CN114024379A - 一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，涉及电机冷却系统技术领域。包括电机定子机壳和包含其内的具有凸极结构的定子和转子，定子机壳上具有冷却通道，定子上包括定子铁心单元、永磁体和集中式电枢绕组，定子铁心单元围绕电机轴线沿圆周均匀分布，相邻定子铁心单元之间嵌入一组沿径向等间隙分布的n块相同的永磁体，该组永磁体充磁方向相同，并且相邻组永磁体的充磁方向沿相反方向，单个线圈绕于相邻定子铁心齿和内嵌的永磁体形成的定子齿上，定子被定子机壳所包裹。本发明的电机冷却系统解决了定子永磁型轴向磁场永磁电机散热困难的问题，实现了对定子永磁型轴向磁场永磁电机铁心、永磁体和电枢绕组的直接冷却，提高电机的散热效率。

Description

一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统

技术领域

本发明涉及电机冷却系统技术领域，尤其是涉及定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统技术领域。

背景技术

轴向磁场永磁电机又称盘式永磁电机，早在1821年，法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场盘式永磁电机。限于当时的材料和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步的发展。然而随着越来越多高性能永磁材料的出现和工艺水平的改善，同时为了克服传统圆柱形电机存在的冷却困难和转子铁心利用率低等问题，轴向磁场永磁电机重新获得重视。轴向磁场永磁电机因其结构紧凑、效率高和高功率密度等优势，尤其适合应用于电动车辆、飞轮储能和风力发电等要求高转矩密度和空间紧凑的场合，已成为电机领域的研究热点。然而，高功率密度的特点也使得在轴向磁场永磁电机中，冷却成为了一个主要的问题。通常，随着温度的升高，永磁体的磁性能逐渐降低，甚至会失磁。此外温升会使电枢绕组的直流电阻变大，损耗变高，使得温升进一步提高，长时间工作于该状态会加速绕组绝缘老化，损坏电机。因此在电机长时间的运行中，散热效率不仅关系到电机的寿命，也往往是电机转矩和效率等性能的最重要的限制因素。

现有轴向磁场永磁电机冷却通常采用间接冷却技术，以散发由于定子的损耗产生的热量。通常是基于定子外壳(冷却套)中的螺旋液体冷却回路，或者延伸到定子机壳端盖的冷却回路。电枢绕组和定子铁心中产生的损耗通过电机内部循环的空气、铁心及铁心与机壳的接触面，通过传导或对流传输到外部机壳，然后在热交换器中进行外部冷却。但是热量需经过复杂的多重路径传导至机壳，受到空气的导热性能和定子与机壳的接触热阻等因素影响，而这些通常以导热能力差为特征,因此难以有效地消除定子部件中的热量。

本专利中主要涉及定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却技术。通常，该类型电机定、转子的数目并不单一，常见结构为双转子之间设置一个定子、双定子之间设置一个转子或者以前面两种结构为基本单元的多盘式结构。对于如图5所示的轴向磁场磁通切换型电机，该电机采用双定子结构的设置，转子可以采用分离的凸极结构，因此转子上既无永磁体也无电枢绕组，不存在散热问题，此外转子结构简单、坚固，适合高速旋转；该类型电机永磁体和电枢绕组均置于定子侧，我们可以直接为永磁体和电枢绕组同时设置直接冷却通道，相比于转子永磁型轴向磁场永磁电机在转轴上设置的间接冷却通道，这种结构热源部位的热量不需经过复杂的多重路径传导至机壳，明显更容易散热，且冷却效果更好。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前定子永磁型轴向磁场永磁电机的散热问题，提供了一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却方法，通过在定子永磁型轴向磁场永磁电机内设置永磁体冷却通道和定子电枢绕组冷却通道实现对定子铁心、永磁体和电枢绕组的直接冷却，使其达到散热良好的效果。

为达到上述目的，本发明提供一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却方法，使用该系统的定子永磁型轴向磁场永磁电机包括凸极结构的定子和凸极结构的转子，定子上凸极定子铁心围绕电机轴线沿圆周均匀分布，被定子机壳所包裹。相邻凸极定子铁心块之间嵌入一组沿径向等间隙分布的n块相同的永磁体，该组永磁体充磁方向相同并沿周向的正向或者反向，并且相邻组永磁体的充磁方向沿相反方向，定子采用集中式电枢绕组，电枢绕组的单个线圈绕于相邻定子铁心齿和内嵌的永磁体形成的定子齿上。

