高速永磁電機定子冷卻系統的製作方法

2023-07-30 14:34:51

專利名稱：高速永磁電機定子冷卻系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高速永磁電機定子冷卻系統，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。在該類型電機中，一般採用在定子側的密閉腔內通冷卻介質或開域通風的方式來進行散熱，考慮到冷卻系統的結構和安全問題，一般採用的絕緣冷卻介質導熱性能較差，冷卻效果不強，尤其是對轉子產生的散熱作用較小，使得電機內轉子依然會產生較高的溫升，而轉子的溫度過高，就會影響電機內永磁體及整個電機的工作穩定性，同時縮短其使用壽命。


發明內容
本發明為了解決現有高速永磁電機的轉子溫度過高，使電機內永磁體及整個電機的工作穩定性降低的問題，提供了一種高速永磁電機定子冷卻系統。
本發明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，每個定子槽楔與其所在定子槽的兩個側壁及繞組的槽內外表面所形成的軸向通道內設置內冷卻管道，所述多個內冷卻管道的兩個端部分別匯集在一起形成入口和出口。
本發明的優點是本發明應用於高速電機上，在電機工作時，向內冷卻管道內通入冷卻介質，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。它取消了現有電機內的密閉板，使電機內氣隙長度增加，空氣流動的空間增大，進而導熱作用增強。本發明能使現有電機的氣隙長度由1mm增至3mm，當電機轉速為6萬轉每分時，能使空氣的有效導熱係數由現有電機中0.28W/(m*℃)增至0.39W/(m*℃)，這樣大大提高了運動空氣的導熱能力，使轉子側熱量更多地傳遞到定子側。
本發明中加入的內冷卻管道，能避免冷卻介質與定子繞組鐵心等電機部件的直接接觸，由此可以採用水等冷卻性能好的介質對電機進行冷卻。計算分析表明，在相同流體流速下，採用油冷時，本發明技術方案能使電機最高溫升降低10℃；採用水冷時，電機溫度變化更加顯著，在流速為1m/s時，與電機接觸面的散熱係數高達953W/(m*℃)，可使轉子側溫度降低約40℃，有效避免了轉子溫升過高造成的電機內部永磁體的消磁，使電機的整體工作性能穩定性大大提高。



圖1是本發明的結構示意圖，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是本發明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是實施方式一、二、三或四中所述冷卻管道的管內直徑示意圖；圖6是實施方式五中所述冷卻管道的管內直徑變化示意圖；圖7是實施方式六中所述冷卻管道的管內直徑變化示意圖；圖8是實施方式八中所述冷卻管道的管內直徑變化示意圖，圖5至圖8中h代表冷卻管道的管內直徑，L代表冷卻管道的長度；圖9是實施方式一中冷卻介質散熱係數變化的曲線圖；圖10是實施方式五中冷卻介質散熱係數變化的曲線圖；圖11是實施方式六中冷卻介質散熱係數變化的曲線圖；圖12是實施方式八中冷卻介質散熱係數變化的曲線圖；圖13是冷卻管道的管內直徑採用不同技術方案時電機軸向定子繞組溫度變化曲線圖，圖中曲線A為實施方式一中定子繞組溫度變化曲線、曲線B為實施方式五中定子繞組溫度變化曲線、曲線C為實施方式六中定子繞組溫度變化曲線、曲線D為實施方式八中定子繞組溫度變化曲線；圖14是冷卻管道的管內直徑採用不同技術方案時電機軸向轉子溫度變化曲線圖，圖中曲線E為實施方式一中轉子溫度變化曲線、F為實施方式八中轉子溫度變化曲線、G為實施方式六中轉子溫度變化曲線、H為實施方式五中轉子溫度變化曲線。

