CN102769356B - 具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机及其空气冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机及其空气冷却方法，包括进风口、内风道、冷却风道、出风口，冷却风道布置在机壳的四个角上，电机冷却由外部风冷装置和封闭层内部循环风冷却装置组成的复合冷却装置共同完成。外部风冷装置采用外部强迫通风经由电机一端的进风口导入电机夹层中的内风道，再进入冷却风道，然后从电机的另一端排出，电机的热量通过冷却风散发。内部循环风冷却装置是一种利用定子通风孔、气隙和转子通风孔及安装在转轴上的叶轮所组成的内部空气循环冷却装置，转子的热量通过内部空气循环传递到定子铁心和端盖。本发明所描述的电机结构紧凑，适用于有独立通风冷却系统的铁路高速客运列车用全封闭永磁同步牵引电机。

Description

具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机及其空气冷却方法

技术领域

本发明涉及一种具有空气冷却结构的牵引电机及其空气冷却方法，尤其是一种具有从牵引电机外部导入冷风直接对电机的定子铁心和端盖进行冷却的空气冷却结构的全封闭永磁同步牵引电机及其空气冷却方法。

背景技术

由于受到安装空间和重量的限制，牵引电机通常采用较高的电磁负荷。牵引电机运行时所产生的损耗较高，发热比较严重，直接影响电机的绝缘材料寿命和运行可靠性，因此在研制牵引电机时，必须改进电机的传统冷却方式，以提高其散热能力，延长绝缘寿命，适应牵引系统中的要求，保证电机运行安全、可靠。

永磁同步电机因功率密度大、综合运用效率高，近年来倍受关注，在牵引领域有些初步的应用，例如Siemens和Bombardier已经实现了永磁同步电机在动车和地铁列车上的牵引应用。通过研究和试验发现：将现有的永磁同步电机直接应用于牵引领域中是不合适的，需要对其冷却装置做进一步改进，提高散热能力，保证运行安全。永磁同步牵引电机因为电机本身的特殊性——永磁体励磁，需要采取措施避免永磁体失磁和异物进入电机被永磁体吸附，影响电机运行。全封闭结构是永磁同步牵引电机应用的一种选择，其优良散热能力是必备的要求，保证永磁体工作在它的限定温度之下，同时采用外部通风系统对永磁同步牵引电机进行强迫冷却，加强电机的散热。

目前牵引电动机的冷却方式主要有强迫风冷、自通风、自然冷却、充液冷却、热管冷却和水冷几种方式，其中在机车和动车应用中，强迫风冷应用最广泛。从交直传动系统中的脉（直）流牵引电机到交流传动系统中的异步牵引电机，外部通风系统（风机、空气过滤器等）利用风道直接将冷风吹进牵引电动机内部，冷却定子和转子的各个零部件，利用气流压差，将牵引电动机内部的热风排入周围环境中，此类开启式结构不适用永磁牵引电机。在低地板城市客车和电动汽车应用中，因使用环境恶劣，牵引电机采用全封闭结构，一般采用自然冷却、自通风和水冷等冷却方式，虽然水冷方式对于功率密度较高的牵引电机应用比较多，但在部分场所的应用受到限制，如在无轨电车中，不推荐使用水冷牵引电机；而自然冷却方式的冷却效果有限，采用这种冷却方式的牵引电机体积相对较大，功率等级偏低；自通风冷却方式在牵引电机低速时风量小、冷却效果差、高速时通风噪声大，采用这种冷却方式的牵引电机轴向长度较长、功率等级和转速受到限制、影响其应用。全封闭结构的牵引电机采用外强迫通风冷却可以规避上述问题，有效地屏蔽电磁噪声，降低通风噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机及其空气冷却方法，克服了全封闭永磁同步电机在牵引领域应用时因冷却效果造成牵引电机体积大，在牵引电机低速时风量小、冷却效果差、高速时通风噪声大，电机功率等级和转速受到限制的技术问题，提供了一种新型的，具备外部强迫通风冷却结构的高速、高功率密度或大功率永磁同步牵引电机及其空气冷却方法。

