本發明涉及電機技術領域，尤其涉及一種具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機。

背景技術：

目前，新型高速電機已成為高效節能電機的一個重要發展方向。現有高速電機由于其冷卻結構所限，采用自帶風扇冷卻方式(轉軸帶動風扇將冷卻風吹向機殼和端蓋外表面的散熱筋，接著電機內部的熱量會被散熱筋帶走)，但此種冷卻方式無法將電機內部產生的熱量充分帶走，由此導致高速電機冷卻性能差、適用范圍有限。且高速電機旋轉流體場分布較為復雜，電機轉子和定子溫升問題成為直接影響電機能否長期穩定運行的制約因素。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機，能夠在一定條件下降低電樞電流，以提高電機運行效率，改善其性能指標。同時通過風冷轉子和水冷定子相結合的冷卻結構，有效使電機定轉子溫度降低，避免高速工況下電機散熱困難的問題，，從而保證電機長期安全穩定的運行，有效延長電機的使用壽命。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機，包括機殼、前端蓋、后端蓋、轉子和定子；

定子為雙組凸極定子，包括前端定子鐵芯及其繞組、后端定子鐵芯及其繞組；前端定子鐵芯固定設于前端蓋一側的機殼內壁上，后端定子鐵芯固定設于后端蓋一側的機殼內壁上，兩端定子鐵芯上均勻分布6個凸極，定子繞組集中纏繞于定子鐵芯上；相鄰定子鐵芯凸極之間的定子槽作為定子軸向冷卻風道，為定子風冷區；定子軛背部與機殼之間設有定子環軛背部螺旋式水冷通道，作為定子水冷區，定子環軛背部螺旋式水冷通道環繞于定子鐵芯的軛背部，并緊貼或嵌入定子鐵芯的軛背部；定子風冷方向和定子水冷方向互相垂直；

轉子為復合結構，設于定子內側，包括轉軸、導磁材料、永磁體、永磁體保護套和雙組轉子鐵芯；轉軸與機殼同軸設置，導磁材料包裹于轉軸外側面；永磁體為軸向環套式永磁體，嵌入導磁材料中央，用于輔助勵磁，永磁體外部套有永磁體保護套；雙組轉子鐵芯與轉軸同軸旋轉，包括前端轉子鐵芯和后端轉子鐵芯，分別固定裝配于導磁材料前后兩端的外側面，并分別與前端定子鐵芯和后端定子鐵芯同心設置，定、轉子鐵芯之間設有氣隙；兩端轉子鐵芯上均勻分布4個凸極；前端轉子鐵芯的前面和后端轉子鐵芯的后面分別固定設有轉子自冷式風扇前扇葉和轉子自冷式風扇后扇葉；相鄰轉子鐵芯凸極之間的轉子槽作為轉子軸向冷卻風道；

雙組定轉子的內端壁之間形成第一冷卻腔，雙組定轉子外端壁與前后端蓋內端壁之間形成第二冷卻腔和第三冷卻腔，定轉子間氣隙及定轉子軸向冷卻風道將第一冷卻腔與第二冷卻腔、第三冷卻腔連通；

所述機殼采用導磁材料，機殼中間開設有進風口、進水管開口和出水管開口；機殼內壁中央連接有與進風口相通的周向圓環形導風通道，周向圓環形導風通道的軸向兩側面上等間距開有若干突出的冷卻孔，冷卻孔將周向圓環形導風通道與第一冷卻腔連通；機殼中間開設的進水管開口、出水管開口分別連接定子環軛背部螺旋式水冷通道的進水口和出水口；

所述前端蓋和后端蓋上均設有若干排風孔，排風孔將第二冷卻腔、第三冷卻腔與外部空氣相連通。

進一步地，所述定子環軛背部螺旋式水冷通道為螺旋式水道管，由一整根水道管沿定子軛背部環繞而成，螺旋式水道管的進水口與機殼上的進水管開口連通，螺旋式水道管的出水口與機殼上的出水管開口連通；環繞定子軛背部的相鄰水道管的間距相同。

