一種用於冷卻電機定子的系統的製作方法
2023-05-13 10:08:11
本發明涉及電機技術領域，尤其涉及一種冷卻系統，具體地，是一種用於冷卻電機定子的系統。
背景技術：
電機在運行時產生的損耗將轉化為熱量，為了使電機的溫度不超過與其絕緣耐熱等級相應的極限溫度以及保證電機安全可靠地運行，應採取冷卻方式使其有效地散熱。因此，電機冷卻系統的設計在電機技術中很重要。
電機冷卻主要是指採用某些冷卻方法和某些介質對電機的定子繞組、轉子繞組以及鐵芯等進行的冷卻。目前來看，常用的電機冷卻方式主要分為空氣冷卻和水冷卻兩種。
空氣冷卻，是指空氣由轉子兩側的風扇吸入，通過所設計的風道排出電機外，並將熱量帶走的方式，其中，熱空氣經電機外的空氣冷卻器冷卻後再送入電機內重複利用。由於空氣的傳熱係數相對較小，因此冷卻效果並不理想。
目前，現有電機所應用的冷卻介質，以水的冷卻能力最強，約為空氣的50倍，冷卻效果顯著，除此以外，水還具有價廉、無毒和不易燃的特點。電機常用的水冷卻系統是直接在電機機殼內開設水道，通過對電機機殼進行冷卻，從而將電機內傳導過來的熱量不斷帶走。電機內部的熱量經由電機定子鐵芯和電機機殼間的間隙，傳導給機殼，然後再由機殼內的水冷卻，將熱量帶走，或者是直接由機殼向外散熱。這樣一來，電機內部熱量傳導有限，不能迅速將電機運行產生的熱量帶走，電機內溫度降不下來，導致電機銅損增加，電機效率降低。
隨著工業和製造業的迅速發展，各行各業對電機功率和輸出扭矩的要求也越來越高，因此，一種更為有效的冷卻方式是目前本領域迫切需要的。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種用於冷卻電機定子的系統，通過對電機內部部件的改進以及新型冷卻系統的增設，旨在顯著提高系統的冷卻效果。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是：
一種用於冷卻電機定子的系統，包括若干冷卻單元和集成管路，其中：
所述若干冷卻單元沿定子鐵芯的軸線方向並列排布於定子鐵芯和機殼之間，每一冷卻單元包括至少一層由若干微型通管並列排布所形成的弧形集合；
所述集成管路包括分別設於定子鐵芯兩端的進液集成環管和出液集成環管，所述進液集成環管通過U型進液管與進液口連接，所述出液集成環管通過U型出液管與出液口連接；
每一所述冷卻單元的兩端分別與所述進液集成環管和出液集成環管貫通連接。
所述進液集成環管、若干冷卻單元和出液集成環管貫通連接，形成電機定子冷卻通道。進一步地，進液口通過所述U型進液管與所述進液集成環管貫通，用於使冷卻液從電機外部流入進液集成環管，進而進入冷卻單元；出液口通過所述U型出液管與出液集成環管貫通，用於使冷卻液從冷卻通道排出電機外部。
進一步地，所述若干冷卻單元均勻設於定子鐵芯和機殼之間，具體地，所述定子鐵芯的外圍圓弧上沿著軸線方向均勻設有若干凹槽，用於裝設所述冷卻單元。
具體地，定子鐵芯上設置的凹槽數量對應於冷卻單元的數量，若干凹槽均勻設於定子鐵芯的外圍。一方面，所述凹槽的深度大於等於所述冷卻單元的高度，優選地，所述冷卻單元裝設在所述凹槽後，最外層微型通管（如果冷卻單元僅有一層微型通管時，最外層微型通管則指此層微型通管；當冷卻單元有兩層以上的微型通管時，最外層微型通管則指最外層的微型通管）的外圍正好貼近機殼的內圈。另一方面，所述凹槽的長度對應於冷卻單元的長度，以恰好容納為優。
考慮到冷卻的均勻性，優選地，每一冷卻單元均為同一規格，即微型通管的層數、數量、橫截面積、長度等參數均一致。
進一步地，每一冷卻單元為兩層由若干微型通管並列排布所形成的弧形集合，其中，內層集合和外層集合疊加設於凹槽中，所述凹槽設於定子鐵芯的外圍圓弧中。
具體地，所述冷卻單元由多根底面截面形狀相同的微型通管平行排列組成，通過焊接排列形成圓弧狀軌跡，從而密切貼服在電機定子鐵芯的凹槽內。
