CN113472112B - 一种转子冷却方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及行车发电系统高功率密度电机转子冷却技术领域，具体提供一种转子冷却方法及系统。所述转子冷却方法，适用于对电机转子的冷却，转子内部设有冷却腔，所述转子冷却方法包括：获取主电机的实时转速；根据实时转速确定冷却介质的流量，按照所述流量向主电机的转子冷却腔内注入冷却介质。所述转子冷却系统包括：检测模块，用于获取主电机的实时转速；控制模块，用于根据实时转速确定冷却介质的流量；执行模块，用于按照流量向所述主电机的转子冷却腔内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔的壁面形成一层液膜。本发明根据电子转速调节冷却介质的流量，可以保障液膜厚度适当以及更好的冷却能力，便于提高电机功率密度。

Description

一种转子冷却方法及系统
技术领域
本发明涉及行车发电系统高功率密度电机转子冷却技术领域，具体而言，涉及一种转子冷却方法及系统。
背景技术
高温条件下，高功率密度电机的绕组绝缘性受到损坏，因此需要有效的冷却方法保证电机工作在安全温度范围之内。常见的冷却方法包括电机机壳水套液体冷却、机壳空气冷却、电机定子冷却槽道液体冷却等。然而，以上散热冷却方法虽然可以冷却定子，转子由于无直接冷却途径，在高速运行时发热量大，经常成为限制电机功率密度的热瓶颈。因此，需要一种可以有效冷却高功率密度电机转子的冷却方法。
发明内容
为在一定程度上解决上述技术问题的至少一个方面，本发明提供一种转子冷却方法及系统。
所述转子冷却方法，适用于对电机转子的冷却，所述转子内部设有冷却腔，所述转子冷却方法包括：获取主电机的实时转速；根据所述实时转速确定冷却介质的流量，按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔的壁面形成一层液膜。
本发明将液体冷却介质引入电机转子内部冷却腔，通过转子旋转的离心力将液体冷却介质铺洒在转子内表面形成一层液膜，实现电子转子液膜冷却。并且，由于转子离心力与转速相关，因此根据电子转速调节冷却介质的流量，可以保障液膜厚度适当以及更好的冷却能力，便于提高电机功率密度。
可选地，所述转子冷却方法，还包括：获取所述冷却腔壁面的液膜厚度；所述根据所述实时转速确定冷却介质的流量，包括：根据所述实时转速和所述液膜厚度确定冷却介质的流量。
可选地，获取所述转子的输出扭矩和/或输出功率；若所述输出扭矩小于扭矩阈值，和/或，所述输出功率小于功率阈值，则进行报警。
可选地，所述流量与所述实时转速满足如下关系：q＝a1.r3+a2.r2+a3.r+a4，其中a1、a2、a3和a4均为系数，r为所述实时转速，q为所述流量。
可选地，所述冷却介质为绝缘冷却液体。
所述转子冷却系统，包括：
检测模块，用于获取主电机的实时转速；
控制模块，用于根据所述实时转速确定冷却介质的流量；
执行模块，用于按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔的壁面形成一层液膜。
本发明转子冷却系统与所述转子冷却方法的有益效果相同，这里不再赘述。
可选地，所述检测模块包括电机检测装置和厚度检测装置，所述电机检测装置用于获取所述主电机的实时转速、输出扭矩和/或输出功率，所述厚度检测装置用于获取所述液膜厚度。
可选地，所述执行模块包括供液管路和设置在所述供液管路上的电磁阀，所述供液管路与所述转子冷却腔连通，所述电磁阀与所述控制模块电连接。
可选地，所述执行模块包括供液管路和设置在所述供液管路上的电驱泵，所述供液管路与所述转子冷却腔连通，所述电驱泵与所述控制模块电连接。
可选地，还包括设置在所述冷却腔内的导流结构，所述导流结构包括中心柱体和围绕所述中心柱体周向分布的导流片，所述导流片的径向外边沿与所述冷却腔的壁面连接。通过设置导流结构可以引导冷却液沿着轴向迅速流经冷却腔，减少冷却液反复刷过周向某个固定区域而出现的无效换热，从而提高换热效率。
附图说明
图1为本发明实施例的转子冷却方法流程框图；
图2为本发明实施例的转子的外部结构示意图；
图3为本发明实施例的转子冷却腔示意图；
图4为本发明一实施例的转子冷却系统原理图；
图5为本发明另一实施例的转子冷却系统原理图；
图6为本发明实施例的转子内导流结构平行轴向的剖面示意图；
