CN115459501B - 一种半密封混合冷却高速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半密封混合冷却高速永磁电机，属于电机技术领域。定子铁芯同轴套装在机壳内，定子铁芯和机壳同轴连接、固定在驱动端端盖与非驱动端端盖之间，定子铁芯内侧设置异形定子护套将冷却油液限制在定子侧；驱动端端盖顶部设置进油孔、圆周方向设置环形配流槽，进油孔与环形配流槽贯通，机壳顶部设置出油孔、内部设置轴向流道，定子铁芯底部弧面与支撑骨架之间构成槽底流道，定子绕组与支撑骨架之间槽内流道；机壳外侧设置若干散热翅片。本发明解决了高速永磁电机浸油冷却的粘滞阻力损失问题、去除了轴端动密封，实现高效、充分和均匀的冷却效果，具有冷却效率高、转速上限高、结构紧凑、功率密度高和可靠性高的优点。

Description

一种半密封混合冷却高速永磁电机

技术领域

本发明涉及一种半密封混合冷却高速永磁电机，属于电机技术领域。

背景技术

近年来，随着永磁材料、软磁材料、高分子材料和宽禁带半导体材料的发展，永磁电机逐步向高速化甚至超高速化发展。高速永磁电机具有转速高、体积小、质量轻、功率密度高、效率高、可靠性高、振动噪声小、可直驱等优点，在航空航天、电气化交通、飞轮储能、精密加工等领域有广泛的应用。

但随着高速永磁电机的转速和频率的升高，在集肤效应和临近效应的作用下定子铜耗显著升高，定子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗显著升高。高速永磁电机的高损耗密度会导致电机的温度升高，带来永磁体退磁、绝缘劣化等一系列后果，直接威胁高速永磁电机的安全可靠运行。

传统的空气冷却、机壳水冷等方式以难以满足高速永磁电机的冷却需求。由于油的绝缘性好、导热系数高，高速永磁电机正逐步转向采用油冷的冷却方式，如喷油冷却和浸油冷却。喷油冷却通过油泵等装置将冷却油液喷淋到定子端部或其他发热部位，耗油量少、局部冷却效果好，但冷却效果不均匀。浸油冷却将电机的定子、转子均浸没在冷却油液内，冷却效果好、温度分布均匀，但电机密封结构复杂、轴端动密封可靠性差。且浸油冷却中气隙内的冷却油液与高速旋转的电机转子表面接触产生可观的粘滞阻力损失，在高速运行时的粘滞阻力损失甚至超过了电机其他损耗的总和，明显降低了电机的功率密度和效率、限制了电机转速的进一步提升。

采用半密封结构将冷却油液限制在定子内部的冷却方式能解决浸油冷却的粘滞阻力损失问题。传统的方案一般是在定子轭部或定子齿部设计冷却流道，或利用定子绕组间的少量空隙作为冷却流道，但总流道面积小、内部流体压强高流阻大、流道和热源间热阻高、难以实现高效、均匀的冷却效果。

发明内容

本发明针对高速永磁电机现有冷却方式的缺陷和改进需求，提出一种半密封混合冷却高速永磁电机，采用半密封混合冷却方式解决浸油冷却的粘滞阻力损失问题、去除轴端动密封，采用槽底流道和槽内流道相结合有效增大电机内流道截面积，结合液冷和机壳自然冷却，实现高速永磁电机高效、充分和均匀的冷却效果。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提供了一种半密封混合冷却高速永磁电机，包括定子铁芯、定子绕组、机壳、驱动端端盖和非驱动端端盖；其还包括支撑骨架和异形定子护套；

所述定子铁芯内部沿圆周方向均匀分布有凸起的定子齿，定子齿之间的开放空间构成定子槽，定子槽内轴向插入支撑骨架；定子绕组按照同步电机绕组分布规律均匀地绕在所述的凸起齿上；异形定子护套同轴套装在定子铁芯内侧柱面；所述定子铁芯同轴套装在机壳内，所述机壳同轴套装、固定连接在驱动端端盖与非驱动端端盖之间；