需要說明的是，除了上述優選內容，基於實際應用中的具體電機定子的直徑和規格，本領域根據發明的技術啟示以及技術啟示，可以靈活對冷卻單元以及微型通管的具體情況進行限定。
進一步地，所述進液集成環管沿定子鐵芯和/或機殼的圓弧，貫通連接於所述若干冷卻單元的左端；所述出液集成環管沿定子鐵芯和/或機殼的圓弧，貫通連接於所述若干冷卻單元的右端。優選地，所述進液集成環管和所述出液集成環管平行設定，且兩者的圓心連線與定子鐵芯的軸線重合。
具體地，所述進液集成環管和出液集成環管位於定子鐵芯的軸向兩端，且其分別繞定子鐵芯的外圈一圈，優選由銅或不鏽鋼製成，壁厚為1-2mm，其為連通所有微型通管的中空管，且所有微型通管均沿集成管路的軸向方向並排排布，所述進液集成環管和出液集成環管與微型通管焊接為一體。
進一步地，所述進液集成環管的外側與所述U型進液管的一端貫通連接，所述U型進液管的另一端與設置在機殼外側的進液口貫通連接；所述出液集成環管的外側與所述U型出液管的一端貫通連接，所述U型出液管的另一端與設置在機殼外側的出液口貫通連接。
進一步地，電機前端蓋和電機後端蓋上對應於所述U型進液管和U型出液管，設有容納槽，用於裝設所述U型進液管和所述U型出液管。
進一步地，所述冷卻單元中的若干微型通管的兩端分別與所述進液集成環管和出液集成環管貫通連接。微型通管穿過所述進液集成環管和出液集成環管內部，形成剩餘段。
進一步地，所述若干微型通管的形狀、長度均相同，其中，所述形狀為微型通管的底面截面形狀，包括但不限於圓形、扁圓形、方形以及梯形。優選地，所述形狀為內短外長的弧形梯狀。
具體地，所述微型通管的材料包括但不限於鋁、銅、不鏽鋼以及合金等，優選為銅。
進一步地，U型進液管與進液口，以及U型出液管與出液口的材料不作限定，因為對冷卻效率的影響不大。
進一步地，所述冷卻液可以是水、油等常用的冷卻介質。本發明作為一套獨立的冷卻系統，作為電機內部的冷卻形式，直接對定子進行冷卻，當然，也可以與常用的電機冷卻方式複合使用。進一步地，可以與原有冷卻系統共用冷卻液的進液口和出液口，也可以在電機機殼上單獨開設冷卻液的進液口和出液口。
相對於現有技術，本發明的技術方案除了整體技術方案的改進，還包括很多細節方面的改進，具體而言，具有以下有益效果：
1、本發明所述的冷卻方式可以複合各種現有的常用電機冷卻方式使用，也可以單獨使用作為電機的冷卻系統，通過採用微型通管結構，利用微型且平行排布的管道進行冷卻，其冷卻效果顯著，冷卻系統體積小、質量輕；
2、本發明的技術方案採用微型通管內通各種冷卻介質，安裝在電機定子鐵芯的外側，由於微型通管冷卻通道設置在電機定子鐵芯上，因此冷卻介質可以直接從電機外部進入電機內部，對電機定子鐵芯直接進行冷卻，大大提高了散熱效率，從而提高電機的輸出功率和扭矩；
3、微型通管的直徑小，從而佔用電機定子磁軛部分的體積很小，電機定子的結構基本不變，在對電機電磁性能基本不影響的前提下，提高電機的冷卻效果，相較於傳統的冷卻系統，節約材料並顯著提高了冷卻效果，從而減小電機損耗，保證電機安全可靠地運行；
4、冷卻介質從冷卻液的進液口進入，經冷卻通道流動，直至從出液口排出，相對於電機內部，整個冷卻通道是封閉的，因此，可以採用任意常用的液體冷卻介質，比如水、油等，適用性比較廣；
5、U型進液管和U型出液管的限定，一方面是為了緩衝流速，形成湍流，另一方面是保證冷卻液貫通並充滿整個冷卻系統。
附圖說明
圖1為一種包括本發明所述冷卻系統的電機外形圖。
圖2為一種包括本發明所述冷卻系統的電機內部示意圖。
圖3為一種本發明所述冷卻系統與定子鐵芯相配合的結構示意圖。
圖4為一種配合本發明所述冷卻系統使用的定子鐵芯的結構示意圖。
圖5為一種本發明所述冷卻系統中的定子鐵心衝片的結構示意圖。
圖6為圖5中A部分的結構放大圖。
圖7為一種本發明所述的冷卻系統的立體結構示意圖。
圖8為一種本發明所述的冷卻系統的側面結構示意圖。
圖9為圖8的一種截面實施例的示意圖。
圖10為圖9中B部分的結構放大圖。
