CN114400820A - 一种双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机设计制造与电机冷却结构优化技术领域，涉及一种双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法，方法包括：S1、将冷却液体从入液孔流入环形液槽，再进入液道，最后通过另一端的环形液槽，由出液孔流出电机，形成正向液冷通路，实现液体介质冷却降温；S2、在电机运行中，波浪扇随电机转轴同步转动，带动电机腔内的气体旋转流动，产生的轴向冷却气体由气道，从电机腔流出，形成反向气冷通路，实现对电机的气体介质冷却降温。本发明的双向冷却结构通过引入冷却液体和空气两种冷却介质形成正、反向组合冷却，可有效解决传统电机冷却系统散热效果差和轴向温差大的缺陷，实现新型立体式多流体混合冷却。

Description

一种双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法

技术领域

本发明属于电机设计制造与电机冷却结构优化技术领域，涉及一种双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法。

背景技术

随着现代工业产品不断升级更新，以电机为驱动支撑的动力核心部件作为应用最广泛的部件在产品制造、交通运输和航天航空等领域发挥着愈加重要的作用。近年来，将轻量化作为优先特征的新一代电机设计成为研究人员和制造厂商追求的长远目标。尽管现有电机的单介质冷却(水冷、空冷和油冷)和内外空间散热结构对于解决绕组和转子等关键部位过高的温升具有良好的适用性，但不断减小电机体积和压缩内部空间对单介质及其散热结构的冷却效果带来挑战。其次，由于传统电机的产热以定子绕组铜耗、定转子铁芯铁耗和永磁体涡流损耗为主，在不考虑端部的情况下，其径向发热不同，而轴向发热均匀。如何充分发挥水冷和风冷等多介质的优缺点，将牵引电机内部密封空间与外部机壳空间冷却结构有效结合，实现新型立体式多流体混合冷却，是实现电机轻量化的技术难点之一。

基于上述技术背景，现有资料提供的技术方案有以下几类：(1)单一介质冷却的新型冷却结构，相关资料以水或油或空气作为介质，设计新型的定转子或机座结构以提供相应的冷却通道；(2)采用双介质的双冷却结构，大多以水和空气作为冷却介质，设计与之适应的定转子通风结构。目前工业界的高功率密度电机大多采用高效水冷方式；高速动车组牵引电机普遍采用开启式通风冷却系统；而对于永磁牵引电机，由于磁体的特殊吸附性，通常采用全封闭结构，采用电机机壳轴向风孔实现轴向外冷式，冷却效果较开启式差很多，使电机绕组和永磁体的温度很高，而且其沿转子轴向的温度分布不均匀。因此无论是水冷、空冷或油冷，冷却介质由通道一端进入另一端流出，其固有的流速差和介质温差将影响电机内部轴向的冷却效果，导致轴向温差的差别较大，难以满足电机整体散热冷却需求。此外，传统电机在装配时通过点焊或定位槽方式将定子铁芯嵌入机壳内，轴向硅钢片的紧固采用齿压板或者定子通风槽板铆接，此类方式具有良好的固定效果，但久而久之会出现齿部松动和硅钢片叠压系数降低现象，由此产生的电磁噪声和振动超标等问题也亟待解决。针对上述问题，本发明提出一种双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法，可实现新型立体式多流体混合冷却，有效解决传统电机中冷却系统散热效果差、轴向温差大和振动噪声超标等现有技术存在的缺陷。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本申请采用的技术方案如下：

