一种混合相态的多相容错电机冷却结构

1.本发明涉及电机冷却技术及设计制造领域，尤其涉及一种混合相态的多相容错电机冷却结构。


背景技术：

2.多相容错电机具有高可靠、高冗余能力，在舰船、电动汽车等复杂、严苛工况下有较多使用。多相容错电机故障运行时能够由较少的绕组提供相同的功率，易引起绕组温升过高，继而烧毁电机。本发明涉及的一种混合相态的多相容错电机冷却结构设计方法解决了故障运行时绕组周向温升不均匀的问题，提升了电机散热能力，继而能够在相同的空间内增大电机设计功率，提高了系统可靠性。中国专利号为201910906827.1所述的模块化多相交流容错电机从理论层面解决了电机电、磁、热的物理隔离，但是没有解决电机实际故障运行时局部过热的问题，中国专利号为202010218499.9所述的一种磁热隔离型定子结构及电机，提出了隔离齿等结构，增强了不同相绕组间的物理隔离，但是没有充分发挥隔离齿等结构的作用，本发明不仅能够实现更强的物理隔离作用，还能够进一步优化电机内的散热结构，更大程度的提升容错电机的容错运行能力。


技术实现要素：

3.本发明的实施例提供了一种混合相态的多相容错电机冷却结构，已实现保障多相容错电机在故障运行时的可靠性，提升电机内部散热能力。
4.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
5.一种混合相态的多相容错电机冷却结构，包括：定子单元组成(1)、绕组(2)、隔离齿冷却通道(3)、定子单元(6)和集油环(7)；
6.多相容错电机冷却结构中的定子由多个定子单元(6)轴向插槽配合组成，定子单元(6)由两个定子单元组成(1)组成，定子单元组成(1)与定子单元(6)相互之间轴向插接，绕组(2)分布在每个定子单元(6)中，绕组(2)绕过定子单元(6)的齿，在两个定子单元(6)之间还设置有隔离齿冷却通道(3)，隔离齿冷却通道(3)与隔离齿连接；
7.两个定子单元(6)之间的插接配合部分为隔离齿，隔离齿冷却通道(3)中通有冷却介质，冷却介质通过一端的集油环(7)流向另外一端的集油环(7)，流动过程中带走了隔离齿与定子单元中的热量。
8.优选地，所述定子单元(6)中绕组(2)绕过的齿为非隔离齿，非隔离齿中通有氟利昂，定子单元(6)设置有氟利昂冷却通道，氟利昂冷却通道中流过的氟利昂与冷却油相通。
9.优选地，根据六相容错电机的电磁-温度-机械强度综合计算的结果设置隔离齿宽度hq和非隔离齿宽度hn，hn》hq，隔离齿与非隔离齿的设计磁密均小于故障过载工况下的定子材料饱和磁密。
10.优选地，所述隔离齿冷却通道(3)的宽度由多种故障模式下的绕组最高温度决定，所述绕组最高温度根据多种故障模式下损耗、电机内温度场和隔离齿冷却通道(3)内的散
热系数确定。
11.优选地，所述多相容错电机为模块化轴向插接组成的六相电机，正常无故障运行时为6相运行，故障运行时会出现5相、4相、3相运行。
12.优选地，所述多相容错电机冷却结构还包括焊盘(8)，由焊盘(8)通过焊接的方式完成定子单元组成(1)和定子单元(6)的加固连接。
13.优选地，所述集油环(7)与隔离齿冷却通道(3)通过过盈配合的方式插接组装。
14.优选地，所述多相容错电机冷却结构的组装方法包括：
15.先将定子单元组成(1)通过轴向插接的方式组成定子单元(6)，并在定子单元(6)中的中空部分填充气液混合态的氟利昂，然后焊接定子单元(6)的端部，拼接定子单元(6)，得到完整定子结构；
16.再将绕组(2)穿过定子槽，之后焊接绕组(2)端部，通过预留引出线与电机外部供电单元连接；最后将隔离齿冷却通道(3)插接至定子中，并与集油环(7)过盈配合，完成整个定子-绕组-冷却结构的装配。
17.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例方法克服现有多相容错电机故障运行时局部温升高的问题，进一步提升不同相之间的电、磁、热等物理隔离能力，保障了多相容错电机在故障运行时的可靠性，使电机内部散热能力得到显著提升。
18.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
20.图1为本发明实施例提供的一种混合相态的多相容错电机冷却结构中的电机定转子与绕组结构图；
21.图2为本发明实施例提供的一种图1中定子单元放大图；
22.图3为本发明实施例提供的一种图1中定子模块化单元组成结构图；
23.图4为本发明实施例提供的一种冷却油外部散热结构示意图。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在
中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
26.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
27.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