所述驱动端端盖顶部设置进油孔，圆周方向设置与进油孔贯通的环形配流槽；所述机壳近驱动端端盖侧顶部设置出油孔，内部有若干轴向流道，所述定子铁芯的定子槽底弧面与支撑骨架之间的空间构成槽底流道，定子绕组与支撑骨架之间的空间构成槽内流道，轴向流道一侧与环形配流槽相连，另一侧通过非驱动端油腔分别与槽底流道、槽内流道的一端连通；槽底流道、槽内流道的另一端连通出油孔；所述机壳外侧设置若干散热翅片。

根据本发明的优选实施例，所述机壳的两端与驱动端端盖和非驱动端端盖之间均设置有密封圈，所述异形定子护套的两端与驱动端端盖和非驱动端端盖之间均设置有密封圈。

根据本发明的优选实施例，机壳、异形定子护套、驱动端端盖围成驱动端油腔；机壳、异形定子护套、非驱动端端盖围成非驱动端油腔；轴向流道一侧与环形配流槽相连，另一侧连通非驱动端油腔；槽底流道、槽内流道的两端均分别连通非驱动端油腔和驱动端油腔；出油孔与驱动端油腔连通。

根据本发明的优选实施例，所述定子槽底截面形状为与定子铁芯外圆非同心的小半径圆弧。

根据本发明的优选实施例，所述异形定子护套为异形不等厚度圆筒结构，近非驱动端端盖侧筒壁较厚，近驱动端端盖侧筒壁较薄；所述异形定子护套的筒壁外表面均匀分布有沿轴向方向设置的楔子，楔子数目与定子齿数一致、尺寸与定子槽开口一致，楔子顶端与支撑骨架抵接。

与现有技术相比，通过本发明所构思的上述技术方案具有如下有益效果：

(1) 本发明所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其冷却油液与定子铁芯、定子绕组等热源直接接触进行热传导，具有热阻小、散热面积大、冷却效率高的优势；通过环形配流槽和轴向流道的设置，可以保证冷却油液经环形配流槽均匀配流后进入轴向流道，保证冷却油液在近非驱动端端盖侧流出后完全充盈由机壳、异形定子护套、驱动端端盖和非驱动端端盖所包围的整个空间，从而实现充分、均匀的冷却效果，避免电机局部过热；定子槽底截面形状采用与定子铁芯外圆非同心的小半径圆弧，可有效增大定子槽底弧面面积、进而增大槽底流道的尺寸，槽底流道和槽内流道的结合使用增大了流道的截面积、从而提升冷却油液流量；冷却油液从驱动端端盖顶部进油孔泵入，经轴向流道流至非驱动端端盖侧，再经槽底流道、槽内流道于近驱动端端盖侧机壳顶部出油孔泵出，液冷循环的冷却路径长、散热面积大；机壳外侧散热翅片的设置使得自然冷却与液冷相结合，实现混合冷却，进一步提升了冷却效率。总体而言，上述技术方案能够实现高速永磁电机充分和均匀的冷却效果，冷却效率极高。

(2) 本发明所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，通过异形定子护套、密封圈和气密型电连接器的设置，将冷却油液限制在由机壳、异形定子护套、驱动端端盖和非驱动端端盖所包围的空间，避免了冷却油液进入电机气隙，从而避免了气隙内冷却油液与旋转的电机转子表面接触产生的粘滞阻力损失、消除了轴端动密封，提高了高速电机的转速上限、功率密度、效率和可靠性。

(3) 本发明所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，通过驱动端端盖附加支撑筒壁的设置，可以有效提升异形定子护套较薄筒壁端的机械支撑；异形定子护套筒壁外表面设置有楔子，能实现定子槽口密封及与支撑骨架抵接，在限制冷却油液路径、减小流阻的同时有效提升两者间的机械支撑；上述方案的综合采用能有效提升异形定子护套承受冷却油液压力下机械应力的能力，避免冷却油液的泄漏。

附图说明

图1为本发明实施例示出的一种半密封混合冷却高速永磁电机的结构示意图。

图2为本发明实施例示出的定子结构剖面示意图。

图3为本发明实施例示出的驱动端端盖结构示意图。

图4为本发明实施例示出的异形定子护套结构示意图。

图5为本发明实施例示出的一种半密封混合冷却高速永磁电机的冷却示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或者结构，其中：

