專利名稱：一種用于驅動電機的復合冷卻結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種牽引電機的冷卻結構，尤其是指一種牽引電機定子的水冷裝置 結構。
技術背景由于牽引電動機受空間體積以及重量的限制，電機采用較高的電磁負荷，電機所產 生的損耗較高，因此必須改進電機的冷卻系統，以提高其散熱能力。目前牽引電動機的冷卻方式主要有自然冷卻、強迫風冷、自通風、充液冷、熱管冷 卻和水冷幾種方式，其中水冷方式對于大功率的牽引電動機應用比較多。用水作冷卻介質，帶走電機運行所產生的熱量，這種電機冷卻效果好，造價較高， 需帶冷卻回路和熱交換器等附加設備。電機運行時，繞組和鐵心的損耗發熱，直接傳導 給機座，機座將大部分的熱量傳導給內部的冷卻水，少部分的熱量通過輻射和對流傳導 給周圍的空氣，因此，機座內部的儲水、機座與水的接觸面積、冷卻水的流量直接關系 電機的冷卻效果。水冷的優點是1. 可取消了風機系統和空氣過濾器。2. 盡管異步牽引電動機的轉速高、安裝空間小，但取消了風扇，同時由于雙壁結構 可有效地屏蔽電機所產生的電磁噪聲，因而電機的噪聲幅度小。3. 由于電機為全封閉結構，電機受到的污染小，因而可減少維修維護周期。4. 由于熱時間常數比較大，電機的熱過載性比較高。5. 電機不工作時也可冷卻。 水冷的缺點是1. 當只對定子進行水冷卻時(即采用雙壁機殼冷卻時)，轉子和軸承冷卻效果差；2. 所冷卻的電機功率比較小，至今最大功率為250KW;3. 對電機的密封性要求比較高；4. 在外徑尺寸相同的情況下，由于有冷卻回路，從而減少了定子的有效直徑；5. 需要安裝水/空氣熱交換裝置，增加了冷卻設備的維護工作和費用。 根據冷卻電機部位不同，水冷有以下幾種方式-1. 定子水冷；2. 定子水冷+風內冷；3. 定子水冷+轉子水冷；4. 定子水冷+端蓋水冷；5. 定子水外冷+轉子水冷+端蓋水冷。 水冷的結構有以下幾種1. 機殼的水回路結構以螺旋水道為主，或內埋置螺旋狀銅管，或內套表面均勻車(或 鑄)出一個螺旋的水道；2. 端蓋水冷通道和機殼水冷通道在同一條回路上，直接連接在一起，其結構是在端 蓋的兩側或者一側鑄出或者車出平面形螺旋溝槽和側板組合成水道。這種結構的工藝較 復雜，只適合體積和容量較大的電機；3. 轉子水冷主要是通過軸的來實現的,軸水冷是將冷卻水經過噴射入軸內冷卻電機 軸。軸水冷結構結構復雜，工藝要求高，其可靠性取決與水路的密封性能，而國內的工 藝水平并沒有很好的解決這個問題，因此沒有得到推廣，國外西門子和Bombardier己經 實現了軸的水冷。國外的水冷異步牽引電機在上世紀80年代已經開始研究，現在國外大公司已經形成 了一個系列，這些電機廣泛應用于城軌、地鐵、城市輕軌車輛上。國內的水冷牽引電機的研制，是在上世紀90年代初開始的，這些電機大部分用在煤 礦上，近來在電動汽車和電動轎車上有應用，重慶電機廠、東風電機廠和21所都有相關 產品。但是無論是國內還是國外的水冷牽引電機都是采用的一種圓形的外殼機座，這種圓 形對于高功率密度電機體積有限的情況下，空間將顯得十分緊張，從而影響冷卻效率。 而且都是采取單一的一種方式進行冷卻。通過實際試驗發現將現有的電機水冷技術直接 應用于高功率密度電機中是不適應的，因此進一步對電機的冷卻系統加以改進，以提高其散熱能力是很有必要的。 實用新型內容本實用新型旨在克服現有牽引電機定子水冷方法的不足，提供一種新型的，能應用 于高功率密度或大功率牽引電機上的定子水冷裝置，該裝置具有水冷卻的所有共性，而 且覆水面積和容水量大，散熱能力強，冷卻效果較好。通過分析發現，目前圓形外殼定子水冷的效果不好，主要是現有的定子水冷的覆水面積過小，水冷機座容水的體積小，冷卻方式過于單一，所以水循環帶走的熱量少，而 且現有的定子水冷都是采用的圓形螺旋水道，從電機軸向一端進，另一端出，這勢必將 形成電機軸向的溫度梯度，而導致電機的散熱不均勻，整體散熱效果不好，往往容易出 現電機一端過熱現象，這對于高功率密度異步牽引電機來說是很不利的，而且采用圓形 機座相對來說更占體積。本實用新型的目的是通過下述技術方案予以實現的采用定子水冷加電機內部循環 風冷的冷卻方式。其特點是電機為全封閉結構，在定子水冷的基礎上，增加內部循環風 冷。