CN101814797A - 高速永磁电机定子冷却系统 - Google Patents

Abstract

高速永磁电机定子冷却系统，属于电机技术领域。它解决了现有高速永磁电机的转子温度过高，使电机内永磁体及整个电机的工作稳定性降低的问题。它包括机壳和定子铁心，定子铁心罩于机壳内，所述定子铁心的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽，绕组缠绕在定子铁心的定子槽内，每个定子槽的槽口处设置一个定子槽楔，所述定子槽楔与定子槽的槽口处内壁紧密配合，每个定子槽楔与其所在定子槽的两个侧壁及绕组的槽内外表面所形成的轴向通道内设置内冷却管道，所述多个内冷却管道的两个端部分别汇集在一起形成入口和出口。本发明用作高速永磁电机的冷却。

Description

高速永磁电机定子冷却系统

技术领域

本发明涉及一种高速永磁电机定子冷却系统，属于电机技术领域。

背景技术

高速永磁电机在具有普通高速电机的转速高、功率密度大、材料利用率高、动态响应较快和传动系统效率高等特点的同时，还具有效率高、功率因数高的优点，因此在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床、混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景。特别是在分布式发电系统中，由于燃气轮机驱动的高速永磁电机体积小，具有较高的机动性，使其可作为医院、宾馆及其它重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，以弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。

高速永磁电机在运行时，其定子绕组的电流频率高达1000Hz以上，转子的旋转速度高达每分钟几万转，其电机铁心具有很高的功率密度，单位体积内的铁耗及电枢绕组铜耗都很大。在该类型电机中，一般采用在定子侧的密闭腔内通冷却介质或开域通风的方式来进行散热，考虑到冷却系统的结构和安全问题，一般采用的绝缘冷却介质导热性能较差，冷却效果不强，尤其是对转子产生的散热作用较小，使得电机内转子依然会产生较高的温升，而转子的温度过高，就会影响电机内永磁体及整个电机的工作稳定性，同时缩短其使用寿命。

发明内容

本发明为了解决现有高速永磁电机的转子温度过高，使电机内永磁体及整个电机的工作稳定性降低的问题，提供了一种高速永磁电机定子冷却系统。

本发明包括机壳和定子铁心，定子铁心罩于机壳内，所述定子铁心的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽，绕组缠绕在定子铁心的定子槽内，每个定子槽的槽口处设置一个定子槽楔，所述定子槽楔与定子槽的槽口处内壁紧密配合，每个定子槽楔与其所在定子槽的两个侧壁及绕组的槽内外表面所形成的轴向通道内设置内冷却管道，所述多个内冷却管道的两个端部分别汇集在一起形成入口和出口。

本发明的优点是：本发明应用于高速电机上，在电机工作时，向内冷却管道内通入冷却介质，随着冷却介质沿轴向的流动，会及时带走定子铁心上的热量进而冷却定子铁心。它取消了现有电机内的密闭板，使电机内气隙长度增加，空气流动的空间增大，进而导热作用增强。本发明能使现有电机的气隙长度由1mm增至3mm，当电机转速为6万转每分时，能使空气的有效导热系数由现有电机中0.28W/（m*℃）增至0.39W/（m*℃），这样大大提高了运动空气的导热能力，使转子侧热量更多地传递到定子侧。

