CN112787465A - 基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效永磁电机冷却散热结构，尤其涉及基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置。其保障电机安全可靠地运行、保障电机的安全性能和稳定性能。包括永磁电机，还包括散热铜管，散热铜管的一端与太阳花散热器相连，散热铜管的另一端插入永磁电机的定子铁心轭部，散热铜管用于吸收定子绕组和定子铁心中产生的热量，太阳花散热器增大了散热面积。

Description

基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置

技术领域

本发明涉及一种高效永磁电机冷却散热结构，尤其涉及基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置。

背景技术

随着制造业的迅速发展，永磁同步电机在电动汽车、轨道交通、航空航天器、工业机器人等多种新型应用场合得到了广泛的应用。在永磁同步电机性能要求不断提升、功率密度持续增大的背景下，这就对电机的电磁设计、结构设计和散热设计等带来了新的挑战。

永磁电机功率密度的提高意味着电机内部绕组铜耗、定子铁耗和永磁体涡流损耗等的增加，直接引起电机内部发热量和热流密度的增加，电机温升过高成为亟需解决的问题。

永磁电机使用寿命的长短及运行的可靠性均依赖于电机稳态温升，只有设计合理的冷却系统，增强电机的散热能力，才能够合理的分配电机的各项指标，完成电机设计工作。电机若没有合适的散热系统，将会导致电机的温度过高，从而对电机造成一系列的影响。因此，研究分析永磁同步电机的冷却散热结构，对解决电机过热问题具有重要意义。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其针对外转子高功率密度永磁电机运行时绕组损耗过大，导致局部温度过高的问题；充分利用散热铜管的高导热性能，将热量快速、高效地传递到永磁电机外部，使永磁电机处于合适的运行温度范围内，防止运行出现故障，保障电机安全可靠地运行，保障电机的安全性能和稳定性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括永磁电机，其特征在于，

还包括散热铜管，散热铜管的一端与太阳花散热器相连，散热铜管的另一端插入永磁电机的定子铁心轭部，散热铜管用于吸收定子绕组和定子铁心中产生的热量，太阳花散热器增大了散热面积。

进一步地，散热装置采用自然冷却或强迫通风冷却散热方式。

更进一步地，强迫通风冷却中：保证风扇通风能够吹拂太阳花散热器表面。

进一步地，所述太阳花散热器为铝制的太阳花散热器。

进一步地，所述永磁电机的定子绕组一端采用绕组端部导热胶A灌封，定子绕组另一端采用绕组端部导热胶B灌封。

进一步地，所述定子铁心采用多个单齿铁心(单个定子齿)拼装，每个单齿铁心均与一散热铜管相对应；单齿铁心轭部设置有贯通的散热铜管孔，散热铜管穿过与之对应的散热铜管孔，两者采用过盈配合，并通过导热胶灌封。

更进一步地，所述散热铜管的吸热端插入定子铁心轭部，散热铜管的外部散热端插入与多段式太阳花散热器的对应通孔内，且两者过盈配合相连，并采用导热胶灌封。

进一步地，所述永磁电机的转子铁心与转子机壳相连，并通过加载端盖和加载伸出轴向外输出机械转矩。

更进一步地，所述加载端盖通过内六角圆柱头螺钉A和弹垫固定在转子机壳上，并一同旋转输出机械转矩。

进一步地，所述定子铁心与支撑轴相连，并通过机座固定板与实验支架相连，用于样机的实验测试。

与现有技术相比本发明有益效果。

一、本发明充分利用散热铜管高导热系数的优点，将热管的吸热端插入定子铁心轭部，能够将热量高效地传递到永磁电机外部空间。

二、由于高功率密度外转子永磁电机绕组线圈上的铜损耗过大，绕组产生热量集中分布在电机内部空间中，不能有效地将热量通过机壳传递到外部。本发明所提出的散热冷却系统能够有效地解决绕组部分温升过大的难题，将绕组线圈和定子铁心上的热量高效地传递到外部空间，可有效地抑制了永磁电机最大温升值。

三、散热铜管的外部散热端连接有太阳花式冷却散热装置，该散热装置能够有效地增加散热面积，带走电机产生的大量热量，冷却效果更佳。

四、本发明专利所提出的散热冷却系统重量轻，进一步提高了永磁电机的功率密度，同时制造成本也较低，对高功率密度永磁电机的冷却系统分析、散热分析具有重大的应用意义与经济意义。

