CN1937365A - 一种用于牵引电机的水冷却方法及结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于牵引电机的水冷却方法及结构，采用定子水冷方式，将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路；电机通过电机机壳内壁圆与外方形外壁所形成的四个轴向直线布置的冷却水道进行冷却。同时在两端的端盖上也开有冷却水道，机座上部分冷却水道与两端的端盖上的水道连通，通过端盖上的环形冷却水道一起形成两条分支迂回的冷却回路。牵引电机的冷却是通过方形迂回水道内冷却水和端盖上的环形冷却水道内冷却水循环散热的。
Description
技术领域
本发明涉及一种牵引电机的冷却方法，特别是指一种牵引电机的定子水冷却方法；本发明还涉一种牵引电机的冷却装置结构，尤其是指一种牵引电机定子的水冷装置结构。
背景技术
由于牵引电动机受空间体积以及重量的限制，电机采用较高的电磁负荷，电机所产生的损耗较高，电机的发热比较严重，因此必须进电机的冷却系统，以提高其散热能力。
目前牵引电动机的冷却方式主要有自然冷却、强迫风冷、自通风、充液冷、热管冷却和水冷几种方式，其中水冷方式对于功率密度比较大的牵引电动机应用比较多，例如：低地板城市客车和电动汽车用驱动电机。
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。电机运行时，绕组和铁心的涡流损耗发热，直接传导给机座，机座将大部分的热量传导给内部的冷却水，少部分的热量通过辐射和对流传导给周围的空气，因此，机座内部的储水量、机座与水的接触面积、冷却水的流量直接关系电机的冷却效果。水冷的优点是：
1.可取消风机系统和空气过滤器。
2.尽管异步牵引电动机的转速高、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。
3.由于电机为全封闭结构，电机受到的污染小，因而使用维护周期长，维修成本降低。
4.由于热时间常数比较大，电机的热过载性比较高。
5.电机不工作时也可冷却。
水冷的缺点是：
1.当只对定子进行水冷却时(即采用双壁机壳冷却时)，转子和轴承冷却效果差；
2.所冷却的电机功率比较小，至今最大功率为250KW；
3.对电机的密封性要求比较高；
4.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；
5.需要在外部安装水/空气热交换装置，增加了冷却设备，增加电机运行的维护工作和费用。
根据冷却电机部位不同，水冷有以下几种方式：
1.定子水冷
2.定子水冷+风内冷
3.定子水冷+转子水冷
4.定子水冷+端盖水冷
5.定子水外冷+转子水冷+端盖水冷
水冷的结构有以下几种：
1.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；
2.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。
3.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进入轴内冷却电机轴。轴水冷结构结构复杂，工艺要求高，其可靠性取决与水路的密封性能，而国内的工艺水平并没有很好的解决这个问题，因此没有得到推广，国外西门子和Bombardier已经实现了轴的水冷。
国外的水冷异步牵引电机在上世纪80年代已经开始研究，现在国外大公司都已经形成了自己的系列，这些电机广泛应用于城轨、地铁、城市轻轨车辆上。
国内的水冷牵引电机的研制，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有应用，重庆电机厂、东风电机厂和21所都有相关产品。
但是无论是国内还是国外的水冷牵引电机，采用的都是一种圆形的外壳机座，这种圆形对于高功率密度电机体积有限的情况下，空间将显得十分紧张，从而影响冷却效果。通过试验发现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牵引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牵引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牵引电机实用水冷结构，该结构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，目前圆形外壳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圆形螺旋水道，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牵引电机来说是很不利的，而且采用圆形机座相对来说更占体积。