本发明中加入的内冷却管道，能避免冷却介质与定子绕组铁心等电机部件的直接接触，由此可以采用水等冷却性能好的介质对电机进行冷却。计算分析表明，在相同流体流速下，采用油冷时，本发明技术方案能使电机最高温升降低10℃；采用水冷时，电机温度变化更加显著，在流速为1m/s时，与电机接触面的散热系数高达953W/(m*℃)，可使转子侧温度降低约40℃，有效避免了转子温升过高造成的电机内部永磁体的消磁，使电机的整体工作性能稳定性大大提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中箭头表示冷却通道内冷却介质的流动方向；图2是图1的A-A剖视图；图3是本发明实施方式三的结构示意图，图中箭头表示冷却通道内冷却介质的流动方向；图4是图3的B-B剖视图；图5是实施方式一、二、三或四中所述冷却管道的管内直径示意图；图6是实施方式五中所述冷却管道的管内直径变化示意图；图7是实施方式六中所述冷却管道的管内直径变化示意图；图8是实施方式八中所述冷却管道的管内直径变化示意图，图5至图8中h代表冷却管道的管内直径，L代表冷却管道的长度；图9是实施方式一中冷却介质散热系数变化的曲线图；图10是实施方式五中冷却介质散热系数变化的曲线图；图11是实施方式六中冷却介质散热系数变化的曲线图；图12是实施方式八中冷却介质散热系数变化的曲线图；图13是冷却管道的管内直径采用不同技术方案时电机轴向定子绕组温度变化曲线图，图中曲线A为实施方式一中定子绕组温度变化曲线、曲线B为实施方式五中定子绕组温度变化曲线、曲线C为实施方式六中定子绕组温度变化曲线、曲线D为实施方式八中定子绕组温度变化曲线；图14是冷却管道的管内直径采用不同技术方案时电机轴向转子温度变化曲线图，图中曲线E为实施方式一中转子温度变化曲线、F为实施方式八中转子温度变化曲线、G为实施方式六中转子温度变化曲线、H为实施方式五中转子温度变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括机壳1和定子铁心2，定子铁心2罩于机壳1内，所述定子铁心2的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽2-1，绕组2-2缠绕在定子铁心2的定子槽2-1内，每个定子槽2-1的槽口处设置一个定子槽楔2-3，所述定子槽楔2-3与定子槽2-1的槽口处内壁紧密配合，每个定子槽楔2-3与其所在定子槽2-1的两个侧壁及绕组2-2的槽内外表面所形成的轴向通道内设置内冷却管道2-4，所述多个内冷却管道2-4的两个端部分别汇集在一起形成入口2-5和出口2-6。

本实施方式中绕组2-2缠绕在定子铁心2的定子槽2-1内，为了通冷却介质，绕组2-2仅占所在定子槽2-1的一部分空间，余下的部分用来放置内冷却管道2-4。内冷却管道2-4采用非导电、高导热的材料制成。

在现有电机的定子冷却系统中，通常设计隔油环来隔离冷却介质与定子及转子，冷却介质与定子绕组铁心等电机部件直接接触，这样就需要采用绝缘冷却介质，如变压器油等。隔油环的制作采用聚酰亚胺薄膜，其导热系数<1W/（m*℃），一般为0.3W/（m*℃）。考虑空气高速旋转，气隙中流体为高紊流状态，经分析空气导热系数也只达到0.28W/（m*℃）(一般静止空气导热系数0.02W/（m*℃）)。隔油环还造成电机的气隙长度过小，不利于利用空气的导热能力来传递转子侧的热量。本实施方式取消隔油环后加入了内冷却管道2-4，它增加了冷却介质在电机内部的密闭性，介质不与绕组等接触，因此可以采用水、氟利昂等冷却性能好的冷却介质，水及氟利昂等的冷却效果远高于变压器油，其高导热性能可以更有效的冷却电机。以通水为例，由于水的导热系数高、运动粘度小，在其流速为1m/s时，与电机的定子接触面散热系数达953W/(m*℃)，而在现有技术中通油冷却时，散热系数仅为230W/(m*℃)，所以采用本发明技术方案会使电机的冷却效果大大提高，转子侧温升降低约40℃，定子电枢绕组温升降低约30℃。

具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于它还包括外冷却管道排3，所述外冷却管道排3设置在机壳1与定子铁心2的外圆表面之间。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

外冷却管道排3可对电机轭部直接进行冷却，可使电机的温度进一步降低。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于所述冷却管道排3的输入口与内冷却管道2-4的入口2-5相连通，所述冷却管道排3的输出口与内冷却管道2-4的出口2-6相连通。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

将外冷却管道排3与内冷却管道2-4的端部用汇流排汇集一起，形成一个整体循环的冷却系统，一方面减少了冷却系统的辅助动力设备和冷却管道在电机内部的连接设备，提高了冷却系统的密闭可靠性；另一方面，部分增加了外冷却管道排3与内冷却管道2-4在电机内部的长度，可以更加有效发挥冷却作用，特别是对于定子绕组端部，冷却效果更加显著。

具体实施方式四：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式二或三的不同之处在于所述外冷却管道排3中的每一个管道在机壳1与定子铁心2的外圆表面之间沿轴向方向相邻排列。其它组成及连接关系与实施方式二或三相同。

