CN102904386B - 用于电机定子冷却的水套结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电机定子冷却的水套结构，包括密封连接的水套本体和外壳，外壳与水套本体之间形成容纳冷却剂的流道；外壳和水套本体具有相连通的冷却剂入口和相连通的冷却剂出口，水套本体的冷却剂入口和冷却剂出口之间设有一隔断，水套本体的冷却剂入口远离隔断的一侧设有若干入口均流柱，冷却剂出口远离隔断的一侧设有若干出口均流柱；远离冷却剂入口的入口均流柱一侧和远离冷却剂出口的出口均流柱一侧之间的水套本体上分布有若干列扰流柱，相邻两列的扰流柱交错分布。本发明不仅可以减少冷却剂流动的阻力，提高水套的换热能力，避免流体在流道内出现滞流区域，而且水套周向上的表面换热能力分布均匀，提高电机的性能。

Description

用于电机定子冷却的水套结构

技术领域

本发明与电机定子的散热装置有关，具体属于一种加强电机定子冷却的水套结构，可用于新能源汽车的高功率密度电机定子的冷却。

背景技术

热设计和热管理是新能源汽车面临的重大挑战之一，对于新能源汽车的驱动电机而言，由于电机安装空间和自身重量的限制，使得电机的体积结构越来越小，但对输出功率和输出扭矩的要求却越来越高，这就使得电机的冷却设计面临更大的技术问题。

目前，新能源汽车的驱动电机通常采用的是永磁同步电机，定子是三相绕组，转子是永磁材料，其中，定子的结构包括：1）定子铁芯，导磁较好的软铁材料，主要在磁路中发挥导磁的作用，它是由冲有齿槽的硅钢片一层一层的叠加起来，硅钢片的层与层之间通过绝缘膜进行隔离；2）定子绕组，由漆包铜线绕制而成，定子绕组套在铁芯的齿槽上，通电之后形成磁场；三相绕组在交流电的作用下，形成一个变化的磁场，驱动转子产生机械运动。

电机定子的铁芯上套有水套结构，可带走电机定子产生的热量。电机定子的热量主要由电机绕组和铁芯损耗产生，绕组产生的热量经过漆包材料和浸漆材料传递到铁芯上，与铁芯上产生的热量一起传递到水套上，水套上的热量再通过对流换热与水套内的冷却剂进行热交换，由冷却剂把电机定子产生的热量带走，从而起到冷却电机定子的作用。目前，市场上的新能源汽车驱动电机的水套结构多采用螺旋水道设计（如图1所示）、S形流道设计（如图2所示）或者平的水道设计（如图3所示）等，通过流体的流动计算分析发现，在这些流道的设计中，螺旋形水道设计和S形流道设计存在流阻较大或换热死区的问题，平的水道设计的换热能力不足，有一定的改善空间。

从上面的分析可知，在整个的热流路径内，冷却剂是热沉，改善水套的结构，提高水套与冷却剂之间的对流换热系数可以有效地提高电机的散热能力。另外，为了降低整个E-Drive（电驱动）冷却系统的压力，以及降低对水泵的要求，冷却系统需要考虑降低流道的流阻。因此，对电机的水套设计而言，提高流道的换热能力，降低电机流道的阻力成为电机水套的重要设计目标之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电机定子冷却的水套结构，可以提高水套的散热能力，降低水套流道的流阻。

为解决上述技术问题，本发明提供的用于电机定子冷却的水套结构，包括水套本体、外壳，所述外壳与水套本体密封连接，外壳与水套本体之间形成供冷却剂流动的流道；

所述外壳和水套本体都具有一个冷却剂入口和一个冷却剂出口，水套本体的冷却剂入口和外壳的冷却剂入口相连通，水套本体的冷却剂出口和外壳的冷却剂出口相连通；

水套本体的冷却剂入口和冷却剂出口之间设有一隔断，水套本体的冷却剂入口远离隔断的一侧设有若干入口均流柱，水套本体的冷却剂出口远离隔断的一侧设有若干出口均流柱；

远离冷却剂入口的入口均流柱一侧和远离冷却剂出口的出口均流柱一侧之间的水套本体上分布有若干列扰流柱，相邻两列的扰流柱交错分布。

其中，所述靠近冷却剂入口的入口均流柱之间的间隙宽度小于远离冷却剂入口的入口均流柱之间的间隙宽度。所述靠近冷却剂出口的出口均流柱之间的间隙宽度小于远离冷却剂出口的出口均流柱之间的间隙宽度。

