CN114977564B - 一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构 - Google Patents

一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于盘式电机技术领域，具体涉及一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构，该冷却结构包括定子支架和水套；定子支架为圆环形，外周圈设置为凹槽的结构，定子支架外周圈固定连接水套，水套相对的上下两端设置有进液口和出液口；该定子结构包括定子铁心、电枢绕组、定子支架和水套；定子铁心的第一定子铁心及第二定子铁心结构相同，相对设置，电枢绕组缠绕在定子铁心的第一定子齿身和第二定子齿身上，第一定子齿身和第二定子齿身插入相邻叶片形腔体之间的空隙内，固定于定子支架上，定子支架外周圈固定连接水套。本发明提升了定子铁心及绕组的散热能力，增强了电机的安全性。

Description

一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构
技术领域
本发明属于盘式电机技术领域，具体涉及一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构。
背景技术
定子无磁轭式盘式电机结构紧凑、功率密度高，紧凑空间产生的巨大损耗极易导致电枢绕组温升过高，破坏电枢绕组绝缘，因此如何提高定子铁心及电枢绕组散热能力成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
现有技术中采用的电机冷却系统通常是使冷却通道仅与电枢绕组接触，这样往往导致定子铁心冷却效果不佳，尤其是定子齿靴部分无法得到有效散热。
发明内容
发明目的：
针对现有高功率密度盘式永磁电机的冷却技术不足的问题，本发明提供一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构。
技术方案：
一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构，包括定子支架和水套；定子支架为圆环形，定子支架包括设置在外周圈的环形凹槽、径向冷却通道片、阻流板、第二周向冷却通道盘和第三周向冷却通道盘，环形凹槽外周圈固定连接水套，环形凹槽与水套之间形成环形空间，环形空间为第一周向冷却通道，水套相对的上下两端设置有进液口和出液口，第一周向冷却通道在进液口和出液口所在轴线的两侧均设置有阻流板，两个阻流板将第一周向冷却通道分为两个腔体，一个腔体与进液口连通，另一个腔体与出液口连通；环形凹槽槽体的底部向圆心方向沿周向阵列设置有多个径向冷却通道片，径向冷却通道片一端与环形凹槽连通，径向冷却通道片的另一端封闭；第二周向冷却通道盘和第三周向冷却通道盘结构一致，均为环形圆盘结构，对称设置在环形凹槽底部的两侧，第二周向冷却通道盘和第三周向冷却通道盘均为由多个叶片形腔体沿环形圆盘周向阵列组成，多个叶片形腔体朝向环形圆盘圆心方向的端部连通，多个叶片形腔体的另一端固定于环形凹槽底部的两侧，相邻叶片形腔体之间存在空隙，第二周向冷却通道盘和第三周向冷却通道盘对应的叶片形腔体之间通过径向冷却通道片连通。
进一步的，定子支架和水套选用铝合金材料制作。
进一步的，进液口和出液口之间的连线与两个阻流板之间的连线相互平分且垂直。
一种使用上述定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构的定子结构，还包括定子铁心、电枢绕组；定子铁心由第一定子铁心及第二定子铁心组成，第一定子铁心及第二定子铁心结构相同，相对设置，所述的第一定子铁心为由多个第一定子齿靴和多个第一定子齿身组成的圆环形结构，第一定子齿靴朝向第二定子铁心的一侧上一体设置第一定子齿身，所述的第二定子铁心由多个第二定子齿靴和多个第二定子齿身组成的圆环形结构，第二定子齿靴朝向第一定子铁心的一侧上一体设置第二定子齿身；第一定子齿身和第二定子齿身上均缠绕电枢绕组，缠绕电枢绕组的第一定子齿身和第二定子齿身对应插入定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构中相邻叶片形腔体之间的空隙内。
