CN115720028A - 一种永磁电机的液冷散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机的液冷散热结构，包括电机组件，所述电机组件上设置有复合式液冷系统；所述电机组件包括定子和转子，所述复合式液冷系统包括设置于转子内的内流冷却通道，还包括设置于定子外表面的毛细冷却通道；所述电机组件外部套设有机壳，所述复合式液冷系统包括设置于机壳上的外流冷却通道；其中，复合式液冷系统连接有冷却液循环系统。分别从电机组件的内、中、外三个路径进行热量导出。不占用额外空间，而是从电机组件的内外侧散热，最大程度降低散热结构的空间占用率，保证永磁电机的紧凑性，同时获得优良散热效果。

Description

一种永磁电机的液冷散热结构

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，尤其是涉及一种永磁电机的液冷散热结构。

背景技术

电机是工业系统的动力来源，现挤出机械设备的动力系统需要用到双轴伸电机作为动力输出。永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高及调速范围宽等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽的以及准确定位的应用场景。但由于其响应快，转速需求广，在工作时，其内部零件会产生大量的热量。其产生热量的原因主要为电机正常工作时会出现因电流通过绕组时因电阻产生的损耗和因为铁芯产生的铁损，这些损耗会使得电能转换为热能散发出去。除此之外，在工作过程中高速的机械运动也会因机械构件之间的摩擦产生一定的损耗，这些损耗会转换为热量传播到电机构件和外界中。由于电机的结构所限，这些热量会不断累积，使得电机内部的温度逐渐升高，从而影响电机内部零件的工作性能和工作寿命。除此之外，功率密度增大会使得电机热负荷增加，能否处理热负荷问题成为限制电机功率密度增大的重要因素。

现有技术中具备多种电机散热方案，如申请号为CN202122799289.6的液冷双轴伸永磁同步伺服电机，包括机座、有绕组定子铁心、转子铁心、转子轴、前端盖、后端盖和编码器，机座的一端连接所述前端盖，另一端连接所述后端盖，机座、前端盖和后端盖形成容纳空间；有绕组定子铁心、转子铁心和转子轴均安装在容纳空间内，转子铁心安装在转子轴上，有绕组定子铁心设置在转子铁心的外周侧，转子轴的一端从前端盖伸出，转子轴的另一端从后端盖伸出；后端盖具有容纳腔，编码器设置在容纳腔中；机座设置有冷却液入口、冷却流道和冷却液出口，冷却液经冷却液入口进入冷却流道，经冷却液出口流出冷却流道，以带出容纳空间内产生的热量。

上述方案虽然利用机座中的冷却流道进行散热，但是该方案的散热方式单一，无法满足高功率密度的永磁电机散热需求。

发明内容

针对背景技术中提到的现有技术中高功率密度电机的散热方式单一，或是无法采用气流散热的紧凑型电机缺乏有效散热手段等问题，本发明提供了一种永磁电机的液冷散热结构，通过优化液冷散热方案提升液冷散热效果，为小型化电机或高功率密度电机的散热提供进步方案思路。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种永磁电机的散热结构，包括电机组件，所述电机组件上设置有复合式液冷系统；所述电机组件包括定子和转子，所述复合式液冷系统包括设置于转子内的内流冷却通道，还包括设置于定子外表面的毛细冷却通道；所述电机组件外部套设有机壳，所述复合式液冷系统包括设置于机壳上的外流冷却通道；其中，复合式液冷系统连接有冷却液循环系统。复合式液冷系统具备内、中、外三种散热流道，分别从电机组件的内、中、外三个路径进行热量导出。不占用额外空间，而是从电机组件的内外侧散热，最大程度降低散热结构的空间占用率，保证永磁电机的紧凑性，同时获得优良散热效果。其中内流冷却通道用于携带转子内部的热量，内流冷却通道则用于携带定子外部热量，毛细冷却通道则能利用优异换热性能，将电子组件所积累的热量迅速带出，配合内流冷却通道和内流冷却通道显著提高散热效率。

作为优选，所述转子包括横贯于机壳设置的转子轴，所述内流冷却通道沿轴向贯穿设置于转子轴内。转子轴作为电机组件的主动运动件，热量最为集中，因为利用内流冷却通道能够从转子轴中部高效携带热量进行散热，既无需占用额外空间，同时与转子的接触面为整个流道周缘，因此获得最大表面积利用率。

作为优选，所述外流冷却通道呈螺旋线型设置于机壳的内壁上。所述外流冷却通道为螺旋线型，包覆设置在整个机壳内壁上，有效增加定子与机壳的之间的空气间隙与外流冷却通道的接触面积，且贯通性好，经实际测试散热效率理想。

