專利名稱：一種用于牽引電機的水冷卻方法及結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種牽引電機的冷卻方法，特別是指一種牽引電機的定子水冷卻方法；本發(fā)明還涉一種牽引電機的冷卻裝置結構，尤其是指一種牽引電機定子的水冷裝置結構。
背景技術：
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(chǎn)生的損耗較高，電機的發(fā)熱比較嚴重，因此必須進電機的冷卻系統(tǒng)，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，其中水冷方式對于功率密度比較大的牽引電動機應用比較多，例如低地板城市客車和電動汽車用驅(qū)動電機。
用水作冷卻介質(zhì)，帶走電機運行所產(chǎn)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，繞組和鐵心的渦流損耗發(fā)熱，直接傳導給機座，機座將大部分的熱量傳導給內(nèi)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(nèi)部的儲水量、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(yōu)點是1.可取消風機系統(tǒng)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(chǎn)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，因而使用維護周期長，維修成本降低。
4.由于熱時間常數(shù)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.需要在外部安裝水/空氣熱交換裝置，增加了冷卻設備，增加電機運行的維護工作和費用。
根據(jù)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(nèi)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(nèi)埋置螺旋狀銅管，或內(nèi)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來實現(xiàn)的，軸水冷是將冷卻水經(jīng)過噴射進入軸內(nèi)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(nèi)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已經(jīng)實現(xiàn)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(jīng)開始研究，現(xiàn)在國外大公司都已經(jīng)形成了自己的系列，這些電機廣泛應用于城軌、地鐵、城市輕軌車輛上。
國內(nèi)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(chǎn)品。
但是無論是國內(nèi)還是國外的水冷牽引電機，采用的都是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，從而影響冷卻效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)將現(xiàn)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(tǒng)加以改進，以提高其散熱能力是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)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方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種上述方法的牽引電機實用水冷結構，該結構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(fā)現(xiàn)，目前圓形外殼定子水冷的效果不好，主要是現(xiàn)有的定子水冷的覆水面積過小，水冷機座容水的體積小，所以水循環(huán)帶走的熱量少，而且現(xiàn)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(xiàn)電機一端過熱現(xiàn)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。
