CN112117869A - 冷却组件外置式电机冷却结构及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却组件外置式电机冷却结构及冷却方法，包括空压机，所述空压机的出气口处通过冷却管组连接有降温降压组件，所述降温降压组件的输出端引回空压机内；所述降温降压组件包括换热器，所述换热器的进气一端与空压机输出高温高压气体处连通，换热器的输出端连通有膨胀叶轮，所述膨胀叶轮的输出端引回空压机内；所述换热器还设有用于给换热器提供常温常压空气的鼓风组件，所述鼓风组件包括被膨胀叶轮驱动的鼓风机、连接鼓风机和换热器的鼓风管道。经过降温降压组件处理，使得进入电机内的冷却空气温度可以远小于环境温度，对整个电机，尤其是电机转轴的冷却效果远好于普通的风冷、水冷。

Description

冷却组件外置式电机冷却结构及冷却方法

技术领域

本发明涉及电机冷却技术领域，尤其是一种冷却组件外置式电机冷却结构及冷却方法。

背景技术

高转速空压机效率高、体积小、而且维护成本低，具有广泛的应用，如燃料电池汽车、造纸行业、污水处理等。但目前高转速空压机功率一般不会很大，其主要原因为随着转速和功率的提升，电机存在着发热高、散热困难的问题，尤其是电机转子，发热密度高，散热面积小，若散热不足温度过高存在退磁风险，严重影响电机的可靠性及寿命。

目前针对电机的冷却方式主要有空冷、空空冷、空水冷、液冷、蒸发冷等几种方式，这几种冷却方式在高功率密度、高热负荷的电机上应用时都有无法克服的困难：

空冷、空空冷及空水冷都是驱动空气在电机内流动达到冷却电机的目的，直接的冷却介质为常温空气，由于空气的密度及比热容较低，因而冷却能力有限，很难将电机的功率密度及热负荷提升到较高水平；

液冷冷却能力强，但冷却液只能通向电机定子，向电机转子通液有一定困难，而且设备复杂，成本高，目前只有在大型电机(兆瓦级以上)上会向电机转子通液，在中小型电机上应用液冷时电机转子还是依靠空气冷却，由于受到电机转子散热能力的限制，液冷在进一步提升电机热负荷及功率密度上也受到限制；

蒸发冷与液冷类似，蒸发冷冷却能力强，但依然很难提升对电机转子的冷却能力，而且蒸发冷对电机的密闭要求高，附属设备多，成本高，在大规模应用上不具明显竞争优势。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的冷却组件外置式电机冷却结构及冷却方法，从而通过设计任意膨胀流量、任意转速的膨胀叶轮获得低于环境温度的冷却气流，从而提升电机的功率密度及热负荷。

本发明所采用的技术方案如下：

一种冷却组件外置式电机，包括空压机，所述空压机的出气口处通过冷却管组连接有降温降压组件，所述降温降压组件的输出端引回空压机内；

所述降温降压组件包括换热器，所述换热器的进气一端与空压机输出高温高压气体处连通，换热器的输出端连通有膨胀叶轮，所述膨胀叶轮的输出端引回空压机内；

所述换热器和膨胀叶轮之间还设有用于给换热器提供常温常压空气的鼓风组件，所述鼓风组件包括被膨胀叶轮驱动的鼓风机、连接鼓风机和换热器的鼓风管道。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述冷却管组包括：

旁通管道，从空压机输出高温高压气体处引出，连通至换热器处；

常温管道，连通于换热器和膨胀叶轮之间；

低压管道，连通于膨胀叶轮和空压机内腔。

所述空压机包括机座，机座内安装电机定子铁心，电机定子铁心上绕有电机绕组，电机转轴置于机座中心轴线，冷却管组输出的冷却流体流经电机转轴与电机定子铁心。

所述换热器采用空空换热器或空水换热器。

所述膨胀叶轮和鼓风机同轴设置。

一种利用冷却组件外置式电机的冷却方法，制冷过程包括如下步骤：

一、空压机输出高温高压空气的循环使用：

启动空压机，常温空气或外界冷源通过换热器进入空压机内，被空压机运转形成高温高压气体；空压机输出的高温高压气体经过旁通管道进入换热器，被换热器转化为常温高压气体后，进入常温管道；常温高压气体经由冷却管道输至膨胀叶轮处，对膨胀叶轮做功，变为低温低压空气；

二、鼓风机作为外风路，补偿常温常压空气给换热器：

膨胀叶轮带动鼓风机，鼓风机抽取常温常压空气，输送至换热器处，作为换热器的外风路，外风路的常温常压气体经过换热器，将空压机输出的高温高压气体冷却为常温高压气体，然后外风路气体排至外界。