一种双介质混合的电机双向冷却结构，包括：机壳11、定子铁芯14、转子15、电机转轴16和波浪扇04；

所述定子铁芯14安装在机壳11内，所述转子15安装在电机转轴16上；

所述转子15和电机转轴16均位于所述定子铁芯14内；

在所述机壳11的内部设置若干液道02；

在所述机壳11的两端均设置环形液槽01；

所述环形液槽01将所述若干液道02连通，起到连通液体通路的作用；

在所述机壳11的两端分别设置入液孔12和出液孔13；

所述入液孔12和出液孔13与所述液道02连通；

所述若干液道02、机壳11两端的环形液槽01、入液孔12和出液孔13一起组成液冷通路；

在所述定子铁芯14外表面均布的若干轴向开槽内均设置气道03；

若干气道03与机壳11的内表面一起形成气冷通路；

在靠近出液孔13侧的电机转轴16上安装波浪扇04；

所述波浪扇04用于：随着电机转轴16旋转，以提供气冷气体；并压紧转子15，防止端部变形。

在上述技术方案的基础上，通过若干径向紧固螺杆05由机壳11的外表面穿过机壳11连接定子铁芯14，起到固定定子铁芯14的作用；

在所述机壳11的圆周方向间隔360/n°，设置n×m个所述径向紧固螺杆05，其中m为同一轴向均匀分布的径向紧固螺杆05的个数，n为排数；

通过若干轴向紧固螺杆06沿轴向穿过定子铁芯14，以紧固定子铁芯14的硅钢片；

在所述定子铁芯14的圆周方向间隔360/h°设置h个所述轴向紧固螺杆06。

在上述技术方案的基础上，所述液道02为直形液道21或蛇形液道22。

在上述技术方案的基础上，沿所述机壳11内部圆周方向均匀分布k个直形液道21；若干直形液道21的位置与定子铁芯14上k个齿部或定子槽的位置一一对应；所述k个直形液道21由机壳11前端和后端设置的环形液槽01连通。

在上述技术方案的基础上，若干蛇形液道22被n排径向紧固螺杆05隔开为n个360/n°的扇形对称结构；

在每个扇形对称结构内蛇形液道22沿机壳11的圆周方向呈蛇形环绕布置；

n个蛇形液道22由机壳11前端和后端设置的环形液槽01连通。

在上述技术方案的基础上，所述气道03为扁形气道31、半圆形气道32或三角形气道33；

所述扁形气道31的截面形状为：矩形；所述半圆形气道32的截面形状为：半圆形；所述三角形气道33的截面形状为：三角形。

在上述技术方案的基础上，若干气道03的位置与定子铁芯14上k个齿部的位置一一对应；

所述扁形气道31的宽度与齿部齿中41的宽度相同；

所述半圆形气道32的直径与齿部齿中41的宽度相同；

所述三角形气道33的开口边与齿部齿中41的宽度相同。

在上述技术方案的基础上，若干气道03的位置与定子铁芯14上k个定子槽的位置一一对应；

所述扁形气道31的宽度与定子槽槽身42的宽度相同；

所述半圆形气道32的直径与定子槽槽身42的宽度相同；

所述三角形气道33的开口边与定子槽槽身42的宽度相同。

在上述技术方案的基础上，所述波浪扇04为圆周对称结构，在圆周的边缘均布j个间隔360/j°的扇形波浪叶51，所述扇形波浪叶51向外延伸边缘的一端比扇形波浪叶51向外延伸边缘的另一端低，其中，延伸边缘高的一端为锯齿状或弧形状结构。

一种应用上述双介质混合的电机双向冷却结构的冷却方法，包括以下步骤：

S1、将冷却液体从入液孔12流入环形液槽01，再进入液道02，最后通过另一端的环形液槽01，由出液孔13流出电机，形成正向液冷通路，实现液体介质冷却降温；

S2、在电机运行中，波浪扇04随电机转轴16同步转动，带动电机腔内的气体旋转流动，产生的轴向冷却气体由气道03，从电机腔流出，形成反向气冷通路，实现对电机的气体介质冷却降温。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明提供的双介质混合的电机双向冷却结构通过引入冷却液体(例如：水)和空气两种冷却介质形成正、反向组合冷却，可有效解决传统电机冷却系统散热效果差和轴向温差大的缺陷，实现新型立体式多流体混合冷却；同时对于电机运行过程中的电磁噪声和振动过激等问题具有良好的缓解作用。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本申请所述双介质混合的电机双向冷却结构示意图；