本發(fā)明的目的是通過下述技術方案予以實現(xiàn)的仍采用定子水冷方式，其最優(yōu)方案是采取“定子水冷+端蓋水冷”方式。其特點是牽引電機定子是將定子機座改為外方內(nèi)圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)成一迂回方式布置的冷卻回路；電機通過電機機殼內(nèi)壁圓與外方形外壁所形成的四個軸向直線布置的冷卻水道進行冷卻。同時還可以在兩端的端蓋上也開有冷卻水道，機座上部分冷卻水道與兩端的端蓋上的水道連通，通過端蓋上的環(huán)形冷卻水道一起形成兩條分支迂回的冷卻回路，形成“定子水冷+端蓋水冷”的冷卻方式。牽引電機的冷卻是通過方形迂回水道內(nèi)冷卻水和端蓋上的環(huán)形冷卻水道內(nèi)冷卻水循環(huán)散熱的。
整個牽引電機的冷卻水道的走向布置是根據(jù)下述原則進行的冷卻水從入水盒(4)進入電機，通過入水口到達第一儲水腔；第一儲水腔中的冷卻水大部分經(jīng)連接口進入第二儲水腔，少部分分成兩路一路由分水口進入后端蓋環(huán)形水道，再經(jīng)匯水口匯入第四儲水腔；另一路由分水口進入前端蓋環(huán)形水道，再經(jīng)匯水口匯入第四儲水腔；第二儲水腔中的冷卻水由連接口進入第三儲水腔，再經(jīng)連接口進入第四儲水腔；匯入第四儲水腔的冷卻水經(jīng)出水口流入出水盒，流出電機；電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環(huán)。冷卻水道的走向可以根需要反向流動。
本發(fā)明的結構是一種牽引電機水冷結構，包括電機機座、前端蓋、后端蓋，電機機座徑向截面外部為方形、內(nèi)部為圓形，這樣能充分利用空間，電機的安裝尺寸較小。且和常規(guī)鐵心沖片外部圓形匹配，電機機座利用外方內(nèi)圓幾何圖形的間隙形成有四個空腔作為儲水腔，構成帶冷卻系統(tǒng)的電機機殼；根據(jù)機殼的強度和散熱要求，每個儲水腔道可以分解成一個以上較小的儲水腔，增加水和機殼接觸面，有利于熱的傳導。根據(jù)需用，較小的儲水腔可以連接成串聯(lián)水道和并聯(lián)水道，以減少(或增加)水阻；在機殼上直接開孔連通儲水腔，即連接口，形成冷卻水回路的主要通路；儲水腔有一條支路和前端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第二條支路；儲水腔有一條支路和后端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第三條支路；端蓋布置環(huán)形水道，單路或多路，冷卻端蓋和軸承；第一儲水腔的冷卻水分三路匯入第四儲水腔，根據(jù)電機各部分的發(fā)熱，用接口截面大小控制各支路的水流量；機殼上部進水、出水。入水盒、出水盒可以方便的同時布置在傳動端、非傳動端或一端布置一個，連接內(nèi)部水道。它們處于水路的最上方，能充分利用冷卻水的自重，自動排除水道的空氣和水蒸氣，能有效防止它們集積在水道內(nèi)、阻塞水路，影響機殼熱交換。
機殼內(nèi)圓環(huán)面覆水面大于50％，熱的傳導效果好；機殼內(nèi)儲水腔的體積大于機殼結構件的體積，儲水量大，冷卻介質(zhì)多，熱容量大；和相同鐵心的風冷機座相比，外形尺寸較??；前、后端蓋可以同時得到冷卻。機殼內(nèi)冷卻回路阻力小，對冷卻水外循環(huán)系統(tǒng)的壓力和功率要求不高。對進水、出水方向沒有限制。機座的軸向長度沒有限定，方便電機派生，形成系列產(chǎn)品。除水之外，可以采用其它的對鐵、鋁、銅無腐蝕性的液體作冷卻介質(zhì)。具有此結構的電機具有水冷卻電機的所有共性。
其冷卻原理是通過冷卻水的流動，利用溫差傳導熱量，冷卻水道周圍的零部件，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(zhì)的流量，②提高冷卻介質(zhì)的熱傳導性，③加大電機的熱容量。
本發(fā)明的特點是①有效體積的充分利用；②延長冷卻介質(zhì)駐留在電機內(nèi)的時間，加長熱交換時間；③增加冷卻介質(zhì)，使同等體積電機的熱容量最大；④熱傳導增加中間介質(zhì)，駐留冷卻介質(zhì)和電機進行充分的熱交換，流動的介質(zhì)和駐留冷卻介質(zhì)對流進行熱交換，這種熱交換的效率非常高；⑤對冷卻介質(zhì)的流量需求較小，減少輔助設備的成本。
總之，“大量儲存，少量流動”是本發(fā)明的工作特色，電機的傳熱冷卻效果顯著，并得到驗證短時間內(nèi)電機機座和端蓋很容易形成等溫體，并形成與電機發(fā)熱狀態(tài)時有較大的溫度梯度。


圖1為本發(fā)明實施例的結構縱剖面示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例的結構橫剖面示意圖；圖3為本發(fā)明水流途徑示意圖。
圖中1.出水盒 2.出水口 3.機殼 4.入水盒 5.入水口 6.第一儲水腔 7.第一分水口 8.第二分水口 9.第二儲水腔 10.連接口 11.第三儲水腔 12.第四儲水腔 13.第一匯水口 14.第二匯水口 15.后端蓋環(huán)形水道 16.前端蓋環(huán)形水道 17.后端蓋 18.前端蓋 19.連接口 20.后端蓋 21.連接口。
具體實施例方式