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，其最优方案是采取“定子水冷+端盖水冷”方式。其特点是牵引电机定子是将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路；电机通过电机机壳内壁圆与外方形外壁所形成的四个轴向直线布置的冷却水道进行冷却。同时还可以在两端的端盖上也开有冷却水道，机座上部分冷却水道与两端的端盖上的水道连通，通过端盖上的环形冷却水道一起形成两条分支迂回的冷却回路，形成“定子水冷+端盖水冷”的冷却方式。牵引电机的冷却是通过方形迂回水道内冷却水和端盖上的环形冷却水道内冷却水循环散热的。
整个牵引电机的冷却水道的走向布置是根据下述原则进行的：冷却水从入水盒(4)进入电机，通过入水口到达第一储水腔；第一储水腔中的冷却水大部分经连接口进入第二储水腔，少部分分成两路：一路由分水口进入后端盖环形水道，再经汇水口汇入第四储水腔；另一路由分水口进入前端盖环形水道，再经汇水口汇入第四储水腔；第二储水腔中的冷却水由连接口进入第三储水腔，再经连接口进入第四储水腔；汇入第四储水腔的冷却水经出水口流入出水盒，流出电机；电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。冷却水道的走向可以根需要反向流动。
本发明的结构是：一种牵引电机水冷结构，包括电机机座、前端盖、后端盖，电机机座径向截面外部为方形、内部为圆形，这样能充分利用空间，电机的安装尺寸较小。且和常规铁心冲片外部圆形匹配，电机机座利用外方内圆几何图形的间隙形成有四个空腔作为储水腔，构成带冷却系统的电机机壳；根据机壳的强度和散热要求，每个储水腔道可以分解成一个以上较小的储水腔，增加水和机壳接触面，有利于热的传导。根据需用，较小的储水腔可以连接成串联水道和并联水道，以减少(或增加)水阻；在机壳上直接开孔连通储水腔，即连接口，形成冷却水回路的主要通路；储水腔有一条支路和前端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第二条支路；储水腔有一条支路和后端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第三条支路；端盖布置环形水道，单路或多路，冷却端盖和轴承；第一储水腔的冷却水分三路汇入第四储水腔，根据电机各部分的发热，用接口截面大小控制各支路的水流量；机壳上部进水、出水。入水盒、出水盒可以方便的同时布置在传动端、非传动端或一端布置一个，连接内部水道。它们处于水路的最上方，能充分利用冷却水的自重，自动排除水道的空气和水蒸气，能有效防止它们集积在水道内、阻塞水路，影响机壳热交换。
机壳内圆环面覆水面大于50％，热的传导效果好；机壳内储水腔的体积大于机壳结构件的体积，储水量大，冷却介质多，热容量大；和相同铁心的风冷机座相比，外形尺寸较小；前、后端盖可以同时得到冷却。机壳内冷却回路阻力小，对冷却水外循环系统的压力和功率要求不高。对进水、出水方向没有限制。机座的轴向长度没有限定，方便电机派生，形成系列产品。除水之外，可以采用其它的对铁、铝、铜无腐蚀性的液体作冷却介质。具有此结构的电机具有水冷却电机的所有共性。
其冷却原理是：通过冷却水的流动，利用温差传导热量，冷却水道周围的零部件，最后达到冷却电机的目的。从原理上来看，改善冷却效果可采取这些措施：①加快冷却介质的流量，②提高冷却介质的热传导性，③加大电机的热容量。
本发明的特点是：
①有效体积的充分利用；
②延长冷却介质驻留在电机内的时间，加长热交换时间；
③增加冷却介质，使同等体积电机的热容量最大；
④热传导增加中间介质，驻留冷却介质和电机进行充分的热交换，流动的介质和驻留冷却介质对流进行热交换，这种热交换的效率非常高；
⑤对冷却介质的流量需求较小，减少辅助设备的成本。
总之，“大量储存，少量流动”是本发明的工作特色，电机的传热冷却效果显著，并得到验证：短时间内电机机座和端盖很容易形成等温体，并形成与电机发热状态时有较大的温度梯度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构纵剖面示意图；
