高速永磁電機定子平溫冷卻系統的製作方法

2023-09-24 12:13:45 1

專利名稱：高速永磁電機定子平溫冷卻系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高速永磁電機定子平溫冷卻系統，屬於電機技術領域。
背景技術：
高速永磁電機在具有普通高速電機的轉速高、功率密度大、材料利用率高、動態響 應較快和傳動系統效率高等特點的同時，還具有效率高、功率因數高的優點，因此在空調或 冰箱的離心式壓縮機、儲能飛輪、紡織、高速磨床、混合動力汽車、航空、船舶等領域具有良 好的應用前景。特別是在分布式發電系統中，由於燃氣輪機驅動的高速永磁電機體積小，具 有較高的機動性，使其可作為醫院、賓館及其它重要設施的備用電源，也可作為獨立電源或 小型電站，以彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。高速永磁電機在運行時，其定子繞組的電流頻率高達1000Hz以上，轉子的旋轉速 度高達每分鐘幾萬轉，其電機鐵心具有很高的功率密度，單位體積內的鐵耗及電樞繞組銅 耗都很大。一般情況下，此類電機採用定子密閉通入冷卻介質的方式來進行散熱，由於此類 電機多為細長型結構，隨著冷卻介質在電機冷卻溝道內的流動，冷卻介質的溫度會逐漸升 高，造成電機定子鐵心兩端較大的溫差，其溫差可達25°C以上。這種情況在削弱了冷卻介質 的冷卻能力的同時，相應的熱應力會對電機產生危害。
發明內容本實用新型為了解決現有高速永磁電機的定子通過通入冷卻介質的方式來進行 散熱時，由於冷卻介質的溫升造成對電機的冷卻能力下降及相應的熱應力會對電機產生危 害的問題，提供了一種高速永磁電機定子平溫冷卻系統。本實用新型包括機殼和定子鐵心，定子鐵心罩於機殼內，所述定子鐵心的內圓周 上沿圓周方向呈放射狀均勻分布多個定子槽，繞組纏繞在定子鐵心的定子槽內，每個定子 槽內有一個槽內楔形平溫板與繞組的槽口側表面相接並與定子槽內壁緊密配合，每個定子 槽的槽口處設置一個定子槽楔，所述定子槽楔與定子槽的槽口處內壁緊密配合，定子鐵心 的內圓環處設置冷卻介質密閉環，冷卻介質密閉環的外環表面與每個定子槽楔的槽口外端 面緊密相接；每個槽內楔形平溫板與其所在的定子槽的兩個側壁和一個定子槽楔所形成的軸 向通道為槽內冷卻通道，所述槽內楔形平溫板的厚度從槽內冷卻通道的入口側至出口側逐 漸增厚。本實用新型的優點是本實用新型所述定子平溫冷卻系統應用於高速電機上，在 電機工作時，向槽內冷卻通道通入冷卻介質，隨著冷卻介質沿軸向的流動，會及時帶走定子 鐵心上的熱量進而冷卻定子鐵心。由於槽內楔形平溫板的厚度從槽內冷卻通道的入口側至 出口側逐漸增厚，使得冷卻介質流經的槽內冷卻通道的橫截面積逐漸減小，當冷卻介質的 壓力不變時，其流動速度會逐漸變大，散熱係數進而增大，會帶走更多熱量。經實驗計算分 析表明，當採用本實用新型提出的方案對定子鐵心進行冷卻時，定子鐵心溫度能夠降低約20°C，進而轉子鐵心溫度能夠降低約12°C ；同時，定子鐵心兩端的軸向溫差降低為15°C，這 使定子鐵心沿軸向的溫度分布趨於平衡，減小了溫差帶來的熱應力影響，使電機的性能更 加穩定。

圖1是本實用新型的結構示意圖，圖中箭頭表示冷卻通道內冷卻介質的流動方 向；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是本實用新型實施方式三的結構示意圖，圖中箭頭表示 冷卻通道內冷卻介質的流動方向；圖4是圖3的B-B剖視圖；圖5是本實用新型去除機殼後 的立體結構示意圖；圖6是分別採用本實用新型與現有技術對定子鐵心進行冷卻時定子鐵 心溫度軸向分布圖，圖中曲線A為現有技術中定子鐵心溫度軸向分布圖，曲線B為本實用新 型中定子鐵心溫度軸向分布圖；圖7是分別採用本實用新型與現有技術對定子鐵心進行冷 