CN107196480A - 一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机 - Google Patents

一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机 Download PDF

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高琳
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Abstract

本发明公开了一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，采用双转子单定子架构，有主轴设计，其中转子采用磁钢表贴式结构，温升管理采用整个定子浸油循环冷却散热模式；包括定子组件、驱动端转子组件、非驱动端转子组件、出线盒组件、旋转变压器组件。机座上设置有进油口接头和出油口接头，能够对定子浸油循环冷却，具有对流换热效率高，换热面积大，导热速度快等优点，采用这种散热结构的盘式电机，功率密度、扭矩密度可以做得更高，结构更加紧凑，适应于未来对电机安装空间有苛刻要求的场合。

Description

一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机
技术领域
本发明属于纯电动、混合动力汽车驱动领域，具体涉及一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机。
背景技术
在纯电动、混合动力汽车驱动领域应用的电机多为径向磁通的交流永磁同步电动机、直流电机或者交流异步电动机，由于传统径向电机轴向安装尺寸较大，功率密度和效率都偏低，不利于在电动汽车领域空间要求严格、效率要求高的场合应用。
常规的水冷电机，一般采用机座水冷或者少数的端盖水冷等单一冷却形式，而纯电动、混合动力汽车用电机防护等级要求高，底盘安装空间狭小，电机在加速超车、爬坡等工况，产生大量的热量，考虑到机座内空气的导热能力比较差、机座水道或者端盖水道与定子铁芯存在装配间隙，导致很大的传导热阻，有时仅仅靠机座水冷或者端盖水冷来换热往往不能及时散出，给电机温升管理带来极大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，可以显著降低铁芯的涡流损耗，从而提高电机运行效率。
为了达到上述目的，本发明包括固定在机座内的定子组件，机座上固定有出线盒组件，定子组件的两侧分别设置有驱动端转子组件和非驱动端转子组件，驱动端转子组件和非驱动端转子组件通过花键轴套连接，机座的两侧分别固定有驱动端端盖和非驱动端端盖，驱动端端盖外侧设置有驱动端轴承外盖，非驱动端端盖外侧设置有非驱动端轴承外盖，非驱动端轴承外盖上设置有旋转变压器组件，驱动端端盖和驱动端轴承外盖之间设置有背靠背角接触轴承，非驱动端端盖和非驱动端轴承外盖间设置有角接触轴承，机座上设置有进油口接头、出油口接头。
所述定子组件包括定子铁芯，定子铁芯的外壁上绕有定子绕组，定子绕组的槽内直线段通过第一槽楔和第二槽楔压紧，定子绕组的内环通过第一内箍圈固定在定子轮毂的一侧，定子绕组的外环通过第一外箍圈固定在定子轮毂的一侧，定子绕组的另一侧通过第二内箍圈和第二外箍圈密封固定有第一侧隔板，第一侧隔板通过第一内圈密封垫和第一外圈密封垫密封固定在机座的一侧，机座的另一侧通过第二内圈密封垫和第二外圈密封垫密封固定有第二侧隔板，定子铁芯上开设有三个轴向通油孔以及两侧端面径向通油槽。
所述定子铁芯通过高磁导率、低损耗、超薄硅钢片卷绕而成，然后分割成若干独立的电枢齿，定子绕组采用C级绝缘漆包线，并采用多股并绕。
所述第一侧隔板与第二侧隔板采用不导磁的环氧板或玻璃钢纤维材料或不导磁且高电阻率的304不锈钢。
