CN116073627B - 直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接‑间接复合水冷锥形永磁直线同步电机及冷却方法，包括相互配合的初级结构和次级结构，所述初级结构包括：初级铁芯，呈“V”型设置，初级铁芯上设有齿槽，绕组线圈，嵌套在齿槽中，外壳，呈半包覆结构，外壳中开有若干个直通水道，直通水道沿外壳的侧壁、内壁设置，所述次级结构包括：支撑结构，作为基准，支撑结构面向初级结构的一侧呈“V”型凹陷，与初级结构的“V”型凸起相适配，次级铁芯，位于支撑结构的斜面上，永磁体，位于次级铁芯靠近初级结构的一侧，与绕组线圈贴近。本发明增大了气隙面积，提高电机磁负荷；同时采用包覆冷却方式，增强散热和隔热能力，从而增大电机的推力密度。

Description

直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机及冷却方法

技术领域

本发明涉及直线电机技术领域，尤其是一种直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机及冷却方法。

背景技术

根据机电能量转换原理，当其定子(初级)极数和转子(次级)极数相同时，电机的输出转矩或推力基本由气隙面积决定。

而电机功率还与转速有关，因此提高电机定转子磁场变化的频率，即提高电机的转速，可以增大电机的功率。

但是，在常规的电力传动中应用的直线电机，和高速旋转电机相比，其磁场变化的频率低，作为直驱系统，受其结构等方面的限制，难以通过提高电机磁场变化的频率来提高直线电机的功率密度。因此，要使直线电机系统在功率及力能指标上具有优势，只能寄希望于提高电机的推力密度。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机及冷却方法，通过采用V型气隙，增大电机初级与次级耦合气隙面积，提高电机磁负荷；同时采用包覆冷却方式，增强散热和隔热能力，从而增大电机的推力密度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，包括相互配合的初级结构和次级结构，所述初级结构包括：

初级铁芯，呈“V”型设置，初级铁芯上设有齿槽，

绕组线圈，嵌套在齿槽中，

外壳，呈半包覆结构，外壳中开有若干个直通水道，直通水道沿外壳的侧壁、内壁设置，

所述次级结构包括：

支撑结构，作为基准，支撑结构面向初级结构的一侧呈“V”型凹陷，与初级结构的“V”型凸起相适配，

次级铁芯，位于支撑结构的斜面上，

永磁体，位于次级铁芯靠近初级结构的一侧，与绕组线圈贴近。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述外壳包括顶面外壳、位于顶面外壳两侧的侧面外壳；所述顶面外壳面向初级铁芯的一侧凸出型成“V”型结构；

两侧面外壳之间连接有加强筋，加强筋设置为与初级铁芯的斜面贴合的“V”型。

所述初级铁芯靠近顶面外壳的一侧内凹，在初级铁芯背离顶面外壳一侧阵列有若干垂直于顶面外壳的硅钢片，相邻两硅钢片之间即为用于容纳绕组线圈的齿槽。

每一组绕组线圈在电机轴向方向截面为“V”型，绕组线圈垂直于电机轴向截面为闭环状；一个绕组线圈嵌套在一片硅钢片上。

所述顶面外壳靠近侧面外壳的两侧为固定安装位置；顶面外壳靠近“V”型面处设有内置式直通水道。

侧面外壳沿绕组线圈的“V”型端部设置内置式直通水道。

永磁体包括：

第一永磁组，位于支撑结构的“V”型凹点，

第二永磁组、第三永磁组，对称设置于第一永磁组两侧，落在支撑结构的“V”型斜面上。

第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组的永磁单体纵向宽度相同，所组成的永磁体充磁方向与次级铁芯的上表面垂直。

第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组各包含若干块永磁单体，第一永磁组的单块永磁单体两侧分别对应贴合第二永磁组的单块永磁单体、第三永磁组的单块永磁单体，此相互贴合的三块永磁单体充磁方向保持同上或同下；沿电机轴向设置的相邻两排永磁单体组的充磁方向相反。

一种直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机的冷却方法，用于权利要求1所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机冷却，包括如下步骤：

直线同步电机装配完成后型成“V”型气隙；

在侧面外壳、顶面外壳的直通水道中导入冷却流体，侧面外壳内的冷却流体流动，与绕组线圈的“V”型结构端部接触，实现直接传热；顶面外壳内的冷却流体靠近初级铁芯，初级铁芯在绕组线圈的“V”型凹面与顶面外壳的“V”型凸面之间传递热量，实现间接传热。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，冷却面积大，通过将部件设置成“V”型，使得电机初级与次级间型成“V”型气隙，较常规平板型PMLSM结构，“V型”结构增大了气隙面积，从“增加绕组匝链磁通面积”角度出发提升了电机推力密度；

本发明中的绕组线圈采用AM技术制造，适应电机初级锥形槽结构，并实现了槽满率最大化，从“增加电负荷”角度出发提升了电机推力密度；

本发明中，水冷壳包覆式设计并采用AM技术制造，实现了电机初级“随形冷却”的目的；侧面水道与绕组端部直接传热，顶面水道与绕组通过铁心间接传热，兼具高效散热和强表面隔热性能；

