一种电动机水冷机壳的结构设计_赵时生.pdf

收稿日期 2022 12 16作者简介赵时生(1972)，男，毕业于安徽工业大学机电一体化专业，主要从事电机设计工作。一种电动机水冷机壳的结构设计赵时生(安徽皖南电动机股份有限公司，安徽宣城242500)关键词 电动机;水冷机壳;结构设计 摘要 介绍了一款电动机水冷机壳的结构设计方案并验证。中图分类号TM3036 文献标识码A 文章编号 1004 9118(2023)01 0014 03DOI:10 14023/j cnki dqfb 2023 01 003Structural Design of a Water-cooled Motor EnclosureZhao Shi-sheng(Anhui Wannan Motor Co，Ltd，Xuancheng，Anhui，242500)Key words:motor;water cooled enclosure;structural designAbstract:It introduces the design scheme and verification of a water cooled motor enclosure0引言水冷电动机是一种通过水循环冷却的特种电动机，机壳内的定子作为电动机的主要发热部件，机壳的散热能力对电动机性能的影响尤为关键。本文设计了一款 30 kW 电动机的水冷机壳，试验结果表明，该电动机的各项性能指标均符合预期设计要求。1技术要求该 30 kW 电动机使用场所空间受限，电动机机 壳 尺 寸 需 满 足 长 度 226 mm，外 径210 mm，根据方案计算，电动机定子外径尺寸为 175 mm，即机壳内径为 175 mm。电动机出线方式为尾出线，所以电动机机壳上无需考虑出线口位置和尺寸。电动机机壳在满足尺寸要求的同时，需保证一定的结构强度和可靠性，并能满足前端盖和后端盖的安装要求，且机壳内部的水道结构合理，可以充分发挥水冷的优势，快速带走电动机产生的热量，降低电动机的温升1。2技术方案2 1方案设计建立该电动机机壳基本尺寸模型一，如图 1所示。图 1电动机机壳尺寸模型一在电动机机壳模型一上，确定机壳止口尺寸，机壳内径上划分出前止口、铁芯档和后止口区域，构建的模型二如图 2 所示。在电动机机壳模型二上，预留出前端盖和后端盖安装所需的螺孔位置，机壳前、后安装孔尺寸一致，安装螺孔的中心与机壳止口和机壳外圆的中心位置重合，机壳前、后端各设定 6 M6 的安41电气防爆 2023 年 2 月第 1 期装螺孔，安装螺孔螺纹有效深度 12 mm，孔深16.5 mm，构建模型三如图 3 所示。图 2电动机机壳尺寸模型二图 3电动机机壳尺寸模型三水道的位置必须考虑机壳部件的可加工性、机壳整体的结构强度和机壳组装的可靠性。初始水道在机壳中间位置，离两端的安装螺孔保持充分的安全距离，定为 12 mm，为保证机壳强度的可靠性，水 道 内、外 壁 厚 分 别 设 定 为 6 mm 和5.5 mm，构建模型四如图 4 所示。图 4电动机机壳尺寸模型四根据工艺性，再将机壳拆分成可组装的部件，主要分为机壳内筒、机壳外筒和机壳端环，这 3 个组件通过止口定位装配在一起，为了保证可靠性，止口配合尺寸设置为过盈配合，各个零部件的组装可通过热套方式配合安装，机壳内筒与机壳外筒构成的间距用以循环水路，水道开设在机壳内筒上，此步骤暂不详细考虑水道具体方案，构建模型五如图 5 所示。图 5电动机机壳尺寸模型五将机壳内筒、机壳外筒和机壳端环拼接处，开设可供焊接的位置，构建模型六如图 6 所示，焊接位置 1 和焊接位置 3，采用 V 型坡口，坡口角度60;焊接位置 2 采用 I 型坡口，此位置进行满焊。焊接位置 1 和焊机位置 2 位于机壳外圆，焊接好的机壳毛坯外圆无需加工，不需要考虑精加工导致焊缝处裂纹，外观进行打磨即可2。焊接位置3 位于机壳内圆，此处为机壳的铁心档，需车削加工，应合理避开焊缝，减少机加工的影响。图 6电动机机壳尺寸模型六在机壳内圆上，设置铁芯定位台阶，一方面可以用来定位电动机铁芯的位置，另一方面由于铁芯定位台阶无需精加工，可以让焊接位置 3 避开精加工可能带来的应力影响3，构建模型七如图7 所示。51研发与设计一种电动机水冷机壳的结构设计图 7电动机机壳尺寸模型七将电动机水冷机壳进行三维建模，如图 8 所示在机壳内筒上开设轴向水道，机壳外筒上焊接进、出水口4。图 8电动机机壳的三维模型2 2模拟仿真将电动机水冷机壳三维模型用 ANSYS Work-bench 进行网格划分，并导入 Fluent 中对水冷机壳进行流场及温度场仿真计算，机壳定义为钢板，比 热 容 502 48J/(m K)，导 热 系 数16 27 W/(mK)，电动机铜损和铁损设为6 kW，即 6 kW 发热功率作用于铁心档，铁心档面积为131 645 mm2，水冷水进水温度设为 20，流速1 25 m/s。并对模型进行网格划分，并导入 Flu-ent 中对水冷机壳进行流场及温度场仿真计算，对其结果进行分析。为了使模型易于分析，本文做了如下假设:(1)电动机的铜损和铁损作为发热源直接施加在水冷机壳内壁的铁芯档;(2)相对于冷却水的热对流，忽略水冷机壳外部与周围的空气的热对流;(3)不计算电动机中水冷机壳内部空气的热对流。水冷机壳温度分析结果如图 9 所示，温度最高的位置在水冷机座铁心档的位置，温度为51 5，出水口温度 27 6，机壳外表面温度平均33 4。该电动机机壳的设计方案整体满足预期要求。图 9水冷机壳温度分析结果3结语在电动机水冷机壳设计时，一方面考虑水冷机壳的整体工艺性和尺寸要求，另一方面通过模拟仿真，建立了较为完备的机壳模型，为电动机水冷机壳的设计提供了参考。参考文献 1闻邦椿 机械设计手册M 北京:机械工业出版社，2010 2 汪梦浦，黄湘湘 结构力学 M 湖南:湖南大学出版社，2019 3 陈永 金属材料常识 M 北京:机械工业出版社，2009 4 周利安，王海军 水冷电动机机壳水道窜水及水道鼓胀变形的改进措施 J 机械工程师，2009(12):13861电气防爆 2023 年 2 月第 1 期