CN114785051A - 一种永磁电机的热管冷却结构及电机 - Google Patents

一种永磁电机的热管冷却结构及电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁电机的热管冷却结构及电机，该冷却结构的多个定子热管沿电机径向阵列，定子热管径向段均朝向电机轴线方向，定子热管轴向段远离定子热管径向段的一端设置有定子散热结构，定子热管内部呈F型腔体，F型腔体朝向电机轴线方向的一侧设置有一层吸液芯，设置吸液芯的区域形成定子热管液体流动区，未设置吸液芯的区域为定子热管气体流动区；转子热管的一端设置有转子散热结构，沿圆柱形转子热管的内壁设置有一层吸液芯，该区域为转子热管液体流动区，未设置吸液芯的区域为转子热管气体流动区，转子热管液体流动区完全包裹转子热管气体流动区。本发明解决现有的热管冷却结构，冷却效率不高，且永磁体还存在不可逆退磁的风险的问题。

Description

一种永磁电机的热管冷却结构及电机
技术领域
本发明属于永磁电机冷却技术领域，具体涉及一种永磁电机的热管冷却结构及电机。
背景技术
目前高功率密度永磁电机的液冷却技术主要通过冷却液与热源直接接触或间接接触来达到冷却的目的，这种冷却方式虽然能够冷却电机，但需要水箱、水泵、外风扇来冷却循环的冷却液，存在冷却系统成本高、体积大、冷却液易泄露的问题。
热管冷却是通过密封热管内的冷却介质蒸发吸热、冷凝后放热来冷却电机，不需要水箱和水泵，体积小，冷却效果好，非常适用冷却高功率密度的永磁电机。但现有的热管冷却结构，冷却效率还有待提高，且永磁体还存在不可逆退磁的风险。
发明内容
发明目的：
本发明提出一种适用于高功率密度永磁电机的热管冷却结构及电机，其目的在于解决现有的热管冷却结构，冷却效率不高，且永磁体还存在不可逆退磁的风险的问题。
技术方案：
一种永磁电机的热管冷却结构，该冷却结构包括多个定子热管、定子散热结构、转子热管和转子散热结构，多个定子热管沿电机径向阵列，定子热管呈F型结构，F型结构的竖边为定子热管轴向段，F型结构的两横边为定子热管径向段，定子热管径向段均朝向电机轴线方向，定子热管轴向段和两个定子热管径向段相通，定子热管轴向段远离定子热管径向段的一端设置有定子散热结构，定子热管内部呈F型腔体，F型腔体朝向电机轴线方向的一侧设置有一层吸液芯，设置吸液芯的区域形成定子热管液体流动区，未设置吸液芯的区域为定子热管气体流动区；转子热管的一端设置有转子散热结构，转子散热结构与定子散热结构位置相对应，转子热管为圆柱形结构，沿圆柱形结构的内壁设置有一层吸液芯，设置有吸液芯的区域为转子热管液体流动区，未设置吸液芯的区域为转子热管气体流动区，转子热管液体流动区完全包裹转子热管气体流动区。
进一步的，定子散热结构为定子热管散热翅片，定子热管散热翅片沿电机轴向线性阵列；转子散热结构为转子热管散热翅片，转子热管散热翅片沿着电机周向阵列。
进一步的，定子热管散热翅片所在的区域为定子热管冷凝区，两个定子热管之间的区域为定子热管蒸发区。
进一步的，转子热管中转子热管散热翅片所包裹的区域为转子热管冷凝区，转子热管中非转子热管散热翅片包裹的区域为转子热管蒸发区。。
一种使用永磁电机的热管冷却结构的电机，电机本体包括定子铁心，电枢绕组、转子铁心、永磁体、机壳、转轴，转轴上设置有转子铁心，转子铁心上固定有永磁体，定子铁心固定于机壳上，机壳沿圆周方向设置有机壳卡槽，定子铁心沿圆周方向设置有定子铁心卡槽，电枢绕组设置在定子槽内，定子铁心和永磁体之间为气隙，在电机本体上有冷却结构，该冷却结构的定子热管轴向段通过定子铁心卡槽和机壳卡槽固定，定子热管径向段通过电枢绕组与定子铁心的两端端面固定连接，并且与电枢绕组和定子铁心的两端端面贴壁设置，定子热管轴向段沿轴向向外延伸出机壳外部，延伸出机壳外部的定子热管轴向段上焊接有定子散热结构；
