一种电机定子冷却结构及具有该结构的开关磁阻电机的制作方法

本发明属于电机冷却技术领域，具体涉及一种电机的定子冷却结构以及具有该冷却结构的定子模块化开关磁阻电机。

背景技术：

开关磁阻电机具有结构简单、成本低、容错性能好、启动转矩大及调速范围广等优点，而且其转子只有硅钢片，适合高速运行，主要热量集中在定子上，便于冷却，在电动汽车和电动工具等领域具有广泛应用。

定子模块化开关磁阻电机是一种新型开关磁阻电机，其除了具有传统开关磁阻电机的优点，还具有其他传统开关磁阻电机所不具备的优势。由于定子铁心采用分块化设计，因此具有绕线简单、便于安装及拆卸维修、容错性高等特点。其定子铁心一般设计成单个分块的U型及E型结构，实现了结构上的隔离及物理上的解耦，因此相对于普通电机具有更强的容错能力，当单个铁心模块上的绕组发生故障时，可仅更换和维修故障模块，因此节省了后期运行维护成本。另外其磁路在铁心块中具有单向性，因此可以降低铁耗，提高电机效率。由于这些优点，这种新型电机引起了广大学者的研究兴趣，在航空启动发电机、电动汽车、医用肾透析仪等领域具有广阔的应用前景。

但是，开关磁阻电机(包括定子模块化开关磁阻电机)相比于永磁电机，由于其转矩脉动和振动噪声大，效率和功率密度低，其广泛应用还受到一定限制，特别是对于对电机空间重量要求很高的场合，如航空启动发电机和电动汽车电机等，提升开关磁阻电机的功率密度显得极为重要。这就需要采取高效的冷却结构或者冷却方式来提升电机的热性能，从而提高其电密和热负荷，达到提升转矩和功率的目的。

电机的绕组往往是电机发热最为严重的部位，特别是对于开关磁阻电机，绕组铜耗所占的比例更大，降低绕组温升将会有效提升电机的寿命、效率及功率等级。目前，由于空间和重量的限制，高功率密度定子模块化开关磁阻电机一般在定子铁心外部采用圆环形水套对电机进行冷却，如图1所示，在机壳中设置直槽或螺旋水道，定子中绕组产生的热量先通过热传导方式传到定子齿和轭部，然后由铁心传到水套中由水带走。另外，在模块化定子之间设置结构填充物，来固定夹紧定子铁心。

但是，上述采用圆环形机壳中设置水道的形式冷却电机，其绕组热源相对于水套冷源较远，需要通过铁心齿部和轭部的传导作用，这种结构，绕组中心温度和铁心齿部温度都可能较高，因此冷却效果有限，特别是对于超高功率密度的电机，绕组热量很难散失到冷却介质中。并且，其中的定子模块之间的结构填充物与定子模块的安装配合工艺复杂。

为克服上述问题，现有技术中出现了采用槽内水管对电机进行冷却的技术方案。如图2所示，该方案中水管布置在槽口或者两个绕组线圈边之间，槽内水管的材料一般为导热性能较好的不锈钢或者铜。这种冷却方式冷却水与绕组热源损耗更近，因此具有很好的冷却效果。

尽管该方案采用槽内水管冷却具有很好的冷却效果，但是在实际应用中并不广泛，因为具有以下缺点：(1)水管材料为具有高导电率的铜或者不锈钢，在槽漏磁的作用下，特别是槽口布置处的水管，其水管壁中可能会产生比较大的涡流损耗，降低了电机的效率。(2)槽内水管占据了一定的槽面积，所能放置绕组导线的面积减小了，因此降低了电机槽满率，相同电流下，电机铜耗增大，这个在一定程度上抵消了槽内水管所能带来的冷却效果。(3)这种冷却方式结构比较复杂，特别是端部水管的连接工艺复杂，此外，水管连接还有密封泄漏的问题。(4)依然存在定子模块之间的结构填充物与定子模块的安装配合工艺复杂的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种电机定子冷却结构以及具有该冷却结构的电机，通过优化的结构设计，使得其不仅可以对绕组进行很好的冷却，解决目前电机绕组冷却效果差的问题，而且其同时便于定子模块的安装，使得电机的模块化定子安装及固定简单可靠，而且具有减震降噪的功能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种电机冷却结构，用于冷却介质在其内流动以实现对具有模块化定子的电机的绕组的冷却，其特征在于，该冷却结构包括：

电机环形壳体内壁上向内凸起形成的多个水套齿以及设置在电机壳体内各水套齿之间的以将各水套齿连通的冷却介质流道，其中，

各水套齿沿周向间隔布置且各水套齿之间用于嵌入所述模块化定子，该模块化定子两端的定子齿与对应的水套齿侧面抵接，轭部在与电机壳体内壁接触的表面开有条形凹槽，使之与电机壳体内壁之间形成有空隙，绕组线圈缠绕在各定子两齿之间的齿槽上且绕组线圈的一边在定子槽内，另一边在所述空隙内；

