CN107623390A - 一种具有冷却管道的电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有冷却管道的电机，所述电机为全封闭强迫风冷牵引电机，其包括：电机进口、电机出口以及定子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通，并且所述定子冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。本发明还适用于其他多种电机。通过在冷却管道内设置湍流块，加强了对冷却介质的扰动，加剧了流体的不规则变化，增强流体微团在冷却管道内各个方向的脉动，导致流体湍流程度加强，使冷却管道侧的对流换热系数增大，换热率增强。同时，可有效控制电机重量，利于轻量化设计。

Description

一种具有冷却管道的电机

技术领域

本发明涉及一种冷却结构，特别涉及一种具有冷却管道的电机。

背景技术

随着我国工业产业规模化步伐加快，以及人们对能源和环境的日益重视，驱动电机的单机容量日益提高，电机向小型化、轻量化和高功率密度的方向发展。但是，电机单机容量增大，其发热也会更加严重，成为限值电机容量增长的障碍。

电机运行时会产生损耗，损耗转变成热能并经电机冷却系统带走，同时使电机各部件温度提高。电机发热过大导致温升升高，将直接影响电机所用绝缘系统的寿命，关系到电机的使用寿命与安全运行。因此为了降低电机温升，一方面要合理减少电机损耗，一方面要改善冷却条件，使能量能有效尽快地散发出去。若要提高电机单机容量和材料利用率，主要依靠冷却技术的发展。冷却技术的改进，可以有效降低电机温升和材料损耗，减少热变形和振动磨损，提高绝缘与电机使用寿命。

电机的冷却方式，可分为自然冷却与强迫冷却。自然冷却方式的电机，主要利用电机周围环境的空气密度随温度变化而产生的流体循环过程带走电机的热量，因此没有专门的电机冷却系统。而对于强迫冷却的电机，或是自身带有旋转风扇，或是外部具有风机、水泵、油泵或其他能够带来压差作用的设备，冷却介质(气体、液体等)通过进口进入电机腔体，对电机内部进行冷却后，再由出口流出。具有强迫冷却方式的电机，电机内部具有循环回路，电机定子、转子或机壳上设置有冷却管道，作为冷却介质流通的路径。冷却管道根据电机具体机械结构和冷却方式，一般为圆孔、矩形孔和腰形孔。然而现有的冷却管道较为单一，为了提供冷却系统散热能力，一般也仅仅通过改变冷却管道的个数以增加散热面积，但这会增加电机的重量，不利于轻量化设计。

鉴于此，为了解决目前冷却管道较为单一的缺陷，本发明的发明人在保证轻量化设计的基础上设计出一种能够有效提升散热能力的具有特殊冷却管道的电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有冷却管道的电机，其不仅能够加强电机散热能力，并且还考虑到电机轻量化设计，电机和冷却管道可灵活配合使用。

为达上述目的，本发明提供一种一种具有冷却管道的电机，其中，所述电机为全封闭强迫风冷牵引电机，其包括：电机进口、电机出口以及定子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通，并且所述定子冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。

本发明还提供一种具有冷却管道的电机，其中，所述电机为全开启强迫风冷异步牵引电机，其包括：电机进口、电机出口、定子以及转子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通；所述转子内设置有转子冷却管道，所述转子冷却管道也分别与所述电机进口、电机出口连通；所述定子冷却管道和转子冷却管道的内壁上均设置有多个湍流块。

所述的具有冷却管道的电机，其中，所述定子冷却管道和转子冷却管道均采用圆形截面的冷却管道，定子冷却管道内的湍流块仅布置在靠近转子的一侧，转子冷却管道内的湍流块布置在管道的上下两侧。

本发明还提供一种具有冷却管道的电机，其中，所述电机为轴向液冷牵引电机，其包括机座、电机进口、电机出口、定子以及转子，所述机座内设置有轴向液冷管道，所述电机进口和电机出口均设置在轴线液冷管道的一侧，并且所述轴线液冷管道分别与所述电机进口、电机出口连通，所述轴线液冷管道的内壁上设置有多个湍流块。

