CN201113681Y - 一种用于驱动电机的复合冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动电机的复合冷却结构，包括机壳、入水盒、储水腔，且储水腔设置在定子的四个角上，定子的外形为四边形，其特征在于：驱动电机的冷却是由设在定子上的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置冷却的。所述的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置是由在定子内的一种由储水腔所形成的循环水***与一种在定子内的风道与转子的风叶及通风孔所形成的风内循环***组合构成的。

Description

一种用于驱动电机的复合冷却结构

技术领域

本实用新型涉及一种牵引电机的冷却结构，尤其是指一种牵引电机定子的水冷装置结构。

背景技术

由于牵引电动机受空间体积以及重量的限制，电机采用较高的电磁负荷，电机所产生的损耗较高，因此必须改进电机的冷却***，以提高其散热能力。

目前牵引电动机的冷却方式主要有自然冷却、强迫风冷、自通风、充液冷、热管冷却和水冷几种方式，其中水冷方式对于大功率的牵引电动机应用比较多。

用水作冷却介质，带走电机运行所产生的热量，这种电机冷却效果好，造价较高，需带冷却回路和热交换器等附加设备。电机运行时，绕组和铁心的损耗发热，直接传导给机座，机座将大部分的热量传导给内部的冷却水，少部分的热量通过辐射和对流传导给周围的空气，因此，机座内部的储水、机座与水的接触面积、冷却水的流量直接关系电机的冷却效果。水冷的优点是：

1.可取消了风机***和空气过滤器。

2.尽管异步牵引电动机的转速高、安装空间小，但取消了风扇，同时由于双壁结构可有效地屏蔽电机所产生的电磁噪声，因而电机的噪声幅度小。

3.由于电机为全封闭结构，电机受到的污染小，因而可减少维修维护周期。

4.由于热时间常数比较大，电机的热过载性比较高。

5.电机不工作时也可冷却。

水冷的缺点是：

1.当只对定子进行水冷却时(即采用双壁机壳冷却时)，转子和轴承冷却效果差；

2.所冷却的电机功率比较小，至今最大功率为250KW；

3.对电机的密封性要求比较高；

4.在外径尺寸相同的情况下，由于有冷却回路，从而减少了定子的有效直径；

5.需要安装水/空气热交换装置，增加了冷却设备的维护工作和费用。

根据冷却电机部位不同，水冷有以下几种方式：

1.定子水冷；

2.定子水冷+风内冷；

3.定子水冷+转子水冷；

4.定子水冷+端盖水冷；

5.定子水外冷+转子水冷+端盖水冷。

水冷的结构有以下几种：

1.机壳的水回路结构以螺旋水道为主，或内埋置螺旋状铜管，或内套表面均匀车(或铸)出一个螺旋的水道；

2.端盖水冷通道和机壳水冷通道在同一条回路上，直接连接在一起，其结构是在端盖的两侧或者一侧铸出或者车出平面形螺旋沟槽和侧板组合成水道。这种结构的工艺较复杂，只适合体积和容量较大的电机；

3.转子水冷主要是通过轴的来实现的，轴水冷是将冷却水经过喷射入轴内冷却电机轴。轴水冷结构结构复杂，工艺要求高，其可靠性取决与水路的密封性能，而国内的工艺水平并没有很好的解决这个问题，因此没有得到推广，国外西门子和Bombardier已经实现了轴的水冷。

国外的水冷异步牵引电机在上世纪80年代已经开始研究，现在国外大公司已经形成了一个系列，这些电机广泛应用于城轨、地铁、城市轻轨车辆上。

国内的水冷牵引电机的研制，是在上世纪90年代初开始的，这些电机大部分用在煤矿上，近来在电动汽车和电动轿车上有应用，重庆电机厂、东风电机厂和21所都有相关产品。

但是无论是国内还是国外的水冷牵引电机都是采用的一种圆形的外壳机座，这种圆形对于高功率密度电机体积有限的情况下，空间将显得十分紧张，从而影响冷却效率。而且都是采取单一的一种方式进行冷却。通过实际试验发现将现有的电机水冷技术直接应用于高功率密度电机中是不适应的，因此进一步对电机的冷却***加以改进，以提高其散热能力是很有必要的。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有牵引电机定子水冷方法的不足，提供一种新型的，能应用于高功率密度或大功率牵引电机上的定子水冷装置，该装置具有水冷却的所有共性，而且覆水面积和容水量大，散热能力强，冷却效果较好。

