一种高速电机定子端部复合散热系统及散热方法与流程

本发明属于高速电机热管理，具体涉及一种高速电机定子端部复合散热系统及散热方法。

背景技术：

1、高速电机正朝着高功率密度、小型化和高转速方向快速发展，电机内部空间愈发紧凑，损耗密度大幅提升。定子绕组端部由于远离主冷却通道，热量传递路径长，空气又属于不良导热介质，因此定子绕组端部极易形成局部热点，成为制约电机可靠性与寿命的关键因素。

2、现有的高速电机主要散热方案是在电机机壳的壁厚内部或外表面开设螺旋或轴向的封闭的液冷水道，电机运行中通入冷却液（例如水、油或乙二醇混合液），冷却液流经液冷水道时通过机壳金属壁面带走定子铁芯及机壳传导出的热量，实现强制液冷；同时，在机壳外表面增设多片薄金属的散热翅片，增大与外界空气的接触面积，利用空气的自然对流（即热空气上升、冷空气补充的循环）辅助散发机壳表面的残余热量。虽然该方案对于定子铁芯和机壳本体的温升控制效果明显，但是，定子绕组端部不位于这条冷却路径上，热量从定子绕组端部传导至机壳冷却面需要经过较长路径，而空气的低热导率使得热量容易在定子绕组端部表面附近积聚，形成明显的温度梯度。加之定子绕组端部与电机端盖之间形成的端部环形腔体内的气流多呈层流状态，流体分层流动，各层之间无宏观的径向混合，仅有分子级别的热扩散；在该端部环形腔体内空气以层流状态沿切向或轴向缓慢滑移，不产生垂直于端部表面的涡旋或冲刷作用，导致对流换热系数偏低，仅约为，低对流换热系数的直接后果是热量难以有效向外传递，定子绕组端部温度持续偏高，加速绝缘老化、降低电机效率，严重时甚至引发热失效。

3、针对上述问题，目前改进方案包括喷油/浸油冷却、增设外置风扇、内部灌封导热材料等。其中，喷油/浸油冷却通过向定子绕组端部直接喷射绝缘油或冷却液实现高效换热，但必须配备油泵、过滤器、油气分离器等辅助系统，系统复杂度与成本显著上升；且高速旋转下还会引入额外的搅油损耗，有研究指出浸油冷却可能带来不容忽视的转子摩擦损耗，进一步降低电机工作效率。外置风扇或独立风冷回路是通过强迫对流强化定子端部换热，虽然能直接有效实现定子端部散热，但额外配置的风扇需要独立电源驱动，增加电机体积与能耗，与高速电机追求高效率、高功率密度的设计目标相冲突。

4、端部灌封导热材料方案通过填充高导热环氧树脂或硅胶，目的是强化从热源到机壳的固体导热路径。但是灌封材料只是缩短了传导距离，并未真正解决热量在定子绕组端部与机壳之间最终汇入液冷回路前的运输瓶颈，最终仍依赖机壳液冷进行排热。此外，灌封材料明显增加了电机重量，不利于轻量化设计，也给后期检修和改造带来麻烦，固化后几乎不可拆卸。

5、目前部分高速电机研究中已尝试通过在转子端部增设扰流装置，依靠旋转搅动端部腔体内的空气，破坏层流边界层。但是该类方案均是将扰流装置设置在转子端部，需要相关配套设施或对电机进行局部改造，并且对气流驱动方向主要是切向。例如公告号为cn101557143b的专利公开一种液冷式电机以及用于冷却这种电机的方法，该方案在绕组端部空间内布置冷却液盘管，同时在转子端部设置风扇叶轮驱动内部空气循环，空气流经冷却盘管降温后冲刷绕组端部；该方案还通过转子内部的轴向空气管道实现两端腔体的逆流循环，但是需在绕组颈部开设通风孔、转子内部加工专用风路，整体结构复杂度高，液冷元件深入电机内部腔体。公告号为cn208078821u的专利公开一种带有端部绕组散热结构的同步磁阻电机，其核心手段是在转子压板的外端面集成离心风叶，通过风叶随转子转动提升端部腔体空气流速，以强化空气对流散热；该方案仅对转子压板进行改造，无配套液冷系统，属于基础的风冷强化方案，结构简单、成本低，但散热提升幅度有限，难以有效散发端部环形腔体的热量。

技术实现思路

1、为了解决现有定子端部散热技术存在的系统复杂度及成本高、散热效果差的问题，提供一种高速电机定子端部复合散热系统及散热方法。本发明在不改变电机主体结构、不增加额外动力部件、不显著增加电机重量的前提下，通过在现有机壳液冷水道与外壳上散热翅片对流散热的基础上，在转子轴端部可拆卸地安装风刺扰流组件，构成定子端部强制对流的复合散热结构，二者协同提升定子端部的对流换热效率，有效抑制定子端部热点，提升电机的整体冷却性能和运行可靠性，为高功率密度高转速电机的发展提供可靠的热管理支撑。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种高速电机定子端部复合散热系统，包括机壳、设置于机壳内部的定子绕组和转子组件，以及密封固定连接于壳体两端的端盖；机壳内壁设置有液冷水道，机壳外壁设有散热翅片；还包括风刺扰流组件，风刺扰流组件同轴并可拆卸地安装于转子组件的转子轴上，且位于定子绕组端部与端盖形成的端部环形腔体内；

