CN107612225B - 一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，它涉及电机技术领域。它包括定子固定件、气隙处密封环、进油口、出油口、左盖板、右盖板、右侧激光焊接环、左侧激光焊接环，定子固定件上设置有进油口、出油口，定子固定件的两侧分别设置有左盖板、右盖板，定子固定件的外围设置有一圈气隙处密封环，左盖板、右盖板与定子固定件之间采用密封胶进行固定连接，左盖板、右盖板与气隙处密封环的交接处分别使用左侧激光焊接环、右侧激光焊接环固定密封。本发明可快速有效地带走电机主要损耗部件的热量，散热效果好，大大提高电机的功率与转矩密度，易于推广使用。

Description

一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构

技术领域

本发明涉及的是电机技术领域，具体涉及一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构。

背景技术

新能源汽车用轮毂电机为了达到可靠高效，一般都采用直接驱动的模式，从而消除齿轮等低效低响应的机械传动链，车轮空间与簧下质量等因素对轮毂电机的体积与重量提出了严格的限制，从而高功率与转矩密度成为轮毂电机设计开发的首要任务。因而，此类电机跟传统的电机相比具有非常高的电磁负荷，从而导致单位体积重量的损耗很大，但是有效散热面积又非常小，因此对电机的散热带来了新的挑战。

水冷或者油冷是该行业最常见的轮毂电机冷却方式，以防止电机绕组和磁钢等重要部件温升过高，从而减少电机寿命甚至损害电机，影响该类电机运行的安全性与经济性。现有的轮毂电机基本在定子机壳或固定结构的非有效电磁部件上设计水冷或油冷通道进行冷却，而对定制的有效电磁部件绕组与硅钢片进行环氧塑封来提高定子内部的导热效率。现有的冷却技术由于塑封材料的使用而大大增加了定子重量，同时由于塑封带来了定子故障维修与检测的困难。由于冷却媒质与定子的导线与硅钢片这些主要损耗部件物理距离比较大，且机械装配，槽结缘，与定子本身部件材料产生的热阻大大增加，从而导致传热困难。为了克服上述问题，出现了另一种采用槽内水管或油管对电机进行冷却的的技术方案，水管一般布置在槽口或者两个绕组线圈边之间，这些管道的材料一般为导热性能较好的不锈钢或者铜，此冷却方式冷却媒质与绕组热源物理位置得到极大的拉近，因此具有较好的冷却效果。但是这种方案在实际应用中并不广泛，因为管道材料具有高导电率，在槽漏磁的作用下会产生较大的涡流损耗，从而增加电机的电磁损耗而降低效率，最重要的是这些管道占据比较客观的槽空间，从而导致槽内绕线的槽满率，相同电流下电机的铜耗增大，在一定程度上抵消了槽内管道所能带来的冷却效果。此外，这种冷却方式，结构相当复杂，特别是管道端部的连接工艺繁琐而导致管道连接处有密封泄漏等问题，最重要的是这种冷却方案冷却媒质并没有和定子的绕线与硅钢片直接接触，它们直接依然存在较大的热阻。

同时分数槽集中绕组永磁同步电机，其一个绕组线圈缠绕在单个电机齿上，相对于分布绕组电机具有绕组结构简单，绕线方便，绕组端部较短等特点，成为轮毂电机的首选。然而集中绕组定子槽数相对较少槽面积较大，导致槽中心到定子硅钢叠片的热阻变大，绕组中产生的热很难传导到传统的布置在定子外壳或固定结构中的冷却媒质，这将使得电机绕组中心的温升过高，从而大大限制电机的功率转矩密度。为了进一步提高此类集中绕组永磁同步电机的功率转矩密度，使其更适合于轮毂电机应用，其定子绕组的冷却问题亟待有效解决。最有效的绕组冷却方式是使冷却媒质直接与其接触以实现散热效率的最大化，其中最常用的绕组直接冷却方式是使用空心导体以实现绕组导线的液体内冷却，此方法一般需要截面积比较大的导线，而且比较复杂，一般在大型电机中应用比较广泛，在轮毂电机这种对空间限制比较严格的场合显然比较难实现甚至无法实现。另一种方案是借鉴油冷式变压器的方案，对电机定子进行全密封从而使整个定子浸润在冷却媒质中以实现有效的散热，然后变压器中所有部件都是静止的，没有电机中转子部件，从而实现起来相对简单很多。此类冷却方式已经被英国牛津的YASA Motors Ltd成功地应用于轴向轮毂电机系统中，详细可参照专利 US 2013/0187492 A1，利用该技术该公司实现了目前世界上功率转矩密度最高的电机产品。由于特殊的YASA轴向电机结构，电机的密封与油路设计相对比较简单，此专利方案无法直接应用与常用的径向电机系统。

