CN112713690B - 轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，涉及永磁同步电动机的冷却领域。该同步电动机包括前轴承、前端盖组件、定子组件、转子组件、后端盖组件、后轴承及电机转轴，其中设置了五个散热模块；前后端盖组件均包括端盖及环形吸热盘，环形吸热盘由内吸热结构和外散热结构构成；定子组件包括机座、前弧形吸热盘、高导热系数密封胶、定子线圈、定子铁心及后弧形吸热盘；机座上有矩形散热孔以及环形散热翅，前后弧形吸热盘均包括内吸热结构和外散热结构。本发明冷却散热能力优良，防护等级高，实施方便，结构可靠，能减小轨道车辆用自热冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机体积，同时还可以减轻重量。

Description

轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及永磁同步电动机的冷却领域，具体为一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机。

背景技术

全封闭永磁同步电动机冷却方式主要有机壳水冷、强迫通风冷却、自通风冷却、自然冷却等四种冷却方式。机壳水冷、强迫通风冷却均需要外部提供冷却水或者冷却空气，需要额外配置供水系统或者通风系统。自通风冷却需要电机自带同轴风扇，依靠转子自身高速旋转驱动冷却空气冷却电机表面。全封闭永磁同步电动机的运行工况为低转速大扭矩，其散热能力有限，散热效率低，电机重量大，且容易导致温升高。所以在安装空间限制无法配备供水系统或者通风系统的地方，出于轨道车辆用安全性和可靠性的要求，需要改进现有的全封闭永磁同步电动机的结构以实现其自身高效冷却的功能。

发明内容

本发明为了解决全封闭永磁同步电动机散热能力有限，散热效率低，电机重量大，且容易导致温升高的问题，提供了一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，包括前轴承、前端盖组件、定子组件、转子组件、后端盖组件、后轴承及电机转轴，所述前轴承和后轴承分别安装于电机转轴的前后端，两个轴承上均安装有各自对应的轴承座。所述前端盖组件包括前端盖及前环形吸热盘，所述前环形吸热盘为第一散热模块，所述前环形吸热盘为可更换结构、且包括内吸热结构和外散热结构；所述前端盖与前轴承的轴承座连接；所述前端盖上设置有轴向扇形孔。所述定子组件包括机座、前弧形吸热盘、定子线圈、定子铁心及后弧形吸热盘；所述机座为第二散热模块，所述前弧形吸热盘为第三散热模块，所述后弧形吸热盘为第四散热模块；所述前弧形吸热盘与后弧形吸热盘呈镜像且结构相同、均包括内吸热结构和外散热结构；所述定子铁心与机座接触，所述定子线圈嵌放于所述定子铁心中；所述前弧形吸热盘和后弧形吸热盘均嵌入机座中；所述定子铁心环绕于转子组件外侧。所述后端盖组件包括后端盖及后环形吸热盘，所述后环形吸热盘为第五散热模块、且结构与前环形吸热盘相同且呈镜像，所述后端盖与后轴承的轴承座连接；所述后端盖上也设置有轴向扇形孔。

