CN112491171A - 一种外转子电机冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机技术领域，涉及一种外转子电机冷却结构，包括定子冷却组件和转子冷却组件，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心靠近定子槽的热管，所述热管的一端位于定子铁心靠近定子槽位置的冷却孔内，热管的另一端位于电机端盖外部的散热片内，所述转子冷却组件包括位于转子铁心端部的转子风扇。本发明具有在不明显增加电机加工工艺难度和制造成本的基础上，可提高对电机定转子的冷却效果的优点。

Description

一种外转子电机冷却结构

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种外转子电机冷却结构。

背景技术

在工矿企业、车船码头等需要皮带机的场合，传统对皮带机的驱动方式为异步电动机配合减速机，以实现低速大扭矩。此种驱动效率低，维护工作量大，运行成本高。随着永磁电机及其驱动控制的快速发展，低速大转矩直驱永磁电机被研发出来并得到快速推广，在工矿、码头等场合正逐步取代传统的异步电动机，实现驱动系统的高效、直驱、节能等良好效果。其中，外转子低速大转矩永磁滚筒直驱电机由于省去了内转子永磁直驱电机与皮带机连接器部分，可彻底实现单台电机低速直驱功能，使整个驱动系统结构得到显著简化，驱动系统的效率和可靠性均得到进一步提高，因此，近几年国内外工矿企业普遍采用外转子低速大转矩永磁滚筒直驱电机。

同时，随着电机工业的发展，各种工业领域对电机的性能要求越来越高，促使电机向着高功率密度的方向发展，外转子低速大转矩永磁滚筒直驱电机也不例外，此种电机生产企业也在朝着提高电机功率密度和效率的方向进行科技攻关，其中，效果优良的冷却系统是电机功率密度提高的前提及保障。目前，此种电机的冷却经常采用冷却水套的方式进行，这就需要在电机旁放置体积较大的冷却水箱，存在占地面积较大、成本较高，且安装较困难的问题。因此，提出一种新的切实可行的电机冷却系统成为此种电机亟需解决的任务。

另外，经研究发现，目前此种永磁电机温升较高的地方主要分布在定子铁心、定子绕组和转子磁钢位置，这些位置温升过高将会导致绕组绝缘老化甚至损坏、永磁退磁等不良后果，将大大缩短电机的使用寿命，甚至导致电机损坏，影响工业正常生产，造成经济损失。因此，设计合理的冷却系统，快速及时的将定转子热量传递出去，合理控制电机温升是电机在允许温升范围内正常运行的保障。

热管技术是美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室的乔治格罗佛(GeorgeGrover)发明的一种称为“热管”的传热元件，其充分利用热传导原理与相变工质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，且导热能力超过任何已知金属的导热能力。一般的，热管由铜、铝等材料制成，将管内抽成负压后充入适量的冷却介质，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满相变工质后密封。热管的一端为蒸发段（加热段)，另一端为冷凝段（冷却段），当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细吸力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另—端。热管超强的导热性能使其导热系数是一般金属的千倍左右，且热管传导以接近音速的速度传递，导热性能极好。同时采用热管技术后，无需外加循环泵，仅靠热管自身的毛细吸力作用就能实现相变工质在管中往复流动，可使电机冷却系统的可靠性得到显著提高。

中国专利CN104377891A，公开了一种伺服电机的热管冷却装置，其采用的热管技术是通过在定子外圆周上开设四个槽，在槽内放置热管，然后把四根热管在后端盖处汇成一圆形热管实现散热。以及，在电机轴的轴心内轴向设置一热管为转子提供散热通道。此种方法虽然能对定子进行冷却，但由于热管在转轴内，永磁体的热量需要经过转子铁心传递到转轴热管，由于电机轴和转子铁心接触面积有限，且电机轴和转子铁心接触面之间存在间隙，使得这种冷却方式传热路径上的热阻较大，实际使用中对转子的冷却效果并不明显。

中国专利CN103427560A，公开了一种使用导热管增强电机冷却效果的结构，利用热管形状可塑性强的特点，提出可以针对电机温度较高的点放置热管，如在定子绕组端部绑定热管。但是，热管和绕组端部很难形成面接触，这种方式在实际使用中对降低绕组温升作用并不大。

中国专利CN102751803A，公开了用导热管冷却方式冷却的电机，提出将热管放置在靠近转子的定子槽顶端内，进而提高转子的冷却效果。但是，此种方式热管占用定子槽空间，使得电机槽满率较低，将加大电机绕组下线难度，需要较高的电机加工工艺，同时还会导致电机功率密度大幅下降。