所述的具有冷却管道的电机，其中，所述轴向液冷管道的径向截面为腰形孔，所述电机进口和电机出口并列但彼此不连通地设置在轴向液冷管道的一侧上方；所述湍流块设置在所述轴向液冷管道内的上下两侧。

本发明还提供一种具有冷却管道的电机，其中，所述电机为液冷牵引电机，其包括机座、电机进口、电机出口、定子以及转子，所述机座内设置有螺旋式冷却管道，所述电机进口和电机出口分别设置在螺旋式冷却管道的两侧，并且所述螺旋式冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通，所述螺旋式冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。

所述的具有冷却管道的电机，其中，所述螺旋式冷却管道的径向截面为矩形孔，所述湍流块布置在螺旋式冷却管道内的上下两侧。

本发明还提供一种具有冷却管道的电机，其中，所述电机为带风扇的牵引电机，其包括电机进口、电机出口、定子以及转子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通；所述转子内设置有转子冷却管道，所述转子冷却管道也分别与所述电机进口、电机出口连通，所述定子冷却管道和转子冷却管道内均布置有湍流块。

所述的具有冷却管道的电机，其中，所述定子冷却管道和转子冷却管道均采用圆形截面的冷却管道。

所述的具有冷却管道的电机，其中，所述湍流块的高度不超过管道高度的1/2。

本发明的有益效果是：通过在冷却管道内设置湍流块，加强了对冷却介质的扰动，加剧了流体的不规则变化，增强流体微团在冷却管道内各个方向的脉动，使得冷却介质各部分之间发生更为剧烈的混合，导致流体湍流程度加强，使冷却管道侧的对流换热系数增大，换热率增强。当其他条件相同时，通过湍流块对冷却介质的扰动，可有效加强电机冷却结构的散热能力并有效降低电机温升。同时，由于只是在管道内局部设置适当的湍流块，而非整条散热筋，从而可有效控制电机重量，利于轻量化设计。另外，该发明涉及的冷却管道结构设计简单，能够满足现有的工艺制造水平，适用于多种电机。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1A为根据本发明的冷却管道的径向截面为圆形的结构示意图；

图1B为根据本发明的冷却管道的径向截面为矩形的结构示意图；

图1C为根据本发明的冷却管道的径向截面为腰形(长圆形)的结构示意图；

图2A为根据本发明的冷却管道中的湍流块的径向截面为子弹头形的结构示意图；

图2B为根据本发明的冷却管道中的湍流块的径向截面为矩形的结构示意图；

图2C为根据本发明的冷却管道中的湍流块的径向截面为梯形的结构示意图；

图3A为根据本发明的冷却管道中上下双边布置的湍流块的径向截面结构示意图；

图3B为根据本发明的冷却管道中下单边布置的湍流块的径向截面结构示意图；

图3C为根据本发明的冷却管道中上单边布置的湍流块的径向截面结构示意图；

图3D为根据本发明的冷却管道中左右双边布置的湍流块的径向截面结构示意图；

图4A为根据本发明的冷却管道中间隔布置的湍流块的轴向截面结构示意图；

图4B为根据本发明的冷却管道中并行布置的湍流块的轴向截面结构示意图；

图5为根据本发明的一种具有冷却管道的全封闭强迫风冷牵引电机的轴向截面结构示意图；

图6为根据本发明的一种具有冷却管道的全封闭强迫风冷牵引电机的径向截面结构示意图；

图7为根据本发明的一种具有冷却管道的全开启强迫风冷异步牵引电机的轴向截面结构示意图；

图8为根据本发明的一种具有冷却管道的轴向液冷牵引电机的轴向截面结构示意图；

图9为根据本发明的一种具有螺旋式冷却管道的液冷牵引电机的轴向截面结构示意图；

图10为根据本发明的一种具有冷却管道的带风扇的牵引电机的轴向截面结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的设计原理基于牛顿冷却公式：

