CN1776995A - 一种驱动电机定子水冷方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种驱动电机定子水冷方法及装置，采用定子水内冷方法，定子是通过在定子机座内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道冷却的。整个水冷装置包括定子机座和冷却水道，定子机座内的冷却水道是非螺旋型沿定子机座环内轴向迂回方式布置的。冷却水道可以是单个迂回水道，也可以是1个以上的多个迂回水道组合形成的，且每一个水道对有一个冷却水出口和冷却水入口，冷却水出口和冷却水入口可以布置在定子机座轴向的同一侧，也可以布置在定子机座轴向的不同侧。对于多个水道的进出水口可以是同向布置，也可以是逆向布置的，以使得定子机座内的迂回水道的流向是相向流动的，这样一来可以进一步降低定子机座内不同部位的温度梯度。

Description

一种驱动电机定子水冷方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电机的冷却方法，特别是指一种驱动电机的定子水冷却方法；本发明还涉一种电机的冷却装置结构，尤其是指一种驱动电机定子的水冷装置结构。

背景技术

驱动电机是电传动的核心部件，由于驱动电机受空间体积以及重量的限制，驱动电机通常采用较高的电磁负荷，这时候电机所产生的损耗较高，驱动电机会因为这种损耗而产生大量的热。为了避免因高热烧毁驱动电机的零部件，致使整个电机损坏，一般都需要对驱动电机进行冷却。目前驱动电机的冷却方式主要有以下几种：

(1).自然冷却

电机靠本身的热容量和辐射来带走热量。因此电机的容量较小，体积较大。在驱动电机中较少用此种冷却方式。目前只发现SOLECTRIA公司在电动汽车牵引电机中采用这种结构。

(2).强迫风冷

由单独设置的通风机给电机鼓风，将电机所产生的热量带走。其风量与风压和电机的转速无关。这种方式又有以下两种类型：

第一种类型是将冷却空气压入电机内部，这种通风方式带走的热量多，且可对转子有效冷却。但电机为开启式，容易受到污染。而且，由于异步驱动电机的风阻大，风机所需功率和压头较大。当风机功率和压头较小时，电机的风量很小，JD132异步驱动电机就遇到这种情况。这种方式一般用在较大功率的驱动电机上，而且必需使用较大功率和压头的风机。

第二种类型是冷却空气吹入电机机座表面，电机为全封闭结构。这种方式只能对电机表面冷却，即只能对定子冷却，对转子不能冷却，冷却效果较差。电机的功率相对较小。

(3).自通风

在电机转轴上安装有风扇，当电机转动时，该风扇产生风来冷却电机。这种方式的优点为简单；缺点为风扇的效率取决于运行速度，风量和风速与电机的转速成正比关系，风扇功率与转速的三次方成正比关系。但是由于损耗与电机的电流的平方有关，特别是在低速冷却作用较小时，频繁地出现电机最大电流，即使绕组有热时间常数，还是不能排除短时间内超过允许的温度。另外，由于声频与电机转速的2-3次方成正比，在高速时风扇产生的嘈声很大。这种方式主要用在低速牵引电机上，有两种类型：

第一种类型为：在电机内部还装有离心式风扇。这种方式的优点为电机的定、转子都可冷却。缺点是电机为开启式结构，需安装复杂的滤尘器，电机也不可避免地受到污染。这种通风方式广泛用在功率较小的城轨、地铁用异步牵引电机上。

第二种类型为：风扇安装在电机尾部，风只能吹到电机表面，电机为全封闭结构。优点为：电机不容易受到污染。缺点为：只能靠冷却电机表面来冷却电机定子，不能冷却转子，冷却效果较差。

(4).充液冷

在电机内部充满冷却液来带走电机所产生的热量。另外还有一种类似的冷却方式：油雾冷却＿＿在电机内部喷油雾来带走电机产生的热量，这种冷却系统结构复杂，需带有封闭式的冷却回路和热交换器等庞大附加设备。在驱动电机很少采用。只在军用电机及某些汽车电机中采用。

