水冷电机及电机冷却方法.pdf

本发明的目提供了一种加工工艺简单、维护成本低、冷却效果出色的机座式水冷电机及电机冷却方法。该水冷电机，在机座中部的外表面设置了多个便于安装和拆卸的水冷冷却单元，通过在电机内部设置通风槽，形成水冷和风冷两个冷却循环。本发明可有效避免冷却液腐蚀、损坏电机主要零件，与传统机座相比，一方面可方便地检测腐蚀情况，另一方面可简便地更换被腐蚀的组件，使得机座在电机寿命期限内基本不需考虑更换，大大降低了电机的维护成本；水冷循环在对电机直接进行冷却的同时，还可以对电机内部风冷循环产生的热空气进行冷却，大大改善了电机的冷却效果，可使电机长期稳定地进行工作。

1.  水冷电机，包括机座，机座中部的内表面紧贴定子铁心，其特征在于：机座中部的外表面具有多个沿电机轴向设置的辅助板，相邻的辅助板之间形成多个沿电机轴向的沟槽，所述多个沟槽中均设有可拆卸的冷却管，冷却液可在冷却管中流动，所述辅助板沿电机轴向一端的外侧设有环绕机座外表面的进水多通管，所述进水多通管上设有至少一个进水口，辅助板沿电机轴向另一端的外侧设有环绕机座外表面的排水多通管，所述排水多通管上设有至少一个排水口，所述冷却管的两端分别与进水多通管和排水多通管连通。

2.  如权利要求1所述的水冷电机，其特征在于：所述辅助板的内部为空心结构，与电机定子铁心之间形成沿电机轴向的通风槽。

3.  如权利要求1所述的水冷电机，其特征在于：所述进水多通管和排水多通管为数量相等并彼此相对应的多根，相对应的进水多通管和排水多通管的弧长相等。

4.  如权利要求3所述的水冷电机，其特征在于：所述进水多通管和排水多通管的数量不少于四个。

5.  如权利要求3所述的水冷电机，其特征在于：任意一个进水多通管和排水多通管的弧度不大于90度。

6.  如权利要求1至5任一所述的水冷电机，其特征在于：进水多通管和排水多通管沿电机轴向的外侧均设有环绕机座外表面的环形立板，两环形立板之间设有多块可拆卸的圆弧形盖板。

7.  如权利要求6所述的水冷电机，其特征在于：相邻的进水多通管和排水多通管之间的辅助板沿电机轴向的两端与两环形立板连接。

8.  如权利要求1所述的水冷电机，其特征在于：定子绕组的两端具有环绕定子绕组设置的端部冷却管，冷却液可在端部冷却管中流动，冷却管的进水口和排水口从机座内部伸出，设置在机座的外表面。

9.  电机冷却方法，应用该冷却方法的电机包括机座，机座中部的内表面紧贴定子铁心，其特征在于：机座中部的外表面具有多个沿电机轴向设置的辅助板，所述辅助板的内部为空心结构，与电机定子铁心之间形成沿电机轴向的通风槽，相邻的辅助板之间形成多个沿电机轴向的沟槽，所述多个沟槽中均设有可拆卸的冷却管，冷却液可在冷却管中流动，所述辅助板沿电机轴向一端的外侧设有环绕机座外表面的进水多通管，所述进水多通管上设有至少一个进水口，辅助板沿电机轴向另一端的外侧设有环绕机座外表面的排水多通管，所述排水多通管上设有至少一个排水口，所述冷却管的两端分别与进水多通管和排水多通管连通，电机运行后，向进水多通管的进水口通入冷却液，冷却液经进水多通管、冷却管、排水多通管从排水多通管的排水口排出形成水冷循环，在直接对电机内部进行冷却的同时，对电机内部风冷循环经过通风槽的热空气进行冷却。

