CN112054613A - 一种水冷电机定子及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷电机定子，包括定子机座、定子铁心、铁心压板、水冷系统以及端部防护系统，所述的定子机座为笼型机座，所述的定子铁心由齿部和轭部组成，所述水冷系统由槽口冷却器和轭部冷却器组成，所述轭部冷却器由轭部水管和一体化托架组成，所述端部防护系统由一体化托架、端部内外罩和高导热硅脂组成；定子机座与定子铁心装配成一体，所述各部件组成了一个水冷电机定子；本发明的水冷电机定子，冷却效能高，可靠性好，集成度高，较好地解决了高功率密度电机端部防护和冷却的问题。

Description

一种水冷电机定子及电机

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，具体涉及一种水冷电机定子，以及具有该定子的电机。

背景技术

永磁电机具有机构简单，运行可靠，损耗少，效率高，可以实现直驱控制等优点，因此广泛应用于船舶推进、矿山开采，冶金轧钢、风力发电等各种工业领域。为了满足不同应用环境，不同驱动负载的要求，对电机的尺寸大小及重量提出了更高的要求，因此对电机的电磁热负荷要求也越来越高，即要求电机的功率密度越来越大。

电机运转过程会产生损耗，在电机内部转换成热量，造成电机内部各部件温度升高，高功率密度必然增大电机运行时单位体积的发热，使得电机绕组和转子永磁体等关键部件的温升升高。为了保证电机稳定安全运行，电机的温升不能超过一定的数值，采用合理的冷却系统对控制电机的温升非常重要。

传统的高功率密度永磁电机通常是采用水套机座或者在铁心轭部穿管对电机进行冷却，定子绕组产生的热量需先沿径向和周向通过热传导的方式至定子铁心的轭部和齿部，然后由定子铁心传到水套机座或定子轭部水管由冷却水带走。此种冷却方式的缺点是其发热源距离冷源较远，热传导路径较长，且其未能解决永磁电机转子永磁体冷却问题，因此其冷却效果有限，电机功率密度的提升受到限制。

为了解决上述问题，现有技术出现了采用强迫风冷和槽内水冷结构或槽内水冷和机座水冷复合的技术方案，其虽然可以对电机的发热部件进行直接冷却，但是由于风冷的冷却方式冷却效能有限，对于高功率密度、超高功率密度永磁电机，尤其电机绕组端部，并不能达到所能要求的冷却效果。此外，风冷具有很大的噪声，并不适合于对于噪声有严格要求的场合。

因此需要一种能满足高功率密度、超高功率密度永磁电机的定子冷却方案，以进一步提高永磁电机的功率密度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种水冷电机定子及电机，以解决电机绕组和转子永磁体的冷却问题。

为实现上述目的，本发明提供一种水冷电机定子，用于对电机定子各部件进行冷却，包括笼型的定子机座、位于定子机座内的定子铁心以及设置在定子铁心两端的铁心压板，笼型定子机座由钢板焊接而成，定子铁心槽内嵌放有绕组；所述的定子铁心槽内及两端还分别设置有水冷系统及端部防护系统；所述的定子铁心由内侧设齿部、外缘开设轭部的定子冲片叠压而成；所述的铁心压板由齿部压板和轭部压板组成，通过拉杆与定子铁心固定在一起；所述的水冷系统包括集水总管、嵌放在定子铁心槽内的槽口冷却器和穿设于定子铁心轭部的轭部冷却器，用于带走所述定子铁心和绕组的热量，冷却水进入作为进水总管的集水总管，然后分别进入作为水管支路的槽口冷却器和轭部冷却器，带走所述定子铁心和端部绕组的热量，再通过集水总管的出水口排出，所述的槽口冷却器由延伸至定子铁心端部的多根矩形水管并联而成，用于消除串联反电动势，所述的轭部冷却器固定于轭部压板，由延伸至定子铁心端部的轭部水管和一体化托架组成，所述的一体化托架采用高导热金属材料一体化铸造成型，用于增强导热和加强端部绕组散热，一体化托架内表面形状与端部绕组适配，沿轴向设置有将液态锡灌入定子铁心、齿部压板、轭部压板与轭部水管之间间隙的灌锡通道，所述一体化托架的端部设置有绕组固定端箍；所述的端部防护系统由端部内罩和端部外罩组成，所述的端部内罩点焊固定于齿部压板，所述的端部外罩通过固定螺钉固定于一体化托架上的凸台螺纹孔，所述端部内罩、端部外罩与一体化托架之间形成的端部腔体内灌封导热硅脂，用于将端部绕组的热量传导至槽口冷却器水管和轭部冷却器水管，从而降低端部绕组温度，并对端部绕组起到防护作用，提高电机定子可靠性。

