CN102857028B - 液冷电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液冷电机，电机壳体上设置液冷回路；液冷回路包括沿电机主体盘绕的主体冷却回路、和在电机主体的两轴端端盖上分别设置的端头回路；主体冷却回路沿电机主体所在的圆柱周向同心螺旋环绕形成圆柱螺旋线，可保证同一径向上电机壳体的热塑变形或线膨胀幅度基本相同，不会造成电机铁芯定子内圆失圆，避免了电机的振动；电机壳体内壁圆滑凸台的设置,减小线圈与导热系数高地液冷通道的距离；壳体内壁与线圈和定子间围成的间隙、以及凸台和或内壁与线圈和定子间的间隙均填充环氧胶泥，在密封固定的同时还能传热，由于环氧胶泥的传热性能优于空气，因而能将电机线圈端头内部热量快速传导出壳体进行散热，有效提高电机耐温。

Description

液冷电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及一种电机的冷却结构，可应用于各行业应用的直流电机、交流电机和三相电机。

背景技术

电机在很多技术领域都有应用，无论是交、直流电机还是三相电机，在运转的过程中，都或多或少会产生余热，余热的产生对电机的性能有所影响，温度越高效率越低；然而，温差也是不可忽视的，特别是当电机壳体两不同侧的温差达到一定量值，由于温度的不同，使得在同一圆周上电机壳体材料的线膨胀不一致，造成电机铁芯定子内圆失圆，电机定转子间的气隙在圆周分布不均，使得旋转中的转子受到一个交变的径向力，引起电机的振动加剧，并且影响电机的效率和寿命。特别是对于要求较高的高速电机、大型电机、高精度电机，在温差严重时使电机无法正常工作。

目前多采用结构较为简单的水冷电机解决电机发热和温差问题。在水路的设计上，多采用冷却腔或盘管作为水路元件。例如中国公开专利申请 02229237.3 “水冷耐高温电机”，采用结构简单的冷却腔回路来冷却电机，在电机主要壳体上的冷却腔和电机外壳结构合为一体，水冷壳体采用特种无缝钢管,壳体也是水路的一部分；使得电机整体紧凑、结构简单，但其对电机运行的影响不容忽视。 其主要问题是由于水路的进水口和出水口的截面仅占冷却腔截面的很少一部分，冷却腔的进水沿轴向加水并按水道最近的路序出水，冷却腔内的水流速度大不一样，水流慢的一侧与水流快的一侧之间就会形成温差，当两侧温差达到一定量值，由于温度的不同，使得在同一圆周上电机壳体材料的线膨胀不一致，就会造成电机铁芯定子内圆失圆，电机定转子间的气隙在圆周也会分布不均，使得旋转中的转子受到一个交变的径向力，也会引起电机的振动加剧，并且影响电机的效率和寿命。特别是对于要求较高的高速电机，这种水路布置在温差严重时也会使电机无法正常工作。

    在水路中采用盘管设计就可避免因冷却腔流速不一致而产生的温差；但采用盘管作为水路元件有多种绕制方法。其中有许多采用轴向盘制，例如中国公开专利申请CN101268599A “电机”采用结构简单的轴向冷却回路来冷却电机，在电机主要壳体上的冷却水管沿电机的轴线方向分布，电机的一端或两端采用与电机轴向方向垂直的环绕分配管沿电机外周向进行冷却水分配，环绕分配管主要起水流分配和回流作用，起主导冷却作用的还是沿电机轴向分布在外壳上或是嵌在外壳内部的多条纵向冷却水管。该装置的轴向分布对电机运行的影响是不容忽视的。 其主要问题是由于水路的进水和出水是在端面与轴线垂直的圆周分配管上的不同点，分配管的进水沿顺时针或逆时针按序给各轴向冷却水管加水并按序出水，先进水一侧与后进水一侧之间以及先出水一侧与后出水一侧均会形成温差，当两侧温差达到一定量值，使得由于温度的不同，在同一圆周上电机壳体材料的线膨胀不一致，也会造成电机铁芯定子内圆失圆，电机定转子间的气隙在圆周分布不均，使得旋转中的转子受到一个交变的径向力，引起电机的振动加剧，并且影响电机的效率和寿命。特别是对于要求较高的高速电机，这种水路布置在温差严重时使电机无法正常工作。

