一种用于冷却电机定子的系统的制作方法

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种冷却系统，具体地，是一种用于冷却电机定子的系统。

背景技术：

电机在运行时产生的损耗将转化为热量，为了使电机的温度不超过与其绝缘耐热等级相应的极限温度以及保证电机安全可靠地运行，应采取冷却方式使其有效地散热。因此，电机冷却系统的设计在电机技术中很重要。

电机冷却主要是指采用某些冷却方法和某些介质对电机的定子绕组、转子绕组以及铁芯等进行的冷却。目前来看，常用的电机冷却方式主要分为空气冷却和水冷却两种。

空气冷却，是指空气由转子两侧的风扇吸入，通过所设计的风道排出电机外，并将热量带走的方式，其中，热空气经电机外的空气冷却器冷却后再送入电机内重复利用。由于空气的传热系数相对较小，因此冷却效果并不理想。

目前，现有电机所应用的冷却介质，以水的冷却能力最强，约为空气的50倍，冷却效果显著，除此以外，水还具有价廉、无毒和不易燃的特点。电机常用的水冷却系统是直接在电机机壳内开设水道，通过对电机机壳进行冷却，从而将电机内传导过来的热量不断带走。电机内部的热量经由电机定子铁芯和电机机壳间的间隙，传导给机壳，然后再由机壳内的水冷却，将热量带走，或者是直接由机壳向外散热。这样一来，电机内部热量传导有限，不能迅速将电机运行产生的热量带走，电机内温度降不下来，导致电机铜损增加，电机效率降低。

随着工业和制造业的迅速发展，各行各业对电机功率和输出扭矩的要求也越来越高，因此，一种更为有效的冷却方式是目前本领域迫切需要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于冷却电机定子的系统，通过对电机内部部件的改进以及新型冷却系统的增设，旨在显著提高系统的冷却效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于冷却电机定子的系统，包括若干冷却单元和集成管路，其中：

所述若干冷却单元沿定子铁芯的轴线方向并列排布于定子铁芯和机壳之间，每一冷却单元包括至少一层由若干微型通管并列排布所形成的弧形集合；

所述集成管路包括分别设于定子铁芯两端的进液集成环管和出液集成环管，所述进液集成环管通过U型进液管与进液口连接，所述出液集成环管通过U型出液管与出液口连接；

每一所述冷却单元的两端分别与所述进液集成环管和出液集成环管贯通连接。

所述进液集成环管、若干冷却单元和出液集成环管贯通连接，形成电机定子冷却通道。进一步地，进液口通过所述U型进液管与所述进液集成环管贯通，用于使冷却液从电机外部流入进液集成环管，进而进入冷却单元；出液口通过所述U型出液管与出液集成环管贯通，用于使冷却液从冷却通道排出电机外部。

进一步地，所述若干冷却单元均匀设于定子铁芯和机壳之间，具体地，所述定子铁芯的外围圆弧上沿着轴线方向均匀设有若干凹槽，用于装设所述冷却单元。

具体地，定子铁芯上设置的凹槽数量对应于冷却单元的数量，若干凹槽均匀设于定子铁芯的外围。一方面，所述凹槽的深度大于等于所述冷却单元的高度，优选地，所述冷却单元装设在所述凹槽后，最外层微型通管（如果冷却单元仅有一层微型通管时，最外层微型通管则指此层微型通管；当冷却单元有两层以上的微型通管时，最外层微型通管则指最外层的微型通管）的外围正好贴近机壳的内圈。另一方面，所述凹槽的长度对应于冷却单元的长度，以恰好容纳为优。

考虑到冷却的均匀性，优选地，每一冷却单元均为同一规格，即微型通管的层数、数量、横截面积、长度等参数均一致。

进一步地，每一冷却单元为两层由若干微型通管并列排布所形成的弧形集合，其中，内层集合和外层集合叠加设于凹槽中，所述凹槽设于定子铁芯的外围圆弧中。

具体地，所述冷却单元由多根底面截面形状相同的微型通管平行排列组成，通过焊接排列形成圆弧状轨迹，从而密切贴服在电机定子铁芯的凹槽内。

需要说明的是，除了上述优选内容，基于实际应用中的具体电机定子的直径和规格，本领域根据发明的技术启示以及技术启示，可以灵活对冷却单元以及微型通管的具体情况进行限定。