所述的一种水冷电机定子，其轭部水管由一根水管弯制而成，通过铸造方法与一体化托架集成在一起，水管无焊点，所有的焊点分布在集水总管处，以降低漏水风险，提高电机可靠性。

所述的一种水冷电机定子，其轭部冷却器有多组，呈镜像均布于定子铁心轴向两端。

所述的一种水冷电机定子，其轭部压板为整圆结构；齿部压板也可为整圆结构，当齿部压板因尺寸太大无法保证加工精度时，可为分瓣结构，用于降低加工难度。

所述的一种水冷电机定子，其端部内罩和端部外罩为薄板卷成，用于形成端部导热硅脂容腔；材料为低导磁金属如不锈钢、钛合金等，也可为膨胀率较高的非金属材料如氟橡胶、硅橡胶等，其材料选择根据不同型号导热硅脂的膨胀率、灌封工艺等来确定，以防止灌封后发生开裂。

所述的一种水冷电机定子，其高导热硅脂在轴向上可为同一种型号，也可轴向分层：内层导热系数较高、机械强度较低，占据轴向大部分空间，以增强导热为主；外层导热系数较低，机械性能较好，在内层固化后灌注，以增强机械性能为主。

本发明提供一种水冷电机，具有上述水冷电机定子。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1，本发明采用在定子内圆的齿部和定子外圆的轭部分别设置水管的冷却方式，这种冷却方案具有很高的冷却效能，极大缩短了电机发热部件与冷源的传导距离，此外槽口水管的布置解决了永磁电机转子永磁体冷却问题，有利于永磁电机功率密度的进一步提升。

2，槽口水管和轭部水管分别延伸至电机端部，并通过端部灌注导热硅脂，解决了端部绕组上下层导体与槽口水管和轭部水管两层冷源间的空气热阻问题，加强了端部绕组的散热，并对端部绕组起到了一定的防护作用。

3，采用铸造方法将一体化托架与轭部水管集成，其中一体化托架与端部绕组适形，二者距离很小，一体化托架热导率高，极大减小了端部绕组与轭部水管间传热热阻，解决了端部绕组下层边的冷却问题。

4，端部导热硅脂可根据需要采用轴向分层结构，分别采用热导率较高、机械性能较低和热导率较低、机械性能较高的两种导热硅脂，既降低了端部绕组与两侧水管间热阻，又增强了端部导热硅脂的整体机械性能。

附图说明

图1为本发明的总体结构剖视图；

图2为本发明的轴测视图示意图；

图3为本发明的轭部冷却器的结构示意图。

各附图标记为：1—定子机座，2—定子铁心，3—铁心压板，3.1—齿部压板，3.2—轭部压板，4—水冷系统，4.1—槽口冷却器，4.2—轭部冷却器，4.2.1—轭部水管，4.2.2—一体化托架，4.2.2.1—灌锡通道，4.2.2.2—凸台螺纹孔，4.2.2.3—绕组固定端箍，5—端部防护系统，5.1—端部内罩，5.2—端部外罩，5.3—导热硅脂，5.4—固定螺钉。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，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。