再则，电机线损发热也是其主要的热源，电机线圈烧坏是其损坏的首要原因。线圈轴向布置在电机内部，其线径及通过的电流是一致的，其单位长度的发热量也应是一致的；但由于线圈在电机中所处的位置不同，其外围物质的导热系数不同，而造成线圈不同位置的温升也不同；如：伸出定子铁芯之外处于空气中的线圈和坎在定子铁芯之内的线圈，由于空气和铁芯的导热系数不同，而造成线圈不同位置的温度不同；铁芯内部的线圈热量快速传导给铁芯进行散热；而铁芯外部的线圈在空气中，线圈内部热量因空气的温度传导相对较慢而不宜散热。当线圈内部发热量大于外围物质向外部传导的热量，线圈内部的温升突破线圈绝缘层的耐温极限，就会产生事故。因此，线圈外围导热系数最差的部分，即是电机耐温的薄弱环节。所以，线圈外围由导热系数高的物质替代导热系数最差的，或减小线圈与导热系数高的物质的距离，都是提高电机耐温的有效措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服上述冷却腔和盘管式水冷电机的缺陷，提供一种具有液冷回路的液冷电机，能够使电机壳体在同一径向上均衡冷却防止电机铁芯定子内圆失圆、提高电机耐温能力，保证电机正常运转并延长电机使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种液冷电机，电机壳体为铸铁铸造而成的圆柱壳体，其特征在于：壳体壁上设有液冷通道，且液冷通道绕电机主轴周向同心螺旋环绕形成圆柱螺旋线；圆柱壳体一端的内壁上设有一体铸造的圆滑凸台，定子紧邻壳体放置，凸台沿轴向位于该端的定子和线圈之间；液冷通道从圆柱壳体一端的进口处连续螺旋环绕，并穿过所述凸台到达圆柱壳体另一端的出口处形成回路；在电机主轴的两轴承端盖上分别设有端头液冷回路，端头液冷回路在各轴承室外沿分别周向盘绕形成圆形液冷环，各液冷环均构成独立回路；所述的液冷通道和端头液冷回路均为熟铁制成的液冷盘管绕制而成，且与圆柱壳体或轴承端盖形成热传导连接；壳体内壁与线圈和定子间围成的间隙、以及凸台和或内壁与线圈和定子间的间隙均填充环氧胶泥；壳体外壁上还设有径向往内穿过壳体并卡置定子的顶丝。

按上述技术方案，所述液冷通道外壁与同一径向电机圆柱壳体的内壁和外壁均形成间隔。

按上述技术方案，按照电机轴向热度分布情况，所述液冷通道的圆柱螺旋线沿电机轴线方向均匀间隔或者分组间隔，且在分组间隔时同一组的液冷环相互紧邻或存在的间隙小于不同组之间的间隔。

按上述技术方案，液冷通道的进口和出口反向延长线相交于电机圆柱壳体的中心轴线。

按上述技术方案，端头液冷回路的出口端和进口端从所在的圆形液冷环伸出，伸出端反向延长线相交于圆形冷却环圆心；或者端头液冷回路的出口端和进口端从所在的圆形冷却环同向平行伸出；不同轴端的端头液冷回路结构相同或不同。

按上述技术方案，轴承端盖为与圆柱壳体直径一致的圆台，端头液冷回路的出口端和进口端从圆台伸出；或者轴承端盖为直径大于圆柱壳体直径的凸台，端头液冷回路的出口端和进口端从凸台伸出；不同轴端的轴承端盖结构以及端头液冷回路结构相同或不同。

按上述技术方案，液冷通道的出口和端头液冷回路的出口不在同一象限。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

第一、通过在圆柱壳体上设置圆柱螺旋线型冷却盘管，同一径向上电机壳体上冷却水管的温度基本趋于一致，不会出现过大的冷热温差，因而，可以保证同一径向上电机壳体的热塑变形或线膨胀幅度基本相同。

