一種電機定子冷卻結構及具有該結構的開關磁阻電機的製作方法
2023-10-22 23:24:28
本發明屬於電機冷卻技術領域，具體涉及一種電機的定子冷卻結構以及具有該冷卻結構的定子模塊化開關磁阻電機。
背景技術：
開關磁阻電機具有結構簡單、成本低、容錯性能好、啟動轉矩大及調速範圍廣等優點，而且其轉子只有矽鋼片，適合高速運行，主要熱量集中在定子上，便於冷卻，在電動汽車和電動工具等領域具有廣泛應用。
定子模塊化開關磁阻電機是一種新型開關磁阻電機，其除了具有傳統開關磁阻電機的優點，還具有其他傳統開關磁阻電機所不具備的優勢。由於定子鐵心採用分塊化設計，因此具有繞線簡單、便於安裝及拆卸維修、容錯性高等特點。其定子鐵心一般設計成單個分塊的U型及E型結構，實現了結構上的隔離及物理上的解耦，因此相對於普通電機具有更強的容錯能力，當單個鐵心模塊上的繞組發生故障時，可僅更換和維修故障模塊，因此節省了後期運行維護成本。另外其磁路在鐵心塊中具有單向性，因此可以降低鐵耗，提高電機效率。由於這些優點，這種新型電機引起了廣大學者的研究興趣，在航空啟動發電機、電動汽車、醫用腎透析儀等領域具有廣闊的應用前景。
但是，開關磁阻電機(包括定子模塊化開關磁阻電機)相比於永磁電機，由於其轉矩脈動和振動噪聲大，效率和功率密度低，其廣泛應用還受到一定限制，特別是對於對電機空間重量要求很高的場合，如航空啟動發電機和電動汽車電機等，提升開關磁阻電機的功率密度顯得極為重要。這就需要採取高效的冷卻結構或者冷卻方式來提升電機的熱性能，從而提高其電密和熱負荷，達到提升轉矩和功率的目的。
電機的繞組往往是電機發熱最為嚴重的部位，特別是對於開關磁阻電機，繞組銅耗所佔的比例更大，降低繞組溫升將會有效提升電機的壽命、效率及功率等級。目前，由於空間和重量的限制，高功率密度定子模塊化開關磁阻電機一般在定子鐵心外部採用圓環形水套對電機進行冷卻，如圖1所示，在機殼中設置直槽或螺旋水道，定子中繞組產生的熱量先通過熱傳導方式傳到定子齒和軛部，然後由鐵心傳到水套中由水帶走。另外，在模塊化定子之間設置結構填充物，來固定夾緊定子鐵心。
但是，上述採用圓環形機殼中設置水道的形式冷卻電機，其繞組熱源相對於水套冷源較遠，需要通過鐵心齒部和軛部的傳導作用，這種結構，繞組中心溫度和鐵心齒部溫度都可能較高，因此冷卻效果有限，特別是對於超高功率密度的電機，繞組熱量很難散失到冷卻介質中。並且，其中的定子模塊之間的結構填充物與定子模塊的安裝配合工藝複雜。
為克服上述問題，現有技術中出現了採用槽內水管對電機進行冷卻的技術方案。如圖2所示，該方案中水管布置在槽口或者兩個繞組線圈邊之間，槽內水管的材料一般為導熱性能較好的不鏽鋼或者銅。這種冷卻方式冷卻水與繞組熱源損耗更近，因此具有很好的冷卻效果。
儘管該方案採用槽內水管冷卻具有很好的冷卻效果，但是在實際應用中並不廣泛，因為具有以下缺點：(1)水管材料為具有高導電率的銅或者不鏽鋼，在槽漏磁的作用下，特別是槽口布置處的水管，其水管壁中可能會產生比較大的渦流損耗，降低了電機的效率。(2)槽內水管佔據了一定的槽面積，所能放置繞組導線的面積減小了，因此降低了電機槽滿率，相同電流下，電機銅耗增大，這個在一定程度上抵消了槽內水管所能帶來的冷卻效果。(3)這種冷卻方式結構比較複雜，特別是端部水管的連接工藝複雜，此外，水管連接還有密封洩漏的問題。(4)依然存在定子模塊之間的結構填充物與定子模塊的安裝配合工藝複雜的問題。