通过分析发现，目前圆形外壳定子水冷的效果不好，主要是现有的定子水冷的覆水面积过小，水冷机座容水的体积小，冷却方式过于单一，所以水循环带走的热量少，而且现有的定子水冷都是采用的圆形螺旋水道，从电机轴向一端进，另一端出，这势必将形成电机轴向的温度梯度，而导致电机的散热不均匀，整体散热效果不好，往往容易出现电机一端过热现象，这对于高功率密度异步牵引电机来说是很不利的，而且采用圆形机座相对来说更占体积。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的：采用定子水冷加电机内部循环风冷的冷却方式。其特点是电机为全封闭结构，在定子水冷的基础上，增加内部循环风冷。且牵引电机定子水冷是将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，连接孔可以直接开在筋条上，也可以开在定子机座两端的端盖上，通过端盖上的环形冷却水道一起形成迂回方式布置的冷却回路。在每个储水腔外布置有风道，风道连通定子线圈两端，和转子上的通风孔、风扇、气隙，形成循环风路，转子的发热通过循环风，传递给机壳，再通过机壳的水冷却***散热。整个牵引电机的冷却水道的走向布置是根据下述原则进行的：冷却水主要对机壳进行冷却，主要路经是从储水腔由两条沿电机轴线分布的小储水腔组成，在小储水腔两端都有连接孔。流动顺序如下(根据需要可以反向流动)：

a.冷却水从入水盒进入电机，通过入水口到达第一储水腔；

b.第一储水腔中的冷却水经连接口进入第二储水腔；

c.第二储水腔中的冷却水由连接口进入第三储水腔；

d.第三储水腔中的冷却水由连接口进入第四储水腔；

e.第四储水腔中的冷却水经出水口流入出水盒，流出电机。

f.电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。

电机内部的冷却风循环顺序如下(根据需要可以反向流动)：

a.离心风扇将风吹入机壳风道的一端，风和机壳在风道利用温度差进行热交换；

b.冷却风从风道的另一端离开，进入定子线圈端部和转子一端；

c.离心风扇产生的负压将风吸入转子通风孔和定转子气隙，在此进行热交换；

d.气隙和转子通风孔内风在离心风扇的作用下，流经风叶，重新进入机壳风道。

整个牵引电机的冷却结构是：一种水冷散热驱动电机，包括机壳、入水盒、储水腔，储水腔设置在定子的四个角上，定子的外形为四边形，其特征在于：驱动电机的冷却是由设在定子上的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置冷却的。且所述的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置是由在定子内的一种由储水腔所形成的循环水***与一种在定子内的风道与转子的风叶及通风孔所形成的风内循环***组合构成的。储水腔6分布在定子四边形外边与圆形内圈所形成的四个角上，形成四个储水腔，分别为第一储水腔、第二储水腔、第三储水腔和第四储水腔。而且每一个角上的储水腔可以是一个整体，也可以是多个槽孔，再经连接道连通的。同时第一储水腔与第二储水腔是通过第一储水腔与第二储水腔连接口连通的，第二储水腔与第三储水腔是通过第二储水腔与第三储水腔连接口连通的，第三储水腔与第四储水腔是通过第三储水腔与第四储水腔连接口连通的，在第四储水腔上面设有出水盒，第四储水腔通过出水口与出水盒连通；在第一储水腔上面设有入水盒，第四储水腔通过入水口与入水盒连通。每一个角上的储水腔上尖部还设有用于为转子散热的风道，形成四个风道，分别为第一风道、第二风道、第三风道和第四风道。每一个风道可以是一个整体的空腔体，也可以是多个槽孔组合形成的。为了形成风道的循环，在转子上设有连通两端的转子通风孔。其冷却原理是：通过冷却水的流动，利用温差传导热量，冷却机壳，最后达到冷却电机的目的。从原理上来看，改善冷却效果可采取这些措施：①加快冷却介质的流量，②提高冷却介质的热传导性，③加大电机的热容量。此结构的电机的另一个特点是内部有冷却风循环。

