水泵用高效散热永磁无刷电机散热结构设计_李敏超.pdf

介绍了一种水泵用高效散热永磁无刷电机的散热结构设计。该结构电机利用膨胀填料和磁力传动特性，通过加速气流在电机壳和散热介质箱之间的循环流动，改善无刷电机的散热效果。经测试验证，所设计的高效散热永磁无刷电机各部位的温升比普通永磁无刷电机低48 K，其散热效果明显优于普通永磁无刷电机。关键词：高效散热 温升 磁力传动 永磁无刷电机 中图分类号：TM303 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.004 Abstract:Akindofheatdissipationstructuredesignofthehighefficiencyheatdissipationpermanentmagnetbrushlessmotorusedinthewaterpumpisintroduced.Theexpansionpackingmaterialsandmagneticdrivecharac-teristicsareusedtoimprovetheheatdissipationofthebrushlessmotorbyacceleratingthecirculationofairflowbetweenthemotorcaseandtheheatdissipationmediabox.Thetestverifiesthatthetemperatureriseofeachpartofthedesignedhighefficiencyheatdissipationpermanentmagnetbrushlessmotoris48 Klowerthanthatoftheordinarypermanentmagnetbrushlessmotor,anditsheatdissipationeffectissignificantlybetterthanthatoftheordinaryperma-nentmagnetbrushlessmotor.Keywords:highefficiencyheatdissipationtempera-turerisemagneticdrivepermanentmagnetbrushlessmotor水泵用高效散热永磁无刷电机散热结构设计李敏超1张婷婷2梁承云1麦凯团1 1.鹤山市民强五金机电有限公司（529700）2.江门市创睿应用技术研究有限公司（529700）Heat Dissipation Structure Design of High Efficiency Heat Dissipation Permanent Magnet Brushless Motor Used in Water PumpLI Minchao1 ZHANG Tingting2 LIANG Chengyun1 MAI Kaituan11.HeshanMinqiangHardwareElectromechanicalCo.,Ltd.（529700）2.JiangmenChuangreiApplicationTechnologyResearchCo.,Ltd.（529700）无刷电机相对于有刷电机，具有结构简单、体积小、效率高和使用寿命长等特点，目前被广泛应用于各行业，特别是电动工具行业1-2。无刷电机通过改变输入到无刷电机定子线圈上的电流的频率和波形，形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，由此驱动转子转动，从而取代了传统有刷电机中的碳刷和换向器，避免了电机内部的碳刷磨损，进而大大延长了电机的使用寿命。电机运行过程中，电流流经线圈会产生热量，而无刷电机中线圈位于定子上，产生的热量无法被及时排出，只能通过电机外壳表面散热。如果电机运行时其内部的热量无法快速排出，就易导致线圈因温度过高而烧损，从而影响电机的使用寿命3-4。