进一步地，所述进液集成环管沿定子铁芯和/或机壳的圆弧，贯通连接于所述若干冷却单元的左端；所述出液集成环管沿定子铁芯和/或机壳的圆弧，贯通连接于所述若干冷却单元的右端。优选地，所述进液集成环管和所述出液集成环管平行设定，且两者的圆心连线与定子铁芯的轴线重合。

具体地，所述进液集成环管和出液集成环管位于定子铁芯的轴向两端，且其分别绕定子铁芯的外圈一圈，优选由铜或不锈钢制成，壁厚为1-2mm，其为连通所有微型通管的中空管，且所有微型通管均沿集成管路的轴向方向并排排布，所述进液集成环管和出液集成环管与微型通管焊接为一体。

进一步地，所述进液集成环管的外侧与所述U型进液管的一端贯通连接，所述U型进液管的另一端与设置在机壳外侧的进液口贯通连接；所述出液集成环管的外侧与所述U型出液管的一端贯通连接，所述U型出液管的另一端与设置在机壳外侧的出液口贯通连接。

进一步地，电机前端盖和电机后端盖上对应于所述U型进液管和U型出液管，设有容纳槽，用于装设所述U型进液管和所述U型出液管。

进一步地，所述冷却单元中的若干微型通管的两端分别与所述进液集成环管和出液集成环管贯通连接。微型通管穿过所述进液集成环管和出液集成环管内部，形成剩余段。

进一步地，所述若干微型通管的形状、长度均相同，其中，所述形状为微型通管的底面截面形状，包括但不限于圆形、扁圆形、方形以及梯形。优选地，所述形状为内短外长的弧形梯状。

具体地，所述微型通管的材料包括但不限于铝、铜、不锈钢以及合金等，优选为铜。

进一步地，U型进液管与进液口，以及U型出液管与出液口的材料不作限定，因为对冷却效率的影响不大。

进一步地，所述冷却液可以是水、油等常用的冷却介质。本发明作为一套独立的冷却系统，作为电机内部的冷却形式，直接对定子进行冷却，当然，也可以与常用的电机冷却方式复合使用。进一步地，可以与原有冷却系统共用冷却液的进液口和出液口，也可以在电机机壳上单独开设冷却液的进液口和出液口。

相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本发明所述的冷却方式可以复合各种现有的常用电机冷却方式使用，也可以单独使用作为电机的冷却系统，通过采用微型通管结构，利用微型且平行排布的管道进行冷却，其冷却效果显著，冷却系统体积小、质量轻；

2、本发明的技术方案采用微型通管内通各种冷却介质，安装在电机定子铁芯的外侧，由于微型通管冷却通道设置在电机定子铁芯上，因此冷却介质可以直接从电机外部进入电机内部，对电机定子铁芯直接进行冷却，大大提高了散热效率，从而提高电机的输出功率和扭矩；

3、微型通管的直径小，从而占用电机定子磁轭部分的体积很小，电机定子的结构基本不变，在对电机电磁性能基本不影响的前提下，提高电机的冷却效果，相较于传统的冷却系统，节约材料并显著提高了冷却效果，从而减小电机损耗，保证电机安全可靠地运行；

4、冷却介质从冷却液的进液口进入，经冷却通道流动，直至从出液口排出，相对于电机内部，整个冷却通道是封闭的，因此，可以采用任意常用的液体冷却介质，比如水、油等，适用性比较广；