图2为本申请所述双介质混合的电机双向冷却结构爆炸示意图；

图3为径向紧固螺杆05与轴向紧固螺杆06的位置分布截面结构示意图一；

图4为径向紧固螺杆05与轴向紧固螺杆06的位置分布截面结构示意图二；

图5为直形液道21形成的液冷通道结构示意图；

图6为蛇形液道22形成的液冷通道结构示意图；

图7为扁形气道31形成的气冷通道结构示意图；

图8为半圆形气道32形成的气冷通道结构示意图；

图9为三角形气道33形成的气冷通道结构示意图；

图10为图3中采用扁形气道31时A处的局部放大结构示意图；

图11为图3中采用半圆形气道32时A处的局部放大结构示意图；

图12为图3中采用三角形气道33时A处的局部放大结构示意图；

图13为图4中采用扁形气道31时B处的局部放大结构示意图；

图14为图4中采用半圆形气道32时B处的局部放大结构示意图；

图15为图4中采用三角形气道33时B处的局部放大结构示意图；

图16为波浪扇04的结构示意图一；

图17为波浪扇04的结构示意图二；

图18为双向冷却流体的流动轨迹示意图；

图19为径向紧固螺杆05的结构示意图；

图20为轴向紧固螺杆06的结构示意图。

附图标记：

01、环形液槽；02、液道；03、气道；04、波浪扇；05、径向紧固螺杆；06、轴向紧固螺杆；11、机壳；12、入液孔；13、出液孔；14、定子铁芯；15、转子；16、电机转轴；21、直形液道；22、蛇形液道；31、扁形气道；32、半圆形气道；33、三角形气道；41、齿部齿中；42、定子槽槽身；51、扇形波浪叶。

具体实施方式

以下结合附图1-20和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

如图1-2所示的一个实例为采用直形液道21、扁形气道31，液体介质为水，气体介质为空气的双介质混合的电机双向冷却结构示意图，包括：环形液槽01、液道02、气道03、波浪扇04、径向紧固螺杆05和轴向紧固螺杆06。如图2所示的爆炸示意图，所述环形液槽01设置于机壳11的两端，起到并联多个液道02，连通液体通路的作用；所述液道02设置于机壳11的内部，与机壳11两端的环形液槽01和外部的入液孔12、出液孔13组成液冷通路；所述气道03设置于定子铁芯14外表面的开槽内，与机壳11的内表面形成气冷通路；所述波浪扇04为带有波浪结构的环状凸台，安装于靠近出液孔13侧的电机转轴16的端部，并随其旋转以提供风冷空气，同时起到压紧转子15和防止端部形变的作用；所述径向紧固螺杆05(结构示意参考图19)由机壳11的外表面穿过机壳11连接定子铁芯14，起到固定定子铁芯14的作用；所述轴向紧固螺杆06(结构示意参考图20)沿轴向穿过定子铁芯14，以紧固定子铁芯14的硅钢片。

在本实施例中设置参数n为4，m为2，h为4，k为24，j为8。

实施例二

如图3-4所示，分别为径向紧固螺杆05与轴向紧固螺杆06位置分布截面结构示意图，在机壳11的圆周方向间隔360/n°＝90°设置n×m＝8个所述径向紧固螺杆05，其中同一轴向均匀分布m＝2个；在定子铁芯14的圆周方向间隔360/h°＝90°设置h＝4个所述轴向紧固螺杆06，轴向紧固螺杆06的位置与径向紧固螺杆05周向相隔180/n°＝45°。本实例中的所述直形液道21(如图5所示)沿圆周方向均匀分布24个，其位置与定子铁芯14上的24个齿部位置一一对应，24个直形液道21由机壳11前端和后端内的环形液槽01并联组合；所述扁形气道03的位置与定子铁芯14上的24个齿部位置一一对应，其宽度与齿部齿中41的宽度相同。如图16-17所示，所述波浪扇04为圆周对称结构，在圆周的边缘均布8个间隔360/j°＝45°的扇形波浪叶51，所述扇形波浪叶51向外延伸边缘的一端比扇形波浪叶51向外延伸边缘的另一端低，其中，延伸边缘高的一端为锯齿状(如图16所示)。

