CN112713678A - 一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于永磁牵引电机的全封闭水冷结构，解决电机在外形尺寸严格受限、转矩输出大时的散热难题。主体方案采用全叠片焊接结构的定子铁心，定子铁心由两端定子压圈、定子冲片、拉板组成；定子压圈及冲片的四角位置均设有冷却管路安装孔。冷却管路装配于相应定子铁心四角位置安装孔内，冷却管路串联焊接构成，通过特殊设计过桥管路将其置于电机内部，并实现电机内外交替过渡连接，达到冷却电机定子铁心及电机内部的作用。该冷却结构取消传统电机框架式机座结构，优化冷却水路占比和布置位置，利用了不额外增加电机外形尺寸的四角位置设置水道，在电机外形尺寸严格受限情况下，有效增大电枢直径，降低电机损耗，提高输出扭矩。

Description

一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构

技术领域

本发明涉及轨道交通领域直驱永磁牵引电机的冷却技术，具体为一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构。

背景技术

轨道车辆直接驱动技术相对传统的齿轮箱传动技术，具有传动效率高、传动结构简单、维护成本小等优势。该技术是将驱动电机直接与车辆车轴连接，牵引电机直接驱动车轮，减少了车轮与车轴之间的传动齿轮箱，精简了机车驱动结构，使车辆效率更高，重量更轻，噪声也得到了减小。因此，直驱式牵引电动机逐渐成为了轨道车辆领域的主流电机之一。然而，直驱式永磁电机受车辆安装方式、车底尺寸限界和运行特性的影响，使得电机外形尺寸严格受限，输出转矩要求非常大。为提高电机单位体积的出力，电机往往具有较大的电磁负荷。这种高转矩密度的设计会增大电机运行时单位体积的产热，使得电机绕组、磁钢和轴承等关键部位的温升升高，威胁电机的安全运行。为了降低电机各部件温升，一方面可以通过增大电枢直径来降低电机损耗；另一方面可以通过采用散热效果较好的水冷方式增加散热效率。然而，现有的水冷结构占用空间较大，致使无法满足类似工况电机散热需求。

现有技术方案1如图7所示，该技术方案的结构特点：

（1）电机冷却水路设置在机座中，机座采用焊接结构，一般由内筒体、外筒体以及内部筋板等构成。

（2）机座加工后与铁心线圈热套，接触配合为过盈配合，机座内腔需要精加工。

该水冷方式存在的劣势：

（1）机座结构复杂，且内腔需要精加工，工艺性较差，加工成本高、周期长。

（2）机座中设置有冷却水路，占用空间大，导致电机外形尺寸大，难以实现小型化，输出大转矩能力低。

（3）机座和定子冲片间存在间隙，传热效率明显下降，散热效果差。

（4）机座冷却通道距离定子绕组较远，冷却效果较差。

现有技术方案2冲片布管冷却技术方案如图8所示，该技术方案的结构特点：

（1）冷却管布置在定子冲片轭部，圆周均匀分布。

（2）定子冲片与机座热套配合，构成电机定子结构。

该冷却方式存在的劣势：

（1）冷却管路铁心轭部圆周布管，占用电机有效体积，导致电机外形尺寸增大。

（2）定子冲片外设置有机座，占用电机有效体积，输出大转矩能力低。

发明内容

本发明为解决目前电机在外形尺寸严格受限、转矩输出大时的散热存在困难的技术问题，提供一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，包括采用全叠片焊接结构的定子铁心；所述定子铁心由两端定子压圈、定子冲片及拉板组成；定子压圈及定子冲片的四角位置均设有冷却管路安装孔，冷却管路装配于相应定子铁心四角位置的冷却管路安装孔内，冷却管路在定子铁心外部相互串联焊接，通过设置在电机内部的过桥管路，实现冷却管路在电机内外交替式过渡连接。

