永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构及冷却系统

1.本发明涉及电机冷却技术领域，尤其涉及一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构及冷却系统。


背景技术：

2.永磁电机目前广泛应用于船舶电力、轨道交通、压缩机、电梯、新能源汽车等领域，具有功率密度高、高效节能、结构简单等优点，但随着电机容量和功率密度的提升，其散热变得越来越困难。由于永磁电机无法实现开启式散热，故普遍采用翅片式风冷机壳或水冷套机壳的外冷结构。机壳外冷方式结构简单，维护方便，机壳可直接与定子铁心进行热量交换，实现对定子铁心和槽内绕组的冷却。但机壳外冷方式不能有效解决转子和定子端部绕组的散热，相关研究也表明机壳外冷式永磁电机中定子绕组端部和转子部分温升较高，局部区域散热不佳导致温升过高，将出现定子绕组绝缘损坏、永磁体不可逆退磁等问题。这些问题不仅会影响电机的性能，缩短电机的寿命，甚至会损毁电机。
3.通常情况下永磁电机的转子发热量不高，因此一般小容量电机中不对转子设置冷却措施。但是随着功率密度的提高和电机容量的增大，转子的发热量不可忽视，且会出现转子轴向温度分布不均的问题，因此对转子设置冷却措施十分必要。另外定子端部绕组通过轴向传热、电机端盖和机壳散热，但定子端部绕组及连接线较长、附近空气流速低，散热能力较差，通常使得该区域的绕组及连接线温升较高。
4.永磁电机转子和定子端部绕组温度过高，都可能影响永磁电机的安全运行。即对于在封闭结构中的转子和定子端部绕组存在温度分布不均、散热能力差，容易出现局部温度过高的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构及冷却系统，以解决因温度分布不均、散热能力差导致局部温度过高的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
7.一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，包括转子、定子和机壳；定子套装于转子，转子和定子的一端与机壳围成左散热区；转子上设置有左冷却通道，左冷却通道包括依次连通的第一进风孔、第一回风环、第一回风孔和第一出风孔；第一进风孔和第一回风孔沿轴向设置，第一出风孔沿径向设置，第一进风孔和第一出风孔均与左散热区连通。
8.进一步的，转子和定子的另一端与机壳围成右散热区；转子上设置有右冷却通道，右冷却通道包括依次连通的第二进风孔、第二回风环、第二回风孔和第二出风孔；第二进风孔和第二回风孔沿轴向设置，第二出风孔沿径向设置，第二进风孔和第二出风孔均与右散热区连通。
9.进一步的，永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构包括至少两个绕转子的轴线均布的左冷却通道和至少两个绕转子的轴线均布的右冷却通道。
10.进一步的，转子包括转子铁芯和转子端环，两个转子端环连接于转子铁芯的两端，以靠近左散热区的转子端环为左端环，以远离左散热区的转子端环为右端环；第一进风孔贯穿左端环和转子铁芯，右端环上设置有第一回风环，第一回风孔贯穿转子铁芯，左端环上设置有第一出风孔。
11.进一步的，第二进风孔贯穿右端环和转子铁芯，左端环上设置有第二回风环，第二回风孔贯穿转子铁芯，右端环上设置有第二出风孔。
12.进一步的，定子包括定子铁芯和定子端部绕组；两个定子端部绕组分别设置于定子铁芯两端；定子端部绕组套装于转子端环。
13.进一步的，定子端部绕组与转子端环之间留有间隙以形成通风通道。
14.进一步的，机壳包括壳体、左端盖和右端盖；壳体套装于转子和定子，左端盖和右端盖分别连接于壳体的两端；左端盖、壳体、定子和转子围成左散热区；右端盖、壳体、定子和转子围成右散热区。
15.进一步的，机壳设置为液冷机壳或风冷机壳。
16.本发明的另一方面，提出了一种永磁电机冷却系统，包括上述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构。
17.综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：
18.本发明提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构包括转子、定子和机壳；定子套装于转子，转子和定子的一端与机壳围成左散热区；转子上设置有左冷却通道，左冷却通道包括依次连通的第一进风孔、第一回风环、第一回风孔和第一出风孔；第一进风孔和第一回风孔沿轴向设置，第一出风孔沿径向设置，第一进风孔和第一出风孔均与左散热区连通。
19.本发明提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构通过转子的转动产生的离心力带动空气流动，在离心力作用下，第一出风孔处的空气被抽出至左散热区，此时第一出风孔处产生负压，在负压的作用下，左散热区内的空气被抽进左冷却通道，通过空气的流动使热量分布均匀。