1-定子铁芯；11-槽底流道，12-槽内流道，13-定子齿，14-定子轭，15-定子齿、轭交界处，16-槽肩；2-定子绕组；3-支撑骨架；4-异形定子护套；41-楔子；5-机壳；51-出油孔，52-轴向流道，53-散热翅片；6-驱动端端盖；61-进油孔，62-环形配流槽，63-附加支撑筒壁；7-非驱动端端盖；8-密封圈；9-气密型电连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为实现高速永磁电机高效、充分和均匀的冷却效果，在本发明的一个具体实施例中，公开了一种半密封混合冷却高速永磁电机，以下结合图1至图5作进一步的解释。

如图1至图5所示，一种半密封混合冷却高速永磁电机，包括定子铁芯1、定子绕组2、支撑骨架3、异形定子护套4、机壳5、驱动端端盖6、非驱动端端盖7、密封圈8和气密型电连接器9。

如图1和图5所示，本实施例中，定子铁芯1、定子绕组2、支撑骨架3、异形定子护套4、机壳5、驱动端端盖6、非驱动端端盖7和密封圈8同轴心布置。

本实施例中，定子铁芯1内部沿圆周方向均匀分布有九个凸起的定子齿，定子齿间的开放空间构成定子槽，定子槽内轴向插入支撑骨架3；定子绕组2按照同步电机绕组分布规律均匀的绕在所述的凸起齿上，定子绕组2内通过正弦电流时，在气隙内产生沿圆周方向行进的正弦波磁场；定子绕组2通过真空浸漆实现电气绝缘和与支撑骨架3、定子铁芯1间固定。

本实施例中，异形定子护套4同轴套装在定子铁芯1内侧柱面；定子铁芯1、定子绕组2、支撑骨架3和异形定子护套4共同构成电机定子；电机定子同轴套装在机壳5内，由机壳5内部的阶梯定位，通过涂胶实现与机壳5的固定。

根据本发明的优选实施例，电机定子和机壳5进一步同轴套装在驱动端端盖6与非驱动端端盖7之间；驱动端端盖6、非驱动端端盖7分别与机壳5、异形定子护套4之间装有密封圈8，将冷却油液严格限制在由机壳5、异形定子护套4、驱动端端盖6和非驱动端端盖7所包围的空间内，避免冷却油液进入电机气隙，从而避免了气隙内冷却油液与旋转的电机转子表面接触产生的粘滞阻力损失、消除轴端动密封；机壳5顶部安装气密型电连接器9，用于从定子绕组2引出电机动力线并实现冷却油液密封。

如图1、图2、图3和图5所示，驱动端端盖6顶部开有一个进油孔61，圆周方向开有一个环形配流槽62，进油孔61与环形配流槽62贯通；机壳5顶部开有出油孔51，内部开有轴向流道52，轴向流道52一侧与驱动端端盖的环形配流槽62相连，另一侧开放在机壳5内部；定子铁芯1的定子槽底弧面与支撑骨架3之间的空间构成槽底流道11，定子绕组2与支撑骨架3之间的空间构成槽内流道12；进油孔61、环形配流槽62、机壳轴向流道52、槽底流道11、槽内流道12和出油孔51相结合构成液冷流道；机壳5外侧设置若干散热翅片53；所述液冷流道和散热翅片53相结合构成一种半密封混合冷却结构。

如图5所示，图中箭头表示冷却油液的路径，机壳5、异形定子护套4、驱动端端盖6围成驱动端油腔；机壳5、异形定子护套4、非驱动端端盖7围成非驱动端油腔；轴向流道52一侧与环形配流槽62相连，另一侧连通非驱动端油腔；槽底流道11、槽内流道12的两端均分别连通非驱动端油腔和驱动端油腔；出油孔51与驱动端油腔连通。

