一种自冷却电枢绕组系统

1.本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种自冷却电枢绕组系统。


背景技术：

2.传统的电机系统散热通过增加散热面积、水冷、风冷等结构和物理方式实现，虽然可以降低电机温度，但由于电机本身高速、强振动的特性，多物理场耦合过程中通常产生噪声、气流扰动等干扰，在低速重在运行时，冷却结构会增加电机的体积，增加制造成本，在高速运行过程中，会产生风噪和振动。
3.电机设计领域，电枢绕组采用漆包线进行绕制，当电机处于低速、重载工作阶段时，由于感应电动势较低，电机会产生较大的电流，此时电机运行于低效率的运行状态，主要损耗在于绕组产生的铜损。
4.但是，本技术人发现，现有技术至少存在一下问题：
5.一般的，电机中常用的漆包线绝缘层耐热温度为f级150℃，最高的y级可达180℃，对于大功率力矩电机，高电流意味着低速下更高的力矩输出，也带来对了更高的热产出，漆包线的散热性能严重影响了电机能量密度的进一步提高。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种自冷却电枢绕组系统，以解决对于大功率力矩电机，高电流意味着低速下更高的力矩输出，也带来对了更高的热产出，漆包线的散热性能严重影响了电机能量密度的进一步提高的问题。
7.基于上述目的，本发明提供了一种自冷却电枢绕组系统，包括：
8.液态金属导线，液态金属导线包括导管与液态金属，液态金属填充于导管中，用于电枢绕组系统的导体；
9.液滴解耦器，位于系统的冷端，液滴解耦器竖直放置，用于对液态金属导线进行电液解耦和流体的自然冷却，液滴解耦器中预填充有滴定量的液态金属，用于补充循环中导管中的气泡与空穴；
10.电枢绕组，电枢绕组两端与液态金属导线之间通过电液连通器连接；
11.循环泵，用于提供液态金属流体运动循环的动力；
12.液态金属通过循环泵提供流体运动的动力，在电枢绕组系统的导管中流动，并通过液滴解耦器进行电液解耦和流体的自然冷却。
13.可选的，所述液态金属为镓、铟、锡元素的三种或其中任意两种构成的合金，合金熔点低于30℃。
14.可选的，所述液滴解耦器内部设有储液池，储液池顶端安装有液滴喷头，储液池底端开设有液滴出口，液滴喷头与液态金属导线相连接，液滴喷头使液态金属呈现离散相进入储液池中，实现电流在液滴解耦器中的开路，储液池用于将液滴重新汇聚为连续相，并进入下一个循环。
15.可选的，所述液滴喷头为管道出口截面，且管道出口截面内径r＜2mm。
16.可选的，所述电液连通器为三通连通器结构，包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一端口、第二端口以及第三端口之间联通有内部流道，内部流道的尺寸可达到500μm，所述第一端口、第二端口以及第三端口的内表面与导管的外表面接触连接，并通过密封树脂密封固定，电液连通器外表面裸露金属部分与外边路连接，电流通过电液连通器的金属结构进入导管内部液态金属电介质中，实现外电路与液态金属电路的耦合。
17.可选的，所述电枢绕组中安装有铁芯，电枢绕组绕卷于铁芯上，铁芯用于绕组缠绕的依托，降低铁损。
18.可选的，所述循环泵为蠕动泵。
19.可选的，所述电枢绕组为空心杯绕组结构。
20.本发明还提供一种液态金属导线的制作方法，包括如下步骤：
21.将液态金属通过注射方式对导管进行填充；
22.填充后将导管的一端打结，导管打结的一端作为固定端，导管未打结的一端作为拉伸端；
23.将拉伸端与外部拉力机紧固夹具连接，进行拉长工序；
24.拉长工序完成后，对拉伸端进行密封。
25.可选的，所述拉长工序完成后，对拉伸端进行密封包括：通过对拉伸端进行加热，使拉伸端温度达到导管的熔化温度，熔融的导管对拉伸端进行填充，冷却后实现密封。
26.本发明的有益效果：通过液态金属导线连接电枢系统的各组元器件，液滴解耦器用于对液态金属导线进行电液解耦和流体的自然冷却，液滴解耦器中预填充有滴定量的液态金属，用于补充循环中导管中的气泡与空穴，电枢绕组两端与液态金属导线之间通过电液连通器连接，通过循环泵提供液态金属流体运动循环的动力，液态金属通过循环泵提供流体运动的动力，在电枢绕组系统的导管中流动，并通过液滴解耦器进行电液解耦和流体的自然冷却。实现流场的连续和冷却回路中电路的中断解耦，大大提高了散热性能。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，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。