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種電機定子冷卻結構以及具有該冷卻結構的電機，通過優化的結構設計，使得其不僅可以對繞組進行很好的冷卻，解決目前電機繞組冷卻效果差的問題，而且其同時便於定子模塊的安裝，使得電機的模塊化定子安裝及固定簡單可靠，而且具有減震降噪的功能。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種電機冷卻結構，用於冷卻介質在其內流動以實現對具有模塊化定子的電機的繞組的冷卻，其特徵在於，該冷卻結構包括：
電機環形殼體內壁上向內凸起形成的多個水套齒以及設置在電機殼體內各水套齒之間的以將各水套齒連通的冷卻介質流道，其中，
各水套齒沿周向間隔布置且各水套齒之間用於嵌入所述模塊化定子，該模塊化定子兩端的定子齒與對應的水套齒側面抵接，軛部在與電機殼體內壁接觸的表面開有條形凹槽，使之與電機殼體內壁之間形成有空隙，繞組線圈纏繞在各定子兩齒之間的齒槽上且繞組線圈的一邊在定子槽內，另一邊在所述空隙內；
所述水套齒內部為空腔，電機殼體內位於各水套齒兩側的所述冷卻介質流道通過該空腔連通，且所述空腔內設置有從電機殼體突出並伸入空腔中的水道擋板，該水道擋板頂部和兩側面分別與所述空腔內壁頂部和空腔兩側內壁面均對應間隔一定距離，從而形成沿空腔內壁的流道並與水套齒兩側的冷卻介質流道相通，使得冷卻介質可沿所述冷卻介質流道及各水套齒內的流道在電機殼體內流動，實現對繞組和定子鐵心的冷卻。
作為本發明的進一步優選，所述水套齒側面與模塊化定子的側面匹配，從而使得所述模塊化定子可方便安裝於其中。
作為本發明的進一步優選，所述冷卻介質流道在軸向上為並列排布的多條間隙，各條之間通過隔離筋隔離。
作為本發明的進一步優選，所述嵌套在水套齒之間的定子在軸向上通過壓條壓緊固定在殼體上。
作為本發明的進一步優選，所述水道擋板沿殼體軸向上的側面上設置有安裝孔，對應水套齒在相應位置上也設置有孔，所述壓條通過該安裝孔與所述水道擋板固定。
按照本發明的另一方面，提供一種具有模塊化定子的電機，其包括環狀殼體、設置在殼體內壁上的呈環形布置的多個模塊化定子、以及同心套設在所述模塊化定子形成的環形空間內的轉子，其中，
所述殼體內壁周向上具有多個向內凸起形成的水套齒，殼體內的各水套齒之間開設有用以將各水套齒連通的冷卻介質流道，
所述模塊化定子嵌入設置在各水套齒之間，模塊化定子兩端的定子齒與對應的水套齒側面抵接，軛部在與電機殼體內壁接觸的表面開有條形凹槽，使之與電機殼體內壁之間形成有空隙，繞組線圈纏繞在定子兩齒之間的齒槽上且繞組線圈的一邊在定子槽內，另一邊在所述空隙內；
所述水套齒內部為空腔，水套齒兩側的所述冷卻介質流道通過該空腔連通，且所述空腔內設置有從電機殼體突處並伸入空腔中的水道擋板，該水道擋板頂部和兩側面分別與所述空腔內壁頂部和空腔兩側內壁面均對應間隔一定距離，從而形成沿空腔內壁的流道並分別與水套齒兩側的冷卻介質流道相通，使得冷卻介質可沿所述冷卻介質流道及各水套齒內的流道在電機殼體內流動，從而實現對繞組和定子鐵心的冷卻。
作為本發明的進一步優選，所述水套齒側面與模塊化定子的側面匹配，從而使得所述模塊化定子可方便安裝於其中。
作為本發明的進一步優選，所述冷卻介質流道在軸向上為並列排布的多條間隙，各條之間通過隔離筋隔離。