進一步地，定子環軛背部的螺旋式水道管由導熱率高而磁導率低的材料制作而成；螺旋式水道管的管道寬度為6mm，管道高度為4mm，環繞定子軛背部的相鄰水道管間距為5～7mm，螺旋式水道管內部通有流速為1.5m/s的冷卻水。

進一步地，進水管開口設置在機殼中間的上部，出水管開口設置在機殼中間的底部；螺旋式水道管的環繞方向為，從進水管開口經由緊貼機殼內側上部的軸向水道管通向雙組定子鐵芯軛背上端靠近端蓋的一側，流經螺旋式水道管后到雙組定子鐵芯軛背下端內側，再通過機殼內側底部軸向水道管匯集到機殼中間底部的出水管開口。

進一步地，所述機殼內壁周向圓環形導風通道的冷卻孔開孔數量與前端蓋、后端蓋開設排風孔的總數量相同，冷卻孔尺寸略小于排風孔。

進一步地，前端蓋和后端蓋上的排風孔分別向第二冷卻腔和第三冷卻腔內延伸并連接有一段開口向上的排風管，使排風孔和排風管連接后的形狀為橫向放置的l型。

進一步地，轉子自冷式風扇前扇葉和后扇葉的葉片半徑高于轉子鐵芯凸極的半徑，且低于定子鐵芯軛背的半徑。

進一步地，定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明提供的一種具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機，采用永磁體輔助勵磁結構，永磁體在磁路中勵磁作用的加入間接減少定子勵磁電流消耗，有效減小定子繞組的銅耗；機殼內壁周向圓環形導風通道開有供冷卻風進入第一冷卻腔的等間距冷卻孔，冷卻風進入導風通道并軸向均勻為雙組定轉子提供冷卻風，電機定轉子散熱更均勻；機殼中間開有供冷卻空氣進入的進風口，通過冷卻孔進入第一冷卻腔；冷卻風經第一冷卻腔同時流入兩側定轉子氣隙及冷卻風道，冷卻雙組轉子外部、定子齒部以及氣隙；電機轉動后被加熱的空氣再由轉子自冷式風扇葉片帶動，最終由前后端蓋上的排風孔排出，兼顧雙組定轉子散熱的同時并使電機內部熱量更充分的排出。

本發明所采用的風冷結構為電機中間進風，兩端出風，由中間向兩邊擴散的散熱方式，而水冷結構則是由定子靠近端蓋的兩端水道進水口進入冷卻液，通過螺旋式水道管向雙組定子內側方向冷卻定子軛部，最終匯集到機殼底部中間位置，即從兩端向中間擴散的散熱方式。風冷與水冷分別從反方向冷卻電機內部與外部，有效地增強了電機定轉子的散熱能力，定子區域和轉子區域的最高溫度明顯地降低，能保證電機長期安全穩定的運行，有效延長電機的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機軸向切面結構示意圖；

圖2為發明實施例提供的前端定轉子端面結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的機殼內部的電機部結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的定子軛背部的螺旋式水道管的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的轉子自冷式風扇前扇葉或后扇葉的結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的前端蓋及其排風孔的結構示意圖；

圖7為本發明實施例提供的周向圓環形導風通道及其冷卻孔的結構示意圖；

圖8為本發明實施例提供的具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機的磁路走向示意圖。

圖中：1、機殼；2、前端蓋；3、后端蓋；4、前端定子鐵芯；5、前端定子繞組；6、后端定子鐵芯；7、后端定子繞組；8、定子軸向冷卻風道；9、螺旋式水道管；10、轉軸；11、導磁材料；12、永磁體；13、永磁體保護套；14、前端轉子鐵芯；15、后端轉子鐵芯；16、前扇葉；17、后扇葉；18、轉子軸向冷卻風道；19、第一冷卻腔；20、第二冷卻腔；21、第三冷卻腔；22、前端蓋排風孔；23、后端蓋排風孔；24、冷卻風進風口；25、進水管開口；26、出水管開口；27、周向圓環形導風通道；28、冷卻孔。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

