CN201682373U - 高速永磁电机定子平温冷却系统 - Google Patents

Abstract

高速永磁电机定子平温冷却系统，属于电机技术领域。它解决了现有高速永磁电机的定子通过通入冷却介质的方式来进行散热，因冷却介质在电机冷却沟道内的温度变化，使得电机定子铁心两端产生较大的温差的问题。它的定子铁心罩于机壳内，定子铁心的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽，绕组缠绕在定子铁心的定子槽内，每个定子槽内有一个槽内楔形平温板与绕组的槽口侧表面相接并与定子槽内壁紧密配合，每个定子槽的槽口处设置定子槽楔并与定子槽的槽口处内壁紧密配合，冷却介质密闭环的外环表面与每个定子槽楔的槽口外端面紧密相接；槽内楔形平温板的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。本实用新型用作高速永磁电机的冷却。

Description

高速永磁电机定子平温冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种高速永磁电机定子平温冷却系统，属于电机技术领域。

背景技术

高速永磁电机在具有普通高速电机的转速高、功率密度大、材料利用率高、动态响应较快和传动系统效率高等特点的同时，还具有效率高、功率因数高的优点，因此在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床、混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景。特别是在分布式发电系统中，由于燃气轮机驱动的高速永磁电机体积小，具有较高的机动性，使其可作为医院、宾馆及其它重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，以弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。

高速永磁电机在运行时，其定子绕组的电流频率高达1000Hz以上，转子的旋转速度高达每分钟几万转，其电机铁心具有很高的功率密度，单位体积内的铁耗及电枢绕组铜耗都很大。一般情况下，此类电机采用定子密闭通入冷却介质的方式来进行散热，由于此类电机多为细长型结构，随着冷却介质在电机冷却沟道内的流动，冷却介质的温度会逐渐升高，造成电机定子铁心两端较大的温差，其温差可达25℃以上。这种情况在削弱了冷却介质的冷却能力的同时，相应的热应力会对电机产生危害。

发明内容

本实用新型为了解决现有高速永磁电机的定子通过通入冷却介质的方式来进行散热时，由于冷却介质的温升造成对电机的冷却能力下降及相应的热应力会对电机产生危害的问题，提供了一种高速永磁电机定子平温冷却系统。

本实用新型包括机壳和定子铁心，定子铁心罩于机壳内，所述定子铁心的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽，绕组缠绕在定子铁心的定子槽内，每个定子槽内有一个槽内楔形平温板与绕组的槽口侧表面相接并与定子槽内壁紧密配合，每个定子槽的槽口处设置一个定子槽楔，所述定子槽楔与定子槽的槽口处内壁紧密配合，定子铁心的内圆环处设置冷却介质密闭环，冷却介质密闭环的外环表面与每个定子槽楔的槽口外端面紧密相接；

每个槽内楔形平温板与其所在的定子槽的两个侧壁和一个定子槽楔所形成的轴向通道为槽内冷却通道，所述槽内楔形平温板的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。

本实用新型的优点是：本实用新型所述定子平温冷却系统应用于高速电机上，在电机工作时，向槽内冷却通道通入冷却介质，随着冷却介质沿轴向的流动，会及时带走定子铁心上的热量进而冷却定子铁心。由于槽内楔形平温板的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚，使得冷却介质流经的槽内冷却通道的横截面积逐渐减小，当冷却介质的压力不变时，其流动速度会逐渐变大，散热系数进而增大，会带走更多热量。经实验计算分析表明，当采用本实用新型提出的方案对定子铁心进行冷却时，定子铁心温度能够降低约20℃，进而转子铁心温度能够降低约12℃；同时，定子铁心两端的轴向温差降低为15℃，这使定子铁心沿轴向的温度分布趋于平衡，减小了温差带来的热应力影响，使电机的性能更加稳定。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，图中箭头表示冷却通道内冷却介质的流动方向；图2是图1的A-A剖视图；图3是本实用新型实施方式三的结构示意图，图中箭头表示冷却通道内冷却介质的流动方向；图4是图3的B-B剖视图；图5是本实用新型去除机壳后的立体结构示意图；图6是分别采用本实用新型与现有技术对定子铁心进行冷却时定子铁心温度轴向分布图，图中曲线A为现有技术中定子铁心温度轴向分布图，曲线B为本实用新型中定子铁心温度轴向分布图；图7是分别采用本实用新型与现有技术对定子铁心进行冷却时定子绕组温度轴向分布图，图中曲线C为现有技术中定子绕组温度轴向分布图，曲线D为本实用新型中定子绕组温度轴向分布图；图8是采用现有技术对定子铁心进行冷却时冷却介质的散热曲线图；图9是采用本实用新型对定子铁心进行冷却时冷却介质的散热曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括机壳1和定子铁心2，定子铁心2罩于机壳1内，所述定子铁心2的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽2-1，绕组2-2缠绕在定子铁心2的定子槽2-1内，每个定子槽2-1内有一个槽内楔形平温板2-3与绕组2-2的槽口侧表面相接并与定子槽2-1内壁紧密配合，每个定子槽2-1的槽口处设置一个定子槽楔2-5，所述定子槽楔2-5与定子槽2-1的槽口处内壁紧密配合，定子铁心2的内圆环处设置冷却介质密闭环2-4，冷却介质密闭环2-4的外环表面与每个定子槽楔2-5的槽口外端面紧密相接；

每个槽内楔形平温板2-3与其所在的定子槽2-1的两个侧壁和一个定子槽楔2-5所形成的轴向通道为槽内冷却通道，所述槽内楔形平温板2-3的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。