图2为本发明实施例的结构横剖面示意图；
图3为本发明水流途径示意图。
图中：1.出水盒 2.出水口 3.机壳 4.入水盒 5.入水口 6.第一储水腔 7.第一分水口 8.第二分水口 9.第二储水腔 10.连接口 11.第三储水腔 12.第四储水腔 13.第一汇水口 14.第二汇水口 15.后端盖环形水道 16.前端盖环形水道 17.后端盖 18.前端盖 19.连接口 20.后端盖 21.连接口。
具体实施方式
附图给出了本发明的结构示意图和具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
通过附图可以看出，本发明为牵引电机的一种水冷散热方法，以及一种上述方法的结构。该种水冷散热方法仍采用定子水冷方式，其最优方案是采取“定子水冷+端盖水冷”方式。其特点是牵引电机定子是将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，连接孔可以直接开在筋条上；电机通过电机机壳内壁圆与外方形外壁所形成的四个轴向直线布置的冷却水道进行冷却。同时还可以在两端的端盖上也开有冷却水道，机座上部分冷却水道与两端的端盖上的水道连通，通过端盖上的环形冷却水道一起形成两条分支迂回的冷却回路，形成“定子水冷+端盖水冷”的冷却方式。牵引电机的冷却是通过方形迂回水道内冷却水和端盖上的环形冷却水道内冷却水循环散热的。
实施例一
一种牵引电机水冷结构，牵引电机的散热是通过一种外方内圆形的四水道冷却定子散热结构进行散热的，即牵引电机的散热是通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，牵引电机的冷却是通过方形迂回水道内冷却水循环散热的。电机水冷结构包括电机机壳3、前端盖18、后端盖20，电机机座2径向截面外部为方形、内部为圆形。且和常规铁心冲片外部圆形匹配，电机机座利用外方内圆几何图形的间隙形成有四个空腔作为储水腔6、9、11、12，构成带冷却系统的电机机壳3；在电机机壳3上直接开有连接孔连通储水腔，形成冷却水回路的主要通路；前端盖和后端盖不设冷却水回路；机壳上部进水、出水。入水盒4、出水盒1可以方便的同时布置在传动端、非传动端或一端布置一个，连接内部水道。它们处于水路的最上方，能充分利用冷却水的自重，自动排除水道的空气和水蒸气，能有效防止它们集积在水道内、阻塞水路，影响机壳热交换。
整个牵引电机的冷却水道的走向布置是根据下述原则进行的：冷却水从入水盒4进入电机，通过入水口5到达第一储水腔6；第一储水腔6中的冷却水经连接口21进入第二储水腔9；第二储水腔中9的冷却水由连接口10进入第三储水腔11，再经连接口19进入第四储水腔12；汇入第四储水腔12的冷却水经出水口2流入出水盒1，流出电机；电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。冷却水道的走向可以根需要反向流动。
实施例二
一种牵引电机水冷结构，牵引电机的散热是通过一种外方内圆形的四水道冷却定子散热结构与端盖上的环形冷却水道一起形成迂回方式布置的冷却回路所构成的定子散热结构进行散热的。电机机壳3、前端盖18、后端盖20，电机机座2径向截面外部为方形、内部为圆形。这样能充分利用空间，电机的安装尺寸较小。且和常规铁心冲片外部圆形匹配，电机机座利用外方内圆几何图形的间隙形成有四个空腔作为储水腔6、9、11、12，构成带冷却的电机机壳3；在电机机壳3上直接开孔连通储水腔，即连接口10、19、21，形成冷却水回路的主要通路。根据需用，较小的储水腔可以连接成串联水道和并联水道，以减少或增加水阻；在电机机壳3第一储水腔6上有一条支路和前端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第一条分支路；同时，在第一储水腔6还有一条支路和后端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第二条分支路；端盖布置环形水道，单路或多路，冷却端盖和轴承；第一储水腔6的冷却水分三路汇入第四储水腔12，根据电机各部分的发热，可以通过控制连接口的孔径大小，控制各支路的水流量；机壳上部进水、出水。入水盒4、出水盒1可以方便的同时布置在传动端、非传动端或一端布置一个，连接内部水道。它们处于水路的最上方，能充分利用冷却水的自重，自动排除水道的空气和水蒸气，能有效防止它们集积在水道内、阻塞水路，影响机壳热交换。
