利於散熱的大型電機定子通風槽鋼結構的製作方法

2023-09-23 08:50:00 1

本發明涉及一種利於散熱的大型電機定子通風槽鋼結構，具體涉及一種電機定子徑向通風系統，屬於電機通風技術領域。

背景技術：

對於採用徑向通風系統的大型電機，電機定子部分的損耗主要通過徑向通風溝冷卻空氣流動向外散熱。但是，當冷卻氣體通過徑向通風溝時，由於風路截面突然變窄，流速變大；當冷卻氣體從定子線棒尾部流出時，由於定子線棒兩側的氣體與定子線棒尾部的氣體流速相差很大，造成定子線圈尾部形成渦流，渦流中間部位風速極小，嚴重影響定子線圈尾部的散熱。如果電機的通風結構設計不合理，導致電機局部溫升過高或不均勻，嚴重影響電機的使用壽命。

在電機徑向通風系統中，通風槽鋼一般採用直線型、V型及多轉折結構。中國專利號為201220141957.4所述的的直線型定子通風槽鋼，雖然結構簡單，但是不能改變定子徑向通風溝內氣流方向，定子線圈尾部渦流損耗大；中國專利號為201520770017.5所述的V型定子通風槽鋼，雖然可以改變定子風路流向，但是存在風路流向不均衡、定子整體溫度較高；中國專利號201410835452.1所述的多轉折結構的通風槽鋼，由於其轉折結構，其結構不光滑，冷卻氣體在通風溝內風磨損耗較大，散熱效果不佳。另外，無論是直線型槽鋼、V型槽鋼還是多轉折結構的通風槽鋼，截面均為方型，方型通風槽鋼機械性能較差，且通風溝內的風磨損耗較大，不利於定子部分通風散熱。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種既能改變風路流向、又能減小風磨損耗的定子通風槽鋼。

本發明的技術解決方案為：利於散熱的大型電機定子通風槽鋼結構，主要包括分段定子鐵心(1)、徑向通風溝(2)及通風槽鋼(3)，其中分段定子鐵心(1)沿軸向分布，其段數n由定子鐵心(1)的外徑確定，為n＝D/55～D/50，D為電機定子鐵心外徑，相鄰的分段定子鐵心(1)之間為徑向通風溝(2)，其由沿圓周分布的通風槽鋼(3)形成，徑向通風溝(2)的軸向寬度Ld與電機定子鐵心(1)外徑D與軸向長度Lfe有關，Ld＝(0.1D+0.3Lfe)/55～(0.2D+0.1Lfe)/35，定子鐵心(1)包括定子齒(4)和定子槽(5)，相鄰的分段定子鐵心(1)的定子齒(4)和定子槽(5)在軸向上一一對應，定子槽(5)內放置有繞組，通風槽鋼(3)安裝在相鄰分段定子鐵心(1)的定子齒(4)之間，所述通風槽鋼(3)採用矩形截面直線型槽鋼和工字形截面流線型槽鋼，且相鄰分段定子鐵心(1)的每個定子齒之間放置三根長度各不相等的槽鋼，即兩根矩形截面直線型槽鋼和一根工字形截面流線型槽鋼，所述的矩形截面直線型槽鋼截面採用矩形，呈直線形式延伸，矩形截面直線型槽鋼寬度為L1，L1與定子齒寬bt有關，存在以下關係：L1＝bt/3～bt/2，矩形截面直線型槽鋼的截面寬度為L2，L2與矩形截面直線型槽鋼寬度L1有關，存在以下關係：L2＝L1，截面厚度L3與通風溝軸向寬度Lt有關，存在以下關係：L3＝Lt；所述工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4，其大小與定子齒寬bt有關，L4＝2bt/5～bt/2，工字形截面流線型槽鋼腳板厚度L6與通風溝軸向寬度Ld有關，為L6＝Ld/10～Ld/7，工字形截面流線型槽鋼腹板寬L7，其大小與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4有關，為L7＝L4/3～L4/2，工字形截面流線型槽鋼截面厚度為L5，其大小與通風溝軸向寬度Ld有關，即L5＝Ld，工字形角度β與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4及工字形截面流線型槽鋼厚度L5有關，根據優化設計，其中工字形角度β為工字形截面流線型槽鋼工字形截面橫邊與斜邊之間的夾角。工字形截面流線型槽鋼寬度L8，L8與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4有關，L8＝L4，工字形截面流線型槽鋼彎曲距離r及彎曲角度θ與定子齒寬bt及定子齒高hs有關，即r＝bt/6～bt/3，其中彎曲距離r為工字形截面流線型槽鋼最大彎曲點與相鄰兩個彎曲中點之間的徑向距離，彎曲角度θ為相鄰兩個彎曲之間中點處的切線與相鄰兩個彎曲中點連線之間的夾角。