以上便是现有技术存在的不足之处。

发明内容

本发明提供的一种外转子电机冷却结构，在不明显增加电机加工工艺难度和制造成本的基础上，可提高对电机定转子的冷却效果。

本发明的技术方案包括：一种外转子电机冷却结构，包括定子冷却组件和转子冷却组件，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心靠近定子槽的热管，所述热管的一端位于定子铁心靠近定子槽位置的冷却孔内，热管的另一端位于电机端盖外部的散热片内，所述转子冷却组件包括位于转子铁心端部的转子风扇。

本发明的技术方案还包括：所述定子铁心沿径向间隔设置冷却孔且所述冷却孔沿定子铁心的轴向延伸，所述散热片内设置有沿径向方向延伸的散热片冷却孔。

本发明的技术方案还包括：所述散热片为铝合金散热片且散热片与后端盖之间在轴向上存在间隙。

本发明的技术方案还包括：所述散热片的数量是两组且两组散热片在径向上对称设置。

本发明的技术方案还包括：所述散热片为圆形散热片且散热片内设有散热片冷却孔。

本发明的技术方案还包括：所述定子铁心内设有电机轴，所述电机轴靠近散热片的一端设有电机轴凸台，所述电机轴凸台沿径向间隔设有电机轴冷却孔。

本发明的技术方案还包括：所述转子铁心的外部设有转子滚筒且所述转子滚筒通过磁钢胶与转子铁心固定。

本发明的有益效果有：利用热管强大的热传导率直接对电机的定子铁心进行冷却，可减少定子传热路径上的热阻，提高定子的散热能力。以及，在转子端部加装转子风扇，随着扇叶的转动，可加快永磁体、气隙和绕组端部空气流动，提高转子永磁体和绕组端部的散热能力。与传统水套冷却方式相比，可省去体积庞大的水箱和水流循环泵，使得冷却结构紧凑，降低电机冷却系统运行成本，提高电机冷却系统的可靠性，并且，无需明显增加电机加工工艺难度和制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例的示意图。

图2是实施例中定子结构的示意图。

图3是实施例中转子结构的示意图。

图4是实施例中电机轴的示意图。

其中：11、前端盖，12、后端盖，21、定子铁心，22、定子槽，31、转子铁心，32、转子风扇，33、转子滚筒外包胶，4、电机轴，41、电机轴凸台，42、电机轴冷却孔，5、热管，6、散热片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，本发明实施例中，“以上”、“以下”等，包括本数。

本发明实施例公开的外转子电机冷却结构，能同时对电机的定子部分和转子部分进行冷却，不但在对定子和转子冷却效果上能得到提升和改善，并且不明显增加电机的加工工艺难度和制造成本，经济价值优势明显，利于推广。

如图1至图4所示，本实施例的外转子电机冷却结构，包括定子冷却组件和转子冷却组件，其中，定子冷却组件包括安装在定子铁心21靠近定子槽22的热管5，且该热管5的一端安装在定子铁心21靠近定子槽22位置的冷却孔内，其另一端安装在电机端盖外部的散热片6内。

具体的，定子铁心21内的冷却孔是沿着定子铁心21的径向上间隔设置的，如此可在定子铁心21的不同位置均安装热管5，以实现对定子铁心21不同位置的均匀冷却，避免因局部冷却不足过热造成的电机失效。定子铁心21内的冷却孔是沿着其轴向方向延伸的，即，热管5沿着定子铁心21的轴向安装，以尽可能增大热管5与定子铁心21的接触，达到热管5对定子铁心21好的冷却效果。

热管5从定子铁心21的端部伸出后，其另一端固定在散热片6内，具体的，在散热片6内设置有散热片冷却孔，且将该散热片冷却孔沿着径向方向布置，此处的径向方向是指定子铁心21的径向方向。如此，可将散热片6布置在后端盖12外定子铁心21的径向方向处，可使得整个电机的结构紧凑。具体可使用铝合金散热片6，并在散热片6与后端盖12之间在轴向上留有间隙，以避免散热片6与后端盖12接触，可保持散热片6静止不动。

本实施例中，散热片6可设计成两组，且该两组散热片6在径向上对称设置，此处的径向上是指沿着后端盖12的径向上设置有两组散热片6。或者，在本实施例的其他变型中，可以采用圆形散热片6，即在后端盖12外沿着其径向布满散热片6，且在散热片6内设计散热片冷却孔，用来安装热管5。应当知道的是，以上仅是对散热片6结构形式的举例性说明，并非对散热片6结构的具体限制。