更佳的，所述水套本体上设有相同的凹坑，所述凹坑交错分布在同一列的扰流柱之间的间隙内。所述凹坑为凹点或沟槽。

优选的，所述隔断的顶部与外壳的内壁紧密贴合。所述扰流柱的顶部与外壳的内壁留有空隙或紧密贴合。

优选的，所述扰流柱为圆柱状、圆台状或带圆角的方形。

本发明不仅大幅度地减少了冷却剂流动的阻力，提高了水套的换热能力，避免了流体在流道内出现滞流区域，而且水套周向上的表面换热能力分布均匀，提高了电机的性能。

附图说明

图1是现有的采用螺旋水道的水套结构示意图；

图2是现有的采用S形水道的水套结构示意图；

图3是现有的采用平的水道的水套结构示意图；

图4是本发明的水套流道展开示意图；

图5是本发明未封闭的水套结构示意图；

图6是本发明水套本体与外壳的分解示意图。

其中附图标记说明如下：

1为水套本体            11为冷却剂入口

12为入口均流柱         13为扰流柱

14为凹坑               15为隔断

16为冷却剂出口         17为出口均流柱

2为外壳

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的用于电机定子冷却的水套结构，如图6所示，包括中空圆柱状的水套本体1和外壳2，所述外壳2为两片圆弧状壳体，每片壳体平行于轴向的两端分别向外延伸形成一固定板，固定板的对应位置形成有多个供螺栓安装的螺栓孔，水套本体1上具有两肋板，该两肋板以水套本体1的轴线为中心对称分布。一圆弧状壳体位于两肋板之间的一侧水套本体1外，另一圆弧状壳体位于肋板之间的另一侧水套本体1外，肋板的两侧各有一固定板，两圆弧状壳体通过螺栓螺母固定连接，且两固定板夹紧中间的肋板，圆弧状壳体的弧形端面与水套本体1的端部密封连接，外壳2与水套本体1之间形成供冷却剂流动的流道。

所述外壳2和水套本体1都具有一个冷却剂入口和一个冷却剂出口，水套本体1的冷却剂入口11和外壳2的冷却剂入口相连通，水套本体1的冷却剂出口16和外壳2的冷却剂出口相连通，外壳2的冷却剂入口连接输入管路，冷却剂出口连接输出管路。

如图4、5所示，水套本体1的冷却剂入口11和冷却剂出口16之间设有一隔断15，该隔断15的顶部与外壳2的内壁紧密贴合，保证了冷却剂从冷却剂入口11流进，从冷却剂出口16流出电机水套。

在正常工况下，电机定子在周向上是一个均匀发热体，即电机定子铁芯向水套传热的外表面的热流密度是均匀的，因此，水套结构需要保证水道壁面在周向上的换热系数均匀。然而，水套本体1的冷却剂入口11较小，冷却剂进入水套流道后管道截面突然变大，容易造成冷却剂在整个流道内分布不均。同时，冷却剂入口11是偏置的，通常流体将沿压力较小的方向流动，这样在靠近冷却剂入口11的位置，冷却剂的流速较快，换热能力较强，而在同一截面上远离冷却剂入口11的位置，冷却剂的流速较慢或者出现滞流区，换热系数较低，这样就会导致水套的换热能力分布不均匀。为了使冷却剂入口11流入的冷却剂流体在整个流道的截面方向上均匀分布，即流过流道截面上的流量相等，如图4所示，水套本体1的冷却剂入口11远离隔断15的一侧设有若干入口均流柱12（在本实施例中，入口均流柱12为4个）。并且，靠近冷却剂入口11的入口均流柱12之间的间隙宽度小于远离冷却剂入口11的入口均流柱12之间的间隙宽度，距离冷却剂入口11越近的入口均流柱12之间的间距越小，距离冷却剂入口11越远的入口均流柱12之间的间距越大，这样通过调整入口均流柱12之间的间隙宽度，可以使冷却剂流过入口均流柱12后在截面上的流量是一样的，保证了流体在整个流道的周向壁面上换热系数是均匀的，不会出现有的地方温度偏高而有的地方温度偏低的情况。

同理，如图4所示，水套本体1的冷却剂出口16远离隔断15的一侧也设有若干出口均流柱17（在本实施例中，出口均流柱17为4个），其中靠近冷却剂出口16的出口均流柱17之间的间隙宽度小于远离冷却剂出口16的出口均流柱17之间的间隙宽度，其作用与入口均流柱12相同，通过调节出口均流柱17之间的间距，增加或者减少流体流过的阻力，从而调节流量的分布，保证冷却剂出口16处的冷却剂分布也是均匀的，壁面的换热能力也是均匀的。

