CN113839485A - 一种电解冷却及容错运行的电机定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解冷却及容错运行的电机定子结构，包括电机机壳、定子铁心和环绕式绕组，电机机壳为分层机壳，包括内层机壳，内层机壳为导磁机壳；导磁机壳通过分布的导磁连接柱和定子铁心相连接固定；每个环绕式绕组的两侧均有导磁连接柱，定子铁心、导磁连接柱与导磁机壳构成磁路；导磁机壳及定子铁心之间的空腔被导磁连接柱分隔为若干个工作腔，工作腔与电机的环绕式绕组一一对应；工作腔内填充有电解质；每个工作腔均对应装有储能振荡装置；储能振荡装置为由金属极板、副线圈绕组和电容组成的储能振荡电路；储能振荡电路中的副线圈绕组缠绕在导磁机壳上。本发明利用温度触发电解质相变，进行冷却和构成电路储能放电，实现电机容错运行。

Description

一种电解冷却及容错运行的电机定子结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种电解冷却及容错运行的电机定子结构。

背景技术

环绕式绕组主要应用于高速电机领域，高速永磁电机具有体积小、噪音低、动态响应快、功率密度大、传动系统效率高等优点，已成为微型燃气轮机分布式供能系统的关键电机设备，常用于航空航天、军工等一些重要领域，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，由于其发挥的重要作用以及在应急、备用方面的特殊性，不允许出现停机故障，所以对系统的可靠性与容错运行能力要求更高。此外，由于高转速运行特点，电机一旦发生故障，极易造成严重的事故，引起巨大的经济损失，高速电机容错运行的相关研究也就成为了提升高速电机系统可靠性与安全性的重要手段。

一般的电机采用的冷却方式普遍为外部冷却，但高速电机的最大特点是高功率密度，使得较小的电机体积产生较多的热量，而目前的外部冷却方式只能冷却电机外表面，导致电机内部发热，如果在发生短路故障，电机内部温升严重，绕组被高温严重损毁，造成电机故障，电机将无法运行，不能满足高速电机的可靠性要求。

因此，急需一种能够解决上述问题的新结构电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电解冷却及容错运行的电机定子结构，利用温度触发电解质相变，进行冷却和构成电路储能放电，实现电机容错运行。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电解冷却及容错运行的电机定子结构，包括电机机壳、定子铁心和环绕式绕组，所述电机机壳为分层机壳，包括内层机壳，内层机壳为导磁机壳；导磁机壳通过分布的导磁连接柱和定子铁心相连接固定；每个环绕式绕组的两侧均有导磁连接柱，定子铁心、导磁连接柱与导磁机壳构成磁路；

导磁机壳及定子铁心之间的空腔被导磁连接柱分隔为若干个工作腔，工作腔与电机的环绕式绕组一一对应；工作腔内填充有电解质，电解质起始状态为不导电固态，随着电机内部温度的升高，其会发生相变，从固态变为液态，液态中存在导电离子，使电解质在液态时为导电状态；当温度恢复正常，电解质发生相变，从液态变为固态；

每个工作腔均对应装有储能振荡装置；储能振荡装置为由金属极板、副线圈绕组和电容组成的储能振荡电路；储能振荡电路中的副线圈绕组缠绕在导磁机壳上，且位置和环绕式绕组一一对应；电容放置在对应的副线圈绕组旁边；

每个工作腔两侧的导磁连接柱上分别安装金属极板，金属极板、副线圈绕组、电容和金属极板依次串联。

所述电机机壳由内层机壳和外层机壳嵌套而成，外层机壳为不导磁机壳。

所述不导磁机壳内侧与副线圈绕组对应位置均设有开槽。

所述电解质为一种有机系相变电解质，其起始常温状态为不导电固态，达到相变温度时会变化为离子液态，相变温度点为60℃至65℃之间，电机内温度达到相变温度点或超过相变温度点，电解质开始相变。

所述有机系相变电解质为锂盐混合有机溶剂，混合占比为1:5至1:3之间。

所述锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂中的一种。

所述有机溶剂为酯类、醚类溶液中的一种。

本发明的有益效果是：

1. 采用上述技术方案，当电机运行时发生短路故障时，导致电机温度升高，通过电解质的吸热相变，从内部缓解电机温升，从而减少温度过高对电机的危害。当电解质吸热变为电离子液态时，振荡储能电路导通，电路开始工作，对磁场和电场进行动态调节，缓解电机磁场饱和，修正电机故障磁场，维持电机运行。

