CN114337015B - 一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，属于电机冷却技术领域，其中，定子铁心内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套；定子铁心沿轴向被分为多个铁心分段，包括第一铁心分段和第二铁心分段；第一铁心分段的周向外表面设置有多个轴向凹槽，与机壳形成轭部油道，且第一铁心分段的槽口被槽楔完全封堵；第二铁心分段的槽口与隔油套形成槽口油道；第一铁心分段和第二铁心分段沿轴向交替分布，且相邻两个铁心分段之间设置有一个隔离定位环；隔离定位环上设置有与轭部油道对齐的凹槽；前端盖上设置有用于导入冷却油的进油口，后端盖上设置有用于导出冷却油的出油口。本发明实现对定子铁心和绕组的充分冷却。

Description

一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机。

背景技术

为了节约能源和保护环境，交通运输业已经迎来全面电气化变革，高效轻质的高功率密度电机成为电动汽车及航空航天领域驱动系统所追求的目标。然而，高功率密度电机具有很高的电磁负荷，这使得电机的损耗密度极高，绕组、铁心和磁钢等有效部分的高效冷却成为这类电机设计的关键技术之一。过高的电机温度不仅会影响电机的使用寿命，对电机运行的可靠性和安全性也会产生极大的威胁。

目前，高功率密度电机的热负荷常达到20000A²/(cm·mm²)以上，传统的空冷、氢冷及水冷等方式已经无法满足这类电机的冷却需求。油具有良好的绝缘性，可以直接和绕组接触，极大地减小了热源和冷却介质之间的热阻，同时相比于气体，其具有更高的导热系数和密度，因此油冷成为了高功率密度电机常用的冷却方式。油冷具体分为喷油冷却、甩油冷却和浸油冷却等，其中喷油冷却和甩油冷却虽然耗油量少，但是其往往只会对绕组端部有较强的冷却效果，存在冷却不均匀的问题，而浸油冷却则可以和定子铁心及绕组有更充分的接触，具有更高的冷却效率。

为了增强冷却效果，传统的高功率密度电机会在定子铁心轭部、槽口等位置设计油道，但为了减小对电磁性能的影响，这些油道的位置会距离热源较远，铁心和绕组无法得到充分冷却，存在局部过热点，且油道尺寸较为狭窄，冷却系统压强较大，浸油冷却的优势无法得到充分的利用。

对于采用分数槽集中绕组的高功率密度电机，具有转矩脉动小、绕组端部短、可靠性高等优势。但是由于槽数少的特点，槽中心到定子铁心的热阻较大，散热困难，局部的槽内过高温会限制电负荷的进一步提升，因此定子绕组的冷却问题亟待解决。为了增强绕组的冷却效果，常在槽内设置油道，但是这会极大地降低绕组的槽满率，导致铜耗增加效率降低。

在专利文件CN201721154030.3中，公开了一种高速电机定子冷却结构，其中，在机壳和定子组件之间设置有冷却水套，冷却水套由导热材料一体铸造而成，水道为S形。如图1所示，其中，I-1为电机机壳，I-2为冷却水套，I-3为定子组件，I-4为进水管接头，I-5为出水管接头，I-6为转子组件。该结构具有结构简单、安装方便的优点，但是定子绕组距离水套较远，传热路径上的热阻较大，无法对定子绕组进行高效冷却，不利于电机功率密度的提升。

在专利文件CN202010502058.1中，公开了一种电机定子冷却结构及电机，其中，定子铁心轴向两端设有两个罩盖，周向上布设了多个插槽和挡片，通过第一罩盖、第二罩盖、挡片和多个插槽形成沿定子铁心周向延伸的冷却通道，使冷却液与电机转子隔离。如图2所示，其中，II-1为定子铁心，II-2为第一盖板，II-3为第一插接台，II-4为第二盖板，II-5为第二插接台，II-6为挡片。该结构解决了因电机转子旋转搅动冷却液造成的电机能量损耗问题，提高了电机的功率密度，但是，结构较为复杂，冷却系统对绕组端部和定子铁心轭部有较好的冷却效果，但是槽内绕组和铁心齿部的温度较高。

总的来说，如何实现定子铁心和绕组的充分冷却，是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其目的在于，实现对定子铁心和绕组的充分冷却。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，定子铁心内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套；

定子铁心沿轴向被分为多个铁心分段，包括第一铁心分段和第二铁心分段；第一铁心分段的周向外表面设置有多个轴向凹槽，与机壳形成轭部油道，且第一铁心分段的槽口被槽楔完全封堵；第二铁心分段的槽口与隔油套形成槽口油道；第一铁心分段和第二铁心分段沿轴向交替分布，且相邻两个铁心分段之间设置有一个隔离定位环；隔离定位环上设置有与轭部油道对齐的凹槽；