本发明具体提供了一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机的具体实施方式，一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，包括定子、转子和机壳，还包括进风口、内风道、冷却风道、出风口，永磁同步牵引电机为全封闭结构，且冷却风道布置在机壳的四个角上，全封闭永磁同步牵引电机的冷却结构包括由外部强迫风冷装置和位于永磁同步牵引电机内封闭层内的内部循环风冷却装置组成的复合冷却装置。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进一步的实施方式，外部强迫风冷装置包括进风口、内风道、冷却风道、出风口，外部强迫风冷装置由进风口导入外部的冷却风在冷却风道内冷却永磁同步牵引电机，进风口和内风道布置在永磁同步牵引电机的一端，出风口布置在永磁同步牵引电机的相对另一端，内风道和冷却风道处于封闭层外部的永磁同步牵引电机夹层中，内风道连接出风口和冷却风道。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进一步的实施方式，机壳的外形为削角四边形，外部强迫风冷装置的冷却风道包括布置在定子的削角四边形内层与定子铁心外圆所形成的四个角区，冷却风道包括由机壳、定子铁心、定子铁心支撑筋组成的8个轴向区域，定子铁心外圆上设置有散热筋。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进一步的实施方式，内部循环风冷却装置设置于永磁同步牵引电机封闭层的内部，包括定子通风孔，定、转子铁心间的气隙和转子通风孔，通过设置在转子上的叶轮，在转子转动时形成的内部空气循环的装置，定子通风孔为由定子铁心外圆半孔和铁心支撑筋上的槽组成的通风孔。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进一步的实施方式，设置在转子上的叶轮位于永磁同步牵引电机封闭层的内部，叶轮布置在永磁同步牵引电机的一侧，由安装在转子铁心端压板上的6～12片风叶组成。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进一步的实施方式，转子通风孔位于永磁同步牵引电机的封闭层内，内部循环风冷却装置中的转子通风孔为由转子铁心内圆上的半圆孔与转轴支架形成的通风孔。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机的另一种实施方式，转子铁心中设置有永磁体，永磁体的两侧留有磁极侧通风孔。位于永磁同步牵引电机封闭层内的内部循环风冷却装置中的转子通风孔进一步为位于转子铁心磁极侧面的磁极侧通风孔。

作为本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机的另一种实施方式，转子铁心中设置有永磁体，永磁体的两侧留有磁极侧通风孔。位于永磁同步牵引电机封闭层内的内部循环风冷却装置中的转子通风孔进一步为由转子铁心内圆上的半圆孔与转轴支架形成的通风孔和位于转子铁心磁极侧面的磁极侧通风孔。

本发明还提供一种对具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进行空气冷却的方法的具体实施方式，一种永磁同步牵引电机空气冷却方法，该方法包括以下步骤：

（1）外部强迫风冷步骤：在机壳的一端布置进风口和内风道，在机壳的四个角上布置八个轴向且四周封闭的冷却风道，在冷却风道内设置增加散热能力的散热筋，内风道连接八个冷却风道和进风口，将进风口与列车通风道对接，导入冷却风，冷却风在内风道和冷却风道内进行热交换，主要冷却定子铁心、机壳、端盖和定子铁心支撑筋，在机壳的另一端设置出风口，向外排风；

（2）内部循环风冷步骤：在定子铁心和定子铁心支撑筋间设置定子通风孔，在转子铁心中安装永磁体，在永磁体的两侧设置磁极侧通风孔，在转轴的支架和转子铁心之间设置转子内通风孔，这些通风孔和定、转子铁心间的气隙共同组成内部空气循环通道，在转子铁心的一端压板设置叶轮，在转子转动时带动叶轮作为风机成为内部空气循环的动力，随着内部空气循环，转子的热量通过流动空气传递到定子铁心、定子铁心支撑筋和端盖。

通过实施本发明一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机及其空气冷却方法具体实施方式所描述的技术方案，永磁同步牵引电机的冷却由外部的强迫风冷和内部的循环风共同完成，强迫风冷由外部的风源提供冷却风，通过进风口导入电机中空层。永磁同步牵引电机采用全封闭结构，冷却风在封闭层外的夹层中流动，电机内部受到的污染小、噪音小，使用周期长，维修成本较低。并在定子冷却风道内进行热交换，永磁同步牵引电机的封闭层内有空气循环。利用四边形和圆形成的四个角布置冷却风道，使得电机结构紧凑，永磁同步牵引电机的冷却和自身旋转速度不关联。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机一种具体实施方式的横截面结构示意图；

图2是本发明具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机一种具体实施方式的纵截面结构示意图；

图中，1-冷却风道，2-散热筋，3-定子通风孔，4-气隙，5-磁极侧通风孔，6-转子内通风孔，7-定子铁心，8-转子铁心，9-转轴，10-永磁体，11-定子铁心支撑筋，12-封闭层，13-端盖，14-叶轮，15-进风口，16-内风道，17-机壳，18-出风口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1和附图2所示，给出了应用本发明而形成的全封闭永磁同步牵引电机一个具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

一种应用于城市客运列车交流传动系统的永磁同步牵引电机（如图1、2所示），由客运列车的通风系统独立提供冷却风源，为了保证运行可靠性和降低维护保养费用，永磁同步牵引电机采用内部全封闭结构，夹层内强迫通风冷却。