本发明所设计的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，通过改变传统电机结构来提高电机的散热能力。改进后，主要是通过五个散热模块来实现高效冷却的。该方案一是改变了机座的形状，减小铁心散热热阻；二是改变了弧形吸热盘结构以及定子线圈端部的固定方式；三是重新设计了前端盖、后端盖结构以及前环形吸热盘、后环形吸热盘，三种方法都是通过增加传热的途径，全方位的解决了全封闭电机端部散热差的问题。该永磁同步电动机包括前轴承、前端盖组件、定子组件、转子组件、后端盖组件、后轴承及电机转轴，前轴承和后轴承分别安装于电机转轴的前后端，两个轴承上均安装有各自对应的轴承座；前后端盖组件之间为定子组件和转子组件；机座包含在定子组件内部。前端盖组件包括前端盖及前环形吸热盘，第一散热模块为前环形吸热盘，前环形吸热盘为可更换结构、且包括内吸热结构和外散热结构，内吸热结构作用是从电机内部换热，外散热结构是把内吸热结构所吸收的热量在外散发到冷却空气中；前端盖的固定方式为与前轴承的轴承座连接，前端盖上设置有轴向扇形孔，也可以起到一定的散热作用。定子组件包括机座、前弧形吸热盘、定子线圈、定子铁心及后弧形吸热盘，定子线圈嵌放于定子铁心中；前弧形吸热盘和后弧形吸热盘均嵌入机座中；定子铁心环绕于转子组件外侧；第二、三、四散热模块均在定子组件中，机座为第二散热模块，前弧形吸热盘为第三散热模块，后弧形吸热盘为第四散热模块，前弧形吸热盘与后弧形吸热盘呈镜像且结构相同、均包括内吸热结构和外散热结构，同样，内吸热结构吸收定子线圈端部的所散发的热量，传递给外散热结构，外散热结构把热量散发到外部空气中；定子铁心与机座接触，所以定子铁心产生的热量可以直接传递给机座，由机座散出。后端盖组件包括后端盖及后环形吸热盘，后环形吸热盘为第五散热模块、且结构与前环形吸热盘相同且呈镜像，所以散热原理与前环形吸热盘相同，后端盖的固定方式是与后轴承的轴承座连接；后端盖上也设置有轴向扇形孔，具有一定程度的散热作用。本发明具体操作为：电机启动，电机转轴开始低速旋转，转子组件随之低速旋转，转子组件、定子线圈及定子铁心前后端部均散发热量，即电机内部散发热量，电动机前端部热量通过内部热空气与第一散热模块的内吸热结构对流换热，先传递到第一散热模块的内吸热结构上，并沿着由内到外的路径传递至外散热结构，通过外散热结构与外部冷却空气的自然对流换热传递到冷却空气中；定子线圈前端部热量沿着由内到外的换热路径，也是先把热量换热给第三散热模块的内吸热结构，然后传递给对应的外散热结构，定子线圈后端部热量的换热路径与前端部相同，是先把热量换热给第四散热模块的内吸热结构，然后传递给对应的外散热结构，最后由前后的外散热结构散至外部空气中；定子铁心的热量可以传递给机座，由机座散热到外部的冷却空气中，实现了全封闭永磁电动机的总体散热。

进一步的，所述前环形吸热盘作为第一散热模块，包括内侧环形吸热翅、基板、外侧水平散热翅；所述内侧环形吸热翅为内吸热结构、且径向均布固定于基板内表面，所述内侧环形吸热翅呈L形，所述外侧水平散热翅为外散热结构、且固定于基板的外表面，所述前环形吸热盘的基板通过多个螺栓Ⅰ安装于前端盖。工作过程为：电动机前端部热量通过内部热空气与内侧环形吸热翅对流换热，传递到内侧环形吸热翅上，并沿着内侧环形吸热翅、基板、外侧水平散热翅的路径传递至外侧水平散热翅，通过外侧水平散热翅与外部冷却空气的自然对流换热传递到冷却空气中。

进一步的，所述机座作为第二散热模块，所述机座与定子铁心的接触面上设有圆周分布的矩形散热孔，所述机座的中间外侧固定设有环形散热翅；所述机座上位于与定子线圈端部所对应的空间开有圆周分布的前径向扇形孔和后径向扇形孔，由于矩形散热孔位于机座上，使得定子铁心与冷却空气可以直接接触，减小了铁心向外散热的热阻，机座的中间外侧固定设有环形散热翅，也同样保障了机座的散热；同时机座上开有的前径向扇形孔和后径向扇形孔，这些扇形孔位于其与定子线圈端部所对应的空间上，也就是与前后弧形吸热盘接触的位置，也起到了散热的作用。

进一步的，所述前弧形吸热盘作为第三散热模块，包括连接基板、外侧环形散热翅、内侧轴向异形吸热翅，所述内侧轴向异形吸热翅为内吸热结构、且固定于连接基板的内侧，所述外侧环形散热翅为外散热结构、且固定于连接基板的外侧，所述连接基板通过螺栓Ⅲ安装在机座上，所述内侧轴向异形吸热翅上开有多个环形圆孔，所述内侧轴向异形吸热翅伸入电机内部、且形状与定子线圈相配合。前弧形吸热盘和后弧形吸热盘呈镜像且结构相同，所以只介绍其中一个即可，这里介绍前弧形吸热盘，吸热翅用于吸热，散热翅用于散热，前弧形吸热盘连接在机座上的方式为：连接基板通过螺栓Ⅲ安装在机座上，内侧轴向异形吸热翅伸入电机内部、且形状与定子线圈相配合，由于定子线圈的形状不是规则形状，所以吸热翅的形状也不规定，则定义吸热翅为异形吸热翅，只要保证其形状与定子线圈的形状凹凸匹配即可，从而更加容易吸收定子线圈转动时散发的热量，内侧轴向异形吸热翅上开有多个环形圆孔。第三散热模块和第四散热模块结构相同，所以散热途径为：定子线圈→内侧轴向异形吸热翅→连接基板→外侧环形散热翅→外部空气。