图7为本发明实施例的转子内导流结构垂直轴向的剖面示意图。
附图标记说明：
1-转子；2-转子冷却腔；3-第一空心轴；4-第二空心轴；5-控制装置；6-电磁阀；7-电驱泵；8-电机检测装置；9-导流结构；91-中心柱体；92-导流片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
如图1-图3所示，本发明实施例提供一种转子冷却方法，用以对电机的转子1进行冷却。本实施例在转子1的内部设有中空的冷却腔2，冷却腔2用以充入冷却介质，冷却介质与冷却腔2的壁面进行热交换，以达到冷却转子1的目的。冷却腔2为圆柱状，冷却腔2与转子1同轴心。冷却腔2包括至少两个通孔，这两个通孔均贯通冷却腔2至转子1的外壁面。其中一个通孔用以充入冷却介质，另一个通孔用以冷却介质的流出。
该转子冷却方法，具体包括如下步骤：
S1、获取主电机的实时转速。其中，主电机为待冷却转子的电机(这里名称定为主电机主要是为了不与后文电驱泵电机及其他电机相混淆)。
S2、根据所述实时转速确定冷却介质的流量，按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔2内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔2的壁面形成一层液膜。
具体地，步骤S2包括子步骤：S21、根据所述实时转速确定冷却介质的流量。S22、按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔2内注入所述冷却介质。
冷却介质为液体冷却介质，具有流动性。向转子1的冷却腔2内注入冷却介质，则当转子1转动的时候，冷却介质因为离心力的作用会铺洒在转子冷却腔2的壁面，从而形成附在冷却腔2的壁面的一层液膜，该液膜一方面受到离心力，另一方面具有沿转子1轴向的流动性，因此液膜可以将与转子1进行热交换的热量带出冷却腔2，实现对转子1的液膜冷却。由于转子1离心力与转速相关，因此根据主电机的实时转速调节冷却介质的流量，可以保障液膜厚度适当以及更好的冷却能力，以便提高主电机功率密度。
上述流量为质量流量或体积流量。由于一般冷却介质的密度一定，因此可将冷却介质的质量流量和体积流量之间进行换算。
可选地，在上述实施例的基础上，本实施例的步骤S1还包括：获取所述冷却腔2壁面的液膜厚度。同时步骤S2子步骤可替换为S21’：根据所述实时转速和所述液膜厚度确定冷却介质的流量。液膜厚度影响转子1的换热效果，液膜厚度不够换热不充分、对转子1的冷却效果差，但是液膜过厚增加进入冷却腔2的冷却介质量，增加转子负担，而且远离冷却腔2壁面的冷却介质换热效果有限。因此，需要保持较佳的液膜厚度。示例的，以上步骤具体的实施方式可以是：首先根据转子1的实时转速确定冷却介质的流量，然后根据流量获知液膜厚度。由于转子1的冷却腔2的内径和轴向长度是一定的，我们假设冷却介质在转子1转动的时候是均匀铺展在冷却腔2的壁面上，因此可以根据冷却介质的流量和冷却腔2的内部尺寸进行数学建模，进而获得液膜厚度。当液膜厚度不满足预设厚度的时候，对由实时转速确定的冷却介质的流量进行修正。例如，液膜厚度过薄，则增加流量，若液膜厚度过厚，则减少流量。
本实施例根据液膜厚度和实时转速确定冷却介质的流量，可以进一步保障转子1的冷却效果。
较佳地，流量与实时转速满足如下关系：q＝a1.r3+a2.r2+a3.r+a4，其中a1、a2、a3和a4均为系数，r为主电机的实时转速，q为流量。在其他的实施例中，流量q与实时转速r也可以满足四次多项式以及更高次多项式的函数关系。在另外一些实施例中，流量q与实时转速r也可以满足两次多项式或者一次函数的函数关系。
可选地，冷却介质为绝缘冷却液体。例如，冷却介质为机油。
可选地，本实施例的转子冷却方法还包括步骤：S3、获取所述转子1的输出扭矩和/或输出功率；若所述输出扭矩小于扭矩阈值，和/或，所述输出功率小于功率阈值，则进行报警。
现有技术中普遍关注如何对转子1进行冷却，而忽略了对冷却效果的监测。实际上，即使采取了良好实验效果的冷却方案，也可能因为电机的实际运行中各种各样的问题，造成冷却效果没有达到预期要求，从而给电机造成无法挽回的损害。为此，本实施例设置步骤3。当然也可以直接设置温度监测装置，用以监测转子的实时温度，但是这会增加电机所在系统的结构复杂度，是我们不愿看到的。
