小于3个，凹槽两端分别至少有一个半导体制冷片与电枢绕组两端端部对齐，用导热硅胶进行固定，并填充半导体制冷片侧边与凹槽侧壁间的空隙，以加快导热速度。一个凹槽内的半导体制冷片以串联方式连接，多个凹槽半导体制冷片组间以并联方式连接。m相电机每绕组的端部各设置一个温度传感器，因此电机内存在m个温度传感器。

电机轴的前、后端分别设有叶片，叶片包含轴流叶片和径流叶片，电机轴靠近后端盖的位置安装轴流叶片，靠近前端盖位置安装径流叶片，以促进电机内腔空气流动。轴流叶片数量为p，沿圆周方向均匀排列，叶片安装角度为130°-150°，叶片长度与叶片外边半径的比值为0.7，叶片厚度根据电机转速调整，转速增大，叶片厚度增大，以保证叶片的结构强度。径流叶片的数量为q，叶片外径与转子外径相同。为避免偶数叶片易产生共振的现象，p和q取奇数。

在一个具体的实施例中，电机机壳由外层机壳1和内层机壳2嵌套而成，内层机壳2外侧圆周均匀分布6个轴向凹槽16，外层机壳1内侧圆周均匀分布6个轴向矩形齿17，矩形齿17与凹槽16对应并嵌入凹槽16，实现外层机壳1与内层机壳2的固定。电机5个轴流叶片9与11个径流叶片随电机轴8同步转动，在电机内形成风流回路，轴流叶片9位于电机后端盖15一侧，径流叶片8位于电机前端盖3一侧。电机后端盖15上的通气孔10为弧形，由圆周均匀分布的进气孔10-1和出气孔10-2组成，扇形通气区域的数量与凹槽16的数量相同为6个，通气孔10的中心线与凹槽16的中心线对齐，出气孔与凹槽16水平线角度ang为30°。一个凹槽16底部固定安装4块半导体制冷片11，4块半导体制冷片11串联方式连接，6个凹槽16间的半导体制冷片11以并联方式连接，并与LT3791-1型号电流控制器14连接，3个PT100热敏电阻传感器12固定在电枢绕组6端部，与自动控制器13连接，自动控制器13以单片机AT89C52为核心控制单元，自动控制器13与电流控制器14连接，通过PT100热敏电阻传感器12传来的温度信号，自动控制器13通过运算，将电流调整信号传递给电流控制器14，电流控制器14调整半导体制冷片11的输入电流，实时控制半导体制冷片11的冷却功率，有效提高电机的冷却效果。

电机启动时，径流叶片7与轴流叶片9随电机轴8同步转动，风流进入进气孔10-1，从轴流叶片9吹过电枢绕组6端部，通过定子4与转子5之间的气隙，到达前端盖3出，由径流叶片7吹向机壳并通过凹槽16，带走凹槽16内的半导体制冷片11热端的热量，最后在后端盖的出气孔10-2流出。风流不仅对电枢绕组6的端部进行直接冷却，还带走半导体制冷片11的热端热量，以实现半导体制冷片11的持续冷却的功能。

安装在电枢绕组6端部的温度传感器12将温度信号传递给自动控制器13，自动控制器13对温度信号处理，运算半导体制冷片11的需求电流，将电流调整信号传递给电流控制器14，通过调整半导体制冷片11的电流，实施控制半导体制冷片11的冷却功率。

本发明的一种半导体制冷与风冷复合电机冷却结构，电机内的风流回路，一方面对定子、转子及电枢绕组直接传导散热，另一方面对半导体制冷片进行散热，提高半导体制冷片散热效果；同时，自动控制器通过检测到的电机绕组温度，实时传递电流调整信号，调整半导体制冷片输入电流大小，以调整其冷却功率；有效降低电机各组件温度，避免电机局部温度过高，提高电机运行稳定性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电机的冷却结构，包括外层机壳，与外层机壳相连的前、后端盖，以及设在外层机壳内的电机轴，电机轴上设有转子、定子及电枢绕组，其特征在于：外层机壳内设有内层机壳，内、外层机壳之间嵌套设置，内层机壳开设有若干个轴向分布的凹槽，凹槽沿圆周均匀分布，凹槽内设置半导体制冷片；电机轴的前、后端分别设置径流叶片和轴流叶片，后端盖设有通气孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：外层机壳内壁设有若干个轴向矩形齿，与内层机壳的每个凹槽位置相对应并嵌入凹槽内，使内、外层机壳固定连接；每个凹槽内设置至少3个半导体制冷片。

3.根据权利要求1所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：后端盖设有若干个沿圆周分布的扇形通气区域，扇形通气区域的数量和位置与凹槽的位置相对应，每个扇形通气区域依次排列有若干条通气孔。

4.根据权利要求1所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：径流叶片的叶片外径与转子外径相同；轴流叶片沿圆周方向均匀排列，轴流叶片与电机轴之间的安装夹角为130°-150°，径流叶片和轴流叶片的数量均为奇数。

5.根据权利要求3所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：每个扇形通气区，由圆心至圆周方向依次排列有4-8条由小及大的通气孔，排列在内侧的通气孔为进气孔，排列在外侧的通气孔为出气孔，进气孔和出气孔均呈圆弧状。

6.根据权利要求5所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：进气孔与电机轴平行设置，出气孔与内层机壳之间形成一个夹角θ，0°＜θ＜45°。

7.根据权利要求5所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：定子与转子之间存在间隙，形成进风流道，内层机壳和外层机壳之间设有间隙，形成出风流道，进风流道的位置与进气孔位置相对应，出风流道的位置与出气孔的位置相对应。

8.根据权利要求1所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：前端盖呈圆弧状，其内壁为内凹的弧面，形成气流反弹面，后端盖呈平面状。

9.根据权利要求1所述的一种用于电机的冷却结构，其特征在于：电枢绕组的端部设有温度传感器。

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