5、U型进液管和U型出液管的限定，一方面是为了缓冲流速，形成湍流，另一方面是保证冷却液贯通并充满整个冷却系统。

附图说明

图1为一种包括本发明所述冷却系统的电机外形图。

图2为一种包括本发明所述冷却系统的电机内部示意图。

图3为一种本发明所述冷却系统与定子铁芯相配合的结构示意图。

图4为一种配合本发明所述冷却系统使用的定子铁芯的结构示意图。

图5为一种本发明所述冷却系统中的定子铁心冲片的结构示意图。

图6为图5中A部分的结构放大图。

图7为一种本发明所述的冷却系统的立体结构示意图。

图8为一种本发明所述的冷却系统的侧面结构示意图。

图9为图8的一种截面实施例的示意图。

图10为图9中B部分的结构放大图。

图11为图8的截面示意图。

图12为图11中C部分的结构放大图。

图13为图8的另外一种截面实施例的示意图。

图14为图13中B'部分的结构放大图。

图15为一种配合本发明所述冷却系统使用的前端盖的结构示意图。

图16为一种配合本发明所述冷却系统使用的后端盖的结构示意图。

图17为额定工况下电机运行过程中随着时间变化两台电机内各部分的温度变化对比图。

图18为一种传统永磁同步电机在运行140s时的电机轴向横截面的温度示意图。

图19为包括本发明所述冷却系统的永磁同步电机在运行140s时的电机轴向横截面的温度示意图。

附图标记：

冷却单元1，微型通管11，剩余段111；集成管路2，进液集成环管21，出液集成环管22，U型进液管23，U型出液管24，进液口25，出液口26；定子铁芯3，凹槽31，连接部32，焊接槽321，凸起322；机壳4，电机前端盖41，电机后端盖42，容纳槽411和421。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种用于冷却电机定子的系统，参照图1所示的一种包括本发明所述冷却系统的电机外形图，图2所示的一种包括本发明所述冷却系统的电机内部示意图以及图3所示的一种本发明所述冷却系统与定子铁芯相配合的结构示意图，包括若干冷却单元1和集成管路2，其中：

所述若干冷却单元1沿定子铁芯3的轴线方向并列排布于定子铁芯3和机壳4之间，每一冷却单元1包括至少一层由若干微型通管11并列排布所形成的弧形集合；

所述集成管路2包括分别设于定子铁芯3两端的进液集成环管21和出液集成环管22，所述进液集成环管21通过U型进液管23与进液口25连接，所述出液集成环管22通过U型出液管24与出液口26连接；

每一所述冷却单元1的两端分别与所述进液集成环管21和出液集成环管22贯通连接。

在一个实施例中，所述若干冷却单元1均匀设于定子铁芯3和机壳4之间，参照图4所示的一种配合本发明所述冷却系统使用的定子铁芯的结构示意图，所述定子铁芯3的外围圆弧中均匀设有若干凹槽31，用于装设所述冷却单元1，相邻凹槽之间设有连接部32，用于连接定子铁芯3与机壳4，需要说明的是，所述连接部开设有两处焊接槽321，所述焊接槽321之间的凸起322的宽度优选为至少等于焊接槽的底部宽度，更优选为是至少等于焊接槽的顶部宽度。需要说明的是，两个焊接槽321有利于定子铁芯冲片之间焊接得更加牢固可靠，这也是在定子铁芯3外围开设有多个凹槽31而无法保证定子铁芯冲片牢固叠加的情况下，做的技术改进；此外，凸起322的宽度限定也是必要的，因为在定子铁芯与机壳进行连接的过程中，是采用过盈配合的方式，更宽的凸起对机壳的压强更小，由此避免出现凸起部分对机壳造成损坏的情况。

所述凹槽31在整个定子铁心3外圈呈均匀分布，是沿定子铁心3轴向的通槽，且其槽截面都相同。具体地，参照图5所示的一种本发明所述冷却系统中的定子铁心冲片的结构示意图和图6所示的图5中A部分的结构放大图，所述凹槽31是由定子铁芯冲片上的凹槽31叠加而成，具体由定子铁芯3上线切割或冲模冲出形成的。

在一个实施例中，参照图7所示的一种本发明所述的冷却系统的立体结构示意图以及图8所示的一种本发明所述的冷却系统的侧面结构示意图，所述进液集成环管21沿定子铁芯3和/或机壳4的圆弧，贯通连接于所述若干冷却单元1的左端；所述出液集成环管22沿定子铁芯3和/或机壳4的圆弧，贯通连接于所述若干冷却单元1的右端。所述进液集成环管21的外侧与所述U型进液管23的一端贯通连接，所述U型进液管23的另一端与设置在机壳4外侧的进液口25贯通连接；所述出液集成环管22的外侧与所述U型出液管24的一端贯通连接，所述U型出液管24的另一端与设置在机壳4外侧的出液口26贯通连接。冷却液通过进液口25进入U型进液管23，然后到达进液集成环管21，之后冷却液流入与所述进液集成环管21并列连接的微型通管内部，在流动过程中同时吸收电机内部的热量，并汇集到出液集成环管22内，最终通过U型出液管24以及出液口26流出，并将热量带走。

