一种表贴式高速永磁电机通风结构及其优化方法

本发明涉及表贴式高速永磁电机冷却领域，尤其涉及一种表贴式高速永磁电机通风结构及其优化方法。

背景技术：

1、永磁电机中的永磁体温度是一个至关重要的参数，它直接影响到电动机的性能、效率和寿命。过高的温度可能导致永磁体磁性能下降，进而影响电动机的输出功率和效率；而长时间的高温运行，还可能加速永磁体的老化，缩短电动机的使用寿命。而对于高速永磁电机，变频所致高次电流时间谐波加剧了永磁体内涡流损耗的产生，使永磁体发热更加严重。因此，在电动机的运行过程中，必须严格控制永磁体的温度，确保其处于适宜的温度范围内。

2、近年来，电机喷油冷技术确实在控制永磁体温度方面展现出其独特的优势。通过高压喷嘴将油滴直接作用在转子表面，迅速带走转子铁心和永磁体产生的热量，从而有效抑制永磁体的过热现象。然而，尽管有其显著的优点，电机喷油冷却技术也存在不容忽视的劣势。首先，喷油冷却系统需要一套独立的油路来支持其运行，增加了整个系统的复杂性。其次，油的流动和循环需要依赖额外的泵和阀门等设备进行驱动和控制。这不仅提高了整个系统的能耗，还可能因为增加了设备数量而引入更多的故障点，降低了系统的可靠性和稳定性。此外，油在循环使用过程中容易受到污染和老化。长时间使用后，油品质量可能会下降，从而影响其散热效果和性能。再者，虽然喷油冷却的散热效果显著，但油的导热性能相比气体较差。在某些情况下，这可能导致电机局部温度过高，从而影响电机的性能和寿命。此外，喷油冷却系统在工作时可能会产生噪音和振动，对设备的稳定运行和使用环境造成一定的干扰。综上所述，考虑到电机喷油冷却技术的复杂性、高能耗、易污染以及可能的局部过热和噪音问题，该技术并不适用于大型高速永磁电机。对于这类电机，可能需要探索其他更为适合、高效且可靠的冷却方式。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明一方面提供了一种表贴式高速永磁电机通风结构，所述电机包括转轴，转轴外部套设有转子铁心，所述转轴外壁与转子铁心内壁之间设有若干永磁体，所述转轴表面开设有至少一条通风沟，通风沟从转轴的一端沿转轴的轴向方向螺旋延伸至转轴的另一端，所述永磁体覆盖在所述通风沟外部。

2、进一步的，所述通风沟的径向截面呈矩形、梯形、半圆形或拱形。

3、进一步的，所述通风沟的螺旋盘绕方向与转轴的转动方向相同。

4、进一步的，所述通风沟的数量为电机极数的整数倍。

5、本发明第二方面提供了一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，用以对本发明第一方面所述的一种表贴式高速永磁电机通风结构进行优化，包括如下步骤：

6、s1、根据电机的极数和几何尺寸确定轴向螺旋通风沟的数量n和永磁体涵盖的圆心角范围(θ1,θ2)；

7、s2、根据电机性能和所述永磁体涵盖的圆心角范围确定通风沟参数的范围和通风沟参数的限制条件，所述通风沟参数包括通风沟的深度l、通风沟径向截面的宽度w、通风沟的入口所在圆心角度α、通风沟的轴向螺旋盘旋角度γ；

8、s3、保持通风沟数量n不变的情况下，构建n组通风沟参数对应的电机三维模型，对所述三维模型进行电机流固耦合分析，构建通风沟参数与永磁体温度特性之间的函数关系式，求解所述函数关系式得到最优通风沟参数。

9、进一步的，通风沟的数量n和和永磁体涵盖的圆心角范围(θ1,θ2)的确定方法为：

10、

11、式中，p为电机的极数；k为正整数；β为周向隔磁桥对应的圆心角度；l为隔磁桥圆周外表面弧长；r为永磁体圆周外表面半径。

12、进一步的，所述通风沟参数的限制条件为：

13、

14、其中，r为电机转轴的半径。

15、进一步的，步骤s3包括：

16、s31、将通风沟参数作为响应面分析变量，保持步骤s1确定的通风沟的数量n不变的情况下，设计n组不同通风沟参数对应的n个实验方案，根据所述试验方案响应的建立n个电机三维物理模型；

17、s32、对步骤s31中所建立的电机三维物理模型进行网格划分，建立n组不同的响应面分析变量数值组合对应的n个电机流固耦合分析模型，并对所建立的模型施加边界条件，在此基础上对电机流固耦合分析模型进行仿真求解，得到n组响应面分析变量组合方案各自的电机永磁体温度特性；