28.图1为本发明实施例一种自冷却电枢绕组系统的结构示意图；
29.图2为本发明实施例一种自冷却电枢绕组系统的液态金属导线内部结构示意图；
30.图3为本发明实施例一种自冷却电枢绕组系统的液滴解耦器的结构示意图；
31.图4为本发明实施例一种自冷却电枢绕组系统的第一电液连通器的结构示意图；
32.图5为本发明实施例一种自冷却y型接法电枢绕组系统的示意图；
33.图6为本发明实施例一种自冷却
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型接法电枢绕组系统的示意图。
34.图中标记为：
35.1、液态金属导线；2、液滴解耦器；3、循环泵；4、电枢绕组；5、第一电液连通器；6、第二电液连通器；7、导管；8、液态金属；9、固定端；10、拉伸端；11、树脂；12、第一端口；13、第二
端口；14、第三端口；15、内部流道；16、密封树脂；17、液滴喷头；18、储液池；19、液滴出口。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
37.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
38.如图1所示，本发明一种或多种具体实施例，提供一种自冷却电枢绕组系统，包括液态金属导线1，液态金属导线1包括导管7与液态金属8，液态金属8填充于导管7中，液态金属导线1串联有液滴解耦器2、循环泵3以及电枢绕组4，所示电枢绕组4两端连接有第一电液连通器5与第二电液连通器6，用于保证液态金属8流动的同时，能够实现导管7之间的机械连接和外接电路的导电功能，所述液滴解耦器2位于系统的冷端，液滴解耦器2竖直放置，用于对液态金属导线1进行电液解耦和流体的自然冷却，液滴解耦器2中预填充有滴定量的液态金属8，用于补充循环中导管7中的气泡与空穴。
39.在进行使用时，当电机工作时，首先打开循环泵3，在第一个循环内，循环泵3推动液态金属导线1中的液态金属8和空气由液滴解耦器2流向电枢绕组4，再经过液态金属导线1回流到液滴解耦器2的上端口，形成液滴滴落，此时液态金属8会在第一电液连通器5与第二电液连通器6下部收集，原液态金属导线1中的气泡则在液滴解耦器2上部保存。经历一个周期循环后液态金属导线1中的气泡消失，液态金属导线1内部构成由液态金属8完全填充的导体结构，此时在导电的第一电液连通器5与第二电液连通器6之间接直流电模拟简化的直流电机绕组工况，电流由第一电液连通器5流入，自第二电液连通器6流出，由于液滴解耦器2的存在，第一电液连通器5和第二电液连通器6之间的电路在流体冷凝回流端处于开路状态，即电路并不会发生短路情况，此时电枢绕组4发热，即液态金属8发热，由于循环泵3的作用，液态金属导线1内的液态金属8沿着流道回流至液滴解耦器2的上端口，形成液滴滴落并冷却，在液滴解耦器2下端重新汇聚并进入下一个循环。由于液态金属导线1在循环泵3经由电枢绕组4再至液滴解耦器2上端的单向过程中始终保持充满状态，因此第一电液连通器5与第二电液连通器6之间的电路回路始终通畅，保证了电机的运行，同时能够对电枢绕组4实现降温冷却。
40.在一些可选的具体实施例中，所述所述液态金属8为镓、铟、锡元素的三种或其中任意两种构成的合金，合金熔点低于30℃。
41.在一些可选的具体实施例中，如图3所示，所述液滴解耦器2内部设有储液池18，储液池18顶端安装有液滴喷头17，储液池18底端开设有液滴出口19，液滴喷头17与液态金属导线1相连接，液滴喷头17使液态金属8呈现离散相进入储液池18中，实现电流在液滴解耦
器2中的开路，储液池18用于将液滴重新汇聚为连续相，并进入下一个循环。
42.在进行使用时，整个工作循环中，液态金属8分为电枢绕组4部分的工作段和冷却的回流段，电路部分的正极接于电枢绕组4的入口处，负极接于电枢绕组4的出口处，因此，在电枢绕组4的出口处需要对电路和液态金属8流体的解耦，以避免电路在回流段导通出现短路现象。
