CN103199652A - 气液交织冷却高功率密度电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气液交织冷却高功率密度电机，属高功率密度电机领域。该电机的电枢绕组用绝缘套管包裹，采用非金属T型支架支撑和槽楔固定，并形成定子铁心内轴向冷却介质通道。非金属密闭筒、机壳内壁、定子铁心与第一、第二环形密封板包围形成的空间构成定子侧密闭冷却腔。液态冷却介质从液体入流引导管流入定子铁心内轴向冷却介质通道，并经第一至N个滴漏孔垂滴至转子，从液体出流第一引导管和液体出流第二引导管流出，经液体冷却装置冷却。气态冷却介质从气体入流引导管入，从气体介质出口孔流出。不同冷却通道合成一个交织的多维空间冷却系统，有效降低电机工作温升，提高了稳定性，减小因轴向温差引起的不平衡热应力的影响。

Description

气液交织冷却高功率密度电机

技术领域

本发明涉及高速功率密度电机及其冷却系统，属电气领域。

技术背景

高速功率密度电机一般具有工作转速高、体积小、材料利用率高、动态响应较快和传动系统效率高等特点，而且具有效率高、功率因数高的优点。因此，高速永磁电机在分布式发电系统、飞轮储能系统、航空航天、高速磨床、混合动力汽车、船舶、纺织、空调或冰箱的离心式压缩机等领域，以及在军用车辆、坦克、飞机以及陆海边防、移动电源供给等军工领域均具有优势和良好的应用前景。

较常规电机，高功率密度电机热负荷大幅度增加，同时电机单位体积的损耗和工作温升显著增大。这样，电机拓扑结构和冷却系统优劣对电机电磁性能输出和温度分布影响加剧，合理设计冷却系统以及有效控制电机的工作温升显得日益重要。目前，高功率密度电机采用的冷却系统通常是密闭油冷系统、外加水套冷却和空气冷却等方式，存在问题包括：1）现有的冷却方式对转子产生的散热作用较小，使得电机内转子依然会出现工作温度较高的问题，而转子的温度过高，采用永磁转子时就会影响电机内永磁体及整个电机的工作稳定性，同时缩短其使用寿命；2）受到体积限制，各种冷却结构中介质大多是单一流动，电机部件易出现轴向温差较大问题，导致不平衡热应力给电机的安全运行带来隐患。

发明内容

本发明针对目前高功率密度电机温度分布转子温升较高且温度分布不均衡的问题，提出了一种具有气液交织多维冷却系统，使电机内永磁体及整个电机的工作稳定性提高。

本发明解决其技术问题的技术方案：

气液交织冷却高功率密度电机，该装置包括：定子、转子及其冷却系统，定子铁心上沿圆周方向均匀分布定子槽，槽内嵌放电枢绕组。

电枢绕组横截面积小于定子槽的30%～50%；

电枢绕组用绝缘套管包裹；

包裹电枢绕组的绝缘套管与定子槽楔之间采用非金属T型支架支撑；

非金属T型支架的支撑高度范围内的定子槽两侧的内壁面、定子槽楔内侧面和绝缘套管外面形成定子铁心内轴向冷却介质通道；

在电机气隙内放置非金属密闭筒，非金属密闭筒的外圆面与定子铁心内内圆面紧密接触；

非金属密闭筒上沿轴向开第一至N个滴漏孔；所述的第一至N个滴漏孔沿轴向均匀分布，其直径与定子槽口宽度相同；在非金属密闭筒内壁上与第一至N个滴漏孔轴对称处开轴向槽，轴向槽与非金属密闭筒的一个端面相通，N＞4；

非金属密闭筒的两个端面分别与第一、第二环形密封板、的内环面密封连接；第一、第二环形密封板、的外环面分别与机壳内壁密封连接；所述非金属密闭筒上的第一至N个滴漏孔和轴向槽位于竖直相对方向，轴向槽位于下方且与非金属密闭筒的端面相通的一端位于第二环形密封板侧；