具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖5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的槽口處設置一個定子槽楔2-3，所述定子槽楔2-3與定子槽2-1的槽口處內壁緊密配合，每個定子槽楔2-3與其所在定子槽2-1的兩個側壁及繞組2-2的槽內外表面所形成的軸向通道內設置內冷卻管道2-4，所述多個內冷卻管道2-4的兩個端部分別匯集在一起形成入口2-5和出口2-6。
本實施方式中繞組2-2纏繞在定子鐵心2的定子槽2-1內，為了通冷卻介質，繞組2-2僅佔所在定子槽2-1的一部分空間，餘下的部分用來放置內冷卻管道2-4。內冷卻管道2-4採用非導電、高導熱的材料製成。
在現有電機的定子冷卻系統中，通常設計隔油環來隔離冷卻介質與定子及轉子，冷卻介質與定子繞組鐵心等電機部件直接接觸，這樣就需要採用絕緣冷卻介質，如變壓器油等。隔油環的製作採用聚醯亞胺薄膜，其導熱係數<1W/(m*℃)，一般為0.3W/(m*℃)。考慮空氣高速旋轉，氣隙中流體為高紊流狀態，經分析空氣導熱係數也只達到0.28W/(m*℃)(一般靜止空氣導熱係數0.02W/(m*℃))。隔油環還造成電機的氣隙長度過小，不利於利用空氣的導熱能力來傳遞轉子側的熱量。本實施方式取消隔油環後加入了內冷卻管道2-4，它增加了冷卻介質在電機內部的密閉性，介質不與繞組等接觸，因此可以採用水、氟利昂等冷卻性能好的冷卻介質，水及氟利昂等的冷卻效果遠高於變壓器油，其高導熱性能可以更有效的冷卻電機。以通水為例，由於水的導熱係數高、運動粘度小，在其流速為1m/s時，與電機的定子接觸面散熱係數達953W/(m*℃)，而在現有技術中通油冷卻時，散熱係數僅為230W/(m*℃)，所以採用本發明技術方案會使電機的冷卻效果大大提高，轉子側溫升降低約40℃，定子電樞繞組溫升降低約30℃。
具體實施方式
二下面結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一的不同之處在於它還包括外冷卻管道排3，所述外冷卻管道排3設置在機殼1與定子鐵心2的外圓表面之間。其它組成及連接關係與實施方式一相同。
外冷卻管道排3可對電機軛部直接進行冷卻，可使電機的溫度進一步降低。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式二的不同之處在於所述冷卻管道排3的輸入口與內冷卻管道2-4的入口2-5相連通，所述冷卻管道排3的輸出口與內冷卻管道2-4的出口2-6相連通。其它組成及連接關係與實施方式二相同。
將外冷卻管道排3與內冷卻管道2-4的端部用匯流排匯集一起，形成一個整體循環的冷卻系統，一方面減少了冷卻系統的輔助動力設備和冷卻管道在電機內部的連接設備，提高了冷卻系統的密閉可靠性；另一方面，部分增加了外冷卻管道排3與內冷卻管道2-4在電機內部的長度，可以更加有效發揮冷卻作用，特別是對於定子繞組端部，冷卻效果更加顯著。
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二或三的不同之處在於所述外冷卻管道排3中的每一個管道在機殼1與定子鐵心2的外圓表面之間沿軸向方向相鄰排列。其它組成及連接關係與實施方式二或三相同。
本實施方式中外冷卻管道排3與內冷卻管道2-4的共同作用下，能使電機定子鐵心2的溫度降低30℃。同時，由於定子溫度的降低，轉子熱量能夠向定子更多的傳遞，分析表明，與實施方式一的技術方案相比，本實施方式可使轉子側溫度再降低10℃。轉子側工作溫度的降低可使永磁體工作性能更加穩定，並延長電機壽命。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式四的不同之處在於所述內冷卻管道2-4和外冷卻管道排3中的每一個管道沿軸向方向均分為兩段，即入口段和出口段，出口段管內直徑為入口段管內直徑的二分之一。其它組成及連接關係與實施方式四相同。
具體實施方式
六本實施方式與實施方式四的不同之處在於所述內冷卻管道2-4和外冷卻管道排3中的每一個管道沿軸向方向均分為三段，即入口段、中間段和出口段，中間段管內直徑為入口段管內直徑的四分之三，出口段管內直徑為入口段管內直徑的二分之一。其它組成及連接關係與實施方式四相同。
具體實施方式
七本實施方式與實施方式四的不同之處在於所述內冷卻管道2-4和外冷卻管道排3中的每一個管道沿軸向方向的管內直徑線性縮小。其它組成及連接關係與實施方式四相同。
具體實施方式
八本實施方式與實施方式七的不同之處在於所述內冷卻管道2-4和外冷卻管道排3的出口處管內直徑為入口處管內直徑的二分之一。其它組成及連接關係與實施方式七相同。
將上述各實施方式與圖5至圖14結合可以看出，在冷卻管道的橫截面積發生變化位置，流體散熱係數發生突變，散熱係數分布曲線出現拐點。在保持冷卻介質流量不變的情況下，隨著流體通過處橫截面積的減小，冷卻介質的散熱係數相應增大。
採用變直徑的冷卻管道時，電機內不同位置處的溫度均不同程度降低，如表1所示，其中定子鐵心和轉子體溫度的平均降幅分別達到15℃和12℃。同時，電機不同位置溫度沿軸向變化幅度減小，定子繞組軸向溫差降低43%，轉子軸向溫差降低44%，定子鐵心位置軸向溫差降低29%，電機內溫度分布趨於均勻。