如图18所示，利用该结构进行电机双向冷却的流动轨迹示意图，包括：如图18中的实线所示，冷却水从机壳11外部的入液孔12进入机壳11前端的环形液槽01，再进入直形液道21，最后通过机壳11后端的环形液槽01由出液孔13流出电机，形成正向水冷通路实现水冷降温；在电机运行中，波浪扇04随电机转轴16同步转动，带动电机腔内的空气旋转流动，产生的轴向冷却风由后端空腔流入扁形气道31(如图7所示)，从电机腔流出，形成反向空冷通路，实现对电机的空冷降温。

实施例三

在另一个实施例中，采用蛇形液道22(如图6所示)、半圆形气道32(如图8所示)，液体介质为冷却油，气体介质为空气的双介质混合的电机双向冷却结构，设置参数n为6，m为3，h为8，k为36，j为12。在本实施例中，在机壳11的圆周方向间隔360/n°＝60°设置n×m＝18个所述径向紧固螺杆05，其中同一轴向均匀分布m＝3个；在定子铁芯14圆周方向间隔360/8°＝45°设置h＝8个所述轴向紧固螺杆06。所述蛇形液道22被同一轴向上3个所述径向紧固螺杆05隔开为6个360/6°＝60°的扇形对称结构，其在每个扇形对称结构内沿圆周方向蛇形环绕，6个蛇形液道22由机壳11前端和后端内的环形液槽01并联组合。所述半圆形气道32的位置与定子铁芯14上36个定子槽位置一一对应，其直径与定子槽槽身42的宽度相同(如图10-15所示)。所述的波浪扇04为圆周对称结构，在圆周的边缘均布12个间隔360/12°＝30°的扇形波浪叶51，所述扇形波浪叶51向外延伸边缘的一端比扇形波浪叶51向外延伸边缘的另一端低，其中延伸边缘高的一端为弧形状结构(如图17所示)。

利用该结构进行电机双向冷却的方法，包括：冷却油从机壳11外部的入液孔12进入机壳11前端的环形液槽01，再进入直形液道21，最后通过机壳11后端的环形液槽01，由出液孔13流出电机，形成正向油冷通路，实现油冷降温；在电机运行中，波浪扇04随电机转轴16同步转动，带动电机腔内的空气旋转流动，产生的轴向冷却风由后端空腔流入扁形气道31(如图7所示)，从电机腔流出，形成反向空冷通路实现对电机的空冷降温。

实施例四

在另一组实施例中，采用直形水道或蛇形水道、与扁形风道或半圆形风道或三角形风道、水或油/空气的任意组合，设置参数n为4，m为4，h为6，k为48，j为6。

采用流固耦合方法对一台密闭式永磁同步电机的温度分布情况开展仿真研究。原电机冷却结构采用轴向水冷，冷却水道为直形水道，冷却水由机壳入水口流入，出水口流出。新电机冷却结构采用本发明所描述的第一个实施例所述的形式，仿真结果如表1所示。

表1电机各部分最高温度及绕组轴向温差对比表

由表1的结果可知，原电机的单介质水冷对电机内各部件的冷却效果有限，铁芯和绕组的热量仅仅通过水介质流动时的对流换热散出。而采用本发明所描述的双介质混合的电机双向冷却结构及冷却方法后，实施例一所述电机内的绕组和铁芯热量，除了冷却水对流换热外，波浪扇搅动空腔内的空气，与绕组端部进行强迫通风换热，降低了绕组内的最高温度；同时进入风道内的冷却气体与风道内的铁芯表面产生强迫对流，使得铁芯的最高温度也略有下降，也间接降低了绕组的轴向温差。由此可见本发明所带来的有益效果具有良好的实用性。