作為本發明的進一步優選，所述嵌套在水套齒之間的定子在軸向上通過壓條壓緊固定在殼體上。
作為本發明的進一步優選，所述水道擋板沿殼體軸向上的側面上設置有安裝孔，對應水套齒在相應位置上也設置有孔，所述壓條通過該安裝孔與所述水道擋板固定。
作為本發明的進一步優選，所述具有模塊化定子的電機為開關磁阻電機。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
(1)本發明的冷卻結構能夠將水引入到電機齒部周圍，並且繞組的上層邊與水套接觸緊密，保證了鐵心、繞組等熱源與冷卻介質的良好接觸，熱源到冷卻介質的距離小，熱阻小，並且具有很大的接觸面積，因此具有很好的冷卻效果，可以有效降低電機繞組和齒部的溫升，大大提升電機的功率密度；
(2)本發明的冷卻結構中設置的水道隔離筋、分離板結構可以使水流能夠按照冷卻需要進行流動，並且保證了水套整體的機械強度；
(3)本發明的冷卻結構中的水套齒設置使得鐵心模塊可以直接插入到殼體上，並且與水套齒配合良好，解決了鐵心模塊定位固定的問題，簡化了鐵心模塊的安裝工藝，降低了成本；
(4)本發明的冷卻結構中的鐵心壓條在兩端壓緊鐵心，可以避免鐵心齒部由於軛部焊接而引起的變形，緊固了整體機械結構，具有潛在的減震降噪的效果。
(5)本發明的冷卻結構鐵心端部使用鐵心壓條壓緊，緊固了電機整體機械結構，減少了鐵心齒部變形，可以達到減震降噪的目的。
附圖說明
圖1為現有技術中的一種定子模塊化開關磁阻電機的冷卻結構示意圖；
圖2為現有技術中的另一種定子模塊化開關磁阻電機的冷卻結構示意圖；
圖3為本發明實施例的定子模塊化開關磁阻電機及其冷卻結構的結構示意圖；
圖4為本發明實施例的定子模塊化開關磁阻電機的冷卻結構立體結構示意圖；
圖5為本發明實施例的定子模塊化開關磁阻電機的立體結構示意圖；
圖6為本發明實施例的定子模塊化開關磁阻電機中的定子壓條結構示意圖；
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-冷卻水套，2-模塊化定子鐵心齒部，3-模塊化定子鐵心軛部，4-水套入口，5-水套出口，6-轉子鐵心，7-環形繞組線圈上層邊，8-環形繞組線圈下層邊，9-普通水套，10-普通繞組線圈，11-結構填充物，12-機殼，13-槽內水管，14-鐵心壓條，15-環形繞組，16-冷水匯集腔，17-熱水匯集腔，18-水道隔離筋，19-水道支路，20-水道擋板，21-水套齒，22-六角螺栓，23-彈簧墊片，24-平墊片，25-壓臺，26-壓指，27-弧形結構。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
如圖3和4所示，本發明實施例的一種定子模塊化開關磁阻電機的冷卻結構，如圖3所示，本實施例中優選電機包括6個分離的定子鐵心模塊，但本發明中並不限於此，實際上定子鐵心模塊的數量可以根據實際電機的性能要求及實際情況進行具體選擇，例如可以為1、2、3、4……或其他數量。
如圖3和4所示，電機冷卻水套(1)內壁上沿周向間隔布置多個水套齒21，由於環形內壁結構，各水套齒21也圍成環形，水套齒21數量與定子鐵心數量保持一致，各水套齒21之間形成的空間用於定子鐵心的嵌入安裝。
每個鐵心模塊其兩端為模塊化定子鐵心齒部2，水套齒21的外輪廓在周向上的兩側面與模塊化定子鐵心齒部2的側面輪廓匹配，模塊化定子兩端的模塊化定子鐵心齒部2與對應的水套齒21側面抵接卡緊。