圖11為圖8的截面示意圖。
圖12為圖11中C部分的結構放大圖。
圖13為圖8的另外一種截面實施例的示意圖。
圖14為圖13中B'部分的結構放大圖。
圖15為一種配合本發明所述冷卻系統使用的前端蓋的結構示意圖。
圖16為一種配合本發明所述冷卻系統使用的後端蓋的結構示意圖。
圖17為額定工況下電機運行過程中隨著時間變化兩臺電機內各部分的溫度變化對比圖。
圖18為一種傳統永磁同步電機在運行140s時的電機軸向橫截面的溫度示意圖。
圖19為包括本發明所述冷卻系統的永磁同步電機在運行140s時的電機軸向橫截面的溫度示意圖。
附圖標記：
冷卻單元1，微型通管11，剩餘段111；集成管路2，進液集成環管21，出液集成環管22，U型進液管23，U型出液管24，進液口25，出液口26；定子鐵芯3，凹槽31，連接部32，焊接槽321，凸起322；機殼4，電機前端蓋41，電機後端蓋42，容納槽411和421。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
本發明提供了一種用於冷卻電機定子的系統，參照圖1所示的一種包括本發明所述冷卻系統的電機外形圖，圖2所示的一種包括本發明所述冷卻系統的電機內部示意圖以及圖3所示的一種本發明所述冷卻系統與定子鐵芯相配合的結構示意圖，包括若干冷卻單元1和集成管路2，其中：
所述若干冷卻單元1沿定子鐵芯3的軸線方向並列排布於定子鐵芯3和機殼4之間，每一冷卻單元1包括至少一層由若干微型通管11並列排布所形成的弧形集合；
所述集成管路2包括分別設於定子鐵芯3兩端的進液集成環管21和出液集成環管22，所述進液集成環管21通過U型進液管23與進液口25連接，所述出液集成環管22通過U型出液管24與出液口26連接；
每一所述冷卻單元1的兩端分別與所述進液集成環管21和出液集成環管22貫通連接。
在一個實施例中，所述若干冷卻單元1均勻設於定子鐵芯3和機殼4之間，參照圖4所示的一種配合本發明所述冷卻系統使用的定子鐵芯的結構示意圖，所述定子鐵芯3的外圍圓弧中均勻設有若干凹槽31，用於裝設所述冷卻單元1，相鄰凹槽之間設有連接部32，用於連接定子鐵芯3與機殼4，需要說明的是，所述連接部開設有兩處焊接槽321，所述焊接槽321之間的凸起322的寬度優選為至少等於焊接槽的底部寬度，更優選為是至少等於焊接槽的頂部寬度。需要說明的是，兩個焊接槽321有利於定子鐵芯衝片之間焊接得更加牢固可靠，這也是在定子鐵芯3外圍開設有多個凹槽31而無法保證定子鐵芯衝片牢固疊加的情況下，做的技術改進；此外，凸起322的寬度限定也是必要的，因為在定子鐵芯與機殼進行連接的過程中，是採用過盈配合的方式，更寬的凸起對機殼的壓強更小，由此避免出現凸起部分對機殼造成損壞的情況。
所述凹槽31在整個定子鐵心3外圈呈均勻分布，是沿定子鐵心3軸向的通槽，且其槽截面都相同。具體地，參照圖5所示的一種本發明所述冷卻系統中的定子鐵心衝片的結構示意圖和圖6所示的圖5中A部分的結構放大圖，所述凹槽31是由定子鐵芯衝片上的凹槽31疊加而成，具體由定子鐵芯3上線切割或衝模衝出形成的。
在一個實施例中，參照圖7所示的一種本發明所述的冷卻系統的立體結構示意圖以及圖8所示的一種本發明所述的冷卻系統的側面結構示意圖，所述進液集成環管21沿定子鐵芯3和/或機殼4的圓弧，貫通連接於所述若干冷卻單元1的左端；所述出液集成環管22沿定子鐵芯3和/或機殼4的圓弧，貫通連接於所述若干冷卻單元1的右端。所述進液集成環管21的外側與所述U型進液管23的一端貫通連接，所述U型進液管23的另一端與設置在機殼4外側的進液口25貫通連接；所述出液集成環管22的外側與所述U型出液管24的一端貫通連接，所述U型出液管24的另一端與設置在機殼4外側的出液口26貫通連接。冷卻液通過進液口25進入U型進液管23，然後到達進液集成環管21，之後冷卻液流入與所述進液集成環管21並列連接的微型通管內部，在流動過程中同時吸收電機內部的熱量，並匯集到出液集成環管22內，最終通過U型出液管24以及出液口26流出，並將熱量帶走。