Φ＝hAΔT

式中，Φ——电机产生的损耗，单位为W；

h——对流换热表面传热系数，单位为W/m²·K；

A——换热面积，单位为m²；

ΔT——换热面上的平均温差。

对于电机来说，其内部热流量Φ不变，若要减小温差，即降低电机温升，则需要增大换热面上的对流换热系数h或增加散热面积A。散热面积的增加，会增加电机的重量，不利于电机轻量化设计和功率密度的提高，因而可通过增强对流换热系数的方式，加强电机冷却系统的散热能力，从而有效降低电机温升。影响对流换热的因素主要包括流体流动的起因、流体有无相变、流体的流动状态和换热表面的几何因素。通过对冷却管道的几何形状和几何布置进行设计，通过增强湍流换热，有效增强冷却系统的散热能力。

首先如图1A、图1B和图1C所示，冷却管道根据其径向截面形状可以为圆形截面冷却管道1(图1A)、矩形截面冷却管道2(图1B)或腰形(长圆形)截面冷却管道3(图1C)。在冷却管道的内壁上设置有多个湍流块，湍流块能够增强冷却管道内流体的扰动，增大对流换热系数。

此外，冷却管道还可以设计成三角形截面冷却管道，梯形截面冷却管道，正方形截面冷却管道等。但是，冷却管道的截面形状并不仅仅限于上述所述，而是可根据电机结构形式、实际工艺和强度需求，对上述形状做出许多可能的变动或修饰，或修改为等同变化的等效实施例。

再如图2A、图2B和图2C所示，湍流块根据其径向截面形状可以为子弹头形湍流块4(图2A)、矩形湍流块5(图2B)或梯形湍流块6(图2C)。湍流块还可设计成三角形、正方形、宝塔形等。但是，湍流块的截面形状并不仅仅限于上述所述，而是可根据实际工艺和强度需求，对上述形状做出许多可能的变动或修饰，或修改为等同变化的等效实施例。

湍流块(4、5、6)在冷却管道(1、2、3)内的布置方式，包括湍流块的位置与列数，根据工艺和结构强度要求，具有多种方式。如图3A、图3B、图3C和图3D所示，在管道径向方向，根据冷却管道(1、2、3)的截面形状，如果冷却管道为矩形或腰形，那么湍流块(4、5、6)可布置为上下双边、左右双边或单边，如果冷却管道为圆形，那么湍流块(4、5、6)则在圆周方向上布置。此外，在冷却管道(1、2、3)的径向截面方向，湍流块(4、5、6)可布置为至少1列，例如2列、3列、4列、5列、6列、7列等，具体列数和湍流块(4、5、6)间距根据冷却管道(1、2、3)径向截面尺寸具体确定。湍流块(4、5、6)高度，不超过冷却管道(1、2、3)高度的1/2，以确保冷却介质能够顺利通过冷却管道。

再如图4A和图4B所示，在冷却管道(1、2、3)轴向方向，湍流块(4、5、6)可布置为至少3列，例如4列、5列、6列、……、20列、21列等，湍流块(4、5、6)的具体列数与间距，可根据冷却管道(1、2、3)轴向截面尺寸具体确定。若在冷却管道(1、2、3)径向截面的上半部分与下半部分均布置有湍流块(1、2、3)，那么在管道轴向方向，湍流块(4、5、6)可以并行分布，也可以间隔分布，其中，间隔分布的冷却效果更强，而并行分布更容易加工，可根据实际需要进行。湍流块(4、5、6)的轴向厚度，设计为3mm～10mm。此外，在冷却管道(1、2、3)的轴向方向，湍流块(4、5、6)距冷却管道两侧端面7的距离不小于冷却管道在轴向方向长度尺寸的1/5，如此设置的原因是：湍流块的设置主要是为了增强管道内流体的扰动，设置在两端端部，效果不大，而且可能在进口端产生涡流，影响管道内的流量。