且牽引電機定子水冷是將定子機座改為外方內圓形的四水道冷卻結構，通過在定子 機座內沿定子機座內壁圓與外方形外壁所形成的四個角，構成四個軸向直線布置的冷卻 水道，并通過在機座內環與外方形外殼最薄處所形成的筋條予以相互隔開，然后再通過 連接孔聯成一迂回方式布置的冷卻回路，連接孔可以直接開在筋條上，也可以開在定子 機座兩端的端蓋上，通過端蓋上的環形冷卻水道一起形成迂回方式布置的冷卻回路。在 每個儲水腔外布置有風道，風道連通定子線圈兩端，和轉子上的通風孔、風扇、氣隙， 形成循環風路，轉子的發熱通過循環風，傳遞給機殼，再通過機殼的水冷卻系統散熱。 整個牽引電機的冷卻水道的走向布置是根據下述原則進行的冷卻水主要對機殼進行冷卻，主要路經是從儲水腔由兩條沿電機軸線分布的小儲水腔組成，在小儲水腔兩端都有 連接孔。流動順序如下(根據需要可以反向流動)a. 冷卻水從入水盒進入電機，通過入水口到達第一儲水腔；b. 第一儲水腔中的冷卻水經連接口進入第二儲水腔； C.第二儲水腔中的冷卻水由連接口進入第三儲水腔；d. 第三儲水腔中的冷卻水由連接口進入第四儲水腔；e. 第四儲水腔中的冷卻水經出水口流入出水盒，流出電機。f. 電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環。 電機內部的冷卻風循環順序如下(根據需要可以反向流動)a. 離心風扇將風吹入機殼風道的一端，風和機殼在風道利用溫度差進行熱交換；b. 冷卻風從風道的另一端離開，進入定子線圈端部和轉子一端；c. 離心風扇產生的負壓將風吸入轉子通風孔和定轉子氣隙，在此進行熱交換；d. 氣隙和轉子通風孔內風在離心風扇的作用下，流經風葉，重新進入機殼風道。 整個牽引電機的冷卻結構是 一種水冷散熱驅動電機，包括機殼、入水盒、儲水腔，儲水腔設置在定子的四個角上，定子的外形為四邊形，其特征在于驅動電機的冷卻是200720063831.9說明書第4/6頁由設在定子上的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置冷卻的。且 所述的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置是由在定子內的一種 由儲水腔所形成的循環水系統與一種在定子內的風道與轉子的風葉及通風孔所形成的風 內循環系統組合構成的。儲水腔6分布在定子四邊形外邊與圓形內圈所形成的四個角上， 形成四個儲水腔，分別為第一儲水腔、第二儲水腔、第三儲水腔和第四儲水腔。而且每 一個角上的儲水腔可以是一個整體，也可以是多個槽孔，再經連接道連通的。同時第一 儲水腔與第二儲水腔是通過第一儲水腔與第二儲水腔連接口連通的，第二儲水腔與第三 儲水腔是通過第二儲水腔與第三儲水腔連接口連通的，第三儲水腔與第四儲水腔是通過 第三儲水腔與第四儲水腔連接口連通的，在第四儲水腔上面設有出水盒，第四儲水腔通 過出水口與出水盒連通；在第一儲水腔上面設有入水盒，第四儲水腔通過入水口與入水 盒連通。每一個角上的儲水腔上尖部還設有用于為轉子散熱的風道，形成四個風道，分 別為第一風道、第二風道、第三風道和第四風道。每一個風道可以是一個整體的空腔體， 也可以是多個槽孔組合形成的。為了形成風道的循環，在轉子上設有連通兩端的轉子通 風孔。其冷卻原理是通過冷卻水的流動，利用溫差傳導熱量，冷卻機殼，最后達到冷 卻電機的目的。從原理上來看，改善冷卻效果可采取這些措施①加快冷卻介質的流量， ②提高冷卻介質的熱傳導性，③加大電機的熱容量。此結構的電機的另一個特點是內部 有冷卻風循環。本實用新型的特點是-① 電機機座徑向截面，外部為方形、內部為圓形，能充分利用空間，電機的安裝尺 寸較小。和常規鐵心沖片外部圓形匹配，利用外方內圓幾何圖形的間形成的空間沿電機 軸線布置儲水腔和空氣循環通道；② 在每個儲水腔外布置風道，風道連通定子線圈兩端，和轉子上的通風孔、風扇、 氣隙，形成循環風路，轉子的發熱通過循環風，傳遞給機殼；③ 機殼內圓環面覆水面大約50%，熱的傳導效果好；④ 和相同鐵心的風冷機座相比，外形尺寸較小；⑤ 定子、轉子可以同時得到冷卻。總之，"大量儲存，少量流動"是本實用新型的工作特色，電機的傳熱冷卻效果顯著, 并得到驗證短時間內電機機座和端蓋很容易形成等溫體，并形成與電機發熱狀態時有 較大的溫度梯度。