所述出线盒组件包括出线盒壳体，出线盒壳体内设置有三个填料函和一个温检接头，出线盒壳体的两侧分别固定有盖板和环氧底板，盖板与出线盒壳体间设置有第一橡胶垫，定子绕组的引出线通过机座上的过线孔引出，并分别固定在出线盒壳体内的三个接线铜柱的一端，三个接线铜柱通过环氧底板的端面限位，并密封，接线铜柱的另一端外接动力电缆，定子绕组的温度传感器引接线通过温检插头引出，环氧底板通过第二橡胶垫和第三橡胶垫密封。
所述驱动端转子组件和非驱动端转子组件的结构相同，均包括转子铁芯，转子铁芯上通过若干磁钢隔条隔离若干磁钢，驱动端转子组件和非驱动端转子组件分别固定在轴套的两端，轴套的轴向方向分别通过第一弧键和第二弧键固定驱动端转子组件和非驱动端转子组件。
所述非驱动端转子组件的非驱动端转子磁钢，以及驱动端转子组件的驱动端转子磁钢均采用N38EH烧结钕铁硼材质。
所述旋转变压器组件包括固定在旋转变压器定子法兰盘上的旋转变压器定子，旋转变压器转子固定在旋转变压器轴套内，旋转变压器轴套内固定在旋转变压器定子内，旋转变压器定子法兰盘上开设有若干用于调节旋转变压器定子圆周位置的腰形孔，定子法兰盘固定在非驱动端轴承外盖上。
与现有技术相比，本发明的机座上设置有进油口接头和出油口接头，能够对定子浸油循环冷却，具有对流换热效率高，换热面积大，导热速度快等优点，采用这种散热结构的盘式电机，功率密度、扭矩密度可以做得更高，结构更加紧凑，适应于未来对电机安装空间有苛刻要求的场合。
进一步的，本发明的定子铁芯设计成独立的无轭部定子齿块，每个定子齿块绕有集中绕组，因采用独立的分段电枢结构，可以显著降低铁芯的涡流损耗，从而提高电机运行效率。同时，由于转子采用了磁钢表贴式结构以及12槽10极的近极槽配合，盘式电动机具有较好的弱磁扩速能力，适合高速运行工况。
进一步的，本发明采用了超薄的硅钢片卷绕切割制成分段的定子铁芯、用来降低铁芯涡流损耗耗，驱动端转子磁钢和非驱动端转子磁钢的每块单体采用径向分块设计，并进行环氧镀层来阻断涡流以降低涡流损耗，定子绕组采用细的、漆膜耐温等级更高的C级绝缘漆包线，多股并绕以降低高频涡流铜耗。
进一步的，本发明的驱动端转子组件和非驱动端转子组件采用了驱动端转子磁钢和非驱动端转子磁钢表贴式结构，从而拥有了更高的功率密度和扭矩密度。
附图说明
图1为本发明的零部件爆炸结构图；
图2为本发明的整体剖面结构图；
图3为本发明的磁路结构图；
图4为本发明的定子组件剖面结构图；
图5为本发明的定子组件爆炸结构图；
图6为本发明的出线盒组件剖面结构图；
图7为本发明的出线盒组件爆炸结构图；
图8为本发明的冷却油路剖面结构图；
图9为本发明的转子组件剖面结构图；
图10为本发明的转子组件爆炸结构图；
图11为本发明的旋转变压器组件剖面结构图；
图12为本发明的旋转变压器组件爆炸结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明是一种轴向励磁磁通永磁同步电机，采用双转子单定子架构，有主轴设计，其中转子采用磁钢表贴式结构，温升管理采用整个定子浸油循环冷却散热模式；包括定子组件st100、驱动端转子组件ro200a、非驱动端转子组件ro200b、出线盒组件te300、旋转变压器组件re400。定子组件st100位于驱动端转子组件ro200a与非驱动端转子组件ro200b的中间，驱动端转子组件ro200a和非驱动端转子组件ro200b通过花键轴套连接，旋转变压器组件re400通过紧定螺钉re411固定到非驱动端轴承外盖4上，出线盒组件te300通过紧定螺钉te323固定到定子组件st100中的机座st119上。驱动端端盖1和非驱动端端盖2通过双头螺柱st120和螺母st121固定到定子组件st100的机座st119上，轴向方向的定位通过一对背靠背角接触轴承ro210、角接触轴承ro216来实现，轴承外圈通过驱动端轴承外盖3和非驱动端轴承外盖4实现。
