CN116365790A - 一种电机散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机散热结构，该电机散热结构包括机壳、设置在机壳内的定子、套设在定子之间的转子、绕设在机壳内部的液冷通道以及用于对机壳、定子和转子进行冷却的气冷通道，该液冷通道通有冷却液，用于与机壳换热，实现对机壳的冷却；该气冷通道包括多个冷却气入口、连通冷却气入口的转子气冷通道、连通转子气冷通道的定子气冷通道、连通定子气冷通道的机壳气冷通道以及连通机壳气冷通道的冷却气出口。本发明的所述电机散热结构结合了径向冷却，轴向冷却，旋转密封，在轴向实现了逆流换热。本发明采用液冷和气冷耦合的方式进行冷却，能够实现对电机特别是转子良好的冷却效果，具有减少冷却气消耗、增强转子冷却对流换热的优势。

Description

一种电机散热结构

技术领域

本发明涉及电机散热技术领域，特别是涉及一种电机散热结构。

背景技术

高速永磁同步电机具有效率高、功率密度大，可直接与高速负载相连接等优点，得以广泛的应用。但因其具有结构紧凑、散热面积小等特点，在运行中易面临温升失效的难题，需要进行有效的冷却。高速永磁同步电机主要分为定子和转子，在电机运行中都会受产热影响而升温，因此电机的冷却也是针对转子和定子进行的。根据冷却布置的不同，冷却方式可以分为定子、转子分别冷却，如定子采用机壳水冷流道，转子采用风冷冷却方式；或定子转子整体冷却，如油冷。根据冷却工质的流动方向，冷却方式可以分为径向冷却、轴向冷却。具体的冷却结构包括：空心转子、轴流风扇、通风槽等。冷却工质包括空气，氮气，油等。这些冷却布置、结构、方向、工质都在一些特定场合的得到了应用。

处于密闭空间的高速永磁同步电机比处于开放空间的电机，具有更高散热需求和散热难度，一些开放空间的电机冷却技术不再适用，比如油冷、轴流风扇等。在电机运行过程中，转子温升高于定子，最高温升出现在永磁体上。因此，对于处于密闭空间的高速永磁同步电机来讲，针对转子的散热十分重要。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种电机散热结构，用于解决封闭空间的大功率高速电机的散热问题。

本发明提供了一种电机散热结构，包括机壳、设置在机壳内的定子、套设在定子之间的转子、绕设在所述机壳内部的液冷通道以及用于对所述机壳、所述定子和所述转子进行冷却的气冷通道；其中，

所述液冷通道通有冷却液，用于与所述机壳换热，实现对所述机壳的冷却；

所述气冷通道包括沿径向设置在所述机壳的多个冷却气入口、连通所述冷却气入口的转子气冷通道、连通所述转子气冷通道的定子气冷通道、连通所述定子气冷通道的机壳气冷通道以及连通所述机壳气冷通道的沿径向设置在所述机壳的冷却气出口；其中自所述冷却气入口进入的冷却气依次通过所述转子气冷通道、所述定子气冷通道以及所述机壳气冷通道后，自所述冷却气出口排出。

在本发明的一实施例中，所述液冷通道为螺旋管状结构，两端的端口分别为冷却液进口和冷却液出口；所述液冷通道包括第一液冷段、第二液冷段和连接所述第一液冷段和所述第二液冷段的中部过渡段。

在本发明的一实施例中，其中所述转子气冷通道为形成于所述转子和所述定子之间的环形空隙；所述定子气冷通道为径向分布于所述定子的通道；所述机壳气冷通道为形成于所述定子和所述机壳之间的环形通道。

在本发明的一实施例中，所述转子的直径小于所述定子内径，从而于所述转子和所述定子之间形成所述环形空隙。

在本发明的一实施例中，所述定子包括定子铁芯和缠绕在所述定子铁芯上的绕组，所述定子气冷通道包括多对径向分布于所述定子铁芯的中部位置且方向相反的通道。

在本发明的一实施例中，所述定子气冷通道包括两对径向分布于所述定子铁芯的中部位置且方向相反的通道。

在本发明的一实施例中，所述环形通道形成于所述定子铁芯中部与所述机壳之间。

在本发明的一实施例中，所述转子两端设置有密封槽，所述转子通过两端的密封槽与所述机壳的对应位置密封配合。

在本发明的一实施例中，所述冷却气入口和所述冷却气出口方向均为沿所述机壳的径向方向；所述冷却气入口为四个，两两分布在所述机壳上，所述冷却气出口为两个，各所述冷却气出口位置与所述定子中部位置相对应且位于相邻两个冷却气入口之间。