在冷却剂的流动过程中，应尽量减少流体的局部阻力，即减少冷却剂由于方向改变或者速度改变而产生的阻力，因此，远离冷却剂入口11的入口均流柱12一侧和远离冷却剂出口16的出口均流柱17一侧之间的水套本体1上分布有若干列扰流柱13，相邻的两列扰流柱13交错分布，其中优选的，所述扰流柱13的顶部与外壳2的内壁留有较小的间隙，较佳的二者紧密贴合。如图4所示，水套本体1上分布有11列扰流柱13，其中靠近入口均流柱12的第一列和第二列分别包括5个扰流柱13和4个扰流柱13，并且第二列的扰流柱交叉分布于第一列的扰流柱之间，后续的扰流柱依次重复，这样冷却剂从冷却剂入口11进来后经过这些小的扰流柱（鳍片或凸点）后，直接从冷却剂出口16流出，这样流体的方向和速度变化较小，受到的形体阻力较小。所述扰流柱13为圆柱状、圆台状、带圆角的方形或其它形状，增加了冷却剂的湍流度，提高了壁面的换热系数和水套的换热能力。

此外，为了进一步提高水套的换热能力，在水套本体1的压铸成型中，可以在壁面上压铸出一些凹坑14，如图4所示，凹坑14可以为凹点或者沟槽，这些小的凹点或沟槽可以减少壁面边界层的厚度，提高水套的换热能力。

与现有的水套结构相比，本发明不仅减少了冷却剂的流动阻力，提高了水套的换热能力，避免了流体在流道内分布不均甚至出现滞流区域，而且保证了水套周向上的表面换热能力分布均匀，提高了电机的性能。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员对水套结构中扰流柱等的分布、数量及形状等做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (10)

1.一种用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：包括水套本体(1)、外壳(2)，所述外壳(2)与水套本体(1)密封连接，外壳(2)与水套本体(1)之间形成供冷却剂流动的流道；

所述外壳(2)和水套本体(1)都具有一个冷却剂入口和一个冷却剂出口，水套本体(1)的冷却剂入口(11)和外壳(2)的冷却剂入口相连通，水套本体(1)的冷却剂出口(16)和外壳(2)的冷却剂出口相连通；

水套本体(1)的冷却剂入口(11)和冷却剂出口(16)之间设有一隔断(15)，水套本体(1)的冷却剂入口(11)远离隔断(15)的一侧设有若干入口均流柱(12)，水套本体(1)的冷却剂出口(16)远离隔断(15)的一侧设有若干出口均流柱(17)；

远离冷却剂入口(11)的入口均流柱(12)一侧和远离冷却剂出口(16)的出口均流柱(17)一侧之间的水套本体(1)上分布有若干列扰流柱(13)，相邻两列的扰流柱(13)交错分布。

2.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：靠近冷却剂入口(11)的入口均流柱(12)之间的间隙宽度小于远离冷却剂入口(11)的入口均流柱(12)之间的间隙宽度。

3.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：靠近冷却剂出口(16)的出口均流柱(17)之间的间隙宽度小于远离冷却剂出口(16)的出口均流柱(17)之间的间隙宽度。

4.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述水套本体(1)上设有相同的凹坑(14)，所述凹坑(14)交错分布在同一列的扰流柱(13)之间的间隙内。

5.根据权利要求4所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述凹坑(14)为凹点或沟槽。

6.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述隔断(15)的顶部与外壳(2)的内壁紧密贴合。

7.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述扰流柱(13)的顶部与外壳(2)的内壁留有间隙。

8.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述扰流柱(13)的顶部与外壳(2)的内壁紧密贴合。

9.根据权利要求1所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述外壳(2)为两片圆弧状壳体，每片壳体平行于轴向的两端分别向外延伸形成一固定板，固定板的对应位置形成有多个螺栓孔，所述水套本体(1)上具有两肋板，两肋板以水套本体(1)的轴线为中心对称分布；

一圆弧状壳体位于两肋板之间的一侧水套本体(1)外，另一圆弧状壳体位于肋板之间的另一侧水套本体(1)外，肋板的两侧各有一固定板，两圆弧状壳体通过螺栓螺母固定连接，两固定板夹紧中间的肋板，圆弧状壳体的弧形端面与水套本体(1)的端部密封连接。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的用于电机定子冷却的水套结构，其特征在于：所述扰流柱(13)为圆柱状、圆台状或带圆角的方形。