前端盖上设置有用于导入冷却油的进油口，后端盖上设置有用于导出冷却油的出油口。

进一步地，在进油口和定子铁心之间，还设置有分油板；

分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，且分油孔的数量大于进油口的数量。

进一步地，分油孔的数量与定子槽数相同。

进一步地，各分油孔对准绕组端部。

进一步地，进油口设置有多个，且在前端盖上沿周向均匀分布。

进一步地，第一铁心分段中的多个轭部油道在第一铁心分段的周向外表面上均匀分布。

进一步地，轭部油道位于定子齿的中心线上。

进一步地，第一铁心分段中，轭部油道数量与定子槽数相同。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，通过将定子铁心沿轴向进行分段，其中部分铁心分段仅在齿部设置有槽口油道，部分铁心分段仅在铁心轭部设置有轭部油道，两类铁心分段交替设置，且相邻铁心分段间设置有隔离定位环，使相邻铁心分段之间存在一定的间隔；由于隔离定位环上设置有与轭部油道对齐的凹槽，使得相邻两个铁心分段上的槽口油道和轭部油道经过两个铁心分段之间的空间连通，从而冷却油会交替流经齿部的槽口油道和轭部的轭部油道，并在切换油道时，会流经两端铁心分段的端面，有效延长了冷却油流通路径的长度，增加了散热面积；可以有效的解决因铁心轴向导热系数小引起的铁心内部温度过高的问题，让定子铁心得到了充分的冷却，并且实现了冷却油和槽内绕组的多次接触，减小了位于内部的热源和冷源的之间的热阻，增大了绕组的散热面积，具有极高的冷却效率。

(2)本发明提供的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其中设置有隔油套，该隔油套紧贴定子齿部且两端密封，能够防止冷却油的泄漏，避免了因转子旋转而引起的搅油损耗。

(3)本发明提供的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，在前端盖和定子铁心之间还设置有分油板，分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，从而冷却油经前端盖上的进油口流入后，会经过分油板上的分油孔均匀分配，再流入定子，由此能够实现对绕组的均匀冷却，避免端部绕组局部过高温。

附图说明

图1为CN201721154030.3提供的高速电机定子冷却结构示意图；其中，I-1为电机机壳，I-2为冷却水套，I-3为定子组件，I-4为进水管接头，I-5为出水管接头，I-6为转子组件；

图2为CN202010502058.1提供的电机定子冷却结构及电机结构示意图；其中，II-1为定子铁心，II-2为第一盖板，II-3为第一插接台，II-4为第二盖板，II-5为第二插接台，II-6为挡片；

图3为本发明实施例提供的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的定子分段结构示意图；

图5为本发明实施例提供的隔离定位环结构示意图；

图6为本发明实施例提供的冷却油流通路径示意图；

图7为本发明实施例提供的分油板结构示意图；

图8为本发明实施例提供的电机冷却示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-定子铁心；11-第一铁心分段，12-第二铁心分段，13-轭部油道，14-槽楔，15-槽口油道；16、17、18、19为依次设置的四段铁心分段；

2-隔油套；21-密封圈，22-隔油套密封件；

3-机壳；

4-隔离定位环；41-凹槽；

5-前端盖；51-进油口；

6-后端盖；61-出油口，62-出线端子；

7-分油板；71-分油孔；

8-绕组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了实现对定子铁心和绕组的充分冷却，在本发明的一个实施例中，提供了一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，以下结合图3～图8对本发明实施例作进一步的解释。

参阅图3和图8，本实施例中，定子铁心1内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套2；隔油套2的两端设置有密封圈21和隔油套密封件22，能够有效地将冷却油密封在定子侧，防止冷却油泄露到内侧的转子中，从而避免了因转子旋转而引起的搅油损耗；由于隔油套2的作用是将冷却介质严格密封在定子侧，因此要有一定的硬度和强度，同时也需要减少电机内的涡流损耗和对电机工作性能的影响，常采用高强度的绝缘材料制作；可选地，本实施例中，使用具有高电阻率和高抗压强度的玻璃纤维制造隔油套2。

参阅图4，本实施例中，定子铁心1沿轴向被分为多个铁心分段，包括第一铁心分段11和第二铁心分段12；第一铁心分段11的周向外表面设置有多个轴向凹槽，与机壳3形成轭部油道13，且第一铁心分段11的槽口被槽楔14完全封堵；第二铁心分段12的槽口与隔油套2形成槽口油道15；第一铁心分段11和第二铁心分段12沿轴向交替分布，且相邻两个铁心分段之间设置有一个隔离定位环4；参阅图6，经过隔离定位环4，相邻两个铁心分段之间存在一定的间隔；