水冷电机及电机冷却方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种水冷电机及电机冷方法。
背景技术
中大型电机冷却方式多种多样，包括空冷、液冷、蒸发冷却等，但在中大型电机应用中，综合冷却系能和经济成本，主要以空冷为主。空气冷却在结构上简单，费用低廉，维护方便，这些显著优点使得空气冷却首先得到了应用和发展，但是，随着电机容量的增加，电机发热量也在增加，要强化冷却就必须加大通风量，从而增加通风损耗，降低电机效率，电机液冷系统随之产生。
关于电机液冷方式，早在1917年，匈牙利冈次茨工厂就曾用变压器油作牵引电机的冷却方式。1956年，英国开始采用净化水冷却电机定子绕组。目前绕组采用水冷已相当普遍。液体的比热，导热系数比气体大，所以液冷的散热能力较空气冷却大为提高。水是很好的冷却介质，它具有很大的比热和导热系统，价廉无毒，不阻燃，无爆炸危险，冷却效果显著等优点。
水冷电机的水冷系统一般分两种形式，一种是在电机外部加水空冷却器，电机内部热量由内部空气循环系统带到外部水空冷却器，并在此完成与外循环系统中的水介质的热交换，从而不断将电机热量带走；另一种是直接在机座内部开设水道，直接对电机进行冷却，即机座式水冷电机。
机座式水冷电机的机座可采用钢板焊接和铸造两种工艺。对于钢板焊接结构，其制造工序一般是先选用合适钢板圈成简单筒件，筒件内径略小于定子铁心外径，然后再筒件外壁焊接一块块长条钢板，钢板方向沿轴向(轴向水槽)或切向(螺旋水槽)视具体结构而定，接着再这些水槽外部以整块或数块钢板将水槽封闭成水道。这些水道的首末两端开有进出水口，工作时，接外部水循环系统，实现对电机冷却的目的。焊接水冷机座强度高，刚度高，使用寿命长等优点，但材料及加工成本高。铸造水冷机座结构与焊接结构基本一致，但材料成本和制造成本大大降低，缺点是容易产生无法预知的铸造缺陷，例如铸造机座需要后续机加工以开设进出水口，如果加工位置出现铸造气泡，将会产生密封问题，甚至使此机座不能使用。
两种工艺的水冷机座除上述特性外，还有一些共同的缺点。水和机座直接接触，将会对机座产生腐蚀，由于机座直接和定子铁心也是直接接触，一旦机座因腐蚀而发生渗漏，将会迅速破坏电机定子绕组绝缘，损坏电机，且腐蚀破坏的初期阶段不能在定期维护中被提早发现；维护技术难度大，不论采用何种水道结构，水道均会有一定长度，对其维护有相当大程度；维护成本高，一旦发现水道有腐蚀破坏现象，对于焊接结构还好，可在腐蚀处切除外围钢板，对腐蚀处进行修复及防腐处理等，但这些经维护的地方又会很快出现同样问题，铸造机座则只有更换新件一种办法。对于利润空间越来越小的中大型电机，因此产生的高维护成本极有可能超过其利润，如能有一种结构在不降低冷却的前提下，大大降低维护成本，将会有非常大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是解决传统钢板及铸造机座式水冷电机中出现的加工工艺复杂，维护成本高等问题，提供了一种加工工艺简单、维护成本低、冷却效果出色的机座式水冷电机及电机冷却方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
本发明的第一方面，一种水冷电机，包括机座，机座中部的内表面紧贴定子铁心，其特征在于：机座中部的外表面具有多个沿电机轴向设置的辅助板，相邻的辅助板之间形成多个沿电机轴向的沟槽，所述多个沟槽中均设有可拆卸的冷却管，冷却液可在冷却管中流动，所述辅助板沿电机轴向一端的外侧设有环绕机座外表面的进水多通管，所述进水多通管上设有至少一个进水口，辅助板沿电机轴向另一端的外侧设有环绕机座外表面的排水多通管，所述排水多通管上设有至少一个排水口，所述冷却管的两端分别与进水多通管和排水多通管连通。
本发明中，所述辅助板的内部为空心结构，与电机定子铁心之间形成沿电机轴向的通风槽，电机内风冷循环的热空气在通过通风槽时，可方便地被设置在辅助板之间沟槽中的冷却管冷却，使得电机内部风冷循环的效果大大提高。