本发明的半密封混合冷却方式为：冷却油液通过进油孔61泵入电机内，经环形配流槽62均匀配流进入机壳轴向流道52，在近非驱动端端盖侧流出，充盈由机壳5、异形定子护套4、驱动端端盖6和非驱动端端盖7所包围的空间；冷却油液再经槽底流道11和槽内流道12轴向流动至驱动端油腔，于出油孔51泵出，实现一个液冷循环；同时，机壳5表面的散热翅片53通过热辐射、对流实现机壳自然冷却；自然冷却与液冷相结合，实现混合冷却。

如图1和图2所示，在本发明的一种实施中，采用的支撑骨架3的作用为支撑定子绕组2、支撑异形定子护套4、构成槽底流道11、构成槽内流道12和实现定子绕组2的相间绝缘；优选的，采用的支撑骨架3截面为“工”字形，其顶部“一”字部分与槽肩16抵接，其顶部尺寸由槽肩16尺寸决定，其底部“一”字部分与定子齿、轭交界处15抵接，底部尺寸由定子齿、轭交界处尺寸决定，其中部连接部分为顶部和底部提供机械支撑和定子绕组2相间绝缘，中部尺寸由支撑强度和槽满率的要求共同决定，其轴向长度与定子铁芯1的轴向长度相同。考虑到支撑骨架3的作用，需要选择具有高机械强度、高绝缘强度、耐冲击、阻燃、耐油、耐水解、耐磨、耐疲劳的高性能材料；本实施例中，优选的，采用聚醚醚酮经增材制造技术加工制成；支撑骨架3与定子铁芯1的接触面采用涂胶固定，防止在冷却油液冲击下发生位移。

如图2所示，在本发明的一种实施中，优选的，定子铁芯1定子槽底截面形状为与定子铁芯外圆非同心的小半径圆弧，该形状能有效增大槽底弧面面积、增大槽底流道的尺寸，从而提升槽底流道的流量、提高散热能力。

如图1和图5所示，在本发明的一种实施中，优选的，异形定子护套4采用异形不等厚度圆筒结构，近非驱动端端盖侧筒壁较厚，近驱动端端盖侧筒壁较薄；所述筒壁外表面轴向均匀分布九个与槽开口形状、尺寸一致的楔子，楔子顶端与支撑骨架3抵接，在限制冷却油液路径、减小流阻的同时有效提升两者间的机械支撑。所述异形定子护套采用高机械强度、高绝缘强度、耐冲击、阻燃、耐油、耐水解、耐磨、耐疲劳的特种热塑性高分子材料经增材制造技术或注塑成型工艺加工制成。本实施例中，优选的，异形定子护套4聚醚醚酮经增材制造技术加工制成。

如图1、图3和图5所示，在本发明的一种实施中，驱动端端盖6设置附加支撑筒壁63以提升异形定子护套4较薄筒壁端的机械支撑；附加支撑筒壁63为多层圆筒结构，采用螺栓与驱动端端盖6同轴连接。

如图1和图5所示，在本发明的一种实施中，所述机壳5的散热翅片53采用点阵结构，该结构在减重的同时增大了表面的散热面积，可有效提升机壳的冷却效率。本实施例中，优选的，点阵结构选择立方体结构；优选的，点阵结构散热翅片经增材制造技术加工制成。

在本发明的实施过程中，冷却油液进入电机内部直接与定子铁芯1和定子绕组2进行热交换，采用槽底流道11和槽内流道12相结合有效增大了电机内流道的截面积；机壳5外侧的点阵结构散热翅片53散热面积大、冷却效率高，结合液冷和自然冷却，所述一种半密封混合冷却高速永磁电机的总体冷却效率极高。

同时，由于电机内设置了异形定子护套4和密封圈8，冷却油液仅通过由机壳5、异形定子护套4、驱动端端盖6和非驱动端端盖7所包围的空间，避免了冷却油液进入电机气隙，从而消除气隙内冷却油液与旋转的电机转子表面接触的产生粘滞阻力损失、去除了轴端动密封。进一步，通过异形定子护套的楔子41、驱动端端盖6的附加支撑筒壁63支撑骨架3的联合设置，能有效提升异形定子护套承受冷却油液压力下机械应力的能力，避免冷却油液的泄漏。