20.即通过转子的转动产生的离心力使左散热区内的空气沿左冷却通道循环，同时由于第一进风孔和第一回风孔沿轴向设置，因此在空气沿第一进风孔和第一回风孔流动的过程中吸收并携带热量，使转子的热量被均匀散布，避免了局部温度过高，改善了散热效果，同时第一出风孔沿径向设置可使空气出现定子的端部绕组，加快空气流动，提升了散热效果。通过左冷却通道的设置，使左散热区内的空气沿左冷却通道流动并吹向定子，进而使转子的热量可沿轴向均匀分布并加快定子的散热，提高了散热效率。本发明在不改变电机整体结构的前提下，解决了电机运行过程中转子及端部绕组温度分布不均、散热效率低的问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构的结构示意图；
23.图2本发明实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构的剖视示意图；
24.图3为转子和定子端环的连接示意图；
25.图4为左端环的结构示意图；
26.图5为转子铁芯的结构示意图；
27.图6为右端环的结构示意图；
28.图7为风冷机壳的示意图。
29.图标：100-转子；200-定子；300-机壳；400-转轴；110-转子铁芯；120-左端环；130-右端环；210-定子铁芯；220-定子端部绕组；230-定子绕组；310-壳体；320-左端盖；330-右端盖；10a-第一进风孔；10b-第一回风环；10c-第一回风孔；10d-第一出风孔；20b-第二回风环；20c-第二回风孔；20d-第二出风孔；11a-左端孔；11b-第一通孔；21a-右端孔；21b-第二通孔；30-左散热区；40-右散热区。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.随着功率密度的提高和电机容量的增大，转子的发热量不可忽视，且会出现转子轴向温度分布不均的问题，因此对转子设置冷却措施十分必要。另外定子端部绕组通过轴向传热、电机端盖和机壳散热，但定子端部绕组及连接线较长、附近空气流速低，散热能力较差，通常使得该区域的绕组及连接线温升较高。永磁电机转子和定子端部绕组温度过高，都可能影响永磁电机的安全运行。即对于在封闭结构中的转子和定子端部绕组存在温度分布不均、散热能力差，容易出现局部温度过高的问题。本发明在不改变电机整体结构的前提下，解决了电机运行过程中转子及端部绕组温度分布不均、散热效率低的问题。
34.有鉴于此，本发明提供了一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构包括转子100、定子200和机壳300；定子200套装于转子100，转子100和定子200的一端与机壳300围成左散热区30；转子100上设置有左冷却通道，左冷却通道包括依次连通的第一进风孔10a、第一回风环10b、第一回风孔10c和第一出风孔10d；第一进风孔10a和第一回风孔10c沿轴向设置，第一出风孔10d沿径向设置，第一进风孔10a和第一出风孔10d均与左散热区30连通。
35.本发明提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构通过转子100的转动产生的离心力带动空气流动，在离心力作用下，第一出风孔10d处的空气被抽出至左散热区30，此
时第一出风孔10d处产生负压，在负压的作用下，左散热区30内的空气被抽进左冷却通道，通过空气的流动使热量分布均匀。
36.即通过转子100的转动产生的离心力使左散热区30内的空气沿左冷却通道循环，同时由于第一进风孔10a和第一回风孔10c沿轴向设置，因此在空气沿第一进风孔10a和第一回风孔10c流动的过程中吸收并携带热量，使转子100的热量被均匀散布，避免了局部温度过高，改善了散热效果，同时第一出风孔10d沿径向设置可使空气出现定子200的端部绕组，加快空气流动，提升了散热效果。通过左冷却通道的设置，使左散热区30内的空气沿左冷却通道流动并吹向定子200，进而使转子100的热量可沿轴向均匀分布并加快定子200的散热，提高了散热效率。
37.以下结合图1-图7对本实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构的结构和形状进行详细说明：
38.本实施例的可选方案中，转子100和定子200的另一端与机壳300的内壁围成右散热区40，即左散热区30和右散热区40分别位于转子100的两端，如图1、图2所示。转子100上设置有右冷却通道，右冷却通道包括依次连通的第二进风孔、第二回风环20b、第二回风孔20c和第二出风孔20d；第二进风孔和第二回风孔20c沿轴向设置，第二出风孔20d沿径向设置，第二进风孔和第二出风孔20d均与右散热区40连通，第二进风孔由右端孔21a和第二通孔21b连通组成。
39.本实施例的可选方案中，转子100包括转子铁芯110和转子端环，两个转子端环连接于转子铁芯110的两端，以靠近左散热区30的转子端环为左端环120，以远离左散热区30的转子端环为右端环130。
40.定子200包括定子铁芯210、定子端部绕组220和定子绕组230，两个定子端部绕组220分别设置于定子铁芯210两端并与定子绕组230连接，定子绕组230安装于定子铁芯210，定子端部绕组220套装于转子端环，即两个定子端部绕组220分别套装于左端环120和右端环130，如图3所示。
