一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机的制作方法

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机。

背景技术：

目前，新型高速电机已成为高效节能电机的一个重要发展方向。现有高速电机由于其冷却结构所限，采用自带风扇冷却方式(转轴带动风扇将冷却风吹向机壳和端盖外表面的散热筋，接着电机内部的热量会被散热筋带走)，但此种冷却方式无法将电机内部产生的热量充分带走，由此导致高速电机冷却性能差、适用范围有限。且高速电机旋转流体场分布较为复杂，电机转子和定子温升问题成为直接影响电机能否长期稳定运行的制约因素。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机，能够在一定条件下降低电枢电流，以提高电机运行效率，改善其性能指标。同时通过风冷转子和水冷定子相结合的冷却结构，有效使电机定转子温度降低，避免高速工况下电机散热困难的问题，，从而保证电机长期安全稳定的运行，有效延长电机的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机，包括机壳、前端盖、后端盖、转子和定子；

定子为双组凸极定子，包括前端定子铁芯及其绕组、后端定子铁芯及其绕组；前端定子铁芯固定设于前端盖一侧的机壳内壁上，后端定子铁芯固定设于后端盖一侧的机壳内壁上，两端定子铁芯上均匀分布6个凸极，定子绕组集中缠绕于定子铁芯上；相邻定子铁芯凸极之间的定子槽作为定子轴向冷却风道，为定子风冷区；定子轭背部与机壳之间设有定子环轭背部螺旋式水冷通道，作为定子水冷区，定子环轭背部螺旋式水冷通道环绕于定子铁芯的轭背部，并紧贴或嵌入定子铁芯的轭背部；定子风冷方向和定子水冷方向互相垂直；

转子为复合结构，设于定子内侧，包括转轴、导磁材料、永磁体、永磁体保护套和双组转子铁芯；转轴与机壳同轴设置，导磁材料包裹于转轴外侧面；永磁体为轴向环套式永磁体，嵌入导磁材料中央，用于辅助励磁，永磁体外部套有永磁体保护套；双组转子铁芯与转轴同轴旋转，包括前端转子铁芯和后端转子铁芯，分别固定装配于导磁材料前后两端的外侧面，并分别与前端定子铁芯和后端定子铁芯同心设置，定、转子铁芯之间设有气隙；两端转子铁芯上均匀分布4个凸极；前端转子铁芯的前面和后端转子铁芯的后面分别固定设有转子自冷式风扇前扇叶和转子自冷式风扇后扇叶；相邻转子铁芯凸极之间的转子槽作为转子轴向冷却风道；

双组定转子的内端壁之间形成第一冷却腔，双组定转子外端壁与前后端盖内端壁之间形成第二冷却腔和第三冷却腔，定转子间气隙及定转子轴向冷却风道将第一冷却腔与第二冷却腔、第三冷却腔连通；

所述机壳采用导磁材料，机壳中间开设有进风口、进水管开口和出水管开口；机壳内壁中央连接有与进风口相通的周向圆环形导风通道，周向圆环形导风通道的轴向两侧面上等间距开有若干突出的冷却孔，冷却孔将周向圆环形导风通道与第一冷却腔连通；机壳中间开设的进水管开口、出水管开口分别连接定子环轭背部螺旋式水冷通道的进水口和出水口；

所述前端盖和后端盖上均设有若干排风孔，排风孔将第二冷却腔、第三冷却腔与外部空气相连通。

进一步地，所述定子环轭背部螺旋式水冷通道为螺旋式水道管，由一整根水道管沿定子轭背部环绕而成，螺旋式水道管的进水口与机壳上的进水管开口连通，螺旋式水道管的出水口与机壳上的出水管开口连通；环绕定子轭背部的相邻水道管的间距相同。

进一步地，定子环轭背部的螺旋式水道管由导热率高而磁导率低的材料制作而成；螺旋式水道管的管道宽度为6mm，管道高度为4mm，环绕定子轭背部的相邻水道管间距为5～7mm，螺旋式水道管内部通有流速为1.5m/s的冷却水。

进一步地，进水管开口设置在机壳中间的上部，出水管开口设置在机壳中间的底部；螺旋式水道管的环绕方向为，从进水管开口经由紧贴机壳内侧上部的轴向水道管通向双组定子铁芯轭背上端靠近端盖的一侧，流经螺旋式水道管后到双组定子铁芯轭背下端内侧，再通过机壳内侧底部轴向水道管汇集到机壳中间底部的出水管开口。