(5).热管冷却

采用热管来带走电机运行所产生的热量，这种电机冷却效果好，但造价特别高，系统也比较复杂。目前还未发现这种冷却方式在驱动电机上应用的实例。

(6).水冷

用水作冷却介质，带走电机运行所产生的热量，这种电机冷却效果好，造价较高，需带冷却回路和热交换器等附加设备。国外的水冷异步牵引电机在上世纪80年代已经开始研究，现在国外大公司已经形成了多个系列，这些电机广泛应用于城轨、地铁、城市轻轨车辆上。国内的水冷电机的研制，是在上世纪90年代初开始的，这些电机大部分用在煤矿上，近来在电动汽车和电动轿车上也正在进行试验性的应用，重庆电机厂、东风电机厂和21所都有相关产品。其水冷优点是：可取消风机系统和空气过滤器，电机体积小；尽管异步驱动电机的转速高、安装空间小，但取消了风扇，同时由于双壁结构可有效地屏蔽电机所产生的电磁噪声，因而电机的噪声幅度小；由于电机为全封闭结构，电机受到的污染小，因而可缩短维修、维护周期；由于热时间常数比较大，电机的热过载性比较高；电机不工作时也可冷却。水冷方式根据冷却电机部位不同，有以下几种方式：定子水冷；定子水冷+风内冷；定子水冷+转子水冷；定子水冷+端盖水冷；定子水冷+转子水冷+端盖水冷；定子机壳的水回路结构以螺旋水道为主，或内埋置螺旋状铜管，或内套表面均匀车(或铸)出一个螺旋的水道。端盖水冷通道和机壳水冷通道在同一条回路上，直接连接在一起，其结构是在端盖的两侧或者一侧铸出或者车出平面形螺旋沟槽和侧板组合成水道。这种结构的工艺较复杂，只适合体积和容量较大的电机；转子水冷主要是通过轴来实现的，轴水冷是将冷却水经过喷射入轴内冷却电机轴。轴水冷结构复杂，工艺要求高，其可靠性取决于水路的密封性能，而国内的工艺水平并没有很好地解决这个问题，因此没有得到推广，国外西门子和Bombardier已经实现了轴的水冷。现在水冷电机以定子水冷应用较多，但现有的水冷电机定子水冷还存在一些不足。其一是现有定子水冷(即采用双壁机壳冷却时)，机壳覆水面积过小，导致冷却效果较差，而且转子和轴承也得不到充分的冷却；其二是现有的水冷牵引电机的功率比较小，至今最大功率为240KW；其三是对电机的密封性要求比较高；其四是在外径尺寸相同的情况下，由于有冷却回路，从而减少了定子的有效直径；其五是需要安装水/空气热交换装置，增加了冷却设备的维护工作量和费用。

通过以上分析可以看出目前的电机水冷方式尚存在一些不足，尤其是对高功率密度电机体积有限的情况下，将现有的电机水冷技术直接应用于高功率密度电机中是不适应的，因此进一步对电机的冷却系统加以改进，以提高其散热能力是很有必要的。

