用于直线电机的高效冷却机构

1.本发明属于电机冷却技术领域，具体涉及用于直线电机的高效冷却机构。


背景技术：

2.直线电机是一种能够产生直线运动的机电装置，在平动场合具有明显优势，相比旋转电机加丝杠的组合方案，其省去了丝杠该将回转运动转化为直线运动的传动装置，因此有效提升了整体传动效率，此外还提升了系统整体可靠性。当前市面上的直线运动方案中，虽然旋转电机加丝杠为主流，但是应用直驱式的直线电机情形相对较为有限，其中一个主要原因在于直线电机提供功率密度过小。在相同的运动速度下，其更加本质的缺陷为推力密度过小，要产生满足一些特定需求的力，则需要很大的电机体积。
3.提升磁场利用率是提升直线电机推力密度/功率密度的有效方式，此外也可以通过改善电机的散热效果来实现更大的电流阈值，进而在持续工作条件下提升推力密度/功率密度。水套冷是电机中较为常用的冷却型式，在旋转电机的外侧布置沿周向延伸的水冷通道，从而有效带走电机定子或转子上产生的热量。对于旋转电机而言，螺旋式的水冷通道是一种较为合理的方案，具有与电机外径相近曲率的水冷通道可以令冷却液的流动方向逐渐改变，从而有效控制流动阻力。然而，对于直线电机来说，由于直线电机的定子或动子中的任意一者，展向两端并不相连，因此不能形成类似于旋转电机周向循环式的水冷通道。为了提升冷却效果，通常将直线电机水冷板中的水冷通道设计成多个u型系列，然而u型水冷通道的180
°
转向处通常曲率很小，所以流动阻力很大，局部压力分布不均，对u型处的结构强度要求也较高。流动阻力大带来的直接结果是，选用相同水泵的情形下冷却流量下降，或需要选取更高型号的水泵来实现相同流量，因此水冷系统及水冷通道对于直线电机的冷却性能和推力密度/功率密度影响显著，需要通过合理设计实现更加高效的冷却设计。
4.因此，设计一种能够降低流动阻力，实现更高的冷却流量，从而使得电机可以通以更大的电流，进而获得更高的推力密度/功率密度的用于直线电机的高效冷却机构，就显得十分必要。
5.例如，申请号为cn201120440755.5的中国专利文献描述的扁平型永磁直线水冷电机冷却结构，电机的初级为动子，次级为定子，次级为多块拼接，次级为永磁体斜极方式，即永磁体与电机运动轴线倾斜一个角度，电机的初级整体用环氧导热胶灌封，初级铁芯采用宽槽窄齿方式，即铁芯槽宽和齿宽的比值大于，在绕组槽槽底和槽边处分布开口槽，在绕组槽槽底和槽边处分布开口槽，开口槽中涂放高导热材料并嵌入冷却管，初级铁芯轭部均布圆底直口槽，圆底直口槽槽中涂放高导热材料，圆底直口槽与冷却管过盈配合，冷却管压入圆底直口槽后保证与圆底直口槽紧密接触。该方案虽然在某种程度上具有可观的散热面积，但在实际应用时受制于管径尺寸和多折返管路，流动阻力很大，这将使得冷却流量低，因此并不能实现很好的冷却效果。此外，该冷却结构对于电机铁芯、冷却管的加工装配带来了很大挑战，冷却管需要被制造成与槽距、圆底直口槽、定子端部等结构精确配合，使得其通用性和经济性较差。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服现有技术中，现有的直线电机冷却机构存在流动阻力大，冷却流量小的问题，提供了一种能够降低流动阻力，实现更高的冷却流量，从而使得电机可以通以更大的电流，进而获得更高的推力密度/功率密度的用于直线电机的高效冷却机构。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.用于直线电机的高效冷却机构，包括水冷板和水冷管；所述水冷板内设有水冷通道；所述水冷管包括至少一个法向延伸段和至少一个轴向延伸段；所述水冷管通过法向延伸段与水冷板连通；所述水冷管和水冷板一体成型或通过焊接连接；所述水冷通道呈螺旋跑道型，且转向角度为90。
9.作为优选，所述水冷通道的进出口位于水冷板的角落上。
10.作为优选，所述水冷通道的转向处呈圆弧状。
11.作为优选，设有直线电机；所述直线电机包括用于容纳水冷管的定子铁芯；所述定子铁芯包括定子铁芯齿与定子铁芯轭；相邻两个定子铁芯齿之间形成定子槽，用于容纳定子绕组；位于中部的定子槽底部设有开槽和通孔，用于容纳所述水冷管；所述水冷管穿过所述通孔与水冷板连通；所述水冷板位于定子铁芯背部。