在本发明的一实施例中，所述冷却液包括但不限于水、乙醇和甘油。

本发明的所述电机散热结构适用于大功率高速电机的散热，能够解决封闭空间内的大功率高速电机的散热问题。本发明的所述电机散热结构结合了径向冷却，轴向冷却，旋转密封，在轴向实现了逆流换热。本发明采用液冷和气冷耦合的方式进行冷却，能够实现对电机特别是转子良好的冷却效果，具有减少冷却气消耗、增强转子冷却对流换热的优势。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的气冷通道采用两侧进气，中部出气的布置方式，更符合逆流换热温度梯度，两股流体在定子中部交汇形成冲击，加强流体扰动，有利于提升湍流度，加强与转子的对流换热，从而提升冷却转子的效果；

(2)本发明径向设置的定子气冷通道成对出现，可以减小对转子的影响；

(3)本发明在转子和机壳处设置了密封结构，能够将电机的冷却与负载、轴承的运行独立起来，避免二者的相互影响；

(4)本发明的转子冷却气从相反的方向进气，可以抵消对转子的影响。通过调整转子冷却气的量，可以在一定程度调整转子的刚度；

(5)本发明通过液冷通道对机壳进行冷却，能够确保机壳温度低于冷却气温度，从而为冷却气提供降温效果，出口冷却气在增压前无需进行额外的冷却，可直接增压进入循环管路，简化了外部的冷却气供气系统。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述电机散热结构沿轴向方向的全剖面图。

图2为本发明的上述优选实施例的所述电机散热结构沿轴向方向的半剖面图。

图3为本发明的上述优选实施例的所述电机散热结构的剖面图，与图1、图2的剖面法向垂直。

图4为本发明的上述优选实施例的所述电机散热结构的液冷通道的立体结构示意图。

附图标号说明：机壳10；定子20；定子铁芯21；绕组22；转子30；密封槽31；液冷通道40；冷却液进口41；冷却液出口42；第一液冷段43；第二液冷段44；中部过渡段45；气冷通道50；冷却气入口51；第一冷却气入口511；第二冷却气入口512；第三冷却气入口513；第四冷却气入口514；转子气冷通道52；定子气冷通道53；机壳气冷通道54；冷却气出口55。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本发明的一种电机散热结构的具体结构被阐明。

如图1所示，所述电机散热结构包括机壳10、设置在机壳10内的定子20、套设在所述定子20之间的转子30、绕设在所述机壳10内部的液冷通道40以及用于对所述机壳10、所述定子20和所述转子30进行冷却的气冷通道50。

具体地，所述液冷通道40通有冷却液，用于与所述机壳10换热，实现对所述机壳10的冷却。所述气冷通道50用于对所述机壳10、所述定子20以及所述转子30通入冷却气体实现冷却。

本发明采用液冷和气冷耦合的方式进行冷却，能够实现对电机特别是转子良好的冷却效果，具有减少冷却气消耗、增强转子冷却对流换热的优势。

也就是说，本发明的所述电机散热结构由液冷通道40和气冷通道50两部分完成。

所述电机散热结构的所述液冷通道40的结构为：在本发明的这一具体实施例中，所述液冷通道40为螺旋管状结构，两端的端口分别为冷却液进口41和冷却液出口42。

所述电机散热结构的所述液冷通道40实现冷却的原理为：在所述机壳10内侧的所述液冷通道40通入冷却液(如冷却水)，通过强制对流完成与所述机壳10的换热，带走电机运行过程中产生的热量。所述定子20和所述机壳10的配合保证了二者之间接触热阻足够小。

可以理解的是，本发明通过在所述液冷通道40通入冷却液的方式，能够确保所述机壳10的温度低于冷却气出口的温度，使得所述机壳10能够对冷却气提供降温效果，出口冷却气在增压前无需进行额外的冷却，可直接增压进入循环管路，简化了外部的冷却气供气系统。

可选地，所述冷却液除了可以为水之外，还可以为乙醇、甘油中的任一种，本发明对此不作限制。

所述电机散热结构的所述气冷通道50实现冷却的结构为：

如图1至图3所示，所述气冷通道50包括沿径向设置在所述机壳10的多个冷却气入口、连通所述冷却气入口51的转子气冷通道52、连通所述转子气冷通道52的定子气冷通道53、连通所述定子气冷通道53的机壳气冷通道54以及连通所述机壳气冷通道54的沿径向设置在所述机壳10的冷却气出口55；其中自所述冷却气入口51进入的冷却气依次通过所述转子气冷通道52、所述定子气冷通道53以及所述机壳气冷通道54后，自所述冷却气出口55排出。