圖1為本實用新型實施例的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例的結構示意側向圖；圖3為本實用新型水流途徑示意圖。圖中1.機殼、2.入水盒、3.風道、4.入水口、 5.第一風道、6.儲水腔、7.第一 儲水腔連接道、8.第一儲水腔l、 9.第二儲水腔、10.風葉、11.第二風道、12.第二儲 水腔連接道、13.第二儲水腔與第三儲水腔連接口、 14.第三儲水腔、15.第三風道、16. 第三儲水腔連接道、17.第一儲水腔與第二儲水腔連接口、 18.第四儲水腔、19.第四風 道、20.出水口、 21.出水盒、22.第三儲水腔與第四儲水腔連接口、 23.轉子、24.轉子 通風孔、25.第四儲水腔連接道。
具體實施方式
附圖給出了本實用新型的結構示意圖和具體實施例，
以下結合附圖和具體實施例對 本實用新型作進一步說明。通過附圖1和2可以看出，本實用新型為驅動電機的一種水冷散熱方法，以及一種 上述方法的裝置。采用定子水冷加電機內部循環風冷的冷卻方式。其特點是電機為全封 閉結構，在定子水冷的基礎上，增加內部循環風冷。且牽引電機定子水冷是將定子機座 改為外方內圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內沿定子機座內壁圓與外方形外壁 所形成的四個角，構成四個軸向直線布置的冷卻水道，并通過在機座內環與外方形外殼 最薄處所形成的筋條予以相互隔開，然后再通過連接孔聯成一迂回方式布置的冷卻回路， 連接孔可以直接開在筋條上，也可以開在定子機座兩端的端蓋上，通過端蓋上的環形冷 卻水道一起形成迂回方式布置的冷卻回路。并在每個儲水腔外布置有風道，風道連通定 子線圈兩端，和轉子上的通風孔、風扇、氣隙，形成循環風路，轉子的發熱通過循環風， 傳遞給機殼，再通過機殼的水冷卻系統散熱。附圖3給出了本驅動電機的一種水冷散熱方法的流程圖，整個牽引電機的冷卻水道的走向布置是根據下述原則進行的冷卻水主要對機殼進行冷卻，主要路經是從儲水腔由兩條沿電機軸線分布的小儲水腔組成，在小儲水腔兩端都有連接孔。流動順序如下(根據需要可以反向流動)a. 冷卻水從入水盒進入電機，通過入水口到達第一儲水腔；b. 第一儲水腔中的冷卻水經連接口進入第二儲水腔；c. 第二儲水腔中的冷卻水由連接口進入第三儲水腔；d. 第三儲水腔中的冷卻水由連接口進入第四儲水腔；e. 第四儲水腔中的冷卻水經出水口流入出水盒，流出電機。f. 電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環。 電機內部的冷卻風循環順序如下(根據需要可以反向流動)e. 離心風扇將風吹入機殼風道的一端，風和機殼在風道利用溫度差進行熱交換；f. 冷卻風從風道的另一端離開，進入定子線圈端部和轉子一端；g. 離心風扇產生的負壓將風吸入轉子通風孔和定子氣隙，在此進行熱交換；h. 氣隙和轉子通風孔內風在離心風扇的作用下，流經風葉，重新進入機殼風道。 整個牽引電機的冷卻結構是 一種水冷散熱驅動電機，包括機殼l、入水盒2、儲水腔6，儲水腔6設置在定子的四個角上，定子的外形為四邊形，其特征在于驅動電機的 冷卻是由設在定子上的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置冷卻 的。且所述的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置是由在定子內 的一種由儲水腔6所形成的循環水系統與一種在定子內的風道3與轉子的風葉10及轉子 通風孔24所形成的風內循環系統組合構成的。儲水腔6分布在定子四邊形外邊與圓形內 圈所形成的四個角上，形成四個儲水腔，分別為第一儲水腔8、第二儲水腔9、第三儲水 腔14和第四儲水腔18。而且每一個角上的儲水腔可以是一個整體，也可以是多個槽孔， 再經連接道連通的。如第一儲水腔8、第二儲水腔9、第三儲水腔14和第四儲水腔18都 分別為兩槽孔結構，分別由第一儲水腔連接道7、第二儲水腔連接道12、第三儲水腔連 接道16和第四儲水腔連接道25連通的。