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的初级铁芯结构示意图。

图3为本发明的绕组线圈结构示意图。

图4为本发明的侧面外壳及加强筋结构示意图。

图5为本发明的顶面外壳结构示意图。

图6为本发明的永磁体结构示意图。

其中：1、初级结构；2、次级结构；3、直通水道；

11、初级铁芯；12、绕组线圈；13、外壳；13-1、顶面外壳；13-2、侧面外壳；13-2-1、加强筋；

21、次级铁芯；22、永磁体；23、支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图6所示，本实施例的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，包括相互配合的初级结构1和次级结构2，初级结构1包括：

初级铁芯11，呈“V”型设置，初级铁芯11上设有齿槽，

绕组线圈12，嵌套在齿槽中，

外壳13，呈半包覆结构，外壳13中开有若干个直通水道3，直通水道3沿外壳13的侧壁、内壁设置，

次级结构2包括：

支撑结构23，作为基准，支撑结构23面向初级结构1的一侧呈“V”型凹陷，与初级结构1的“V”型凸起相适配，

次级铁芯21，位于支撑结构23的斜面上，

永磁体22，位于次级铁芯21靠近初级结构1的一侧，与绕组线圈12贴近。

外壳13包括顶面外壳13-1、位于顶面外壳13-1两侧的侧面外壳13-2；顶面外壳13-1面向初级铁芯11的一侧凸出型成“V”型结构；

两侧面外壳13-2之间连接有加强筋13-2-1，加强筋13-2-1设置为与初级铁芯11的斜面贴合的“V”型。

初级铁芯11靠近顶面外壳13-1的一侧内凹，在初级铁芯11背离顶面外壳13-1一侧阵列有若干垂直于顶面外壳13-1的硅钢片，相邻两硅钢片之间即为用于容纳绕组线圈12的齿槽。

每一组绕组线圈12在电机轴向方向截面为“V”型，绕组线圈12垂直于电机轴向截面为闭环状；一个绕组线圈12嵌套在一片硅钢片上。

顶面外壳13-1靠近侧面外壳13-2的两侧为固定安装位置；顶面外壳13-1靠近“V”型面处设有内置式直通水道3。

侧面外壳13-2沿绕组线圈12的“V”型端部设置内置式直通水道3。

永磁体22包括：

第一永磁组，位于支撑结构23的“V”型凹点，

第二永磁组、第三永磁组，对称设置于第一永磁组两侧，落在支撑结构23的“V”型斜面上。

第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组的永磁单体纵向宽度相同，所组成的永磁体22充磁方向与次级铁芯21的上表面垂直。

第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组各包含若干块永磁单体，第一永磁组的单块永磁单体两侧分别对应贴合第二永磁组的单块永磁单体、第三永磁组的单块永磁单体，此相互贴合的三块永磁单体充磁方向保持同上或同下；沿电机轴向设置的相邻两排永磁单体组的充磁方向相反。

本实施例的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机的冷却方法，用于权利要求1的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机冷却，包括如下步骤：

直线同步电机装配完成后型成“V”型气隙；

在侧面外壳13-2、顶面外壳13-1的直通水道3中导入冷却流体，侧面外壳13-2内的冷却流体流动，与绕组线圈12的“V”型结构端部接触，实现直接传热；顶面外壳13-1内的冷却流体靠近初级铁芯11，初级铁芯11在绕组线圈12的“V”型凹面与顶面外壳13-1的“V”型凸面之间传递热量，实现间接传热。

本发明的具体结构及工作原理如下：

如图1所示，初级结构和次级结构组成了直线同步电机，结合参考图2和图3，初级结构包括初级铁芯、绕组线圈12和外壳13。

其中，初级铁芯11开有齿槽，由硅钢片沿电机横向叠制而成，初级铁芯11纵向截面为V型，绕组线圈12嵌套在初级铁芯11的硅钢片所形成的齿上。

外壳13分为侧面外壳13-2和顶面外壳13-1两部分，侧面外壳13-2和顶面外壳13-1通过螺栓连接，连接位置在如图4和图5所示的圆孔位置。

结合参考图1、图4和图5，侧面外壳13-2和顶面外壳13-1中均开有若干个直通水道3，每个直通水道3横截面积均保持相同。顶面外壳13-1的直通水道3开设在顶面外壳13-1的“V”形斜面处。

如图4所示，侧面外壳13-2含有起支撑初级铁芯和导热作用的加强筋13-2-1，其纵向宽度不超过2mm，法向高度小于初级铁芯齿法向高度的一半。加强筋13-2-1其纵向截面为V型，安装于两相邻绕组线圈12间隙中。

