CN107070062A - 一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机，包括水冷壳体，水冷壳体的内部制有水冷流道，水冷流道的表面具有间隔设置的球形凸胞状的丁胞结构。本发明可以在传统的各种冷却流道上应用球形凸胞状的丁胞结构，通过规律放置的丁胞结构让流体通过时产生涡流，破坏了流道边界层，增大了流道的散热系数、努塞尔数和湍动能，大大提高散热效率。

Description

一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机

技术领域

本发明涉及电机和其水冷系统领域，具体地说是一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机。

背景技术

电机单位体积损耗大，功率密度高，散热条件差，极易使永磁体产生不可逆退磁，影响电机的正常运转。由于电机高速旋转带来的很大的风摩耗和电机本身发热导致电机发热量过大问题，传统自然冷却的方式对于这类高功率密度电机已经无法满足要求，使得强制风冷和液冷成为主要的散热方式。强制风冷方式设计简单，但是空气传热能力有限，对于散热量需求大的高功率密度电机无法胜任。而且风冷会产生很大的噪音，恶化了工作环境。液冷的传热能力远远大于空气，具有低噪音、高效的特点，同时设计通道减少了电机的重量。特别是水冷的方式，因造价较低，方便使用，被广泛运用。

水冷散热效果的好坏关键体现在水路设计是否合理上。对于一个系统来说，水路设计不仅要实现有效的散热，还要兼顾到供水的泵体和对水降温的散热器，尽量降低它们的负荷。可见水路设计是一个综合考虑各种因素和不断优化的过程，具有很重要的研究意义。传统的螺旋水道电机外壳和直槽水道电机外壳存在着以下问题：一、传统的螺旋水道电机外壳和直槽水道电机外壳散热效率低；二、传统的螺旋水道电机外壳和直槽水道电机外壳温升不均匀。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，而提供一种水冷电机的冷却管路结构及其水冷电机，通过应用均匀规律布置的丁胞结构，提高水冷电机的冷却效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种水冷电机的冷却管路结构，包括水冷壳体，水冷壳体的内部制有水冷流道，水冷流道的表面具有间隔设置的球形凸胞状的丁胞结构。

为优化上述技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。

上述的丁胞结构的宽度与所处流道的宽度成比例。丁胞结构的厚度小于流道的厚度，采用较小的深度，只会影响到冷却介质表面的流动，并不会产生较大的流阻，在牺牲较小的流阻下大大提高散热能力。

本发明还对水冷流道作了进一步的改进，在水冷壳体中具有双层树状的水冷流道。每层的水冷流道包括绕水冷壳体周向延伸的主流道、从主流道两侧分离并轴向延伸的分支流道，从分支流道分离并周向延伸的分叉流道。内层分叉流道的末端与外层分叉流道的末端相连通。该结构采用了双层树状流道，在不明显增大流阻的前提下，能够有效提高电机散热能力，并且可以使电机温升更加均匀。

上述两层分叉流道的末端具有工字型将内外两层分叉流道连通的连通流道。

上述内层的主流道具有带进水口的进水支路，外层的主流道具有带出水口的出水支路。

上述的丁胞结构均匀间隔分布于内层水冷流道的内侧表面和外层水冷流道的外侧表面。

上述的水冷壳体设有两组独立分布在半圆壳体内的双层的水冷流道。

上述的进水支路与主流道的中部相连接。分支流道与主流道的两端呈工字型连接。分叉流道与分支流道的两端呈工字型连接。

上述进水支路的进水口和出水支路的出水口分布在水冷壳体的两端。

本发明提供了应用上述冷却管路结构的水冷电机，包括前端盖和后端盖。在前端盖与后端盖之间配装有上述的冷却管路结构，冷却管路结构的内部安装有电机定子和电机转子。

与现有技术相比，本发明的冷却管路结构及水冷电机，可以在传统的各种冷却流道上应用球形凸胞状的丁胞结构，通过规律放置的丁胞结构让流体通过时产生涡流，破坏了流道边界层，增大了流道的散热系数、努塞尔数和湍动能，大大提高散热效率。

进一步改进后的双层树状冷却管路结构，使电机水冷系统在同等水泵的驱动下，不会明显增大流道流阻，比传统水道冷却效果显著，而且电机温升均匀，不会出现传统散热方案入口温度过低，出口温度过高的情况，保证了电机的稳定运转。

附图说明

图1是本发明实施例的剖视结构示意图。

图2是实施例1的水冷流道的立体结构示意图。

图3是实施例2的水冷流道的立体结构示意图。

图4是实施例3的水冷流道的立体结构示意图。

图5是图4中一组水冷流道的立体结构示意图。

图6是双层树状冷却管路结构与传统冷却系统的温升对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图6所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：水冷壳体1、水冷流道2、主流道21、分支流道22、分叉流道23、连通流道24、进水支路25、进水口25a、出水支路26、出水口26a、丁胞结构3、前端盖4、后端盖5、电机定子6、电机转子7。

