一種永磁同步電機的轉子冷卻結構的製作方法

2023-05-23 07:58:56 1

一種永磁同步電機的轉子冷卻結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種永磁同步電機的冷卻結構設計，其中該電機的轉子鐵芯具有平滑型軸向冷卻通道和徑向冷卻通道，並在兩側壓板處連接有一定數目的葉片。電機在工作時，電機殼體內冷卻介質在葉片的作用下，經徑向和軸向冷卻通道循環流動，由冷卻介質對電機的定、轉子同時冷卻。這種構造使得冷卻介質能在軸向和徑向流動通過所述定、轉子，尤其能使轉子各處均勻散熱，達到良好冷卻效果。
【專利說明】—種永磁同步電機的轉子冷卻結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種旋轉電機冷卻設計領域，特別涉及具有轉子冷卻結構的永磁同步電機。其中該電機轉子具有平滑型軸向冷卻通道和徑向冷卻通道，這種構造使得冷卻介質在運行時能在軸向和徑向流動通過所述定、轉子，尤其能使轉子各處均勻散熱，達到良好冷卻效果。
【背景技術】
[0002]目前電氣傳動機械設備廣泛應用於國防、航天、冶金等領域，特別是在先進設備製造領域和高精度控制傳動領域，其動力源多為由驅動控制器驅動的永磁同步電動機。這種電氣傳動系統的特點是集成了機械、電氣、電子、控制、新材料等各種先進技術，發展成為高度機電一體化的產品。具有調速範圍廣、轉動慣量小、系統效率高、易於實現無級調速和精密控制的優點。
[0003]隨著現代各工業應用領域的不斷發展，對驅動電機的各項技術指標要求越來越高。在提升電機容量的同時，對電機的體積、轉速、使用溫升等提出了苛刻的限制條件，因此驅動電機的冷卻設計越來越顯得重要。
[0004]目前永磁電機廣泛採用的冷卻方案是，對電機的定子進行風冷或者液體循環強制冷卻，而對轉子沒有專門的冷卻措施。由於定子鐵芯齒槽結構造成的氣隙不均勻和施加電流中的高次諧波成分，導致永磁電機氣隙磁場中含有大量諧波，這將會在電機定、轉子鐵芯中產生高頻附加損耗；同時由於磁鋼是導電體，因此高次諧波也會在磁鋼中產生渦流損耗，這些附加損耗不僅降低了電機的效率，增加了電機的發熱和溫升水平，而且給電機的長期穩定運行帶來風險。
[0005]由於永磁電機轉子與定子之間氣隙狹小，氣隙中的空氣軸向流動困難，使得轉子的冷卻困難，會產生發熱嚴重的問題，這將會使轉子上的磁鋼材料在長期高溫下失磁，降低電機的輸出效能；另外，轉子鐵芯發熱嚴重，熱量傳遞到轉軸和軸承上，將會影響軸承的使用壽命，並且使轉軸產生熱變形，影響電機的工作性能，導致電機振動劇烈，噪聲嚴重。所以在永磁電機中，特別是高功率密度的永磁電機中，轉子上的發熱問題需要重點考慮，轉子的冷卻結構設計也極為重要。
[0006]申請號為ZL200610095805.4的專利，提到帶有中心轉子冷卻管的電機冷卻系統結構，但此結構在轉子鐵芯上帶有勺狀體，布置在轉子鐵芯表面下方，不適用於表貼式的永磁同步電機。申請號為ZL201010184819.X的專利，提到具有轉子冷卻結構的高速電機結構，但該結構只在轉子鐵芯上設置有軸向通風孔，雖然能在轉子上起到一定的降溫作用，但是該種結構只能對有限長度的小型永磁電機起到較好冷卻效果，對於容量更大的永磁同步電機，例如轉子軸向長度超過300_或者更大，長的轉子就會限制通過軸向冷卻通道的冷卻介質流量，造成轉子軸向長度冷熱不均。申請號為ZL201010136949.6的專利，提到高速永磁同步電機的自內冷轉子結構，是利用表貼磁鋼和永磁體護套構成軸向通風孔道，只適用於表貼式永磁同步電機，且沒有設置徑向冷卻通道，也存在長轉子軸向長度冷熱不均的問題。申請號為ZL200780033194.3的專利，提到用於電機勵磁繞組的轉子徑向通風管的冷卻結構，也利用了軸向冷卻通道，但是沒有運用到表貼式永磁電機的磁鋼表面和護套形成有效通風道，缺少對永磁電機磁鋼在轉子位置上的放置設計，因此需要在轉子結構上進行改進通風設計。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是克服現有技術不足，通過改善電機冷卻結構布置，有效提高永磁同步電機轉子的冷卻效果。