本实施方式中绕组2-2和槽内楔形平温板2-3在定子槽2-1内仅占定子槽2-1的一部分空间，余下的部分作为槽内冷却通道。

本实施方式在定子铁心2的槽内冷却通道内设置非导磁导电材料的槽内楔形平温板2-3，不会对电机的电磁性能产生影响，因此在温度场分析中热源分布不会改变。在保持冷却介质流量和入口压力不变的情况下，随冷却介质通过处横截面大小的变化，流体通过面积的等效水力直径也相应改变，考虑到轴向流动时的沿程阻力，相应的努歇尔特系数和雷诺数不相同，则冷却介质与定子接触面的轴向散热系数分布发生改变。从图9可以看出，在槽内冷却通道的横截面积发生变化位置，冷却介质的流体散热系数发生突变，散热系数分布曲线出现拐点，与图8所示的现有技术中的冷却介质的散热系数相比，随着流体通过的横截面积的减小，冷却介质的散热系数相应增大，产生槽内冷却通道内流体散热系数沿轴向的变化。

由图6和图7所示可知，与现有技术相比，本实用新型使电机的定子铁心产生了更好的散热效果，它使定子铁心2平均温度的降幅达到15℃，进而使转子体平均温度的降幅达到12℃，并进一步使电机的不同位置处，温度沿轴向的变化幅度减小，定子绕组轴向温差降低43%，转子温差降低44%，定子铁心位置温差降低29%，使电机内温度分布趋于均匀。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述定子槽楔2-5的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

定子槽楔2-5轴向厚度的变化，可进一步实现槽内冷却通道轴向的横截面积的变化，使冷却介质能够产生的冷却效果进一步加强。

具体实施方式三：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于它还包括外楔形平温板3，所述机壳1的内表面与定子铁心2的外圆表面之间形成轴向外冷却通道4，外楔形平温板3设置于轴向外冷却通道4内，所述外楔形平温板3的厚度从轴向外冷却通道4的入口侧至出口侧逐渐增厚。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

本实施方式中所述绕组2-2缠绕在定子铁心2径向的每个定子槽2-1的槽底与相应的定子轭部。在机壳1与定子铁心2所形成的轴向外冷却通道4内，增加了外楔形平温板3，并且其厚度从轴向外冷却通道4的入口侧至出口侧逐渐增厚，当轴向外冷却通道4内通入的冷却介质的压力不变时，其流动速度会逐渐变大，散热系数进而增大，会带走更多热量，进一步增强了对定子铁心2的散热效果，使定子铁心2沿轴向两端的温差进一步缩小。

外楔形平温板3的设置，能够使电机内不同位置的温度进一步降低。在具体实施方式一或二的基础上，定子铁心和转子体的平均温度能够分别再降低5℃和4℃。同时，电机不同位置温度轴向温差进一减小，与现有技术的冷却效果相比，定子绕组轴向温差降低61%，转子温差降低56%，定子铁心位置温差降低45%，使电机内温度分布更趋于均匀。

具体实施方式四：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述外楔形平温板3设置于定子铁心2的外圆表面上。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

外楔形平温板3的设置位置可以根据电机使用的具体需要进行设计，它能够使电机内温度分布更趋于均匀。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述外楔形平温板3设置于机壳1的内表面上。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

本实施方式中的外楔形平温板3的设计同样能够使电机内温度分布更趋于均匀。

Claims (5)

1.一种高速永磁电机定子平温冷却系统，它包括机壳（1）和定子铁心（2），定子铁心（2）罩于机壳（1）内，其特征在于：所述定子铁心（2）的内圆周上沿圆周方向呈放射状均匀分布多个定子槽（2-1），绕组（2-2）缠绕在定子铁心（2）的定子槽（2-1）内，每个定子槽（2-1）内有一个槽内楔形平温板（2-3）与绕组（2-2）的槽口侧表面相接并与定子槽（2-1）内壁紧密配合，每个定子槽（2-1）的槽口处设置一个定子槽楔（2-5），所述定子槽楔（2-5）与定子槽（2-1）的槽口处内壁紧密配合，定子铁心（2）的内圆环处设置冷却介质密闭环（2-4），冷却介质密闭环（2-4）的外环表面与每个定子槽楔（2-5）的槽口外端面紧密相接；

每个槽内楔形平温板（2-3）与其所在的定子槽（2-1）的两个侧壁和一个定子槽楔（2-5）所形成的轴向通道为槽内冷却通道，所述槽内楔形平温板（2-3）的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。

2.根据权利要求1所述的高速永磁电机定子平温冷却系统，其特征在于：所述定子槽楔（2-5）的厚度从槽内冷却通道的入口侧至出口侧逐渐增厚。

3.根据权利要求1或2所述的高速永磁电机定子平温冷却系统，其特征在于：它还包括外楔形平温板（3），所述机壳（1）的内表面与定子铁心（2）的外圆表面之间形成轴向外冷却通道（4），外楔形平温板（3）设置于轴向外冷却通道（4）内，所述外楔形平温板（3）的厚度从轴向外冷却通道（4）的入口侧至出口侧逐渐增厚。

4.根据权利要求3所述的高速永磁电机定子平温冷却系统，其特征在于：所述外楔形平温板（3）设置于定子铁心（2）的外圆表面上。

5.根据权利要求3所述的高速永磁电机定子平温冷却系统，其特征在于：所述外楔形平温板（3）设置于机壳（1）的内表面上。

Images