需要说明的，U型进液管23和U型出液管24的技术特征是必要的，在实际应用过程中，由于冷却液优选地是需要泵体进行抽取的，即冷却液通过泵体的抽提通过进液口25和U型进液管23，进入进液集成环管21，然后从进液集成环管21分别到达每一冷却单元1，且具体地，到达每一冷却单元1中的每一微型通管11中，与此同时，冷却液与电机内的热部件进行热交换，之后冷却液依次通过出液集成环管22、U型出液管24和出液口26，流出并同时将热量带走。由于泵体的加设，冷却液的流速是比较快的，在其中设置U型进液管23和U型出液管24，一方面是为了缓冲流速，形成湍流，另一方面是保证冷却液贯通并充满整个冷却系统。

参照图15所示的一种配合本发明所述冷却系统使用的前端盖的结构示意图和图16所示的一种配合本发明所述冷却系统使用的后端盖的结构示意图，电机前端盖41和电机后端盖42上对应于所述U型进液管23和所述U型出液管24，设有容纳槽411和421，用于装设所述U型进液管23和所述U型出液管24。

在一个实施例中，参照图9所示的图8的一种截面实施例的示意图以及图10所示的图9中B部分的结构放大图，冷却单元1包括一层由若干微型通管11并列排布所形成的弧形集合，所述微型通管的形状、长度完全相同，且其横截面的形状为圆形，此种情况是一种最基本的冷却单元，单层以及圆形截面。根据具体情况，冷却单元优选为10-30组，更优选为15-20组。在图9中，共设有18组冷却单元。

在另外一个实施例中，参照图13所示的图8的另外一种截面实施例的示意图以及图14所示的图13中B'部分的结构放大图，冷却单元1包括两层由若干微型通管11并列排布所形成的双层弧形集合，所述微型通管的形状、长度完全相同，且其横截面的形状为弧状梯形，此种情况是一种最优化的冷却单元，双层以及内短外长的弧状梯形（需要说明的是，由于微型通管的横截面积相对于定子铁芯的横截面积来说太小，所以内短为长的弧形弧状梯形结构不明显，但是，此横截面形状是目前来看最优的情况）。在图13中，共设有共设有18组冷却单元，每一组冷却单元中设有两层微型通管。

需要说明是，所述冷却单元中的若干微型通管的两端分别与所述进液集成环管和出液集成环管贯通连接。一方面，优选地，每一冷却单元至少包括3个微型通管，最优选地，每一冷却单元至少包括10个微型通管。另一方面，优选地，所述若干微型通管的形状、尺寸均相同，其中，所述形状为微型通管的底面截面形状包括但不限于圆形、方形以及梯形，更优选地，是当微型通管沿着所述定子铁芯的部分外围圆弧，形成致密的至少一层集合时，即微型通管之间的间隙足够小，因此，内短外长的弧状梯形是最佳的。

另外需要说明的是，无论冷却单元是一层还是两层，甚至多层，其均设在定子铁芯外围的凹槽内。所述凹槽的深度大于等于所述冷却单元的高度，优选地，所述冷却单元装设在所述凹槽后，最外层微型通管（如果冷却单元仅有一层微型通管时，最外层微型通管则指此层微型通管；当冷却单元有两层以上的微型通管时，最外层微型通管则指最外层的微型通管）的外围正好贴近机壳的内圈。另一方面，所述凹槽的长度对应于冷却单元的长度，以恰好容纳为优。

基于图9和图10 给出的实施例，进一步地，参照图11所示的图9的截面示意图以及图12所示的图11中C部分的结构放大图，每个微型通管11均贯通进液集成环管21，而且微型通管11与进液集成环管21之间的连接部位并非圆滑地连接，而是微型通管伸入进液集成环管内一部分，形成剩余段111，这是考虑到冷却液在由进液集成环管进入微型通管内的过程中，通过所述剩余段111的阻碍，造成冷却液在管路中形成湍流，进而大大提高冷却效率。

在一个实施例中，微型通管的底面内圈（即不包括微型通管的壁厚）横截面积为0.008-0.8mm²，微型通管的壁厚为0.1-0.2mm，其中，当微型通管为圆形底面时，其内径限定为0.1-1.0mm，其圆度不超过±0.03mm。