附圖給出了本發(fā)明的結構示意圖和具體實施例，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
通過附圖可以看出，本發(fā)明為牽引電機的一種水冷散熱方法，以及一種上述方法的結構。該種水冷散熱方法仍采用定子水冷方式，其最優(yōu)方案是采取“定子水冷+端蓋水冷”方式。其特點是牽引電機定子是將定子機座改為外方內(nèi)圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)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；電機通過電機機殼內(nèi)壁圓與外方形外壁所形成的四個軸向直線布置的冷卻水道進行冷卻。同時還可以在兩端的端蓋上也開有冷卻水道，機座上部分冷卻水道與兩端的端蓋上的水道連通，通過端蓋上的環(huán)形冷卻水道一起形成兩條分支迂回的冷卻回路，形成“定子水冷+端蓋水冷”的冷卻方式。牽引電機的冷卻是通過方形迂回水道內(nèi)冷卻水和端蓋上的環(huán)形冷卻水道內(nèi)冷卻水循環(huán)散熱的。
實施例一一種牽引電機水冷結構，牽引電機的散熱是通過一種外方內(nèi)圓形的四水道冷卻定子散熱結構進行散熱的，即牽引電機的散熱是通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)成一迂回方式布置的冷卻回路，牽引電機的冷卻是通過方形迂回水道內(nèi)冷卻水循環(huán)散熱的。電機水冷結構包括電機機殼3、前端蓋18、后端蓋20，電機機座2徑向截面外部為方形、內(nèi)部為圓形。且和常規(guī)鐵心沖片外部圓形匹配，電機機座利用外方內(nèi)圓幾何圖形的間隙形成有四個空腔作為儲水腔6、9、11、12，構成帶冷卻系統(tǒng)的電機機殼3；在電機機殼3上直接開有連接孔連通儲水腔，形成冷卻水回路的主要通路；前端蓋和后端蓋不設冷卻水回路；機殼上部進水、出水。入水盒4、出水盒1可以方便的同時布置在傳動端、非傳動端或一端布置一個，連接內(nèi)部水道。它們處于水路的最上方，能充分利用冷卻水的自重，自動排除水道的空氣和水蒸氣，能有效防止它們集積在水道內(nèi)、阻塞水路，影響機殼熱交換。
整個牽引電機的冷卻水道的走向布置是根據(jù)下述原則進行的冷卻水從入水盒4進入電機，通過入水口5到達第一儲水腔6；第一儲水腔6中的冷卻水經(jīng)連接口21進入第二儲水腔9；第二儲水腔中9的冷卻水由連接口10進入第三儲水腔11，再經(jīng)連接口19進入第四儲水腔12；匯入第四儲水腔12的冷卻水經(jīng)出水口2流入出水盒1，流出電機；電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環(huán)。冷卻水道的走向可以根需要反向流動。
實施例二一種牽引電機水冷結構，牽引電機的散熱是通過一種外方內(nèi)圓形的四水道冷卻定子散熱結構與端蓋上的環(huán)形冷卻水道一起形成迂回方式布置的冷卻回路所構成的定子散熱結構進行散熱的。電機機殼3、前端蓋18、后端蓋20，電機機座2徑向截面外部為方形、內(nèi)部為圓形。這樣能充分利用空間，電機的安裝尺寸較小。且和常規(guī)鐵心沖片外部圓形匹配，電機機座利用外方內(nèi)圓幾何圖形的間隙形成有四個空腔作為儲水腔6、9、11、12，構成帶冷卻的電機機殼3；在電機機殼3上直接開孔連通儲水腔，即連接口10、19、21，形成冷卻水回路的主要通路。根據(jù)需用，較小的儲水腔可以連接成串聯(lián)水道和并聯(lián)水道，以減少或增加水阻；在電機機殼3第一儲水腔6上有一條支路和前端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第一條分支路；同時，在第一儲水腔6還有一條支路和后端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第二條分支路；端蓋布置環(huán)形水道，單路或多路，冷卻端蓋和軸承；第一儲水腔6的冷卻水分三路匯入第四儲水腔12，根據(jù)電機各部分的發(fā)熱，可以通過控制連接口的孔徑大小，控制各支路的水流量；機殼上部進水、出水。入水盒4、出水盒1可以方便的同時布置在傳動端、非傳動端或一端布置一個，連接內(nèi)部水道。它們處于水路的最上方，能充分利用冷卻水的自重，自動排除水道的空氣和水蒸氣，能有效防止它們集積在水道內(nèi)、阻塞水路，影響機殼熱交換。
整個牽引電機的冷卻水道的走向布置是根據(jù)下述原則進行的冷卻水從入水盒4進入電機，通過入水口5到達第一儲水腔6；第一儲水腔6中的冷卻水大部分經(jīng)連接口19進入第二儲水腔9，少部分分成兩路一路由第一分水口7進入后端蓋環(huán)形水道15，再經(jīng)第一匯水口13匯入第四儲水腔12；另一路由第二分水口8進入前端蓋環(huán)形水道16，再經(jīng)第二匯水口14匯入第四儲水腔12；第二儲水腔中9的冷卻水由連接口10進入第三儲水腔11，再經(jīng)連接口21進入第四儲水腔12；匯入第四儲水腔12的冷卻水經(jīng)出水口2流入出水盒1，流出電機；電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環(huán)。冷卻水道的走向可以根需要反向流動。
