CN112491181A - 一种内转子电机冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机技术领域，涉及一种内转子电机冷却结构，包括转子冷却组件和定子冷却组件，所述转子冷却组件包括安装在转子铁心内的转子热管以及位于转子铁心端部的离心风扇，所述转子热管的一端位于转子铁心的转子冷却孔内，转子热管的另一端位于离心风扇的风扇冷却孔内，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心内的定子热管。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

一种内转子电机冷却结构

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种内转子电机冷却结构。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，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，而效果优良的冷却系统是电机功率密度提高的前提及保障。因此，提出及优化电机冷却系统成为提高电机功率密度亟需解决的任务。

目前，变频器在驱动电机的使用使得永磁电机调速变得简单可行，但同时导致永磁电机磁钢涡流损耗增加，磁钢温度升高。因此，目前由变频器供电的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。电机内部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，这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，提高电机冷却系统散热能力，合理控制电机温升是电机在允许温升范围内正常运行的基本保障。

目前，电机常用的冷却方式有水套内冷、强制风冷、自然冷却等冷却方式。在高功率密度电机中常采用水套内冷，也就是预先在机壳内设置冷却水道，通过水流带走电机内部的热量。采用此种冷却方式需配备循环水泵、散热风扇和散热器或者冷却水箱，而散热器或者冷却水箱通常体积较大，使得整个电机系统占用空间较多，不利于设备的安装。强制风冷通常采用风扇提高电机机壳散热筋上的空气流速，从而实现电机的冷却，但强制风冷冷却效果比水套内冷弱。自然冷却在这三种冷却方式中冷却效果最差，不利于电机功率密度的提高。

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介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冷却介质后密封。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冷却介质在管中往复流动，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，由于永磁体和转轴热管之间的距离较远，它们之间的热阻相对较大，这种方式对转子的冷却效果并不明显。

中国专利CN103427560A，公开了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，这种方式对降低绕组温升效果并不明显。

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，此种方式热管会占用定子槽空间，导致电机槽满率较低，电机绕组下线难度增加，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

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

本发明的技术方案包括：一种内转子电机冷却结构，包括转子冷却组件和定子冷却组件，所述转子冷却组件包括安装在转子铁心内的转子热管以及位于转子铁心端部的离心风扇，所述转子热管的一端位于转子铁心的转子冷却孔内，转子热管的另一端位于离心风扇的风扇冷却孔内，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心内的定子热管。

本发明的技术方案还包括：所述转子冷却孔位于转子铁心上的永磁体槽之间，且所述转子冷却孔与转子铁心的轴线平行。

本发明的技术方案还包括：所述转子铁心的两端均设有离心风扇，且所述离心风扇的外径与转子铁心的外径相同。

本发明的技术方案还包括：所述转子热管与离心风扇过盈配合，离心风扇的风扇冷却孔位置与转子铁心的转子冷却孔位置相对。

本发明的技术方案还包括：所述离心风扇通过强力胶或者螺栓与转子铁心固定。

本发明的技术方案还包括：所述定子热管的一端位于定子铁心的定子冷却孔内，定子热管的另一端穿过后端盖固定在后端盖外侧的散热片内。

本发明的技术方案还包括：所述定子冷却孔沿定子铁心的径向间隔设置，且所述定子冷却孔与定子铁心的轴线平行，散热片内沿径向间隔设置有散热片盲孔。

本发明的技术方案还包括：所述散热片与后端盖之间设有导热硅脂。

本发明的有益效果有：利用热管强大的热传导率在电机转子上加装热管和离心风扇，将转子铁心的热量通过热管传递到离心风扇，随着转子转动，将热量散发到电机内部空间，可改善转子散热环境，提高转子散热能力。以及，在定子铁心也采用热管冷却技术，与电机水冷系统配套的体积较大、成本较高的电机冷却器相比，此冷却结构体积显著减小，成本也相对较低，尤其适合于对电机驱动系统空间要求较紧凑的场合。因此，本发明在设计定子散热的同时，也设计了转子散热结构，尤其适用于转子损耗相对较高的高速高频电机使用。

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是实施例中转子结构示意图。

图3是实施例中转子铁心示意图。

图4是实施例中风扇示意图。

图5是实施例中定子和后端盖示意图。

图6是实施例中定子铁心示意图。

图7是实施例中散热片的示意图。

其中：11、前端盖，12、后端盖，21、转子铁心，22、转子冷却孔，23、转子热管，24、永磁体槽，3、离心风扇，31、风扇冷却孔，32、风扇扇叶，41、定子铁心，42、定子槽，43、定子热管，44、定子冷却孔，45、定子热管封尾，51、散热翅，52、散热片盲孔，53、散热片固定孔，6、机壳，7、转轴。