由于电机过热会直接影响电枢和励磁的电阻，电机内阻增大，电流减小，因此电机的输出功率减小。对于大多数电机来说，可以容易的获得电机的实际输出功率，而不改变电机所在系统的原有结构，因此通过监测电机的实时输出功率，当输出功率小于功率阈值时，则进行报警，可以避免电机出现不可逆的发热故障。
电机功率与输出扭矩存在一定关系，可以简单理解为电机的实时输出功率为电机的实时转速与扭矩的乘积。因此，也可以通过监测电机的扭矩监测转子1的实际冷却效果，并且当输出扭矩小于扭矩阈值时，进行实时报警，避免电机出现不可逆的发热故障。
可选地，本实施例的步骤3还包括：获取所述转子1表面的实时温度；若所述温度大于或等于温度阈值，则进行报警；若所述温度小于所述温度阈值，则将所述实时温度与温度分级预设表进行比较，根据比较结果，对所述流量进行调整。分级预设表可采用如下方法建立：在环境温度至温度阈值之间分成若干等级，每个等级对应一个流量修正值。
示例地：电机的温度阈值为180℃，则将环境温度(设为40℃)至180℃分成如下四个等级：
实时温度t 40≤t＜90 90≤t＜130 130≤t＜160 160≤t＜180
流量修正值 0 P1 P2 P9
上面表格中，实时温度t的单位为℃；P1＜P2＜P3；流量修正值表示在根据实时转速确定出的冷却介质流量的基础上，再增加P1、P2或P3的流量；流量修正值为0表示无需对根据转速确定的冷却介质的流量进行调节。通过结合转子1表面的实时温度，监测转子1的冷却效果，一方面避免转子1因过热损坏，另一方面可实时改善冷却效果。根据需求，也可以将环境温度至温度阈值之间分成更多等级(大于四个等级)。当分级足够多的时候，可以达到更好的流量控制精度，甚至接近连续无极流量调控。
获取转子1表面的实时温度的方法可以在靠近转子1的位置设置红外温度传感器。
本发明实施例还提供一种转子冷却系统。该转子冷却系统用于实现上述任一实施例的转子冷却方法。
该转子冷却系统包括：
检测模块，用于获取主电机的实时转速；
控制模块，用于根据所述实时转速确定冷却介质的流量；
执行模块，用于按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔2内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔2的壁面形成一层液膜。
控制模块与检测模块和执行模块均通信连接，检测模块将采集到的实时转速等数据信息传递给控制模块，控制模块根据这些数据信息经过运算处理得到控制指令，并将控制指令传递给执行模块，控制执行模块的动作。
所述检测模块包括电机检测装置8和厚度检测装置，所述电机检测装置8用于获取所述主电机的实时转速、输出扭矩和/或输出功率，所述厚度检测装置用于获取所述液膜厚度。其中，电机检测装置8可以为电机控制器，该电机控制器可以检测并输出实时转速、输出扭矩和/或输出功率至控制模块。厚度检测装置可以包括一运算单元，该运算单元与控制装置5电连接。运算单元的输入信号为冷却介质的流量，输出信号为液膜厚度。转子1的冷却腔2的尺寸存储在运算单元中，或者运算单元可由控制装置5获知。由于转子1的冷却腔2的内径和轴向长度是一定的，因此假设冷却介质在转子1转动的时候是均匀铺展在冷却腔2的壁面上的，因此运算单元可以根据冷却介质的流量和冷却腔2的内部尺寸进行数学建模，进而获得液膜厚度。其他实施例中，厚度检测装置可以包括嵌设在转子1内壁的一对电极。控制模块包括控制装置5，控制装置5可以为一个或者多个控制电路板、控制芯片等。控制装置5具有运算处理能力，控制装置5与检测模块和执行模块均电连接。
较佳地，转子冷却系统还包括分别设置在主电机的转子1两端的第一空心轴3和第二空心轴4。第一空心轴3和第二空心轴4均为空心的圆柱状结构。第一空心轴3的一端连通转子冷却腔2，第一空心轴3的另一端连通冷却介质供给装置。第二空心轴4的一端连通转子冷却腔2，第二空心轴4的另一端连通冷却介质回收装置。由冷却介质供给装置向转子冷却腔2注入冷却介质，经过换热的冷却介质再从转子冷却腔2流出到冷却介质回收装置。
如图4所示，可选地，执行模块包括供液管路和设置在所述供液管路上的电磁阀6，供液管路与转子冷却腔2连通，电磁阀6与控制模块电连接。电机检测装置8将采集到的实时转速等信息传送给控制模块，控制模块根据电机的实时转速确定冷却介质的流量，并输出控制信息至电磁阀6，以控制电磁阀6的开度，从而实现对冷却介质流量的控制。