发明内容

本发明旨在克服现有电机定子水冷方法的不足，提供一种新型的，能应用于高功率密度或大功率驱动电机上的定子水冷方法。

本发明的另一个目的在于提供一种上述方法的驱动电机定子水冷装置，该装置具有水冷却的所有共性，而且覆水面积和容水量大，散热能力强，冷却效果较好。

通过分析发现，目前定子水冷的效果不好，主要是现有的定子水冷的覆水面积过小，水冷机座容水的体积小，所以水循环带走的热量少，而且现有的定子水冷都是采用的螺旋水道，从电机轴向一端进，另一端出，这势必将形成电机轴向的温度梯度，而导致电机的散热不均匀，整体散热效果不好，往往容易出现电机一端过热现象，这对于高功率密度异步驱动电机来说是很不利的。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：仍采用定子水冷方式，其特点是定子是通过在定子机座内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道冷却的，定子的散热是通过定子机座内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。整个水冷装置包括定子机座和冷却水道，定子机座内的冷却水道是非螺旋型沿定子机座环内轴向迂回方式布置的，冷却水道可以是沿定子机座环内轴向迂回“S”形布置的，也可以是沿定子机座环内轴向其它迷宫式布置的。迂回冷却水道的结构是在定子机座环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽，每两条水槽之间设有鼠笼筋，长条状冷却水槽内外壁整体为薄壁圆筒结构，在鼠笼筋上或定子机座条状冷却水槽的端头开有连接水槽的槽或孔，连通各个长条状冷却水槽，且连接水槽的槽或孔的位置是根据迂回方式布置的，以形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道，连接水槽的槽或孔的大小和数量根据迂回冷却水道的阻尼要求确定，可以是单孔或单槽，也可以多孔或多槽。所述的冷却水道可以是单个迂回水道，也可以是1个以上的多个迂回水道组合形成的，且每一个水道对应有一个冷却水出口和冷却水入口，冷却水出口和冷却水入口可以布置在定子机座轴向的同一侧，也可以布置在定子机座轴向的不同侧。而且对于多个水道的进出水口可以是同向布置，也可以是逆向布置的，以使得定子机座内的迂回水道的流向是相向流动的，这样一来可以进一步降低定子机座内不同部位的温度梯度。此外，在每一个水道冷却水出口和冷却水入口处布置有水盒，水盒处于水路的最上方，能有效使气体集聚在水盒内，防止水道被气体阻塞。

本发明具有水冷却的所有共性，并有以下特点：

1、采取内外薄壁圆筒，中间利用鼠笼筋支撑的结构，形成大体积水冷空腔，容水量大，冷却介质多，且覆水面积大，增加了热交换面积。水冷空腔的体积占水冷机座环总体积的(指机座的有效散热部分)1/2～3/4，覆水面积为内壁外环表面积的3/4以上；

2、在鼠笼筋上或定子机座条状水槽的端头不同位置开孔，连通空腔，形成轴向布置的迂回水冷通路，再连接进出口，形成单一、完整的冷却水回路，具有散热均匀，温度梯度小，效果好的特点；

3、冷却水回路由轴向分布的空腔和径向分布的多支路，经由进出口水盒组成整个回路，类似迂回式迷宫，没有死水区，水路畅通，冷却效果较好；在相同流量下，本发明相对同样功率等级的螺旋水冷却方式，水阻要下降1/2以上；

4、对进出水方向没有限制，上部进水、出水。根据需要进出水口可以布置在定子机座轴向同一端或不同端；而螺旋水道机座进出水口必须分别布置在两端；

5、对于多个水道的进出水口可以在定子机座轴向同一端，也可以在不同端，并采取逆向流动布置，进一步降低定子机座的温度梯度，快速形成热平衡；

6、进水、出水口处布置有水盒，处于水路的最上方，能有效聚集水道内的气体，防止水道阻塞，保证水路畅通，同时避免因水道中气体集积增加水阻，影响机座热交换；

7、充分利用冷却水的自身重量，对冷却水外循环系统的压力和功率要求不高；

8、外形尺寸可以缩小很多，如相同定子铁心＿＿Y系列225中心高铁心，风冷机座外形尺寸445×445mm，水冷螺旋水道机座外形尺寸Φ440mm，采用新结构的水冷机座只有Φ420mm；

9、可以采用其它的对铁、铝、铜无腐蚀性的液体作冷却介质。

附图说明

图1为本发明的单迂回水道立体结构示意图；

图2为本发明一个实施例的结构示意图；

图3为本发明一个实施例结构示意图的A-A剖视图。

图中：1-定子机座，2-冷却水入口，3-冷却水出口，4-外壁，5-内壁，6-冷却水道，7-连接槽/孔，8-鼠笼筋，9-水盒，10-冷却水槽，11-水盒，12-端圈。