本发明的关键点和欲保护点如下所述：

1、双介质混合的电机双向冷却结构包括：环形液槽01、液道02、气道03、波浪扇04、径向紧固螺杆05和轴向紧固螺杆06；所述环形液槽01设置于机壳11的两端，起到并联多个液道02、连通液体通路的作用；所述液道02设置于机壳11的内部，与机壳11两端的环形液槽01和外部的入液孔12、出液孔13组成液冷通路；所述气道03设置于定子铁芯14外表面的开槽内，与机壳11内表面形成气冷通路；所述波浪扇04为带有波浪结构的环状凸台，安装于靠近出液孔13侧的电机转轴16上随其旋转，以提供气冷气体，同时起到压紧转子15和防止端部形变的作用；所述径向紧固螺杆05由机壳11的外表面穿过机壳11连接定子铁芯14，起到固定定子铁芯14的作用；所述轴向紧固螺杆06沿轴向穿过定子铁芯14，以紧固定子铁芯14的硅钢片。

2、在机壳11的圆周方向间隔360/n°设置n×m个所述径向紧固螺杆05，其中同一轴向均匀分布m个；在定子铁芯14的圆周方向间隔360/h°设置h个所述轴向紧固螺杆06。

3、所述液道02为直形液道21或蛇形液道22，其中所述直形液道21沿圆周方向均匀分布k个，其位置与定子铁芯14上k个齿部或定子槽位置一一对应，k个直形液道21由机壳11前端和后端内的环形液槽01并联组合；所述蛇形液道22被同一轴向上m个所述径向紧固螺杆05隔开为n个360/n°的扇形对称结构，其在每个扇形对称结构内，沿圆周方向蛇形环绕，n个蛇形液道22由机壳11前端和后端内的环形液槽01并联组合。

4、所述气道03为扁形气道31、半圆形气道32或三角形气道33，气道03的位置与定子铁芯14上k个齿部或定子槽位置一一对应；所述扁形气道31的宽度、半圆形气道32的直径、三角形气道33的开口边与齿部齿中41或定子槽槽身42的宽度相同。

5、波浪扇04为圆周对称结构，在圆周的边缘均布j个间隔360/j°的扇形波浪叶51，所述扇形波浪叶51向外延伸边缘的一端比扇形波浪叶51向外延伸边缘的另一端低，其中，延伸边缘高的一端为锯齿状或弧形状结构。

6、利用该结构进行电机双向冷却的方法，包括：冷却液体从机壳11外部的入液孔12进入机壳11前端的环形液槽01，再进入直形液道21或蛇形液道22，最后通过机壳11后端的环形液槽01由出液孔13流出电机，形成正向液冷通路，实现液体介质冷却降温；在电机运行中，波浪扇04随电机转轴16同步转动，带动电机腔内的气体旋转流动，产生的轴向冷却气体由后端空腔流入扁形气道31、半圆形气道32或三角形气道33，从电机腔流出，形成反向气冷通路实现对电机的气体介质冷却降温。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护并不局限于此，本领域技术人员在不改变原理的情况下，做出的任何无实质变化的改进，也应视为本发明的保护范围。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于，包括：机壳(11)、定子铁芯(14)、转子(15)、电机转轴(16)和波浪扇(04)；