所述水套齿内部为空腔，电机壳体内位于各水套齿两侧的所述冷却介质流道通过该空腔连通，且所述空腔内设置有从电机壳体突出并伸入空腔中的水道挡板，该水道挡板顶部和两侧面分别与所述空腔内壁顶部和空腔两侧内壁面均对应间隔一定距离，从而形成沿空腔内壁的流道并与水套齿两侧的冷却介质流道相通，使得冷却介质可沿所述冷却介质流道及各水套齿内的流道在电机壳体内流动，实现对绕组和定子铁心的冷却。

作为本发明的进一步优选，所述水套齿侧面与模块化定子的侧面匹配，从而使得所述模块化定子可方便安装于其中。

作为本发明的进一步优选，所述冷却介质流道在轴向上为并列排布的多条间隙，各条之间通过隔离筋隔离。

作为本发明的进一步优选，所述嵌套在水套齿之间的定子在轴向上通过压条压紧固定在壳体上。

作为本发明的进一步优选，所述水道挡板沿壳体轴向上的侧面上设置有安装孔，对应水套齿在相应位置上也设置有孔，所述压条通过该安装孔与所述水道挡板固定。

按照本发明的另一方面，提供一种具有模块化定子的电机，其包括环状壳体、设置在壳体内壁上的呈环形布置的多个模块化定子、以及同心套设在所述模块化定子形成的环形空间内的转子，其中，

所述壳体内壁周向上具有多个向内凸起形成的水套齿，壳体内的各水套齿之间开设有用以将各水套齿连通的冷却介质流道，

所述模块化定子嵌入设置在各水套齿之间，模块化定子两端的定子齿与对应的水套齿侧面抵接，轭部在与电机壳体内壁接触的表面开有条形凹槽，使之与电机壳体内壁之间形成有空隙，绕组线圈缠绕在定子两齿之间的齿槽上且绕组线圈的一边在定子槽内，另一边在所述空隙内；

所述水套齿内部为空腔，水套齿两侧的所述冷却介质流道通过该空腔连通，且所述空腔内设置有从电机壳体突处并伸入空腔中的水道挡板，该水道挡板顶部和两侧面分别与所述空腔内壁顶部和空腔两侧内壁面均对应间隔一定距离，从而形成沿空腔内壁的流道并分别与水套齿两侧的冷却介质流道相通，使得冷却介质可沿所述冷却介质流道及各水套齿内的流道在电机壳体内流动，从而实现对绕组和定子铁心的冷却。

作为本发明的进一步优选，所述水套齿侧面与模块化定子的侧面匹配，从而使得所述模块化定子可方便安装于其中。

作为本发明的进一步优选，所述冷却介质流道在轴向上为并列排布的多条间隙，各条之间通过隔离筋隔离。

作为本发明的进一步优选，所述嵌套在水套齿之间的定子在轴向上通过压条压紧固定在壳体上。

作为本发明的进一步优选，所述水道挡板沿壳体轴向上的侧面上设置有安装孔，对应水套齿在相应位置上也设置有孔，所述压条通过该安装孔与所述水道挡板固定。

作为本发明的进一步优选，所述具有模块化定子的电机为开关磁阻电机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明的冷却结构能够将水引入到电机齿部周围，并且绕组的上层边与水套接触紧密，保证了铁心、绕组等热源与冷却介质的良好接触，热源到冷却介质的距离小，热阻小，并且具有很大的接触面积，因此具有很好的冷却效果，可以有效降低电机绕组和齿部的温升，大大提升电机的功率密度；

(2)本发明的冷却结构中设置的水道隔离筋、分离板结构可以使水流能够按照冷却需要进行流动，并且保证了水套整体的机械强度；

(3)本发明的冷却结构中的水套齿设置使得铁心模块可以直接插入到壳体上，并且与水套齿配合良好，解决了铁心模块定位固定的问题，简化了铁心模块的安装工艺，降低了成本；

(4)本发明的冷却结构中的铁心压条在两端压紧铁心，可以避免铁心齿部由于轭部焊接而引起的变形，紧固了整体机械结构，具有潜在的减震降噪的效果。

(5)本发明的冷却结构铁心端部使用铁心压条压紧，紧固了电机整体机械结构，减少了铁心齿部变形，可以达到减震降噪的目的。

附图说明

图1为现有技术中的一种定子模块化开关磁阻电机的冷却结构示意图；

图2为现有技术中的另一种定子模块化开关磁阻电机的冷却结构示意图；

图3为本发明实施例的定子模块化开关磁阻电机及其冷却结构的结构示意图；

图4为本发明实施例的定子模块化开关磁阻电机的冷却结构立体结构示意图；

图5为本发明实施例的定子模块化开关磁阻电机的立体结构示意图；

图6为本发明实施例的定子模块化开关磁阻电机中的定子压条结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-冷却水套，2-模块化定子铁心齿部，3-模块化定子铁心轭部，4-水套入口，5-水套出口，6-转子铁心，7-环形绕组线圈上层边，8-环形绕组线圈下层边，9-普通水套，10-普通绕组线圈，11-结构填充物，12-机壳，13-槽内水管，14-铁心压条，15-环形绕组，16-冷水汇集腔，17-热水汇集腔，18-水道隔离筋，19-水道支路，20-水道挡板，21-水套齿，22-六角螺栓，23-弹簧垫片，24-平垫片，25-压台，26-压指，27-弧形结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3和4所示，本发明实施例的一种定子模块化开关磁阻电机的冷却结构，如图3所示，本实施例中优选电机包括6个分离的定子铁心模块，但本发明中并不限于此，实际上定子铁心模块的数量可以根据实际电机的性能要求及实际情况进行具体选择，例如可以为1、2、3、4……或其他数量。