第二、壳体采用铸铁，液冷盘管采用易于焊接且热塑性好的熟铁或纯铁。纯铁或熟铁熔点高达1534℃，耐热性和热塑性均比较好，容易焊接不会留下漏点造成内漏，而且成本低；而铸铁特别是灰铸铁的熔点为1145～1250℃，在浇铸时容易成型且不会影响熟铁液冷盘管的性能，能够有效保证壳体的强度且能保证液冷盘管在浇铸时不发生变形，能够保证同一径向上的热塑变形或线膨胀幅度基本相同；由于钢管的熔点在1300℃左右，与铸铁接近，浇铸电机壳体时容易熔坏液冷盘管，成品率低，因而本方案相对于采用钢管或不锈钢管的盘管作为液冷盘管来说，成品率得到保证且性能好、成本低。

第三、电机壳体内壁设置圆滑凸台对定子进行固定，外壁上还进一步设置径向固定顶丝，将定子牢固固定在壳体中，避免电机振动；同时，凸台中穿设有液冷通道，减小线圈与导热系数高地液冷通道的距离，对于凸台及周边处的冷却也有极大帮助；最后，壳体内壁与线圈和定子间围成的间隙、以及凸台和或内壁与线圈和定子间的间隙均填充环氧胶泥，在密封固定的同时还能传热，由于环氧胶泥的传热性能优于空气，因而能将电机线圈端头内部热量快速传导出壳体进行散热；由此，能够有效提高电机耐温。

第四、液冷通道的进口和出口反向延长线相交于电机圆柱壳体的中心轴线，端头液冷回路的出口端和进口端也进行角度设置，使得进出水更为流畅，大力提升冷却速度和冷却效果。

由此构成的液冷电机，冷却效果好且不会造成电机铁芯定子内圆失圆，避免了电机的振动，保证了电机的效率和寿命。特别是对于较高转速的电机，为其水冷或类似介质的冷却回路提供了一条可行之路。

附图说明:

图1：本发明一个实施例的液冷电机结构示意图（中间壳体部分为剖视图）。

图2：图1的液冷通道进出口结构示意图（图1的A-A剖示图）。

图3：图1的端头回路结构示意图（图1的M-M剖示图）。

具体实施方式：

以下结合实施实例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

如图1-2所示，一种液冷电机，电机壳体2为铸铁铸造而成的圆柱壳体，其特征在于：壳体2壁上设有液冷通道1，且液冷通道1绕电机主轴8周向同心螺旋环绕形成圆柱螺旋线；圆柱壳体2一端的内壁上设有一体铸造的圆滑凸台5，定子7紧邻壳体2放置，凸台5沿轴向位于该端的定子7和线圈9之间；液冷通道从圆柱壳体2一端的进口1.2处螺旋环绕从进口的液冷通道的管点11处到达另一侧壁的液冷通道管点12处，然后顺次螺旋往上盘绕到达液冷通道管点13、14、……..，并穿过所述凸台5的管点，到达圆柱壳体另一端的出口1.1处形成回路；在电机主轴8的两轴承端盖3和4上分别设有端头液冷回路，端头液冷回路在各轴承室外沿分别周向盘绕形成圆形液冷环，各液冷环均构成独立回路；所述的液冷通道和端头回路均为熟铁制成的液冷盘管绕制而成，且与圆柱壳体2或轴承端盖3和4形成热传导连接；壳体2内壁与线圈9和定子7间围成的间隙、以及凸台5和或内壁与线圈9和定子7间的间隙均浇注填充环氧胶泥6；壳体2外壁上还设有径向往内穿过壳体并卡置定子的顶丝10。

为方便吊装，顶丝10上还可以设置吊环。

液冷通道1和端头液冷回路均埋设于电机壳体2中并与电机壳体热传导的方式连接；所述的电机壳体2为铸铁铸造而成的壳体，液冷通道1和端头液冷回路均为熟铁制成的液冷盘管。

为了保证电机壳体的强度，所述液冷通道1的管径与圆柱壳体2的壁厚形成一定比例，并保证液冷通道1的管径内侧距离圆柱壳体2的内壁一定间隔，管径外侧距离圆柱壳体2外壁一定间隔，保证液冷通道1的快速水冷效果，同时也要保证电机壳体的强度。

