CN103746485B - 一种永磁同步电机的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的冷却结构设计，其中该电机的转子铁芯具有平滑型轴向冷却通道和径向冷却通道，并在两侧压板处连接有一定数目的叶片。电机在工作时，电机壳体内冷却介质在叶片的作用下，经径向和轴向冷却通道循环流动，由冷却介质对电机的定、转子同时冷却。这种构造使得冷却介质能在轴向和径向流动通过所述定、转子，尤其能使转子各处均匀散热，达到良好冷却效果。

Description

一种永磁同步电机的冷却结构

技术领域

本发明涉及一种旋转电机冷却设计领域，特别涉及具有转子冷却结构的永磁同步电机。其中该电机转子具有平滑型轴向冷却通道和径向冷却通道，这种构造使得冷却介质在运行时能在轴向和径向流动通过所述定、转子，尤其能使转子各处均匀散热，达到良好冷却效果。

背景技术

目前电气传动机械设备广泛应用于国防、航天、冶金等领域，特别是在先进设备制造领域和高精度控制传动领域，其动力源多为由驱动控制器驱动的永磁同步电动机。这种电气传动***的特点是集成了机械、电气、电子、控制、新材料等各种先进技术，发展成为高度机电一体化的产品。具有调速范围广、转动惯量小、***效率高、易于实现无级调速和精密控制的优点。

随着现代各工业应用领域的不断发展，对驱动电机的各项技术指标要求越来越高。在提升电机容量的同时，对电机的体积、转速、使用温升等提出了苛刻的限制条件，因此驱动电机的冷却设计越来越显得重要。

目前永磁电机广泛采用的冷却方案是，对电机的定子进行风冷或者液体循环强制冷却，而对转子没有专门的冷却措施。由于定子铁芯齿槽结构造成的气隙不均匀和施加电流中的高次谐波成分，导致永磁电机气隙磁场中含有大量谐波，这将会在电机定、转子铁芯中产生高频附加损耗；同时由于磁钢是导电体，因此高次谐波也会在磁钢中产生涡流损耗，这些附加损耗不仅降低了电机的效率，增加了电机的发热和温升水平，而且给电机的长期稳定运行带来风险。

由于永磁电机转子与定子之间气隙狭小，气隙中的空气轴向流动困难，使得转子的冷却困难，会产生发热严重的问题，这将会使转子上的磁钢材料在长期高温下失磁，降低电机的输出效能；另外，转子铁芯发热严重，热量传递到转轴和轴承上，将会影响轴承的使用寿命，并且使转轴产生热变形，影响电机的工作性能，导致电机振动剧烈，噪声严重。所以在永磁电机中，特别是高功率密度的永磁电机中，转子上的发热问题需要重点考虑，转子的冷却结构设计也极为重要。

申请号为ZL200610095805.4的专利，提到带有中心转子冷却管的电机冷却***结构，但此结构在转子铁芯上带有勺状体，布置在转子铁芯表面下方，不适 用于表贴式的永磁同步电机。申请号为ZL201010184819.X的专利，提到具有转子冷却结构的高速电机结构，但该结构只在转子铁芯上设置有轴向通风孔，虽然能在转子上起到一定的降温作用，但是该种结构只能对有限长度的小型永磁电机起到较好冷却效果，对于容量更大的永磁同步电机，例如转子轴向长度超过300mm或者更大，长的转子就会限制通过轴向冷却通道的冷却介质流量，造成转子轴向长度冷热不均。申请号为ZL201010136949.6的专利，提到高速永磁同步电机的自内冷转子结构，是利用表贴磁钢和永磁体护套构成轴向通风孔道，只适用于表贴式永磁同步电机，且没有设置径向冷却通道，也存在长转子轴向长度冷热不均的问题。申请号为ZL200780033194.3的专利，提到用于电机励磁绕组的转子径向通风管的冷却结构，也利用了轴向冷却通道，但是没有运用到表贴式永磁电机的磁钢表面和护套形成有效通风道，缺少对永磁电机磁钢在转子位置上的放置设计，因此需要在转子结构上进行改进通风设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术不足，通过改善电机冷却结构布置，有效提高永磁同步电机转子的冷却效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种永磁同步电机的转子冷却结构，其特征在于：包括在转子铁芯内形成的径向辐射型分布的多个平滑型的转子轴向冷却通道和沿轴向分段分布的多个平滑型的转子径向冷却通道，还包括在定子铁芯内形成的径向辐射型多个定子轴向冷却通道和沿轴向分段分布的多个定子径向冷却通道；在转子铁芯两侧压板上开有多个通风孔，且在两侧压板上分别连接有多片薄叶片，薄叶片跟随转子铁芯旋转运动后驱动冷却介质在永磁同步电机的腔体内循环流通，冷却介质在循环流通过程中通过转子轴向冷却通道和转子径向冷却通道冷却转子铁芯，同时，冷却介质在循环流通过程中通过定子轴向冷却通道和定子径向冷却通道冷却定子铁芯；在定子铁芯的外壁与永磁同步电机的壳体接触处形成有水道结构，由水道结构内的冷却介质直接冷却定子铁芯，并间接冷却永磁同步电机的腔体内的冷却介质。