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供了一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:包括在轉子鐵芯內形成的徑向輻射型分布的多個平滑型的轉子軸向冷卻通道和沿軸向分段分布的多個平滑型的轉子徑向冷卻通道，還包括在定子鐵芯內形成的徑向輻射型多個定子軸向冷卻通道和沿軸向分段分布的多個定子徑向冷卻通道；在轉子鐵芯兩側壓板上開有多個通風孔，且在兩側壓板上分別連接有多片薄葉片，薄葉片跟隨轉子鐵芯旋轉運動後驅動冷卻介質在永磁同步電機的腔體內循環流通，冷卻介質在循環流通過程中通過轉子軸向冷卻通道和轉子徑向冷卻通道冷卻轉子鐵芯，同時，冷卻介質在循環流通過程中通過定子軸向冷卻通道和定子徑向冷卻通道冷卻定子鐵芯；在定子鐵芯的外壁與永磁同步電機的殼體接觸處形成有水道結構，由水道結構內的冷卻介質直接冷卻定子鐵芯，並間接冷卻永磁同步電機的腔體內的冷卻介質。
[0009]優選地，所述轉子徑向冷卻通道與所述定子徑向冷卻通道相對布置，且相互獨立。
[0010]優選地，所述轉子軸向冷卻通道在所述轉子鐵芯內或平行於轉子軸線，或傾斜於轉子軸線，且所述轉子軸向冷卻通道的截面從所述轉子鐵芯兩端面往中心呈喇叭形收縮，在所述轉子鐵芯的中心處設置有隔風擋板。
[0011 ] 優選地，所述轉子軸向冷卻通道或所述定子軸向冷卻通道在圓周繞中心軸均勻分布。
[0012]優選地，在所述轉子兩側壓板上開設的通風孔的數目與所述轉子軸向冷卻通道的數目相同，且其孔徑大於所述轉子鐵芯端面上的轉子軸向冷卻通道。
[0013]優選地，所述通風孔或垂直於所述壓板端面設置，或向所述轉子鐵芯旋轉方向傾斜設置。
[0014]優選地，所述薄葉片的形狀為類矩形或者類扇形，其安裝方式為前傾式、或徑向式、或後傾式。
[0015]優選地，在所述轉子鐵芯內放置有磁鋼，其放置方式或為表貼式、或為內裝式。
[0016]優選地,在永磁同步電機的轉軸上固定有軸流式風扇葉輪。
[0017]優選地，在所述定子軸向冷卻通道的外側設有擋風板。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0019]1、本發明的用於永磁同步電機的冷卻結構，在電機定、轉子上設置有徑向和軸向冷卻通道，並在兩側壓板處連接有一定數目的薄型葉片。電機在旋轉工作時，電機殼體內冷卻介質在葉片的作用下，經徑向和軸向冷卻通道循環流動，由冷卻介質對電機的定、轉子同時冷卻，降低了電機定、轉子在高溫下長期工作帶來的風險，延長了電機的使用壽命，並能提高電機的工作效能。[0020]2、電機的殼體外套有水道，可以更好地直接冷卻定子，並且間接的降低了空腔內冷卻介質的溫度，更有利於整個電機的冷卻效果。
[0021]3、轉子軸向冷卻通道在軸向上面積是可變的，可以是平行於軸線分布，也可以是傾斜軸線分布，面積隨軸向位置變化而變化的冷卻通道可以降低由於轉子鐵芯過長以及徑向通道分流帶來的壓頭不夠和風量偏少的問題，並且轉子中心部位可以得到與兩側相近的冷卻效果，使轉子整體冷熱均勻，避免轉子鐵芯變形和磁鋼材料失磁的風險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為永磁同步電機整體結構示意圖；
[0023]圖2為常規無冷卻的轉子結構示意圖；
[0024]圖3為實施例5所述的結構示意圖；
[0025]圖中各標號標不:I，殼體；2，水道結構；3，定子鐵芯；4,定子軸向冷卻通道；5,定子徑向冷卻通道；6，氣隙；7，轉子鐵芯；8，轉子徑向冷卻通道；9，定子壓板；10，定子線圈端部；11，擋風板；12，前端蓋；13，葉輪組件；14，前軸承組件；15，轉軸；16，散熱筋；17，薄葉片；18，壓板；19，轉子軸向冷卻通道；20，擋風罩；21，外置風扇；22，後端蓋；23，後軸承組件。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。