如图1和图6所示，次级结构2包括次级铁芯21、永磁体22和支撑结构23，次级铁芯21由实心碳素钢构成，纵向横截面为类V型，永磁体22沿横向分为左、中、右三组，三组永磁体22纵向宽度相同，均表贴于次级铁芯21上表面，其中左、右两组永磁体22纵向截面为矩形，中间一组永磁体22纵向截面趋于等腰三角形，三组永磁体22沿横向紧密拼接，并保证侧面处于同一平面内。

永磁体22充磁方向与次级铁芯21上表面垂直；

紧密接触的三块永磁体22充磁方向保持同时向上或同时向下，纵向相邻的永磁体22充磁方向相反，支撑结构23位于次级铁芯21下方，其纵向截面为三角形。

本发明中，初级结构1的绕组线圈和外壳，均采用增材制造技术加工制作。

本发明的直线同步电机初级1与次级2结构，其装配过程中保证次级左、右两组永磁体22上表面与初级铁芯11下表面平行，并且左右两侧永磁体22上表面和初级铁芯下11表面距离相等。装配完成后，初级1与次级2间气隙纵向截面为V型，相较于常规电机的气隙面积，本发明的气隙面积明显增大，但体积变化不多；同时，本发明的电机还具有多个冷却面，提高了冷却效率，增强散热和隔热能力，进而增大了电机的推力密度，最终提高电机功率。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何型式的修改。

Claims (7)

1.一种直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，包括相互配合的初级结构(1)和次级结构(2)，其特征在于：所述初级结构(1)包括：

初级铁芯(11)，呈“V”型设置，初级铁芯(11)上设有齿槽，

绕组线圈(12)，嵌套在齿槽中，

外壳(13)，呈半包覆结构，外壳(13)中开有若干个直通水道(3)，直通水道(3)沿外壳(13)的侧壁、内壁设置，

所述次级结构(2)包括：

支撑结构(23)，作为基准，支撑结构(23)面向初级结构(1)的一侧呈“V”型凹陷，与初级结构(1)的“V”型凸起相适配，

次级铁芯(21)，位于支撑结构(23)的斜面上，

永磁体(22)，位于次级铁芯(21)靠近初级结构(1)的一侧，与绕组线圈(12)贴近，

每一组绕组线圈(12)在电机轴向方向截面为“V”型，绕组线圈(12)垂直于电机轴向截面为闭环状；一个绕组线圈(12)嵌套在一片硅钢片上；绕组线圈采用AM技术制造，适应电机初级锥形槽结构，

所述外壳（13）包括顶面外壳（13-1）、位于顶面外壳（13-1）两侧的侧面外壳（13-2）；所述顶面外壳（13-1）面向初级铁芯（11）的一侧突出形成“V”形结构；

两侧面外壳（13-2）之间连接有加强筋（13-2-1），加强筋（13-2-1）设置为与初级铁芯（11）的斜面贴合的“V”型，加强筋（13-2-1）起支撑初级铁芯和导热作用，

直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机的冷却方法如下：

直线同步电机装配完成后型成“V”型气隙；

在侧面外壳(13-2)、顶面外壳(13-1)的直通水道(3)中导入冷却流体，侧面外壳(13-2)内的冷却流体流动，与绕组线圈(12)的“V”型结构端部接触，实现直接传热；顶面外壳(13-1)内的冷却流体靠近初级铁芯(11)，初级铁芯(11)在绕组线圈(12)的“V”型凹面与顶面外壳(13-1)的“V”型凸面之间传递热量，实现间接传热。

2.如权利要求1所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：所述初级铁芯(11)靠近顶面外壳(13-1)的一侧内凹，在初级铁芯(11)背离顶面外壳(13-1)一侧阵列有若干垂直于顶面外壳(13-1)的硅钢片，相邻两硅钢片之间即为用于容纳绕组线圈(12)的齿槽。

3.如权利要求1所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：所述顶面外壳(13-1)靠近侧面外壳(13-2)的两侧为固定安装位置；顶面外壳(13-1)靠近“V”型面处设有内置式直通水道(3)。

4.如权利要求3所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：侧面外壳(13-2)沿绕组线圈(12)的“V”型端部设置内置式直通水道(3)。

5.如权利要求1所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：永磁体(22)包括：

第一永磁组，位于支撑结构(23)的“V”型凹点，

第二永磁组、第三永磁组，对称设置于第一永磁组两侧，落在支撑结构(23)的“V”型斜面上。

6.如权利要求5所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组的永磁单体纵向宽度相同，所组成的永磁体(22)充磁方向与次级铁芯(21)的上表面垂直。

7.根据权利要求6所述的直接-间接复合水冷锥形永磁直线同步电机，其特征在于：第一永磁组、第二永磁组和第三永磁组各包含若干块永磁单体，第一永磁组的单块永磁单体两侧分别对应贴合第二永磁组的单块永磁单体、第三永磁组的单块永磁单体，此相互贴合的三块永磁单体充磁方向保持同上或同下；沿电机轴向设置的相邻两排永磁单体组的充磁方向相反。