所述相鄰分段定子鐵心(1)的每個定子齒(4)之間放置長、中、短三根槽鋼，其中，長槽鋼和短槽鋼為矩形截面直線型槽鋼，中槽鋼為工字形截面流線型槽鋼，其中工字形截面流線型槽鋼由五個彎曲組成。各槽鋼直線長度與電機定子鐵心外徑D及定子齒高hs有關，其中長槽鋼直線長度Ls1＝0.13(D-2hs)～0.18(D-2hs)，中槽鋼直線長度Ls2＝0.1(D-2hs)～0.15(D-2hs)，短槽鋼直線長度Ls3＝0.09(D-2hs)～0.11(D-2hs)，在槽鋼近軸端，三根槽鋼距離鐵心邊緣距離均為ht1，長度為7mm～10mm，中間位置的工字形截面流線型槽鋼與兩邊的矩形截面直線型槽鋼最大距離和最小距離分別為為ht2和ht3，ht2和ht3大小與流線型槽鋼彎曲距離r、矩形截面直線型槽鋼寬度L1及工字形截面流線型槽鋼寬度L8均有關，為ht2＝0.3L1+r-0.2L8～0.8L1+r-0.6L8，ht3＝0.5L1+0.8r-0.7L8～0.5L1-0.6r+0.12L8，短槽鋼中心位置與近側齒邊距離bt1與長槽鋼中心位置與近側齒邊距離bt4相等，與工字形截面流線型槽鋼截面厚度L5及定子齒寬bt均有關，為bt1＝bt4＝0.19bt+0.11L5～0.6bt-0.65L5，中槽鋼中心距離短槽鋼中心距離bt2與距離長槽鋼的中心距離bt3相等，且該距離與工字形截面流線型槽鋼截面厚度L5、定子齒寬bt及工字形截面流線型槽鋼彎曲距離r均有關，為bt2＝bt3＝0.5bt-0.3L5-0.6r～0.5bt-0.45L5+0.2r，整體上，各槽鋼按周期分布於整個徑向通風溝內，以三個齒為一個周期，在一個周期內的三齒上，槽鋼優選安裝方式按順時針方向依次為「矩形截面直線型長槽鋼」、「工字形截面流線型中槽鋼」、「矩形截面直線型短槽鋼」、「矩形截面直線型長槽鋼」、「工字形截面流線型中槽鋼」、「矩形截面直線短槽鋼」、「矩形截面直線型短槽鋼」、「工字形截面流線型中槽鋼」、「矩形截面直線型長槽鋼」。

本發明與現有技術相比的優點在於：本發明所述的通風系統與現有技術相比具有以下效果：所發明的矩形截面槽鋼加工方便，但是不能改變通風道內冷卻氣體的流動方向，通過將矩形截面槽鋼與工字形截面流線型槽鋼有效結合，不但有效降低線圈尾部渦流損耗，而且通風溝內風磨損耗大大降低，另外，通過改變槽鋼數量及長短分布，使電機散熱效果增強，且電機散熱效率增加15％左右。