特别地，其中所述转子气冷通道52为形成于所述转子30和所述定子20之间的环形空隙；所述定子气冷通道53为径向分布于所述定子20的通道；所述机壳气冷通道54为形成于所述定子20和所述机壳10之间的环形通道。

值得一提的是，所述转子30是一根回转阶梯轴，其中直径最大的部分与所述定子20配合。所述转子30具有较为光滑的表面。所述转子30的直径小于所述定子20内径，从而于所述转子30和所述定子20之间形成所述环形空隙。

还值得一提的是，所述定子20包括定子铁芯21和缠绕在所述定子铁芯21上的绕组22，所述定子气冷通道53包括多对径向分布于所述定子铁芯21的中部位置且方向相反的通道。

在本发明的这一实施例中，所述定子气冷通道53包括两对径向分布于所述定子铁芯21的中部位置且方向相反的通道。

应该理解的是，本发明径向设置的所述定子气冷通道53成对出现，可以减小对所述转子30的影响。

可以理解的是，所述环形通道(即所述机壳气冷通道54)形成于所述定子铁芯21中部与所述机壳10之间。由于在所述机壳10中部位置需设置所述机壳气冷通道54，因此本发明将所述液冷通道40分为两个区域，两个区域通过中部的过渡段连接，如图4所示。也就是说，所述液冷通道40包括第一液冷段43、第二液冷段44和连接所述第一液冷段43和所述第二液冷段44的中部过渡段45；其中所述第一液冷段43和所述第二液冷段44为由单根管状结构螺旋环绕形成，具有接近圆形的横截面，所述中部过渡段45为由多根管状结构合并形成，具有两端宽中间窄的横截面。

所述电机散热结构的所述气冷通道50实现冷却的原理为：

冷却气从所述机壳10两端的所述冷却气入口51进入后依次通过所述转子气冷通道52、所述定子气冷通道53以及所述机壳气冷通道54，而后从所述定子20中部的所述冷却气出口55排出，冷却气在流动过程中带走所述转子30附近的热量，实现对所述转子30的良好效果。同时，由于所述机壳10被所述液冷通道40中的冷却液良好冷却，因此所述机壳10温度低于冷却气出口温度，冷却气在所述机壳气冷通道54中被所述机壳10冷却后排出所述机壳10。

进一步地，所述转子30两端设置有密封槽31，所述转子30通过两端的密封槽31与所述机壳10的对应位置密封配合。

可以理解的是，所述转子30与所述机壳10之间的密封槽31可以减少冷却气的泄漏，而保证气体从所述冷却气出口55排出。当电机只有一个负载时，可以取消无负载侧的机壳圆孔和转子密封槽。冷却气的进口压力高于负载侧机壳10外的压力，冷却工质与根据负载侧的情况确定。例如，冷却气可以采用干燥空气、氮气或惰性气体，本发明对此不作限制。

还可以理解的是，由于本发明在所述转子30与所述机壳10之间设置了密封结构，将电机的冷却与负载、轴承的运行独立起来，避免二者的相互影响。这样可以减少冷却气的消耗；而且可以使得冷却气的流场更为确定，更容易通过结构修改，降低冷却气对所述转子30的影响；另外还具备了采用冷却效果更好的氢气冷却所述转子30的可能。

进一步地，在本发明的这一实施例中，所述冷却气入口51和所述冷却气出口55方向均为沿所述机壳10的径向方向。所述冷却气入口51为四个，两两分布在所述机壳10上，具体包括第一冷却气入口511、第二冷却气入口512、第三冷却气入口513以及第四冷却气入口514。所述冷却气出口55为两个，各所述冷却气出口55位置与所述定子20中部位置相对应且位于相邻两个冷却气入口之间。

应该理解的是，高速电机转子的散热条件一般较差，转子的最高温度常出现在电机轴向中心位置附近，流体两侧通入中间汇集的方式符合逆流换热的温度梯度。若采用轴向贯通的通气方式(比如，冷却气从图2中的所述第一冷却气入口511流入，从所述第二冷却气入口512流出)，无法满足逆流换热的温度梯度，更严重地，冷却气通过中心位置后可能反而会加热转子气冷通道52后半段的转子30。

而按照本发明的设计，冷却气从所述转子30两侧的所述第一冷却气入口511、所述第二冷却气入口512进入，能够使得两股流体在所述定子20中部交汇形成冲击，加强流体扰动，提升湍流度，以加强与所述转子30的对流换热，提升冷却所述转子30的效果。