五、本发明专利所提出的新型电机散热冷却装置，同时适用于自然冷却和强迫通风冷却两种散热方式，对于强迫通风冷却方式只需要在太阳花散热器的端部安装固定风扇，或通风吹拂太阳花散热器表面即可。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是加载端盖装配图。

图2是加载端盖装配剖面图。

图3是转轴与轴承装配图。

图4是转轴剖面图。

图5是转子装配剖面图。

图6是转子外壳装配剖面图。

图7是绝缘支架图。

图8是单齿铁心装配图。

图9是定子铁心装配图。

图10是定子铁心与散热器装配图1。

图11是定子铁心与散热器装配图2。

图12是轴承压板图。

图13是机座装配图。

图14是实验支架图。

图15是单根散热棒图。

图16是整机图。

图17是三维爆炸图。

图18是保温箱中水温度值随时间变化曲线。

图19-33是散热器随时间变化的温度成像图。

图34-37是绕组、转子铁心、永磁体以及定子铁心最高温度值随时间的变化曲线。

图中，1.键槽、2.加载伸出轴、3.加载端盖、4.内六角圆柱头螺钉A、5.弹垫A、6.内六角圆柱头螺钉B、7.前深沟球轴承、8.后深沟球轴承、9.转轴、10.内六角圆柱头螺钉B的螺纹孔、11.转子铁心、12.永磁体、13.转子外壳、14内六角圆柱头螺钉A的螺纹孔、15.绝缘支架、16.定子铁心轭部散热铜管孔、17.单个定子齿、18.绕组线圈、19.内六角圆柱头螺钉C、20.轴承压板、21.内六角圆柱头螺钉C的螺纹孔、22.机座固定板散热铜管孔、23.内六角圆柱头螺钉D的螺纹孔、24.机座固定板、25.机座支撑轴、26.内六角圆柱头螺钉D、27.实验支架、28.加强筋、29.实验支架散热铜管孔、30.散热铜管、31.多段式太阳花散热器、32.绕组端部灌封胶A、33.绕组端部灌封胶B。

具体实施方式

如图1-17所示，本发明散热铜管30具有极高的导热系数，是铜的200倍以上；散热铜管30一端连接铝制的太阳花散热器，散热铜管30的另一端插入定子铁心轭部，用于吸收定子绕组和定子铁心中产生的热量，外部的太阳花散热器增大了散热面积，能够有效地提高散热效率。

定子绕组两端采用绕组端部导热胶A 32和绕组端部导热胶B 33的灌封工艺，并将散热铜管30一同灌封在了绕组端部导热胶A 32和绕组端部导热胶B 33中，提高了绕组端部的散热效率。

定子铁心采用单齿铁心17拼装的加工方式；永磁体12轴向分为5段，用于降低永磁体涡流损耗；转子铁心11和转子机壳13相连接，并通过加载端盖3和加载伸出轴2向外输出机械转矩。

定子铁心17和支撑轴25相连接，并通过机座固定板24与实验支架27相连，用于样机的实验测试。加载端盖通过内六角圆柱头螺钉A 4和弹垫5固定在了转子机壳上13，并一同旋转输出机械转矩。

具体实施例1：散热铜管两端固定方法，散热铜管吸热端插入定子铁心轭部圆孔中，二者采取过盈配合；具体举例，圆孔的直径可以为9.98mm，散热铜管的外径可以为10.0mm，让定子铁心轭部圆孔和铜管充分接触，更好的传递热量。考虑到加工工艺的影响，无法保证二者之间存在空气间隙，需要在内部注入高导热系数的导热胶，更好地传递热量。散热铜管放热端和太阳花散热器采取和定子铁心轭部圆孔相同的安装工艺。

具体实施例2：绕组端部灌封技术，高功率密度永磁电机的绕组端部温升较高，为了降低绕组温升，通常采用绕组端部灌封的工艺，但是现有绕组端部灌封对绕组端部的散热有限；因此，本发明专利中将散热铜管和绕组端部一同灌封，将绕组端部的热量通过散热铜管向外界传递，提高了散热效率；同时，灌封胶对铜管起到了固定的作用，避免散热铜管在电机工作运行时发生振动，导致散热铜管的散热效率降低。