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。

本发明实施例公开了内转子电机冷却结构，可同时采用热管技术对定子部分和转子部分进行冷却，在提高电机定子和转子冷却效果的同时，无需明显增加电机加工工艺的难度和制造成本。

如图1至图7所示，本实施例的内转子电机冷却结构，包括转子冷却组件和定子冷却组件，其中，转子冷却组件包括转子热管23，该转子热管23的一端安装在转子铁心21内，其另一端安装在位于转子铁心21端部的离心风扇3内。

具体的，转子部分采用转子热管23和离心风扇3共同为转子散热。由于涡流损耗主要发生在磁钢部分和转子外圆周表面部分，这两部分的温升也相应较高。因此在设计转子冲片时，在满足磁路导磁和转子机械强度要求的前提下，在磁极之间靠近磁钢的位置开转子冷却孔22，用以放置转子热管23。即，如图3所示，在转子铁心21上的永磁体槽24之间设置转子冷却孔22，且该转子冷却孔22与转子铁心21的轴线平行，以及沿着转子铁心21的径向间隔设置，如此可对转子铁心21的周向各处进行均匀冷却散热，且转子热管23包裹在转子铁心21内，以获得两者尽可能大的接触面积，提高冷却效果。

在转子铁心21的两端均设计离心风扇3，如此可增强离心风扇3对电机的冷却散热效果。并且，将离心风扇3的外径设计成与转子铁心21的外径相同，并在离心风扇3与转子铁心21的转子冷却孔22对应位置也加工风扇冷却孔31，以将转子热管23固定在离心风扇3上。具体的，离心风扇3采用后倾铝合金离心风扇，可降低电机旋转时产生的噪音大小，且采用强力胶或者螺栓将离心风扇3与转子铁心21固定。

如此，安装时首先将永磁体装入永磁体槽24内，之后将转子铁心21两端的离心风扇3的风扇冷却孔31与转子冷却孔22对齐，并使用强力胶将两者固定，之后使用离心风扇3与转子铁心21将截取一定长度的毛细芯铜管（即转子热管23）一端封闭，插入转子冷却孔22或者风扇冷却孔31，注入相变工质，从未密封的一端通过机械真空泵抽空气，通过控制热管内压力大小控制相变工质的沸点，从而实现不同控温要求，满足不同电机不同温升散热要求，最后将转子热管23的另一端封闭。封闭后的转子热管23内工质一经注入，后期无需再次添加或补充，工质可以在转子热管23内循环利用。当转子温度升高时，转子铁心21的转子热管23段内的相变工质汽化，流向铝合金离心风扇3处，由于铝合金离心风扇3温度较低，汽化的相变工质向冷的合金离心风扇3释放热量，凝结成液体。冷凝后的液态相变工质经转子热管23毛细芯的吸力回流到转子铁心21段，继续吸收热量进行汽化。这样，相变工质在转子热管23内往复循环，将转子铁心21的热量不断的向铝合金离心风扇3搬运，实现转子的冷却。

此外，将转子热管23和铝合金离心风扇3采用过盈配合，一方面保证铝合金离心风扇3的风扇冷却孔31与转子热管23紧密接触，另一方面转子热管23的机械强度可为铝合金离心风扇3提供周向机械扭矩。转子中的热量通过转子热管23传递到转子铁心21两侧的铝合金离心风扇3，通过铝合金离心风扇3的风扇扇叶32将热量散发到电机空腔中，同时由于离心风扇3对电机内部空气搅动的作用，电机内部空气的流动性显著增加，其导热能力也显著提高，有利于转子热量向机壳6以及两侧的前端盖11和后端盖12传递。然而，没有设计转子热管23的永磁体转子，由于轴向中间位置的永磁体热量向外传递相对较困难，通常造成永磁体温升最高点处于永磁体轴向中间位置。在转子设计转子热管23后，由于转子热管23优良的导热性能，永磁体轴向中间位置的热量能快速的向外部传递，永磁体轴向温升分布会比较均匀，可有效避免永磁体因温升过高出现局部退磁现象。另外，转子两侧的铝合金离心冷却风扇3的扇叶数、扇叶高度及长度可根据转子转速、转子产生的热量多少以及转子允许最高温升这些参数进行设定，本实施例不做具体限制。