本发明所述冷却结构通过取消传统电机框架式机座结构，优化冷却水路占比和布置位置，利用了不额外增加电机外形尺寸的四角位置设置水道，且过桥管路设置在不增加电机径向尺寸的电机内部，相对于带框架式机座电机而言，可将框架式机座占用的空间用于增大全叠片结构电机的电枢直径，提高转矩密度或减小电磁负荷和热负荷。同时全叠片结构定子铁心直接暴露在外部环境中，也取消了框架式机座和定子铁心因热套装配存在的间隙，以上措施均有效提高电机散热效率，实现了在电机外形尺寸严格受限情况下，有效增大电枢直径，降低电机损耗，提高输出扭矩。

过桥管路设置在电机内部，是指过桥管路整体位于电机内腔，并与位于电机外部的冷却管路实现过渡连接，这样能够使冷却介质在电机内外交替流过，实现对电机内外腔的交替冷却。

进一步的，定子冲片四角为圆弧过渡，形成八方形定子冲片，圆弧处靠外圆处设置冷却管路安装孔；对应每个冷却管路安装孔外侧开有开口窄槽。

本发明充分利用对车底安装尺寸限制较小的四角空间布置冷却水路，将冷却管路安装在铁心四角的安装孔中，占用空间小。将其节省空间用于增加电机的电枢直径，进一步提高转矩密度或减小电磁负荷和热负荷。冷却管路直接冷却定子铁心，且距离定子绕组较近，使散热效果更好。开口窄槽可以抑制冷却管感应电压，提高可靠性。

进一步的，定子铁心四角布置4组冷却管路，每组冷却管路由U型管、直管及接头串联焊接构成；4组冷却管路通过位于定子铁心一侧的3个过桥管路将相邻组间冷却管路串联连接，每个过桥管路通过该侧定子压圈上的2个径向腰型孔实现冷却管路从电机外部到电机内部，然后在电机内部沿圆周绕行，再由电机内部到电机外部，最后与邻近组冷却管路连接过渡；连接后的冷却管路首尾设置进、出水口接头，最终形成完整水路。

该水路有效利用不影响电机外形尺寸的四角空间布置冷却结构，同时创新设计过桥管路实现在电机内外交替布置水路，解决此结构串联水路在电机水平和垂直方向外部无空间进行过渡连接的问题。整体水路占用空间小，冷却管路交替冷却定子铁心和电机内部，具有高效冷却效果。

进一步的，定子铁心中管路通过挤压涨紧与铁心完全贴合，使冷却管路可靠固定于定子铁心上，提高散热效率和可靠性。

进一步的，位于定子铁心一侧的定子压圈圆周设置3组径向腰形孔，每组各2个，每组配一个过桥管路，每个过桥管路从两个腰形孔中穿过，管路焊接装配后用密封剂对腰型孔进行密封，可防止粉尘、水汽进入电机，达到电机全密封作用。

进一步的，位于定子铁心一侧的定子压圈圆周焊接3处扇形支撑板，分别对3个过桥管路进行固定，进、出水口接头使用带半圆孔压板进行固定；防止管路振动，提高管路可靠性。管道首尾分别位于一个侧面拉板的上下侧，该侧面拉板所在侧面对应定子压圈未设扇形支撑板和过桥管路的一边。

进一步的，用导热密封剂将定子线圈端部与过桥管路灌封为一体，可提高线圈端部散热效果，也可固定管路，提高可靠性。

本发明有益效果：本发明为空间受限情况下大扭矩输出牵引电动机提供了一种内外交替冷却的全封闭水冷结构，尤其适用于轨道车辆直接驱动式牵引电机。

电机采用占用体积小的全叠片焊接铁心，取消传统框架式机座结构，具有工艺性好，加工成本低、周期短的优点。冷却管路布置在不影响外形尺寸的四角位置，过桥管路设置在电机内部，不占用电机外部空间，这些措施使得电机在受限的空间下，有效的增大了电枢直径，从而提高转矩，并降低电机损耗，减小电机散热压力。