同時第一儲水腔8與第二儲水腔9是通過第一 儲水腔與第二儲水腔連接口 17連通的，第二儲水腔9與第三儲水腔14是通過第二儲水 腔與第三儲水腔連接口 13連通的，第三儲水腔14與第四儲水腔18是通過第三儲水腔與 第四儲水腔連接口22連通的，在第四儲水腔18上面設有出水盒21,第四儲水腔18通過 出水口20與出水盒21連通；在第一儲水腔8上面設有入水盒2，第一儲水腔8通過入水 口 4與入水盒2連通。每一個角上的儲水腔上尖部還設有用于為轉子散熱的風道3,形成 四個風道，分別為第一風道5、第二風道ll、第三風道15和第四風道19。每一個風道可 以是一個整體的空腔體，也可以是多個槽孔組合形成的。為了形成風道的循環，在轉子 23上設有連通兩端的轉子通風孔24。其冷卻原理是通過冷卻水的流動，利用溫差傳導熱量，冷卻機殼，最后達到冷卻 電機的目的。從原理上來看，改善冷卻效果可采取這些措施①加快冷卻介質的流量， ②提高冷卻介質的熱傳導性，③加大電機的熱容量。此結構的電機的另一個特點是內部 有冷卻風循環。
權利要求1. 一種用于驅動電機的復合冷卻結構，包括機殼、入水盒、儲水腔，且儲水腔設置在定子的四個角上，定子的外形為四邊形，其特征在于驅動電機的冷卻是由設在定子上的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置冷卻的。
2、 如權利要求l所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的水冷裝置與 定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置是由在定子內的一種由儲水腔所形成的 循環水系統與一種在定子內的風道與轉子的風葉及通風孔所形成的風內循環系統組合構 成的。
3、 如權利要求1或2所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的儲水腔 分布在定子四邊形外邊與圓形內圈所形成的四個角上，形成四個儲水腔，分別為第一儲 水腔、第二儲水腔、第三儲水腔和第四儲水腔；在第一儲水腔上面設有入水盒，第四儲 水腔通過入水口與入水盒連通；每一個角上的儲水腔上尖部還設有用于為轉子散熱的風 道，形成四個風道，分別為第一風道、第二風道、第三風道和第四風道，同時第一儲水 腔與第二儲水腔是通過第一儲水腔與第二儲水腔連接口連通的，第二儲水腔與第三儲水 腔是通過第二儲水腔與第三儲水腔連接口連通的，第三儲水腔與第四儲水腔是通過第三 儲水腔與第四儲水腔連接口連通的，在第四儲水腔上面設有出水盒，第四儲水腔通過出 水口與出水盒連通。
4、 如權利要求3所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的風道是一個 整體的空腔體。
5、 如權利要求3所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的風道是多個 槽孔組合形成的。
6、 如權利要求1或2所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的儲水腔 可以是一個整體。
7、 如權利要求1或2所述的驅動電機的復合冷卻結構，其特征在于所述的儲水腔 是多個槽孔，再經連接道連通的。
專利摘要一種用于驅動電機的復合冷卻結構，包括機殼、入水盒、儲水腔，且儲水腔設置在定子的四個角上，定子的外形為四邊形，其特征在于驅動電機的冷卻是由設在定子上的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置冷卻的。所述的水冷裝置與定子與轉子之間的風冷裝置組成的復合冷卻裝置是由在定子內的一種由儲水腔所形成的循環水系統與一種在定子內的風道與轉子的風葉及通風孔所形成的風內循環系統組合構成的。
文檔編號H02K5/20GK201113681SQ20072006383
公開日2008年9月10日 申請日期2007年7月16日 優先權日2007年7月16日
發明者李華湘, 李益豐, 符敏利 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司