4、风刺扰流组件包括风刺扰流盘和扰流肋片，扰流肋片为设置于风刺扰流盘朝向定子绕组一侧端部的盘面上的凸起结构；

5、扰流肋片设置有多个，多个扰流肋片绕风刺扰流盘的周向均布，且每个扰流肋片自靠近风刺扰流盘中心的位置沿风刺扰流盘的径向向外延伸；

6、风刺扰流组件被构造用于：跟随转子同步旋转时，将转子与定子绕组之间气隙的气流引导为沿转子轴向流向定子绕组端部的轴向扰流气流，同时对端部环形腔体内的气流施加剪切扰动，使端部环形腔体内的气流由层流转化为湍流。

7、进一步地，扰流肋片为在风刺扰流盘上的俯视轮廓呈水滴形的肋片，水滴形肋片围绕风刺扰流盘中心呈环状阵列分布；每个水滴形肋片均具有尖端和与之相对的圆钝端，其尖端指向风刺扰流盘中心，圆钝端沿径向背离风刺扰流盘中心。

8、进一步地，扰流肋片为在风刺扰流盘上的俯视轮廓呈弧形的肋片，弧形肋片自风刺扰流盘中心沿径向向外延伸，所有弧形的弯曲方向一致；按凹面朝向可分为与旋转方向同向的前弯弧形与反向的后弯弧形。

9、进一步地，扰流肋片为在风刺扰流盘上的俯视轮廓呈翼形的肋片，翼形肋片包括前缘和后缘，前缘为圆弧形，后缘为尖角形，前缘朝向风刺扰流盘中心且迎向气隙来流方向，后缘沿径向背离风刺扰流盘中心。

10、进一步地，扰流肋片自风刺扰流盘的盘面沿其轴向的凸起高度为2～4mm；风刺扰流盘的厚度为2mm。

11、进一步地，风刺扰流盘与扰流肋片为一体成型结构；风刺扰流盘采用中心过盈配合、键连接或螺纹锁紧的方式与转子轴可拆卸固定连接。

12、进一步地，风刺扰流盘的中心孔内壁与转子轴外壁之间设有减振衬套。

13、进一步地，风刺扰流盘与端盖之间、扰流肋片与定子绕组端部之间均具有安全间隙，安全间隙的设计范围为2mm～4mm；风刺扰流盘的外径小于机壳内圆直径。

14、本发明还提供一种高速电机散热方法，采用上述高速电机定子端部复合散热系统实现；高速电机散热方法包括以下步骤：

15、端部热量积聚与风刺引流步骤：

16、启动高速电机运行，定子绕组产生焦耳热并积聚于定子绕组端部，形成局部热点；转子高速旋转带动同轴固定于其转子轴上的风刺扰流组件同步旋转；

17、风刺扰流组件的扰流肋片随转子轴旋转过程中，将转子与定子之间气隙的气流引导为沿转子轴向流向定子绕组端部的轴向扰流气流，同时对端部环形腔体内的气流施加剪切扰动，使端部环形腔体内的气流由层流转化为湍流；

18、内部气流换热与热量传递步骤：

19、轴向扰流气流冲击定子绕组端部表面，使定子绕组端部表面的层流热边界层转变为湍流边界层，并在端部环形腔体内形成循环的三维涡流；三维涡流多角度扫掠于定子绕组端部表面，通过对流换热带走积聚于定子绕组端部的热量，并将热量传递至机壳内壁；

20、复合散热协同与热平衡维持过程：

21、传递至机壳内壁的热量分为两路向外散出，一路由液冷水道内的冷却液通过强制对流换热携带排出，另一路由散热翅片通过自然对流散发至外部环境。

22、进一步地，还包括冷却液通入步骤：

23、在启动转子旋转之前或在旋转过程中，从液冷水道的进口通入冷却液，冷却液流经液冷水道吸收机壳内壁的热量后，从液冷流道的出口排出。

24、本发明的优点是：

25、1.为实现电机中定子绕组端部集聚热量的可靠排出，本发明在传统机壳液冷水道和机壳外壁散热翅片的基础上，增设同轴并可拆卸地安装于转子的转子轴上的风刺扰流组件，该风刺扰流组件包括风刺扰流盘和扰流肋片，扰流肋片为凸起结构并沿风刺扰流盘径向布置。本发明利用转子轴自身旋转带动风刺扰流组件同步转动，扰流肋片一方面将气隙气流沿轴向引向定子绕组端部，形成轴向扰流气流；另一方面对端部环形腔体内气流施加剪切扰动，使原本处于层流状态的空气转变为湍流。扰流气流冲击定子绕组端部表面时进一步破坏壁面层流边界层并转化为湍流边界层，与端部环形腔体内的湍流形成三维涡流对定子绕组端部进行多角度扫掠，强化定子绕组端部表面的对流换热系数，将积聚于端部的热量及时带离，从根本上解决定子绕组端部因远离冷却主路径而形成的局部过热问题。

26、2.本发明的气流扰动完全由转子旋转动能提供，随电机转速增大，风刺扰流盘转速同步升高，扰流肋片的剪切作用与引流强度随之增强，换热能力同步提升，不需要额外动力源，不增加系统复杂度和运行能耗，与高速电机追求高效率、高功率密度的设计方向一致。

27、3.本发明以空气为换热介质，不增加电机本体重量，不改变定子端部的原有装配结构，仅在转子轴上增设定位台阶与锁紧结构，将风刺扰流组件同轴安装于转子轴端部，实现无损加装，检修时无需破坏性拆卸，维护与改造灵活性，避免传统灌封材料带来的重量增加与维护困难。

28、4.本发明将定子绕组端部热量通过对流换热传递至机壳内壁后，一路由液冷水道强制带出，一路由电机外壳上的散热翅片自然散出，两条排热路径协同工作，即使液冷系统出现短期波动，散热翅片自然对流仍能承担部分散热量，电机系统的热稳定性与工况适应性优于完全依赖液冷水道或完全依赖翅片自然散热的单一散热方案。