进一步地，所述机壳内壁周向圆环形导风通道的冷却孔开孔数量与前端盖、后端盖开设排风孔的总数量相同，冷却孔尺寸略小于排风孔。

进一步地，前端盖和后端盖上的排风孔分别向第二冷却腔和第三冷却腔内延伸并连接有一段开口向上的排风管，使排风孔和排风管连接后的形状为横向放置的l型。

进一步地，转子自冷式风扇前扇叶和后扇叶的叶片半径高于转子铁芯凸极的半径，且低于定子铁芯轭背的半径。

进一步地，定子铁芯采用硅钢片叠压而成。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机，采用永磁体辅助励磁结构，永磁体在磁路中励磁作用的加入间接减少定子励磁电流消耗，有效减小定子绕组的铜耗；机壳内壁周向圆环形导风通道开有供冷却风进入第一冷却腔的等间距冷却孔，冷却风进入导风通道并轴向均匀为双组定转子提供冷却风，电机定转子散热更均匀；机壳中间开有供冷却空气进入的进风口，通过冷却孔进入第一冷却腔；冷却风经第一冷却腔同时流入两侧定转子气隙及冷却风道，冷却双组转子外部、定子齿部以及气隙；电机转动后被加热的空气再由转子自冷式风扇叶片带动，最终由前后端盖上的排风孔排出，兼顾双组定转子散热的同时并使电机内部热量更充分的排出。

本发明所采用的风冷结构为电机中间进风，两端出风，由中间向两边扩散的散热方式，而水冷结构则是由定子靠近端盖的两端水道进水口进入冷却液，通过螺旋式水道管向双组定子内侧方向冷却定子轭部，最终汇集到机壳底部中间位置，即从两端向中间扩散的散热方式。风冷与水冷分别从反方向冷却电机内部与外部，有效地增强了电机定转子的散热能力，定子区域和转子区域的最高温度明显地降低，能保证电机长期安全稳定的运行，有效延长电机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机轴向切面结构示意图；

图2为发明实施例提供的前端定转子端面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的机壳内部的电机部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的定子轭背部的螺旋式水道管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的转子自冷式风扇前扇叶或后扇叶的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的前端盖及其排风孔的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的周向圆环形导风通道及其冷却孔的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机的磁路走向示意图。

图中：1、机壳；2、前端盖；3、后端盖；4、前端定子铁芯；5、前端定子绕组；6、后端定子铁芯；7、后端定子绕组；8、定子轴向冷却风道；9、螺旋式水道管；10、转轴；11、导磁材料；12、永磁体；13、永磁体保护套；14、前端转子铁芯；15、后端转子铁芯；16、前扇叶；17、后扇叶；18、转子轴向冷却风道；19、第一冷却腔；20、第二冷却腔；21、第三冷却腔；22、前端盖排风孔；23、后端盖排风孔；24、冷却风进风口；25、进水管开口；26、出水管开口；27、周向圆环形导风通道；28、冷却孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机，如图1所示，包括机壳1、前端盖2、后端盖3、定子和转子。该电机的基本结构为双组6/4极开关磁阻电机结构，电机两侧结构(转子除外)平行排列且完全对称于电机转轴的中间垂直面，每侧定子铁芯上均匀分布6个凸极，每侧转子铁芯上均匀分布4个凸极，即为双组凸极结构，如图2和图3所示。

定子为双组凸极定子，包括前端定子铁芯4及其绕组5、后端定子铁芯6及其绕组7。定子铁芯采用硅钢片叠压而成。前端定子铁芯4固定设于前端盖2一侧的机壳1内壁上，后端定子铁芯6固定设于后端盖3一侧的机壳1内壁上，定子绕组集中缠绕于定子铁芯上。相邻定子铁芯凸极之间的定子槽作为定子轴向冷却风道8，为定子风冷区。定子轭背部与机壳1之间设有定子环轭背部螺旋式水冷通道，作为定子水冷区，有效带走定子的热量。定子风冷方向和定子水冷方向互相垂直。定子环轭背部螺旋式水冷通道为螺旋式水道管9，由一整根水道管沿定子轭背部环绕而成，并紧贴或嵌入定子铁芯的轭背部，如图4所示。定子环轭背部螺旋式水冷通道，即螺旋式水道管，由导热率高而磁导率低的材料制作而成，螺旋式水道管9的管道宽度为6mm，管道高度为4mm，环绕定子轭背部的相邻水道管间距为5～7mm，螺旋式水道管9内部通有流速为1.5m/s的冷却水。

转子为复合结构，设于定子内侧，包括转轴10、导磁材料11、永磁体12、永磁体保护套13和双组转子铁芯。转轴10与机壳1同轴设置，导磁材料11包裹于转轴10外侧面。永磁体12为轴向环套式永磁体，嵌入导磁材料11中央，用于辅助励磁，永磁体12外部套有永磁体保护套13。双组转子铁芯与转轴10同轴旋转，包括前端转子铁芯14和后端转子铁芯15，分别固定装配于导磁材料11前后两端的外侧面，并分别与前端定子铁芯4和后端定子铁芯6同心设置，且定、转子铁芯之间设有气隙。前端转子铁芯14的前面和后端转子铁芯15的后面分别固定设有转子自冷式风扇前扇叶16和转子自冷式风扇后扇叶17，扇叶结构如图5所示。转子自冷式风扇前扇叶16和后扇叶17的叶片半径高于转子铁芯凸极的半径，且低于定子铁芯轭背的半径。相邻转子铁芯凸极之间的转子槽作为转子轴向冷却风道18。