而且，冷却气从所述第一冷却气入口511、所述第二冷却气入口512进入，即冷却气从所述转子30两侧相反的方向进气，可以抵消对所述转子30的影响。通过调整转子30冷却气的量，可以在一定程度调整所述转子30的刚度。

也就是说，本发明的所述气冷通道50采用从所述转子30两侧进气，从所述定子20中部出气的布置方式，更符合逆流换热温度梯度，有利于实现对转子30冷却的良好效果。

应该理解的是，所述冷却气入口51和所述冷却气出口55可以布置在同一方向或不同方向，方向与所述转子30的轴线垂直即可。而且本发明对所述冷却气入口51和所述冷却气出口55的形状和数量不作限制。

本发明的所述电机散热结构的组合方式如下：

所述定子铁芯21与所述绕组22固定在一起，安装于所述机壳10内壁面，所述定子20的外壁面与所述机壳10的内壁面之间过盈配合，以减小接触热阻。所述冷却气出口55与所述定子气冷通道53位置在轴向对应。

所述转子30的直径最大的部分与所述定子20套合，轴线重合。所述转子30直径小于所述定子20内径，因此，所述定子20与所述转子30之间形成有所述环形空隙，即形成所述转子气冷通道52。所述转子30末端的两个所述密封槽31与所述机壳10对应位置密封配合。

所述冷却气入口51和所述冷却气出口55方向为竖直方向(即为机壳10径向方向)，竖直方向所述转子30的刚度最大，可以减少冷却气对所述转子30的影响。

本发明的所述电机散热结构适用于大功率高速电机的散热，能够解决封闭空间内的大功率高速电机的散热问题。本发明的所述电机散热结构结合了径向冷却，轴向冷却，旋转密封，在轴向实现了逆流换热。本发明采用液冷和气冷耦合的方式进行冷却，能够实现对电机特别是转子良好的冷却效果，具有减少冷却气消耗、增强转子冷却对流换热的优势。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电机散热结构，其特征在于，包括机壳、设置在机壳内的定子、套设在所述定子之间的转子、绕设在所述机壳内部的液冷通道以及用于对所述机壳、所述定子和所述转子进行冷却的气冷通道；其中，

所述液冷通道通有冷却液，用于与所述机壳换热，实现对所述机壳的冷却；

所述气冷通道包括沿径向设置在所述机壳的多个冷却气入口、连通所述冷却气入口的转子气冷通道、连通所述转子气冷通道的定子气冷通道、连通所述定子气冷通道的机壳气冷通道以及连通所述机壳气冷通道的沿径向设置在所述机壳的冷却气出口；其中自所述冷却气入口进入的冷却气依次通过所述转子气冷通道、所述定子气冷通道以及所述机壳气冷通道后，自所述冷却气出口排出。

2.根据权利要求1所述的电机散热结构，其特征在于，所述液冷通道为螺旋管状结构，两端的端口分别为冷却液进口和冷却液出口；所述液冷通道包括第一液冷段、第二液冷段和连接所述第一液冷段和所述第二液冷段的中部过渡段。

3.根据权利要求1所述的电机散热结构，其特征在于，其中所述转子气冷通道为形成于所述转子和所述定子之间的环形空隙；所述定子气冷通道为径向分布于所述定子的通道；所述机壳气冷通道为形成于所述定子和所述机壳之间的环形通道。

4.根据权利要求3所述的电机散热结构，其特征在于，所述定子包括定子铁芯和缠绕在所述定子铁芯上的绕组，所述定子气冷通道包括多对径向分布于所述定子铁芯的中部位置且方向相反的通道。

5.根据权利要求4所述的电机散热结构，其特征在于，所述定子气冷通道包括两对径向分布于所述定子铁芯的中部位置且方向相反的通道。

6.根据权利要求4所述的电机散热结构，其特征在于，所述环形通道形成于所述定子铁芯中部与所述机壳之间。

7.根据权利要求1至7中任一项所述的电机散热结构，其特征在于，所述转子两端设置有密封槽，所述转子通过两端的密封槽与所述机壳的对应位置密封配合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机散热结构，其特征在于，所述冷却气入口和所述冷却气出口方向均为沿所述机壳的径向方向；所述冷却气入口为四个，两两分布在所述机壳上，所述冷却气出口为两个，各所述冷却气出口位置与所述定子中部位置相对应且位于相邻两个冷却气入口之间。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的电机散热结构，其特征在于，所述冷却液为水、乙醇、甘油中的任一种。

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