本实施例中，考到外转子电机在工作时，由于电机为外转子滚筒电机，其机壳和端盖需要跟随转子转动，而定子和定子上的热管5是静止不动的。为此，在电机轴4靠近散热片6的一端设置电机轴凸台41，且在该电机轴凸台41上开设电机轴冷却孔42，为热管5伸出电机提供空间，对应的，电机轴凸台41处的轴承内径也要相应的加大尺寸，使得电机轴4通过内径较大的轴承安装在后端盖12上，可在后端盖12转动时保持电机轴4不动。如此，热管5在定子铁心21伸出后，先通过电机轴凸台41的电机轴冷却孔42伸出到后端盖12外部，之后再放入铝合金散热片6的散热片冷却孔中，可完成热管5的安装。这样，电机定子上的热量经过热管5就能快速的向电机外部的铝合金散热片6传递。此外，可将铝合金散热片6上的热量通过外置冷却风扇输送的冷却空气进行对流传热，将热量散发到空气中，最终实现电机的冷却。

具体的，安装热管5时，首先截取长度合适的热管5，并使其一端封闭，一端开口。之后将热管5开口端依次穿过定子铁心21的冷却孔、电机轴凸台41的电机轴冷却孔42和铝合金散热片6的散热片冷却孔，从热管5开口端向热管5注入相变工质，利用机械真空泵抽取空气，根据电机温控要求形成一定的负压，将热管5开口端封闭。热管5封闭后，热管5内的相变工质一经注入，无需再次添加，相变工质可以在热管5内循环使用。热量5从定子铁心21传递到热管5，热管5内相变工质汽化，汽化后的相变工质流向铝合金散热片6。相变工质遇到温度较低的铝合金散热片6，将热量传递给铝合金散热片6，相变工质凝结为液体，利用热管5的毛细芯吸力回流到定子铁心21段。这样往复循环，热管5利用相变工质和毛细芯吸力把热量传递给铝合金散热片6，电机热量的得以向外传递。最后，可将铝合金散热片6通过外加冷却风扇的作用将热量散发到空气中，以实现电机的冷却。

本实施例中，转子冷却组件包括位于转子铁心31端部的转子风扇32，此外，电机的转子部分包括转子滚筒，该转子滚筒包括有外部的转子滚筒外包胶33以及位于转子滚筒外包胶33内的转子铁心31，且在转子铁心31内有永磁体（图中未示出），具体的，该永磁体通过磁钢胶粘贴在转子铁心31内壁。在变频器供电时，永磁体部分产生较大的涡流损耗，使得永磁体温升较高。此外，定子绕组由于铜耗的存在，温升最高点通常处于绕组端部。为了降低永磁体和绕组端部的温度，在转子铁心31端部安装转子风扇32，即在转子铁心31的两端侧安装转子风扇32的扇叶。随着转子滚筒的转动，扇叶也跟随着转动，且扇叶可将冷却空气直接吹向永磁体、气隙和绕组端部，进而将这几部分的热量散发到电机空腔中，以避免永磁体和绕组端部的热量聚集，可实现永磁体和绕组端部的冷却。同时，电机空腔中的热量通过热管5传递到电机外部的铝合金散热片6，实现电机内部热量向外部传递。

本实施例针对低速大转矩外转子滚筒永磁电机的特点，利用热管5优良的导热性能设计定转子冷却系统，对电机温升较高点进行针对性散热设计，最终将电机内部的热量快速及时的传递到空气中，实现电机的良好降温，为电机的正常运行提供保障。

在各实施例不相矛盾的情形下，各实施例中的至少部分技术方案可重新组合形成本发明的实质技术方案，当然，各实施例间也可以相互引用或包含。并且，需要说明的是，本领域技术人员在重新组合各实施例记载的技术手段时所做出的适应性调整修改也将落入本发明的保护范围。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种外转子电机冷却结构，其特征在于：包括定子冷却组件和转子冷却组件，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心靠近定子槽的热管，所述热管的一端位于定子铁心靠近定子槽位置的冷却孔内，热管的另一端位于电机端盖外部的散热片内，所述转子冷却组件包括位于转子铁心端部的转子风扇。

2.如权利要求1所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述定子铁心沿径向间隔设置冷却孔且所述冷却孔沿定子铁心的轴向延伸，所述散热片内设置有沿径向方向延伸的散热片冷却孔。

3.如权利要求2所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述散热片为铝合金散热片且散热片与后端盖之间在轴向上存在间隙。

4.如权利要求3所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述散热片的数量是两组且两组散热片在径向上对称设置。

5.如权利要求3所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述散热片为圆形散热片且散热片内设有散热片冷却孔。

6.如权利要求1所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述定子铁心内设有电机轴，所述电机轴靠近散热片的一端设有电机轴凸台，所述电机轴凸台沿径向间隔设有电机轴冷却孔。

7.如权利要求1所述的一种外转子电机冷却结构，其特征在于：所述转子铁心的外部设有转子滚筒且所述转子滚筒通过磁钢胶与转子铁心固定。

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