转轴为空心结构，转轴通过轴承固定在机壳上，转子热管设置在转轴内部，并与转轴贴壁设置，转子热管和转轴的其中一端同时沿轴向向外延伸出机壳外部，延伸出机壳外部的转轴上焊接有转子散热结构。
有益效果：
与现有技术相比，本发明永磁电机热管冷却结构，通过设置定子热管和转子热管，缩短了定子热源和转子热源的距离，冷却效率更高。较难被冷却的电枢绕组端部通过直接和定子热管接触，直接吸收电枢绕组产生的热量。永磁体、转子铁心产生的热量通过转子热管吸收，与传统转子沿径向向外机壳传递热量相比，避免了电机的气隙作为转子热量传递路径，从而减小了转子热量传递的热阻，提高了永磁体和转子铁心的传热效率，减小了永磁体的不可逆退磁风险。同时，该冷却结构也降低了冷却成本和提高了定子热管冷凝区的冷凝效率。
附图说明
图1为电机及热管冷却系统轴向切面图；
图2为电机及热管冷却系统径向切面图；
图3为定子热管结构图；
图4为转子热管结构图轴向切面；
图5为定子铁心的径向切面图；
图6为机壳的径向切面图；
图7为传统机壳螺旋水冷结构下不同入口水速对电机各部件最高温度的影响曲线；
图8为传统机壳螺旋水冷结构下且入口水速为2m/s时的整机温度分布截面；
图9为热管冷却结构下整机温度分布截面；
附图标记说明：1、定子铁心，2、电枢绕组，3、转子铁心，4、永磁体，5、机壳，6、转轴，7、定子热管，8、定子热管散热翅片，9、转子热管，10、转子热管散热翅片，11、气隙，12、定子槽，13、定子热管液体流动区，14、定子热管气体流动区，15、转子热管液体流动区，16、转子热管气体流动区，17、定子热管蒸发区，18、定子热管冷凝区，19、转子热管蒸发区，20、转子热管冷凝区，21、定子铁心卡槽，22、机壳卡槽，23、定子热管轴向段，24、定子热管径向段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1-图4所示，一种永磁电机的热管冷却结构，该冷却结构包括多个定子热管7、定子散热结构、转子热管9和转子散热结构，多个定子热管7沿电机径向阵列，定子热管7呈F型结构，F型结构的竖边为定子热管轴向段23，F型结构的两横边为定子热管径向段24，定子热管径向段24均朝向电机轴线方向，两个定子热管径向段24夹持在定子铁心1上，定子热管7与定子铁心1相对应，也即定子铁心1上沿圆周方向固定有定子热管7，定子热管轴向段23和两个定子热管径向段24相通，定子热管轴向段23远离定子热管径向段24的一端设置有定子散热结构，定子热管7内部呈F型腔体，F型腔体朝向电机轴线方向的一侧设置有一层吸液芯，设置吸液芯的区域形成定子热管液体流动区13，未设置吸液芯的区域为定子热管气体流动区14，定子热管液体流动区13完全覆盖定子热管气体流动区14朝向电机轴线方向的一侧，也即接触定子铁心的一侧，也可以理解为定子热管气体流动区14与定子铁心1之间为定子热管液体流动区13，定子热管液体流动区13内填充吸液芯，吸液芯由毛细多孔材料构成，定子热管液体流动区13的吸液芯中填充冷却液体，定子铁心1、电枢绕组2产生的热量，使夹持在定子铁心1上的定子热管液体流动区13内的液体蒸发，蒸发的气体通过吸液芯进入定子热管气体流动区14，由于处于定子热管散热翅片8处的定子热管气体流动区