12.作为优选，所述水冷管还包括至少一个展向延伸段；所述展向延伸段固定于定子铁芯轭上。
13.作为优选，所述开槽沿轴向双侧延伸或沿轴向单侧延伸。
14.作为优选，所述开槽的顶部与所述定子槽的底部齐平。
15.作为优选，所述直线电机为三相电机；所述定子绕组包括集中式双层绕组；所述开槽位于用于承载a相线圈和b相线圈的定子槽内；所述a相和b相分别对应展向两端电枢线圈所属的相位。
16.作为优选，所述水冷板和水冷管均采用非导磁、高导热材料制成。
17.作为优选，所述定子铁芯由至少两种不同形状的硅钢片叠装形成；所述硅钢片至少包括用于形成开槽的第一硅钢片和用于形成通孔的第二硅钢片。
18.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明的水冷通道呈螺旋跑道型设计，能够显著降低水冷管转向处的流动阻力，从而使得水冷机构具有更高的冷却流量和更好的冷却效果，进而提升直线电机推力密度/功率密度；(2)本发明进一步限定了开槽的具体位置，从而降低可能产生的三相不平衡等负面作用；(3)本发明还设计了与水冷管和水冷板相匹配的定子铁芯及其叠装工艺，能够有效保证定子铁芯叠装的可行性以及装配的牢固性，同时确保水冷管与定子铁芯、部分定子绕组能够紧密贴合与充分接触，从而保证冷却系统的有效性和可靠性。
附图说明
19.图1为现有技术中直线电机的一种结构示意图；
20.图2为现有技术中水冷通道的一种结构示意图；
21.图3为现有技术中水冷通道的另一种结构示意图；
22.图4为本发明中水冷通道的一种结构示意图；
23.图5为本发明实施例1中定子铁芯的一种结构示意图；
24.图6为本发明实施例2中定子铁芯的一种结构示意图；
25.图7为本发明中第一硅钢片的一种侧视图；
26.图8为本发明中第二硅钢片的一种侧视图；
27.图9为本发明中第三硅钢片的一种侧视图；
28.图10为本发明中定子铁芯的开槽所处的具体位置的一种示意图；
29.图11为本发明中水冷板、水冷管与定子铁芯的相互位置关系的一种示意图；
30.图12为本发明中水冷板和水冷管连接的一种示意图；
31.图13为本发明中定子铁芯装配的一种示意图。
32.图中：动子铁芯1、定子铁芯2、永磁体3、定子铁芯轭4、定子铁芯齿5、辅助齿6、定子绕组7、定子槽8、水冷板9、进出口10、水冷通道11、转向部12、开槽13、通孔14、法向延伸段15、轴向延伸段16、第一硅钢片17、第二硅钢片18、第三硅钢片19、水冷通道壁20、水冷管21。
具体实施方式
33.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
34.如图1所示，展示了一种常规的直线电机，包括动子铁芯1和定子铁芯2；动子铁芯上设有多个永磁体3；定子铁芯包括定子铁芯轭4、设于定子铁芯轭上的多个定子铁芯齿5和辅助齿6、设于各个定子铁芯齿上的定子绕组7；相邻两个定子铁芯齿之间形成定子槽8；定子铁芯背部设有水冷板9，水冷板两端各设有一个进出口10。图1中标注了法向、轴向、展向的关系，之后图中的法向、轴向、展向的关系均以图1中的标注方向为准。法向、轴向和展向分别等同于三维方向中的x轴、y轴、z轴方向。
35.如图2和图3所示，展示了现有技术中用于对直线电机进行冷却的u型水冷通道设计。图2和图3中水冷通道u型管的180
°
转向处曲率很小(相比旋转电机外径曲率)，会使流动边界层分离产生旋涡从而造成能量损失，进而造成很高的压力损失，并且u型结构之类的局部管件结构的阻力系数反比于曲率。
36.实施例1：
37.如图4和图12所示，本发明提供了用于直线电机的高效冷却机构，包括水冷板和水冷管21；所述水冷板内设有水冷通道11；所述水冷管包括一个法向延伸段15和一个轴向延伸段16；所述水冷管通过法向延伸段与水冷板内的水冷通道连通；所述水冷管和水冷板一体成型或通过焊接连接；所述水冷通道呈螺旋跑道型，且转向角度为90
°
。上述的法向、轴向、展向关系均已在图1中标注。如图4所示的水冷通道的转向角度由180
°
减为90