图1为本发明实施例的一种水冷电机定子结构示意图。参照图1、图2所示，整个水冷定子主要由定子机座1、定子铁心2、铁心压板3、水冷系统4和端部防护系统5组成。

参照图2所示，本发明实施例方案所述槽口冷却器4.1的水管和轭部冷却器4.2的水管均为整管，与传统方案相比，减小了电机内部漏水风险，极大地提高了电机的可靠性。

参照图3所示，本发明实施例方案所述轭部水管4.2.1沿径向插入所述定子铁心2的轭部，并用螺钉固定于轭部压板3.2的相应螺纹孔。完成轭部冷却器4.2的固定后，沿一体化托架4.2.2上的灌锡通道4.2.2.1灌注高导热金属锡，用于填充定子铁心2、齿部压板3.1、轭部压板3.2与轭部水管4.2.1之间的间隙，减小传热热阻，提高传热效率。

本发明的水冷电机定子可解决目前的高功率密度电机、超高功率密度电机的定子槽内绕组、端部绕组及转子永磁体的冷却问题，电机端部灌封导热硅脂5.3，进一步提高了电机的可靠性和防护性能。因取消冷却风扇，电机整体紧凑，集成度高，可进一步减小电机的体积和重量，大幅度提高电机功率密度，提高产品市场竞争力。

在本发明的优选实施例中，因电机定子齿压板内外径较大，如为整圆结构，则齿加工易变形，故本实施例中将传统的单个齿压板改为齿部压板3.1和轭部压板3.2组合结构：齿部压板3.1设计为分瓣结构，用于实现对定子铁心2齿部的压紧；轭部压板3.2因无齿，加工精度易得到保证，为整圆结构，用于实现对定子铁心2轭部的压紧。

参照图3所示，本发明实施例方案所述的轭部冷却器4.2由轭部水管4.2.1和一体化托架4.2.2组成，二者通过铸造方式固定在一起。所述的轭部水管4.2.1为单根整管弯制而成，水管周向和径向均为双排结构，极大提高对流换热面积，提高了轭部水管冷却效能。

参照图3所示，本发明实施例方案所述的一体化托架4.2.2为异形结构，采用铸造方法与轭部水管4.2.1固定为一整体结构，一体化托架4.2.2的端部设置有绕组固定端箍4.2.2.3；一体化托架与端部绕组适形，其内表面与端部绕组留有一定距离，一般为2-6mm，本实施例中为4mm。

本实施例的一体化托架4.2.2起到的作用有四个：一是封闭定子铁心2、齿部压板3.1和轭部压板3.2的环形容腔，形成金属锡单一进出通道；二是缩短端部绕组下层边距离轭部水管的距离，减小传热热阻，提高传热效率；三是通过与端部内罩5.1、端部外罩5.2的配合，形成端部防护系统5的边界，为导热硅脂5.3提供灌封容腔；四是起到端部绕组端箍作用，用于固定端部绕组。

参照图2所述，本发明实施例方案所述的端部防护系统5由端部内罩5.1、端部外罩5.2、导热硅脂5.3、固定螺钉5.4和一体化托架4.2.2组成。所述端部内罩5.1通过与齿部压板3.1内圆点焊实现固定，实现端部内罩5.1的固定；端部外罩5.2通过固定螺钉5.4固定于一体化托架4.2.2上的凸台螺纹孔4.2.2.2，端部内罩5.1、端部外罩5.2材料为膨胀率较高的非金属材料入氟橡胶、硅橡胶等，以防止灌封开裂。

在本发明的优选实施例中，因电机的功率密度较高，电机端部绕组发热严重，对导热硅脂5.3的热导率要求高，致其机械性能差，为此端部导热硅脂可采用轴向分层结构，内层采用热导率较高、机械性能较低的导热硅脂，外层采用热导率较低、机械性能较高的导热硅脂，既降低了端部绕组与两侧水管空气热阻问题，又增强了端部高导热硅脂的整体机械性能。由此组成的端部防护系统5，在解决了端部绕组绝缘防护的同时，还解决了端部绕组散热问题，极大的提高了电机的可靠性。

本发明的水冷电机定子可解决目前的高功率密度电机、超高功率密度电机的定子槽内绕组、端部绕组及转子永磁体的冷却问题，且电机水路焊接点集中于集水器处，电机端部灌封高导热硅脂，进一步提高了电机的可靠性和防护性能。因取消冷却风扇，电机整体紧凑，集成度高，可进一步减小电机的体积和重量，大幅度提高电机功率密度，提高产品市场竞争力。