总体而言，本实施例公开的一种半密封混合冷却高速永磁电机具有冷却效率高、转速上限高、结构紧凑、功率密度高、效率高和可靠性高的优点，具备在高速永磁电机领域实现工程应用的潜力。

以上仅对本发明的较佳具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本发明保护范围也包括本领域技术人员在权利要求范围内做出的各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种半密封混合冷却高速永磁电机，包括定子铁芯（1）、定子绕组（2）、机壳（5）、驱动端端盖（6）和非驱动端端盖（7）；其特征在于，还包括支撑骨架（3）和异形定子护套（4）；

所述定子铁芯（1）内部沿圆周方向均匀分布有凸起的定子齿，定子齿之间的开放空间构成定子槽，定子槽内轴向插入支撑骨架（3）；定子绕组（2）按照同步电机绕组分布规律均匀地绕在所述的凸起齿上；异形定子护套（4）同轴套装在定子铁芯（1）内侧柱面；所述定子铁芯（1）同轴套装在机壳（5）内，所述机壳（5）同轴套装、固定连接在驱动端端盖（6）与非驱动端端盖（7）之间；

所述驱动端端盖（6）顶部设置进油孔（61），圆周方向设置与进油孔（61）贯通的环形配流槽（62）；所述机壳（5）近驱动端端盖侧顶部设置出油孔（51），内部有若干轴向流道（52），所述定子铁芯（1）的定子槽底弧面与支撑骨架（3）之间的空间构成槽底流道（11），定子绕组（2）与支撑骨架（3）之间的空间构成槽内流道（12），轴向流道（52）一侧与环形配流槽（62）相连，另一侧通过非驱动端油腔分别与槽底流道（11）、槽内流道（12）的一端连通；槽底流道（11）、槽内流道（12）的另一端连通出油孔（51）；所述机壳（5）外侧设置若干散热翅片（53）。

2.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述机壳（5）的两端与驱动端端盖（6）和非驱动端端盖（7）之间均设置有密封圈（8），所述异形定子护套（4）的两端与驱动端端盖（6）和非驱动端端盖（7）之间均设置有密封圈（8）。

3.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，机壳顶部安装气密型电连接器，用于从定子绕组引出电机动力线并实现冷却油液密封。

4.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，机壳（5）、异形定子护套（4）、驱动端端盖（6）围成驱动端油腔；机壳（5）、异形定子护套（4）、非驱动端端盖（7）围成非驱动端油腔；轴向流道（52）一侧与环形配流槽（62）相连，另一侧连通非驱动端油腔；槽底流道（11）、槽内流道（12）的两端均分别连通非驱动端油腔和驱动端油腔；出油孔（51）与驱动端油腔连通。

5.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，定子绕组（2）通过真空浸漆实现电气绝缘和与支撑骨架（3）、定子铁芯（1）间固定；定子铁芯（1）由机壳内部的阶梯定位，通过定子铁芯（1）外侧柱面过盈配合或涂胶实现与机壳的固定。

6.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述支撑骨架（3）截面为“工”字形，其顶部“一”字部分与定子槽的槽肩（16）抵接，其底部“一”字部分与定子齿、轭交界处抵接，其中部连接部分为顶部和底部提供机械支撑和定子绕组（2）的相间绝缘，中部尺寸由支撑强度和槽满率的要求共同决定。

7.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述定子槽底截面形状为与定子铁芯（1）外圆非同心的小半径圆弧。

8.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述异形定子护套（4）为异形不等厚度圆筒结构，近非驱动端端盖侧筒壁较厚，近驱动端端盖侧筒壁较薄；所述异形定子护套（4）的筒壁外表面均匀分布有沿轴向方向设置的楔子（41），楔子数目与定子齿数一致、尺寸与定子槽开口一致，楔子顶端与支撑骨架（3）抵接。

9.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述驱动端端盖（6）设置附加支撑筒壁（63）；所述附加支撑筒壁（63）采用多层圆筒结构，通过螺栓与驱动端端盖（6）同轴连接。

10.根据权利要求1所述的一种半密封混合冷却高速永磁电机，其特征在于，所述机壳（5）的散热翅片（53）为径向结构散热翅片或点阵结构散热翅片。

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