参阅图4、图5和图6，本实施例中，隔离定位环4上设置有与轭部油道13对齐的凹槽41，由此使得相邻两个铁心分段上的槽口油道和轭部油道经过两个铁心分段之间的空间连通；

作为一种优选的实施方式，本实施例中，轭部油道13的数量与定子槽数相同，且各轭部油道位于定子齿的中心线上；

基于铁心分段、轭部油道、槽口油道以及隔离定位环的设置，本实施例中，冷却油流入定子后，会交替流经齿部的槽口油道和轭部的轭部油道，并在切换油道时，会流经两端铁心分段的端面，有效延长了冷却油流通路径的长度，增加了散热面积；例如，在图6所示的四段依次设置的铁心分段中，第一段铁心分段16和第三段铁心分段18为第二铁心分段，其上仅有槽口油道；第二段铁心分段17和第四段铁心分段19为第一铁心分段，其上仅有轭部油道；如图6所示，冷却油在这四段铁心分段中的流通路径为，先通过第一段铁心分段16的槽口油道，由于第二段铁心分段17的槽口油道被槽楔占据，因此冷却油会从第二段铁心分段17的轭部油道流出，这将会充分冷却两个铁心分段的端面以及铁心分段之间的绕组，之后，油重复的流过第三段铁心分段18的槽口油道和第四段铁心分段19的轭部油道；本实施例中的油道设计，可以有效的解决因铁心轴向导热系数小引起的铁心内部温度过高的问题，让定子铁心得到了充分的冷却，并且实现了冷却油和槽内绕组的多次接触，减小了位于内部的热源和冷源的之间的热阻，增大了绕组的散热面积，具有极高的冷却效率。

参阅图3和图8，本实施例中，前端盖5上设置有用于导入冷却油的进油口51，后端盖6上设置有用于导出冷却油的出油口61；此外，出线端子62经后端盖6引出；

考虑到在实际应用中，进油管的数量受到限制，如图3所示，本实施例中，在前端盖5上对称设置了2个进油口51；由于电机进口数量较少，而绕组8沿铁心轴向均匀分布，这会引起因进口冷却油分配不均而导致的绕组端部出现局部过高温，为了避免这一问题，如图3和图8所示，本实施例中，在前端盖5和定子之间还设置有分油板7，如图7所示，分油板7上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔71，且分油孔71的数量大于进油口51的数量；如图8所示，通过在进口处设置分油板7，冷却油经前端盖5上的进油口51流入后，会经过分油板7上的分油孔71均匀分配，再流入定子，由此能够实现对绕组8的均匀冷却，避免端部绕组出现局部过高温；

作为一种优选地实施方式，本实施例中，分油孔71的数量与定子槽数相同，且各分油孔71对准绕组端部。

总的来说，本实施例提供的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其中的定子轴向分段冷却结构通过槽口油道和轭部油道的组合增大了冷却剂和定子内部铁心及绕组的接触面积，有效的降低了铁心和绕组的内部温度，具有极高的冷却效率，温度的降低允许电机具有更高的电磁负荷，让电机的功率密度得到进一步提升；整体冷却结构较为简单，具备在工业界应用和推广的潜力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，定子铁心内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套；

所述定子铁心沿轴向被分为多个铁心分段，包括第一铁心分段和第二铁心分段；所述第一铁心分段的周向外表面设置有多个轴向凹槽，与机壳形成轭部油道，且所述第一铁心分段的槽口被槽楔完全封堵；所述第二铁心分段的槽口与所述隔油套形成槽口油道；所述第一铁心分段和所述第二铁心分段沿轴向交替分布，且相邻两个铁心分段之间设置有一个隔离定位环，使相邻铁心分段之间存在一定的间隔；所述隔离定位环上设置有与所述轭部油道对齐的凹槽，使得相邻两个铁心分段上的槽口油道和轭部油道经过两个铁心分段之间的空间连通，冷却油流入定子后，会交替流经齿部的槽口油道和轭部的轭部油道；

前端盖上设置有用于导入冷却油的进油口，后端盖上设置有用于导出冷却油的出油口。

2.如权利要求1所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，在所述进油口和所述定子铁心之间，还设置有分油板；

所述分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，且所述分油孔的数量大于所述进油口的数量。

3.如权利要求2所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，所述分油孔的数量与定子槽数相同。

4.如权利要求3所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，各分油孔对准绕组端部。

5.如权利要求1所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，所述进油口设置有多个，且在所述前端盖上沿周向均匀分布。

6.如权利要求1～5任一项所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，所述第一铁心分段中的多个轭部油道在所述第一铁心分段的周向外表面上均匀分布。

7.如权利要求6所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，轭部油道位于定子齿的中心线上。

8.如权利要求7所述的具有定子浸油冷却结构的高功率密度电机，其特征在于，所述第一铁心分段中，轭部油道数量与定子槽数相同。