湍流块(4、5、6)可通过一体冲模、一体铸造、加工或焊接的方式生产制造。

通过在冷却管道(1、2、3)中设置湍流块(4、5、6)，当冷却介质流经设置在管道空间各点的湍流块(4、5、6)时，对冷却介质的扰动加强，加剧流体的不规则变化，增强流体微团在冷却管道(4、5、6)内各个方向的脉动，使得冷却介质各部分之间发生更为剧烈的混合，导致流体湍流程度加强，使冷却管道(4、5、6)侧的对流换热系数h增大，热阻下降，换热率增强。当其他条件相同时，通过湍流块(4、5、6)对冷却介质的扰动，可有效降低电机温升。

再如见图5和图6，分别为具有冷却管道的全封闭强迫风冷牵引电机的轴向截面结构示意图和径向截面结构示意图。电机采用全封闭无机壳结构，其包括电机进口8、电机出口11以及定子10，所述定子10内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道9，所述定子冷却管道9分别与所述电机进口8、电机出口11连通。所述定子冷却管道9内设置有湍流块4。优选地，定子冷却管道9的高度为18mm，湍流块4高度为5mm，轴向厚度为4mm。此外，优选地，在冷却管道9径向方向，对于管道下侧，布置有3列湍流块4，湍流块4的间距为6mm；对于管道上侧，布置有2列湍流块4，间距为6mm；上侧与下侧湍流块4在径向方向呈间隔布置。在轴向方向上，上侧湍流块4与下侧湍流块4均设置为7列，湍流块4间距均设置为20mm。

冷却空气从电机进口8进入电机内后，流经设置在定子10上的定子冷却管道9，再经电机出口11流出。上侧湍流块4与下侧湍流块4呈间隔布置，可以进一步加强冷却介质的湍流程度，从而大大增强定子冷却管道9的对流换热系数h。在冷却管道内设置湍流块后，电机冷却结构的散热能力，相较不带湍流块时的冷却管道散热能力大为提高，由仿真数据来看，电机绕组平均温升降低了约32K。

如图7所示，其为根据本发明的一种具有冷却管道的全开启强迫风冷异步牵引电机的轴向截面结构示意图。电机采用全开启结构，其包括电机进口8、电机出口11、定子10以及转子12。所述定子10内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道9，所述定子冷却管道9分别与所述电机进口8、电机出口11连通。并且所述转子12内设置有转子冷却管道13，所述转子冷却管道13也分别与所述电机进口8、电机出口11连通。所述定子冷却管道9和转子冷却管道13均可采用圆形截面的冷却管道，并且定子冷却管道9和转子冷却管道13内均布置有湍流块4。由于转子12上的转子冷却管道13的散热面积远小于定子10上的定子冷却管道9的散热面积，则定子冷却管道9内的湍流块4可仅仅布置在管道下侧(靠近转子12的一侧)，转子冷却管道13内的湍流块4可布置在管道的上下两侧。定子冷却管道9内的湍流块4可在径向截面方向布置2列，互相呈90°角布置；在轴向方向布置7列，间距为30mm。转子冷却管道13内的湍流块4在径向截面方向沿圆周方向布置3列，以圆孔中心线为界，其中2列位于下半部分，并且互相呈90°角布置，另外一列位于上半部分，布置在圆孔中心线上，即上侧1列湍流块4位于下侧两列湍流块4之间；在轴向方向，上侧湍流块4沿轴向方向设置为6列，下侧湍流块4沿轴向方向设置为7列，各湍流块4之间的间距均为30mm，且上侧与下侧呈间隔布置。需要说明的是，在全开启强迫风冷异步牵引电机中，定子冷却管道9和转子冷却管道13的截面形状并不限于圆形。