作为优选，外流冷却通道包括对应转子的转子段和转子段两端的衔接段，所述转子段的螺距小于衔接段的螺距。所述螺旋式外流冷却通道对应转子的区域具有相较于其他区域更大密度，这种密集设置的螺旋通道进一步提升与空气接触面积，从而增强热量捕获能力，提高导热效率。

进一步的，所述衔接段的管径大于转子段的管径。所述转子段的管径小于来年高端的衔接段管径，这使得冷却液自衔接段进入转子段时获得显著增速，从而配合密集的转子段进一步提升换热效率，将电机组件热量最大区域的热量极速转移，确保高功率密度电机不会因为热量聚集而降低转速影响性能提升，从而更好地发挥高功率密度电机性能。

作为优选，所述冷却液循环系统包括储液箱，所述储液箱上设置有进液管和出液管，所述压缩液泵连接进液管；进液管将储液箱内的冷却液传输至复合式液冷系统，出液管将复合式液冷系统传输至储液箱内。所述储液箱通过进液管和出液管实现冷却液循环，确保复合式液冷系统的各个流道同步工作，全方位进行散热工作。

作为优选，所述冷却液循环系统包括压缩液泵，所述压缩液泵上设置有控制器。所述压缩液泵为冷却液驱动源，可通过调节压缩液泵的功率将整个冷却液循环系统分为平速档和高速挡，以满足电机不同工作状态的散热需求，当电机满负荷工作时，高速档也将复合式液冷系统的散热性能拉至极限，提高电机性能上限。

作为优选，所述进液管和出液管均设置于机壳内壁上，进液管和出液管的拐角处设置有弯折缓冲部。冷却液在通过进液管或出液管的拐角处时，由于冷却液流速较大，碰壁后会有较大的速度损耗，同时管壁承受较大集中载荷，这些都会影响散热效果，因此在管壁拐角处设置弯折缓冲部能够降低流速损耗，提高能量利用率。

作为优选，所述毛细冷却通道沿定子周向呈U型走线分布，所述U型走线沿定子轴向连续分布。所述毛细冷却通道具备高流速和高分布密度，再利用U型走线获得表面覆盖率，使得定子表面散热能力得到极大提升，从而辅助电子组件热量导出，配合外流冷却通道增加辐射散热效果。

作为优选，所述机壳内壁上设置有散热涂层。散热涂层为高对流换热系数/高辐射换热系数涂层，能够进一步提升热量交换效率，从而增加传导散热效果。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过优化液冷散热方案提升液冷散热效果，为小型化电机或高功率密度电机的散热提供进步方案思路；（2）分别从电机组件的内、中、外三个路径进行热量导出。不占用额外空间，而是从电机组件的内外侧散热，最大程度降低散热结构的空间占用率，保证永磁电机的紧凑性，同时获得优良散热效果；（3）螺旋式外流冷却通道对应转子的区域具有相较于其他区域更大密度，这种密集设置的螺旋通道进一步提升与空气接触面积，从而增强热量捕获能力，提高导热效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为实施例2中机壳的半剖展开图。

图3为本发明中毛细冷却通道的展开图。

图4为图1中A处的局部放大图。

图中：100机壳、101散热涂层、1定子、2转子、21转子轴、3内流冷却通道道、4毛细冷却通道、5外流冷却通道、51转子段、52衔接段、6储液箱、61压缩液泵、7进液管、71弯折缓冲部、8出液管，9U型走线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，一种永磁电机的散热结构，包括电机组件，所述电机组件上设置有复合式液冷系统；所述电机组件包括定子1和转子2，所述复合式液冷系统包括设置于转子内的内流冷却通道3，还包括设置于定子外表面的毛细冷却通道4；所述电机组件外部套设有机壳100，所述复合式液冷系统包括设置于机壳上的外流冷却通道5；其中，复合式液冷系统连接有冷却液循环系统。所述转子包括横贯于机壳设置的转子轴，所述内流冷却通道沿轴向贯穿设置于转子轴内。复合式液冷系统具备内、中、外三种散热流道，分别从电机组件的内、中、外三个路径进行热量导出。不占用额外空间，而是从电机组件的内外侧散热，最大程度降低散热结构的空间占用率，保证永磁电机的紧凑性，同时获得优良散热效果。其中内流冷却通道用于携带转子内部的热量，内流冷却通道则用于携带定子外部热量，毛细冷却通道则能利用优异换热性能，将电子组件所积累的热量迅速带出，配合内流冷却通道和内流冷却通道显著提高散热效率。

转子轴作为电机组件的主动运动件，热量最为集中，因为利用内流冷却通道能够从转子轴中部高效携带热量进行散热，既无需占用额外空间，同时与转子的接触面为整个流道周缘，因此获得最大表面积利用率。所述外流冷却通道呈螺旋线型设置于机壳的内壁上。所述外流冷却通道为螺旋线型，包覆设置在整个机壳内壁上，有效增加定子与机壳的之间的空气间隙与外流冷却通道的接触面积，且贯通性好，经实际测试散热效率理想。