實施例三實施例三的冷卻方式與實施例二是一樣的，只是為了增加水和機殼接觸面，有利于熱的傳導，將電機機殼3的四個角所形成的儲水腔6、9、11、12，再把每個儲水腔道還可以分解成一個以上更小的儲水腔，并通過連接孔把每一個分儲水腔采取直接或迂回的方式連通起來，形成直接或迂回冷卻水道。
權利要求
1.一種牽引電機的水冷卻方法，采用定子水冷方式，其特征在于將定子機座改為外方內(nèi)圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)成一迂回方式布置的冷卻回路，連接孔直接開在筋條上；電機通過電機機殼內(nèi)壁圓與外方形外壁所形成的四個軸向直線布置的冷卻水道進行冷卻。
2.一種用于牽引電機的水冷卻方法，采用定子水冷+端蓋水冷方式，其特征在于將定子機座改為外方內(nèi)圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)成一迂回方式布置的冷卻回路，連接孔直接開在筋條上；同時還可以在兩端的端蓋上也開有冷卻水道，機座上部分冷卻水道與兩端的端蓋上的水道連通，通過端蓋上的環(huán)形冷卻水道一起形成兩條分支迂回的冷卻回路，形成“定子水冷+端蓋水冷”的冷卻方式，牽引電機的冷卻是通過方形迂回水道內(nèi)冷卻水和端蓋上的環(huán)形冷卻水道內(nèi)冷卻水循環(huán)散熱的。
3.如權利要求2所述的牽引電機的水冷卻方法，其特征在于所述的牽引電機的定子散熱結構的冷卻水道走向布置是根據(jù)下述原則進行的冷卻水從入水盒進入電機，通過入水口到達第一儲水腔；第一儲水腔中的冷卻水大部分經(jīng)連接口進入第二儲水腔，少部分分成兩路一路由分水口進入后端蓋環(huán)形水道，再經(jīng)匯水口匯入第四儲水腔；另一路由分水口進入前端蓋環(huán)形水道，再經(jīng)匯水口匯入第四儲水腔；第二儲水腔中的冷卻水由連接口進入第三儲水腔，再經(jīng)連接口進入第四儲水腔；匯入第四儲水腔的冷卻水經(jīng)出水口流入出水盒，流出電機；電機外部通過出水盒、入水盒進行冷卻水循環(huán)。
4.如權利要求1或2所述的牽引電機的水冷卻方法，其特征在于所述的冷卻水道的走向可以根需要反向流動。
5.一種如權利要求1或2所述水冷卻方法的牽引電機水冷卻裝置，包括電機機座、前端蓋、后端蓋，其特征在于電機機座徑向截面外部為方形、內(nèi)部為圓形，且和常規(guī)鐵心沖片外部圓形匹配，電機機座利用外方內(nèi)圓幾何圖形的間隙形成有四個空腔作為儲水腔，構成帶冷卻系統(tǒng)的電機機殼；在機殼上直接開孔連通儲水腔，即連接口，形成冷卻水回路的主要通路；機殼上部進水、出水；入水盒、出水盒處于水路的最上方。
6.如權利要求5所述的牽引電機水冷卻裝置，其特征在于所述的入水盒、出水盒可以同時布置在傳動端、非傳動端或一端布置一個，并連接內(nèi)部水道。
7.如權利要求5所述的牽引電機水冷卻裝置，其特征在于在電機機殼上直接開有連接孔連通儲水腔，形成冷卻水回路的主要通路。
8.如權利要求5所述的牽引電機水冷卻裝置，其特征在于在電機機殼第一儲水腔6上有一條支路和前端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第一條分支路；同時，在第一儲水腔還有一條支路和后端蓋的冷卻水路連通，形成冷卻水回路的第二條分支路；端蓋布置環(huán)形水道，單路或多路，冷卻端蓋和軸承；第一儲水腔的冷卻水分三路匯入第四儲水腔。
9.如權利要求5所述的牽引電機水冷卻裝置，其特征在于電機機殼的四個角所形成的儲水腔，且每個儲水腔道分解成一個以上更小的儲水腔，并通過連接孔把每一個分儲水腔采取直接或迂回的方式連通起來，形成直接或迂回冷卻水道。
全文摘要
一種用于牽引電機的水冷卻方法及結構，采用定子水冷方式，將定子機座改為外方內(nèi)圓形的四水道冷卻結構，通過在定子機座內(nèi)沿定子機座內(nèi)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(nèi)環(huán)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(lián)成一迂回方式布置的冷卻回路；電機通過電機機殼內(nèi)壁圓與外方形外壁所形成的四個軸向直線布置的冷卻水道進行冷卻。同時在兩端的端蓋上也開有冷卻水道，機座上部分冷卻水道與兩端的端蓋上的水道連通，通過端蓋上的環(huán)形冷卻水道一起形成兩條分支迂回的冷卻回路。牽引電機的冷卻是通過方形迂回水道內(nèi)冷卻水和端蓋上的環(huán)形冷卻水道內(nèi)冷卻水循環(huán)散熱的。
文檔編號H02K5/20GK1937365SQ20061003241
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權日2006年10月17日
發(fā)明者李華湘, 李意豐, 符敏利 申請人:中國南車集團株洲電力機車研究所