该冷却方案具有很高的冷却效率，能够直接带走电机各部件包括端部绕组产生的热量，电机端部灌封高导热硅脂在提高端部防护性能，减小漏水或浸水产生风险的同时，还减小了端部绕组与冷源的热阻，提高了传热效率；一体化托架减小了端部绕组与冷源的热阻，从而可以有效降低端部绕组的温升。此外，槽口水管的布置减少了绕组交流铜耗，缩短了转子永磁体与冷源的距离，能使转子永磁体处于较低的环境温度，解决了高功率密度、超高功率密度永磁电机转子冷却困难的难题。

与传统电机定子相比，在保证电机可靠性及防护性能的要求下，电机整体结构紧凑，集成度高，尺寸小重量轻，功率密度指标优势明显，产品市场竞争力强，具有较好的改进效果。

本发明在提高电机功率密度、提高电机防护性能和可靠性、降低成本及减振降噪等方面均有较大程度的创新，特别适合在高功率密度或超高功率密度、低转速、结构紧凑、防护性能和可靠性要求高等要求的船舶推进用电动机或工业用低速永磁直驱电机中运用。

最后应说明的是：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 (8)

1.一种水冷电机定子，包括笼型的定子机座（1）、位于定子机座（1）内的定子铁心（2）以及设置在定子铁心（2）两端的铁心压板（3），定子铁心（2）的槽内嵌放绕组；其特征在于：所述的定子铁心（2）槽内及两端还设置有水冷系统（4）及端部防护系统（5）；所述的定子铁心（2）由内侧设齿部、外缘开设轭部的定子冲片叠压而成；所述的铁心压板（3）由齿部压板（3.1）和轭部压板（3.2）组成，通过拉杆与定子铁心（2）固定在一起；所述的水冷系统（4）包括集水总管、嵌放在定子铁心（2）槽内的槽口冷却器（4.1）和穿设于定子铁心（2）轭部的轭部冷却器（4.2），用于带走所述定子铁心（2）和绕组的热量，所述的槽口冷却器（4.1）由延伸至定子铁心（2）端部的多根矩形水管并联而成，所述的轭部冷却器（4.2）固定于轭部压板（3.2），由延伸至定子铁心（2）端部的轭部水管（4.2.1）和一体化托架（4.2.2）组成，所述的一体化托架（4.2.2）采用高导热金属材料一体化铸造成型，一体化托架（4.2.2）内表面形状与端部绕组适配，沿轴向设置有将液态锡灌入定子铁心（2）、齿部压板（3.1）、轭部压板（3.2）与轭部水管（4.2.1）之间间隙的灌锡通道（4.2.2.1），所述一体化托架（4.2.2）的端部设置有绕组固定端箍（4.2.2.3）；所述的端部防护系统（5）由端部内罩（5.1）和端部外罩（5.2）组成，所述的端部内罩（5.1）固定于齿部压板（3.1），所述的端部外罩（5.2）通过固定螺钉（5.4）固定于一体化托架（4.2.2）上的凸台螺纹孔（4.2.2.2），所述的端部内罩（5.1）、端部外罩（5.2）与一体化托架（4.2.2）形成高导热硅脂（5.3）的灌封容腔。

2.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的轭部水管（4.2.1）由一根水管弯制而成，通过铸造与一体化托架（4.2.2）集成在一起。

3.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的轭部冷却器（4.2）有多组，呈镜像均布于定子铁心（2）轴向两端。

4.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的轭部压板（3.2）为整圆结构，所述的齿部压板（3.1）为整圆结构或分瓣结构。

5.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的端部内罩（5.1）和端部外罩（5.2）材料为低导磁金属或膨胀率较高的非金属。

6.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的高导热硅脂（5.3）在轴向为同一型号。

7.根据权利要求1所述的一种水冷电机定子，其特征在于，所述的高导热硅脂（5.3）在轴向分层，内层的高导热硅脂较之外层导热系数高且机械强度低。

8.一种具有权利要求1至7任一项所述的水冷电机定子的电机。

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