卻時定子繞組溫度軸向分布圖，圖中曲線C為現有技術中定子繞組溫度軸向分布圖，曲線D 為本實用新型中定子繞組溫度軸向分布圖；圖8是採用現有技術對定子鐵心進行冷卻時冷 卻介質的散熱曲線圖；圖9是採用本實用新型對定子鐵心進行冷卻時冷卻介質的散熱曲線 圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括機殼1和 定子鐵心2，定子鐵心2罩於機殼1內，所述定子鐵心2的內圓周上沿圓周方向呈放射狀均 勻分布多個定子槽2-1，繞組2-2纏繞在定子鐵心2的定子槽2-1內，每個定子槽2-1內有 一個槽內楔形平溫板2-3與繞組2-2的槽口側表面相接並與定子槽2-1內壁緊密配合，每 個定子槽2-1的槽口處設置一個定子槽楔2-5，所述定子槽楔2-5與定子槽2-1的槽口處內 壁緊密配合，定子鐵心2的內圓環處設置冷卻介質密閉環2-4，冷卻介質密閉環2-4的外環 表面與每個定子槽楔2-5的槽口外端面緊密相接；每個槽內楔形平溫板2-3與其所在的定子槽2-1的兩個側壁和一個定子槽楔2-5 所形成的軸向通道為槽內冷卻通道，所述槽內楔形平溫板2-3的厚度從槽內冷卻通道的入 口側至出口側逐漸增厚。本實施方式中繞組2-2和槽內楔形平溫板2-3在定子槽2-1內僅佔定子槽2_1的 一部分空間，餘下的部分作為槽內冷卻通道。本實施方式在定子鐵心2的槽內冷卻通道內設置非導磁導電材料的槽內楔形平 溫板2-3，不會對電機的電磁性能產生影響，因此在溫度場分析中熱源分布不會改變。在保 持冷卻介質流量和入口壓力不變的情況下，隨冷卻介質通過處橫截面大小的變化，流體通 過面積的等效水力直徑也相應改變，考慮到軸向流動時的沿程阻力，相應的努歇爾特係數 和雷諾數不相同，則冷卻介質與定子接觸面的軸向散熱係數分布發生改變。從圖9可以看 出，在槽內冷卻通道的橫截面積發生變化位置，冷卻介質的流體散熱係數發生突變，散熱系 數分布曲線出現拐點，與圖8所示的現有技術中的冷卻介質的散熱係數相比，隨著流體通 過的橫截面積的減小，冷卻介質的散熱係數相應增大，產生槽內冷卻通道內流體散熱係數 沿軸向的變化。由圖6和圖7所示可知，與現有技術相比，本實用新型使電機的定子鐵心產生了更
4好的散熱效果，它使定子鐵心2平均溫度的降幅達到15°C，進而使轉子體平均溫度的降幅 達到12°C，並進一步使電機的不同位置處，溫度沿軸向的變化幅度減小，定子繞組軸向溫差 降低43%，轉子溫差降低44%，定子鐵心位置溫差降低29%，使電機內溫度分布趨於均勻。
具體實施方式
二 本實施方式與實施方式一的不同之處在於所述定子槽楔2-5的 厚度從槽內冷卻通道的入口側至出口側逐漸增厚。其它組成及連接關係與實施方式一相 同。定子槽楔2-5軸向厚度的變化，可進一步實現槽內冷卻通道軸向的橫截面積的變 化，使冷卻介質能夠產生的冷卻效果進一步加強。
具體實施方式
三下面結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一 或二的不同之處在於它還包括外楔形平溫板3，所述機殼1的內表面與定子鐵心2的外圓表 面之間形成軸向外冷卻通道4，外楔形平溫板3設置於軸向外冷卻通道4內，所述外楔形平 溫板3的厚度從軸向外冷卻通道4的入口側至出口側逐漸增厚。其它組成及連接關係與實 施方式一或二相同。本實施方式中所述繞組2-2纏繞在定子鐵心2徑向的每個定子槽2-1的槽底與相 應的定子軛部。在機殼1與定子鐵心2所形成的軸向外冷卻通道4內，增加了外楔形平溫 板3，並且其厚度從軸向外冷卻通道4的入口側至出口側逐漸增厚，當軸向外冷卻通道4內 通入的冷卻介質的壓力不變時，其流動速度會逐漸變大，散熱係數進而增大，會帶走更多熱 量，進一步增強了對定子鐵心2的散熱效果，使定子鐵心2沿軸向兩端的溫差進一步縮小。外楔形平溫板3的設置，能夠使電機內不同位置的溫度進一步降低。在具體實施 方式一或二的基礎上，定子鐵心和轉子體的平均溫度能夠分別再降低5°C和4°C。同時，電 機不同位置溫度軸向溫差進一減小，與現有技術的冷卻效果相比，定子繞組軸向溫差降低 61%，轉子溫差降低56%，定子鐵心位置溫差降低45%，使電機內溫度分布更趨於均勻。