所述冷却液循环系统包括储液箱6，所述储液箱6上设置有进液管7和出液管8，所述压缩液泵61连接进液管；进液管将储液箱6内的冷却液传输至复合式液冷系统，出液管将复合式液冷系统传输至储液箱6内。所述冷却液循环系统包括压缩液泵61，所述压缩液泵61上设置有控制器。

如图4所示，所述储液箱6通过进液管和出液管实现冷却液循环，确保复合式液冷系统的各个流道同步工作，全方位进行散热工作。所述进液管和出液管均设置于机壳内壁上，进液管和出液管的拐角处设置有弯折缓冲部71。

所述压缩液泵为冷却液驱动源，可通过调节压缩液泵的功率将整个冷却液循环系统分为平速档和高速挡，以满足电机不同工作状态的散热需求，当电机满负荷工作时，高速档也将复合式液冷系统的散热性能拉至极限，提高电机性能上限。冷却液在通过进液管或出液管的拐角处时，由于冷却液流速较大，碰壁后会有较大的速度损耗，同时管壁承受较大集中载荷，这些都会影响散热效果，因此在管壁拐角处设置弯折缓冲部能够降低流速损耗，提高能量利用率。

如图3所示，所述毛细冷却通道沿定子周向呈U型走线9分布，所述U型走线9沿定子轴向连续分布。所述毛细冷却通道具备高流速和高分布密度，再利用U型走线获得表面覆盖率，使得定子表面散热能力得到极大提升，从而辅助电子组件热量导出，配合外流冷却通道增加辐射散热效果。所述机壳内壁上设置有散热涂层。散热涂层为高对流换热系数/高辐射换热系数涂层，能够进一步提升热量交换效率，从而增加传导散热效果。本实施例中采用石墨烯散热涂料或是碳纳米材料作为散热涂层，具有的高导热率、高辐射率特性。

本实施例中，复合式液冷系统通过多种路线横贯电机组件的内外，使得冷却液以同心分布的方式服务电机组件，其中内流冷却通道具备柱型的径向截面，外流冷却通道为环形的径向截面，而毛细冷却通道则为点状通路组合形成的圆周径向截面，三种路线均在最大程度上利用接触面积进行散热，以此在无法增加散热结构占用空间的结构限制下，提高液冷散热的极限性能。

实施例2

如图2所示，本实施例中，外流冷却通道包括对应转子的转子段51和转子段两端的衔接段52，所述转子段的螺距小于衔接段的螺距。所述衔接段的管径大于转子段的管径。

所述螺旋式外流冷却通道对应转子的区域具有相较于其他区域更大密度，这种密集设置的螺旋通道进一步提升与空气接触面积，从而增强热量捕获能力，提高导热效率。所述转子段的管径小于来年高端的衔接段管径，这使得冷却液自衔接段进入转子段时获得显著增速，从而配合密集的转子段进一步提升换热效率，将电机组件热量最大区域的热量极速转移，确保高功率密度电机不会因为热量聚集而降低转速影响性能提升，从而更好地发挥高功率密度电机性能。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁电机的液冷散热结构，包括电机组件，其特征在于，所述电机组件上设置有复合式液冷系统；

所述电机组件包括定子和转子，所述复合式液冷系统包括设置于转子内的内流冷却通道，

还包括设置于定子外表面的毛细冷却通道；

所述电机组件外部套设有机壳，所述复合式液冷系统包括设置于机壳上的外流冷却通道；

其中，复合式液冷系统连接有冷却液循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述转子包括横贯于机壳设置的转子轴，所述内流冷却通道沿轴向贯穿设置于转子轴内。

3.根据权利要求2所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述外流冷却通道呈螺旋线型设置于机壳的内壁上。

4.根据权利要求2所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，外流冷却通道包括对应转子的转子段和转子段两端的衔接段，所述转子段的螺距小于衔接段的螺距。

5.根据权利要求4所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述衔接段的管径大于转子段的管径。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述冷却液循环系统包括储液箱，所述储液箱上设置有进液管和出液管，所述压缩液泵连接进液管；进液管将储液箱内的冷却液传输至复合式液冷系统，出液管将复合式液冷系统传输至储液箱内。

7.根据权利要求6所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述冷却液循环系统包括压缩液泵，所述压缩液泵上设置有控制器。

8.根据权利要求6所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述进液管和出液管均设置于机壳内壁上，进液管和出液管的拐角处设置有弯折缓冲部。

9.根据权利要求1所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述毛细冷却通道沿定子周向呈U型走线分布，所述U型走线沿定子轴向连续分布。

10.根据权利要求1所述的一种永磁电机的液冷散热结构，其特征在于，所述机壳内壁上设置有散热涂层。

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