本發(fā)明涉及電機和其水冷系統(tǒng)領域，具體地說是一種水冷電機的冷卻管路結(jié)構(gòu)及其水冷電機。

背景技術：

電機單位體積損耗大，功率密度高，散熱條件差，極易使永磁體產(chǎn)生不可逆退磁，影響電機的正常運轉(zhuǎn)。由于電機高速旋轉(zhuǎn)帶來的很大的風摩耗和電機本身發(fā)熱導致電機發(fā)熱量過大問題，傳統(tǒng)自然冷卻的方式對于這類高功率密度電機已經(jīng)無法滿足要求，使得強制風冷和液冷成為主要的散熱方式。強制風冷方式設計簡單，但是空氣傳熱能力有限，對于散熱量需求大的高功率密度電機無法勝任。而且風冷會產(chǎn)生很大的噪音，惡化了工作環(huán)境。液冷的傳熱能力遠遠大于空氣，具有低噪音、高效的特點，同時設計通道減少了電機的重量。特別是水冷的方式，因造價較低，方便使用，被廣泛運用。

水冷散熱效果的好壞關鍵體現(xiàn)在水路設計是否合理上。對于一個系統(tǒng)來說，水路設計不僅要實現(xiàn)有效的散熱，還要兼顧到供水的泵體和對水降溫的散熱器，盡量降低它們的負荷?？梢娝吩O計是一個綜合考慮各種因素和不斷優(yōu)化的過程，具有很重要的研究意義。傳統(tǒng)的螺旋水道電機外殼和直槽水道電機外殼存在著以下問題：一、傳統(tǒng)的螺旋水道電機外殼和直槽水道電機外殼散熱效率低；二、傳統(tǒng)的螺旋水道電機外殼和直槽水道電機外殼溫升不均勻。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種水冷電機的冷卻管路結(jié)構(gòu)及其水冷電機，通過應用均勻規(guī)律布置的丁胞結(jié)構(gòu)，提高水冷電機的冷卻效率。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種水冷電機的冷卻管路結(jié)構(gòu)，包括水冷殼體，水冷殼體的內(nèi)部制有水冷流道，水冷流道的表面具有間隔設置的球形凸胞狀的丁胞結(jié)構(gòu)。

為優(yōu)化上述技術方案，本發(fā)明還包括以下改進的技術方案。

上述的丁胞結(jié)構(gòu)的寬度與所處流道的寬度成比例。丁胞結(jié)構(gòu)的厚度小于流道的厚度，采用較小的深度，只會影響到冷卻介質(zhì)表面的流動，并不會產(chǎn)生較大的流阻，在犧牲較小的流阻下大大提高散熱能力。

本發(fā)明還對水冷流道作了進一步的改進，在水冷殼體中具有雙層樹狀的水冷流道。每層的水冷流道包括繞水冷殼體周向延伸的主流道、從主流道兩側(cè)分離并軸向延伸的分支流道，從分支流道分離并周向延伸的分叉流道。內(nèi)層分叉流道的末端與外層分叉流道的末端相連通。該結(jié)構(gòu)采用了雙層樹狀流道，在不明顯增大流阻的前提下，能夠有效提高電機散熱能力，并且可以使電機溫升更加均勻。

上述兩層分叉流道的末端具有工字型將內(nèi)外兩層分叉流道連通的連通流道。

上述內(nèi)層的主流道具有帶進水口的進水支路，外層的主流道具有帶出水口的出水支路。

上述的丁胞結(jié)構(gòu)均勻間隔分布于內(nèi)層水冷流道的內(nèi)側(cè)表面和外層水冷流道的外側(cè)表面。

上述的水冷殼體設有兩組獨立分布在半圓殼體內(nèi)的雙層的水冷流道。

上述的進水支路與主流道的中部相連接。分支流道與主流道的兩端呈工字型連接。分叉流道與分支流道的兩端呈工字型連接。

上述進水支路的進水口和出水支路的出水口分布在水冷殼體的兩端。

本發(fā)明提供了應用上述冷卻管路結(jié)構(gòu)的水冷電機，包括前端蓋和后端蓋。在前端蓋與后端蓋之間配裝有上述的冷卻管路結(jié)構(gòu)，冷卻管路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部安裝有電機定子和電機轉(zhuǎn)子。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的冷卻管路結(jié)構(gòu)及水冷電機，可以在傳統(tǒng)的各種冷卻流道上應用球形凸胞狀的丁胞結(jié)構(gòu)，通過規(guī)律放置的丁胞結(jié)構(gòu)讓流體通過時產(chǎn)生渦流，破壞了流道邊界層，增大了流道的散熱系數(shù)、努塞爾數(shù)和湍動能，大大提高散熱效率。