本发明具体实施方式描述的全封闭永磁同步牵引电机是一种由机壳17和两端端盖的内层形成的全封闭结构永磁同步电机，可以很好地预防异物进入电机内部，使永磁体10得到机械保护。永磁同步电机由外部强迫风冷装置和位于永磁同步牵引电机内封闭层12内的内部循环风冷却装置组成的复合冷却装置进行冷却。本发明所述的外部强迫风冷装置是一种由进风口15、内风道16、冷却风道1、出风口18组成，由进风口15导入的外部冷风在电机风道内进行热交换而冷却电机的装置。进风口15布置在永磁同步电机一端，外接列车通风道，冷却空气由此导入，机壳17和端盖13中空层即为内风道16和冷却风道1，处于永磁同步电机封闭内层12外面，冷却空气在内风道16和冷却风道1内流动，进行热交换，出风口18布置在永磁同步电机的另一端，热空气由此排放。

机壳17和定子铁心7间的中空层即为冷却风道1，机座的横截面为削角四边形，与定子铁心7外圆所形成的四个削角空区，一边开槽的定子铁心支撑筋11将这四个削角空区隔成8个区域，即8个轴向冷却风道1。冷却风道1内布置有6～10个不同形状的散热筋2，用于增加散热面积，加强散热。为了使转子的热量散发，在电机的封闭层12内定子与转子之间设置内部循环风冷却装置，电机内部迅速成为等温体，由外部强迫风冷装置散热。

内部循环风冷却装置由定子通风孔3、定子铁心7和转子铁心8间的气隙4、转子内通风孔6、磁极侧通风孔以及叶轮14组成，在转子转动时安装在转子一侧铁心端压板上的6～12片风叶组成叶轮14在电机内部形成压力差，使内部空气流动，与永磁同步电机的各部件进行温度交换。

定子铁心7外圆半孔和定子铁心支撑筋11上的开槽组成定子通风孔3；转子铁心8内圆上的半圆孔和转轴9的支架形成转子内通风孔6，在转子铁心8中永磁体10的磁极两侧也预留磁极侧通风孔5。

定子采用不完全双层中空结构，封闭层12内布置电机的定子铁心7和绕组，定子铁心7和定子铁心支撑筋11间留有定子通风孔3，是内部空气循环通道；在外层，机壳17的四个角上布置八个轴向且四周封闭的冷却风道1，在冷却风道1内有增加散热能力的辅助筋2，外部的冷却风主要在此风道1内进行热交换，机壳17的一端布置进风口15和内风道16，用来和列车通风道对接，导入冷却风，内风道16连接八个冷却风道1和进风口15，由端盖13和机壳17形成整体结构，在机壳17的另一端布置出风口18。

转子铁心8中安装永磁体10，永磁体10的两侧留有通风孔5，转轴9的支架和转子铁心8形成内通风孔6，它们都是内部空气循环通道，转子铁心8内圆上有3个半圆孔，用来增加散热面。转子铁心8的一端压板安装有8片风叶组成叶轮14，在转子转动时作为风机成为内部空气循环的动力。和自带同轴风扇冷却方式的相同功率的永磁同步电机相比，应用本发明的永磁同步牵引电机结构紧凑，轴向长度短，可在更高转速下运行。

外部强迫通风冷却的全封闭永磁同步牵引电机，能有效地屏蔽电机运行时所产生的电磁噪声。由于没有使用同轴外风扇，不会在电机高速运行时产生通风噪声，因而运行时永磁同步牵引电机整体噪声幅度小。冷却风由外部控制，与电机的运行状态无关，在电机低速和不工作时也能得到冷却。由于电机为全封闭结构，受到的污染小，其使用周期长，维修成本较低。

一种永磁同步牵引电机空气冷却方法的具体实施方式，包括以下步骤：

（S101）外部强迫风冷步骤：在机壳17的一端布置进风口15和内风道16，在机壳17的四个角上布置八个轴向且四周封闭的冷却风道1，在冷却风道1内设置增加散热能力的散热筋2，内风道16连接八个冷却风道1和进风口15，将进风口15与列车通风道对接，导入冷却风，冷却风在内风道16和冷却风道1内进行热交换，主要冷却定子铁心7、机壳17、端盖13和定子铁心支撑筋11，在机壳17的另一端设置出风口18，向外排放。