如图8所示，其为根据本发明的一种具有冷却管道的轴向液冷牵引电机的轴向截面结构示意图。该电机冷却系统采用液冷，其包括机座15、电机进口8、电机出口11、定子10以及转子12。其中，所述机座15内设置有冷却管道，在本实施例中冷却管道为轴向液冷管道14，所述电机进口8和电机出口11均设置在轴线液冷管道14的一侧，并且所述轴线液冷管道14分别与所述电机进口8、电机出口11连通。所述轴向液冷管道14的径向截面可为腰形孔，因此电机进口8、电机出口11可并列但彼此不连通地设置在轴向液冷管道14的一侧上方，这样一来冷却介质经电机进口8进入后，流经轴向液冷管道14后由电机出口11流出。管道内的湍流块4布置在轴向液冷管道14内的上侧和下侧。在径向方向上，上侧湍流块可布置为2列，间距为10mm，下侧湍流块可布置为3列，间距为10mm，上侧与下侧湍流块4可呈间隔布置；在轴向方向，上侧和下侧湍流块4均可布置为9列，之间的间距均设置为25mm，并且上侧和下侧湍流块4均可呈间隔布置。需要说明的是，在轴向液冷牵引电机中，轴线液冷管道14的截面形状并不限于腰形。

如图9所示，其为根据本发明的一种具有螺旋式冷却管道的液冷牵引电机的轴向截面结构示意图。该电机冷却系统采用液冷，其包括机座15、电机进口8、电机出口11、定子10以及转子12。其中，所述机座15内设置有冷却管道，在本实施例中冷却管道为螺旋式冷却管道16，所述电机进口8和电机出口11分别设置在螺旋式冷却管道16的两侧，并且所述螺旋式冷却管道16分别与所述电机进口8、电机出口11连通，冷却介质经电机进口8进入后，经过螺旋式冷却管道16后由电机出口11流出。所述螺旋式冷却管道16的径向截面可为矩形孔。湍流块4布置在螺旋式冷却管道16内的上侧和下侧，在矩形截面上，上侧可布置1列湍流块4，下侧可布置2列湍流块4，间距为10mm；沿径向的螺旋管道内，上侧与下侧湍流块4均布置为16列，上侧和下侧湍流块4间距均设置为45mm，且上侧与下侧湍流块4呈间隔布置。此外，湍流块4也可布置在矩形截面的左右两侧，并沿径向的螺旋管道间隔布置。需要说明的是，在液冷牵引电机中，螺旋式冷却管道16的截面形状并不限于矩形。

如图10所示，其为根据本发明的一种具有冷却管道的带风扇的牵引电机的轴向截面结构示意图。该电机带有安装在转轴上的风扇17，其还包括电机进口8、电机出口11、定子10以及转子12。所述定子10内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道9，所述定子冷却管道9分别与所述电机进口8、电机出口11连通。并且所述转子12内设置有转子冷却管道13，所述转子冷却管道13也分别与所述电机进口8、电机出口11连通。当电机旋转时，安装在转轴上的风扇17转动，将电机外部冷却空气从电机进口8吸入，冷却介质进入电机腔体，并经定子10和转子12上的定子冷却管道9和转子冷却管道13后经电机出口11流出。所述定子冷却管道9和转子冷却管道13均可采用圆形截面的冷却管道，并且定子冷却管道9和转子冷却管道13内均布置有湍流块4。定子冷却管道9内的湍流块4，在径向截面方向，湍流块4可沿圆周方向布置3列，以圆孔中心线为界，其中2列位于下半部分，间距为120°，另外一列位于上半部分，布置在圆孔中心线上，即上侧1列湍流块4位于下侧两列湍流块4之间；在轴向方向，上侧和下侧湍流块4沿轴向方向均设置为7列，各湍流块4之间的间距均为40mm，且上侧与下侧并行布置。转子冷却管道13内的湍流块4，在径向截面方向，湍流块4可沿圆周方向布置3列，以圆孔中心线为界，其中2列位于下半部分，间距为120°，另外一列位于上半部分，布置在圆孔中心线上，即上侧1列湍流块4位于下侧两列湍流块4之间；在轴向方向，上侧与下侧湍流块4沿轴向方向均设置为7列，各湍流块4之间的间距均为40mm，且上侧与下侧并行布置。需要说明的是，在带风扇的牵引电机中，定子冷却管道9和转子冷却管道13的截面形状并不限于圆形。