冷却管路与定子冲片紧密贴合，过桥管路设置在机座内部并与线圈端部灌封，可以直接交替冷却定子冲片及机座内腔中线圈端部，提高散热效果。对过桥管路穿过的腰形孔进行密封，过桥管路及进、出水口接头进行固定，保证了电机的密封性，并提高冷却系统的可靠性。

附图说明

图1 定子铁心横截面示意图。

图2定子铁心横截面局部放大示意图。

图3冷却管路端部连接示意图。

图4冷却管路和线圈端部灌封示意图。

图5水路结构整体布局示意图。

图6成型的过桥管路结构示意图。

图7现有电机机座水冷技术方案示意图。

图8现有定子冲片布管冷却技术方案示意图。

图中：1-冷却管，2-冷却管路安装孔，3-定子冲片，4-开口窄槽，5-拉板，6-进水口接头，7-出水口接头，8-带半圆孔压板，9-定子压圈一，10-扇形支撑板，11-过桥管路，12-定子压圈二，13-径向腰型孔，14-玻璃丝管，15-导热密封胶，16-直管，17-U型管，18-进水口，19-机壳，20-冷却水道，21-出水口，22-铁心，23-冷却管，24-机座。

具体实施方式

针对轨道交通领域，本发明提供一种结构紧凑、全封闭、高扭矩要求牵引电机水冷结构。该结构采用全叠片铁心，铁心四角位置布局冷却管路，冷却管路同时冷却定子冲片和定子内腔中绕组端部。其结构外形图和相关部位视图如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示：

1）本发明采用全叠片焊接铁心结构，由两端定子压圈、定子冲片和四个拉板焊接构成铁心（见图5），充分利用无框架式机座的结构优势。定子冲片采用八方形冲片，冷却管路布置在不影响电机外形尺寸的四角位置（见图1、图2），占用空间小。

2）本发明电机铁心四角设置4组冷却管路，成型过桥管路（见图6）进行连接形成水路，对定子铁心和电机内腔进行交替冷却，过桥管路设置在电机内部（见图3），过桥管路两端穿过定子压圈上的腰型孔穿出电机，并与位于电机外部的直管相连接，进而连通各个冷却管路。

3）本发明冷却管路由U型管、直管、成型过桥管路、接头焊接构成，处在定子铁心中的管路通过挤压与铁心紧密贴合（见图5）。每组冷却管路由四个直管和三个U型管组成，相邻组冷却管路通过过桥管路连接（除了整个冷却管路的首尾端），每组冷却管路中的U型管在定子压圈安装孔外侧连接该组中相邻的两个直管。

4）本发明定子压圈（具体为定子压圈一）圆周方向设置径向腰形孔，成型过桥管路从中穿过，之后用密封胶将孔密封，保证机座的密封性。

5）定子压圈（具体为定子压圈一）圆周焊接3处扇形支撑板，对过桥管路进行固定，进、出水口接头使用带半圆孔压板进行固定（见图3），提高管路可靠性。用导热密封剂将定子线圈端部与过桥管路灌封为一体（见图4），提高线圈端部散热效果。

6）所述过桥管路由中部圆弧段以及连接在中部圆弧段两端的近L型连接管组成；近L型连接管穿过径向腰型孔与冷却管路的直管相连接，连接处及弯折处均圆弧过渡（见图6）。

具体实施过程

根据图1~图6所示，定子铁心由两端定子压圈、定子冲片和四个拉板焊接构成，U型管、直管、成型过桥管路、接头预制成型，直管布置在定子冲片四角孔中，并用特殊工装进行挤压，使得管路与铁心紧密贴合，用焊接方式将其余管路与铁心中管路串联。将过桥管路固定在扇形支撑板上，并将其与线圈端部进行灌封。管路进、出水口用带半圆孔压板进行固定。

