多功能电机散热结构设计

2023-01-26梁炳其

机械管理开发 2022年11期

梁炳其

（江门市江海区骏晖电器制造有限公司，广东江门 529000）

引言

随着科技的发展，电机已经成为各种机械设备中必不可少的动力组件。在电机高速运转的过程中，如果产生的大量热量没有散发向电机外部，会导致电机发热，直接影响装置的运行，并减少电机的使用时长，甚至导致电机的损坏。因此，在使用电机时要重视散热问题。在这种状况下，如何找到合适的方式对电机进行有效散热，成为业内人士密切关注亟待研究的问题[1-2]。

1 电机发热的原因及危害

电机作为多物理场、强耦合的能量转换系统，其能量转换效率并不是百分之百，在将电能转换为机械能的过程中会损失一部分能量，这些损失的能量绝大部分转换为热能引起电机发热。电机内部的损耗主要由绕组线圈的电阻、磁性材料的磁阻和电机各部件间的机械摩擦造成，主要包含绕组铜耗、定转子铁耗和机械损耗三部分。电机绕组、定子和机壳等关键部件的接触面之间存在绝缘漆、绝缘纸和空气等热导率极低的材料，增加了电机各部件间的接触热阻，极大地降低了电机关键部件的散热效率。电机内部的关键发热部件与机壳之间的传热路径长、接触热阻大，电机工作过程中产生的热量不能及时传递至外部，引起电机内部温度升高。电机温升过高将严重威胁电机绝缘寿命、运行效率和可靠性。过高温升将导致绕组绝缘失效，转子过高温升会导致永磁体退磁，磁悬浮轴承处过高温升会使得磁悬浮轴承控制精度下降[3]。

2 电机散热方式

风冷散热系统凭借成本低、可靠性高和安装方便等优势在小功率电机散热领域得到了广泛应用。风冷散热系统可以分为自然风冷和强迫风冷。自然风冷不需要额外的动力装置，仅仅通过机壳与周围空气的自然对流进行热交换。强迫风冷通常利用风扇系统加强电机与外部空气的热交换，额外的风扇系统提高了电机的散热效率，但也在一定程度上增加了电机系统的电力消耗和噪声[4]。在电机外部安装散热片进行散热就是自然风冷，安装散热风扇进行散热就是属于强迫风冷。图1 是电机的散热翅结构截面图，图2 是一种采用封闭式内部通风散热系统的电机截面图。

图1 电机散热片结构

图2 采用封闭式内部通风散热系统的电机截面图

但是散热片的散热速度太慢，散热效果太差，内部温度依然没有降低，散热风扇通过风叶转动虽然能将内部热量排出，但无法根据电机温度情况调节风力大小，在电机温度正常时，无法调小风力，电机温度变高时，无法调大风力。本文设计了一种电机散热结构，这种结构可以根据电机温度情况调节风力大小，并且可以将外部的灰尘吸附在吸尘网上，避免灰尘在电机内部堆积影响散热。

3 多功能电机散热结构设计及其工作原理

3.1 结构设计

所设计的多功能电机散热结构，主要包括有电机、后轴、输出轴、固定套、风叶、橡胶圈、第一风罩、第二风罩、吸尘网、卡圈、橡胶垫、第一空叶、第一实叶、滑槽、第二空叶、第二实叶[5]，具体构造见下页图3、图4。

图3 散热结构示意图

图4 风罩结构示意图

各部件的主要设计特征如下：

1）电机的输出端固定连接输出轴，电机远离输出轴一端固定连接有后轴，后轴上套接有固定套，固定套上下两端均设置有风叶，风叶均与固定套固定连接

2）电机远离输出轴一侧外壳卡接有第一风罩，第一风罩上远离输出轴一端内侧壁固定连接有第一空叶和第一实叶。第一空叶和第一实叶大小形状相同，第一空叶和第一实叶呈间隔交替分布。

3）第二风罩远离输出轴一端内侧壁固定连接有第二空叶和第二实叶，第二空叶和第二实叶大小形状相同，第二空叶和第二实叶呈间隔交替分布，第一风罩与电机外壳卡接处粘合有橡胶圈，卡接更加稳固。

第一风罩远离输出轴一侧开设有滑槽，滑槽呈圆环状，滑槽内转动连接有第二风罩，方便转动第二风罩调节角度，第二风罩内部侧壁开设有内槽且内槽内卡接有卡圈，卡圈与内槽卡接处粘合有橡胶垫，卡圈内壁固定连接有吸尘网，外部的灰尘进入第二风罩，被吸附在吸尘网上，避免灰尘堆积影响散热。

3.2 散热结构工作原理

当电机在使用的过程中，电机运转时，内部转子带动后轴转动，后轴转动带动风叶转动，风叶转动产生的风将电机内部的热量散向电机外部。通过调节电机上的第一风罩上转动连接的第二风罩的角度，当第一实叶与第二实叶位置相对时，风叶吹向电机外部的风力最大；当第一实叶与第二实叶位置完全偏离时，风叶吹向电机外部的风力最小。可以根据电机温度情况调节风力大小，在电机温度正常时，可以调小风力；电机温度变高时，可以调大风力。

在电机运转时，通过设置吸尘网，外部的灰尘进入第二风罩，被吸附在吸尘网上，避免灰尘在电机内部堆积影响散热，通过设置橡胶圈，第一风罩与电机外壳卡接更加稳固，不易偏移。需要更换吸尘网时，将卡接在电机上的第一风罩取下，从第二风罩内取出卡接的卡圈，进行更换，此装置具有很好的实用性和推广性，便于推广使用。