1、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(Anh
2、ui 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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、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。
8、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