（S102）内部循环风冷步骤：在定子铁心7和定子铁心支撑筋11间设置定子通风孔3，在转子铁心8中安装永磁体10，在永磁体10的两侧设置磁极侧通风孔5，在转轴9的支架和转子铁心之间设置转子内通风孔6，这些通风孔和定子铁心7、转子铁心8间的气隙4共同组成内部空气循环通道，在转子铁心8的一端压板设置叶轮14，在转子转动时带动叶轮14作为风机成为内部空气循环的动力，随着内部空气循环，转子的热量通过空气传递到定子铁心7、定子铁心支撑筋11和端盖13。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，包括定子、转子和机壳(17)，其特征在于：还包括进风口(15)、内风道(16)、冷却风道(1)、出风口(18)，永磁同步牵引电机为全封闭结构，且冷却风道(1)布置在机壳(17)的四个角上，全封闭永磁同步牵引电机的冷却结构包括由外部强迫风冷装置和位于永磁同步牵引电机封闭层(12)内的内部循环风冷却装置组成的复合冷却装置；所述的内部循环风冷却装置设置于永磁同步牵引电机封闭层(12)的内部，包括定子通风孔(3)，定、转子铁心间的气隙(4)和转子通风孔，通过设置在转子上的叶轮(14)提供动力，在转子转动时形成内部空气的循环；所述定子通风孔(3)为由定子铁心(7)外圆上半孔和铁心支撑筋(11)上的槽组成的通风孔。

2.根据权利要求1所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：所述的外部强迫风冷装置包括进风口(15)、内风道(16)、冷却风道(1)、出风口(18)，外部强迫风冷装置由进风口(15)导入外部的冷却风在内风道(16)和冷却风道(1)内冷却永磁同步牵引电机，进风口(15)和内风道(16)布置在永磁同步牵引电机的一端，出风口(18)布置在永磁同步牵引电机的相对另一端，内风道(16)和冷却风道(1)处于封闭层(12)外的永磁同步牵引电机夹层中，内风道(16)连接进风口(15)和冷却风道(1)。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：所述机壳(17)的外形为削角四边形，外部强迫风冷装置的冷却风道(1)包括布置在定子的削角四边形内层与定子铁心(7)外圆所形成的四个角区，冷却风道(1)包括由机壳(17)、定子铁心(7)、定子铁心支撑筋(11)组成的8个轴向区域，定子铁心(7)外圆上设置有散热筋(2)。

4.根据权利要求3所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：所述设置在转子上的叶轮(14)位于永磁同步牵引电机封闭层(12)的内部，叶轮(14)布置在永磁同步牵引电机的一侧，由安装在转子铁心(8)端压板上的6～12片风叶组成。

5.根据权利要求3所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：所述转子通风孔为位于永磁同步牵引电机的封闭层(12)内，由转子铁心(8)内圆上的半圆孔与转轴(9)支架形成的转子内通风孔(6)。

6.根据权利要求3所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：转子铁心(8)中设置有永磁体(10)，永磁体(10)的两侧留有磁极侧通风孔(5)，所述转子通风孔为位于永磁同步牵引电机的封闭层(12)内，在转子铁心(8)磁极侧面的磁极侧通风孔(5)。

7.根据权利要求3所述的一种具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机，其特征在于：转子铁心(8)中设置有永磁体(10)，永磁体(10)的两侧留有磁极侧通风孔(5)，所述转子通风孔为位于永磁同步牵引电机的封闭层(12)内，由转子铁心(8)内圆上的半圆孔与转轴(9)支架形成的转子内通风孔(6)和位于转子铁心(8)磁极侧面的磁极侧通风孔(5)。

8.一种对权利要求1或2所述具有空气冷却结构的永磁同步牵引电机进行冷却的方法，其特征在于，所述的永磁同步牵引电机空气冷却方法包括以下步骤：

(S101)外部强迫风冷步骤：在机壳(17)的一端布置进风口(15)和内风道(16)，在定子铁心(7)和机壳(17)形成的四个角区布置八个轴向且四周封闭的冷却风道(1)，在冷却风道(1)内设置增加散热能力的散热筋(2)，内风道(16)连接八个冷却风道(1)和进风口(15)，将进风口(15)与列车通风道对接，导入冷却风，冷却风在内风道和冷却风道(1)内进行热交换，主要冷却定子铁心(7)、机壳(17)、端盖(13)和定子铁心支撑筋(11)，在机壳(17)的另一端设置出风口(18)，向外排风；

(S102)内部循环风冷步骤：在定子铁心(7)和定子铁心支撑筋(11)间设置定子通风孔(3)，在转子铁心(8)中安装永磁体(10)，在永磁体(10)的两侧设置磁极侧通风孔(5)，在转轴(9)的支架和转子铁心之间设置转子内通风孔(6)，这些通风孔和定转子铁心(7)、转子铁心(8)间的气隙(4)共同组成内部空气循环通道，由设置在转子上的叶轮(14)提供动力，在转子转动时形成内部空气循环，随着内部空气循环，转子的热量通过流动空气传递到定子铁心(8)、定子铁心支撑筋(11)和端盖(13)。