进一步的，所述定子铁心为无磁轭式定子铁心，定子铁心选取有取向硅钢片、无取向硅钢片、软磁复合材料、非晶合金材料中的任一材料，或选取两种或两种以上材料混合制作定子铁心。
进一步的，电枢绕组采用集中式绕组。
有益效果：
本发明提供的一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构及定子结构，通过在定子支架上布置冷却通道，使冷却液能够同时与定子铁心及电枢绕组接触，明显提升了定子铁心及电枢绕组的散热能力，增强了电机的安全性。同时，随着电机冷却效果的增强，电机的功率密度可随之提高。本发明提高了电机的定子铁心及电枢绕组散热能力，增加了电机的安全性。
附图说明
图1为定子结构的爆炸视图；
图2为本发明定子支架结构示意图；
图3为截取部分定子支架的结构示意图；
图4为仅设置第一周向冷却通道时电机定子铁心温度分布；
图5为仅设置第一周向冷却通道时电机定子电枢绕组温度分布；
图6为本装置定子铁心温度分布；
图7为本装置电枢绕组温度分布；
附图标记说明：1、定子铁心，2、电枢绕组，3、定子支架，31、环形凹槽，4、水套，101、第一定子齿靴，102、第二定子齿靴，103、第一定子齿身，104、第二定子齿身，301、第一周向冷却通道，302、径向冷却通道片，303、阻流板，304、第二周向冷却通道盘，3041、叶片形腔体，305、第三周向冷却通道盘，401、进液口，402、出液口。
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1-3所示，一种定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构，包括定子支架3和水套4；定子支架3为圆环形，定子支架3包括设置在外周圈的环形凹槽31、径向冷却通道片302、阻流板303、第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305，环形凹槽31外周圈固定焊接水套4，二者除了焊接也可以为其他封闭的连接方式，环形凹槽31与水套4之间形成环形空间，环形空间为第一周向冷却通道301，水套4相对的上下两端设置有进液口401和出液口402；如图2所示，第一周向冷却通道301在进液口401和出液口402所在轴线的两侧均设置有阻流板303，两个阻流板303将第一周向冷却通道301分为两个腔体，一个腔体与进液口401连通，另一个腔体与出液口402连通；环形凹槽31槽体的底部向圆心方向沿周向阵列设置有多个径向冷却通道片302，径向冷却通道片302一端与环形凹槽31连通，径向冷却通道片302的另一端封闭；第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305结构一致，均为环形圆盘结构，对称设置在环形凹槽31底部的两侧，第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305均为由多个叶片形腔体3041沿环形圆盘周向阵列组成，多个叶片形腔体3041朝向环形圆盘圆心方向的端部连通，多个叶片形腔体3041的另一端固定于环形凹槽31底部的两侧，也即叶片形腔体3041内的冷却液，只能由径向冷却通道片302流入，相邻叶片形腔体3041之间存在空隙，第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305对应的叶片形腔体3041之间通过径向冷却通道片302连通，第一周向冷却通道301、径向冷却通道片302、第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305用于填充冷却液，冷却液从进液口401加入，经过第一周向冷却通道301、径向冷却通道片302、第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305，再流入到径向冷却通道片302和第一周向冷却通道301，最后可从出液口402流出。