本发明中，所述进水多通管和排水多通管为数量相等并彼此相对应的多根，相对应的进水多通管和排水多通管的弧长相等，相对应的进水多通管和排水多通管与二者之间连通的至少两根冷却管构成一个冷却单元。
所述进水多通管和排水多通管的数量不少于四个，任意一个进水多通管和排水多通管的弧度不大于90度，以便于水冷单元在机座外表面安装。
本发明中，为了对冷却管、进水多通管、排水多通管进行限位和保护，进水多通管和排水多通管沿电机轴向的外侧均设有环绕机座外表面的环形立板，两环形立板之间设有多块可拆卸的圆弧形盖板。
本发明中，相邻的进水多通管和排水多通管之间的辅助板沿电机轴向的两端与两环形立板连接，一方面对整个电机机座起加强作用，另一方面对相邻的两个水冷单元进行分隔。
本发明中，定子绕组的两端具有环绕定子绕组设置的端部冷却管，冷却液可在端部冷却管中流动，冷却管的进水口和排水口从机座内部伸出，设置在机座的外表面。
本发明的第二方面，一种电机冷却方法，应用该冷却方法的电机包括机座，机座中部的内表面紧贴定子铁心，其特征在于：机座中部的外表面具有多个沿电机轴向设置的辅助板，所述辅助板的内部为空心结构，与电机定子铁心之间形成沿电机轴向的通风槽，相邻的辅助板之间形成多个沿电机轴向的沟槽，所述多个沟槽中均设有可拆卸的冷却管，冷却液可在冷却管中流动，所述辅助板沿电机轴向一端的外侧设有环绕机座外表面的进水多通管，所述进水多通管上设有至少一个进水口，辅助板沿电机轴向另一端的外侧设有环绕机座外表面的排水多通管，所述排水多通管上设有至少一个排水口，所述冷却管的两端分别与进水多通管和排水多通管连通，电机运行后，向进水多通管的进水口通入冷却液，冷却液经进水多通管、冷却管、排水多通管从排水多通管的排水口排出形成水冷循环，在直接对电机内部进行冷却的同时，对电机内部风冷循环经过通风槽的热空气进行冷却。
本发明冷却液通过独立的冷却管与机座接触，可有效避免冷却液腐蚀、损坏电机主要零件，与传统机座相比，一方面可方便地检测腐蚀情况，另一方面即使发生腐蚀情况，只要更换漏液的冷却管即可，机座在电机寿命期限内基本不需考虑更换，大大降低了电机的维护成本；冷却管可采用液压胀型进行加工，工艺简单，成本低，且易标准化；水冷循环在对电机直接进行冷却的同时，还可以对电机内部风冷循环产生的热空气进行冷却，大大改善了电机的冷却效果，可使电机长期稳定地进行工作。
附图说明
图1为本发明电机的结构示意图。
图2为本发明机座中部的径向剖视图。
图3为本发明进水多通管、排水多通管、冷却管的连接结构示意图。
图4绕组端部冷却管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1、图2，本发明的机座式水冷电机，为了便于说明本发明的结构，图中将电机包括转子在内的无关部分进行了省略。机座10是本发明的主要部分，通常电机的定子铁心11设置在机座10的中部，并紧贴机座10中部的内表面，这一部分也是电机热量产生最大的地方，因此对散热的需求也比较高。
本发明为了电机的中部进行冷却，在机座10的中部的外表面沿电机轴向设置了多个辅助板2，辅助板2具有一定的宽度和厚度，因此相邻的辅助板2之间形成了多个沿电机轴向的沟槽3，本发明在每个沟槽3中设置了独立的冷却管4(图2中为了便于展示沟槽3的结构，对冷却管4进行了省略)，冷却管4中流动冷却液。这样，冷却液没有与机座10直接接触，完全避免了对机座10以及电机的内部元件的腐蚀。由于机座10中部的厚度并不是很大，并且其内表面紧贴定子铁心11，冷却管4可采样导热性能比较好的铜管或者铝管，与冷却液直接接触机座10相比冷却效果并不会明显降低，但冷却管4的更换却变得异常方便。
沟槽3的底面若不进行处理将是圆弧面，也可进行处理使之近似与平面，无论沟槽3的底面是何种形式，冷却管4应与之相同，使得冷却管3与机座10的外表面的接触面积最大，同时冷却管4的侧壁与其两侧的辅助板2的侧壁也应具备相同的形状，以保持最大的接触面积，以最大程度地增强冷却管4的散热效果。