综上，由于空间和重量的限制，轮毂电机需要极高的功率与转矩密度。因而此类电机设计时都需要拥有颇高的电磁负荷，单位体积和质量的电磁损耗很大。然而相对的散热面积却非常有限，对有效散热带来了巨大的挑战，基于此，设计一种新型的径向轮毂电机定子油浸冷却的结构。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，结构简单，设计合理，可快速有效地带走电机主要损耗部件的热量，散热效果好，大大提高电机的功率与转矩密度，实用可靠，易于推广使用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，包括定子固定件、气隙处密封环、进油口、出油口、左盖板、右盖板、右侧激光焊接环、左侧激光焊接环，定子固定件上设置有进油口、出油口，定子固定件的两侧分别设置有左盖板、右盖板，定子固定件的外围设置有一圈气隙处密封环，左盖板、右盖板与定子固定件之间采用密封胶进行固定连接，左盖板、右盖板与气隙处密封环的交接处分别使用左侧激光焊接环、右侧激光焊接环固定密封。

作为优选，所述的定子固定件采用铝合金制成，可减轻质量，左盖板、右盖板均采用耐高温非导磁高强度的塑料端板，气隙处密封环采用耐高温非导磁高强度的塑料密封环。

作为优选，所述的定子固定件形成的模具容器中包裹有电机的定子，电机槽内放入绕组，根据同一线圈的径向长度将所述绕组分成上绕组、中绕组和下绕组三个位置排放，同一槽内相邻两套线圈之间留有供冷却液流过直接对绕组外表面进行冷却的间隙，让冷却油能够顺利对绕组进行冷却。

作为优选，所述的气隙处密封环厚度为0.3-0.5mm，气隙处密封环的内壁上设有加强筋条，可增加外壁强度，加强筋条与电机槽口相适应，能够插入到槽口中，且加强筋条对电机定子齿部起到定位作用。

作为优选，所述的左盖板包括有左盖板基板及左油冷通道阻拦挡板，左盖板基板上固定有多个左油冷通道阻拦挡板，左油冷通道阻拦挡板的厚度为1mm，通过不同的挡板数和位置实现多种不同的槽内油冷通道串并联配置；所述的右盖板包括有右盖板基板及右油冷通道阻拦挡板，右盖板基板上固定有多个右油冷通道阻拦挡板，右油冷通道阻拦挡板的厚度为1mm，通过不同的挡板数和位置实现多种不同的槽内油冷通道串并联配置。

本发明的有益效果：本发明利用巧妙的机械结构设计对整个定子进行有效的密封，从而使整个定子都浸润在流动的介电绝缘油中，使电机的损耗部件硅钢片与定子绕线直接与冷却媒质接触，因此可以快速有效地带走电机主要损耗部件的热量，大大提高电机的功率与转矩密度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明定子横切面的结构示意图；

图3为本发明气隙处密封环的结构示意图；

图4为本发明左盖板的结构示意图；

图5为本发明右盖板的结构示意图；

图6为本发明定子轴向切面的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-6，本具体实施方式采用以下技术方案：一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，包括定子固定件1、气隙处密封环2、进油口3、出油口4、左盖板5、右盖板6、右侧激光焊接环7、左侧激光焊接环8，定子固定件1上设置有进油口3、出油口4，定子固定件1的两侧分别设置有左盖板5、右盖板6，定子固定件1的外围设置有一圈气隙处密封环2，左盖板5、右盖板6与定子固定件1之间直接采用密封胶进行固定连接，左盖板5、右盖板6与气隙处密封环2的交接处分别使用左侧激光焊接环8、右侧激光焊接环7达到固定与密封作用。

值得注意的是，为了减轻重量，所述的定子固定件1采用质量更轻的铝合金制成，而用于密封的左盖板5、右盖板6及气隙处密封环2均采用耐高温非导磁高强度的塑料制成。

此外，所述的左盖板5包括有左盖板基板501及左油冷通道阻拦挡板502，左盖板基板501上固定有多个左油冷通道阻拦挡板502，左油冷通道阻拦挡板502的厚度为1mm；所述的右盖板6包括有右盖板基板601及右油冷通道阻拦挡板602，右盖板基板601上固定有多个右油冷通道阻拦挡板602，右油冷通道阻拦挡板602的厚度在1mm左右，通过设计不同的挡板数和位置实现多种不同的槽内油冷通道串并联配置，组合方式非常多样化，根据实际需要和冷却要求进行选择，该功能实现需要两侧的端板与阻拦挡板进行配合使用。