需要說明的，U型進液管23和U型出液管24的技術特徵是必要的，在實際應用過程中，由於冷卻液優選地是需要泵體進行抽取的，即冷卻液通過泵體的抽提通過進液口25和U型進液管23，進入進液集成環管21，然後從進液集成環管21分別到達每一冷卻單元1，且具體地，到達每一冷卻單元1中的每一微型通管11中，與此同時，冷卻液與電機內的熱部件進行熱交換，之後冷卻液依次通過出液集成環管22、U型出液管24和出液口26，流出並同時將熱量帶走。由於泵體的加設，冷卻液的流速是比較快的，在其中設置U型進液管23和U型出液管24，一方面是為了緩衝流速，形成湍流，另一方面是保證冷卻液貫通並充滿整個冷卻系統。
參照圖15所示的一種配合本發明所述冷卻系統使用的前端蓋的結構示意圖和圖16所示的一種配合本發明所述冷卻系統使用的後端蓋的結構示意圖，電機前端蓋41和電機後端蓋42上對應於所述U型進液管23和所述U型出液管24，設有容納槽411和421，用於裝設所述U型進液管23和所述U型出液管24。
在一個實施例中，參照圖9所示的圖8的一種截面實施例的示意圖以及圖10所示的圖9中B部分的結構放大圖，冷卻單元1包括一層由若干微型通管11並列排布所形成的弧形集合，所述微型通管的形狀、長度完全相同，且其橫截面的形狀為圓形，此種情況是一種最基本的冷卻單元，單層以及圓形截面。根據具體情況，冷卻單元優選為10-30組，更優選為15-20組。在圖9中，共設有18組冷卻單元。
在另外一個實施例中，參照圖13所示的圖8的另外一種截面實施例的示意圖以及圖14所示的圖13中B'部分的結構放大圖，冷卻單元1包括兩層由若干微型通管11並列排布所形成的雙層弧形集合，所述微型通管的形狀、長度完全相同，且其橫截面的形狀為弧狀梯形，此種情況是一種最優化的冷卻單元，雙層以及內短外長的弧狀梯形（需要說明的是，由於微型通管的橫截面積相對於定子鐵芯的橫截面積來說太小，所以內短為長的弧形弧狀梯形結構不明顯，但是，此橫截面形狀是目前來看最優的情況）。在圖13中，共設有共設有18組冷卻單元，每一組冷卻單元中設有兩層微型通管。
需要說明是，所述冷卻單元中的若干微型通管的兩端分別與所述進液集成環管和出液集成環管貫通連接。一方面，優選地，每一冷卻單元至少包括3個微型通管，最優選地，每一冷卻單元至少包括10個微型通管。另一方面，優選地，所述若干微型通管的形狀、尺寸均相同，其中，所述形狀為微型通管的底面截面形狀包括但不限於圓形、方形以及梯形，更優選地，是當微型通管沿著所述定子鐵芯的部分外圍圓弧，形成緻密的至少一層集合時，即微型通管之間的間隙足夠小，因此，內短外長的弧狀梯形是最佳的。
另外需要說明的是，無論冷卻單元是一層還是兩層，甚至多層，其均設在定子鐵芯外圍的凹槽內。所述凹槽的深度大於等於所述冷卻單元的高度，優選地，所述冷卻單元裝設在所述凹槽後，最外層微型通管（如果冷卻單元僅有一層微型通管時，最外層微型通管則指此層微型通管；當冷卻單元有兩層以上的微型通管時，最外層微型通管則指最外層的微型通管）的外圍正好貼近機殼的內圈。另一方面，所述凹槽的長度對應於冷卻單元的長度，以恰好容納為優。
基於圖9和圖10 給出的實施例，進一步地，參照圖11所示的圖9的截面示意圖以及圖12所示的圖11中C部分的結構放大圖，每個微型通管11均貫通進液集成環管21，而且微型通管11與進液集成環管21之間的連接部位並非圓滑地連接，而是微型通管伸入進液集成環管內一部分，形成剩餘段111，這是考慮到冷卻液在由進液集成環管進入微型通管內的過程中，通過所述剩餘段111的阻礙，造成冷卻液在管路中形成湍流，進而大大提高冷卻效率。
在一個實施例中，微型通管的底面內圈（即不包括微型通管的壁厚）橫截面積為0.008-0.8mm2，微型通管的壁厚為0.1-0.2mm，其中，當微型通管為圓形底面時，其內徑限定為0.1-1.0mm，其圓度不超過±0.03mm。