如图3所示，定子浸油冷却散热且分段电枢盘式电动机的磁路贯穿定子组件st100、驱动端转子组件ro200a和非驱动端转子组件ro200b。具体磁路如下：第一磁钢ro202a→定子铁芯st102a→第二磁钢ro207a→转子铁芯ro208→第三磁钢ro207b→定子铁芯st102b→第四磁钢ro202b→转子铁芯ro201。其中相邻位置的第一磁钢ro202a与第四磁钢ro202b，第二磁钢ro207a与第三磁钢ro207b极性相反，相同位置的第一磁钢ro202a与第二磁钢ro207a，第四磁钢ro202b与第三磁钢ro207b极性相同。
如图4和图5所示，定子组件st100，包括定子铁芯st102，定子铁芯st102由高磁导率、低损耗、超薄硅钢片卷绕而成，然后分割成一个个独立的电枢齿，以降低定子铁芯涡流损耗。定子铁芯st102的外壁面绕有定子绕组st104，定子绕组st104槽内直线段使用第一槽楔st101、第二槽楔st103压紧，定子绕组st104的内外端部通过第一外箍圈st105、第二外箍圈st112、第一内箍圈st107、第二内箍圈st110、紧定螺钉st106、紧定螺钉st108、紧定螺钉st111、紧定螺钉st113固定到定子轮毂st109，以限制其轴向运动。定子铁芯st102，开有3个轴向通油孔以及两侧端面通油槽。进油口接头st127、出油口接头st128通过紧定螺钉st129、紧定螺钉st130固定到机座st119上。
第一侧隔板st116与第二侧隔板st125采用环氧板或者玻璃钢纤维材料或者不导磁且高电阻率的304不锈钢。使用内圈螺钉st124与内圈螺钉st114、外圈螺钉st126与外圈螺钉st115将第二外圈密封垫st123与第一外圈密封垫st117、第二内圈密封垫st122与第一内圈密封垫st118压紧固定到机座st119的两侧的挡肩上，结合第一侧隔板st116、第二侧隔板st125，用于构成侧端面的密封。
如图4和图5所示，定子组件st100与非驱动端转子组件ro200b和驱动端转子组件ro200a的相对运动，通过一对背对背安装的角接触轴承ro210与背对背安装的角接触轴承ro216实现，角接触轴承ro210和角接触轴承ro216与主轴ro209通过过盈配合链接，角接触轴承ro210与角接触轴承ro216分别与驱动端端盖1、非驱动端端盖2通过过渡配合链接，驱动端轴承外盖3、非驱动端轴承外盖4通过螺钉5、螺钉6用于角接触轴承ro210与角接触轴承ro216的轴向限位。
如图6和图7所示，出线盒组件te300，为了固定外接动力和温检信号引接线，分别引入了3个填料函te306、1个温检接头te305，填料函te306固定到出线盒壳体te304上，盖板te302通过螺钉te301固定出线盒壳体te304上，盖板te302与出线盒壳体te304之间设有橡胶垫te303。定子绕组st104的引出线通过机座st119上的过线孔引出，使用紧定螺钉te316、螺母te317、母排te315和接线铜鼻子te319连接到接线铜柱te314的一端，接线铜柱te314的另一端使用接线铜鼻子te319外接动力电缆，同理，使用紧定螺钉te311、螺母te310、母排te309压紧。其中接线铜柱te314通过环氧底板te320的端面限位，其上套有橡胶圈te313，通过紧定螺钉固定法兰盘st312，从而压紧橡胶圈te313，压紧起密封作用，定子绕组st104的温度传感器引接线通过温检插头te305引出。同时，设置了密封垫te322、密封垫te324、密封垫te303，以保证出线盒组件te300内部是一个密封的空间。
如图8和图9所示，非驱动端转子组件ro200b，为了使电机具有更高的功率密度，将转子组件ro200的磁钢ro207设计成表贴式结构。非驱动端转子组件ro200b包括磁钢ro207，磁钢ro207底面涂覆磁钢底面胶，使用磁钢隔条ro205来定位磁钢ro207，限制其切向、径向运动。通过螺钉ro206将磁钢隔条ro205固定到转子铁芯ro208上。
驱动端转子组件ro200a的结构形式与非驱动端转子组件ro200b的结构形式相同，两个转子组件通过轴套ro213上的法兰，使用螺钉ro212、螺钉ro215连接固定，轴套ro213的轴向方向通过两侧的两个弧键ro211、弧键ro214限位，如图8，图9所示。