41.机壳300包括壳体310、左端盖320和右端盖330；壳体310套装于转子100和定子200，左端盖320和右端盖330分别连接于壳体310的两端；左端盖320、壳体310、定子200和转子100围成左散热区30；右端盖330、壳体310、定子200和转子100围成右散热区40。
42.本实施例中，第一进风孔10a贯穿左端环120和转子铁芯110，右端环130上设置有第一回风环10b，第一回风孔10c贯穿转子铁芯110，左端环120上设置有第一出风孔10d；第二进风孔贯穿右端环130和转子铁芯110，左端环120上设置有第二回风环20b，第二回风孔20c贯穿转子铁芯110，右端环130上设置有第二出风孔20d。
43.具体而言，如图4、图5、图6所示，左端环120上设置有左端孔11a、第一出风孔10d和第二回风环20b，其中，左端孔11a为通孔；转子铁芯110上设置有第一通孔11b、第一回风孔10c、第二回风孔20c和第二通孔21b，四者均为沿转子铁芯110轴向方向延伸的通孔；右端环130上设置有第一回风环10b、第二出风孔20d和右端孔21a，其中，右端孔21a为通孔。左端孔11a和第一通孔11b连通以组成第一进风孔10a，右端孔21a和第二通孔21b连通以组成第二进风孔。
44.本实施例中，定子端部绕组220与转子端环之间留有间隙以形成通风通道，使空气可从第一出风孔10d进入左散热区30，从第二出风孔20d进入右散热区40。
45.本实施例中，永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构包括至少两个绕转子100的轴线均布的左冷却通道和至少两个绕转子100的轴线均布的右冷却通道，以增强散热效果和热量的均匀分布。具体而言，如图4、图5、图6所示，共形成有两个左冷却通道和两个右冷却通道；如图3所示，左端为两个左冷却通道的入口，即第一进风孔10a的入口，相应的，另一端设置有两个右冷却通道的入口。
46.本实施例的可选方案中，永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构还包括转轴400，转轴400插装于转子100，用于输出动力。
47.本实施例的可选方案中，机壳300设置为液冷机壳或风冷机壳。风冷机壳通过散热筋散热，如图7所示；液冷机壳上设置有冷却液入口和冷却液出口，通过冷却液在机壳300内流动对电机散热。
48.本实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构的工作过程以左冷却通道为例进行说明：
49.通过机壳300进行制冷，在转子100自转产生的离心力作用下，第二出风孔20d内的空气沿径向流动并抵达左散热区30，同时在离心力作用下向机壳300流动并与机壳300进行热交换以进行降温。
50.因第二出风孔20d内的空气流出使第二出风孔20d处形成负压，在负压的作用下进行抽吸，使左散热区30内的空气进入第一进风孔10a并以此经过第一回风环10b和第一回风孔10c到达第一出风孔10d。
51.简而言之，在离心力作用下，空气从左散热区30依次经过第一进风孔10a、第一回风环10b、第一回风孔10c和第一出风孔10d，最后返回左散热区30。从第一出风孔10d流出的空气定子200的沿径向流经定子端部绕组220并将定子端部绕组220的热量带走，最终在离心力作用下抵达机壳300处被机壳300冷却，冷却后的空气散布到左散热区30后进入左冷却通道，如此往复循环，实现空气的流动。
52.空气沿第一进风孔10a和第一回风孔10c的流动过程中，可沿转子铁芯110的轴线方向与转子铁芯110进行热量交换，对转子铁芯110进行降温并使转子铁芯110沿轴向的温度分布均匀。简而言之，冷却空气从左散热区30进入左冷却通道对转子铁芯110和定子端部绕组220进行降温，并使其热量分布均匀，温度升高的空气进入左散热区30并被机壳300冷却后再次进入左冷却通道。尤其是被加热的空气在离心力作用下向机壳300内壁流动，有利于加快对空气的降温，提高冷却效率。
53.同样的，在转子100的离心力作用下，右散热区40内的空气进入右冷却通道并经过定子端部绕组220返回右散热区40。如图5所示，左冷却通道第一通孔11b、第一回风孔10c和右冷却通道的第二回风孔20c和第二通孔21b沿转子铁芯110的轴线圆周阵列，使空气流通通道均匀分布，以实现对转子铁芯110的充分且均匀的冷却。
54.本实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构可同时提高转子100和定子端部绕组220的冷却效率，在不改变电机整体结构的前提下，实现了对转子100和定子端部绕组220的冷却，不仅提高了冷却效率，而且这种冷却结构易于实现，成本低廉且性能稳定，不增加额外的零件和动作，可靠性高。
55.基于本实施例提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，提出了一种永磁电机冷却系统，包括上述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构。