如图2所示，本实施例中进液口401和出液口402之间的连线与两个阻流板303之间的连线相互平分且垂直。也即将本发明的定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构平均分成两部分，分为上半周和下半周。这样设置更利于冷却液快速均匀的填充第一周向冷却通道301、径向冷却通道片302、第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305，提高散热效率。
定子支架3可选用铝合金材料制作。铝合金具有强度好、易加工、耐腐蚀性能好的优势，且其质量轻有利于实现电机的轻量化，从而提升电机的功率密度与转矩密度。
水套4同样选取铝合金材料，水套作用是固定在定子支架外侧与定子支架3的环形凹槽31形成第一周向冷却通道301的。
如图1所示，一种使用定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构的定子结构，还包括定子铁心1和电枢绕组2；为提高本冷却结构的效率，定子铁心1由第一定子铁心及第二定子铁心组成，第一定子铁心及第二定子铁心结构相同，相对设置，所述的第一定子铁心为由多个第一定子齿靴101和多个第一定子齿身103组成的圆环形结构，第一定子齿靴101朝向第二定子铁心的一侧上一体设置第一定子齿身103，所述的第二定子铁心由多个第二定子齿靴102和多个第二定子齿身104组成的圆环形结构，第二定子齿靴102朝向第一定子铁心的一侧上一体设置第二定子齿身104；第一定子齿身103和第二定子齿身104上均缠绕电枢绕组2，缠绕电枢绕组2的第一定子齿身103和第二定子齿身104对应插入定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构中相邻叶片形腔体3041之间的空隙内。固定于定子支架3上。定子铁心1、电枢绕组2、定子支架3之间的间隙可由环氧树脂填充。以使定子铁心1及电枢绕组2固定更加牢固，同时，所述环氧树脂传热性能优于空气，利用环氧树脂填充也可增强定子铁心1及电枢绕组2向冷却通道的传热性能。定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构中的第一周向冷却通道301用于冷却电机定子铁心1及电枢绕组2外径部分，径向冷却通道片302用于冷却电枢绕组2相邻的线圈，第二周向冷却通道盘304和第三周向冷却通道盘305用于冷却整个定子铁心1及电枢绕组2。
所述定子铁心1为无磁轭式定子铁心，定子铁心1选取有取向硅钢片、无取向硅钢片、软磁复合材料、非晶合金材料中的任一材料，或选取两种或两种以上材料混合制作定子铁心1。
电枢绕组2采用集中式绕组。
本发明中冷却液可为水、变压器油、乙二醇与水混合调制中的任一一种，也可选用其他冷却液体。
当电机正常工作时，冷却液由进液口401进入第一周向冷却通道301的上半周，进液口401和出液口402之间的连线与两个阻流板303之间的连线相互平分且垂直时，两个阻流板303将第一周向冷却通道301分成上半周和下半周，如图2中以阻流板303为分界，图2中的上半周和下半周。然后冷却液沿周向流动分别向径向流入电枢绕组2线圈之间的径向冷却通道片302，再由径向冷却通道片302流入第二周向冷却通道盘304、第三周向冷却通道盘305，当冷却液流经第一周向冷却通道301上半周后，冷却液由阻流板303阻碍，此时冷却液由第二周向冷却通道盘304、第三周向冷却通道盘305流向电枢绕组之间的径向冷却通道片302，再通过径向冷却通道片302流向第一周向冷却通道301，最终经过出液口402流出。所述冷却液流经通道能够直接与第一定子齿靴101、第二定子齿靴103、电枢绕组2接触，能够有效将定子铁心1及电枢绕组2产生的热量带走。
利用Solidworks软件建立了电机的物理模型，并导入SpaceClaim 中通过建立空气包运用布尔运算得到电机内部流体，然后导入Mesh中进行剖分，使其整体网格正交性最小值大于 0.1，扭曲度最大值小于 0.98。在进行网格剖分后，将其导入Fluent软件中进行计算，在 Fluent 软件计算中，默认环境温度为300K，同时需给定电机发热部件的生热率以及各部件的导热系数。在此给定定子铁心生热率为6734494 W/m3，电枢绕组生热率为12406102 W/m3，给定的电机各部件导热系数如表1所示。
表1电机各部件导热系数
部件 导热系数W/(m·K) 部件 导热系数W/(m·K)
定子铁心（轴向、周向） 39 定子铁心（径向） 4.43