28.本发明实施例提供的一种电机定转子与绕组结构图如图1所示，图1中定子单元放大图如图2所示，图1中定子模块化单元组成结构图如图3所示。如图1、图2、图3所示，本发明所述的混合相态的多相容错电机冷却结构包括定子单元组成(1)、绕组(2)、隔离齿冷却通道(3)、永磁体(4)、转子铁心(5)、定子单元(6)、集油环(7)和焊盘(8)。定子由多个定子单元(6)轴向插槽配合组成，定子单元(6)由两个定子单元组成(1)组成，定子单元组成(1)以及定子单元(6)相互之间轴向插接组成，并由焊盘(8)通过焊接的方式完成加固连接。两个定子单元(6)之间的插接配合部分为隔离齿，定子单元(6)中绕组(2)绕过的齿为非隔离齿，隔离齿中通有冷却液等冷却介质，非隔离齿中通有氟利昂。
29.绕组(2)分布在每个定子单元(6)中，绕过定子单元(6)的齿，定子单元(6)中绕组(2)绕过的齿为非隔离齿，两个定子单元(6)之间配合的齿中空，并通有冷却油或其他冷却介质。隔离齿中通有冷却油等冷却液，非隔离齿中的氟利昂冷却通道中通有氟利昂。隔离齿中的冷却介质为液态，非隔离齿中的冷却介质为汽液混合态，共同为电机定子中冷却。
30.集油环(7)与隔离齿冷却通道(3)通过过盈配合的方式插接组装，以此实现整个定子组件仅通过机械组装就可以完成，避免通过化学或加热的方式组装。冷却介质通过一端的集油环(7)流向另外一端的集油环(7)，流动过程中带走了隔离齿与定子单元中的热量，然后，利用留出的冷却介质通过热交换器将热油转换为冷油。同时定子单元(6)设置有氟利昂冷却通道，氟利昂与冷却油相通，达到循环冷却电机的目的。图4为本发明实施例提供的一种冷却油外部散热结构示意图。如图4所示，冷却油由一侧的集油环经过泵供给到另一侧，流动过程中带走了隔离齿与定子单元中的热量。
31.根据多相容错电机的设计方法，计算电机设计方案，需要注意的是，齿部有效导磁路径尺寸的计算应当是在常规定子齿的宽度基础上减去隔离齿槽的宽度，以满足电机设计中对磁密的设计要求。经过计算，以某型号潜水泵的设计要求为例，得到相应容错电机尺寸：隔离齿宽度hq＝4.4mm、非隔离齿宽度hn＝6.8mm，额定工况下六相运行时非隔离的平均磁密为1.42t，五相运行时有磁路流过的非隔离平均磁密为1.48t，三相运行时有磁路流过的非隔离平均磁密为1.64t。三相运行时无本发明的多相容错电机中，绕组稳态最高温度为165℃，使用本发明中涉及的散热结构后绕组稳态最高温度为148℃。按照油泵流量1.5l/min，流道内散热系数为74w/(m2*k)。
32.隔离齿宽度hq、非隔离齿宽度hn的设计是根据六相容错电机的电磁-温度-机械强度综合计算的结果。其中hn》hq，隔离齿与非隔离齿的设计磁密均小于故障过载工况下的定子材料饱和磁密。在两个定子单元(6)之间还设置有隔离齿冷却通道(3)，隔离齿冷却通道(3)与隔离齿连接。隔离齿冷却通道(3)的宽度影响隔离齿的宽度设计，隔离齿冷却通道(3)
的宽度由多种故障模式下的绕组最高温度决定，其中最高温度根据多种故障模式下损耗与电机内温度场确定，其中温度场求解的关键是确定隔离齿冷却通道(3)内的散热系数，其中流体紊流状态下的散热系数为k0＝0.021re
0.8
(适用于隔离齿冷却通道(3)长宽比在4～40之间)。
33.多相容错电机为模块化轴向插接组成的六相电机，正常无故障运行时为6相运行，故障运行时会出现5相、4相、3相运行，所述冷却结构针对故障运行时局部温升高的问题进行设计，快速带走电机内部产生的热量，解决了轴向与周向温度部分不均匀的问题，并进一步提升了不同相绕组之间的物理隔离能力。
34.上述本发明实施例的混合相态的多相容错电机冷却结构的组装方法包括：先将定子单元组成(1)通过轴向插接的方式组成定子单元(6)，并在定子单元(6)中的中空部分填充气液混合态的氟利昂，然后焊接定子单元(6)的端部，防止泄露；然后拼接定子单元(6)，得到完整定子结构；再将绕组(2)穿过定子槽，之后绕组(2)端部焊接，通过预留引出线与电机外部供电单元连接；最后将隔离齿冷却通道(3)插接至定子中，并与集油环(7)过盈配合，完成整个定子-绕组-冷却结构的装配。
35.综上所述，本发明实施例通过提出多相容错电机隔离齿冷却结构，改变了传统机壳外冷却散热和绕组喷淋冷却单一的传热路径，增强了电机轴-周向散热能力，解决了多相电机故障运行时热分布不平衡的问题，使电机在相同状态下运行时温度更低。
36.本发明实施例的混合相态的多相容错电机冷却结构是为了解决多相容错电机故障运行时局部温升过高的问题，是除了传统机壳外冷、端部喷淋油冷以外另一种新型的冷却方式，进一步提升了电机功率密度，有效降低绕组轴向温度分布不均匀的问题。
37.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
38.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。