一种电机冷却结构及具有该结构的无机壳电机的制作方法

本发明属于电机冷却技术领域，具体涉及一种电机冷却结构及具有该结构的无机壳电机。

背景技术：

高功率密度电机广泛应用于电动汽车、航空启发电机等对电机体积和重量有严格要求的场合。这类电机由于具有较高的电磁负荷，单位体积的损耗很大，但是散热面积却相对减少，因此散热比较困难，常采用水冷或者油冷的冷却方式对电机进行冷却，以防止电机绕组和磁钢等重要部件温升过高，从而减少电机寿命，影响电机运行的安全性与经济性。

集中绕组电机，例如分数槽集中绕组永磁电机和开关磁阻电机，其一个绕组线圈缠绕在单个定子齿上，相对于分布绕组电机，具有绕组结构简单，绕线方便，绕组端部较短等特点，因此，具有很广泛的应用前景，特别是对电机尺寸有严格要求的场合，其研究价值和应用前景会更大。然而，集中绕组电机定子槽比较大，并且槽数比较少，这会导致槽中心到定子铁心的热阻比较大，绕组中产生的热量很难散失到布置在电机外壳中的冷却介质中，这将使得电机绕组特别是绕组中心具有较高的温升。这种散热上的局限性使得集中绕组电机的热负荷不能取得太高，从而限制了其功率密度和应用范围。为了进一步提高集中绕组电机的功率密度，拓宽其高功率密度场合的应用范围，其定子绕组的冷却问题亟待解决。

传统电机往往使用机壳对电机定子进行固定、保护及冷却，但是机壳的使用增大了整个电机的体积，减小了电机的功率密度，并且由于机壳与铁心往往采用过盈配合的方式，这将增大铁心中的机械应力，有研究表明，铁心中的应力将会增大电机的铁耗，降低电机的效率和出力。因此，无机壳电机在功率密度和效率上具有很大的优势，也得到了工业界的广泛关注和研究。

此外电机往往采用硅钢片轴向叠压的方式形成定子铁心来减少铁耗，叠片之间的间隙将会使轴向的热阻增大，轴向传热困难，这会引起定子铁心轴向中间部位的温升往往过高，特别是对于铁心轴向长度比较长的电机，这种效果更为明显，因此有必要对电机铁心采取轴向分段的形式，对铁心内部进行冷却。如图1所示，在定子铁心外部采用圆环形水套对电机进行冷却，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。

但是，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。此外，由于采用了水冷机壳，电机有效部分材料，如硅钢片的体积将会受到限制，且定子铁心中会由于和机壳的过盈配合而产生应力，从而增加铁耗，功率输出受到限制。

为了克服上述问题，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，水管一般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。

采用槽内水管冷却，虽然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，水管连接处还有密封泄漏的问题。

(4)此外，由于采用了机壳，电机有效部分材料，如硅钢片的体积将会受到限制，且定子铁心中会由于和机壳的过盈配合而产生应力，从而增加铁耗，功率输出受到限制。

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冷却结构及具有该结构的无机壳电机，这种冷却结构不仅可以对电机定子齿和绕组进行很好的冷却，还可以省去电机机壳，减小了电机体积和重量，进一步提高了电机的功率密度。本发明解决了集中绕组电机绕组及定子齿冷却困难的问题。

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，其特征在于，该冷却结构包括：

冷却板，所述冷却板包括设置在内壁上向内凸起的齿部以及连接所述齿部的冷却介质流道，所述齿部沿周向间隔布置，相邻齿部之间为槽部，所述齿部内设有挡板，所述挡板的两侧与所述齿部的两侧间隔一定距离，从而形成齿部流道并与连接齿部的冷却介质流道连通，使得冷却介质可沿所述齿部流道及冷却介质流道在冷却板中流动，实现对定子的冷却；

散热齿，其包括散热齿根部和散热齿齿部，散热齿根部与所述槽部的槽顶连接，散热齿齿部用于插入定子槽的中心，用于将所述电机绕组产生的热量传递给冷却板，并通过所述冷却介质传递出去，实现对所述电机的定子和绕组的冷却。

进一步地，所述冷却板的齿部结构形状与所述电机的定子齿结构形状匹配，使得所述冷却板齿部正好与定子齿部贴合，而冷却板齿部之间形成的冷却板槽则与定子槽对应，从而使得所述冷却板安装于所述定子之间。

进一步地，所述冷却板外周设有螺栓孔，以便于与所述定子叠片装配。

进一步地，所述冷却板采用不导磁铝合金或黄铜材料。

进一步地，所述散热齿齿部轴向开有多条裂缝，用于减少由于定子槽内漏磁场而产生的涡流损耗。

进一步地，所述散热齿根部与所述冷却板的槽顶部卡接或焊接。

按照本发明的另一个方面，体统一种具有所述的冷却结构的分数槽集中绕组无机壳永磁电机，其包括多个定子铁心叠片、以及同心套设在所述定子铁心叠片形成的环形空间内的转子，其特征在于：

该电机定子铁心轴向分为了四段，每两段定子铁心叠片之间插入一块所述冷却板，所述每个槽部均设置所述散热齿。

进一步地，在电机端部分别布置有一冷却板，使端部绕组和冷却板齿部良好接触。

进一步地，该电机的端部绕组和端部冷却板使用导热胶或者环氧树脂材料进行封装，以提高散热效率。

进一步地，所述定子铁心叠片与冷却板通过螺栓拉紧连接，用以减少定子铁心叠片之间及叠片与冷却板之间的接触热阻，提高散热效率。

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)本发明的提出的针对集中绕组电机散热的冷却板，能够将冷却介质引入到电机齿部及绕组周围，减小了热源与冷源的距离，增大了接触面积，因此具有很好的冷却效果，可以大大提升电机的效率和功率密度。