三：冷却电机：

所有的低温低压空气在空压机内流动，流经电机转轴、电机绕组与电机定子铁心，对空压机内部进行冷却降温后，从空压机侧壁的排气口输出。

本发明的有益效果如下：

本发明中，膨胀叶轮和鼓风机相连且置于空压机外的设计，可以任意设计膨胀流量，依据膨胀流量设计膨胀叶轮及膨胀叶轮转速。膨胀叶轮与鼓风机同轴的设计有如下两个优势：一是膨胀叶轮要达到膨胀高压空气的目的，必须向外输出功，鼓风机作为膨胀叶轮的制动器；二是鼓风机驱动的空气正好可以冷却刚从空压机引出来的高温高压空气。

经过降温降压组件处理，使得进入电机内的冷却空气温度可以远小于环境温度，对整个电机，尤其是电机转轴的冷却效果远好于普通的风冷、水冷；

较好的冷却效果可以大大提升电机的热负荷及功率密度，降低电机成本，实现电机及整个空压机的小型化；

本发明结构紧凑，并且对电机的改动小，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为本发明电机的整体结构示意图。

图2为本发明电机和降温降压组件的剖视图。

其中：1、空压机；2、冷却管组；3、降温降压组件；4、鼓风组件；5、排气口；

101、机座；102、电机转轴；103、电机绕组；104、电机定子铁心；

201、旁通管道；202、常温管道；203、低压管道；

301、换热器；302、膨胀叶轮；

401、鼓风机；402、鼓风管道。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图2所示，本实施例的冷却组件外置式电机，包括空压机1，空压机1的出气口处通过冷却管组2连接有降温降压组件3，降温降压组件3的输出端引回空压机1内；

降温降压组件3包括换热器301，换热器301的进气一端与空压机1输出高温高压气体处连通，换热器301的输出端连通有膨胀叶轮302，膨胀叶轮302的输出端引回空压机1内；

换热器301和膨胀叶轮302之间还设有用于给换热器301提供常温常压空气的鼓风组件4，鼓风组件4包括被膨胀叶轮302驱动的鼓风机401、连接鼓风机401和换热器301的鼓风管道402。

冷却管组2包括：

旁通管道201，从空压机1输出高温高压气体处引出，连通至换热器301处；

常温管道202，连通于换热器301和膨胀叶轮302之间；

低压管道203，连通于膨胀叶轮302和空压机1内腔。

空压机1包括机座101，机座101内安装电机定子铁心104，电机定子铁心104上绕有电机绕组103，电机转轴102置于机座101中心轴线。

低压管道203内的低温流体可以以任意合适的位置引入电机进行过冷却，以任意合适的位置引出电机。排气口5设于机座101的顶部。

旁通管道201与空压机1的出口管路连通。

换热器301采用空空换热器301或空水换热器301。

所述膨胀叶轮302和鼓风机401同轴设置。

本实施例的利用冷却组件外置式电机的冷却方法，制冷过程包括如下步骤：

一、空压机1输出高温高压空气的使用：

启动空压机1，常温空气或外界冷源通过换热器301进入空压机1内，被空压机1运转形成高温高压气体；空压机1输出的高温高压气体经过旁通管道201进入换热器301，被换热器301转化为常温高压气体后，进入常温管道202；常温高压气体经由冷却管道输至膨胀叶轮302处，对膨胀叶轮302做功，变为低温低压空气；

二、鼓风机401作为外风路，补偿常温常压空气给换热器301：

膨胀叶轮302带动鼓风机401，鼓风机401抽取常温常压空气，输送至换热器301处，作为换热器301的外风路，外风路的常温常压气体经过换热器301，将空压机1输出的高温高压气体冷却为常温高压气体，然后外风路气体排至外界。

三：冷却电机：

所有的低温低压空气在空压机1内流动，流经电机转轴102、电机绕组103与电机定子铁心104，对空压机1内部进行冷却降温后，从空压机1侧壁的排气口5输出。

本实施例的具体结构及工作原理如下：

空压机1一端为增压涡轮，另一端为圆柱形主体，空压机1的外壳为机座101；在空压机1的圆柱形主体内安装有电机定子铁心104，电机定子铁心104上绕有电机绕组103，电机机座101中心轴线上置有电机转轴102，在空压机1运转过程中，主要发热的就是电机转轴102、电机绕组103和电机定子铁心104，本实施例的目的就是为了冷却电机转轴102、电机绕组103和电机定子铁心104。

冷却的具体结构包括降温降压组件3，以及将降温降压组件3与空压机1相连通的冷却管组2。

空压机1的出气口处与降温降压组件3相连，空压机1所输出的高温高压气体进入降温降压组件3中膨胀形成低温气体，然后通过冷却管组2，输至空压机1内，对空压机1内部结构进行冷却。

降温降压组件3包括换热器301、膨胀叶轮302，冷却管组2包括旁通管道201、常温管道202、低压管道203，本实施例中的换热器301采用空空换热器301或空水换热器301；这些部件之间的具体连接结构为：空压机1的出气口连接有旁通管道201，旁通管道201背离空压机1出气口的一端连通换热器301，换热器301的输出一端连通有常温管道202，常温管道202背离换热器301的一端连通膨胀叶轮302，膨胀叶轮302的输出一端连通有低压管道203，低压管道203的输出端连通至机座101的顶部，以便冷却气体进入机座101内。