为此，改善无刷电机的散热性能，延长电机的使用寿命，是无刷电机设计的重点之一。1 无刷电机散热 常见的电机散热方式有：自冷式、液体冷却和混合冷却等。自冷式散热是指通过电机外壳和端盖表面的辐射与冷却介质的自然对流，带走电机内部产生的热量。液体冷却是指将冷却液通过管道和通路引入定、转子空心导体内部，利用冷却液不断的循环流动，带走电机定、转子产生的热量，从而达到冷却电机的目的。和空气相比，液体的导热系数更高，所以液体冷却的散 16 2023年第3期热效果更好。混合冷却是指同时采用液体冷却和空气冷却的方式对电机内部进行散热5-6。无刷电机因结构简单、体积小、效率高且不受换向器电火花的影响，在散热方面多采用自冷式。但在需求功率较高且工况比较恶劣的情况下，无刷电机的电流较大，铁心的涡流损耗也随之升高，从而使铁心与线圈的温升也较高，此时自冷式散热方式就无法达到预期的散热效果。另外，部分无刷电机外壳的上、下表面封闭，需通过在电机外壳的上、下表面设数个通风孔进行通风散热。但通风孔流量较小，且气流不容易进入电机壳体内，因此散热效果不理想；此外，当电机正转或反转时，通风孔很难形成正向或反向的气流流向。针对电机的散热问题，环剑斌等人7设计了一种塑封直流无刷电机，该电机输出轴旋转的过程中，一方面会带动第一活塞在水筒内上下来回运动，从而带动水筒内的冷却水在水管内来回流动，由此带走定子内部的热量；另一方面，会带动第二活塞在气筒内上下来回运动，从而间歇式地将外界空气输入到外壳内部，以对外壳内部进行通风散热。该散热方式是由传动轴上的往复螺纹驱动，而螺纹传动更适用于低速传动。由于无刷电机转速非常高，往复螺纹传动会造成部件严重磨损。此外，该散热方式只要电机运行，就会全力驱动散热，但当电机低速运行时，其本身的散热就可以满足散热需求，此时若启动该散热方式，会影响动力的输出。2 高效散热永磁无刷电机设计2.1 高效散热永磁无刷电机散热结构 本文设计一种水泵用高效散热永磁无刷电机，其主要结构包括水泵壳、电机壳、循环散热部件、推动机构、散热介质箱和转动盘等部件，电机主要结构示意如图1图3所示。高效散热永磁无刷电机各部件结构特征在于（1）循环散热部件由散热介质箱内部的若干个循环气套组成。循环气套中滑动配合有一个往复活塞块，往复活塞块外端设有一个活塞杆。循环气套下侧设有用于排气的单向排气管，上端设有用于单向进气的单向导气管。单向导气管另一端与电机壳连通。传动轴上设有对推动块产生作用力的推动机构，为往复活塞块工作提供动力。（2）推动机构由设置在传动轴下端的传动柱、散热介质箱和传动轴组成。传动轴内部设有一个填充了膨胀填料的膨胀填充腔。膨胀填充腔下端设有一个与传动推杆连接的活塞。传动推杆另一端与传动柱连接固定，传动柱上端外侧阵列分布有若干个磁铁块，下端穿过散热介质箱下端的穿孔。（3）散热介质箱外部两侧面分布有若干个散热片。散热介质箱下方设有转动盘和轴承环。轴承环通过定位杆与散热介质箱连接固定。转动盘阵列分布有若干个安装孔，每个安装孔位置都设有一个用于推动气流流动的扇叶。此外，转动盘上端中间位置还设有一个传动环。散热介质箱外侧设有一个呈环状结构的换热环箱，换热环箱的一侧通过引导进水管与水泵壳进水位置连通，另一侧设有与水泵壳排水位置连通的排水循环管。（4）转动盘和散热介质箱之间设有用于喷洒水雾的雾化件。雾化件包括与定位杆连接的喷水环。喷水环的进水端通过供水管与换热环箱连通，供水管上设有阀体。受力板与阀体之间通过第二弹簧连接。转动盘外侧设有侧杆，侧杆端部设有用于对受力板下侧产生推力的抵压轮。图1 高效散热无刷电机结构示意图2023年第3期 17 2.2 高效散热永磁无刷电机散热原理 本文设计的高效散热永磁无刷电机的散热原理为：（1）初始时，当散热条件可以满足电机散热需求时，其余散热结构不工作；（2）当散热条件无法满足电机散热需求时，膨胀填料的温度会升高，从而推动活塞块向下移动，活塞块通过传动推杆推动传动柱向下移动，进而使得第四磁铁块与第二磁铁块相对应；当第四磁铁块转动至第二磁铁块位置时，在磁力的作用下，第二磁铁块受到挤压力，带动往复活塞块移动，为换气提供动力。