本发明的技术关键点：

全封闭高效水冷电机整体结构设计；

内外交替式冷却管路设计及冷却管路安装固定方式；

具有冷却管路安装孔的八方形定子冲片设计；

可实现电机内外水路连接的过桥管路设计。

本发明通过以上关键点的设计，可满足牵引电机在狭小安装空间和较大输出转矩工况的高效冷却要求。充分挖掘利用电机空间尺寸，合理设计电机四角水路结构，增大电枢直径，提高输出转矩，降低电机损耗。同时采用全叠片焊接铁心、冷却管路挤压与定子铁心紧密贴合、冷却管路直接交替冷却定子铁心和线圈端部、冷却管路与线圈端部整体灌封等方式综合提高冷却系统散热效率，最终形成空间紧凑、结构新颖可靠、冷却效率高的全封闭水冷电机结构。

本发明的保护点：

1）一种内外交替式冷却全封闭电机水冷结构，包括全叠片焊接铁心、冷却管路、定子冲片、定子压圈等部件，可满足狭小安装空间和较大输出转矩工况下电机的高效冷却散热要求；

2）一种内外交替式冷却管路结构；

3）具有冷却管路安装孔的八方形定子冲片结构；

4）可抑制冷却管路感应电压的安装孔外侧开窄槽设计；

5）冷却管路挤压涨紧技术，与定子铁心紧密贴合；

6）可实现电机内外水路连接的过桥管路设计。

Claims (10)

1.一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，包括采用全叠片焊接结构的定子铁心；所述定子铁心由两端定子压圈、定子冲片及拉板组成；定子压圈及定子冲片的四角位置均设有冷却管路安装孔，冷却管路装配于相应定子铁心四角位置的冷却管路安装孔内，冷却管路在定子铁心外部相互串联焊接，通过设置在电机内部的过桥管路，实现冷却管路在电机内外交替式过渡连接。

2.如权利要求1所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，定子冲片四角为圆弧过渡，形成八方形定子冲片，圆弧处靠外圆处设置冷却管路安装孔；对应每个冷却管路安装孔外侧开有开口窄槽。

3.如权利要求2所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，定子铁心四角布置4组冷却管路，每组冷却管路由U型管、直管及接头串联焊接构成；4组冷却管路通过位于定子铁心一侧的3个过桥管路将相邻组间冷却管路串联连接，每个过桥管路通过该侧定子压圈上的2个径向腰型孔实现冷却管路从电机外部到电机内部，然后在电机内部沿圆周绕行，再由电机内部到电机外部，最后与邻近组冷却管路连接过渡；连接后的冷却管路首尾设置进、出水口接头，最终形成完整水路。

4.如权利要求3所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，位于定子铁心一侧的定子压圈圆周设置3组径向腰形孔，每组各2个，每组配一个过桥管路，每个过桥管路从两个腰形孔中穿过，管路焊接装配后用密封剂对腰型孔进行密封。

5.如权利要求4所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，位于定子铁心一侧的定子压圈圆周焊接3处扇形支撑板，分别对3个过桥管路进行固定；进、出水口接头使用带半圆孔压板进行固定；连接后的冷却管路首尾分别位于一个侧面拉板的上下侧，该侧面拉板所在侧面对应定子压圈未设扇形支撑板和过桥管路的一边。

6.如权利要求1~5任一项所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，所述过桥管路由中部圆弧段以及连接在中部圆弧段两端的近L型连接管组成；近L型连接管穿过径向腰型孔与冷却管路的直管相连接，连接处及弯折处均圆弧过渡。

7.如权利要求1~5任一项所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，定子铁心中冷却管路通过挤压涨紧与定子铁心完全贴合。

8.如权利要求6所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，定子铁心中冷却管路通过挤压涨紧与铁心完全贴合。

9.如权利要求1~5任一项所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，用导热密封剂将定子线圈端部与过桥管路灌封为一体。

10.如权利要求6所述的一种应用于永磁牵引电机的内外交替式全封闭水冷结构，其特征在于，用导热密封剂将定子线圈端部与过桥管路灌封为一体。

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