非金属密闭筒、机壳内壁、定子铁心与第一、第二环形密封板、包围形成的空间构成定子侧密闭冷却腔；

液体入流引导管分别穿过第一端盖上的液体介质入口孔与第一密封板上的液体冷却介质入口孔，与第一密封板密封连接；

液体出流第一引导管分别穿过第二端盖上的液体介质出口孔与第二密封板上的液体冷却介质出口孔，与第二密封板密封连接；

冷却液体从入流第一引导管流入定子侧密闭冷却腔，从液体出流第一引导管流出；

液体出流第二引导方管的一端穿过第二端盖上的液体介质出口方孔与非金属密闭筒上的轴向槽一端配合，并密封连接固定；

冷却液体从入流第一引导管流入定子侧密闭冷却腔，经第一至N个滴漏孔、轴向槽，从液体出流第二引导管流出；

气体入流引导管的一端穿过第一端盖上的气体介质入口孔，与非金属密闭筒内壁面，至转子铁心端面位置；

冷却气体从气体入流引导管内流入，经电机气隙，从气体介质出口孔流出。

所述液体入流第一引导管和液体出流第一引导管、液体出流第二引导管、气体入流引导管为非金属管。

第一端盖上的液体介质入口孔的中心和气体介质入口孔的中心在同一半径上，其中液体介质入口孔的中心到第一端盖中心的距离与液体冷却介质入口孔的中心到第一密封板的中心的距离相等；气体介质入口孔的中心到第一端盖中心的距离等于非金属密闭筒的内半径减气体介质入口孔（9-1-2）的半径；

第二端盖上的液体介质出口孔的中心、液体介质出口方孔的中心和气体介质出口孔的中心在同一直径上，其中冷却液体介质出口孔的中心到第二端盖中心的距离与液体冷却介质出口孔的中心到第二密封板的中心的距离相等；冷却液体介质出口方孔的中心到第二端盖中心的距离与轴向槽横截面中心到非金属密闭筒中心的距离相等。

冷却系统包括：液体压送泵、气体压送泵、液体抽吸泵、液体冷却装置；

液体压送泵出口通过管路与液体入流第一引导管连接，液体出流第一引导管与液体冷却装置的入口连接，液体冷却装置的出口通过管路与液体压送泵入口连接；

液体出流第二引导管的出口与液体抽吸泵入口通过管路连接，液体抽吸泵出口通过管路与与液体冷却装置连接；

所述的第一至N个滴漏孔沿轴向非均匀分布，分布密度逐渐增加；

气体压送泵出口通过管路与气体入流引导管连接。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果：

发明提出的气液交织多维冷却系统高速永磁电机，采用气态（如：空气）和液态（如：变压器油）冷却介质组成复合冷却媒介，分别在轴向、周向和空间垂直方向设计不同冷却通道合成一个交织的多维空间冷却系统，可以有效改善高密度电机的冷却系统，降低电机工作温升，提高电机系统稳定性。此外，该冷却系统分别采用气体和液体两种冷却介质直接作用转子，能够大幅降低转子工作温升；轴向非均匀滴漏冷却通路设计可以显著减小定子和转子轴向温差，进而削弱因热应力分布不平衡给电机带来的影响。

附图说明

图1为气液交织冷却高功率密度电机主视图。

图2为气液交织冷却高功率密度电机横切面图。

图3为电机齿槽位置放大图。

图4为第一端盖图。

图5为第二端盖图。

图6为第一密封板图。

图7为第二密封板图。

图8为非金属密闭筒主视图。

图9为非金属密闭筒横切面图。

图10为带有非均匀分布滴漏孔的非金属密闭筒轴向横纵切面图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

气液交织冷却高功率密度电机，如图1-图9所示，该装置包括：定子、转子及其冷却系统，定子铁心1上沿圆周方向均匀分布定子槽1-1，槽内嵌放电枢绕组1-2。

电枢绕组1-2横截面积小于定子槽1-1的30%～50%，选用其端值或其中间任意值均可。

电枢绕组1-2用绝缘套管1-3包裹。

包裹电枢绕组1-2的绝缘套管1-3与定子槽楔1-4之间采用非金属T型支架1-5支撑。

非金属T型支架1-5的支撑高度范围内的定子槽1-1两侧的内壁面、定子槽楔1-4内侧面和绝缘套管1-3外面形成定子铁心1内轴向冷却介质通道。

在电机气隙2内放置非金属密闭筒3，非金属密闭筒3的外圆面与定子铁心1内圆面紧密接触。

非金属密闭筒3上沿轴向开第一至N个滴漏孔7-1、7-2、…、7-N；所述的第一至N个滴漏孔沿轴向均匀分布，其直径与定子槽口宽度相同；在非金属密闭筒3内壁上与第一至N个滴漏孔轴对称处开轴向槽8，轴向槽8与非金属密闭筒3的一个端面相通，N＞4。

非金属密闭筒3的两个端面分别与第一、第二环形密封板4-1、4-2的内环面密封连接；第一、第二环形密封板4-1、4-2的外环面分别与机壳10内壁密封连接；所述非金属密闭筒3上的第一至N个滴漏孔7-1、7-2、…、7-N和轴向槽8位于竖直相对的方向，轴向槽8位于下方且与非金属密闭筒3的端面相通的一端位于第二环形密封板4-2侧。