[0027]實施例1
[0028]圖1表不本發明的一種用於永磁同步電機轉子冷卻的結構實例,包括殼體1、定子鐵芯3、轉子鐵芯7、前端蓋12、後端蓋22、前軸承組件14、後軸承組件23等。定子鐵芯3套設於殼體I內；磁鋼固定放置於轉子鐵芯7，並用兩側壓板18在軸向固定，轉子鐵芯7固定於電機轉軸15上，形成轉子組件。轉子鐵芯7套設於定子鐵芯3內，前端蓋12、後端蓋22、前軸承組件14、後軸承組件23與殼體I分別組成前後空腔，內部冷卻介質可以在空腔內流動貫通。電機運行時，由兩側壓板18上的厚度約為0.5?5mm的矩形或扇形的薄葉片17通過旋轉運動驅動內部的冷卻介質流動，以達到冷卻定子繞組端部10、轉軸15和前軸承組件14及後軸承組件23的效果，薄葉片17的數目和尺寸大小可根據需要的風量和壓頭進行優化設計，以達到完好的提供冷卻動力的要求，同時避免因設計不合理導致機械振動和噪聲增大。在轉子鐵芯7內形成的徑向輻射型分布的多個平滑型的轉子軸向冷卻通道19和沿軸向分段分布的多個平滑型的轉子徑向冷卻通道8，在轉子鐵芯7內每隔30?80mm長度可設置一個轉子徑向冷卻通道8,寬度一般在5?15_。在定子鐵芯3內形成的徑向福射型分布的多個定子軸向冷卻通道4和沿軸向分段分布的多個定子徑向冷卻通道5，定子鐵芯3內每隔30?80mm長度可設置一個定子徑向冷卻通道5，定子徑向冷卻通道5寬度一般在5?15_。薄葉片17跟隨轉子鐵芯7旋轉運動後驅動冷卻介質在永磁同步電機的腔體內循環流通，冷卻介質在循環流通過程中通過轉子軸向冷卻通道19和轉子徑向冷卻通道8冷卻轉子鐵芯7，同時，冷卻介質在循環流通過程中通過定子軸向冷卻通道4和定子徑向冷卻通道5冷卻定子鐵芯3。
[0029]同時，在定子鐵芯3的外壁與永磁同步電機的殼體I接觸處形成有水道結構2，水道結構2內的冷卻介質流動工作，直接冷卻定子鐵芯3，間接冷卻電機空腔內冷卻介質。通過內外冷卻介質的流動，使前後空腔的散熱效果基本一致。這樣的風路設計結構，不僅使發熱量較大的定子3得到良好冷卻，而且使發熱量較小但能嚴重影響磁鋼工作性能的轉子7得到冷卻；與此同時，改善了轉軸15和前軸承組件14、後軸承組件23處的發熱情況，進而保證前軸承組件14、後軸承組件23與前端蓋12、後端蓋22、殼體I之間穩定的機械配合距離，提高轉子組件部分的旋轉動平衡度，使電機振動幅度減少。
[0030]在本實施方式中，轉子徑向冷卻通道8與定子徑向冷卻通道5可以相對設置不交錯，以減少流阻；定子軸向冷卻通道4在圓周上均勻分布，具體數量和尺寸大小可根據定子鐵芯3的尺寸大小確定；轉子軸向冷卻通道19在圓周上均勻分布，具體數量和尺寸大小可根據轉子鐵芯7的尺寸大小確定，轉子軸向冷卻通道19可以是平行於軸線，也可以是傾斜於轉子軸線，且冷卻通道截面從轉子鐵芯7兩端面往中心呈喇叭形收縮，通過兩壓板18外側的薄葉片17的旋轉運動形成離心式風扇的送風效果。
[0031]實施例2
[0032]本實施例與實施例1的不同之處在於:水道結構2可以是具有螺旋形水道或者「S」型水道，具體選擇可根據冷卻所需流量、流速以及進出水孔的安裝位置決定。
[0033]實施例3
[0034]本實施例與實施例1的不同之處在於:在轉軸15上安放固定軸流式風扇葉輪13，以滿足可能需要的冷卻風量，具體選擇可以根據電機的安裝尺寸和空間位置需求以及冷卻效果計算結果決定。
[0035]實施例4
[0036]本實施例與實施例1的不同之處在於:在定子軸向冷卻通道4外側加工有擋風板11，使得電機空腔內冷卻介質流動時，氣流能夠在進入或者流出冷卻通道時減少流阻，以增強通風效果。
[0037]實施例5
[0038]結合圖3，本實施例與實施例1的不同之處在於:轉子軸向冷卻通道19平行於轉子軸線，其通道截面積不變。
[0039]實施例6
[0040]本實施例與實施例1的不同之處在於:所述電機殼體I外可以是散熱筋16結構，殼體採用自然冷卻或者外配風扇21強制風冷。