参见图2，辅助板2的内部为空心结构，这样与电机定子铁心11之间形成了多个沿电机轴向的通风槽21，电机内部风冷循环的空气经过在电机内部一半的行程后，形成的热空气可进入通风槽21，由于通风槽21周围布满冷却管4，热空气与冷却管4接触面接大，而且距离很近，热空气会被迅速降温，经过通风槽21之后被冷却的空气可继续对电机的另一端进行冷却。而一般的电机风冷循环，空气达到电机的另一端时，温度已经很高了，对电机另一端的冷却效果将明显下降。这样，冷却管4在对电机内部直接冷却的同时，同时可对电机内部风冷循环过程中产生的热空气进行冷却，大大改善了电机内部的风冷循环效果。对电机两侧进风的风冷循环，空气到达机座10中部也可同样进行冷却，同样可以改善风冷循环的冷却效果。对于电机内部的风冷循环，本领域的技术人员应该了解其基本原理和组件构成，在此就不进行累述了。
本发明沟槽3中的多个冷却管4中冷却液输入是通过连接设置在辅助板2沿电机轴向两端外侧的进水多通管和排水多通管实现的。进水多通管和排水多通管的结构是相同的，二者均呈弧形环绕在机座10中部的外表面，根据进水侧和排水侧将二者进行定义。为了便于说明，我们从图1中靠近纸面左侧进水，从另一侧排水，这样图1中靠近纸面左侧的多通管为进水多通管51，另一侧的多通管为排水多通管52。进水多通管51和排水多通管52可在二者靠近辅助板2的一侧设置连接孔(图1中并不完全可见)，连接孔设置在正对沟槽3的位置，这样冷却管3的两端即可通过连接孔与进水多通管51和排水多通管52连通。
为了便于安装，进水多通管51和排水多通管52连通最好采用多根的方式进行设置，这是因为如果进水多通管51和排水多通管52的数量过少，那么单个进水多通管51和排水多通管52的弧度将很大，进水多通管51和排水多通管52往基座10的外表面进行安装时将很困难，稍有不慎甚至会造成进水多通管51和排水多通管52变形而损坏。如果进水多通管51和排水多通管52设置成一根直接环绕基座10中部，那进水多通管51和排水多通管52甚至需要与基座10一起成型，这样对进水多通管51和排水多通管52便无法进行更换。
较佳的方式是，进水多通管51和排水多通管52的数量相等的多根，并且进水多通管51和排水多通管52两两相对应，相对应的进水多通管51和排水多通管52采用相同的弧长，这样也便于进水多通管51和排水多通管52之间的多根冷却管4的安装。较佳的方式是，进水多通管51和排水多通管52的数量不少于四个，并且任意一个进水多通管51和排水多通管52的弧度不大于90度，这是因为当进水多通管51和排水多通管52的弧度不超过90度时，安装是非常方便的。
参见图3，本实施例中以进水多通管51和排水多通管52均为4根进行说明，进水多通管51和排水多通管52两两相对应，并具有相同的弧长，由于本实施例中进水多通管51和排水多通管52均是在圆周上采用等分方式，因此每一根进水多通管51和排水多通管52的弧度均不会超过90度。每一根进水多通管51和排水多通管52对应沟槽3的位置了多个连接孔53(图中将一根冷却管4进行了拆卸)，多个冷却管3通过连接孔与进水多通管51和排水多通管52连通，为了连接稳固可采用螺母对冷却管4与进水多通管51和排水多通管52之间进行固定。进水多通管51的进水口和排水多通管52的排水口，可根据实际需要进行设置，例如在本实施例中，进水口和出水口(均已插入导管，因此不可见)在每一根多通管外侧的两端进行了设置，根据电机冷却时不同冷却管4冷却液流量大小的实际需要，亦可设置在多通管的中部或者是两端部，进水口和出水口的设置位置并不是本发明的主要部分，在此不再累述。
我们将对应的进水多通管51和排水多通管52以及二者之间连通的至少两根冷却管4定义为一个冷却单元，例如本实施例中，将整个机座10外的进水多通管51、排水多通管52、冷却管4划分为4个冷却单元，每个冷却单元包含6个冷却管4。前文已经叙述过，进水多通管51和排水多通管52的弧度小于90度可方便地对进水多通管51和排水多通管52进行安装，将进水多通管51、排水多通管52、多个冷却管4设置成冷却单元后会使得冷却管4的安装也异常简便。