進一步改進后的雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)，使電機水冷系統(tǒng)在同等水泵的驅(qū)動下，不會明顯增大流道流阻，比傳統(tǒng)水道冷卻效果顯著，而且電機溫升均勻，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)散熱方案入口溫度過低，出口溫度過高的情況，保證了電機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實施例1的水冷流道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實施例2的水冷流道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是實施例3的水冷流道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圖4中一組水冷流道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的溫升對比圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述。

圖1至圖6所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中的附圖標記為：水冷殼體1、水冷流道2、主流道21、分支流道22、分叉流道23、連通流道24、進水支路25、進水口25a、出水支路26、出水口26a、丁胞結(jié)構(gòu)3、前端蓋4、后端蓋5、電機定子6、電機轉(zhuǎn)子7。

實施例1：

本實施例的水冷電機，包括前端蓋4和后端蓋5，前端蓋4與后端蓋5之間配裝有冷卻管路結(jié)構(gòu)，冷卻管路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部安裝有電機定子6和電機轉(zhuǎn)子7。

本實施例的冷卻管路結(jié)構(gòu)為布置在水冷殼體1內(nèi)的螺旋水道。螺旋水道只有一個呈螺旋狀的水冷流道2，水冷流道2的兩端具有進水口25a和出水口26a。在水冷流道2的壁上間隔設置有球形凸胞狀的丁胞結(jié)構(gòu)3。

由于水冷流道2的寬度是一致的，分布其上的丁胞結(jié)構(gòu)3的寬度和厚度也是相同的，并且各個丁胞結(jié)構(gòu)3等距排列。

實施例2：

本實施例的水冷電機，是在實施1的基礎上，將冷卻管路結(jié)構(gòu)設計成直槽水道。直槽水道具有多個軸向布置的水冷流道2，相鄰水冷流道2的兩端通過周向布置的分支流道連通。分支流道連通將多個軸向布置的水冷流道2串聯(lián)成一個直槽水道，并具有一個進水口25a和一個出水口26a。

在水冷流道2的壁上間隔設置有球形凸胞狀的丁胞結(jié)構(gòu)3。本實施例中的水冷流道2寬度也是一致的，分布其上的丁胞結(jié)構(gòu)3的寬度和厚度也是相同的，并且各個丁胞結(jié)構(gòu)3等距排列。

實施例3：

本實施例的水冷電機，是在實施1的基礎上，對冷卻管路結(jié)構(gòu)作進一步改進。如圖4和圖5所示，本實施例中的水冷殼體1分成兩個半圓殼體，每個半圓殼體內(nèi)獨立分布有一組雙層樹狀的水冷流道2。

每層的水冷流道2包括繞水冷殼體1周向延伸的主流道21、從主流道21兩側(cè)分離并軸向延伸的分支流道22，從分支流道22分離并周向延伸的分叉流道23。內(nèi)層分叉流道23的末端與外層分叉流道23的末端相連通。

兩層分叉流道23的末端具有工字型將內(nèi)外兩層分叉流道23連通的連通流道24。連通流道24只連接每層水冷流道2的末端，保證冷卻介質(zhì)進行充分的熱交換。

內(nèi)層的主流道21具有帶進水口25a的進水支路25，外層的主流道21具有帶出水口26a的出水支路26。

進水支路25與主流道21的中部相連接。分支流道22與主流道21一起呈工字型布置。分叉流道23與分支流道22一起呈工字型布置。

本實施例中，主流道21分布在水冷殼體1的中心腰部，分支流道22以主流道21為中心對稱布置，分叉流道23以分支流道22為中心對稱布置。內(nèi)層的進水支路25和外層的出水支路26相互平行間隔布置，并與主流道21的中部相連接。因此，整個水冷流道2都是對稱設計，保證冷卻介質(zhì)在水冷流道2中具有均勻地流速，使水冷電機溫度均勻，避免出現(xiàn)某處過熱的現(xiàn)象，同時能進行充分的熱交換，散熱效果顯著，保證了電機的正常運轉(zhuǎn)。

丁胞結(jié)構(gòu)3均勻間隔分布于內(nèi)層水冷流道2的內(nèi)側(cè)表面和外層水冷流道2的外側(cè)表面。

由于主流道21、分支流道22和分叉流道23的寬度依次減小，丁胞結(jié)構(gòu)3的寬度與所處流道的寬度成比例，也是相應的依次減小。并且丁胞結(jié)構(gòu)3的厚度小于流道的厚度。

進水支路25的進水口25a和出水支路26的出水口26a分布在水冷殼體1的兩端。工作時，冷卻水從內(nèi)層的進水口25a進入內(nèi)層的水冷流道2，經(jīng)過主流道21、分支流道22和分叉流道23后，由連通流道24進入外層的水冷流道2，經(jīng)過充分的熱交換后，從外層水冷流道2的出水口26a流出。