密封方面，需要结合定子组件st100和出线盒组件te300说明。其中，出线盒te300内部安装有密封垫te324、密封垫te322、环氧底板te320、接线铜柱te314、橡胶圈te313构成出线盒部分的密封空间；定子组件st100中的侧隔板st116、侧隔板st125、机座st119、密封垫st117、密封垫st118、密封垫st122、密封垫st123、定子轮毂st109构成定子部分的密封空间。出线盒的密封空间结合定子部分的密封空间构成整个油冷的密封空间。
如图10所示，机座st119安装有进油接头st127和出油接头st128，其上开有进/出油口。定子绕组st104、定子铁芯st102、产生的热量，通过流动的冷却油带走，通过定子发热源浸油循环冷却设计，增大主要发热源的接触散热面积，提高热源表面对流换热系数，显著改善了定子散热效果，同时，通过定子铁芯st102的轴向通油孔与两个端面径向通油槽、油路可以多支路流动，实现较小的压力损失，定子铁芯st102、定子绕组st104产生的热量可以较快的被带走。
如图11和图12所示，旋转变压器组件re400，目的是为了精确的检测转子位置信号，设计有旋转变压器定子re408，过盈装配到旋转变压器定子法兰盘re410上。旋转变压器定子法兰盘re410开有4个腰形孔，用于调节旋转变压器定子的圆周位置，最后通过螺钉re409固定到非驱动端端盖4上；旋转变压器转子re405通过平键re404固定到旋转变压器轴套re406上，使用轴用挡圈re406限制轴向运动。
本发明的工作原理为：定子组件st100中的定子绕组st104外接电机逆变器输出的三相交流电，产生圆形旋转磁场，驱动端转子磁钢ro202、非驱动端转子磁钢ro207产生的磁场切割定子绕组st104，从而定子绕组st104产生的圆形旋转磁场带动驱动端转子磁钢磁钢ro202、非驱动端转子磁钢磁钢ro207产生的永磁磁场同步旋转，产生电磁转矩。在盘式电机运行过程中产生的热量，主要通过定子组件st100中的循环冷却油带走，由于定子采用了浸油循环冷却方案，转子采用了表贴式转子方案，盘式电机可以承受更大的过载，拥有更大的功率密度和扭矩密度。
该盘式电机采用有主轴设计，减速器或者差速器的输出轴上的内花键与盘式电机的外花键，通过花键副连接，其中与减速器耦合，用于减速；或者与差速器耦合，用于直驱。主要作为牵引动力，适合应用于纯电动、混合动力汽车等对空间要求苛刻、直驱或者配减速器的领域。

Claims (8)

1.一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，包括固定在机座(st119)内的定子组件(st100)，机座(st119)上固定有出线盒组件(ts300)，定子组件(st100)的两侧分别设置有驱动端转子组件(ro200a)和非驱动端转子组件(ro200b)，驱动端转子组件(ro200a)和非驱动端转子组件(ro200b)通过花键轴套连接，机座(st119)的两侧分别固定有驱动端端盖(1)和非驱动端端盖(2)，驱动端端盖(1)外侧设置有驱动端轴承外盖(3)，非驱动端端盖(2)外侧设置有非驱动端轴承外盖(4)，非驱动端轴承外盖(4)上设置有旋转变压器组件(re400)，驱动端端盖(1)和驱动端轴承外盖(3)之间设置有背靠背角接触轴承(ro210)，非驱动端端盖(2)和非驱动端轴承外盖(4)间设置有角接触轴承(ro216)，机座(st119)上设置有进油口接头(st127)、出油口接头(st128)。