在對比實施例中，在其它條件相同的情況下，對比設有U型進液管和U型出液管的冷卻系統X1、設有L型進液管和L型出液管的冷卻系統X2以及設有直線型進液管和直線型出液管的冷卻系統X3，發現X1、X2和X3的冷卻效率之間遞減，其中，設有U型進液管和U型出液管的冷卻系統X1的冷卻效果最佳，對應的電機內的各部分的溫度更低。在電機運行120s後，X1對應的機殼、定子和線圈的溫度，與L3相比，至少分別低6℃、6℃和5℃
在對比實施例中，通過實驗對比圖9-10所示的冷卻系統L1和圖13-14所示的冷卻系統L2，在其它情況相同的情況下，L2的冷卻效率更優於L1冷卻效率，對應的電機內的各部分的溫度更低，在電機運行120s後，L2對應的機殼、定子和線圈的溫度，與L1相比，至少分別低8℃、5℃和5℃。另外根據圖11-12所示的連接方式，有剩餘段111的實施例的冷卻效率也優於沒有剩餘段111實施例的冷卻效率。
在對比實施例中，在其它條件相同的情況下，以圖9-10 所示的冷卻系統為模型，其中，一個冷卻系統T1是用鋁合金材料製成的，另外一個冷卻系統T2是用銅金屬製成的，發現冷卻系統T2的冷卻效率優於冷卻系統T1的冷卻效率。根據公式，由於銅的導熱係數為401W/（m.K），而鋁合金導熱係數在200W/（m.K）左右，銅導熱係數是鋁合金導熱係數的兩倍左右，導熱係數的大小表明導熱能力的大小，導熱係數越大，導熱熱阻值相應降低，導熱能力越強，通過優選利用銅作為冷卻系統的主要材料，充分發揮了銅的導熱係數大、傳熱量相對大的優點，利用高導熱係數的金屬材料吸收大量的電機內部熱量，傳導過來的熱量再由微型通管內的冷卻介質帶走。單位時間傳導的熱量公式為： Ф=Aλ(t1-t2)/δ，其中：λ為材料的導熱係數，A為導熱面積，t為溫度，δ為時間，本發明用銅製微型通管2，增大導熱比表面積，單位時間內傳導的熱量增加，從而加快熱量傳導速度。
一個最佳實施例，一種用於冷卻電機定子的系統，包括若干冷卻單元1和集成管路2，其中：
所述若干冷卻單元1沿定子鐵芯3的軸線方向並列排布於定子鐵芯3和機殼4之間，每一冷卻單元1包括兩層由若干微型通管11並列排布所形成的弧形集合，所述微型通管11的底面橫截面積為內短外長的弧狀梯形，
所述集成管路2包括分別設於定子鐵芯3兩端的進液集成環管21和出液集成環管22，所述進液集成環管21通過U型進液管23與進液口25連接，所述出液集成環管22通過U型出液管24與出液口26連接；
每一所述冷卻單元1的兩端分別與所述進液集成環管21和出液集成環管22貫通連接，微型通管11穿過所述進液集成環管21和出液集成環管22內部，形成剩餘段111；
所述冷卻單元1、進液集成環管21和出液集成環管22均由銅金屬製備得到。
參照圖17-19所示，其中，圖17為額定工況下電機運行過程中隨著時間變化兩臺電機內各部分的溫度變化示意圖；圖18為一種傳統永磁同步電機M1在運行140s時的電機軸向橫截面的溫度示意圖；圖19為包括本發明所述冷卻系統的永磁同步電機M2在運行140s時的電機軸向橫截面的溫度示意圖。具體地，圖19所述的冷卻系統是一種用於冷卻電機定子的系統，具體包括若干冷卻單元1和集成管路2，其中：所述若干冷卻單元1沿定子鐵芯3的軸線方向並列排布於定子鐵芯3和機殼4之間，每一冷卻單元1包括一層由若干微型通管11並列排布所形成的弧形集合；所述集成管路2包括分別設於定子鐵芯3兩端的進液集成環管21和出液集成環管22，所述進液集成環管21通過U型進液管23與進液口25連接，所述出液集成環管22通過U型出液管24與出液口26連接；每一所述冷卻單元1的兩端分別與所述進液集成環管21和出液集成環管22貫通連接。可見，配有新型冷卻單元的電機的冷卻效果明顯優於傳統電機的冷卻效果，而且這種冷卻效果體現在具體溫度上，其溫差呈現大幅度增長。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。