非金属密闭筒3、机壳10内壁、定子铁心1与第一、第二环形密封板4-1、4-2包围形成的空间构成定子侧密闭冷却腔。

液体入流引导管5-1分别穿过第一端盖9-1上的液体介质入口孔9-1-1与第一密封板4-1上的液体冷却介质入口孔4-1-1，与第一密封板4-1密封连接；

液体出流第一引导管5-2分别穿过第二端盖9-2上的液体介质出口孔9-2-1与第二密封板4-2上的液体冷却介质出口孔4-2-1，与第二密封板4-2密封连接。

冷却液体从入流第一引导管5-1流入定子侧密闭冷却腔，从液体出流第一引导管5-2流出。

液体出流第二引导方管5-4为一方管，它的一端穿过第二端盖9-2上的液体介质出口方孔9-2-2与非金属密闭筒3上的轴向槽8一端配合，并密封连接固定。

冷却液体从入流第一引导管5-1流入定子侧密闭冷却腔，经第一至N个滴漏孔7-1、7-2、7-3…7-N、轴向槽8，从液体出流第二引导管5-4流出。

气体入流引导管6-1的一端穿过第一端盖9-1上的气体介质入口孔9-1-2，与非金属密闭筒3内壁面相切至转子铁心端面位置。

冷却气体从气体入流引导管6-1内流入，经电机气隙2，从气体介质出口孔9-2-3流出，形成轴向气体冷却通路。

所述液体入流第一引导管5-1和液体出流第一引导管5-2、液体出流第二引导管5-4、气体入流引导管6-1为非金属管。

第一端盖9-1上的液体介质入口孔9-1-1的中心和气体介质入口孔9-1-2的中心在同一半径上，其中液体介质入口孔9-1-1的中心到第一端盖9-1中心的距离与液体冷却介质入口孔4-1-1的中心到第一密封板4-1的中心的距离相等；气体介质入口孔9-1-2的中心到第一端盖9-1中心的距离等于非金属密闭筒3的内孔半径减气体介质入口孔（9-1-2）的半径。

第二端盖9-2上的液体介质出口孔9-2-1的中心、液体介质出口方孔9-2-2的中心和气体介质出口孔9-2-3的中心在同一直径上，其中冷却液体介质出口孔9-2-1的中心到第二端盖9-2中心的距离与液体冷却介质出口孔4-2-1的中心到第二密封板4-2的中心的距离相等；冷却液体介质出口方孔9-2-2的中心到第二端盖9-2中心的距离与轴向槽8横截面中心到非金属密闭筒3中心的距离相等。

冷却系统包括：液体压送泵、气体压送泵、液体抽吸泵、液体冷却装置。

液体压送泵出口通过管路与液体入流第一引导管5-1连接，液体出流第一引导管5-2与液体冷却装置的入口连接，液体冷却装置的出口通过管路与液体压送泵入口连接。

气体压送泵出口通过管路与气体入流引导管6-1连接。

液体出流第二引导管5-4的出口与液体抽吸泵的入口通过管路连接，液体抽吸泵的出口通过管路与液体冷却装置的入口连接。

发明采用气态（如：空气）和液态（如：变压器油）冷却介质组成复合冷却媒介。

如图10所示，所述的第一至N个滴漏孔7-1、7-2、…、7-N沿轴向非均匀分布，分布密度逐渐增加。

Claims (5)

1.气液交织冷却高功率密度电机，该装置包括：定子、转子及其冷却系统，定子铁心（1）上沿圆周方向均匀分布定子槽（1-1），槽内嵌放电枢绕组（1-2）；

其特征在于：

电枢绕组（1-2）横截面积小于定子槽（1-1）的30%～50%；

电枢绕组（1-2）用绝缘套管（1-3）包裹；

包裹电枢绕组（1-2）的绝缘套管（1-3）与定子槽楔（1-4）之间采用非金属T型支架（1-5）支撑；

非金属T型支架（1-5）的支撑高度范围内的定子槽（1-1）两侧的内壁面、定子槽楔（1-4）内侧面和绝缘套管（1-3）外面形成定子铁心（1）内轴向冷却介质通道；

在电机气隙（2）内放置非金属密闭筒（3），非金属密闭筒（3）的外圆面与定子铁心（1）内圆面紧密接触；

非金属密闭筒（3）上沿轴向开第一至N个滴漏孔（7-1、7-2、…、7-N）；所述的第一至N个滴漏孔沿轴向均匀分布，其直径与定子槽口宽度相同；在非金属密闭筒（3）内壁上与第一至N个滴漏孔轴对称处开轴向槽（8），轴向槽（8）与非金属密闭筒（3）的一个端面相通，N＞4；