°
，水冷通道的转向处呈圆弧状且局部曲率可以设计成较大值，能够有效降低局部流动阻力。水冷通道两侧设有水冷通道壁20。水冷管和水冷板的连接处(划分处)为转向部12。
38.如图5和图11所示，本发明设有直线电机；所述直线电机包括用于容纳水冷管的定子铁芯；所述定子铁芯包括定子铁芯齿与定子铁芯轭；相邻两个定子铁芯齿之间形成定子槽，用于容纳定子绕组；位于中部的定子槽底部设有开槽13和通孔14，用于容纳所述水冷管；所述水冷管穿过所述通孔与水冷板连通；所述水冷板位于定子铁芯背部；水冷管部分位
于定子铁芯内部。图5中，定子铁芯中的开槽沿轴向双侧延伸，方便水冷管沿不同的侧向进行延伸。
39.水冷通道的进出口位于水冷板的角落上，所述的“角落”即轴向和展向的端部。水冷通道沿展向和轴向延伸，且渐近于定子铁芯中心位置，最后沿法向穿过位于定子铁芯轭部的通孔，所述通孔沿法向方向位于定子槽的的下方，而不是位于定子铁芯齿的下方。
40.所述水冷管还包括一个展向延伸段；所述展向延伸段固定于定子铁芯轭上，可以保证水冷管的固定可靠性，还能与定子铁芯轭甚至定子绕组的端部接触，进一步的有效带走热量。
41.与水冷板连通的水冷管沿轴向延伸，穿过位于定子槽底部的开槽从定子铁芯的轴向端部穿出，不会与定子绕组的端部形成干涉，本发明水冷机构的另一个进出口，同时作为水冷管的另一个进出口可以较为灵活的设置，典型的如图12所示。
42.进一步的，开槽的顶部与定子槽的底部齐平，这样水冷管便不会侵入到定子槽内空间。对于三相电机，所述开槽的位置优选的位于a相和b相线圈所在的定子槽，所述a相和b相分别为定子铁芯展向最两端定子铁芯齿上分别绕的线圈，如图10所示。在此情况下，开槽将影响定子铁芯轭部的有效厚度，从而影响磁路饱和程度，进而引起三相不平衡问题，而直线电机两个端部线圈所在相位，由于端部效应本身就存在一定的不平衡现象，因此可以通过展向端部辅助齿的精细化补偿设计(例如调整齿宽和齿高)，能够从理论上实现或趋近于三相平衡。
43.定子铁芯由于通孔和开槽的存在，使得本发明中的定子铁芯成为异质结构。因此本发明中的定子铁芯由硅钢片叠装形成。硅钢片叠装形成定子铁芯时需要按一定顺序进行。
44.如图7和图8所示，硅钢片包括用于形成开槽的第一硅钢片17和用于形成通孔的第二硅钢片18，其中第二硅钢片两块完全间断。叠装顺序如图13所示，先叠装第一硅钢片，然后将水冷管和水冷板安装到位，随后叠装第二硅钢片，再叠装第一硅钢片。为了提升叠装的精准度和可靠性，第二硅钢片采用自粘接工艺形成的成型叠片组，而第一硅钢片考虑按常规方法沿轴向叠装和焊接(或铆接)固定。
45.进一步的，本发明中水冷板和水冷管均采用非导磁、高导热材料制成，具体采用铝材料制成。相比其他金属，金属铝质量轻、价格低、易加工、导热性能好，且具有不导磁的特性，可以减少在水冷系统上产生的涡流损耗。
46.实施例2：
47.与实施例1的不同之处在于，如图6所示，定子铁芯中的开槽沿轴向单侧延伸。如图7至图9所示，本实施例中的定子铁芯的叠装工序如下：
48.叠装用的硅钢片包括用于形成开槽的第一硅钢片、用于形成通孔的第二硅钢片和常规直线电机采用的第三硅钢片19，其中第二硅钢片两块完全间断。叠装顺序如图13所示，先叠装第一硅钢片，然后将水冷管和水冷板安装到位，随后叠装第二硅钢片，最后再叠装第三硅钢片。为了提升叠装的精准度和可靠性，第二硅钢片采用自粘接工艺形成的成型叠片组，而第一硅钢片考虑按常规方法沿轴向叠装和焊接(或铆接)固定。
49.本发明的水冷通道呈螺旋跑道型设计，能够显著降低水冷管转向处的流动阻力，从而使得水冷机构具有更高的冷却流量和更好的冷却效果，进而提升直线电机推力密度/
功率密度；本发明进一步限定了开槽的具体位置，从而降低可能产生的三相不平衡等负面作用；本发明还设计了与水冷管和水冷板相匹配的定子铁芯及其叠装工艺，能够有效保证定子铁芯叠装的可行性以及装配的牢固性，同时确保水冷管与定子铁芯、部分定子绕组能够紧密贴合与充分接触，从而保证冷却系统的有效性和可靠性。
50.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。