优选的，所述定子线圈端部与前弧形吸热盘所形成的环形空间内填充有高导热系数密封胶，所述环形圆孔内也填充有高导热系数密封胶，相应的，所述定子线圈端部与后弧形吸热盘所形成的环形空间内也填充有高导热系数密封胶，所述后弧形吸热盘的环形圆孔内也填充有高导热系数密封胶，所述高导热系数密封胶将定子线圈端部、前弧形吸热盘及后弧形吸热盘连接为一体；所述前端盖组件的内侧环形吸热翅伸至定子线圈前端端部的下方。高导热系数密封胶的作用为吸收热量传递，由于该密封胶为高导热系数，加入该密封胶后，使导热更加容易，可以高效的进行热量的传递，此时第三散热模块和第四散热模块的散热途径为：定子线圈→高导热系数密封胶→内侧轴向异形吸热翅→连接基板→外侧环形散热翅→外部空气。

进一步的，所述后端盖组件中的后环形吸热盘结构与前环形吸热盘结构相同且呈镜像，所以后环形吸热盘的基板通过多个螺栓Ⅲ安装于后端盖上，所述后端盖组件的内侧环形吸热翅也伸至定子线圈后端端部的下方。该处第五散热模块与第一散热模块的散热原理和过程均相同。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，与传统电机结构相比，冷却散热能力优良，防护等级高，实施方便，结构可靠，能减小轨道车辆用自热冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机体积，同时还可以减轻重量：①前端盖组件、后端盖组件的第一散热模块为一种一体化环形可更换的换热单元，其内有L形的吸热翅，伸入端盖内部，可以快速将端部热量导出，实现高效散热；②机座与定子铁心接触部分设计有圆周分布矩形散热孔，在外侧设置环形散热翅，形成轻量化鼠笼形结构，利用定子铁心与机座配合实现全封闭功能，并将部分定子铁心部分裸露于外部冷却空气中，实现高效散热；③定子线圈、弧形换热单元、机座端部间隙用高导热系数密封胶填充，高导热系数密封胶同时填充内侧轴向异形吸热翅多个环形圆孔，将上述部件牢固地连为一体，定子线圈端部热量沿着高导热系数密封胶、弧形换热单元内侧轴向异形吸热翅、连接基板、外侧环形散热翅，再由弧形吸热盘的外侧环形散热翅散至外侧冷却空气中，这样使散热更加有效快速；④在内侧轴向异形吸热翅上开有多个环状圆孔，可以与高导热系数密封胶实现高散热能力和可靠固定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中前环形吸热盘的结构示意图。

图3为本发明中前弧形吸热盘的结构示意图。

图中标记如下：1-前轴承，2-前端盖组件，21-前端盖，22-前环形吸热盘，22A-内侧环形吸热翅，22B-基板，22C-外侧水平散热翅，3-定子组件，31-机座，31A-矩形散热孔，31B-环形散热翅，31C-后径向扇形孔，31D-前径向扇形孔，32-前弧形吸热盘，32A-连接基板，32B-外侧环形散热翅，32C-内侧轴向异形吸热翅，32D-环形圆孔，33-高导热系数密封胶，34-定子线圈，35-定子铁心，36-后弧形吸热盘，4-转子组件，5-后端盖组件，51-后端盖，52-后环形吸热盘，6-后轴承，7-电机转轴，S1-螺栓Ⅰ，S2-螺栓Ⅱ，S3-螺栓Ⅲ。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，如图1~图3所示：包括前轴承1、前端盖组件2、定子组件3、转子组件4、后端盖组件5、后轴承6及电机转轴7，所述前轴承1和后轴承6分别安装于电机转轴7的前后端，两个轴承上均安装有各自对应的轴承座；所述前端盖组件2包括前端盖21及前环形吸热盘22，所述前环形吸热盘22为第一散热模块，所述前环形吸热盘22为可更换结构、且包括内吸热结构和外散热结构；所述前端盖21与前轴承1的轴承座连接；所述前端盖21上设置有轴向扇形孔；所述定子组件3包括机座31、前弧形吸热盘32、定子线圈34、定子铁心35及后弧形吸热盘36；所述机座31为第二散热模块，所述前弧形吸热盘32为第三散热模块，所述后弧形吸热盘36为第四散热模块；所述前弧形吸热盘32与后弧形吸热盘36呈镜像且结构相同、均包括内吸热结构和外散热结构；所述定子铁心35与机座31接触，所述定子线圈34嵌放于所述定子铁心35中；所述前弧形吸热盘32和后弧形吸热盘36均嵌入机座31中；所述定子铁心35环绕于转子组件4外侧；所述后端盖组件5包括后端盖51及后环形吸热盘52，所述后环形吸热盘52为第五散热模块、且结构与前环形吸热盘22相同且呈镜像，所述后端盖51与后轴承6的轴承座连接；所述后端盖51上也设置有轴向扇形孔。