这是因为如果安装进水多通管51、排水多通管52、冷却管4时，是先将进水多通管51和排水多通管52安装完毕后再安装冷却管4，那么由于进水多通管51和排水多通管52的位置已经固定，冷却管4又要放置到沟槽3中后再与进水多通管51和排水多通管52连接，使得冷却管4的位置难以调整，整个安装过程会异常的困难。将上述组件设置成冷却单元之后，进水多通管51和排水多通管52与冷却管4的安装可事先进行，将进水多通管51和排水多通管52安装多个冷却管4的安装孔根据沟槽3的位置设置好，然后对冷却管4进行安装。由于此安装过程可在机座10外进行，使得冷却管4的安装变得非常容易，一个冷却单元的冷却管4均安装完毕后，将该冷却单元最边缘的一个冷却管4放入需要设置的沟槽3中，由于其他冷却管4的位置已经根据沟槽3的间隔设置好，只需轻压冷却单元的另一端就可将全部的冷却管4依次安装到预先设计好的沟槽3中，需要更换其中一个冷却管4时，将该冷却管4所在的冷却单元拆下即可，完全不影响其他冷却单元。这样的设置，使得冷却管4的安装和更换都变得十分方便。
如果机座10上的所有进水多通管51和排水多通管52的弧长如本实施例一样完全相同，冷却管4在进水多通管51和排水多通管52上的间隔也完全相同(即沟槽3在机座10中部的外表面的间隔相同)，那么所有的冷却单元的结构将完全相同。对于工业化的生产来说，冷却单元由于结构完全相同，可以作为标准件来生产，使得生产的效率大为提高，更换零件时也变得非常便捷。当然，本实施例中只是以完全相同的冷却单元进行示意性的描述，对于不同需求的电机，在同一电机上对于不同的冷却单元完全可以采用不同弧长的进水多通管51和排水多通管52，以及不同间隔的冷却管4对电机的机座10进行装配，本领域技术人员应该了解，本实施例并不是对本发明的限制，任何一种设置方式都应在本发明要求保护的范围内。
再参见图1，为了对冷却管4、进水多通管51、排水多通管52进行限位和保护，进水多通管51和排水多通管52沿电机轴向的外侧还设有环绕机座10外表面的环形立板12和环形立板13，环形立板12和环形立板13的外侧还设有多个铸孔14，以根据实际需要便于导管15伸入与进水多通管51上进水口以及排水多通管52上的排水口连接，实现冷却单元内的水冷循环。另外，环形立板12和环形立板13之间还设有圆弧形的盖板16以对对冷却管4、进水多通管51、排水多通管52进行覆盖，盖板16可采用多块的方式设置以便于拆卸。
这样，相邻的进水多通管51和排水多通管52之间的辅助板，例如图中的辅助板21沿电机轴向的两端与环形立板12和环形立板13连接，一方面对整个电机机座10起加强作用，另一方面对相邻的两个水冷单元进行分隔。
参见图4，由于定子绕组17的两端离机座10中部较远，冷却管3对定子绕组17的两端无法进行冷却，定子绕组17的两端设有环绕定子绕组17设置的端部冷却管41，端部冷却管41的进水口42和排水口43从机座10内部伸出，设置在机座10的外表面。
对于本发明的水冷电机，机座10在制作时可采用铸造的方式进行，一次性将机座10中部的辅助板2、沟槽3、两环形立板铸出，检查如无明显铸造缺陷则进行进一步后续机加工。冷却管4则在与机座10沟槽3、辅助板2侧壁相同形状的模具中，利用液压胀型加工而制成，使得冷却管4与机座10沟槽3的底部以及相邻两辅助板2的具有相同形状。然后组装水冷单元，并将水冷单元放入机座10的沟槽3中，将端部冷却管41绕制在定子绕组17的端部，再将导管与各部分的进水口和出水口与外部水冷机构进行连接，最后将盖板16覆盖在机座10中部的表面。
电机运行后，向各水冷单元以及端部冷却管41通入冷却液，冷却液流经各管路即可带走电机内部的热量，对电机进行冷却，同时对电机内部风冷循环流经通风槽21的热空气进行冷却，冷却液温度升高，然后从排水多通过52的出水口排出，完成整个循环。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。