14温度低，冷热气体形成对流，定子热管气体流动区14内的气体冷凝后，通过吸液芯，又返回定子热管液体流动区13，得到冷液体，冷液体补充定子铁心1外周定子热管液体流动区13内损失的液体，并对定子铁心1进行降温，如此循环往复；；转子热管9的一端设置有转子散热结构，转子散热结构与定子散热结构位置相对应，转子热管9为圆柱形结构，沿圆柱形结构的内壁设置有一层吸液芯，设置有吸液芯的区域为转子热管液体流动区15，未设置吸液芯的区域为转子热管气体流动区16，转子热管液体流动区15完全包裹转子热管气体流动区16。转子热管液体流动区15内填充吸液芯。也即转子热管气体流动区16与转轴6之间为转子热管液体流动区15。转子热管液体流动区15的吸液芯中填充冷却液体。永磁体4和转子铁心3产生的热量，使转子热管液体流动区15内的液体蒸发，通过吸液芯，蒸发的气体进入转子热管气体流动区16，由于处于转子热管散热翅片10处的转子热管气体流动区16温度低，冷热气体形成对流，转子热管气体流动区16内的气体冷凝后又返回转子热管液体流动区15对转子铁心3进行降温，如此循环往复。
如图3所示，定子散热结构为定子热管散热翅片8，定子热管散热翅片8沿电机轴向线性阵列；如图4所示，转子散热结构为转子热管散热翅片10，转子热管散热翅片10沿着电机周向阵列。定子散热结构和转子散热结构也可以为其他能够进行散热的结构。
如图1所示，定子热管散热翅片8所在的区域为定子热管冷凝区18，两个定子热管径向段24之间的区域，也即F型结构夹持定子铁心1所在的区域为定子热管蒸发区17，定子热管蒸发区17与定子铁心1外周圈、定子铁心1两端端面和电枢绕组2端部紧密接触。
如图1、3和4所示，定子热管散热翅片8设置在定子热管7的定子热管冷凝区18一端，并沿电机轴向阵列；转子热管散热翅片10沿着电机径向阵列。
如图1所示，转子热管9的转子热管散热翅片10所在的区域为转子热管冷凝区20，转子热管散热翅片10沿径向设置在转子热管冷凝区20的一端。转子热管9的其他区域为转子热管蒸发区19，转子热管蒸发区19设置在转轴6内部并与转轴6紧密接触。
如图1、5和6所示，一种使用永磁电机的热管冷却结构的电机，包括电机本体和设置于电机本体上的冷却结构，电机本体包括定子铁心1，电枢绕组2、转子铁心3、永磁体4、机壳5、转轴6，转轴6上设置有转子铁心3，转子铁心3上通过绑扎固定有永磁体4，定子铁心1固定于机壳5上，机壳5沿圆周方向设置有若干机壳卡槽22，定子铁心1沿圆周方向设置有若干定子铁心卡槽21，电枢绕组2设置在定子槽12内，定子铁心1和永磁体4之间为气隙11，定子热管轴向段23通过定子铁心卡槽21和机壳卡槽22固定，定子热管径向段24通过电枢绕组2与定子铁心1的两端端面绑扎固定连接，并且与电枢绕组2和定子铁心1的两端端面贴壁设置，也即定子铁心1和机壳5通过定子热管7固定连接在一起，定子热管轴向段23沿轴向向外延伸出机壳5外部，延伸出机壳5外部的定子热管轴向段23上焊接有定子热管散热翅片8，并且定子热管散热翅片8沿轴向线性阵列若干；
转轴6为空心结构，转轴6通过轴承固定连接前后端盖，前后端盖通过螺栓固定在机壳5上，转子热管9设置在转轴6内部，并与转轴6贴壁设置，转子热管9和转轴6的其中一端同时沿轴向向外延伸出机壳5外部，延伸出机壳5外部的转轴6上焊接有转子热管散热翅片10，转子热管散热翅片10沿圆周方向阵列若干。