本實施例中，每層的水冷流道2分為兩個部分，一部分是沿著周向分布的主流道21，一部分是沿著軸向分布的分支流道22。用lk表示流道的長度，其中，k為奇數(shù)表示的是軸向分布的分支流道22，k為偶數(shù)表示的是周向分布的主流道21。其中進水支路25的長度為lin，出水支路26的長度為lout，長度大小均為電機散熱系統(tǒng)軸向長度的一半。

丁胞結(jié)構(gòu)3在樹狀水冷流道2的依托下，覆蓋滿水冷流道2，丁胞結(jié)構(gòu)3不僅增大了水冷流道2的換熱面積，而且規(guī)律放置的丁胞結(jié)構(gòu)3會讓流體通過時產(chǎn)生渦流，破壞了流道邊界層，增大了散熱系數(shù)，增大了努塞爾數(shù)和湍動能。由于丁胞結(jié)構(gòu)3的深度較小，只會影響到表面的流動，并不會產(chǎn)生較大的流阻，在犧牲了較小的流阻下散熱能力大大增強。

本發(fā)明的雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)基于樹狀流道理論，外殼采用了鋁質(zhì)外殼，通過分體加工完成機殼的加工，通過合理裝配完成電機的組裝。采用室溫下20℃的水分別從上下2個進水口25a進入水道，經(jīng)過內(nèi)層循環(huán)帶走電機的熱量后流體進入外層循環(huán)進入出水口26a，從而將熱量帶出，完成散熱。

將本發(fā)明的雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)無丁胞結(jié)構(gòu)3的螺旋水冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)無丁胞結(jié)構(gòu)3的直槽水冷系統(tǒng)進行散熱對比。

采用對比的雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)，水冷流道2的高度為3mm，對流換熱面積為195975mm³，雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)的散熱單元個數(shù)為1個，入流口長度為106mm，水力直徑為9.92mm。

同樣在內(nèi)徑78mm、外徑105mm、長度212mm的模型中設計用于對比的傳統(tǒng)無丁胞結(jié)構(gòu)3的螺旋形流道，其對流換熱面積同雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)的對流換熱面積一樣。螺旋形流道的入口長17mm，寬7mm，水力直徑為9.92mm；螺旋形流道高度7mm；螺旋形流道的螺距為25mm，7.2圏。

同樣在內(nèi)徑78mm、外徑105mm、長度212mm的模型中設計用于對比的傳統(tǒng)無丁胞結(jié)構(gòu)3的直槽流道，其對流換熱面積同雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)相同，直槽流道入口長17mm，寬7mm，水力直徑為9.92mm，共18個直槽。

用于對比的3種水冷方式采用相同的機殼尺寸，相同的水力半徑，相同的散熱面積。應用cfx對三種水路進行流體場仿真，進水口采用固定壓強10kpa，模擬真實的同一水泵對三種水道進行供水。

對比結(jié)果如圖6所示，其中曲線801是雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)，曲線802是無丁胞結(jié)構(gòu)3的螺旋形流道，曲線803是無丁胞結(jié)構(gòu)3的直槽流道。可以看出雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)相比其他兩種散熱方案有眾多優(yōu)點。

經(jīng)過對比，外殼溫度上雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)的溫度最低，螺旋水路和直槽水路的溫度接近。在流道速度和流道壓力方面，雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)的分流使流體在多個流道內(nèi)流通，大大減小了樹狀流道的壓力，從而需求的泵輸入功率最低。在相同的散熱面積和入口速度下，直槽網(wǎng)絡流道中水的流動距離和螺旋網(wǎng)絡流道中水的流動距離是樹狀網(wǎng)絡流道的水流動距離的兩倍以上。流動距離越小，壓降越小，為了達到需求的流速所需求的水泵功率越小。直槽水路和螺旋水路入口處溫度最低，隨著流道流動溫度逐漸增加，導致出口處溫度最高，雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)的溫度分布較為均勻。因此，雙層樹狀冷卻管路結(jié)構(gòu)在相同的散熱條件下，比螺旋水道網(wǎng)絡、直槽水道網(wǎng)絡散熱性更好，所需求的泵輸入功率最低。

本實施例中的冷卻介質(zhì)優(yōu)選為水，但也適用于其他流質(zhì)形態(tài)的冷卻介質(zhì)。

本實施例中，兩組半圓殼體內(nèi)的雙層水冷流道2同樣呈對稱布置，方便結(jié)構(gòu)設計和加工。

本實施例的水冷流道2還可以簡單變形，如在水冷殼體1內(nèi)可以只布置一組的雙層樹狀水冷流道2，每層的主流道21周向延伸至整個水冷殼體1，沿主流道21兩側(cè)分布有多個間隔布置的分支流道22和分叉流道23，分支流道22和分叉流道23均勻的布滿整個水冷殼體1。

本發(fā)明的最佳實施例已闡明，由本領域普通技術人員做出的各種變化或改型都不會脫離本發(fā)明的范圍。