43.在一些可选的具体实施例中，如图3所示，所述液滴喷头17为管道出口截面，且管道出口截面内径r＜2mm。由于液态金属8表面能高，张力较大，将液滴喷头17简化为尺度较低的管道出口截面即可保证液态金属8在广泛的流速范围内液滴的成型。
44.在一些可选的具体实施例中，如图4所示，所述第一电液连通器5与第二电液连通器6结构相同，以第一电液连通器5为例进行说明，所述第一电液连通器5为三通连通器结构，包括第一端口12、第二端口13以及第三端口14，第一端口12、第二端口13以及第三端口14之间联通有内部流道15，内部流道15的尺寸可达到500μm，所述第一端口12、第二端口13以及第三端口14的内表面与导管7的外表面接触连接，并通过密封树脂16密封固定，第一电液连通器5外表面裸露金属部分与外边路连接，电流通过第一电液连通器5的金属结构进入导管7内部液态金属8电介质中，实现外电路与液态金属8电路的耦合。
45.在一些可选的具体实施例中，如图1所示，所述电枢绕组4中安装有铁芯，电枢绕组4绕卷于铁芯上，铁芯用于绕组缠绕的依托，降低铁损。
46.在一些可选的具体实施例中，所述电枢绕组4为空心杯绕组结构。
47.在一些可选的具体实施例中，如图1所示，所述循环泵3为蠕动泵。
48.电机分为发电机、电动机和变压器三类，绕组连接方式也各不相同，变压器一般为单相接法，即图1所示连接，对于更复杂的三相y型和
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接法，以下将详细说明。
49.本发明还提供一种自冷却y型接法电枢绕组系统，如图5所示，包括三组竖直放置的液滴解耦器2，三组液滴解耦器2之间通过液态金属导线1并联，并联的三组液滴解耦器2通过液态金属导线1串联有循环泵3，三组液滴解耦器2分别串联有电枢绕组4，三相电u、v、w分别通过电枢绕组4入口处的连通器接入，电枢绕组4在出口端处共阴极连接，无需引出阴极线，三相液态金属流体在电枢绕组4出口处汇聚，并通过循环泵3送入液滴解耦器2上端，实现电路的开路中断。
50.本发明还提供一种自冷却
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型接法电枢绕组系统，如图6所示，包括竖直放置的液滴解耦器2、三组电枢绕组4以及循环泵3，其中，滴液滴解耦器2、三组电枢绕组4以及循环泵3之间通过液态金属导线1串联，三相电u、v、w分别通过电枢绕组4入口处的连通器接入，电枢绕组4，三相液态金属流体在电枢绕组4出口处汇聚，并通过循环泵3送入液滴解耦器上端，实现电路的开路中断。
51.本发明还提供一种液态金属导线的制作方法，如图2-3所示，包括：
52.将液态金属8通过注射方式对导管7进行填充；
53.填充后将导管7的一端打结，导管7打结的一端作为固定端9，导管7未打结的一端作为拉伸端10；
54.将拉伸端10与外部拉力机紧固夹具连接，进行拉长工序；
55.拉长工序完成后，对拉伸端10进行密封。
56.在一些可选的具体实施例中，如图2所示，所述导管7为聚四氟乙烯材料。聚四氟乙
烯材料伸长率一般为3～4倍，拉伸过程中导管7轴向边长，径向缩小，得到尺度远低于原导管7的液态金属导线1结构，由于预填充的液态金属8具有较高的表面张力，在拉伸中导管7内壁在微米尺度下封闭的可能性基本排除，液态金属导线1连通性较好。
57.在一些可选的具体实施例中，如图2所示，所述拉长工序完成后，对拉伸端10进行密封包括：通过对拉伸端10进行加热，使拉伸端10温度达到导管7的熔化温度，熔融的导管7对拉伸端10进行填充，冷却后实现密封。
58.在一些可选的具体实施例中，如图2所示，所述拉长工序完成后，对拉伸端10进行密封包括：对拉伸端10中进行密封填充树脂11。其中，树脂11为热熔型树脂或光敏固化型树脂。
59.密封的液态金属导线1在使用时，从两端密封处剪除，通过连通器进行多段液态金属导线1的串联与并联连接。
60.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
61.本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。