更优的，按照电机轴向热度分布情况，所述液冷通道1的圆柱螺旋线沿电机轴线方向均匀间隔或者分组间隔（如图1所示），且在分组间隔时同一组的冷却环相互紧邻或存在的间隙小于不同组之间的间隔。

作为进一步的优化实施方案，如图2所示，液冷通道1的进口1.2和出口1.1伸出端反向延长线相交于电机圆柱壳体的中心轴线，以便于冷却水顺畅流入和流出，且方便制作和安装液冷回路的进出口。

作为进一步的优化实施方案，为便于冷却水顺畅流入和流出；端头液冷回路的出口端和进口端也可以有如下几种形式：如图3所示，端头液冷回路的出口端3.1和进口端3.2从所在的圆形冷却环伸出，伸出端反向延长线相交于圆形冷却环圆心；或者端头液冷回路的出口端3.1和进口端3.2从所在的圆形冷却环同向平行伸出；不同轴端的端头液冷回路结构可以相同或不同。

作为进一步的优化实施方案，轴承端盖3或4为与圆柱壳体2所在圆柱直径一致的圆台，端头液冷回路的出口端3.1和进口端3.2从圆台伸出；或者轴承端盖3或4为直径大于圆柱壳体2直径的凸台，端头液冷回路的出口端3.1和进口端3.2从凸台伸出，这样方便端头回路的装配与焊接，防止造成内漏；不同轴端的轴承端盖结构以及端头液冷回路结构可以相同或不同。

液冷通道1的出口端和端头液冷回路的出口端不在同一象限，这样可以进一步保证进出水口处的流速均衡，减低温差。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液冷电机，电机壳体为铸铁铸造而成的圆柱壳体，其特征在于：壳体壁上设有液冷通道，且液冷通道绕电机主轴周向同心螺旋环绕形成圆柱螺旋线；圆柱壳体一端的内壁上设有一体铸造的圆滑凸台，定子紧邻壳体放置，凸台沿轴向位于该端的定子和线圈之间；液冷通道从圆柱壳体一端的进口处连续螺旋环绕，并穿过所述凸台到达圆柱壳体另一端的出口处形成回路；在电机主轴的两轴承端盖上分别设有端头液冷回路，端头液冷回路在各轴承室外沿分别周向盘绕形成圆形液冷环，各液冷环均构成独立回路；所述的液冷通道和端头液冷回路均为熟铁制成的液冷盘管绕制而成，且与圆柱壳体或轴承端盖形成热传导连接；壳体内壁与线圈和定子间围成的间隙、以及凸台和/或内壁与线圈和定子间的间隙均填充环氧胶泥；壳体外壁上还设有径向往内穿过壳体并卡置定子的顶丝。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述液冷通道外壁与同一径向电机圆柱壳体的内壁和外壁之间均形成间隔。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于：按照电机轴向热度分布情况，所述液冷通道的圆柱螺旋线沿电机轴线方向均匀间隔或者分组间隔，且在分组间隔时同一组的液冷环相互紧邻或存在的间隙小于不同组之间的间隔。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：液冷通道的进口和出口反向延长线相交于电机圆柱壳体的中心轴线。

5.根据权利要求1或2或4所述的电机，其特征在于：端头液冷回路的出口端和进口端从所在的圆形液冷环伸出，伸出端反向延长线相交于圆形冷却环圆心；或者端头液冷回路的出口端和进口端从所在的圆形冷却环同向平行伸出；不同轴端的端头液冷回路结构相同或不同。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：轴承端盖为与圆柱壳体直径一致的圆台，端头液冷回路的出口端和进口端从圆台伸出；或者轴承端盖为直径大于圆柱壳体直径的凸台，端头液冷回路的出口端和进口端从凸台伸出；不同轴端的轴承端盖结构以及端头液冷回路结构相同或不同。