在对比实施例中，在其它条件相同的情况下，对比设有U型进液管和U型出液管的冷却系统X1、设有L型进液管和L型出液管的冷却系统X2以及设有直线型进液管和直线型出液管的冷却系统X3，发现X1、X2和X3的冷却效率之间递减，其中，设有U型进液管和U型出液管的冷却系统X1的冷却效果最佳，对应的电机内的各部分的温度更低。在电机运行120s后，X1对应的机壳、定子和线圈的温度，与L3相比，至少分别低6℃、6℃和5℃

在对比实施例中，通过实验对比图9-10所示的冷却系统L1和图13-14所示的冷却系统L2，在其它情况相同的情况下，L2的冷却效率更优于L1冷却效率，对应的电机内的各部分的温度更低，在电机运行120s后，L2对应的机壳、定子和线圈的温度，与L1相比，至少分别低8℃、5℃和5℃。另外根据图11-12所示的连接方式，有剩余段111的实施例的冷却效率也优于没有剩余段111实施例的冷却效率。

在对比实施例中，在其它条件相同的情况下，以图9-10 所示的冷却系统为模型，其中，一个冷却系统T1是用铝合金材料制成的，另外一个冷却系统T2是用铜金属制成的，发现冷却系统T2的冷却效率优于冷却系统T1的冷却效率。根据公式，由于铜的导热系数为401W/（m.K），而铝合金导热系数在200W/（m.K）左右，铜导热系数是铝合金导热系数的两倍左右，导热系数的大小表明导热能力的大小，导热系数越大，导热热阻值相应降低，导热能力越强，通过优选利用铜作为冷却系统的主要材料，充分发挥了铜的导热系数大、传热量相对大的优点，利用高导热系数的金属材料吸收大量的电机内部热量，传导过来的热量再由微型通管内的冷却介质带走。单位时间传导的热量公式为： Ф=Aλ(t1-t2)/δ，其中：λ为材料的导热系数，A为导热面积，t为温度，δ为时间，本发明用铜制微型通管2，增大导热比表面积，单位时间内传导的热量增加，从而加快热量传导速度。

一个最佳实施例，一种用于冷却电机定子的系统，包括若干冷却单元1和集成管路2，其中：

所述若干冷却单元1沿定子铁芯3的轴线方向并列排布于定子铁芯3和机壳4之间，每一冷却单元1包括两层由若干微型通管11并列排布所形成的弧形集合，所述微型通管11的底面横截面积为内短外长的弧状梯形，

所述集成管路2包括分别设于定子铁芯3两端的进液集成环管21和出液集成环管22，所述进液集成环管21通过U型进液管23与进液口25连接，所述出液集成环管22通过U型出液管24与出液口26连接；

每一所述冷却单元1的两端分别与所述进液集成环管21和出液集成环管22贯通连接，微型通管11穿过所述进液集成环管21和出液集成环管22内部，形成剩余段111；

所述冷却单元1、进液集成环管21和出液集成环管22均由铜金属制备得到。

参照图17-19所示，其中，图17为额定工况下电机运行过程中随着时间变化两台电机内各部分的温度变化示意图；图18为一种传统永磁同步电机M1在运行140s时的电机轴向横截面的温度示意图；图19为包括本发明所述冷却系统的永磁同步电机M2在运行140s时的电机轴向横截面的温度示意图。具体地，图19所述的冷却系统是一种用于冷却电机定子的系统，具体包括若干冷却单元1和集成管路2，其中：所述若干冷却单元1沿定子铁芯3的轴线方向并列排布于定子铁芯3和机壳4之间，每一冷却单元1包括一层由若干微型通管11并列排布所形成的弧形集合；所述集成管路2包括分别设于定子铁芯3两端的进液集成环管21和出液集成环管22，所述进液集成环管21通过U型进液管23与进液口25连接，所述出液集成环管22通过U型出液管24与出液口26连接；每一所述冷却单元1的两端分别与所述进液集成环管21和出液集成环管22贯通连接。可见，配有新型冷却单元的电机的冷却效果明显优于传统电机的冷却效果，而且这种冷却效果体现在具体温度上，其温差呈现大幅度增长。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。