具體實施方式
四下面結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式三 的不同之處在於所述外楔形平溫板3設置於定子鐵心2的外圓表面上。其它組成及連接關 系與實施方式三相同。外楔形平溫板3的設置位置可以根據電機使用的具體需要進行設計，它能夠使電 機內溫度分布更趨於均勻。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式三的不同之處在於所述外楔形平溫板3 設置於機殼1的內表面上。其它組成及連接關係與實施方式三相同。本實施方式中的外楔形平溫板3的設計同樣能夠使電機內溫度分布更趨於均勻。
權利要求一種高速永磁電機定子平溫冷卻系統，它包括機殼(1)和定子鐵心(2)，定子鐵心(2)罩於機殼(1)內，其特徵在於所述定子鐵心(2)的內圓周上沿圓周方向呈放射狀均勻分布多個定子槽(2 1)，繞組(2 2)纏繞在定子鐵心(2)的定子槽(2 1)內，每個定子槽(2 1)內有一個槽內楔形平溫板(2 3)與繞組(2 2)的槽口側表面相接並與定子槽(2 1)內壁緊密配合，每個定子槽(2 1)的槽口處設置一個定子槽楔(2 5)，所述定子槽楔(2 5)與定子槽(2 1)的槽口處內壁緊密配合，定子鐵心(2)的內圓環處設置冷卻介質密閉環(2 4)，冷卻介質密閉環(2 4)的外環表面與每個定子槽楔(2 5)的槽口外端面緊密相接；每個槽內楔形平溫板(2 3)與其所在的定子槽(2 1)的兩個側壁和一個定子槽楔(2 5)所形成的軸向通道為槽內冷卻通道，所述槽內楔形平溫板(2 3)的厚度從槽內冷卻通道的入口側至出口側逐漸增厚。
2.根據權利要求1所述的高速永磁電機定子平溫冷卻系統，其特徵在於所述定子槽 楔(2-5)的厚度從槽內冷卻通道的入口側至出口側逐漸增厚。
3.根據權利要求1或2所述的高速永磁電機定子平溫冷卻系統，其特徵在於它還包 括外楔形平溫板(3)，所述機殼(1)的內表面與定子鐵心(2)的外圓表面之間形成軸向外冷 卻通道(4)，外楔形平溫板(3)設置於軸向外冷卻通道(4)內，所述外楔形平溫板(3)的厚度 從軸向外冷卻通道(4)的入口側至出口側逐漸增厚。
4.根據權利要求3所述的高速永磁電機定子平溫冷卻系統，其特徵在於所述外楔形 平溫板(3)設置於定子鐵心(2)的外圓表面上。
5.根據權利要求3所述的高速永磁電機定子平溫冷卻系統，其特徵在於所述外楔形 平溫板(3 )設置於機殼(1)的內表面上。
專利摘要高速永磁電機定子平溫冷卻系統，屬於電機技術領域。它解決了現有高速永磁電機的定子通過通入冷卻介質的方式來進行散熱，因冷卻介質在電機冷卻溝道內的溫度變化，使得電機定子鐵心兩端產生較大的溫差的問題。它的定子鐵心罩於機殼內，定子鐵心的內圓周上沿圓周方向呈放射狀均勻分布多個定子槽，繞組纏繞在定子鐵心的定子槽內，每個定子槽內有一個槽內楔形平溫板與繞組的槽口側表面相接並與定子槽內壁緊密配合，每個定子槽的槽口處設置定子槽楔並與定子槽的槽口處內壁緊密配合，冷卻介質密閉環的外環表面與每個定子槽楔的槽口外端面緊密相接；槽內楔形平溫板的厚度從槽內冷卻通道的入口側至出口側逐漸增厚。本實用新型用作高速永磁電機的冷卻。
文檔編號H02K9/197GK201682373SQ20102019264
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者寇寶泉, 張曉晨, 李偉力, 沈稼豐, 王晶, 耿加民 申請人:哈爾濱理工大學