以上所述电机冷却结构管道设计方法与结构，仅是较佳实施例而已，并非对本发明方法作任何形式上的限制，并且可以将具有湍流块的冷却管道设置在各种需要冷却的电机中。

综上所述，本发明具有以下优点：

通过在冷却管道内设置湍流块，加强了对冷却介质的扰动，加剧了流体的不规则变化，增强流体微团在冷却管道内各个方向的脉动，使得冷却介质各部分之间发生更为剧烈的混合，导致流体湍流程度加强，使冷却管道侧的对流换热系数增大，换热率增强。当其他条件相同时，通过湍流块对冷却介质的扰动，可有效加强电机冷却结构的散热能力并有效降低电机温升。同时，由于只是在管道内局部设置适当的湍流块，而非整条散热筋，从而可有效控制电机重量，利于轻量化设计。另外，该发明涉及的冷却管道结构设计简单，能够满足现有的工艺制造水平，适用于多种电机。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。

2.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述电机为全封闭强迫风冷牵引电机，其包括：电机进口、电机出口以及定子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通，并且所述定子冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。

3.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述电机为全开启强迫风冷异步牵引电机，其包括：电机进口、电机出口、定子以及转子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通；所述转子内设置有转子冷却管道，所述转子冷却管道也分别与所述电机进口、电机出口连通；所述定子冷却管道和转子冷却管道的内壁上均设置有多个湍流块。

4.根据权利要求3所述的具有冷却管道的电机，其特征在于，所述定子冷却管道和转子冷却管道均采用圆形截面的冷却管道，定子冷却管道内的湍流块仅布置在靠近转子的一侧，转子冷却管道内的湍流块布置在管道的上下两侧。

5.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述电机为轴向液冷牵引电机，其包括机座、电机进口、电机出口、定子以及转子，所述机座内设置有轴向液冷管道，所述电机进口和电机出口均设置在轴线液冷管道的一侧，并且所述轴线液冷管道分别与所述电机进口、电机出口连通，所述轴线液冷管道的内壁上设置有多个湍流块。

6.根据权利要求5所述的具有冷却管道的电机，其特征在于，所述轴向液冷管道的径向截面为腰形孔，所述电机进口和电机出口并列但彼此不连通地设置在轴向液冷管道的一侧上方；所述湍流块设置在所述轴向液冷管道内的上下两侧。

7.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述电机为液冷牵引电机，其包括机座、电机进口、电机出口、定子以及转子，所述机座内设置有螺旋式冷却管道，所述电机进口和电机出口分别设置在螺旋式冷却管道的两侧，并且所述螺旋式冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通，所述螺旋式冷却管道的内壁上设置有多个湍流块。

8.根据权利要求7所述的具有冷却管道的电机，其特征在于，所述螺旋式冷却管道的径向截面为矩形孔，所述湍流块布置在螺旋式冷却管道内的上下两侧。

9.一种具有冷却管道的电机，其特征在于，所述电机为带风扇的牵引电机，其包括电机进口、电机出口、定子以及转子，所述定子内沿圆周方向设置有多个定子冷却管道，所述定子冷却管道分别与所述电机进口、电机出口连通；所述转子内设置有转子冷却管道，所述转子冷却管道也分别与所述电机进口、电机出口连通，所述定子冷却管道和转子冷却管道内均布置有湍流块。

10.根据权利要求9所述的具有冷却管道的电机，其特征在于，所述定子冷却管道和转子冷却管道均采用圆形截面的冷却管道。