电枢绕组 385 绝缘 0.26
定子支架 168 水套 168
环氧树脂 0.4 水 0.6
通过Fluent 软件计算得到的电机温度场分布如图4-图7所示。图4和图5分别为仅定子支架表面开设冷却结构时电机的定子铁心及电枢绕组温度分布图，从图中可以看出，定子铁心及电枢绕组最高温度位于电机内径处，最高温升分别为469.76K和447.64K，图6和图7为采用本专利所提出的冷却结构，从图中可以看出，电机定子铁心及电枢绕组最高温升分别为398.48K和381.75K，与之前冷却结构相比电机温升显著降低，证明了本专利所提出冷却结构的有效性。

Claims (5)

1.一种定子无磁轭式盘式电机的定子结构，其特征在于：所述定子结构为使用定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构的定子结构，该定子结构还包括定子铁心（1）、电枢绕组（2）；定子铁心（1）由第一定子铁心及第二定子铁心组成，第一定子铁心及第二定子铁心结构相同，相对设置，所述的第一定子铁心为由多个第一定子齿靴（101）和多个第一定子齿身（103）组成的圆环形结构，第一定子齿靴（101）朝向第二定子铁心的一侧上一体设置第一定子齿身（103），所述的第二定子铁心由多个第二定子齿靴（102）和多个第二定子齿身（104）组成的圆环形结构，第二定子齿靴（102）朝向第一定子铁心的一侧上一体设置第二定子齿身（104）；第一定子齿身（103）和第二定子齿身（104）上均缠绕电枢绕组（2），缠绕电枢绕组（2）的第一定子齿身（103）和第二定子齿身（104）对应插入定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构中相邻叶片形腔体（3041）之间的空隙内；
所述定子无磁轭式盘式电机的定子液冷结构包括定子支架（3）和水套（4）；定子支架（3）为圆环形，定子支架（3）包括设置在外周圈的环形凹槽（31）、径向冷却通道片（302）、阻流板（303）、第二周向冷却通道盘（304）和第三周向冷却通道盘（305），环形凹槽（31）外周圈固定连接水套（4），环形凹槽（31）与水套（4）之间形成环形空间，环形空间为第一周向冷却通道（301），水套（4）相对的上下两端设置有进液口（401）和出液口（402），第一周向冷却通道（301）在进液口（401）和出液口（402）所在轴线的两侧均设置有阻流板（303），两个阻流板（303）将第一周向冷却通道（301）分为两个腔体，一个腔体与进液口（401）连通，另一个腔体与出液口（402）连通；环形凹槽（31）槽体的底部向圆心方向沿周向阵列设置有多个径向冷却通道片（302），径向冷却通道片（302）一端与环形凹槽（31）连通，径向冷却通道片（302）的另一端封闭；第二周向冷却通道盘（304）和第三周向冷却通道盘（305）结构一致，均为环形圆盘结构，对称设置在环形凹槽（31）两侧，第二周向冷却通道盘（304）和第三周向冷却通道盘（305）均为由多个叶片形腔体（3041）沿环形圆盘周向阵列组成，多个叶片形腔体（3041）朝向环形圆盘圆心方向的端部连通，多个叶片形腔体（3041）的另一端固定于环形凹槽（31）两侧，相邻叶片形腔体（3041）之间存在空隙，第二周向冷却通道盘（304）和第三周向冷却通道盘（305）对应的叶片形腔体（3041）之间通过径向冷却通道片（302）连通。
2.根据权利要求1所述的一种定子无磁轭式盘式电机的定子结构，其特征在于：定子支架（3）和水套（4）选用铝合金材料制作。
3.根据权利要求1所述的一种定子无磁轭式盘式电机的定子结构，其特征在于：进液口（401）和出液口（402）之间的连线与两个阻流板（303）之间的连线相互平分且垂直。
4.根据权利要求1所述的一种定子无磁轭式盘式电机的定子结构，其特征在于：所述定子铁心（1）为无磁轭式定子铁心，定子铁心（1）选取有取向硅钢片、无取向硅钢片、软磁复合材料、非晶合金材料中的任一材料，或选取两种或两种以上材料混合制作定子铁心（1）。
5.根据权利要求1所述的一种定子无磁轭式盘式电机的定子结构，其特征在于：电枢绕组（2）采用集中式绕组。
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