优选地，所述转子径向冷却通道与所述定子径向冷却通道相对布置，且相互独立。

优选地，所述转子轴向冷却通道在所述转子铁芯内或平行于转子轴线，或倾 斜于转子轴线，且所述转子轴向冷却通道的截面从所述转子铁芯两端面往中心呈喇叭形收缩，在所述转子铁芯的中心处设置有隔风挡板。

优选地，所述转子轴向冷却通道或所述定子轴向冷却通道在圆周绕中心轴均匀分布。

优选地，在所述转子两侧压板上开设的通风孔的数目与所述转子轴向冷却通道的数目相同，且其孔径大于所述转子铁芯端面上的转子轴向冷却通道。

优选地，所述通风孔或垂直于所述压板端面设置，或向所述转子铁芯旋转方向倾斜设置。

优选地，所述薄叶片的形状为类矩形或者类扇形，其安装方式为前倾式、或径向式、或后倾式。

优选地，在所述转子铁芯内放置有磁钢，其放置方式或为表贴式、或为内装式。

优选地，在永磁同步电机的转轴上固定有轴流式风扇叶轮。

优选地，在所述定子轴向冷却通道的外侧设有挡风板。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的用于永磁同步电机的冷却结构，在电机定、转子上设置有径向和轴向冷却通道，并在两侧压板处连接有一定数目的薄型叶片。电机在旋转工作时，电机壳体内冷却介质在叶片的作用下，经径向和轴向冷却通道循环流动，由冷却介质对电机的定、转子同时冷却，降低了电机定、转子在高温下长期工作带来的风险，延长了电机的使用寿命，并能提高电机的工作效能。

2、电机的壳体外套有水道，可以更好地直接冷却定子，并且间接的降低了空腔内冷却介质的温度，更有利于整个电机的冷却效果。

3、转子轴向冷却通道在轴向上面积是可变的，可以是平行于轴线分布，也可以是倾斜轴线分布，面积随轴向位置变化而变化的冷却通道可以降低由于转子铁芯过长以及径向通道分流带来的压头不够和风量偏少的问题，并且转子中心部位可以得到与两侧相近的冷却效果，使转子整体冷热均匀，避免转子铁芯变形和磁钢材料失磁的风险。

附图说明

图1为永磁同步电机整体结构示意图；

图2为常规无冷却的转子结构示意图；

图3为实施例5所述的结构示意图；

图中各标号标示：1，壳体；2，水道结构；3，定子铁芯；4，定子轴向冷却通道；5，定子径向冷却通道；6，气隙；7，转子铁芯；8，转子径向冷却通道；9，定子压板；10，定子线圈端部；11，挡风板；12，前端盖；13，叶轮组件；14，前轴承组件；15，转轴；16，散热筋；17，薄叶片；18，压板；19，转子轴向冷却通道；20，挡风罩；21，外置风扇；22，后端盖；23，后轴承组件。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

图1表示本发明的一种用于永磁同步电机转子冷却的结构实例，包括壳体1、定子铁芯3、转子铁芯7、前端盖12、后端盖22、前轴承组件14、后轴承组件23等。定子铁芯3套设于壳体1内；磁钢固定放置于转子铁芯7，并用两侧压板18在轴向固定，转子铁芯7固定于电机转轴15上，形成转子组件。转子铁芯7套设于定子铁芯3内，前端盖12、后端盖22、前轴承组件14、后轴承组件23与壳体1分别组成前后空腔，内部冷却介质可以在空腔内流动贯通。电机运行时，由两侧压板18上的厚度约为0.5～5mm的矩形或扇形的薄叶片17通过旋转运动驱动内部的冷却介质流动，以达到冷却定子绕组端部10、转轴15和前轴承组件14及后轴承组件23的效果，薄叶片17的数目和尺寸大小可根据需要的风量和压头进行优化设计，以达到完好的提供冷却动力的要求，同时避免因设计不合理导致机械振动和噪声增大。在转子铁芯7内形成的径向辐射型分布的多个平滑型的转子轴向冷却通道19和沿轴向分段分布的多个平滑型的转子径向冷却通道8，在转子铁芯7内每隔30～80mm长度可设置一个转子径向冷却通道8，宽度一般在5～15mm。在定子铁芯3内形成的径向辐射型分布的多个定子轴向冷却通道4和沿轴向分段分布的多个定子径向冷却通道5，定子铁芯3内每隔30～80mm长度可设置一个定子径向冷却通道5，定子径向冷却通道5宽度一般在5～15mm。薄叶片17跟随转子铁芯7旋转运动后驱动冷却介质在永磁同步电机的腔体内循环流通，冷却介质在循环流通过程中通过转子轴向冷却通道19和转子径向冷却通道8冷却转子铁芯7，同时，冷却介质在循环流通过程中通过定子轴向冷却通 道4和定子径向冷却通道5冷却定子铁芯3。