由此看出，通過合理設計，在冷卻管道的軸向不同位置處減小冷卻管道的直徑，在冷卻介質流量不變的情況下可以有效增加冷卻介質的散熱能力，並使得電機內溫度分布趨於均勻。
具體實施方式
九本實施方式與實施方式二或三的不同之處在於所述外冷卻管道排3為圓環形，外冷卻管道排3中的每一個管道在機殼1與定子鐵心2的外圓表面之間沿圓周方向相鄰排列。其它組成及連接關係與實施方式二或三相同。
本實施方式可有效增加外冷卻管道排3在電機內部的長度，從而增強冷卻介質的散熱作用；同時，呈圓周向分布的外冷卻管道排3與內冷卻管道2-4形成網格交叉冷卻布局，可使電機定子溫度分布更趨均勻。
權利要求
1.一種高速永磁電機定子冷卻系統，它包括機殼(1)和定子鐵心(2)，定子鐵心(2)罩於機殼(1)內，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，其特徵在於每個定子槽(2-1)的槽口處設置一個定子槽楔(2-3)，所述定子槽楔(2-3)與定子槽(2-1)的槽口處內壁緊密配合，每個定子槽楔(2-3)與其所在定子槽(2-1)的兩個側壁及繞組(2-2)的槽內外表面所形成的軸向通道內設置內冷卻管道(2-4)，所述多個內冷卻管道(2-4)的兩個端部分別匯集在一起形成入口(2-5)和出口(2-6)。
2.根據權利要求1所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於它還包括外冷卻管道排(3)，所述外冷卻管道排(3)設置在機殼(1)與定子鐵心(2)的外圓表面之間。
3.根據權利要求2所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述冷卻管道排(3)的輸入口與內冷卻管道(2-4)的入口(2-5)相連通，所述冷卻管道排(3)的輸出口與內冷卻管道(2-4)的出口(2-6)相連通。
4.根據權利要求2或3所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述外冷卻管道排(3)中的每一個管道在機殼(1)與定子鐵心(2)的外圓表面之間沿軸向方向相鄰排列。
5.根據權利要求4所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述內冷卻管道(2-4)和外冷卻管道排(3)中的每一個管道沿軸向方向均分為兩段，即入口段和出口段，出口段管內直徑為入口段管內直徑的二分之一。
6.根據權利要求4所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述內冷卻管道(2-4)和外冷卻管道排(3)中的每一個管道沿軸向方向均分為三段，即入口段、中間段和出口段，中間段管內直徑為入口段管內直徑的四分之三，出口段管內直徑為入口段管內直徑的二分之一。
7.根據權利要求4所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述內冷卻管道(2-4)和外冷卻管道排(3)中的每一個管道沿軸向方向的管內直徑線性縮小。
8.根據權利要求7所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述內冷卻管道(2-4)和外冷卻管道排(3)的出口處管內直徑為入口處管內直徑的二分之一。
9.根據權利要求2或3所述的高速永磁電機定子冷卻系統，其特徵在於所述外冷卻管道排(3)為圓環形，外冷卻管道排(3)中的每一個管道在機殼(1)與定子鐵心(2)的外圓表面之間沿圓周方向相鄰排列。
全文摘要
高速永磁電機定子冷卻系統，屬於電機技術領域。它解決了現有高速永磁電機的轉子溫度過高，使電機內永磁體及整個電機的工作穩定性降低的問題。它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，每個定子槽楔與其所在定子槽的兩個側壁及繞組的槽內外表面所形成的軸向通道內設置內冷卻管道，所述多個內冷卻管道的兩個端部分別匯集在一起形成入口和出口。本發明用作高速永磁電機的冷卻。
文檔編號H02K9/197GK101814797SQ20101018082
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者李偉力, 張曉晨, 寇寶泉, 耿加民, 曹君慈, 沈稼豐 申請人:哈爾濱理工大學