[0041]上述只是本發明的例示，並非對本發明做任何形式和結構上的限制。雖然本發明已以較佳的結構件圖標示如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍的情況下，都可以利用上述揭示的技術內容和說明做出多種可能的變動。因此凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上例示所做的任何簡單修改、等同變化等，均應落在本發明技術方案保護範圍內。
【權利要求】
1.一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:包括在轉子鐵芯(7)內形成的沿徑向輻射型分布的多個平滑型的轉子軸向冷卻通道(19)和沿軸向分段分布的多個平滑型的轉子徑向冷卻通道(8)，還包括在定子鐵芯(3)內形成的徑向輻射型分布的多個定子軸向冷卻通道(4)和沿軸向分段分布的多個定子徑向冷卻通道(5);在轉子鐵芯(7)兩側壓板(18)上開有多個通風孔，且在兩側壓板(18)上分別連接有多片薄葉片(17)，薄葉片(17)跟隨轉子鐵芯(7)旋轉運動後驅動冷卻介質在永磁同步電機的腔體內循環流通，冷卻介質在循環流通過程中通過轉子軸向冷卻通道(19)和轉子徑向冷卻通道(8)冷卻轉子鐵芯(7)，同時，冷卻介質在循環流通過程中通過定子軸向冷卻通道(4)和定子徑向冷卻通道(5)冷卻定子鐵芯(3);在定子鐵芯(3)的外壁與永磁同步電機的殼體(I)接觸處形成有水道結構(2)，由水道結構(2)內的冷卻介質直接冷卻定子鐵芯(3)，並間接冷卻永磁同步電機的腔體內的冷卻介質。
2.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:所述轉子徑向冷卻通道(8)與所述定子徑向冷卻通道(5)相對布置，且相互獨立。
3.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:所述轉子軸向冷卻通道(19)在所述轉子鐵芯(7)內或平行於轉子軸線，或傾斜於轉子軸線，且所述轉子軸向冷卻通道(19)的截面從所述轉子鐵芯(7)兩端面往中心呈喇叭形收縮，在所述轉子鐵芯(7)的中心處設置有隔風擋板。
4.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:所述轉子軸向冷卻通道(19)或所述定子軸向冷卻通道(4)在圓周繞中心軸均勻分布。
5.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:在所述轉子兩側壓板(18)上開設的通風孔的數目與所述轉子軸向冷卻通道(19)的數目相同，且其孔徑大於所述轉子鐵芯(7)端面上的轉子軸向冷卻通道(19)。
6.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:所述通風孔或垂直於所述壓板(18)端面設置，或向所述轉子鐵芯(7)旋轉方向傾斜設置。
7.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:所述薄葉片(17)的形狀為類矩形或者類扇形，其安裝方式為前傾式、或徑向式、或後傾式。
8.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:在所述轉子鐵芯(7)內放置有磁鋼，其放置方式或為表貼式、或為內裝式。
9.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:在永磁同步電機的轉軸(15)上固定有軸流式風扇葉輪(13)。
10.如權利要求1所述的一種永磁同步電機的轉子冷卻結構，其特徵在於:在所述定子軸向冷卻通道⑷的外側設有擋風板(11)。
【文檔編號】H02K1/20GK103746485SQ201310724028
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】曹翼, 李光耀 申請人:上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司, 上海電科電機科技有限公司