如图5所示，可选地，执行模块包括供液管路和设置在供液管路上的电驱泵7，供液管路与转子冷却腔2连通，电驱泵7与控制模块电连接。电机检测装置8将采集到的实时转速等信息传送给控制模块，控制模块根据电机的实时转速确定冷却介质的流量，并输出控制信息至电驱泵7的电机控制器，电驱泵7的电机控制器控制电驱泵7的电机转速，进而改变电驱泵7的流量，从而实现对冷却介质流量的控制。
为保障冷却介质在冷却腔2内具有较好的流动性，供液管路上还设置增压器，保障冷却腔2的冷却介质流入口和冷却介质流出口具有足够的压差，冷却介质不会在冷却腔2内堆积和滞留。
如图6和图7所示，转子1的冷却腔2设有导流结构9，导流结构9包括中心柱体91和围绕中心柱体91周向分布的导流片92。
中心柱体91为空心或者实心的圆柱体，若是空心的圆柱体，则中心柱体91的两个圆形端面均是封闭，以保障冷却介质不会进入中心柱体91内。中心柱体11与转子1同轴心设置。
导流片92为矩形平板结构，导流片92的径向外边沿与冷却腔2的壁面连接，即导流片92的一侧边沿与中心柱体91的外壁连接，导流片92的另一对侧边沿与冷却腔2的壁面连接。即导流片92、中心柱体91外壁和冷却腔2壁面围拢成一个沿转子1轴向延伸的一个空间。如此，则冷却介质进入冷却腔2内后，被导流片92分流成若干股，每股进入冷却腔2壁面的一个固定区域内。
可见，本实施例中，导流结构9的设置可以引导冷却液沿着轴向迅速流经冷却腔2，减少冷却介质反复刷过冷却腔2壁面的周向某个固定区域而出现的无效换热，从而提高换热效率。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种转子冷却方法，其特征在于，适用于对电机的转子（1）的冷却，所述转子（1）内部设有冷却腔（2），所述转子冷却方法包括：
获取主电机的实时转速；
根据所述实时转速确定冷却介质的流量，按照所述流量向所述主电机的转子（1）的冷却腔（2）内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔（2）的壁面形成一层液膜；
获取所述转子（1）的输出扭矩和/或输出功率；
若所述输出扭矩小于扭矩阈值，和/或，所述输出功率小于功率阈值，则进行报警；
其中，所述流量与所述实时转速满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中a1、a2、a3和a4均为系数，r为所述实时转速，q为所述流量；
获取所述转子（1）表面的实时温度；若所述温度大于或等于温度阈值，则进行实时报警；若所述温度小于所述温度阈值，则将所述实时温度与温度分级预设表进行比较，根据比较结果，对所述流量进行调整。
2.根据权利要求1所述的转子冷却方法，其特征在于，还包括：
获取所述冷却腔（2）壁面的液膜厚度；
所述根据所述实时转速确定冷却介质的流量，包括：根据所述实时转速和所述液膜厚度确定冷却介质的流量。
3.根据权利要求1-2任一项所述的转子冷却方法，其特征在于，所述冷却介质为绝缘冷却液体。
4.一种转子冷却系统，使用如权利要求1-3任一项所述的转子冷却方法，其特征在于，包括：
检测模块，用于获取主电机的实时转速；
控制模块，用于根据所述实时转速确定冷却介质的流量；
执行模块，用于按照所述流量向所述主电机的转子冷却腔（2）内注入所述冷却介质，所述冷却介质适于在所述冷却腔（2）的壁面形成一层液膜；
温度监测装置，用于获取所述转子（1）表面的实时温度。
5.根据权利要求4所述的转子冷却系统，其特征在于，所述执行模块包括供液管路和设置在所述供液管路上的电磁阀（6），所述供液管路与所述转子冷却腔（2）连通，所述电磁阀（6）与所述控制模块电连接。
6.根据权利要求4所述的转子冷却系统，其特征在于，所述执行模块包括供液管路和设置在所述供液管路上的电驱泵（7），所述供液管路与所述转子冷却腔（2）连通，所述电驱泵（7）与所述控制模块电连接。
7.根据权利要求5或6所述的转子冷却系统，其特征在于，还包括设置在所述冷却腔（2）内的导流结构（9），所述导流结构（9）包括中心柱体（91）和围绕所述中心柱体（91）周向分布的导流片（92），所述导流片（92）的径向外边沿与所述冷却腔（2）的壁面连接。
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