一種具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機，如圖1所示，包括機殼1、前端蓋2、后端蓋3、定子和轉子。該電機的基本結構為雙組6/4極開關磁阻電機結構，電機兩側結構(轉子除外)平行排列且完全對稱于電機轉軸的中間垂直面，每側定子鐵芯上均勻分布6個凸極，每側轉子鐵芯上均勻分布4個凸極，即為雙組凸極結構，如圖2和圖3所示。

定子為雙組凸極定子，包括前端定子鐵芯4及其繞組5、后端定子鐵芯6及其繞組7。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成。前端定子鐵芯4固定設于前端蓋2一側的機殼1內壁上，后端定子鐵芯6固定設于后端蓋3一側的機殼1內壁上，定子繞組集中纏繞于定子鐵芯上。相鄰定子鐵芯凸極之間的定子槽作為定子軸向冷卻風道8，為定子風冷區。定子軛背部與機殼1之間設有定子環軛背部螺旋式水冷通道，作為定子水冷區，有效帶走定子的熱量。定子風冷方向和定子水冷方向互相垂直。定子環軛背部螺旋式水冷通道為螺旋式水道管9，由一整根水道管沿定子軛背部環繞而成，并緊貼或嵌入定子鐵芯的軛背部，如圖4所示。定子環軛背部螺旋式水冷通道，即螺旋式水道管，由導熱率高而磁導率低的材料制作而成，螺旋式水道管9的管道寬度為6mm，管道高度為4mm，環繞定子軛背部的相鄰水道管間距為5～7mm，螺旋式水道管9內部通有流速為1.5m/s的冷卻水。

轉子為復合結構，設于定子內側，包括轉軸10、導磁材料11、永磁體12、永磁體保護套13和雙組轉子鐵芯。轉軸10與機殼1同軸設置，導磁材料11包裹于轉軸10外側面。永磁體12為軸向環套式永磁體，嵌入導磁材料11中央，用于輔助勵磁，永磁體12外部套有永磁體保護套13。雙組轉子鐵芯與轉軸10同軸旋轉，包括前端轉子鐵芯14和后端轉子鐵芯15，分別固定裝配于導磁材料11前后兩端的外側面，并分別與前端定子鐵芯4和后端定子鐵芯6同心設置，且定、轉子鐵芯之間設有氣隙。前端轉子鐵芯14的前面和后端轉子鐵芯15的后面分別固定設有轉子自冷式風扇前扇葉16和轉子自冷式風扇后扇葉17，扇葉結構如圖5所示。轉子自冷式風扇前扇葉16和后扇葉17的葉片半徑高于轉子鐵芯凸極的半徑，且低于定子鐵芯軛背的半徑。相鄰轉子鐵芯凸極之間的轉子槽作為轉子軸向冷卻風道18。

雙組定轉子的內端壁之間形成第一冷卻腔19，雙組定轉子外端壁與前后端蓋內端壁之間形成第二冷卻腔20和第三冷卻腔21，定轉子間氣隙及定轉子軸向冷卻風道8和18將第一冷卻腔19與第二冷卻腔20、第三冷卻腔21連通。前端蓋2和后端蓋3上均設有若干排風孔22和23，如圖6所示為前端蓋2及其排風孔22的結構示意圖，后端蓋3的結構相同，排風孔22和23分別將第二冷卻腔20、第三冷卻腔21與外部空氣相連通。前端蓋和后端蓋上的排風孔分別向第二冷卻腔和第三冷卻腔內延伸并連接有一段開口向上的排風管，使排風孔和排風管連接后的形狀為橫向放置的l型，能有效防止灰塵、小石子等雜物從排風孔進入電機機殼內部而影響電機遠轉。