本实施方式中外冷却管道排3与内冷却管道2-4的共同作用下，能使电机定子铁心2的温度降低30℃。同时，由于定子温度的降低，转子热量能够向定子更多的传递，分析表明，与实施方式一的技术方案相比，本实施方式可使转子侧温度再降低10℃。转子侧工作温度的降低可使永磁体工作性能更加稳定，并延长电机寿命。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述内冷却管道2-4和外冷却管道排3中的每一个管道沿轴向方向均分为两段，即入口段和出口段，出口段管内直径为入口段管内直径的二分之一。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述内冷却管道2-4和外冷却管道排3中的每一个管道沿轴向方向均分为三段，即入口段、中间段和出口段，中间段管内直径为入口段管内直径的四分之三，出口段管内直径为入口段管内直径的二分之一。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述内冷却管道2-4和外冷却管道排3中的每一个管道沿轴向方向的管内直径线性缩小。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式七的不同之处在于所述内冷却管道2-4和外冷却管道排3的出口处管内直径为入口处管内直径的二分之一。其它组成及连接关系与实施方式七相同。

将上述各实施方式与图5至图14结合可以看出，在冷却管道的横截面积发生变化位置，流体散热系数发生突变，散热系数分布曲线出现拐点。在保持冷却介质流量不变的情况下，随着流体通过处横截面积的减小，冷却介质的散热系数相应增大。

采用变直径的冷却管道时，电机内不同位置处的温度均不同程度降低，如表1所示，其中定子铁心和转子体温度的平均降幅分别达到15℃和12℃。同时，电机不同位置温度沿轴向变化幅度减小，定子绕组轴向温差降低43%，转子轴向温差降低44%，定子铁心位置轴向温差降低29%，电机内温度分布趋于均匀。

由此看出，通过合理设计，在冷却管道的轴向不同位置处减小冷却管道的直径，在冷却介质流量不变的情况下可以有效增加冷却介质的散热能力，并使得电机内温度分布趋于均匀。

具体实施方式九：本实施方式与实施方式二或三的不同之处在于所述外冷却管道排3为圆环形，外冷却管道排3中的每一个管道在机壳1与定子铁心2的外圆表面之间沿圆周方向相邻排列。其它组成及连接关系与实施方式二或三相同。

本实施方式可有效增加外冷却管道排3在电机内部的长度，从而增强冷却介质的散热作用；同时，呈圆周向分布的外冷却管道排3与内冷却管道2-4形成网格交叉冷却布局，可使电机定子温度分布更趋均匀。

Claims (9)

1.一种高速永磁电机定子冷却系统，它包括机壳（1）和定子铁心（2），定子铁心（2）罩于机壳（1）内，所述定子铁心（2）的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽（2-1），绕组（2-2）缠绕在定子铁心（2）的定子槽（2-1）内，其特征在于：每个定子槽（2-1）的槽口处设置一个定子槽楔（2-3），所述定子槽楔（2-3）与定子槽（2-1）的槽口处内壁紧密配合，每个定子槽楔（2-3）与其所在定子槽（2-1）的两个侧壁及绕组（2-2）的槽内外表面所形成的轴向通道内设置内冷却管道（2-4），所述多个内冷却管道（2-4）的两个端部分别汇集在一起形成入口（2-5）和出口（2-6）。

2.根据权利要求1所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：它还包括外冷却管道排（3），所述外冷却管道排（3）设置在机壳（1）与定子铁心（2）的外圆表面之间。

3.根据权利要求2所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述冷却管道排（3）的输入口与内冷却管道（2-4）的入口（2-5）相连通，所述冷却管道排（3）的输出口与内冷却管道（2-4）的出口（2-6）相连通。

4.根据权利要求2或3所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述外冷却管道排（3）中的每一个管道在机壳（1）与定子铁心（2）的外圆表面之间沿轴向方向相邻排列。

5.根据权利要求4所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述内冷却管道（2-4）和外冷却管道排（3）中的每一个管道沿轴向方向均分为两段，即入口段和出口段，出口段管内直径为入口段管内直径的二分之一。

6.根据权利要求4所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述内冷却管道（2-4）和外冷却管道排（3）中的每一个管道沿轴向方向均分为三段，即入口段、中间段和出口段，中间段管内直径为入口段管内直径的四分之三，出口段管内直径为入口段管内直径的二分之一。

7.根据权利要求4所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述内冷却管道（2-4）和外冷却管道排（3）中的每一个管道沿轴向方向的管内直径线性缩小。

8.根据权利要求7所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述内冷却管道（2-4）和外冷却管道排（3）的出口处管内直径为入口处管内直径的二分之一。

9.根据权利要求2或3所述的高速永磁电机定子冷却系统，其特征在于：所述外冷却管道排（3）为圆环形，外冷却管道排（3）中的每一个管道在机壳（1）与定子铁心（2）的外圆表面之间沿圆周方向相邻排列。

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