具体实施方式

附图给出了本发明的单迂回水道立体结构示意图和一个具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

通过附图1可以看出，本发明为驱动电机的一种水冷散热方法，以及一种上述方法的装置。该种水冷散热方法仍采用定子水冷方式，其特点是定子是通过在定子机座内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道冷却的，定子的散热是通过定子机座内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。整个水冷装置包括定子机座和冷却水道，定子机座内的冷却水道是非螺旋型沿定子机座环内轴向迂回方式布置的，冷却水道可以是沿定子机座环内轴向迂回“S”形布置的，也可以是沿定子机座环内轴向其它迷宫式布置的。迂回冷却水道的结构是在定子机座环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽，每两条水槽之间设有鼠笼筋，长条状冷却水槽内外壁整体为薄壁圆筒结构，在鼠笼筋上或定子机座条状冷却水槽的端头开有连接水槽的槽或孔，连通各个长条状冷却水槽，且连接水槽的槽或孔的位置是根据迂回方式布置的，以形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道，连接水槽的槽或孔的大小和数量根据迂回冷却水道的阻尼要求确定，可以是单孔或孔槽，也可以是多孔或多槽。所述的冷却水道可以是单个迂回水道，也可以是1个以上的多个迂回水道组合形成的，且每一个水道对有一个冷却水出口和冷却水入口，冷却水出口和冷却水入口可以布置在定子机座轴向的同一侧，也可以布置在定子机座轴向的不同侧。而且对于多个水道的进出水口可以是同向布置，也可以是逆向布置的，以使得定子机座内的迂回水道的流向是相向流动的，这样一来可以进一步降低定子机座内不同部位的温度梯度。此外，在每一个水道冷却水出口和冷却水入口处布置有水盒，水盒处于水路的最上方，能有效使气体集聚在水盒内，防止水道被气体阻塞。

实施例一

一种鼠笼式电机(如图2、3所示)，包括定子机座1和冷却水道6，定子机座1是通过在定子机座1内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道6冷却的，定子的散热是通过定子机座1内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。定子机座内的冷却水道6是沿定子机座环内轴向迂回“S”形布置的。迂回冷却水道6的结构是在定子机座1环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽10，每两条水槽之间设有鼠笼筋8，长条状冷却水槽10由薄壁圆筒结构的内壁4，外壁5封闭成长条型空腔，其内壁4，外壁5和鼠笼筋8是组合密封成一体的，在鼠笼筋8上开有连接水槽的槽/孔7，连通各个长条状冷却水槽10，且连接水槽的槽/孔7的位置是位于长条状冷却水槽10的端头，以便形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道6，连接水槽的槽或孔的数量为1至3个不等大小的孔。所述的冷却水道6是单个迂回水道(如图1所示)，且在冷却水道6的两端头分别设有冷却水出口2和冷却水入口3，冷却水出口3和冷却水入口2布置在定子机座轴向的同一侧的端圈12内。此外，在冷却水出口2处布置有水盒9，在冷却水入口3处布置有水盒10，水盒处于水路的最上方，能有效使气体集聚在水盒内，防止水道被气体阻塞。在冷却水道6内的冷却介质为水。

实施例二

一种鼠笼式电机，包括定子机座1和冷却水道6，定子机座1是通过在定子机座1内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道6冷却的，定子的散热是通过定子机座1内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。定子机座内的冷却水道6是沿定子机座环内轴向迂回迷宫式布置的。迂回冷却水道6的结构是在定子机座1环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽10，每两条水槽之间设有鼠笼筋8，长条状冷却水槽10由薄壁圆筒结构的内壁4，外壁5封闭成长条型空腔；其内壁4，外壁5和鼠笼筋8是整体加工成型的，在定子机座条状冷却水槽10的端头开有连接水槽的槽/孔7，连通各个长条状冷却水槽10，且连接水槽的槽/孔7的位置是位于长条状冷却水槽10的端头，以便形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道6，连接水槽的槽或孔7为4个大小不等的多孔槽。所述的冷却水道6是2个迂回水道，在每一个冷却水道6的两端头分别设有冷却水出口2和冷却水入口3，冷却水出口3和冷却水入口2布置在定子机座轴向的不同侧，且2个迂回水道的水流方向是相互逆向(或相向)布置的。此外，在每一个冷却水道6的冷却水出口2处布置有水盒9，在每一个冷却水道6的冷却水入口3处布置有水盒10，水盒处于水路的最上方，能有效使气体集聚在水盒内，防止水道被气体阻塞。在冷却水道6内的冷却介质为醇类液体。