如图3和4所示，电机冷却水套(1)内壁上沿周向间隔布置多个水套齿21，由于环形内壁结构，各水套齿21也围成环形，水套齿21数量与定子铁心数量保持一致，各水套齿21之间形成的空间用于定子铁心的嵌入安装。

每个铁心模块其两端为模块化定子铁心齿部2，水套齿21的外轮廓在周向上的两侧面与模块化定子铁心齿部2的侧面轮廓匹配，模块化定子两端的模块化定子铁心齿部2与对应的水套齿21侧面抵接卡紧。

模块化定子铁心轭部3在与电机冷却水套1内壁接触的表面开有条形凹槽，使之与电机冷却水套1内壁之间形成有空隙。每个铁心模块上面环绕一个绕组线圈，具体地，线圈绕组定子两齿之间的齿槽内，其中环形绕组线圈下层边8在定子槽内，环形绕组线圈上层边7在模块化定子铁心轭部3形成的槽内，并且紧靠冷却水套1，可以有效的将绕组中产生的热量传导到冷却介质中，降低了绕组的温升。

电机机壳内的各水套齿21之间的弧形区域内设置有冷却介质流道，如图4所示，其优选是沿壳体轴向上并列设置的多条，各条之间通过水道隔离筋18隔离。各水套齿21内部均为空腔，水套齿21两侧的冷却介质流道不直接导通而是通过该空腔连通。且各空腔内均设置有从电机冷却水套1凸出并伸入水套齿21空腔中的水道挡板20，该水道挡板20顶部与空腔内壁顶部间隔一定距离，同时水道挡板20沿壳体周向上的两侧面也分别与相对的空腔内壁面间隔一定距离，从而水套齿21内部形成沿空腔内壁的流道。且该流道分别与水套齿21两侧的冷却介质流道相通。

当然，本发明中的水道布置并不限于此，内部水道的布置可以采取其他方式，例如各支路水道19也可以根据水压限制及水速要求，采用串联或并联的方法，形成其他水路布置，不仅限于此发明实施例所述的所有水道支路19采用并联的方式。

冷却介质可沿冷却介质流道及各水套齿21内的流道在电机冷却水套1内流动，进而从进口进入的温度较低的冷却介质通过在冷却介质流道及各水套齿内的流道连成一个绕壳体筒壁周向的流道流动，并从介质出口流出，即可对电机绕组和铁心进行冷却。

本发明中的冷却介质不仅可以使用水作为冷却介质，还可以使用油，或者水与乙醇等混合溶液作为冷却介质。

如图4所示，一个实施例中，水流由水道入口4进入冷却水套1后进入冷水汇集腔16，然后由水道隔离筋分成多个水道支路19，环绕一周之后进入热水汇集腔17，最后由水道出口5流出冷却水套1，其中水道隔离筋18能够加强冷却水套1的机械强度，特别是水套齿21部的机械响度。此外，冷却水套1将冷却与支撑固定功能集于一体，由于冷却水套1的特殊结构，使得铁心的安装更加容易，只需要整体插入水套齿21之间的缝隙即可完成铁心的安装，因此简化了铁心模块的安装工艺。

本发明实施例的转子可以为普通磁阻电机的转子铁心6结构，简单牢靠，适合于高速运行。

本发明实施例所提出的电机冷却结构(或水套)与一般环形的普通水套结构不同，其针对模块化磁阻电机特殊的定子结构，合理的布置了冷却水套1中的水路，将冷却水引入到模块化定子铁心之间，形成了多个水套齿21结构，使冷源与热源的接触面积更大，距离更近，热阻小，因此具有更好的冷却效果。

本发明一个实施例的模块化开关磁阻电机及其冷却水套1的三维图如图5所示，定子模块可以通过铁心压条14轴向压紧并且固定在水套齿21之间，以紧固整体结构，避免铁心齿部2由于轭部3焊接而引起的变形，达到潜在的降低开关磁阻电机机械振动和噪声的目的。

铁心压条14及其紧固装置如图6所示，压条14由压台15及两端的压指26构成，压台25与压指26由弧形结构27连接，以增强压条的弹性。压台25和压指26的底部之间有一定距离(例如1mm)，以增强压指的压紧效果。紧固装置由六角螺栓22，弹簧垫片23和平垫片24构成。整个铁心压条14通过螺栓22固定到水道挡板20上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。