機殼1采用導磁材料，機殼1中間開設有進風口24、進水管開口25和出水管開口26，進水管開口25設置在機殼1中間的上部，出水管開口26設置在機殼1中間的底部。機殼1內壁中央連接有與進風口24相通的周向圓環形導風通道27，其結構如圖7所示，周向圓環形導風通道27的軸向兩側面上等間距開有若干突出的冷卻孔28，分別對雙組定轉子提供冷卻風，其開孔數量與前端蓋2、后端蓋3上開設排風孔22和23的總數量相同，尺寸略小于排風孔，為了防止冷卻風在電機內部產生較大風阻，避免冷卻風擁堵在電機內，影響電機運行性能。冷卻孔28將周向圓環形導風通道27與第一冷卻腔19連通，為了更有利于定轉子散熱均勻。機殼1中間開設的進水管開口25、出水管開口26分別連接螺旋式水道管9的進水口和出水口，螺旋式水道管9的進水口與進水管開口25連通，螺旋式水道管9的出水口與出水管開口26連通。螺旋式水道管9的環繞方向為，從進水管開口25經由緊貼機殼1內側上部的軸向水道管通向雙組定子鐵芯軛背上端靠近端蓋的一側，流經螺旋式水道管9后到雙組定子鐵芯軛背下端內側，再通過機殼1內側底部軸向水道管匯集到機殼1中間底部的出水管開口26。

軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機的磁路走向如圖8所示。永磁體12輔助磁場產生的磁通(軸向磁通)通過導磁材料11的導磁作用經轉軸10從前端轉子14穿過前端定子4經由機殼1到后端定子5再到后端轉子15，最后形成閉合磁通路徑，磁通在一端離開轉子14而在另一端轉子15進入，因此使轉子14和15在兩端極化，前端轉子14磁極均為n極，而后端轉子15磁極均為s極。電機定子繞組5和7中每組軸向對齊的一對定子繞組通過反向串聯構成a-a`(或b-b`、c-c`)，如圖3所示。作為三相凸極電機，定子每相通電時每個定子極產生的電樞磁通與永磁磁通的路徑和方向相同。

本實施例所述電機的冷卻結構共包括風冷結構和水冷結構，其中風冷結構包括定子和轉子的齒間槽構成的冷卻風道8和18、端蓋排風孔22和23、三個冷卻腔19、20和21、機殼上的冷卻風進風口24、周向圓環形導風通道27、轉子自冷式風扇16和17，水冷結構包括機殼1上的進水管開口25、出水管開口26和定子環軛背部螺旋式水道管9。

風冷過程為：空氣經冷卻風進風口24進入周向圓環形導風通道27，其上左右側冷卻孔28開孔位置為軸向不對稱設置，有助于各冷卻孔28出風均勻，冷卻風由第一冷卻腔19進入冷卻風道8和18，并冷卻轉子14和15外部、定子4和6齒外部、定轉子間氣隙與定子繞組5和7，而電機運轉后被加熱的空氣通過前后扇葉16和17的離心作用帶入第二冷卻腔20、第三冷卻腔21，經端蓋排風孔，22和23排出電機內部。

水冷過程為：冷卻液從進水管開口25經由機殼1內壁達到定子4和6外側的螺旋式水道管9，圍繞定子軛背部由外向內冷卻定子軛部，最終匯集于機殼1中間底部的出水管開口26，首先冷卻風冷薄弱處。

由于冷卻風從電機中間的第一冷卻腔19進入冷卻風道8和18，冷卻定子4和6、轉子14和15，因此電機內部溫度沿軸向中央向兩端是逐漸升高的。水冷與風冷作用方向相反，冷卻區域互補，能夠有效增強冷卻效果，并使散熱更加均勻。

本實施例提供的具有混合冷卻結構的軸向永磁輔助徑向磁阻高速電機，能夠在一定條件下降低電樞電流以提高電機運行效率改善其性能指標。同時本發明中冷卻結構通過風冷轉子和水冷定子相結合，使電機定轉子溫度降低，避免高速工況下電機散熱困難的問題。通過定子水冷結構，將定子沖片內繞組產生的熱量經由冷卻液通過管道排出，使定子快速冷卻。同時，冷卻氣道可冷卻轉子外部、定子齒部以及定轉子間氣隙，解決電機的定子鐵心、轉子鐵心和轉子繞組溫度過高的問題，使該種電機在長時間工作時，內部溫度維持在正常范圍，不會因高溫燒毀，從而保證電機長期安全穩定的運行，有效延長電機的使用壽命。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明權利要求所限定的范圍。