为了充分说明本专利中所提出散热装置的有效性，对其进行了相应的模拟实验测试。实验测试前期过程，准备2个保温箱(称之为保温箱A和保温箱B)，并在保温箱A和B中分别装有等质量的热水(热水的初始温度为90度左右)，保温箱A无散热器对其中的热水进行冷却散热，即密封箱体；保温箱B的上端盖均匀开设12个圆孔，圆孔的直径和散热铜管的外径保持一致，并将12根散热铜管通过开设的圆孔浸入在热水中，铜管另一端连接有太阳花散热器，通过自然冷却和强迫通风冷却对箱B中热水进行冷却散热。同时为了准确监测箱体内水温，在保温箱A和B的上端盖随机开设3个小孔，并插入3个电子温度计来实时测试保温箱中热水的温度值，将测试数据的平均值认定为箱体内实时的水温。为了模拟所提出的热管散热装置在永磁电机中实际工作状态，说明所设计的关于散热装置散热性能模拟实验测试是有效的，测试过程中设计如下环节：(1)待测试热水的温度变化范围为60～90度，同永磁电机定子铁心的工作温度相吻合；(2)散热铜管浸入热水一端的深度等同于散热铜管插入定子铁心轭部的尺寸；(3)模拟实验中设计2个保温箱A和B，其中保温箱A为密闭箱体，可以考虑箱体中热水在无散热器的情况下热量的自然损失，用于准确计算得到所提出散热装置的散热性能。整个实验测试包括以下4种情况：

(1)保温箱A无太阳花散热器散热。

(2)保温箱B连接太阳花散热器，但属于自然冷却散热。

(3)保温箱B连接有太阳花散热器，且有风速Ⅰ(0.3～0.8m/s)吹拂散热器表面进行散热，属于强迫通风冷却方式。

(4)保温箱B连接有太阳花散热器，且有风速Ⅱ(1.0～1.8m/s)吹拂散热器表面进行散热，属于强迫通风冷却方式。

如图18所示，为保温箱中水温度值随时间变化曲线。热量，是指在热力系统与外界之间依靠温差传递的能量。热量是一种过程量，所以热量只能说“吸收”“放出”。不可以说“含有”“具有”。而该传递过程称为热交换或热传递，可以用一个公式来提现两者的关系：

Q＝cmΔT (1)

式中，Q为散热量，单位为J；c为水的比热容，4.2×10³J/(kg℃)；m为水质量，箱中的水重量为9.4kg；△T为温升变化。

(1)在无散热器散热情况下，水温度由初始的86.9℃下降到82.4℃(△T＝4.5K)，通过公式(1)可以计算得到，散热量为Q₀＝177660J，单位时间散热功率约为W₀＝98.7W。

(2)有散热器，但自然冷却情况下，水温度由初始的89.5℃下降到75.1℃(△T＝14.4K)，通过公式(1)可以计算得到，散热量为Q₁＝568512J，单位时间散热功率约为W₁＝315.8W。

(3)有散热器，风扇吹拂散热器表面，风速Ⅰ(0.3～0.8m/s)情况下，水温度由初始的87.3℃下降到68.9℃(△T＝18.4K)，通过公式(1)可以计算得到，散热量为Q₂＝726432J，单位时间散热功率约为W₂＝403.6W。

(4)有散热器，风扇吹拂散热器表面，风速Ⅱ(1.0～1.8m/s)情况下，水温度由初始的88.7℃下降到65.3℃(△T＝23.4K)，通过公式(1)可以计算得到，散热量为Q₃＝931728J，单位时间散热功率约为W₃＝517.6W。

对流传热系数也称对流换热系数。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：

q＝α(T₁-T₂) (2)

Q＝αA(T₁-T₂)＝qA (3)

式中，q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m²；T₁、T₂分别为固体表面和流体的温度，单位K；A为壁面面积，单位m²；Q为单位时间内面积A上的传热热量，单位W；α称为表面对流传热系数，单位W/(m²·K)。

对流换热系数α的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时，1m×1m壁面面积在每秒所能传递的热量。α的大小反映对流换热的强弱。

散热器的表面积为：

A＝15×11×8×26×12＝411840mm²＝0.412m² (4)