2．本发明的储能振荡电路利用电解质和电机漏磁进行储能，是电化学和电磁场的结合，从而提高电机故障时容错运行能力。

3. 本发明的储能振荡电路每个是独立存在，能根据其位置的磁场变化，进行不同程度的感应，因此可自适应动态的存储和释放磁能，从而提高电机运行可靠和自容错行。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明中储能振荡装置部位的放大示意图；

图4为本发明中储能振荡电路的连接示意图；

图5为本发明的正常运行图；

图6为本发明的缺相故障运行图。

具体实施方式

以下结合附图本实施例的具体实施方式作详细说明，图5和图6中的箭头为磁场方向示意。

如图1至图6所示，本实施例公开了一种电解冷却及容错运行的电机定子结构，包括电机机壳、定子铁心2和环绕式绕组1。

电机机壳为分层机壳，由内层机壳和外层机壳嵌套而成，内层机壳为导磁材料制成的导磁机壳4，外层机壳为普通不导磁材料制成的不导磁机壳5。

导磁机壳4通过分布的导磁连接柱3和定子铁心2相连接固定；每个环绕式绕组1的两侧均有导磁连接柱3，定子铁心2、导磁连接柱3与导磁机壳4构成磁路。

导磁机壳4及定子铁心2之间的空腔被导磁连接柱3分隔为若干个工作腔，工作腔与电机的环绕式绕组1一一对应。工作腔内填充有电解质9，电解质起始状态为不导电固态，随着电机内部温度的升高，其会发生相变，从固态变为液态，液态中存在导电离子，所以液态时为导电状态，并且随着电解质从固态变换为液态会吸收大量的温度。当温度恢复正常，电解质发生相变，从液态变为固态。

本实施例中，电解质为一种有机系相变电解质，常用的为锂盐混合有机溶剂，混合占比为1:5至1:3之间，其起始常温状态为不导电固态，达到相变温度时会变化为离子液态，相变温度点为60℃。当电机发生短路故障时，内部温度达到60℃以上，就会发生相变，而从固态变为液态，吸收大量热量，起到冷却作用，另外此时又由于金属锂离子的移动而使电解质在该状态时为导电状态；当故障排除后，内部温度恢复正常，达到60℃以下时，该电解质会再次发生相变，从液态相变为固态，恢复正常。

其中，锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂中的一种。

有机溶剂为酯类、醚类溶液中的一种，例如，十二碳酸二甲酯、十六碳硫醚。

每个工作腔均对应装有储能振荡装置；储能振荡装置为由金属极板10、副线圈绕组7和电容8组成的储能振荡电路；储能振荡电路中的副线圈绕组7缠绕在导磁机壳4上，且位置和环绕式绕组1一一对应；电容8放置在对应的副线圈绕组7旁边。

每个工作腔两侧的导磁连接柱3上分别安装金属极板10，金属极板10、副线圈绕组7、电容8和金属极板10依次串联。

金属极板10均采用导电金属材料，由于该极板连接在振荡储能电路的两端，其极性会随着电路中电流流动的方向变化而发生切换。

外层机壳5内侧与副线圈绕组7对应位置均设有开槽6。

本发明的工作原理如下：

在环绕式绕组1中，有一半绕组在定子背槽里面，背部绕组也会产生很强的漏磁磁场。由于定子铁心缠绕环绕式绕组1线圈，导磁机壳4缠绕副线圈绕组7线圈，而且定子铁心2、导磁连接柱3、导磁机壳4构成磁路，漏磁会从构成的磁路中流通，从而进行磁能和电能的交换。

电解质在常温时为固态，金属极板在电解质里面为断路。当电解质受温度影响，变为导电液态时，电解质和振荡储能电路构成回路导通，环绕式绕组的漏磁，通过所构造的磁路，存储在储能振荡电路的电感线圈中，其感应产生的电能，存储在储能振荡电路的电容中，从而实现环绕式绕组线圈和储能振荡电路线圈的磁能和电能的交换传递，最终利用其特殊结构，实现为电机储能和供能提高电动机运行可靠性。