2.根据权利要求1所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述定子组件(st100)包括定子铁芯(st102)，定子铁芯(st102)的外壁上绕有定子绕组(st104)，定子绕组(st104)的槽内直线段通过第一槽楔(st101)和第二槽楔(st103)压紧，定子绕组(st104)的内环通过第一内箍圈(st107)固定在定子轮毂(st109)的一侧，定子绕组(st104)的外环通过第一外箍圈(st105)固定在定子轮毂的一侧，定子绕组(st104)的另一侧通过第二内箍圈(st110)和第二外箍圈(st112)密封固定有第一侧隔板(st116)，第一侧隔板(st116)通过第一内圈密封垫(st118)和第一外圈密封垫(st117)密封固定在机座(st119)的一侧，机座(st119)的另一侧通过第二内圈密封垫(st122)和第二外圈密封垫(st123)密封固定有第二侧隔板(st125)，定子铁芯(st102)上开设有三个轴向通油孔以及两侧端面径向通油槽。
3.根据权利要求2所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述定子铁芯(st102)通过高磁导率、低损耗、超薄硅钢片卷绕而成，然后分割成若干独立的电枢齿，定子绕组采用C级绝缘漆包线，并采用多股并绕。
4.根据权利要求2所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述第一侧隔板(st116)与第二侧隔板(st125)采用环氧板或玻璃钢纤维材料或304不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述出线盒组件(te300)包括出线盒壳体(te304)，出线盒壳体(te304)内设置有三个填料函(te306)和一个温检接头(te305)，出线盒壳体(te304)的两侧分别固定有盖板(te302)和环氧底板(te320)，盖板(te302)与出线盒壳体(te304)间设置有第一橡胶垫(te303)，定子绕组(st104)的引出线通过机座(st119)上的过线孔引出，并分别固定在出线盒壳体(te304)内的三个接线铜柱(te314)的一端，三个接线铜柱(te314)通过环氧底板(te320)的端面限位，并密封，接线铜柱(te314)的另一端外接动力电缆，定子绕组(st104)的温度传感器引接线通过温检插头(te305)引出，环氧底板(te320)通过第二橡胶垫(te322)和第三橡胶垫(te324)密封。
6.根据权利要求1所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述驱动端转子组件(ro200a)和非驱动端转子组件(ro200b)的结构相同，均包括转子铁芯，转子铁芯上通过若干磁钢隔条隔离若干磁钢，驱动端转子组件(ro200a)和非驱动端转子组件(ro200b)分别固定在轴套(ro213)的两端，轴套(ro213)的轴向方向分别通过第一弧键(ro211)和第二弧键(ro215)固定驱动端转子组件(ro200a)和非驱动端转子组件(ro200b)。
7.根据权利要求6所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述非驱动端转子组件(ro200b)的非驱动端转子磁钢(ro207)，以及驱动端转子组件(ro200a)的驱动端转子磁钢(ro202)均采用N38EH烧结钕铁硼材质。
8.根据权利要求1所述的一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述旋转变压器组件(re400)包括固定在旋转变压器定子法兰盘(re410)上的旋转变压器定子(re408)，旋转变压器转子(re405)固定在旋转变压器轴套(re406)内，旋转变压器轴套(re406)内固定在旋转变压器定子(re408)内，旋转变压器定子法兰盘(re410)上开设有若干用于调节旋转变压器定子(re408)圆周位置的腰形孔，定子法兰盘(re410)固定在非驱动端轴承外盖(4)上。
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