关于水冷电机水路设计的探讨

张焕高 韩志成

摘 要：伴随着科技经济的快速发展，目前高功率密度电机被广泛应用于各行各业，其电机的散热问题也越来越备受关注。基于此，本文通过对某厂水泵驱动的异步电机进行水冷却系统的设计与计算，进而有效降低电动机的总发热量，合理分布热源，提高散热效率。

关键词：水冷电动机；水路设计；散热能力

现代电机大多采用轭磁密较高的电机，该电机虽然具有体积小、节省材料的特性，但是该电机却存在散热差的技术缺陷。现阶段，很多企业采用的异步电动机的散热形式主要是利用散热风扇通过空氣流动的风冷系统来冷却电机。但是风冷系统只适用于体积较大、功率较小的电机，对于高速、大功率及小体积的电机采用液冷系统可发挥更好地效果。液体热容量和导热能力要远远大于气体，因此液冷系统的冷却效果优于风冷系统。采用液冷系统不仅可以规范电机工作温度，延长使用寿命，而且在液冷系统下应用高功率高电磁的复合的电机可以有效提高材料的利用率；此外液冷电机还具有损耗小、噪音低的优点。所以，合理优化水冷电机的水路设计及机械结构设计，对降低电动机发热量，提高企业生产效率具有重大意义。

1 电机热量传递分析

某水冷电动机的热量传递如下图1所示。由图1我们可知，电机的主要发热元件是：定子铁芯以及定转子绕组，由定子铁芯所产生的热量可直接传递到机座，而定子绕组产生的热量是先传递给铁芯然后再有铁芯传递到机座，最后再通过冷却液进行循环降温；转子绕组的热量传递主要有两种路线形式，其一，是由转子两端的空气介质直接传递到机座。其二，是由气隙先传递给定子铁芯再通过定子铁芯传递到机座。

图1 电机热量传递示意图

高功率密度电机相对于传统电机而言，其电动机定子的轭磁密度较高而且铁耗也较大。采用液体冷却的形式可有效降低定子轭部铁耗产生的热量，起到很好的电机散热效果。依据这一特征，我们可以在设计时调整定子齿与轭部的密度，这样在电动机允许的最大有效尺寸前提下，合理改变定子冲片内、外径、转子内径及槽型尺寸的方法，适当调整损耗分布情况。通过对减小总消耗的优化计算后，电动机的主要参数和性能如下表1所示。

2 水冷系统设计

水冷电机的水冷系统结构主要是将泵和电机设置为一体，由同一根轴直接传动运转。为了减少占地面积，可将该结构设计为立式结构。该水泵 的叶轮连接在电机轴上，随电机一起运转，电机的定子安装在轴承腔内，转子两端分别安装在上下轴承内。这样去掉了电机轴上的散热风扇，由水冷管路冷却系统进行替代。其结构设计如图2所示。

其中1.水泵2.引水管 3.水冷电机 4.环行管 5.扁管 6.出水管

该冷却系统的冷却管路主要由水泵进出口的总水头差进行驱动，当水泵开始工作时，冷却水由水泵出水口经引水管、扁管分流，进入环形管的底部位置，排出的冷却水经环形管顶部和扁管汇流，并从出水管流出这样完成冷却系统的水路循环。

环形管主要是由多个支路管相互连接而成的，支路管的数量对整个冷却系统的散热情况有直接的影响。如果选用的支路管过多的话，虽然增大了换热面积，但管内会产生层流流动，影响换热效率；反之如果支路管过少的话，管内紊流可增大换热效率但会缩小换热面积，使散热不均匀。因此，支路管的数量设置需要进行合理地优化计算才行。

另外考虑到电动机长期使用后会在水管内产生结垢，增大水路的阻力，因此在进行水路设计时候，需要对所需的水压预留足够的余量，其中水路的主要参数如下表2所示，水温及其物理性能如表3所示。

3 结论

水冷电机的冷却水与电机的温差较小，冷却水量也较小，因此水冷电机的各个零部件温度都相对较低，比以往传统的空冷系统散热效果更好，有效提高了电机的使用寿命，通过对水冷电机的机械结构进行设计和计算后，改进后的计算参数均符合电机的工作要求，经投入使用后运行良好，有效提高了企业的生产效率。

参考文献

[1]傅丰礼，唐孝镐主编.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]尚静，赵猛，刘承军，等.基于实践环节的“电机设计”课程[J].电气电子教学学报，2013，35（5）：45-46.

[3]黄丽芬.《实用电机设计计算手册》出版[J].电机与控制应用，2010，（7）：71.

（作者单位：1.浙江吉祥传动设备有限公司；2.浙江浩龙风机有限公司）