在膨胀叶轮302处还设有鼓风机401，鼓风机401与膨胀叶轮302同轴设置，膨胀叶轮302运转时，带动鼓风机401运转，鼓风机401抽取外界常温常压空气，通过从鼓风机401引至换热器301处的鼓风管道402输送至换热器301处，将空压机1输出的高温高压气体冷却为常温高压气体，然后外风路气体排至外界。

为了便于气体的流动，低压管道203内的低温流体可以以任意合适的位置引入电机进行过冷却，以任意合适的位置引出电机，本实施例中，所采用的具体结构为：在机座101顶部还设有一处排气口5，排气口5也位于机座101顶部。排气口5、低压管道203与机座101的连接处分别位于电机定子铁心104轴向的两端，如此设置，输入机座101的冷却气流能够经过完整的电机转轴102、电机定子铁心104、电机绕组103，对电机内部进行冷却。

旁通管道201与空压机1输出高温高压气体的位置相连，作为更进一步的设定，此高温高压气体输出的位置，既可以是从空压机1蜗壳处引风，也可以从空压机1的扩压器处引风，也可以是空压机1的出口管路处引风，其目的都是为了将高温高压气体输送至换热器301中进行热交换。

本发明的膨胀叶轮302和鼓风机401同轴且外置于空压机1的结构，可以任意设计膨胀流量与膨胀叶轮302的转速，依据膨胀流量设计膨胀叶轮302；鼓风机401在被膨胀叶轮302带动的同时，也能作为膨胀叶轮302的制动器，鼓风机401驱动的空气正好可以冷却刚从空压机1引出来的高温高压空气。经过降温降压组件3处理，使得进入电机内的冷却空气温度可以远小于环境温度，对电机转轴102的冷却效果远好于普通的风冷、水冷提升电机的热负荷及功率密度，降低电机成本，实现电机及整个空压机1的小型化。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (8)

1.一种冷却组件外置式电机冷却结构，包括空压机(1)，其特征在于：所述空压机(1)的出气口处通过冷却管组(2)连接有降温降压组件(3)，所述降温降压组件的输出端引回空压机(1)内；

所述降温降压组件(3)包括换热器(301)，所述换热器(301)的进气一端与空压机(1)输出高温高压气体处连通，换热器(301)的输出端连通有膨胀叶轮(302)，所述膨胀叶轮(302)的输出端引回空压机(1)内；

所述换热器(301)设有用于给换热器(301)提供常温常压空气的鼓风组件(4)，所述鼓风组件(4)包括被膨胀叶轮(302)驱动的鼓风机(401)、连接鼓风机(401)和换热器(301)的鼓风管道(402)。

2.如权利要求1所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述冷却管组(2)包括：

旁通管道(201)，从空压机(1)输出高温高压气体处引出，连通至换热器(301)处；

常温管道(202)，连通于换热器(301)和膨胀叶轮(302)之间；

低压管道(203)，连通于膨胀叶轮(302)和空压机(1)内腔。

3.如权利要求1所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述空压机(1)包括机座(101)，机座(101)内安装电机定子铁心(104)，电机定子铁心(104)上绕有电机绕组(103)，电机转轴(102)置于机座(101)中心轴线，冷却管组(2)输出的低温流体流经电机转轴(102)与电机定子铁心(104)。

4.如权利要求2所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述空压机(1)主体上设有用于输出冷却气体的排气口(5)。

5.如权利要求2所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述旁通管道(201)与空压机(1)的出口管路连通。

6.如权利要求1所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述换热器(301)采用空空换热器(301)或空水换热器(301)。

7.如权利要求1所述的冷却组件外置式电机冷却结构，其特征在于：所述膨胀叶轮(302)和鼓风机(401)同轴设置。

8.一种利用如权利要求1的冷却组件外置式电机冷却结构的冷却方法，其特征在于，应用高压流体膨胀制冷获得低温流体，制冷过程包括如下步骤：

一、空压机(1)输出高温高压空气的使用：

启动空压机(1)，常温空气或外界冷源通过换热器(301)进入空压机(1)内，被空压机(1)压缩形成高温高压气体；空压机(1)输出的高温高压气体经过旁通管道(201)进入换热器(301)，被换热器(301)转化为常温高压气体后，进入常温管道(202)；常温高压气体经由常温管道输至膨胀叶轮(302)处，对膨胀叶轮(302)做功，变为低温低压空气；

二、鼓风机(401)作为外风路，补偿常温常压空气给换热器(301)：

膨胀叶轮(302)带动鼓风机(401)，鼓风机(401)抽取常温常压空气，输送至换热器(301)处，作为换热器(301)的外风路，外风路的常温常压气体经过换热器(301)，将空压机(1)输出的高温高压气体冷却为常温高压气体，然后外风路气体排至外界。

三：冷却电机：

所有的低温低压空气在空压机(1)内流动，流经电机定子铁心(104)、电机绕组(103)与电机转轴(102)，对空压机(1)内部进行冷却降温后，从空压机(1)侧壁的排气口(5)输出。

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