56.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，包括转子(100)、定子(200)和机壳(300)；所述定子(200)套装于所述转子(100)，所述转子(100)和所述定子(200)的一端与所述机壳(300)围成左散热区(30)；所述转子(100)上设置有左冷却通道，所述左冷却通道包括依次连通的第一进风孔(10a)、第一回风环(10b)、第一回风孔(10c)和第一出风孔(10d)；所述第一进风孔(10a)和所述第一回风孔(10c)沿轴向设置，所述第一出风孔(10d)沿径向设置，所述第一进风孔(10a)和所述第一出风孔(10d)均与所述左散热区(30)连通。2.根据权利要求1所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述转子(100)和所述定子(200)的另一端与所述机壳(300)围成右散热区(40)；所述转子(100)上设置有右冷却通道，所述右冷却通道包括依次连通的第二进风孔、第二回风环(20b)、第二回风孔(20c)和第二出风孔(20d)；所述第二进风孔和所述第二回风孔(20c)沿轴向设置，所述第二出风孔(20d)沿径向设置，所述第二进风孔和所述第二出风孔(20d)均与所述右散热区(40)连通。3.根据权利要求2所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，包括至少两个绕所述转子(100)的轴线均布的所述左冷却通道和至少两个绕所述转子(100)的轴线均布的所述右冷却通道。4.根据权利要求2所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述转子(100)包括转子铁芯(110)和转子端环，两个所述转子端环连接于所述转子铁芯(110)的两端，以靠近所述左散热区(30)的所述转子端环为左端环(120)，以远离所述左散热区(30)的所述转子端环为右端环(130)；所述第一进风孔(10a)贯穿所述左端环(120)和所述转子铁芯(110)，所述右端环(130)上设置有所述第一回风环(10b)，所述第一回风孔(10c)贯穿所述转子铁芯(110)，所述左端环(120)上设置有所述第一出风孔(10d)。5.根据权利要求4所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述第二进风孔贯穿所述右端环(130)和所述转子铁芯(110)，所述左端环(120)上设置有第二回风环(20b)，所述第二回风孔(20c)贯穿所述转子铁芯(110)，所述右端环(130)上设置有所述第二出风孔(20d)。6.根据权利要求5所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述定子(200)包括定子铁芯(210)和定子端部绕组(220)；两个所述定子端部绕组(220)分别设置于所述定子铁芯(210)两端；所述定子端部绕组(220)套装于所述转子端环。7.根据权利要求6所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述定子端部绕组(220)与所述转子端环之间留有间隙以形成通风通道。8.根据权利要求7所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述机壳(300)包括壳体(310)、左端盖(320)和右端盖(330)；所述壳体(310)套装于所述转子(100)和所述定子(200)，所述左端盖(320)和所述右端盖(330)分别连接于所述壳体(310)的两端；所述左端盖(320)、所述壳体(310)、所述定子(200)和所述转子(100)围成所述左散热
区(30)；所述右端盖(330)、所述壳体(310)、所述定子(200)和所述转子(100)围成所述右散热区(40)。9.根据权利要求8所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构，其特征在于，所述机壳(300)设置为液冷机壳或风冷机壳。10.一种永磁电机冷却系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构。

技术总结
本发明涉及电机冷却技术领域，尤其涉及一种永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构及冷却系统，旨在解决因温度分布不均、散热能力差导致局部温度过高的问题。本发明提供的永磁电机转子及定子端部绕组冷却结构包括转子、定子和机壳；定子套装于转子，机壳与转子和定子的一端围成左散热区；转子上设置有左冷却通道，左冷却通道包括依次连通的第一进风孔、第一回风环、第一回风孔和第一出风孔；第一进风孔和第一出风孔均与左散热区连通。转子的转动产生的离心力带动空气流动，在离心力作用下第一出风孔处的空气被抽出至左散热区使第一出风孔处产生负压，在负压的作用下左散热区内的空气被抽进左冷却通道，从而进行降温并使温度分布均匀。均匀。均匀。


技术研发人员：熊斌 陈金秀 陈雅婷 阮琳 李祖明
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21