储能振荡电路包括副线圈绕组和电容，由于副线圈绕组可等效为电感元件，所以电路组成也等效为电感和电容元件的串联，其放电振荡频率公式为：

其中L为电感，C为电容, 放电振荡频率仅与电路中的L、C有关，赋予其特定的数值，使其放电振荡频率和电机运行频率将相一致。

如图5所示，电动机正常运行时，电机内部温度较低，电解质此时为固态不变，振荡储能电路为断路状态。

如图6所示，当电动机发生短路故障时，电机内部温度激增温度，短路线圈电流很大，此时电解质吸收绕组上大量热量，变为导电液态，振荡储能电路导通开始工作，由于短路线圈电流很大，周围产生较大的磁场，磁能通过定子铁心2、导磁连接柱3和导磁机壳4所构成的磁路，在副线圈绕组7中感应出电能存储在振荡电路中，缓解电机短路故障带来的磁场局部饱和，并且由于相变吸收热量，电解质能缓解电机因故障造成的温升问题。此外，根据电解质发生相变的位置，可判断短路故障绕组位置，从而以便及时切断故障线圈。当短路绕组切除后，磁场消失，会造成电动机缺相运行，定子的磁场会严重不平衡导致电动机停止运行，此时由于储能振荡电路已经存储了电能，开始进行振荡放电，在液态电解质中的离子随着电流方向的变化，极板带动离子移动形成交变电场，产生的交变磁场注入电机定子铁心，保障电机能容错运行，维持电机原有的磁场，从而让电机继续正常运行。

当电机解决故障，停止运行时，温度下降，达到电解液相变温度，从而该电解质再次发生相变，由液态转变成固态，存储在腔体内部，保证电解质的循环使用。同时，在此过程中放出的热量通过极板的传导至机壳，从而利用机壳上进行散热，实现了固体接触式散热，从而保证此时温度处于电解液相变温度范围内，让电解液能够完全相变成固态。

该结构能吸收电动机短路故障时的热量，降低电机内部温度，缓解电机故障时的磁场饱和，提供电动机运行时所需的磁场，提高电动机运行可靠性。

本发明的储能振荡电路利用电解质和电机漏磁进行储能，是电化学和电磁场的结合，从而提高电机故障时容错运行能力。

本发明的储能振荡电路每个是独立存在，能根据其位置的磁场变化，进行不同程度的感应，因此可自适应动态的存储和释放磁能，从而提高电机运行可靠和自容错行。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (7)

1.一种电解冷却及容错运行的电机定子结构，包括电机机壳、定子铁心和环绕式绕组，其特征在于：所述电机机壳为分层机壳，包括内层机壳，内层机壳为导磁机壳；导磁机壳通过分布的导磁连接柱和定子铁心相连接固定；每个环绕式绕组的两侧均有导磁连接柱，定子铁心、导磁连接柱与导磁机壳构成磁路；

导磁机壳及定子铁心之间的空腔被导磁连接柱分隔为若干个工作腔，工作腔与电机的环绕式绕组一一对应；工作腔内填充有电解质，电解质起始状态为不导电固态，随着电机内部温度的升高，其会发生相变，从固态变为液态，液态中存在导电离子，使电解质在液态时为导电状态；当温度恢复正常，电解质发生相变，从液态变为固态；

每个工作腔均对应装有储能振荡装置；储能振荡装置为由金属极板、副线圈绕组和电容组成的储能振荡电路；储能振荡电路中的副线圈绕组缠绕在导磁机壳上，且位置和环绕式绕组一一对应；电容放置在对应的副线圈绕组旁边；

每个工作腔两侧的导磁连接柱上分别安装金属极板，金属极板、副线圈绕组、电容和金属极板依次串联。

2.根据权利要求1所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述电机机壳由内层机壳和外层机壳嵌套而成，外层机壳为不导磁机壳。

3.根据权利要求2所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述不导磁机壳内侧与副线圈绕组对应位置均设有开槽。

4.根据权利要求1所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述电解质为一种有机系相变电解质，其起始常温状态为不导电固态，达到相变温度时会变化为离子液态，相变温度点为60℃至65℃之间，电机内温度达到相变温度点或超过相变温度点，电解质开始相变。

5.根据权利要求4所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述有机系相变电解质为锂盐混合有机溶剂，混合占比为1:5至1:3之间。

6.根据权利要求5所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂中的一种。

7.根据权利要求5所述的电解冷却及容错运行的电机定子结构，其特征在于：所述有机溶剂为酯类、醚类溶液中的一种。

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