本实施例中采用了优选方案：所述前环形吸热盘22作为第一散热模块，包括内侧环形吸热翅22A、基板22B、外侧水平散热翅22C；所述内侧环形吸热翅22A为内吸热结构、且径向均布固定于基板22B内表面，所述内侧环形吸热翅22A呈L形，所述外侧水平散热翅22C为外散热结构、且固定于基板22B的外表面，所述前环形吸热盘22的基板22B通过多个螺栓ⅠS1安装于前端盖21；所述机座31作为第二散热模块，所述机座31与定子铁心35的接触面上设有圆周分布的矩形散热孔31A，所述机座31的中间外侧固定设有环形散热翅31B；所述机座31上位于与定子线圈34端部所对应的空间开有圆周分布的前径向扇形孔31D和后径向扇形孔31C；所述前弧形吸热盘32作为第三散热模块，包括连接基板32A、外侧环形散热翅32B、内侧轴向异形吸热翅32C，所述内侧轴向异形吸热翅32C为内吸热结构、且固定于连接基板32A的内侧，所述外侧环形散热翅32B为外散热结构、且固定于连接基板32A的外侧，所述连接基板32A通过螺栓ⅢS3安装在机座31上，所述内侧轴向异形吸热翅32C上开有多个环形圆孔32D，所述内侧轴向异形吸热翅32C伸入电机内部、且形状与定子线圈34相配合；所述定子线圈34端部与前弧形吸热盘32所形成的环形空间内填充有高导热系数密封胶33，所述环形圆孔32D内也填充有高导热系数密封胶33，相应的，所述定子线圈34端部与后弧形吸热盘36所形成的环形空间内也填充有高导热系数密封胶33，所述后弧形吸热盘36的环形圆孔内也填充有高导热系数密封胶33，所述高导热系数密封胶33将定子线圈34端部、前弧形吸热盘32及后弧形吸热盘36连接为一体；所述前端盖组件2的内侧环形吸热翅22A伸至定子线圈34前端端部的下方；所述后端盖组件5中的后环形吸热盘52结构与前环形吸热盘22结构相同且呈镜像，所以后环形吸热盘52的基板通过多个螺栓ⅢS3安装于后端盖51上，所述后端盖组件5的内侧环形吸热翅也伸至定子线圈34后端端部的下方；所述机座31、前端盖21和后端盖51均采用高强度结构钢制成；所述前环形吸热盘22、后环形吸热盘52、前弧形吸热盘32及后弧形吸热盘36均采用高导热系数的铝合金制成，导热系数为217-234 W/m∙K；所述高导热系数密封胶33的导热系数为3.5-4.0 W/m∙K。

本实施例具体操作为：电机启动，电机转轴7开始低速旋转，转子组件4随之低速旋转，转子组件4、定子线圈34及定子铁心35前后端部均散发热量，即电机内部散发热量，电动机前端部热量通过内部热空气与内侧环形吸热翅22A对流换热，传递到内侧环形吸热翅22A上，并沿着内侧环形吸热翅22A、基板22B、外侧水平散热翅22C的路径传递至外侧水平散热翅22C，通过外侧水平散热翅22C与外部冷却空气的自然对流换热传递到冷却空气中，电动机后端部热量也通过后端盖组件5经由相同的路径散出；定子线圈34前端部热量沿着高导热系数密封胶33、前弧形吸热盘32内侧轴向异形吸热翅32C、连接基板32A、外侧环形散热翅32B的路径向外部冷空气中散出，定子线圈后端热量传递路径为：高导热系数密封胶33→后弧形吸热盘36内侧轴向异形吸热翅→连接基板→外侧环形散热翅，最后再由前弧形吸热盘32、后弧形吸热盘36的外侧环形散热翅散至外侧冷却空气中；定子铁心35由于机座31上矩形散热孔31A的存在，所以部分与冷却空气直接接触，该部分热量可以直接散至空气中，而其余热量则通过环形散热翅31B散至冷却空气中。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：包括前轴承（1）、前端盖组件（2）、定子组件（3）、转子组件（4）、后端盖组件（5）、后轴承（6）及电机转轴（7），所述前轴承（1）和后轴承（6）分别安装于电机转轴（7）的前后端，两个轴承上均安装有各自对应的轴承座；