所述嵌入定子铁心之间的永磁体并不是一个整块结构，通过采用径向等间隙分布n(奇数)块相同永磁体的方法使各块永磁体之间留有间隙，因为n为奇数，所以每一组永磁体有(n-1)个这样的间隙；同时使永磁体的轴向高度低于“U”型定子铁心的高度，使得在每一组的n块永磁体上方放置第一挡板后，整体高度与“U”型定子铁心相同。此挡板中间平直，两边各有一个凸起的规则齿，且凸起齿的下表面与每一组n块永磁体中处于最外边的2个永磁体的上表面完美契合，此结构使得中间的(n-2)块永磁体与上方挡板之间留有间隙，因为此间隙的存在，每一组所有永磁体之间的n个间隙连通成一体，形成了永磁体冷却通道。可见，相邻“U”型定子铁心之间的间隙被永磁体块，挡板，永磁体冷却通道完整填充。此冷却系统中，我们使用油作为冷却液。

所述定子机壳上开了1个进油口，和2个出油口，进油口正对任意两个定子绕组之间的空隙，2个出油口在其两边。定子机壳内底面有(n-1)条凹进去的通道，呈环形，并与永磁体冷却通道完美相接。将与进油口和出油口分别相通的机壳进油通道和机壳出油通道个数构造成相等，各为(n-1)/2，此设计目的是让冷却液在整个流进和流出过程中保持相对平缓的速度，充分接触永磁体表面以便带走每一块永磁体大部分的热量，同时避免局部流速过慢而造成的堵塞现象，有利于冷却液的内外循环。与进油口相通的(n-1)/2的机壳进油通道呈现完整的圆环形，使冷却液从进油口进去后，可以同时沿顺时针和逆时针2个方向进入呈圆周分布的永磁体冷却通道，其半径比机壳出油通道的半径小，与其直接相通的(n-1)/2个永磁体之间的间隙更靠近与定子机壳环面；而与出油口相通的(n-1)/2个机壳出油通道的形状类似于半圆环，和更靠近与定子机壳外环面的(n-1)/2个永磁体之间的间隙直接相通。冷却液流出永磁体通道后可以沿着顺时针和逆时针2个方向分别从两个出油口流出。

所述的“U”型定子铁心和永磁体形成的整体嵌入定子机壳内，当另一半无冷却通道的普通定子机盖通过数个定子机壳凹槽接上后，定子内形成了除永磁体、第一挡板、“U”型定子铁心、定子绕组之外的定子内空腔。在空腔内设置2个和空腔轴向高度相同的第二挡板，一个在进油口和其中一个出油口之间，将与出油口正对的定子绕组和定子机壳外环面相连接；另一个将此定子绕组与定子机壳内环面相连接，形成了单向连通的定子绕组冷却通道，使得冷却液在其内外可以循环流动起来。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、永磁体径向等间隙分布的结构，使得每一块永磁体充分接触冷却液，从而可以带走其产生的大部分的热量；

2、永磁体上方第一挡板的设计，既使得永磁体之间的间隙相互连通，又使得永磁体冷却通道和机壳冷却通道形成封闭的整体，确保冷却液不会流进定子绕组冷却通道，形成冷却液的混通，散热效果明显更好；定子空腔内第二挡板的设计，使得冷却液在定子绕组冷却通道内外可以循环流动起来，带走定子绕组产生的大部分热量；

3、机壳多条环形通道的设计使得永磁体冷却通道的冷却液可以很好得进行内外循环；

4、永磁体冷却通道和定子绕组冷却通道类似于并联的结构，不需要为各自单独设置进油口和出油口，从而减少机壳的工艺；

5、使用该冷却系统的定子永磁型轴向磁通电机，转子上既无永磁体也无绕组，使得转子结构简单，更加坚固，适合高速旋转；而且相比于转子永磁型轴向磁场永磁电机在转轴上设置的间接冷却系统，这种结构明显更容易散热，且散热效果更好。