电机在运行过程中产生大量的热量，热源部分主要包括定子铁心1、电枢绕组2和永磁体4。定子铁心1、电枢绕组2的两侧端部和定子热管7贴壁设置，定子热管液体流动区13内的液体吸收定子铁心1、电枢绕组2的两侧端部的热量后，蒸发进入到定子热管气体流动区14，在气压的作用下，定子热管蒸发区17内的气体，通过定子热管气体流动区14进入到定子热管冷凝区18，进入到定子热管冷凝区18内的气体受冷后放出热量后，冷凝成液体通过毛细作用进入到定子热管液体流动区13，再通过定子热管液体流动区13返回到定子热管蒸发区17，如此循环往复；转子热管液体流动区15内的液体吸收永磁体4的热量后，蒸发进入到转子热管气体流动区16，在气压的作用下，转子热管蒸发区19内的气体，通过转子热管气体流动区16进入到转子热管冷凝区20，进入到转子热管冷凝区20内的气体受冷后放出热量后，冷凝成液体，通过毛细作用进入到转子热管液体流动区15，再通过转子热管液体流动区15返回到转子热管蒸发区19，如此循环往复。
根据牛顿散热定律，通过热传导传递的热量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 829251DEST_PATH_IMAGE002
式中，G为热导，热导即为导热热阻的倒数，导热热阻为物体两端的温度差与热源功率之间的比值；T1、T2为固体两侧面的温度；λ为导热系数；L为热量传递的导热距离；A为热量传递的导热面积；Q为通过导热面积A传递的热量。
本发明中，通过缩短电枢绕组的传热路径，减小了热量传递过程中的热阻，进而提高了电枢绕组向外界传递的热量。
由于气隙的导热系数远远小于铁心和硅钢材料，本发明中永磁体和转子铁心的热量大部分通过沿径向传递到转子热管，从而减小了永磁体和转子铁心热量传递过程中的热阻，进而提高了永磁体和转子铁心向外界传递的热量。
进一步，通过热管冷却结构，蒸发区内液体流动区的冷却液吸收电机产生的热量后，蒸发成气体进入蒸发区内气体流动区，在气压的作用下，蒸发后的气体通过气体流动区从蒸发区进入冷凝区冷凝成液体，然后进入到冷凝区内的液体流动区后通过液体流动区回到蒸发区内的液体流动区，如此循环往复。从而避免了水泵和外部风扇来循环和冷却冷却液，有利于冷却系统的集成，减小了冷却系统的体积，降低了冷却系统的成本。
进一步，通过设置定子热管散热翅片和转子热管散热翅片，增大与空气的接触面积，提高冷却效率。定子热管散热翅片沿电机轴向线性阵列若干，翅片之间存在间隙；转子热管散热翅片沿电机轴向圆周阵列若干，并和转轴同步旋转，驱动空气从外部进入到定子散热翅片之间，提高了定子热管冷凝区的冷凝效率。
为了验证热管冷却结构的可靠性，采用有限元软件计算热管冷却结构下和传统机壳螺旋水冷结构下电机的温度分布。图7为传统机壳螺旋水冷结构下，不同入口水速对定子铁心1、电枢绕组2、永磁体4最高温度的影响曲线，从中可以看出，随着入口水速的增加，电机的各部件最高温度逐渐降低，并且降低趋势逐渐趋于稳定，在入口水速2m/s下，电枢绕组2、永磁体4的最高温度分别为97.6oC、128.9oC。图9为热管冷却结构下，整机温度分布截面，对比图8和图9，从中可以看出，热管冷却结构下，电枢绕组2、永磁体4的最高温度分别为68.2oC、93.3oC。相较于机壳螺旋水冷结构，热管冷却结构下电枢绕组2、永磁体4的最高温度分别降低了30.1%、27.6%。
本发明的一种永磁电机的热管冷却结构，定子铁心1和电枢绕组2产生的热量通过定子热管中的冷却液相变吸热原理直接进行冷却，永磁体4和转子铁心3产生的热量通过转子热管中的冷却液相变吸热原理直接进行冷却。避免了水泵和外部风扇来循环和冷却冷却液，有利于冷却系统的集成，减小了冷却系统的体积，降低了冷却系统的成本。通过设置定子热管散热翅片和转子热管散热翅片，增大与空气的接触面积，提高冷却效率。定子热管散热翅片沿电机轴向线性阵列若干，翅片之间存在间隙；转子热管散热翅片沿电机轴向圆周阵列若干，并和转轴同步旋转，驱动空气从外部进入到定子散热翅片之间，提高了定子热管冷凝区的冷凝效率。