在往复活塞块的作用下，散热介质箱中的气体会沿着进气通孔进入定子和转子之间的间隙中，然后从第一通孔排到隔离筒外侧，再从单向导气管回到循环气套中，最后通过单向排气管进入散热介质箱，以实现气流在电机壳和散热介质箱之间的循环流动，从而对定子和转子进行散热。（3）膨胀填充腔中的膨胀填料持续膨胀时，第一磁铁块延伸至传动环中，第一磁铁块和第三磁铁块相互作用形成旋转力矩，从而带动转动盘转动，进而使得扇叶快速旋转，加速空气吹向散热介质箱，以促进散热介质箱热量的散发。高效散热永磁无刷电机采用磁力传动，解决了螺纹传动造成的磨损问题，大幅提高了部件的使用寿命。由于膨胀填料持续膨胀，散热结构会被依次触发，从而使得电机的散热效果逐渐升级，实用性更强。3 散热效果验证 为了验证高效散热永磁无刷电机的散热效果，制作了一台样机，样机的具体参数如表1所示。将样机与一台参数相似的普通永磁无刷电机进行散热效果对比。测试方法为：两台电机在同一环境下连续工作5天，分别测试电机的端部、定子、转子、线圈和轴承等不同部位的温升数据，测试结果见表2。表1 无刷电机参数参 数数值参 数数值额定功率/kW3 000额定转速/(r/min)3 000额定电压/kV10定子铁心数量/个24定子外径/mm1 000转子铁心数量/个12定子内径/mm580定子槽数54转子外径/mm568.8转子槽数46图2 高效散热无刷电机内部散热结构示意图图3 高效散热无刷电机散热片结构示意图 18 2023年第3期表2 两台无刷电机的温升对比情况测试部位普通永磁无刷电机高效散热永磁无刷电机电机端部/K38.632.4定子/K50.544.2转子/K44.440.3线圈/K67.458.5轴承/K48.244.0 由表2可知，高效散热永磁无刷电机各部位的温升比普通永磁无刷电机的低48 K，其散热效果明显优于普通永磁无刷电机。4 结语 本文设计的高效散热永磁无刷电机利用膨胀填料和磁力传动特性，带动扇叶旋转，使得气流在电机壳和散热介质箱之间循环流动，加速空气吹向散热介质箱，进而促进散热介质箱热量的散发，最终达到改善电机散热效果的目的。参 考 文 献1 周星韦 无刷直流电机在工业中的应用和发展分析J 现代工业经济和信息化，2021，11（3）：97-982 荆建立，朱永庆 无刷直流电机研究进展与趋势分析J 九江学院学报（自然科学版），2022，37（1）：7-143 梁炳其 多功能电机散热结构设计J 机械管理开发，2022，37（11）：14-154 孙汉明，张璇 小型一体化电机散热的数值仿真和优化J 电机技术，2022（6）：47-495 汪建新，吴向春 电机散热技术研究J 现代制造技术与装备，2016（8）：63-646 汤勇，孙亚隆，郭志军，等 电机散热系统的研究现状与发展趋势J 中国机械工程，2021，32（10）：1135-11507 环剑斌，唐亚东，李祥志，等 一种干衣机用塑封直流无刷电机：ZL2022111140202P 2022-11-25（收稿日期：2023-03-31）作者简介：李敏超，男，1991年8月生，本科，网络工程专业，工程师，现从事电机开发与设计工作。征 稿 启 事电机技术设有理论与设计、现代驱动与控制、研究与交流、工艺与测试、动态与信息等五大栏目，竭诚欢迎各界人士向本刊投稿。来稿要求：字迹清楚，附图正规，文字、图形、符号和单位应符合有关国家标准和规范，勿一稿多投。根据有关国家标准和规范的要求，请论文作者来稿时同时提供如下内容：1、文章摘要（附英文）；2、关键词（附英文）；3、作者简介（含出生年月日、性别、最高学历、专业、职称、主要经历和现从事的工作等）；4、文章内容如属国家或地方计划项目，或荣获相关奖项，请在篇尾予以注明。来稿请寄：上海市闵行区江川路555号三号门（邮编：200240），上海电气电站设备有限公司发电机厂电机技术编辑部，也可直接发送至邮箱：emteditshanghai-。稿件查询电话：[phone]。