附图说明

图1为永磁体冷却通道示意图；

图2为机壳通道示意图；

图3为定子轴向截面图；

图4为绕组冷却通道示意图；

图5为使用该冷却系统的定子永磁型轴向磁场永磁电机示意图。

图中：1为定子，2为定子机壳，3为转子，4为永磁体，5为第一挡板，6为“U”型定子铁心，7为定子绕组，8为进油口，9为出油口，10为机壳进油通道，11为机壳出油通道，12为永磁体冷却通道，13为机壳凹槽，14为定子绕组冷却通道，15为第二挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示为永磁体冷却通道，相邻“U”型定子铁心之间嵌入一组沿径向等间隙分布的n块永磁体(4)，使得各块永磁体(4)之间留有间隙，因为n为奇数，所以一组n块永磁体共有(n-1)个这样的间隙，同时永磁体(4)轴向高度低于“U”型定子铁心(6)，使得在每一组n块永磁体(4)的上方设置第一挡板(5)后，整体高度与“U”型定子铁心(6)相同。此挡板中间平直，两边各有一个凸起的齿，且凸起的齿的下表面与每一组永磁体中处于最外边的两个永磁体(4)的上表面完美契合，使得中间的(n-2)块永磁体与上方挡板间留有间隙，因为此间隙的存在，每一组所以永磁体(4)之间的n个间隙连通成一体，形成了永磁体冷却通道(12)，相邻“U”型定子铁心(6)之间的间隙被各永磁体块(4)，挡板(5)，永磁体冷却通道(12)完美填充。图1也清楚地标记了冷却液在永磁体冷却通道(12)中完整的流动过程。

如图2所示，定子机壳(2)上有一个进油口(8)和2个出油口(9),进油口(8)正对任意两个定子绕组(7)之间的间隙，两个出油口(9)在其两边。定子机壳(2)内底面有(n-1)条凹进去的通道，并和永磁体冷却通道(12)完美相接，呈环形。将与进油口(8)和出油口(9)分别相通的机壳进油通道(10)和机壳出油通道(11)构造成相通，各为(n-1)/2个，使冷却液的流动更加平缓，从而充分地接触永磁体，带走其产生的大部分热量。与进油口(8)相通的(n-1)/2个机壳进油通道(10)呈完整的圆环形，使冷却液从进油口(8)进去后，可以同时沿顺时针和逆时针两个方向进入圆周分布的永磁体冷却通道，其半径比机壳出油通道(11)的半径小，与其直接相通的(n-1)/2个永磁体之间的间隙更靠近与定子机壳内空心环面；而与出油口(9)相通的(n-1)/2个机壳出油通道(11)的形状类似于半圆环，和更靠近与定子机壳外环面的(n-1)/2个永磁体之间的间隙直接相通。冷却液流出磁体冷却通道后可以沿着顺时针和逆时针两个方向分别从两个出油口(9)流出。

图3所示为定子的轴向截面图，从图3中我们可以看到冷却液在永磁体冷却通道(12)和机壳底面通道内的流动过程。油从进油口(8)进入圆环形的机壳进油通道(10)，沿顺时针或逆时针两个方向到达呈圆周分布的且更靠近定子机壳内环面的(n-1)/2个永磁体之间的间隙正下方，从下往上进入永磁体冷却通道(12)，然后沿着永磁体(4)和第一挡板(5)之间的间隙水平流动，接着从上往下流进更靠近与定子机壳外环面的(n-1)/2个永磁体之间的间隙，最后流出永磁体冷却通道(12)进入类似于半圆环型的机壳出油冷却通道(11)，并沿着顺时针和逆时针两个方向分别从两个出油口(9)流出。

图4所示为绕组冷却通道示意图，可以看出“U”型定子铁心(6)和永磁体(4)形成的整体嵌入定子机壳(2)内，当另一半无冷却通道的普通定子机盖(结构简单，并未画出)通过数个定子机壳凹槽(13)接上后，定子内形成了除永磁体(4)、第一挡板(5)、“U”型定子铁心(6)、定子绕组(7)之外的定子内空腔。在空腔内设置两个与空腔轴向高度相同的第二挡板(15)，一个在进油口(8)和其中一个出油口(9)之间，将与出油口(9)正对的定子绕组(7)和定子机壳外环面相连接，另一个将此定子绕组(7)与定子机壳内环面相连接，形成了单向连通的定子绕组冷却通道(14)。冷却液的流动方向如图4所示，油从进油口(8)进入定子绕组冷却通道(12)，因为两个第二挡板(15)的阻挡，油只能逆时针流动，进油口(8)正对定子绕组(7)之间的间隙的设计使得冷却液进入定子绕组冷却通道(12)就分流，一部分沿着定子绕组(7)和定子机壳(2)外环面之间的间隙(外间隙)流动，另一部分流入进油口(8)正对的定子绕组(7)之间的间隙，再流出并沿着定子绕组(7)和定子机壳(2)内环面之间的间隙(内间隙)流动，同时各定子绕组(7)之间的间隙中也有油的流动。因为外间隙的空间比内间隙的空间大的多，冷却液的流量大，使得油在各定子绕组(7)之间的间隙中保持从外间隙到内间隙的流动方向，从而，冷却液在定子绕组冷却通道(12)中可以稳定地流动，最后一起从右边的出油口(9)流出。