本实施例中，定子冷却组件包括安装在定子铁心41内的定子热管43，具体的，该定子热管43的一端位于定子铁心41的定子冷却孔44内，定子热管43的另一端穿过后端盖12固定在后端盖12外侧的散热片内。其中，定子冷却孔44沿定子铁心41的径向间隔设置，且该定子冷却孔44与定子铁心41的轴线平行，如此，可实现在定子铁心41的周向上各处均匀冷却，并且可使定子热管43与定子铁心41获得最大的接触面积，提高冷却散热效果。

此外，在电机后端盖12与定子铁心41的定子冷却孔44相对应的位置也开设相应数量的冷却孔，用以放置定子热管43。以及，在后端盖12外侧，紧靠后端盖12放置散热片，具体可采用铝合金散热片，且在该铝合金散热片与定子冷却孔44相应的位置同样也开设数量相同、大小能放下定子热管43的端部封尾的散热片盲孔52，此外，在散热片上加工有散热片固定孔53，将铝合金散热片通过沉头螺钉与后端盖12进行固定。

安装时，截取一定长度的定子热管43，插入定子冷却孔44，首先将靠近前端盖11侧的定子热管43进行封闭，之后，把电机除后端盖12铝合金散热片之外的所有部件安装好，从后端盖12侧热管开口注入相变工质，根据电机温控要求利用机械真空泵抽空气，形成一定的负压，控制相变工质的沸点，实现对电机不同温升的控制，此时对电机后端盖12侧的定子热管43开口进行封闭。同样的，工质在定子热管43内循环利用，后期无需再添加相变工质。最后将铝合金散热片固定在后端盖12上。电机定子的热量经定子热管43快速的向后端盖12和铝合金散热片传递，可实现定子的良好冷却。散热片上的热量可通过其散热翅51向外散除，或者，可以通过外加冷却风扇，利用冷却风扇向铝合金散热片吹冷却空气，带走散热片上的热量，提高散热冷却效果。以及，可在冷却风扇上加装自动温度控制系统，根据散热片上的温度高低自动控制冷却风扇转速，根据散热片不同温度对冷却风扇的送风量进行实时调节，实现环保节能效果。

本实施例中，为减小后端盖12和铝合金散热片之间的热阻，在后端盖12和铝合金散热片间涂抹导热硅脂。电机工作时，定子铁心41段的定子热管43吸收定子铁心41热量，定子热管43内的相变工质由液态转变为气态，流向温度相对较低的后端盖12处定子热管43段。后端盖12处定子热管43段向后端盖12释放热量，后端盖12处定子热管43段的相变工质由气态变成液态，经由定子热管43内毛细芯吸力回流到定子铁心41的定子热管43段，继续吸收定子铁心41热量进行汽化。如此往复循环，实现热量从定子铁心41到后端盖12的搬运。后端盖12上的热量直接传递给与它紧密结合的铝合金散热片，铝合金散热片上的热量可通过外加风扇所提供的冷却空气将热量散发到空气中，提高电机的冷却效果。

本实施例利用热管优良的导热性能，结合离心风扇3和铝合金散热片，对电机转子和定子直接进行降温，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，尤其适用于功率密度高、轴向长度相对较短的电机。

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 (8)

1.一种内转子电机冷却结构，其特征在于：包括转子冷却组件和定子冷却组件，所述转子冷却组件包括安装在转子铁心内的转子热管以及位于转子铁心端部的离心风扇，所述转子热管的一端位于转子铁心的转子冷却孔内，转子热管的另一端位于离心风扇的风扇冷却孔内，所述定子冷却组件包括安装在定子铁心内的定子热管。

2.如权利要求1所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述转子冷却孔位于转子铁心上的永磁体槽之间，且所述转子冷却孔与转子铁心的轴线平行。

3.如权利要求1所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述转子铁心的两端均设有离心风扇，且所述离心风扇的外径与转子铁心的外径相同。

4.如权利要求1或3所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述转子热管与离心风扇过盈配合，离心风扇的风扇冷却孔位置与转子铁心的转子冷却孔位置相对。

5.如权利要求1所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述离心风扇通过强力胶或者螺栓与转子铁心固定。

6.如权利要求1所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述定子热管的一端位于定子铁心的定子冷却孔内，定子热管的另一端穿过后端盖固定在后端盖外侧的散热片内。

7.如权利要求6所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述定子冷却孔沿定子铁心的径向间隔设置，且所述定子冷却孔与定子铁心的轴线平行，散热片内沿径向间隔设置有散热片盲孔。

8.如权利要求6所述的一种内转子电机冷却结构，其特征在于：所述散热片与后端盖之间设有导热硅脂。

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