Claims (5)

1.一种永磁电机的热管冷却结构，其特征在于：该冷却结构包括多个定子热管（7）、定子散热结构、转子热管（9）和转子散热结构，多个定子热管（7）沿电机径向阵列，定子热管（7）呈F型结构，F型结构的竖边为定子热管轴向段（23），F型结构的两横边为定子热管径向段（24），定子热管径向段（24）均朝向电机轴线方向，定子热管轴向段（23）和两个定子热管径向段（24）相通，定子热管轴向段（23）远离定子热管径向段（24）的一端设置有定子散热结构，定子热管（7）内部呈F型腔体，F型腔体朝向电机轴线方向的一侧设置有一层吸液芯，设置吸液芯的区域形成定子热管液体流动区（13），未设置吸液芯的区域为定子热管气体流动区（14）；转子热管（9）的一端设置有转子散热结构，转子散热结构与定子散热结构位置相对应，转子热管（9）为圆柱形结构，沿圆柱形结构的内壁设置有一层吸液芯，设置有吸液芯的区域为转子热管液体流动区（15），未设置吸液芯的区域为转子热管气体流动区（16），转子热管液体流动区（15）完全包裹转子热管气体流动区（16）。
2.根据权利要求1所述的永磁电机的热管冷却结构，其特征在于：定子散热结构为定子热管散热翅片（8），定子热管散热翅片（8）沿电机轴向线性阵列；转子散热结构为转子热管散热翅片（10），转子热管散热翅片（10）沿着电机周向阵列。
3.根据权利要求2所述的永磁电机的热管冷却结构，其特征在于：定子热管散热翅片（8）所在的区域为定子热管冷凝区（18），两个定子热管径向段（24）之间的区域为定子热管蒸发区（17）。
4.根据权利要求2所述的永磁电机的热管冷却结构，其特征在于：转子热管（9）中转子热管散热翅片（10）所包裹的区域为转子热管冷凝区（20），转子热管（9）中非转子热管散热翅片（10）包裹的区域为转子热管蒸发区（19）。
5.一种使用如权利要求1-4任意一项所述的永磁电机的热管冷却结构的电机，电机本体包括定子铁心（1），电枢绕组（2）、转子铁心（3）、永磁体（4）、机壳（5）、转轴（6），转轴（6）上设置有转子铁心（3），转子铁心（3）上固定有永磁体（4），定子铁心（1）固定于机壳（5）上，机壳（5）沿圆周方向设置有机壳卡槽（22），定子铁心（1）沿圆周方向设置有定子铁心卡槽（21），电枢绕组（2）设置在定子槽（12）内，定子铁心（1）和永磁体（4）之间为气隙（11），其特征在于：在电机本体上有冷却结构，该冷却结构的定子热管轴向段（23）通过定子铁心卡槽（21）和机壳卡槽（22）固定，定子热管径向段（24）通过电枢绕组（2）与定子铁心（1）的两端端面固定连接，并且与电枢绕组（2）和定子铁心（1）的两端端面贴壁设置，定子热管轴向段（23）沿轴向向外延伸出机壳（5）外部，延伸出机壳（5）外部的定子热管轴向段（23）上焊接有定子散热结构；
转轴（6）为空心结构，转轴（6）通过轴承固定在机壳（5）上，转子热管（9）设置在转轴（6）内部，并与转轴（6）贴壁设置，转子热管（9）和转轴（6）的其中一端同时沿轴向向外延伸出机壳（5）外部，延伸出机壳（5）外部的转轴（6）上焊接有转子散热结构。
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