实施例1：

本实施例的水冷电机，包括前端盖4和后端盖5，前端盖4与后端盖5之间配装有冷却管路结构，冷却管路结构的内部安装有电机定子6和电机转子7。

本实施例的冷却管路结构为布置在水冷壳体1内的螺旋水道。螺旋水道只有一个呈螺旋状的水冷流道2，水冷流道2的两端具有进水口25a和出水口26a。在水冷流道2的壁上间隔设置有球形凸胞状的丁胞结构3。

由于水冷流道2的宽度是一致的，分布其上的丁胞结构3的宽度和厚度也是相同的，并且各个丁胞结构3等距排列。

实施例2：

本实施例的水冷电机，是在实施1的基础上，将冷却管路结构设计成直槽水道。直槽水道具有多个轴向布置的水冷流道2，相邻水冷流道2的两端通过周向布置的分支流道连通。分支流道连通将多个轴向布置的水冷流道2串联成一个直槽水道，并具有一个进水口25a和一个出水口26a。

在水冷流道2的壁上间隔设置有球形凸胞状的丁胞结构3。本实施例中的水冷流道2宽度也是一致的，分布其上的丁胞结构3的宽度和厚度也是相同的，并且各个丁胞结构3等距排列。

实施例3：

本实施例的水冷电机，是在实施1的基础上，对冷却管路结构作进一步改进。如图4和图5所示，本实施例中的水冷壳体1分成两个半圆壳体，每个半圆壳体内独立分布有一组双层树状的水冷流道2。

每层的水冷流道2包括绕水冷壳体1周向延伸的主流道21、从主流道21两侧分离并轴向延伸的分支流道22，从分支流道22分离并周向延伸的分叉流道23。内层分叉流道23的末端与外层分叉流道23的末端相连通。

两层分叉流道23的末端具有工字型将内外两层分叉流道23连通的连通流道24。连通流道24只连接每层水冷流道2的末端，保证冷却介质进行充分的热交换。

内层的主流道21具有带进水口25a的进水支路25，外层的主流道21具有带出水口26a的出水支路26。

进水支路25与主流道21的中部相连接。分支流道22与主流道21一起呈工字型布置。分叉流道23与分支流道22一起呈工字型布置。

本实施例中，主流道21分布在水冷壳体1的中心腰部，分支流道22以主流道21为中心对称布置，分叉流道23以分支流道22为中心对称布置。内层的进水支路25和外层的出水支路26相互平行间隔布置，并与主流道21的中部相连接。因此，整个水冷流道2都是对称设计，保证冷却介质在水冷流道2中具有均匀地流速，使水冷电机温度均匀，避免出现某处过热的现象，同时能进行充分的热交换，散热效果显著，保证了电机的正常运转。

丁胞结构3均匀间隔分布于内层水冷流道2的内侧表面和外层水冷流道2的外侧表面。

由于主流道21、分支流道22和分叉流道23的宽度依次减小，丁胞结构3的宽度与所处流道的宽度成比例，也是相应的依次减小。并且丁胞结构3的厚度小于流道的厚度。

进水支路25的进水口25a和出水支路26的出水口26a分布在水冷壳体1的两端。工作时，冷却水从内层的进水口25a进入内层的水冷流道2，经过主流道21、分支流道22和分叉流道23后，由连通流道24进入外层的水冷流道2，经过充分的热交换后，从外层水冷流道2的出水口26a流出。

本实施例中，每层的水冷流道2分为两个部分，一部分是沿着周向分布的主流道21，一部分是沿着轴向分布的分支流道22。用L_k表示流道的长度，其中，k为奇数表示的是轴向分布的分支流道22，k为偶数表示的是周向分布的主流道21。其中进水支路25的长度为L_in，出水支路26的长度为L_out，长度大小均为电机散热系统轴向长度的一半。

丁胞结构3在树状水冷流道2的依托下，覆盖满水冷流道2，丁胞结构3不仅增大了水冷流道2的换热面积，而且规律放置的丁胞结构3会让流体通过时产生涡流，破坏了流道边界层，增大了散热系数，增大了努塞尔数和湍动能。由于丁胞结构3的深度较小，只会影响到表面的流动，并不会产生较大的流阻，在牺牲了较小的流阻下散热能力大大增强。

本发明的双层树状冷却管路结构基于树状流道理论，外壳采用了铝质外壳，通过分体加工完成机壳的加工，通过合理装配完成电机的组装。采用室温下20℃的水分别从上下2个进水口25a进入水道，经过内层循环带走电机的热量后流体进入外层循环进入出水口26a，从而将热量带出，完成散热。

将本发明的双层树状冷却管路结构与传统无丁胞结构3的螺旋水冷系统和传统无丁胞结构3的直槽水冷系统进行散热对比。

采用对比的双层树状冷却管路结构，水冷流道2的高度为3mm，对流换热面积为195975mm³，双层树状冷却管路结构的散热单元个数为1个，入流口长度为106mm，水力直径为9.92mm。