非金属密闭筒（3）的两个端面分别与第一、第二环形密封板（4-1）、（4-2）的内环面密封连接；第一、第二环形密封板（4-1）、（4-2）的外环面分别与机壳（10）内壁密封连接；所述非金属密闭筒（3）上的第一至N个滴漏孔（7-1、7-2、…、7-N）和轴向槽（8）位于竖直相对的方向，轴向槽（8）位于下方且与非金属密闭筒（3）的端面相通的一端位于第二环形密封板（4-2）侧；

非金属密闭筒（3）、机壳（10）内壁、定子铁心（1）与第一、第二环形密封板（4-1）、（4-2）包围形成的空间构成定子侧密闭冷却腔；

液体入流引导管（5-1）分别穿过第一端盖（9-1）上的液体介质入口孔（9-1-1）与第一密封板（4-1）上的液体冷却介质入口孔（4-1-1），与第一密封板（4-1）密封连接；

液体出流第一引导管（5-2）分别穿过第二端盖（9-2）上的液体介质出口孔（9-2-1）与第二密封板（4-2）上的液体冷却介质出口孔（4-2-1），与第二密封板（4-2）密封连接；

冷却液体从入流第一引导管（5-1）流入定子侧密闭冷却腔，从液体出流第一引导管（5-2）流出；

液体出流第二引导管（5-4）为一方管，它的一端穿过第二端盖（9-2）上的液体介质出口方孔（9-2-2）与非金属密闭筒（3）上的轴向槽（8）一端配合，并密封连接固定；

冷却液体从入流第一引导管（5-1）流入定子侧密闭冷却腔，经第一至N个滴漏孔（7-1、7-2、7-3…7-N）、轴向槽（8），从液体出流第二引导管（5-4）流出；

气体入流引导管（6-1）的一端穿过第一端盖（9-1）上的气体介质入口孔（9-1-2）与非金属密闭筒（3）内壁相切至转子铁心端面位置；

冷却气体从气体入流引导管（6-1）内流入，经电机气隙（2），从气体介质出口孔（9-2-3）流出。

2.根据权利要求1所述的气液交织冷却高功率密度电机，其特征在于：

所述液体入流第一引导管（5-1）和液体出流第一引导管（5-2）、液体出流第二引导管（5-4）、气体入流引导管（6-1）为非金属管。

3.根据权利要求1所述的气液交织冷却高功率密度电机，其特征在于：

第一端盖（9-1）上的液体介质入口孔（9-1-1）的中心和气体介质入口孔（9-1-2）的中心在同一半径上，其中液体介质入口孔（9-1-1）的中心到第一端盖（9-1）中心的距离与液体冷却介质入口孔（4-1-1）的中心到第一密封板（4-1）的中心的距离相等；气体介质入口孔（9-1-2）的中心到第一端盖（9-1）中心的距离等于非金属密闭筒（3）的内孔半径减气体介质入口孔（9-1-2）的半径；

第二端盖（9-2）上的液体介质出口孔（9-2-1）的中心、液体介质出口方孔（9-2-2）的中心和气体介质出口孔（9-2-3）的中心在同一直径上，其中冷却液体介质出口孔（9-2-1）的中心到第二端盖（9-2）中心的距离与液体冷却介质出口孔（4-2-1）的中心到第二密封板（4-2）的中心的距离相等；冷却液体介质出口方孔（9-2-2）的中心到第二端盖（9-2）中心的距离与轴向槽（8）横截面中心到非金属密闭筒（3）中心的距离相等。

4.根据权利要求1所述的气液交织冷却高功率密度电机，其特征在于：

冷却系统包括：液体压送泵、气体压送泵、液体抽吸泵、液体冷却装置；

液体压送泵出口通过管路与液体入流第一引导管（5-1）连接，液体出流第一引导管（5-2）与液体冷却装置的入口连接，液体冷却装置的出口通过管路与液体压送泵入口连接；

液体出流第二引导管（5-4）的出口与液体抽吸泵的入口通过管路连接，液体抽吸泵的出口通过管路与液体冷却装置的入口连接；

气体压送泵出口通过管路与气体入流引导管（6-1）连接。

5.根据权利要求1所述的气液交织冷却高功率密度电机，其特征在于：

所述的第一至N个滴漏孔（7-1、7-2、…、7-N）沿轴向非均匀分布，分布密度逐渐增加。

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