附圖說明

圖1為電機定子鐵心通風結構示意圖；

圖2為電機定子徑向通風溝結構放大圖；

圖3為矩形截面直線型槽鋼整體結構示意圖；

圖4為工字形截面流線型槽鋼整體結構示意圖；

圖5為工字形截面流線型槽鋼俯視圖和左視圖，其中圖5a為工字形截面流線型槽鋼俯視圖，圖5b為其左視圖；

圖6為定子齒間安裝三根長短不等槽鋼局部放大圖；

圖7為圖6中A部分放大圖；

具體實施方式

下面根據附圖詳細闡述本發明優選的實施方式。

本實施例涉及的電機參數：定子鐵心外徑D＝1260mm，Lfe＝1340mm，定子齒寬bt＝19.3mm，定子齒高hs＝81.4mm。如圖1所示，本發明所述利於散熱的大型電機定子通風槽鋼結構，主要包括分段定子鐵心(1)、徑向通風溝(2)及通風槽鋼(3)，其中分段定子鐵心(1)沿軸向分布，其段數n由定子鐵心(1)的外徑確定，為n＝D/55～D/50，D為電機定子鐵心外徑，相鄰的分段定子鐵心(1)之間為徑向通風溝(2)，其由沿圓周分布的通風槽鋼(3)形成，徑向通風溝(2)的軸向寬度Ld與電機定子鐵心(1)外徑D與軸向長度Lfe有關，Ld＝(0.1D+0.3Lfe)/55～(0.2D+0.1Lfe)/35，定子鐵心(1)包括定子齒(4)和定子槽(5)，相鄰的分段定子鐵心(1)的定子齒(4)和定子槽(5)在軸向上一一對應，定子槽(5)內放置有繞組，通風槽鋼(3)安裝在相鄰分段定子鐵心(1)的定子齒(4)之間，經過優化設計，可得分段定子鐵心的段數n＝22.9～25.2，優選24，徑向通風溝的軸向長度Ld＝9.6mm～11mm，優選10mm。

現有電機定子通風槽鋼結構單一，風磨損耗大，通風效果不佳，且沒有充分考慮槽鋼對冷卻氣體的導流作用。為了更好提高通風效果，降低線圈尾部渦流損耗，本發明所述電機採用矩形截面直線型槽鋼和工字形截面流線型槽鋼，且相鄰分段定子鐵心(1)的每個定子齒之間放置三根長度各不相等的槽鋼，即兩根矩形截面直線型槽鋼，一根工字形截面流線型槽鋼，其三維結構示意圖如圖2所示，下面對這兩種槽鋼分別進行描述。

所述的矩形截面直線型槽鋼(3)截面採用矩形，呈直線形式延伸，如圖3所示。矩形截面直線型槽鋼寬度為L1，L1與定子齒寬bt有關，存在以下關係：L1＝bt/3～bt/2，即L1＝6.43mm～9.65mm，優選8.7mm。矩形截面直線型槽鋼截面為矩形，截面寬度為L2，L2與矩形截面直線型槽鋼寬度L1有關，存在以下關係：L2＝L1，即L2＝8.7mm，截面厚度L3與通風溝軸向寬度Ld有關，存在以下關係：L3＝Ld，即L3＝10mm。

工字形截面流線型槽鋼整體結構如圖4所示，為了清楚描述該槽鋼結構，取工字形截面流線型槽鋼俯視圖及左視圖為分析對象，如圖5所示，其中圖5a為工字形截面流線型槽鋼俯視圖，圖5b為工字形截面流線型槽鋼左視圖。所述工字形截面流線型槽鋼截面如圖5a所示，工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4，其大小與定子齒寬bt有關，L4＝2bt/5～bt/2，即L4＝7.72mm～9.65mm，優選8.3mm，工字形截面流線型槽鋼腳板厚度L6與通風溝軸向寬度Ld有關，為L6＝Ld/10～～Ld/7，即L6＝0.96mm～1.57mm，優選為1.2mm，工字形截面流線型槽鋼腹板寬L7，其大小與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4有關，為L7＝L4/3～L4/2，即L7＝2.57mm～4.82mm，為了節省材料又保證工字形截面流線型槽鋼的機械性能，L7優選為4mm，工字形截面流線型槽鋼截面厚度為L5，其大小與通風溝軸向寬度Ld有關，即L5＝Ld，則L5＝10mm.工字形角度β與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4及工字形截面流線型槽鋼厚度L5有關，根據優化設計，則β＝25.73°～38.78°，為了減小通風道內風磨損耗，β優選為36°，其中工字形角度β為工字形截面流線型槽鋼工字形截面橫邊與斜邊之間的夾角。工字形截面流線型槽鋼(如圖5b左視圖所示)寬度L8，L8與工字形截面流線型槽鋼腳板寬L4有關，L8＝L4，即L8＝8.3mm。工字形截面流線型槽鋼彎曲距離r及彎曲角度θ與定子齒寬bt及定子齒高hs有關，即r＝bt/6～bt/3，則r＝3.2mm～6.5mm，優選4mm，θ＝14.7°～27.8°，優選17°，其中圖5b中W所示部分表示槽鋼的一個彎曲，彎曲距離r為工字形截面流線型槽鋼最大彎曲點與相鄰兩個彎曲中點之間的徑向距離，彎曲角度θ為相鄰兩個彎曲之間中點處的切線與相鄰兩個彎曲中點連線之間的夾角，該設計在減小線圈尾部渦流損耗的同時保證了最大通風散熱效果。