本实用新型的特点是：

①电机机座径向截面，外部为方形、内部为圆形，能充分利用空间，电机的安装尺寸较小。和常规铁心冲片外部圆形匹配，利用外方内圆几何图形的间形成的空间沿电机轴线布置储水腔和空气循环通道；

②在每个储水腔外布置风道，风道连通定子线圈两端，和转子上的通风孔、风扇、气隙，形成循环风路，转子的发热通过循环风，传递给机壳；

③机壳内圆环面覆水面大约50％，热的传导效果好；

④和相同铁心的风冷机座相比，外形尺寸较小；

⑤定子、转子可以同时得到冷却。

总之，“大量储存，少量流动”是本实用新型的工作特色，电机的传热冷却效果显著，并得到验证：短时间内电机机座和端盖很容易形成等温体，并形成与电机发热状态时有较大的温度梯度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的结构示意侧向图；

图3为本实用新型水流途径示意图。

图中：1.机壳、2.入水盒、3.风道、4.入水口、5.第一风道、6.储水腔、7.第一储水腔连接道、8.第一储水腔1、9.第二储水腔、10.风叶、11.第二风道、12.第二储水腔连接道、13.第二储水腔与第三储水腔连接口、14.第三储水腔、15.第三风道、16.第三储水腔连接道、17.第一储水腔与第二储水腔连接口、18.第四储水腔、19.第四风道、20.出水口、21.出水盒、22.第三储水腔与第四储水腔连接口、23.转子、24.转子通风孔、25.第四储水腔连接道。

具体实施方式

附图给出了本实用新型的结构示意图和具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

通过附图1和2可以看出，本实用新型为驱动电机的一种水冷散热方法，以及一种上述方法的装置。采用定子水冷加电机内部循环风冷的冷却方式。其特点是电机为全封闭结构，在定子水冷的基础上，增加内部循环风冷。且牵引电机定子水冷是将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，连接孔可以直接开在筋条上，也可以开在定子机座两端的端盖上，通过端盖上的环形冷却水道一起形成迂回方式布置的冷却回路。并在每个储水腔外布置有风道，风道连通定子线圈两端，和转子上的通风孔、风扇、气隙，形成循环风路，转子的发热通过循环风，传递给机壳，再通过机壳的水冷却***散热。

附图3给出了本驱动电机的一种水冷散热方法的流程图，整个牵引电机的冷却水道的走向布置是根据下述原则进行的：冷却水主要对机壳进行冷却，主要路经是从储水腔由两条沿电机轴线分布的小储水腔组成，在小储水腔两端都有连接孔。流动顺序如下(根据需要可以反向流动)：