使用该冷却系统的定子永磁型轴向磁场永磁电机具有一对定子(1)，同轴相对放置并具有凸极结构，定子(1)采用集中绕组，定子(1)上有呈圆周分布的“U”型定子铁心(6)，被定子机壳(2)所包裹，相邻“U”型定子铁心(6)之间嵌入一组沿径向等间隙分布的n(奇数)块相同的永磁体，凸极结构的转子(3)同轴放置在两定子(1)之间，电机中的磁场方向通常位于轴向。使用该冷却系统的定子永磁型轴向磁通电机如图5所示，其中省略了两个无特殊结构的普通定子机盖。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为说明本发明的具体实施方式而已，不能以此限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，电机定子机壳和包含其内的具有凸极结构的定子(1)和转子(3)，定子机壳上具有冷却通道，定子上包括凸极定子铁心单元(6)、永磁体(4)和电枢绕组(7)，凸极定子铁心单元(6)围绕电机轴线沿圆周均匀分布，相邻凸极定子铁心单元(6)之间嵌入一组沿径向等间隙分布的n块相同的永磁体(4)，该组永磁体充磁方向相同，并且相邻组永磁体的充磁方向沿相反方向，定子采用集中式电枢绕组(7)，单个线圈绕于相邻定子铁心齿和内嵌的永磁体形成的定子齿上，定子被定子机壳(2)所包裹，转子上围绕电机轴线安装有沿圆周均匀分布的一组凸极转子铁心，定子与转子具有相同的轴线，并沿电机轴线间隔一定距离，电机气隙中的磁场方向通常沿轴向，电机冷却系统包含对产生热量的定子各个部件进行冷却，包括铁心、永磁体和电枢绕组，其特征在于：使得冷却介质在机壳冷却通道和永磁体间隙间流动，从而使得冷却介质流过所述的凸极定子铁心表面，并进入永磁体间间隙形成的永磁体冷却通道流过永磁体表面；使得冷却介质在所述线圈间流动，控制所述线圈之间的间隙来控制所述的线圈间冷却介质流量。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的永磁体，其特征在于：嵌入凸极定子铁心(6)间的永磁体(4)并不是一个整块结构，而是通过采用径向等间隙分离的n块相同永磁体(4)的方法使各块永磁体(4)之间留有间隙，所以每一组n块永磁体有(n-1)个这样的间隙；同时使永磁体(4)轴向高度低于凸极定子铁心(6)面向气隙的齿面的高度，使得可在每一组的n块永磁体(4)上方放置第一挡板(5)，此挡板(5)中间平直，两边各有一个凸起，且凸起的下表面与每一组n块永磁体中处于最外边的2个永磁体(4)的上表面紧密接触，这种结构使得中间的(n-2)块永磁体与上方第一挡板(5)之间留有间隙，该组永磁体(4)之间的n个间隙为连通体，形成了永磁体冷却通道(12)。

3.根据权利要求2所述的等间隙分离出的n块相同永磁体，其特征在于：每组永磁体块间的间隙最小值小于2mm。

4.根据权利要求2所述的放置在每一组的n块永磁体(4)上方的第一挡板(5)，其特征在于：第一挡板采用非导磁非导电材料。

5.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，其特征在于：所述机壳上具有机壳冷却通道，所述机壳冷却通道包括定子机壳(2)侧面上的冷却介质入口(8)、出口(9)以及机壳面向定子一侧底面上的冷却通道。

6.根据权利要求5所述的机壳冷却通道，其特征在于：机壳侧面冷却通道为面向电机定子的半开口凹槽结构。

7.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，其特征在于：所述定子机壳(2)底面的凹槽形成的冷却通道和永磁体冷却通道(12)位置正对，机壳凹槽与电机定子铁心的侧面与永磁体冷却通道形成一个封闭的冷却介质流动通道。

8.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，其特征在于：定子机壳(2)底面的(n-1)条凹槽分为内、外两组，并通过永磁体冷却通道相连，冷却介质流通路径依次为：入口、外侧凹槽、永磁体冷却通道、内侧凹槽、出口。

9.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，其特征在于：凸极定子铁心(6)和永磁体(4)及第一挡板形成的整体嵌入定子机壳(2)内，定子(1)内形成了除永磁体(4)、第一挡板(5)、“U”型定子铁心(6)、定子绕组(7)之外的定子内空腔，在空腔内设置与空腔轴向高度相同的第二挡板(15)，从而在机壳内外侧面及绕组间限定出一条冷却介质通道。

10.根据权利要求1所述的定子永磁型轴向磁场永磁电机的冷却系统，其特征在于：限制绕组的相邻线圈之间，线圈和机壳内表面之间的间隙，间隙的最小值小于2mm。

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