(2)提出的散热齿结构卡接或焊接在冷却板槽顶部，可以进一步的增大绕组的散热面积，将定子槽中心的热量有效传导到定子铁心和冷却板，因此可以显著降低绕组的温升，解决了集中绕组因为槽大而槽内中心温升过高的问题。

(3)在电机端部也可以布置冷却板，使冷却板正好缠绕在冷却板齿部，因此可以有效降低端部绕组的温升，同时可以使用导热胶或者环氧树脂等导热性能好的材料对端部绕组和端部冷却板进行封装，以取得更好的冷却效果。

(4)由于电机铁心轴向导热性能差，散热困难，轴向中部温升可能过高。定子铁心轴向可以分为多段，对于电机轴向长度比较长的电机，可以有效降低叠片轴向中部的温升。

(5)所提出的冷却板与定子铁心叠片和电机端盖可以通过螺栓轴向连接并且固定，因此可以省去机壳，有效降低了电机的体积和重量以及定子铁心的损耗，从而提高了电机的功率密度。

附图说明

图1为现有技术中的一种采用普通水套冷却的开关磁阻电机；

图2为现有技术中的一种采用槽内水管冷却的开关磁阻电机；

图3为本发明实施例的一种电机冷却结构冷却板结构水流方向示意图；

图4为本发明实施例的一种电机冷却结构的冷却板与铁心叠片装配图；

图5为本发明实施例的一种电机冷却结构的散热齿结构；

图6为本发明实施例的一种电机冷却结构的冷却板与散热齿装配图；

图7为本发明实施例的一种电机冷却板冷却结构的冷却板与铁心叠片装配图。

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-机壳、2-流道、3-流道入口、4-流道出口、5-定子铁心、6-转子铁心、7-槽内水管、8-冷却板、9-冷却板齿部、10-挡板、11-螺栓孔、12-散热齿、13-散热齿根部、14-散热齿齿部、15-散热齿裂缝、16-绕组、17-转轴、18-磁钢。

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。

图3为本发明实施例的一种电机冷却结构冷却板结构水流方向示意图。如图3所示，该冷却板内部布置一条沿圆周方向布置的冷却介质流道，在冷却板齿部，通过挡板的作用，将冷却介质引入冷却板齿部的水道内，冷却板外周有螺栓孔，以便于与铁心叠片转配。

图4为本发明实施例的一种电机冷却结构的冷却板与铁心叠片装配图。如图4所示，冷却板夹在两块定子铁心叠片之间，冷却板齿部正好与定子铁心齿部贴合，而冷却板齿部之间形成的冷却板槽则与定子铁心槽对应，因此定子铁心叠片和绕组与冷却介质距离更近，接触面积更大，其产生的热量可以直接通过热传导由冷却板中的冷却介质带走。为了减少涡流损耗和增强散热效果，该冷却板采用导热性较好的不导磁铝合金。

为了进一步增大热源与冷源的接触面积，降低集中绕组槽中心的温度，本发明同时提出一种插入定子槽中心的T形散热齿结构。图5为本发明实施例的一种电机冷却结构的散热齿结构。如图5所示，该散热齿由散热齿根部和齿部构成，在散热齿齿部轴向开有多条裂缝以减少由于定子槽内漏磁场而产生的涡流损耗。散热齿根部则与冷却板槽顶部卡接或焊接，如图6所示。电机槽内绕组中心产生的热量可以通过散热齿齿部和根部到达铁心叠片和冷却板，最终由冷却板中的冷却介质带走。

图7为本发明实施例的一种电机冷却板冷却结构的冷却板与铁心叠片装配图。如图7所示，采用本冷却结构的一种分数槽集中绕组无机壳永磁电机，该电机定子铁心轴向分为了4段，每两段铁心叠片之间插入一块冷却板。为了解决电机端部温升过高的问题，在电机端部也分别布置了两块冷却板，使端部绕组和冷却板齿部良好接触。该电机的端部绕组和端部冷却板还可以使用导热胶或者环氧树脂等导热性好的材料进行封装以提高散热效率。5块冷却板的水流进出口可以通过串并联的方式进行连接。同时在定子槽中心插入散热齿，使散热齿根部与冷却板槽顶部卡接。定子铁心叠片与冷却板通过螺栓拉紧连接，以减少铁心叠片之间及叠片与冷却板之间的接触热阻，提高散热效率。电机的端盖可以通过该螺栓进行装配和固定，以保证整个电机结构的紧凑性，因此整个电机可以省去机壳，体积和重量得以降低。

本发明提出的一种定子水冷板冷却结构及具有该结构的无机壳电机，包括一种夹在铁心叠片之间的水冷板及插入槽中心的散热齿，这种冷却结构不仅可以对电机定子齿和绕组进行很好的冷却，还可以省去电机机壳，减小了电机体积和重量，进一步提高了电机的功率密度。本发明解决了集中绕组电机绕组及定子齿冷却困难的问题。

本发明提出的电机水冷板及散热齿冷却结构直接与电机发热最严重的定子齿部和槽内绕组直接接触，增大了热源与冷源的接触面积，因此可以有效降低铁心齿部和绕组的温升，特别是槽内绕组中心处的温升，具有很好的散热效果。所提出的水冷板与电机铁心叠片和电机端盖通过螺栓连接固定，整个结构紧凑可靠，省去了电机机壳，因此减小了电机的体积和重量，有效提高了了电机的功率密度。所提出的针对集中绕组电机冷却的水冷板及散热齿冷却结构，解决了集中绕组电机定子齿部和绕组中心温升过高的问题，将会有效促进这类电机在工业界，特别是对电机效率和功率密度要求很高的电动汽车和航空等领域的应用和推广。

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。