同时，在定子铁芯3的外壁与永磁同步电机的壳体1接触处形成有水道结构2，水道结构2内的冷却介质流动工作，直接冷却定子铁芯3，间接冷却电机空腔内冷却介质。通过内外冷却介质的流动，使前后空腔的散热效果基本一致。这样的风路设计结构，不仅使发热量较大的定子3得到良好冷却，而且使发热量较小但能严重影响磁钢工作性能的转子7得到冷却；与此同时，改善了转轴15和前轴承组件14、后轴承组件23处的发热情况，进而保证前轴承组件14、后轴承组件23与前端盖12、后端盖22、壳体1之间稳定的机械配合距离，提高转子组件部分的旋转动平衡度，使电机振动幅度减少。

在本实施方式中，转子径向冷却通道8与定子径向冷却通道5可以相对设置不交错，以减少流阻；定子轴向冷却通道4在圆周上均匀分布，具体数量和尺寸大小可根据定子铁芯3的尺寸大小确定；转子轴向冷却通道19在圆周上均匀分布，具体数量和尺寸大小可根据转子铁芯7的尺寸大小确定，转子轴向冷却通道19可以是平行于轴线，也可以是倾斜于转子轴线，且冷却通道截面从转子铁芯7两端面往中心呈喇叭形收缩，通过两压板18外侧的薄叶片17的旋转运动形成离心式风扇的送风效果。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：水道结构2可以是具有螺旋形水道或者“S”型水道，具体选择可根据冷却所需流量、流速以及进出水孔的安装位置决定。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：在转轴15上安放固定轴流式风扇叶轮13，以满足可能需要的冷却风量，具体选择可以根据电机的安装尺寸和空间位置需求以及冷却效果计算结果决定。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：在定子轴向冷却通道4外侧加工有挡风板11，使得电机空腔内冷却介质流动时，气流能够在进入或者流出冷却通道时减少流阻，以增强通风效果。

实施例5

结合图3，本实施例与实施例1的不同之处在于：转子轴向冷却通道19平行于转子轴线，其通道截面积不变。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述电机壳体1外可以是散热筋16结构，壳体采用自然冷却或者外配风扇21强制风冷。

上述只是本发明的例示，并非对本发明做任何形式和结构上的限制。虽然本发明已以较佳的结构件图标示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可以利用上述揭示的技术内容和说明做出多种可能的变动。因此凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上例示所做的任何简单修改、等同变化等，均应落在本发明技术方案保护范围内。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：包括在转子铁芯（7）内形成的沿径向辐射型分布的多个平滑型的转子轴向冷却通道（19）和沿轴向分段分布的多个平滑型的转子径向冷却通道（8），还包括在定子铁芯（3）内形成的径向辐射型分布的多个定子轴向冷却通道（4）和沿轴向分段分布的多个定子径向冷却通道（5）；在转子铁芯（7）两侧压板（18）上开有多个通风孔，且在两侧压板（18）上分别连接有多片薄叶片（17），薄叶片（17）跟随转子铁芯（7）旋转运动后驱动冷却介质在永磁同步电机的腔体内循环流通，冷却介质在循环流通过程中通过转子轴向冷却通道（19）和转子径向冷却通道（8）冷却转子铁芯（7），同时，冷却介质在循环流通过程中通过定子轴向冷却通道（4）和定子径向冷却通道（5）冷却定子铁芯（3）；在定子铁芯（3）的外壁与永磁同步电机的壳体（1）接触处形成有水道结构（2），由水道结构（2）内的冷却介质直接冷却定子铁芯（3），并间接冷却永磁同步电机的腔体内的冷却介质；

所述转子轴向冷却通道（19）在所述转子铁芯（7）内或平行于转子轴线，或倾斜于转子轴线，且所述转子轴向冷却通道（19）的截面从所述转子铁芯（7）两端面往中心呈喇叭形收缩，在所述转子铁芯（7）的中心处设置有隔风挡板。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：所述转子径向冷却通道（8）与所述定子径向冷却通道（5）相对布置，且相互独立。

3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：所述转子轴向冷却通道（19）或所述定子轴向冷却通道（4）在圆周绕中心轴均匀分布。

4.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：在所述转子两侧压板（18）上开设的通风孔的数目与所述转子轴向冷却通道（19）的数目相同，且其孔径大于所述转子铁芯（7）端面上的转子轴向冷却通道（19）。

5.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：所述通风孔或垂直于所述压板（18）端面设置，或向所述转子铁芯（7）旋转方向倾斜设置。

6.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：所述薄叶片（17）的形状为类矩形或者类扇形，其安装方式为前倾式、或径向式、或后倾式。

7.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：在所述转子铁芯（7）内放置有磁钢，其放置方式或为表贴式、或为内装式。

8.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：在永磁同步电机的转轴（15）上固定有轴流式风扇叶轮（13）。

9.如权利要求1所述的一种永磁同步电机的冷却结构，其特征在于：在所述定子轴向冷却通道（4）的外侧设有挡风板（11）。