同样在内径78mm、外径105mm、长度212mm的模型中设计用于对比的传统无丁胞结构3的螺旋形流道，其对流换热面积同双层树状冷却管路结构的对流换热面积一样。螺旋形流道的入口长17mm，宽7mm，水力直径为9.92mm；螺旋形流道高度7mm；螺旋形流道的螺距为25mm，7.2圏。

同样在内径78mm、外径105mm、长度212mm的模型中设计用于对比的传统无丁胞结构3的直槽流道，其对流换热面积同双层树状冷却管路结构相同，直槽流道入口长17mm，宽7mm，水力直径为9.92mm，共18个直槽。

用于对比的3种水冷方式采用相同的机壳尺寸，相同的水力半径，相同的散热面积。应用CFX对三种水路进行流体场仿真，进水口采用固定压强10KPa，模拟真实的同一水泵对三种水道进行供水。

对比结果如图6所示，其中曲线801是双层树状冷却管路结构，曲线802是无丁胞结构3的螺旋形流道，曲线803是无丁胞结构3的直槽流道。可以看出双层树状冷却管路结构相比其他两种散热方案有众多优点。

经过对比，外壳温度上双层树状冷却管路结构的温度最低，螺旋水路和直槽水路的温度接近。在流道速度和流道压力方面，双层树状冷却管路结构的分流使流体在多个流道内流通，大大减小了树状流道的压力，从而需求的泵输入功率最低。在相同的散热面积和入口速度下，直槽网络流道中水的流动距离和螺旋网络流道中水的流动距离是树状网络流道的水流动距离的两倍以上。流动距离越小，压降越小，为了达到需求的流速所需求的水泵功率越小。直槽水路和螺旋水路入口处温度最低，随着流道流动温度逐渐增加，导致出口处温度最高，双层树状冷却管路结构的温度分布较为均匀。因此，双层树状冷却管路结构在相同的散热条件下，比螺旋水道网络、直槽水道网络散热性更好，所需求的泵输入功率最低。

本实施例中的冷却介质优选为水，但也适用于其他流质形态的冷却介质。

本实施例中，两组半圆壳体内的双层水冷流道2同样呈对称布置，方便结构设计和加工。

本实施例的水冷流道2还可以简单变形，如在水冷壳体1内可以只布置一组的双层树状水冷流道2，每层的主流道21周向延伸至整个水冷壳体1，沿主流道21两侧分布有多个间隔布置的分支流道22和分叉流道23，分支流道22和分叉流道23均匀的布满整个水冷壳体1。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种水冷电机的冷却管路结构，包括水冷壳体(1)，其特征是：所述水冷壳体(1)的内部制有水冷流道(2)，所述水冷流道(2)的表面具有间隔设置的球形凸胞状的丁胞结构(3)。

2.根据权利要求1所述的冷却管路结构，其特征是：所述的丁胞结构(3)的宽度与所处流道的宽度成比例；丁胞结构(3)的厚度小于流道的厚度。

3.根据权利要求2所述的冷却管路结构，其特征是：所述的水冷壳体(1)具有双层的水冷流道(2)；每层的水冷流道(2)包括绕水冷壳体(1)周向延伸的主流道(21)、从主流道(21)两侧分离并轴向延伸的分支流道(22)，从分支流道(22)分离并周向延伸的分叉流道(23)；内层分叉流道(23)的末端与外层分叉流道(23)的末端相连通。

4.根据权利要求3所述的冷却管路结构，其特征是：所述两层分叉流道(23)的末端具有工字型将内外两层分叉流道(23)连通的连通流道(24)。

5.根据权利要求4所述的冷却管路结构，其特征是：所述内层的主流道(21)具有带进水口(25a)的进水支路(25)，所述外层的主流道(21)具有带出水口(26a)的出水支路(26)。

6.根据权利要求5所述的冷却管路结构，其特征是：所述的丁胞结构(3)均匀间隔分布于内层水冷流道(2)的内侧表面和外层水冷流道(2)的外侧表面。

7.根据权利要求6所述的冷却管路结构，其特征是：所述的水冷壳体(1)设有两组独立分布在半圆壳体内的双层的水冷流道(2)。

8.根据权利要求7所述的冷却管路结构，其特征是：所述的进水支路(25)与主流道(21)的中部相连接；所述的分支流道(22)与主流道(21)的两端呈工字型连接；所述的分叉流道(23)与分支流道(22)的两端呈工字型连接。

9.根据权利要求8所述的冷却管路结构，其特征是：所述进水支路(25)的进水口(25a)和出水支路(26)的出水口(26a)分布在水冷壳体(1)的两端。

10.一种水冷电机，包括前端盖(4)和后端盖(5)，其特征是：所述的前端盖(4)与后端盖(5)之间配装有权利要求1至9任一权利要求所述的冷却管路结构，所述冷却管路结构的内部安装有电机定子(6)和电机转子(7)。