18、s33、利用多元二次方程拟合响应面分析变量和相应的电机永磁体温度特性之间的函数关系，得到电机永磁体温度特性与通风沟参数之间的多元二次函数关系式；

19、s34、将步骤s33得到的多元二次函数关系式和步骤s2所述的通风沟参数的限制条件联立并求解，得到了在通风沟取值范围内且满足通风沟参数限制条件最优通风沟参数。

20、进一步的，所述多元二次函数关系式为：

21、

22、式中，y代表响应变量，为永磁体温度特性；xi代表分析变量，xi＝{l，w，α，γ}；m为分析变量的个数；λ0、λi、λii、λij分别为常数项、一次方项、二次方项和交互项的回归系数。

23、进一步的，所述永磁体温度特性为永磁体的最高温度tmax或永磁体的平均温度tave，所述最优通风沟参数为使永磁体温度特性达到最小值是的通风沟参数。

24、本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

25、1、本发明通过在转轴的外表面向内开设轴向反向延伸的螺旋通风沟，在电机工作过程中，改变冷却空气的流动路径和空间分布，引导冷却空气与永磁体进行对流换热，提高永磁体的散热能力，降低永磁体的温度，解决了电机工作过程中存在的永磁体过热问题，进而提高电机的可靠性并延长其运行寿命。

26、2、本发明的轴向螺旋通风沟的壁面能对流经其中的冷却空气产生作用力，且该作用力可以被分解为径向分量和轴向分量，由于通风沟的螺旋方向与电机旋转方向相同，故作用力的轴向分量可使冷却空气的轴向速度增大，有利于冷却空气的轴向流动，因而轴向螺旋通风沟可起到风扇的作用。

27、3、本发明的轴向螺旋通风沟结构简洁，制造方便，具有高可实现性，且易应用于相同结构表贴式永磁电机中，具有广泛的适用性。

28、4、本发明将电机流固耦合分析与响应面法相结合，通过电机流固耦合分析来获取电机永磁体的温度特性，并利用响应面法确定轴向螺旋通风沟的最优参数，确定轴向螺旋通风沟主要尺寸参数的最优取值，从而有效控制电机永磁体的温度，可以有效抑制永磁体的过热现象，保证电机的可靠稳定运行。相比于传统的电机结构优化方法，本发明的电机散热结构优化成本更低，优化过程更为简单。

29、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种表贴式高速永磁电机通风结构，所述电机包括转轴，转轴外部套设有转子铁心，其特征在于，所述转轴外壁与转子铁心内壁之间设有若干永磁体，所述转轴表面开设有至少一条通风沟，通风沟从转轴的一端沿转轴的轴向方向螺旋延伸至转轴的另一端，所述永磁体覆盖在所述通风沟外部。

2.根据权利要求1所述一种表贴式高速永磁电机通风结构，其特征在于，所述通风沟的径向截面呈矩形、梯形、半圆形或拱形。

3.根据权利要求1所述一种表贴式高速永磁电机通风结构，其特征在于，所述通风沟的螺旋盘绕方向与转轴的转动方向相同。

4.根据权利要求1所述一种表贴式高速永磁电机通风结构，其特征在于，所述通风沟的数量为电机极数的整数倍。

5.一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，用以对权利要求1-4任一权利要求所述的一种表贴式高速永磁电机通风结构进行优化，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，通风沟的数量n和永磁体涵盖的圆心角范围(θ1,θ2)的确定方法为：

7.根据权利要求5所述一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，所述通风沟参数的限制条件为：

8.根据权利要求7所述一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，步骤s3包括：

9.根据权利要8所述一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，所述多元二次函数关系式为：

10.根据权利要8所述一种表贴式高速永磁电机通风结构的优化方法，其特征在于，所述永磁体温度特性为永磁体的最高温度tmax或永磁体的平均温度tave，所述最优通风沟参数为使永磁体温度特性达到最小值是的通风沟参数。

技术总结本发明公开了一种表贴式高速永磁电机通风结构及其优化方法，涉及表贴式高速永磁电机冷却领域。本发明电机包括转轴，转轴外部套设有转子铁心，转轴外壁与转子铁心内壁之间设有若干永磁体，所述转轴表面开设有至少一条通风沟，通风沟从转轴的一端沿转轴的轴向方向螺旋延伸至转轴的另一端，所述永磁体覆盖在所述通风沟外部。本发明适用于表贴式高速永磁电机，能够有效降低永磁体温度，适用性强、散热能力强、可实现性高，有效的解决了永磁体过热的问题，延长了电机的使用寿命。技术研发人员：徐子逸,徐永明,王延波,张苏玥,陈建锋受保护的技术使用者：常州工学院技术研发日：技术公布日：2024/10/17