[发明专利]一种具有转子冷却结构的电机及其应用

说明书

本发明公开了一种具有转子冷却结构的电机及其应用，属于电机冷却技术领域，其中，转子磁钢采用表贴式Halbach磁钢阵列；每极下磁钢分为两段，分别采用径向充磁和切向充磁，其中切向充磁的磁钢的周向外表面上沿轴向安装有热管，并且热管内嵌在转子护套下方；热管呈阶梯状，其中部与切向充磁的磁钢相接触，构成热端；两端分别固定于转轴两端，构成冷端；转轴两端设置有与冷端相匹配的键槽，以及用于固定冷端的冷端护套；Halbach磁钢阵列中，径向充磁的磁钢和切向充磁的磁钢均为梯形结构，且径向充磁的磁钢大于切向充磁的磁钢；转轴为空心转轴且优选为回流式空心转轴，其空心部分设置有供冷却介质流通的流道。本发明能够对电机中的转子磁钢进行有效冷却。

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种具有转子冷却结构的电机及其应用。

背景技术

为了节约能源，增加系统空间利用率和布局的灵活性，轻量化和高功率密度成为电机应用领域追求的目标。永磁电机因具有高效率、高可靠性、高转矩/功率密度以及强环境适应性等优势，成为了电动汽车、航空航天等领域驱动系统的首选电机类型。高功率密度的实现一方面通过增大电磁负荷来提高功率输出，另一方面通过提高转速、多物理场耦合优化等方式减小电机的体积和重量，这必然会导致电机损耗密度的进一步增加，给电机散热带来极大的困难和挑战，严重影响了电机运行的安全性和经济性。

按照冷却介质的不同，电机的冷却大致可以分为气冷和液冷。其中最为代表性的是强迫风冷和浸油冷却。二者都可以和热源直接接触，极大地减小了传热路径上的热阻，有良好的散热效果。由于油的密度和导热系数均比空气高，油冷更容易满足高功率密度电机的散热需求。但由于电机的高速旋转，油和转子直接接触会产生极大的搅油损耗，这大大降低了电机的效率，因此通常只对定子采用浸油冷却。然而转子使用强迫风冷不仅会产生风摩损耗，还会导致振动噪声的增加。例如，在专利文件CN201721153536.2中，公开了一种高速电机转子冷却结构，其在转子沿轴向的两端分别安装两个叶轮风扇，叶轮风扇包括轮毂及环设于轮毂周围的若干离心式扇叶，如图1所示，其中，I-1表示转子组件，I-2表示第一叶轮风扇，I-3表示第二叶轮风扇；该专利文件中，转子高速旋转时，会在气隙中形成气流，加快转子散热，整体设计具有结构简单、安装后无需拆卸、散热效果好等优点。但是，该专利中未考虑转子高速旋转带来的振动噪声问题，同时过高的轴向流速会导致风摩损耗的急剧增加。

高速旋转使得转子可采用的冷却方式受到限制，对于运行环境处在低压空气稀薄的航空航天领域，转子周围的空气几乎可以视为绝热材料，这给转子冷却系统的设计带来了巨大的挑战，转子的高效散热问题亟待解决。

针对电子转子的冷却问题，现有技术中提出了采用空心转轴用于转子冷却，例如，在专利文件CN201810987456.X中，公开了一种电机转子冷却结构，其中，转轴为半中空结构，且具有封闭端膨大的内部空腔，冷却管道的外径小于半中空轴开口端的内径，并轴向插入半中空轴的空腔内，从而在冷却管道外壁和半中空轴内壁之间形成冷却通道。如图2所示，其中，II-1为半中空轴，II-2为冷却管组件，II-3为电机转子，II-11为第一转轴结构件，II-12为第二转轴结构件，II-13为螺纹沟槽，II-21为冷却管头，II-22为冷却管道，II-23为进口，II-24为出口，II-25为支撑环，II-26为定位卡环。该结构能够有效增大散热面积并有效防止冷却管道的端部由于悬臂结构变形而接触半中空轴的内壁，但冷却通道位于转子轴内，远离转子磁钢，散热效果有效，且转子温度升高导致转子支撑和转轴的间隙增大，接触热阻随之增大，这进一步降低了冷却效率。