实施例三

一种鼠笼式电机，包括定子机座1和冷却水道6，定子机座1是通过在定子机座1内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道6冷却的，定子的散热是通过定子机座1内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。定子机座内的冷却水道6是沿定子机座环内轴向迂回迷宫式布置的。迂回冷却水道6的结构是在定子机座1环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽10，每两条水槽之间设有鼠笼筋8，长条状冷却水槽10由薄壁圆筒结构的内壁4，外壁5封闭成长条型空腔；其内壁4，外壁5和鼠笼筋8是整体加工成型的，在定子机座条状冷却水槽10的端头开有连接水槽的槽/孔7，连通各个长条状冷却水槽10，且连接水槽的槽/孔7的位置是位于长条状冷却水槽10的端头，以便形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道6，连接水槽的槽或孔7为单孔槽。所述的冷却水道6是2个迂回水道，在每一个冷却水道6的两端头分别设有冷却水出口2和冷却水入口3，冷却水出口3和冷却水入口2布置在定子机座轴向的同侧，但2个迂回水道的水流方向是相互逆向(或相向)布置的。此外，在定子机座轴向的两侧分别设有连接每一个冷却水道6的冷却水出口2的水盒9，和连接每一个冷却水道6的冷却水入口3的水盒10，水盒处于水路的最上方，能有效使气体集聚在水盒内，防止水道被气体阻塞。在冷却水道6内的冷却介质为醇类液体。

Claims (9)

1、一种驱动电机定子冷却方法，采用定子水冷方式，其特征在于：定子是通过在定子机座内沿定子机座环内轴向迂回方式布置的冷却水道冷却的，定子的散热是通过定子机座内的非螺旋型迂回冷却水道内冷却水循环散热的。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的冷却水道是在定子机座环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽，每两条水槽之间设有鼠笼筋，长条状冷却水槽内外壁整体为薄壁圆筒结构，在鼠笼筋上或定子机座条状冷却水槽的端头开有连接水槽的槽或孔，连通各个长条状冷却水槽，且连接水槽的槽或孔的位置是根据迂回方式布置的，以形成在定子机座环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的冷却水道是沿定子机座环内轴向迂回“S”形布置的。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的冷却水道是沿定子机座环内轴向迂回迷宫式布置的。

5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的冷却水道是1个以上的多水道组合形成的，且多水道的水流方向是相互逆向布置的。

6、如权利要求1所述的方法的电机定子水冷装置，包括定子机座(12)和冷却水道(6)，其特征在于：冷却水道(6)是在定子机座(1)内非螺旋型沿定子机座环内轴向迂回方式布置的。

7、如权利要求6所述的电机定子水冷装置，其特征在于：所述的迂回冷却水道(6)是在定子机座(1)环内沿环面轴向设置内外封闭的长条状冷却水槽(10)，每两条水槽之间设有鼠笼筋(8)，长条状冷却水槽(10)由薄壁圆筒结构的内壁(4)、外壁(5)封闭成长条型空腔；在鼠笼筋(8)或在定子机座条状冷却水槽(10)的端头开有连接水槽的槽/孔(7)，连通各个长条状冷却水槽(10)，以便形成在定子机座(1)环内沿环面轴向布置的迂回冷却水道(6)，在冷却水道(6)的两端头分别设有冷却水出口(2)和冷却水入口(3)，在冷却水道(6)的冷却水出口(2)处布置有水盒(9)，在冷却水道(6)的冷却水入口(3)处布置有水盒(10)，水盒处于水路的最上方。

8、如权利要求6或7所述的电机定子水冷装置，其特征在于：所述的冷却水道(6)是1个以上的多个迂回水道组合形成的，且每一个水道对有一个冷却水出口和冷却水入口，冷却水出口和冷却水入口可以布置在定子机座轴向的同一侧或不同侧，不同水道的水流方向是相互逆向布置的。

9、如权利要求6或7所述的电机定子水冷装置，其特征在于：所述的连接水槽的槽/孔(7)的大小和数量根据迂回冷却水道的阻尼要求确定的，可以是单孔槽或多孔槽。

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