為了進一步提高定子的通風效果，本發明所述相鄰分段定子鐵心(1)的每個定子齒(4)之間放置長、中、短三根槽鋼，如圖6所示，其中，長槽鋼和短槽鋼為矩形截面直線型槽鋼，中槽鋼為工字形截面流線型槽鋼，其中工字形截面流線型槽鋼由五個彎曲組成。各槽鋼直線長度與電機定子鐵心外徑D及定子齒高hs有關，其中長槽鋼直線長度Ls1＝0.13(D-2hs)～0.18(D-2hs)，中槽鋼直線長度Ls2＝0.1(D-2hs)～0.15(D-2hs)，短槽鋼直線長度Ls3＝0.09(D-2hs)～0.11(D-2hs)，即Ls1＝142.6mm～197.5mm，優選164mm，Ls2＝109.8mm～164.7mm，優選128mm，Ls3＝98.7mm～120.7mm，優選106mm。各槽鋼安裝於通風溝內各齒上，每個齒上安放三根槽鋼，槽鋼整體沿徑向方向延伸。圖7為圖6中A部分的放大圖，三條槽鋼分別由a、b及c表示，其中a和c表示矩形截面直線型短槽鋼和矩形截面直線型長槽鋼，b表示工字形截面流線型中槽鋼。在槽鋼近軸端，槽鋼距離鐵心邊緣距離為ht1，長度為7mm～10mm，優選8.5mm，中間位置的工字形截面流線型槽鋼b與矩形截面直線型槽鋼a最大距離和最小距離分別為為ht2和ht3，ht2和ht3大小與工字形截面流線型槽鋼彎曲距離r、矩形截面直線型槽鋼寬度L1及工字形截面流線型槽鋼寬度L8均有關，通過優化設計可得，ht2＝0.3L1+r-0.2L8～0.8L1+r-0.6L8，ht3＝0.5L1+0.8r-0.7L8～0.5L1-0.6r+0.12L8，即ht2＝4.95mm～5.98mm，優選5.04mm，ht3＝1.34mm～2.95mm，優選1.62mm，同理，中間位置的工字形截面流線型槽鋼b與矩形截面直線型槽鋼c最大距離和最小距離與上述相等，不再贅述。a槽鋼中心位置與近側齒邊距離(圖7中bt1)與c槽鋼中心位置與近側齒邊距離(圖7中bt4)相等，其距離與工字形截面流線型槽鋼截面厚度L5及定子齒寬bt均有關，即bt1＝bt4＝0.19bt+0.11L5～0.6bt-0.65L5，即bt1＝bt4＝4.55mm～6.38mm，優選4.64mm；b槽鋼中心距離a槽鋼中心距離(圖7中bt2)與距離c槽鋼的中心距離(圖7中bt3)相等，且該距離與工字形截面流線型槽鋼截面厚度L5、定子齒寬bt及工字形截面流線型槽鋼彎曲距離r均有關，bt2＝bt3＝0.5bt-0.3L5-0.6r～0.5bt-0.45L5+0.2r，即bt2＝bt3＝4.85mm～7.65mm，優選5.01mm。整體上，各槽鋼按周期分布於整個徑向通風溝內，以三個齒為一個周期，在一個周期內的三齒上，槽鋼優選安裝方式按順時針方向依次為「164mm矩形截面直線型長槽鋼」、「128mm工字形截面流線型中槽鋼」、「106mm矩形截面直線型短槽鋼」、「164mm矩形截面直線型長槽鋼」、「128mm工字形截面流線型中槽鋼」、「106mm矩形截面直線短槽鋼」、「106mm矩形截面直線型短槽鋼」、「128mm工字形截面流線型中槽鋼」、「164mm矩形截面直線型長槽鋼」，槽鋼分布如上述圖6所示。該設計對通風道內冷卻氣體具有很好的導流效果，且定子線圈尾部渦流損耗明顯減小，電機散熱率提高15％左右。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護並不局限於此，本領域技術人員在不改變原理的情況下，做出的任何無實質變化的改進也應視為本發明的保護範圍。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。