模塊化定子鐵心軛部3在與電機冷卻水套1內壁接觸的表面開有條形凹槽，使之與電機冷卻水套1內壁之間形成有空隙。每個鐵心模塊上面環繞一個繞組線圈，具體地，線圈繞組定子兩齒之間的齒槽內，其中環形繞組線圈下層邊8在定子槽內，環形繞組線圈上層邊7在模塊化定子鐵心軛部3形成的槽內，並且緊靠冷卻水套1，可以有效的將繞組中產生的熱量傳導到冷卻介質中，降低了繞組的溫升。
電機機殼內的各水套齒21之間的弧形區域內設置有冷卻介質流道，如圖4所示，其優選是沿殼體軸向上並列設置的多條，各條之間通過水道隔離筋18隔離。各水套齒21內部均為空腔，水套齒21兩側的冷卻介質流道不直接導通而是通過該空腔連通。且各空腔內均設置有從電機冷卻水套1凸出並伸入水套齒21空腔中的水道擋板20，該水道擋板20頂部與空腔內壁頂部間隔一定距離，同時水道擋板20沿殼體周向上的兩側面也分別與相對的空腔內壁面間隔一定距離，從而水套齒21內部形成沿空腔內壁的流道。且該流道分別與水套齒21兩側的冷卻介質流道相通。
當然，本發明中的水道布置並不限於此，內部水道的布置可以採取其他方式，例如各支路水道19也可以根據水壓限制及水速要求，採用串聯或並聯的方法，形成其他水路布置，不僅限於此發明實施例所述的所有水道支路19採用並聯的方式。
冷卻介質可沿冷卻介質流道及各水套齒21內的流道在電機冷卻水套1內流動，進而從進口進入的溫度較低的冷卻介質通過在冷卻介質流道及各水套齒內的流道連成一個繞殼體筒壁周向的流道流動，並從介質出口流出，即可對電機繞組和鐵心進行冷卻。
本發明中的冷卻介質不僅可以使用水作為冷卻介質，還可以使用油，或者水與乙醇等混合溶液作為冷卻介質。
如圖4所示，一個實施例中，水流由水道入口4進入冷卻水套1後進入冷水匯集腔16，然後由水道隔離筋分成多個水道支路19，環繞一周之後進入熱水匯集腔17，最後由水道出口5流出冷卻水套1，其中水道隔離筋18能夠加強冷卻水套1的機械強度，特別是水套齒21部的機械響度。此外，冷卻水套1將冷卻與支撐固定功能集於一體，由於冷卻水套1的特殊結構，使得鐵心的安裝更加容易，只需要整體插入水套齒21之間的縫隙即可完成鐵心的安裝，因此簡化了鐵心模塊的安裝工藝。
本發明實施例的轉子可以為普通磁阻電機的轉子鐵心6結構，簡單牢靠，適合於高速運行。
本發明實施例所提出的電機冷卻結構(或水套)與一般環形的普通水套結構不同，其針對模塊化磁阻電機特殊的定子結構，合理的布置了冷卻水套1中的水路，將冷卻水引入到模塊化定子鐵心之間，形成了多個水套齒21結構，使冷源與熱源的接觸面積更大，距離更近，熱阻小，因此具有更好的冷卻效果。
本發明一個實施例的模塊化開關磁阻電機及其冷卻水套1的三維圖如圖5所示，定子模塊可以通過鐵心壓條14軸向壓緊並且固定在水套齒21之間，以緊固整體結構，避免鐵心齒部2由於軛部3焊接而引起的變形，達到潛在的降低開關磁阻電機機械振動和噪聲的目的。
鐵心壓條14及其緊固裝置如圖6所示，壓條14由壓臺15及兩端的壓指26構成，壓臺25與壓指26由弧形結構27連接，以增強壓條的彈性。壓臺25和壓指26的底部之間有一定距離(例如1mm)，以增強壓指的壓緊效果。緊固裝置由六角螺栓22，彈簧墊片23和平墊片24構成。整個鐵心壓條14通過螺栓22固定到水道擋板20上。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。