因此根据公式(2)可以得到散热器的平均散热系数为：

散热系数与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。它既没有揭示影响对流换热的诸因素与α之间的内在联系，也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。因此，在温度场计算中，主要的任务是计算物体表面的散热系数，表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位以及流体的流速等都有密切关系。物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。

根据公式(5)可以得到所提出散热器在不同风速下的平均散热系数，首先验证了该散热器的优良散热性能；同时，基于有限元法对永磁电机进行三维瞬态温度场仿真计算时，所测试出的散热系数对电机三维温度场的准确计算具有重要意义。

图19～33分别给出了散热器随时间变化的温度成像图，在4分半后，散热器的温度达到了稳定，铝制太阳花散热器表面的温度由初始的27.1℃增加到了73.5℃，但是需要说明的是：由于保温箱A和B的上端盖开设圆孔用于放置电子温度计，导致温度成像仪显示的温度最大值为箱体中的热水温度值，而并非散热器的温度值。进一步验证了本文所提出散热器冷却性能的优异性。

有限元仿真计算结果：为了充分说明本发明专利所提出的散热装置的有效性，对永磁电机进行三维瞬态温度场仿真计算，总计分为6种情况：

(a)无太阳花散热装置，且绕组端部无导热胶；

(b)无太阳花散热装置，但是绕组端部有导热胶；

(c)有太阳花散热器，但是自然冷却，且绕组端部无导热胶；

(d)有太阳花散热器，但是自然冷却，且绕组端部有导热胶；

(e)有太阳花散热器，有风扇吹拂散热器表面，风速Ⅰ(0.3～0.8m/s)，且绕组端部有导热胶；

(f)有太阳花散热器，有风扇吹拂散热器表面，风速Ⅱ(1.0～1.8m/s)，且绕组端部有导热胶；

表1给出了各部分材料的物理参数。

表1电机各部分材料的导热系数

图34～37分别给出了绕组、转子铁心、永磁体以及定子铁心最高温度值随时间的变化曲线，情况(a)和(b)为无热管散热器的仿真计算结果，情况(c)、(d)、(e)以及(f)为有热管散热器的仿真计算结果，从仿真计算结果可知：以情况(a)和(d)为例，在永磁电机运行1小时之后，绕组最高温度值分别为276.8℃和103.4℃。同时，本发明所提出的散热器随着风速的增加，散热能力增加，自然冷却条件下，当电机工作温度稳定后，绕组最高温度为103.4℃；风速Ⅰ(0.3～0.8m/s)作用下，当电机工作温度稳定后，绕组最高温度为92.9℃；风速Ⅱ(1.0～1.8m/s)作用下，当电机工作温度稳定后，绕组最高温度为87.6℃，验证了本发明所提出的散热器具有优异的散热性能。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，包括永磁电机，其特征在于，还包括散热铜管，散热铜管的一端与太阳花散热器相连，散热铜管的另一端插入永磁电机的定子铁心轭部，散热铜管用于吸收定子绕组和定子铁心中产生的热量，太阳花散热器增大了散热面积。

2.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：散热装置采用自然冷却或强迫通风冷却散热方式。

3.根据权利要求2所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：强迫通风冷却中：保证风扇通风能够吹拂太阳花散热器表面。

4.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述太阳花散热器为铝制的太阳花散热器。

5.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述永磁电机的定子绕组一端采用绕组端部导热胶A灌封，定子绕组另一端采用绕组端部导热胶B灌封。

6.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述定子铁心采用多个单齿铁心拼装，每个单齿铁心均与一散热铜管相对应；单齿铁心轭部设置有贯通的散热铜管孔，散热铜管穿过与之对应的散热铜管孔，两者采用过盈配合，并通过导热胶灌封。

7.根据权利要求6所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述散热铜管的吸热端插入定子铁心轭部，散热铜管的外部散热端插入与多段式太阳花散热器的对应通孔内，且两者过盈配合相连，并采用导热胶灌封。

8.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述永磁电机的转子铁心与转子机壳相连，并通过加载端盖和加载伸出轴向外输出机械转矩。

9.根据权利要求8所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述加载端盖通过内六角圆柱头螺钉A和弹垫固定在转子机壳上，并一同旋转输出机械转矩。

10.根据权利要求1所述的基于散热铜管技术的高功率密度外转子永磁电机散热装置，其特征在于：所述定子铁心与支撑轴相连，并通过机座固定板与实验支架相连，用于样机的实验测试。

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