所述定子铁芯(14)安装在机壳(11)内，所述转子(15)安装在电机转轴(16)上；

所述转子(15)和电机转轴(16)均位于所述定子铁芯(14)内；

在所述机壳(11)的内部设置若干液道(02)；

在所述机壳(11)的两端均设置环形液槽(01)；

所述环形液槽(01)将所述若干液道(02)连通，起到连通液体通路的作用；

在所述机壳(11)的两端分别设置入液孔(12)和出液孔(13)；

所述入液孔(12)和出液孔(13)与所述液道(02)连通；

所述若干液道(02)、机壳(11)两端的环形液槽(01)、入液孔(12)和出液孔(13)一起组成液冷通路；

在所述定子铁芯(14)外表面均布的若干轴向开槽内均设置气道(03)；

若干气道(03)与机壳(11)的内表面一起形成气冷通路；

在靠近出液孔(13)侧的电机转轴(16)上安装波浪扇(04)；

所述波浪扇(04)用于：随着电机转轴(16)旋转，以提供气冷气体；并压紧转子(15)，防止端部变形。

2.如权利要求1所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：通过若干径向紧固螺杆(05)由机壳(11)的外表面穿过机壳(11)连接定子铁芯(14)，起到固定定子铁芯(14)的作用；

在所述机壳(11)的圆周方向间隔360/n°，设置n×m个所述径向紧固螺杆(05)，其中m为同一轴向均匀分布的径向紧固螺杆(05)的个数，n为排数；

通过若干轴向紧固螺杆(06)沿轴向穿过定子铁芯(14)，以紧固定子铁芯(14)的硅钢片；

在所述定子铁芯(14)的圆周方向间隔360/h°设置h个所述轴向紧固螺杆(06)。

3.如权利要求2所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：所述液道(02)为直形液道(21)或蛇形液道(22)。

4.如权利要求3所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：沿所述机壳(11)内部圆周方向均匀分布k个直形液道(21)；若干直形液道(21)的位置与定子铁芯(14)上k个齿部或定子槽的位置一一对应；所述k个直形液道(21)由机壳(11)前端和后端设置的环形液槽(01)连通。

5.如权利要求3所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：若干蛇形液道(22)被n排径向紧固螺杆(05)隔开为n个360/n°的扇形对称结构；

在每个扇形对称结构内蛇形液道(22)沿机壳(11)的圆周方向呈蛇形环绕布置；

n个蛇形液道(22)由机壳(11)前端和后端设置的环形液槽(01)连通。

6.如权利要求1所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：所述气道(03)为扁形气道(31)、半圆形气道(32)或三角形气道(33)；

所述扁形气道(31)的截面形状为：矩形；所述半圆形气道(32)的截面形状为：半圆形；所述三角形气道(33)的截面形状为：三角形。

7.如权利要求6所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：若干气道(03)的位置与定子铁芯(14)上k个齿部的位置一一对应；

所述扁形气道(31)的宽度与齿部齿中(41)的宽度相同；

所述半圆形气道(32)的直径与齿部齿中(41)的宽度相同；

所述三角形气道(33)的开口边与齿部齿中(41)的宽度相同。

8.如权利要求6所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：若干气道(03)的位置与定子铁芯(14)上k个定子槽的位置一一对应；

所述扁形气道(31)的宽度与定子槽槽身(42)的宽度相同；

所述半圆形气道(32)的直径与定子槽槽身(42)的宽度相同；

所述三角形气道(33)的开口边与定子槽槽身(42)的宽度相同。

9.如权利要求1所述的双介质混合的电机双向冷却结构，其特征在于：所述波浪扇(04)为圆周对称结构，在圆周的边缘均布j个间隔360/j°的扇形波浪叶(51)，所述扇形波浪叶(51)向外延伸边缘的一端比扇形波浪叶(51)向外延伸边缘的另一端低，其中，延伸边缘高的一端为锯齿状或弧形状结构。

10.一种应用权利要求1-9任一权利要求所述双介质混合的电机双向冷却结构的冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将冷却液体从入液孔(12)流入环形液槽(01)，再进入液道(02)，最后通过另一端的环形液槽(01)，由出液孔(13)流出电机，形成正向液冷通路，实现液体介质冷却降温；

S2、在电机运行中，波浪扇(04)随电机转轴(16)同步转动，带动电机腔内的气体旋转流动，产生的轴向冷却气体由气道(03)，从电机腔流出，形成反向气冷通路，实现对电机的气体介质冷却降温。

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