a.冷却水从入水盒进入电机，通过入水口到达第一储水腔；

b.第一储水腔中的冷却水经连接口进入第二储水腔；

c.第二储水腔中的冷却水由连接口进入第三储水腔；

d.第三储水腔中的冷却水由连接口进入第四储水腔；

e.第四储水腔中的冷却水经出水口流入出水盒，流出电机。

f.电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。

电机内部的冷却风循环顺序如下(根据需要可以反向流动)：

e.离心风扇将风吹入机壳风道的一端，风和机壳在风道利用温度差进行热交换；

f.冷却风从风道的另一端离开，进入定子线圈端部和转子一端；

g.离心风扇产生的负压将风吸入转子通风孔和定子气隙，在此进行热交换；

h.气隙和转子通风孔内风在离心风扇的作用下，流经风叶，重新进入机壳风道。

整个牵引电机的冷却结构是：一种水冷散热驱动电机，包括机壳1、入水盒2、储水腔6，储水腔6设置在定子的四个角上，定子的外形为四边形，其特征在于：驱动电机的冷却是由设在定子上的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置冷却的。且所述的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置是由在定子内的一种由储水腔6所形成的循环水***与一种在定子内的风道3与转子的风叶10及转子通风孔24所形成的风内循环***组合构成的。储水腔6分布在定子四边形外边与圆形内圈所形成的四个角上，形成四个储水腔，分别为第一储水腔8、第二储水腔9、第三储水腔14和第四储水腔18。而且每一个角上的储水腔可以是一个整体，也可以是多个槽孔，再经连接道连通的。如第一储水腔8、第二储水腔9、第三储水腔14和第四储水腔18都分别为两槽孔结构，分别由第一储水腔连接道7、第二储水腔连接道12、第三储水腔连接道16和第四储水腔连接道25连通的。同时第一储水腔8与第二储水腔9是通过第一储水腔与第二储水腔连接口17连通的，第二储水腔9与第三储水腔14是通过第二储水腔与第三储水腔连接口13连通的，第三储水腔14与第四储水腔18是通过第三储水腔与第四储水腔连接口22连通的，在第四储水腔18上面设有出水盒21，第四储水腔18通过出水口20与出水盒21连通；在第一储水腔8上面设有入水盒2，第一储水腔8通过入水口4与入水盒2连通。每一个角上的储水腔上尖部还设有用于为转子散热的风道3，形成四个风道，分别为第一风道5、第二风道11、第三风道15和第四风道19。每一个风道可以是一个整体的空腔体，也可以是多个槽孔组合形成的。为了形成风道的循环，在转子23上设有连通两端的转子通风孔24。

其冷却原理是：通过冷却水的流动，利用温差传导热量，冷却机壳，最后达到冷却电机的目的。从原理上来看，改善冷却效果可采取这些措施：①加快冷却介质的流量，②提高冷却介质的热传导性，③加大电机的热容量。此结构的电机的另一个特点是内部有冷却风循环。

Claims (7)

1. 一种用于驱动电机的复合冷却结构，包括机壳、入水盒、储水腔，且储水腔设置在定子的四个角上，定子的外形为四边形，其特征在于：驱动电机的冷却是由设在定子上的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置冷却的。

2. 如权利要求1所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的水冷装置与定子与转子之间的风冷装置组成的复合冷却装置是由在定子内的一种由储水腔所形成的循环水***与一种在定子内的风道与转子的风叶及通风孔所形成的风内循环***组合构成的。

3. 如权利要求1或2所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的储水腔分布在定子四边形外边与圆形内圈所形成的四个角上，形成四个储水腔，分别为第一储水腔、第二储水腔、第三储水腔和第四储水腔；在第一储水腔上面设有入水盒，第四储水腔通过入水口与入水盒连通；每一个角上的储水腔上尖部还设有用于为转子散热的风道，形成四个风道，分别为第一风道、第二风道、第三风道和第四风道，同时第一储水腔与第二储水腔是通过第一储水腔与第二储水腔连接口连通的，第二储水腔与第三储水腔是通过第二储水腔与第三储水腔连接口连通的，第三储水腔与第四储水腔是通过第三储水腔与第四储水腔连接口连通的，在第四储水腔上面设有出水盒，第四储水腔通过出水口与出水盒连通。

4. 如权利要求3所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的风道是一个整体的空腔体。

5. 如权利要求3所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的风道是多个槽孔组合形成的。

6. 如权利要求1或2所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的储水腔可以是一个整体。

7. 如权利要求1或2所述的驱动电机的复合冷却结构，其特征在于：所述的储水腔是多个槽孔，再经连接道连通的。

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