双组定转子的内端壁之间形成第一冷却腔19，双组定转子外端壁与前后端盖内端壁之间形成第二冷却腔20和第三冷却腔21，定转子间气隙及定转子轴向冷却风道8和18将第一冷却腔19与第二冷却腔20、第三冷却腔21连通。前端盖2和后端盖3上均设有若干排风孔22和23，如图6所示为前端盖2及其排风孔22的结构示意图，后端盖3的结构相同，排风孔22和23分别将第二冷却腔20、第三冷却腔21与外部空气相连通。前端盖和后端盖上的排风孔分别向第二冷却腔和第三冷却腔内延伸并连接有一段开口向上的排风管，使排风孔和排风管连接后的形状为横向放置的l型，能有效防止灰尘、小石子等杂物从排风孔进入电机机壳内部而影响电机远转。

机壳1采用导磁材料，机壳1中间开设有进风口24、进水管开口25和出水管开口26，进水管开口25设置在机壳1中间的上部，出水管开口26设置在机壳1中间的底部。机壳1内壁中央连接有与进风口24相通的周向圆环形导风通道27，其结构如图7所示，周向圆环形导风通道27的轴向两侧面上等间距开有若干突出的冷却孔28，分别对双组定转子提供冷却风，其开孔数量与前端盖2、后端盖3上开设排风孔22和23的总数量相同，尺寸略小于排风孔，为了防止冷却风在电机内部产生较大风阻，避免冷却风拥堵在电机内，影响电机运行性能。冷却孔28将周向圆环形导风通道27与第一冷却腔19连通，为了更有利于定转子散热均匀。机壳1中间开设的进水管开口25、出水管开口26分别连接螺旋式水道管9的进水口和出水口，螺旋式水道管9的进水口与进水管开口25连通，螺旋式水道管9的出水口与出水管开口26连通。螺旋式水道管9的环绕方向为，从进水管开口25经由紧贴机壳1内侧上部的轴向水道管通向双组定子铁芯轭背上端靠近端盖的一侧，流经螺旋式水道管9后到双组定子铁芯轭背下端内侧，再通过机壳1内侧底部轴向水道管汇集到机壳1中间底部的出水管开口26。

轴向永磁辅助径向磁阻高速电机的磁路走向如图8所示。永磁体12辅助磁场产生的磁通(轴向磁通)通过导磁材料11的导磁作用经转轴10从前端转子14穿过前端定子4经由机壳1到后端定子5再到后端转子15，最后形成闭合磁通路径，磁通在一端离开转子14而在另一端转子15进入，因此使转子14和15在两端极化，前端转子14磁极均为n极，而后端转子15磁极均为s极。电机定子绕组5和7中每组轴向对齐的一对定子绕组通过反向串联构成a-a`(或b-b`、c-c`)，如图3所示。作为三相凸极电机，定子每相通电时每个定子极产生的电枢磁通与永磁磁通的路径和方向相同。

本实施例所述电机的冷却结构共包括风冷结构和水冷结构，其中风冷结构包括定子和转子的齿间槽构成的冷却风道8和18、端盖排风孔22和23、三个冷却腔19、20和21、机壳上的冷却风进风口24、周向圆环形导风通道27、转子自冷式风扇16和17，水冷结构包括机壳1上的进水管开口25、出水管开口26和定子环轭背部螺旋式水道管9。

风冷过程为：空气经冷却风进风口24进入周向圆环形导风通道27，其上左右侧冷却孔28开孔位置为轴向不对称设置，有助于各冷却孔28出风均匀，冷却风由第一冷却腔19进入冷却风道8和18，并冷却转子14和15外部、定子4和6齿外部、定转子间气隙与定子绕组5和7，而电机运转后被加热的空气通过前后扇叶16和17的离心作用带入第二冷却腔20、第三冷却腔21，经端盖排风孔，22和23排出电机内部。

水冷过程为：冷却液从进水管开口25经由机壳1内壁达到定子4和6外侧的螺旋式水道管9，围绕定子轭背部由外向内冷却定子轭部，最终汇集于机壳1中间底部的出水管开口26，首先冷却风冷薄弱处。

由于冷却风从电机中间的第一冷却腔19进入冷却风道8和18，冷却定子4和6、转子14和15，因此电机内部温度沿轴向中央向两端是逐渐升高的。水冷与风冷作用方向相反，冷却区域互补，能够有效增强冷却效果，并使散热更加均匀。

本实施例提供的具有混合冷却结构的轴向永磁辅助径向磁阻高速电机，能够在一定条件下降低电枢电流以提高电机运行效率改善其性能指标。同时本发明中冷却结构通过风冷转子和水冷定子相结合，使电机定转子温度降低，避免高速工况下电机散热困难的问题。通过定子水冷结构，将定子冲片内绕组产生的热量经由冷却液通过管道排出，使定子快速冷却。同时，冷却气道可冷却转子外部、定子齿部以及定转子间气隙，解决电机的定子铁心、转子铁心和转子绕组温度过高的问题，使该种电机在长时间工作时，内部温度维持在正常范围，不会因高温烧毁，从而保证电机长期安全稳定的运行，有效延长电机的使用寿命。

最后应说明的是：以上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权利要求所限定的范围。