整个牵引电机的冷却水道的走向布置是根据下述原则进行的：冷却水从入水盒4进入电机，通过入水口5到达第一储水腔6；第一储水腔6中的冷却水大部分经连接口19进入第二储水腔9，少部分分成两路：一路由第一分水口7进入后端盖环形水道15，再经第一汇水口13汇入第四储水腔12；另一路由第二分水口8进入前端盖环形水道16，再经第二汇水口14汇入第四储水腔12；第二储水腔中9的冷却水由连接口10进入第三储水腔11，再经连接口21进入第四储水腔12；汇入第四储水腔12的冷却水经出水口2流入出水盒1，流出电机；电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。冷却水道的走向可以根需要反向流动。
实施例三
实施例三的冷却方式与实施例二是一样的，只是为了增加水和机壳接触面，有利于热的传导，将电机机壳3的四个角所形成的储水腔6、9、11、12，再把每个储水腔道还可以分解成一个以上更小的储水腔，并通过连接孔把每一个分储水腔采取直接或迂回的方式连通起来，形成直接或迂回冷却水道。
Claims (9)
1、一种牵引电机的水冷却方法，采用定子水冷方式，其特征在于：将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，连接孔直接开在筋条上；电机通过电机机壳内壁圆与外方形外壁所形成的四个轴向直线布置的冷却水道进行冷却。
2、一种用于牵引电机的水冷却方法，采用定子水冷+端盖水冷方式，其特征在于：将定子机座改为外方内圆形的四水道冷却结构，通过在定子机座内沿定子机座内壁圆与外方形外壁所形成的四个角，构成四个轴向直线布置的冷却水道，并通过在机座内环与外方形外壳最薄处所形成的筋条予以相互隔开，然后再通过连接孔联成一迂回方式布置的冷却回路，连接孔直接开在筋条上；同时还可以在两端的端盖上也开有冷却水道，机座上部分冷却水道与两端的端盖上的水道连通，通过端盖上的环形冷却水道一起形成两条分支迂回的冷却回路，形成“定子水冷+端盖水冷”的冷却方式，牵引电机的冷却是通过方形迂回水道内冷却水和端盖上的环形冷却水道内冷却水循环散热的。
3、如权利要求2所述的牵引电机的水冷却方法，其特征在于：所述的牵引电机的定子散热结构的冷却水道走向布置是根据下述原则进行的：冷却水从入水盒进入电机，通过入水口到达第一储水腔；第一储水腔中的冷却水大部分经连接口进入第二储水腔，少部分分成两路：一路由分水口进入后端盖环形水道，再经汇水口汇入第四储水腔；另一路由分水口进入前端盖环形水道，再经汇水口汇入第四储水腔；第二储水腔中的冷却水由连接口进入第三储水腔，再经连接口进入第四储水腔；汇入第四储水腔的冷却水经出水口流入出水盒，流出电机；电机外部通过出水盒、入水盒进行冷却水循环。
4、如权利要求1或2所述的牵引电机的水冷却方法，其特征在于：所述的冷却水道的走向可以根需要反向流动。
5、一种如权利要求1或2所述水冷却方法的牵引电机水冷却装置，包括电机机座、前端盖、后端盖，其特征在于：电机机座径向截面外部为方形、内部为圆形，且和常规铁心冲片外部圆形匹配，电机机座利用外方内圆几何图形的间隙形成有四个空腔作为储水腔，构成带冷却系统的电机机壳；在机壳上直接开孔连通储水腔，即连接口，形成冷却水回路的主要通路；机壳上部进水、出水；入水盒、出水盒处于水路的最上方。
6、如权利要求5所述的牵引电机水冷却装置，其特征在于：所述的入水盒、出水盒可以同时布置在传动端、非传动端或一端布置一个，并连接内部水道。
7、如权利要求5所述的牵引电机水冷却装置，其特征在于：在电机机壳上直接开有连接孔连通储水腔，形成冷却水回路的主要通路。
8、如权利要求5所述的牵引电机水冷却装置，其特征在于：在电机机壳第一储水腔6上有一条支路和前端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第一条分支路；同时，在第一储水腔还有一条支路和后端盖的冷却水路连通，形成冷却水回路的第二条分支路；端盖布置环形水道，单路或多路，冷却端盖和轴承；第一储水腔的冷却水分三路汇入第四储水腔。
9、如权利要求5所述的牵引电机水冷却装置，其特征在于：电机机壳的四个角所形成的储水腔，且每个储水腔道分解成一个以上更小的储水腔，并通过连接孔把每一个分储水腔采取直接或迂回的方式连通起来，形成直接或迂回冷却水道。
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