所述前端盖组件（2）包括前端盖（21）及前环形吸热盘（22），所述前环形吸热盘（22）为第一散热模块，所述前环形吸热盘（22）为可更换结构、且包括内吸热结构和外散热结构；所述前端盖（21）与前轴承（1）的轴承座连接；所述前端盖（21）上设置有轴向扇形孔；

所述定子组件（3）包括机座（31）、前弧形吸热盘（32）、定子线圈（34）、定子铁心（35）及后弧形吸热盘（36）；所述机座（31）为第二散热模块，所述前弧形吸热盘（32）为第三散热模块，所述后弧形吸热盘（36）为第四散热模块；所述前弧形吸热盘（32）与后弧形吸热盘（36）呈镜像且结构相同、均包括内吸热结构和外散热结构；所述定子铁心（35）与机座（31）接触，所述定子线圈（34）嵌放于所述定子铁心（35）中；所述前弧形吸热盘（32）和后弧形吸热盘（36）均嵌入机座（31）中；所述定子铁心（35）环绕于转子组件（4）外侧；

所述后端盖组件（5）包括后端盖（51）及后环形吸热盘（52），所述后环形吸热盘（52）为第五散热模块、且结构与前环形吸热盘（22）相同且呈镜像，所述后端盖（51）与后轴承（6）的轴承座连接；所述后端盖（51）上也设置有轴向扇形孔。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述前环形吸热盘（22）作为第一散热模块，包括内侧环形吸热翅（22A）、基板（22B）、外侧水平散热翅（22C）；所述内侧环形吸热翅（22A）为内吸热结构、且径向均布固定于基板（22B）内表面，所述内侧环形吸热翅（22A）呈L形，所述外侧水平散热翅（22C）为外散热结构、且固定于基板（22B）的外表面，所述前环形吸热盘（22）的基板（22B）通过多个螺栓Ⅰ（S1）安装于前端盖（21）。

3.根据权利要求2所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述机座（31）作为第二散热模块，所述机座（31）与定子铁心（35）的接触面上设有圆周分布的矩形散热孔（31A），所述机座（31）的中间外侧固定设有环形散热翅（31B）；所述机座（31）上位于与定子线圈（34）端部所对应的空间开有圆周分布的前径向扇形孔（31D）和后径向扇形孔（31C）。

4.根据权利要求3所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述前弧形吸热盘（32）作为第三散热模块，包括连接基板（32A）、外侧环形散热翅（32B）、内侧轴向异形吸热翅（32C），所述内侧轴向异形吸热翅（32C）为内吸热结构、且固定于连接基板（32A）的内侧，所述外侧环形散热翅（32B）为外散热结构、且固定于连接基板（32A）的外侧，所述连接基板（32A）通过螺栓Ⅲ（S3）安装在机座（31）上，所述内侧轴向异形吸热翅（32C）上开有多个环形圆孔（32D），所述内侧轴向异形吸热翅（32C）伸入电机内部、且形状与定子线圈（34）相配合。

5.根据权利要求4所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述定子线圈（34）端部与前弧形吸热盘（32）所形成的环形空间内填充有高导热系数密封胶（33），所述环形圆孔（32D）内也填充有高导热系数密封胶（33），相应的，所述定子线圈（34）端部与后弧形吸热盘（36）所形成的环形空间内也填充有高导热系数密封胶（33），所述后弧形吸热盘（36）的环形圆孔内也填充有高导热系数密封胶（33），所述高导热系数密封胶（33）将定子线圈（34）端部、前弧形吸热盘（32）及后弧形吸热盘（36）连接为一体；所述前端盖组件（2）的内侧环形吸热翅（22A）伸至定子线圈（34）前端端部的下方。

6.根据权利要求5所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述后端盖组件（5）中的后环形吸热盘（52）结构与前环形吸热盘（22）结构相同且呈镜像，所以后环形吸热盘（52）的基板通过多个螺栓Ⅲ（S3）安装于后端盖（51）上，所述后端盖组件（5）的内侧环形吸热翅也伸至定子线圈（34）后端端部的下方。

7.根据权利要求6所述的一种轨道车辆用高效冷却的低速大扭矩全封闭永磁同步电动机，其特征在于：所述机座（31）、前端盖（21）和后端盖（51）均采用高强度结构钢制成；所述前环形吸热盘（22）、后环形吸热盘（52）、前弧形吸热盘（32）及后弧形吸热盘（36）均采用高导热系数的铝合金制成，导热系数为217-234 W/m∙K；所述高导热系数密封胶（33）的导热系数为3.5-4.0 W/m∙K。

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