本具体实施方式将电机的定子包裹在外形如图1的模具容器中，在电机运行过程中，由外部油泵经进油口3向模具型腔内泵入冷却油，冷却油将流经电机的电枢绕组，直接对绕组进行冷却，同时也对浸泡在冷却液中的定子铁芯进行冷却。电机槽内放入有绕组，为了让冷却油能够顺利对绕组进行冷却，在绕组排布上需要给冷却介质让出空间，同一槽内相邻两套线圈之间一般留有间隙9供冷却液流过，直接对绕组外表面进行冷却，根据同一线圈的径向长度可以对绕组进行分块，槽内的绕组分成上绕组1101、中绕组1102和下绕组1103三个位置排放，并在各分块直接留出相应间隙9供冷却液流过以达到更好的冷却效果。

需要注意的是，图1只是阐述了一般外转子的示意图，相同的技术可以用于内转子电机结构。

本具体实施方式采用的气隙处密封环2由于直接占用电机气息空间，使实际的物理气息相应减少而提高电机加工难度，所以该环较小，厚度在为0.3-0.5mm之间，此外，因密封环的机械强度比较小，容易损坏，从而在其内壁上加设有加强筋条201，可有效增加外壁强度，加强筋条201与电机定子槽口相适应，能够插入到槽口中，同时加强筋条201对电机定子齿部10起到定位作用。

本具体实施方式在相同散热效率下，由于实现了冷却媒质直接与绕线硅钢片接触，从而可以大大降低它们之间的温度差，即在此温度差相同的条件下，该结构相较于现有技术可以大幅度提高散热效率，从而允许更大的电磁负荷以达到更大的功率与转矩密度。此外，由于电机热动态的时间常数远远大于电磁动态的时间常数，电机的动态性能往往受到很大的限制，相对于现有的冷却技术能大大降低电机的热动态时间常数，因而结合有效的电机控制算法，此发明可以大幅度地提高电机的动态性能，从而使此技术非常适用于新能源汽车这种对动态性能要求高的应用场合。除以上技术优势外，本结构使用了介电绝缘油冷切媒质，从而大大地改善了电机绝缘，从而大幅提高了电机的击穿电压，从而该技术具有比传统技术更宽的工作电压等级，可以有效地使用在高压供电系统。

综上，本具体实施方式利用巧妙的机械结构设计对整个定子进行有效的密封，从而使整个定子都浸润在流动的介电绝缘油中，使电机的损耗部件硅钢片与定子绕线直接与冷却媒质接触，因而可以快速有效地带走电机主要损耗部件的热量，本发明适用传统径向轮毂电机的电机定子油浸冷却，实现了此类电机定子绕组有效快速冷却，大大地提高电机的功率与转矩密度，具有广阔的市场应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，包括定子固定件(1)、气隙处密封环(2)、进油口(3)、出油口(4)、左盖板(5)、右盖板(6)、右侧激光焊接环(7)、左侧激光焊接环(8)，定子固定件(1)上设置有进油口(3)、出油口(4)，定子固定件(1)的两侧分别设置有左盖板(5)、右盖板(6)，定子固定件(1)的外围设置有一圈气隙处密封环(2)，左盖板(5)、右盖板(6)与定子固定件(1)之间采用密封胶进行固定连接，左盖板(5)、右盖板(6)与气隙处密封环(2)的交接处分别使用左侧激光焊接环(8)、右侧激光焊接环(7)固定密封；所述的定子固定件(1)形成的模具容器中包裹有电机的定子，电机槽内放入绕组，根据同一线圈的径向长度将所述绕组分成上绕组(1101)、中绕组(1102)和下绕组(1103)三个位置排放，同一槽内相邻两套线圈之间留有供冷却液流过直接对绕组外表面进行冷却的间隙(9)。

2.根据权利要求1所述的一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，所述的定子固定件(1)采用铝合金制成，左盖板(5)、右盖板(6)均采用耐高温非导磁高强度的塑料端板，气隙处密封环(2)采用耐高温非导磁高强度的塑料环。

3.根据权利要求1所述的一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，所述的气隙处密封环(2)厚度为0.3-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，所述的气隙处密封环(2)的内壁上设有增加外壁强度的加强筋条(201)，加强筋条(201)与电机槽口相适应，且加强筋条(201)对电机定子齿部(10)起到定位作用。

5.根据权利要求1所述的一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，所述的左盖板(5)包括有左盖板基板(501)及左油冷通道阻拦挡板(502)，左盖板基板(501)上固定有多个左油冷通道阻拦挡板(502)，左油冷通道阻拦挡板(502)的厚度为1mm，通过不同的挡板数和位置实现多种不同的槽内油冷通道串并联配置。

6.根据权利要求1所述的一种径向轮毂电机定子油浸冷却的结构，其特征在于，所述的右盖板(6)包括有右盖板基板(601)及右油冷通道阻拦挡板(602)，右盖板基板(601)上固定有多个右油冷通道阻拦挡板(602)，右油冷通道阻拦挡板(602)的厚度为1mm，通过不同的挡板数和位置实现多种不同的槽内油冷通道串并联配置。