小型水冷电机冷却系统设计与计算研究

2023-02-19

在电机散热方面, 目采用的有两种方式——风冷和水冷。风冷耗电量多, 占地面积大, 同时用热风做冷源冷却效率低。而水冷具有效率高, 耗电少, 占地面积少的特点, 它比风冷电机具有十分明显的优越性。在恶劣的工业环境中, 例如高温、粉尘、污垢和恶劣的天气下无法使用风冷, 风冷的方式受到极大的限制, 这时候就需要使用另外一种冷却方法——水冷。在小型水冷电机的设计时, 必须考虑到十分多的因素, 注意到诸如冷却系统设计、温升计算等问题。本文即研究水冷电机的原理的基础上研究电机的水冷系统的设计以及相关温升计算。

1 小型水冷电机概述

1.1 小型水冷电机原理

通过在机壳外的入水和出水设计, 使得循环水能够通过不断的流动达到对电机的冷却功能。该型电机分为异步和同步设计, 采用在定子外壳设计的冷水层来实现水冷, 进水口和出水口设计在电机后端, 流经整个电机机身后经另一个出水口出水。

1.2 水冷电机的优点

(1) 紧凑结构设计:水冷型设计使得电机散热得到大幅的改善, 英雌小型水冷电机能够工作在全功率状态下。在相同的功率输出情况下, 水冷型电机较之风冷型电机能够具有更小的体积设计。

(2) 高动态响应:紧凑的设计使得电机有十分小的惯量以及在全速速度范围内的恒定高扭矩稳定性, 因此小型水冷电机与同等功率设计的电机相比, 它的动态响应能力更高。

2 水冷系统设计

2.1 水冷泵的选配

水泵输送介质为清水或物理化学性质类似于清水的其他液体, 介质温度<+80℃, 选定清水泵。水泵工作条件为流量: (1~400) L/s, 扬程: (5~80) m, 环境温度<+40℃。

2.2 水路结构设计

当前水冷电机的结构主要分为机壳水冷、机壳加端盖水冷、机壳加端盖加转轴水冷三种。盖加机壳水冷、端盖加机壳加转轴水冷在冷却效果上略优于机壳水冷, 但这两种结构在制造上相对比较困难。机壳水冷折弯式水路具有生产工艺简单、制造成本低的优点。

端盖通水的冷却结构效果比较明显, 适用于采用轴向通风、滚动轴承的电机中, 它能改善电机端部和外壳的散热效果, 同时对于滚动轴承的使用寿命和运行可靠性来说都是十分有益的;转轴通水结构需要在转轴上制出水道, 并且还要解决水道转动密闭的问题, 其技术含量较高, 对于一般的电机制造厂来说不太容易实现, 所以当前在水冷电机设计中很少采用转轴通水的方案。考虑到电机无轴向通风及加工工艺性, 本文电机水路结构采用机壳水冷方式。

2.3 冷却水路分布方向

冷却水在电机机壳内的流向有两种, 一种是沿着电机机壳的周向流动, 与其相应的水路结构是周向水路;另一种是沿电机轴向流动, 与其相应的水路结构是轴向水路。

(1) 周向水路:周向水路是指隔板沿着电机机壳的圆周方向呈螺旋状分布形成水路, 冷却水沿着机壳的圆周方向呈螺旋前进的方向流动。其优点是水路平滑, 水流阻力损失小;与机壳接触面积大, 冷却散热效果好。其缺点是出水口与入水口很难设计到电机的一端, 水流从电机一段流向另一端温度升高, 会产生温度梯度。

(2) 轴向水路:轴向水路是指隔板沿着电机的轴向方向平行分布形成水路, 冷却水流入水路后沿电机的轴向流动。轴向水路的优点是很容易的将出、入水口设计在电机的同一段;肋片面积大, 散热效果好;结构简单, 制造工艺简单;散入均匀, 在电机两端不会出现温度梯度。其缺点是在电机中有许多转弯和倒角, 水流阻力损失较大, 入口的水压要很大。