CN107681811A - 一种新能源汽车用的笼型异步感应电机 - Google Patents

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Abstract

一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，属于Y系列感应电机领域。解决了新能源汽车中感应电机的风冷方式散热效果差及转子在高功率密度下温升高的问题。本发明中笼条位于转子铁芯的转子槽内，且笼条两端与端环固定连接；机壳包括内机壳和外机壳，且定子铁芯固定在内机壳上，沿内机壳的轴向均匀设有N个圆环，相邻的两个圆环间形成导流槽，且每个圆环上设有一个豁口，所有第奇数个圆环上的豁口形成一条直线，所有第偶数个圆环上的豁口形成另一条直线，由豁口形成的两条直线在内机壳的外壁上对称设置；外机壳上设有进水口和出水口，进水口和出水口均与导流槽连通。本发明主要用于新能源汽车上。

Description

一种新能源汽车用的笼型异步感应电机
技术领域
本发明属于Y系列感应电机领域。
背景技术
汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。经过多年讨论和探索，国内外对于汽车工业未来发展比较一致的看法是：21世纪是一个面临能源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油汽车将向高效低排放的电动汽车方向发展。
对于新能源汽车而言，现有大多数驱动电机系统的功率密度仍然偏低，限制了整车动力性能的进一步提高。未来的新能源汽车要求大幅度提高其驱动系统的功率密度，为配置更加强劲的动力腾出空间。从动力总成的角度看，把高速电机与行星减速器集成为一体的紧凑型减速电机驱动系统将是一条合理可行的解决之道。
笼型异步电机也是新能源汽车驱动系统的优先选择之一。相比永磁电机，其转子结构简单可靠，材料与制造成本较低。调速范围广，控制装置简单，低速区输出转矩较大；且弱磁方便，具有很宽的恒功运行范围。新能源汽车中感应电机一般功率密度小，电机运行效率低，新能源汽车中感应电机的一般采用风冷的方式，散热效果差，转子采用铝质材料实现，温升高。因此，亟需提供一种功率密度大且散热效果好，温升低的感应电机。
发明内容
本发明是为了解决新能源汽车中感应电机的风冷方式散热效果差及转子在高功率密度下温升高的问题；本发明提供了一种新能源汽车用的笼型异步感应电机。
一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，它包括定子、转子和机壳；定子和转子同轴设置位于机壳内，定子固定在机壳上，转子固定在转轴上；定子和转子间存在气隙；定子包括定子铁芯和定子绕组；定子绕组嵌入在定子铁芯的定子槽内；
机壳的两个端口分别通过前、后两个端盖进行密封；
转子包括转子铁芯、笼条和端环；笼条位于转子铁芯的转子槽内，且笼条两端与端环固定连接；
机壳包括内机壳和外机壳，且定子铁芯固定在内机壳上，沿内机壳的轴向均匀设有N个圆环，相邻的两个圆环间形成导流槽，且每个圆环上设有一个豁口，
所有第奇数个圆环上的豁口形成一条直线，所有第偶数个圆环上的豁口形成另一条直线，由豁口形成的两条直线在内机壳的外壁上对称设置；
外机壳上设有进水口和出水口，进水口和出水口均与导流槽连通。
本发明带来的有益效果是，本发明通过对机壳和转子的结构两方面进行改进，首先通过水冷的方式对电机进行降温，使得电机的散热均匀，散热速度提高了5倍以上，其次，通过改变转子部分的材质和结构来降低电机的整体温升，且转子部分的结构改进后制作工艺简单，制作成本低，而且端环的设计有效保证了转子的机械强度。
水冷机壳结构设计原则：普通的风冷方式满足不了改进后电机的冷却要求，重新设计水冷机壳的结构，重点是内机壳的设计，对水道结构还有相邻水道连通宽度合理的设计，来满足电机的冷却要求。
一种新能源汽车用的笼型异步感应电机因外部尺寸受限，对其冷却系统进行合理设计，不仅可有效降低电机温度，还可减小流体流动所受阻力、减小能耗、提高冷却效率，保证电机的安全稳定运行。减小相邻水道连通处宽度及水道结构对流体流动阻力及流速的影响，提高冷却效率，减小压力损失。
附图说明
图1为本发明所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的局部主剖视图；附图标记6表示机座；
图2为转子的结构示意图；
图3为内机壳的三维结构示意图图；
图4为图3的主剖视图；
图5为内机壳和外机壳的相对位置关系图；
图6为转子铁芯的三维结构示意图；
图7为图6的局部示意图；
图8为定子铁芯的结构示意图；
图9为图8的局部示意图；
图10为定子铁芯和转子铁芯的相对位置关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，它包括定子1、转子2和机壳3；定子1和转子2同轴设置位于机壳3内，定子1固定在机壳3上，转子2固定在转轴4上；定子1和转子2间存在气隙；定子1包括定子铁芯1-1和定子绕组1-2；定子绕组1-2嵌入在定子铁芯1-1的定子槽内；
机壳3的两个端口分别通过前、后两个端盖5进行密封；
转子2包括转子铁芯2-1、笼条2-2和端环2-3；笼条2-2位于转子铁芯2-1的转子槽内，且笼条2-2两端与端环2-3固定连接；
机壳3包括内机壳3-1和外机壳3-2，且定子铁芯1-1固定在内机壳3-1上，沿内机壳3-1的轴向均匀设有N个圆环3-1-1，相邻的两个圆环3-1-1间形成导流槽3-1-2，且每个圆环3-1-1上设有一个豁口3-1-3，
所有第奇数个圆环3-1-1上的豁口3-1-3形成一条直线，所有第偶数个圆环3-1-1上的豁口3-1-3形成另一条直线，由豁口3-1-3形成的两条直线在内机壳3-1的外壁上对称设置；
外机壳3-2上设有进水口7和出水口8，进水口7和出水口8均与导流槽3-1-2连通。
本实施方式，所有第奇数个圆环3-1-1上的豁口3-1-3形成一条直线，所有第偶数个圆环3-1-1上的豁口3-1-3形成另一条直线，这样的分布会使通过相邻导流槽3-1-2内的水流以相同的速度同时到达下一个豁口3-1-3，水的流动状态会更好地稳定在紊流状态，增强水的对流换热能力，继而增强水冷机壳的冷却效果。
具体实施方式二：参见图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的区别在于，所述的转子2中的笼条2-2采用铜质材料实现。
本实施方式，考虑到本发明所述一种新能源汽车用的笼型异步感应电机为高功率密度电机，且该种高功率密度电机的温升会较高，因此，笼条2-2采用铜质材料实现，可以大幅度降低电机转子损耗和温升。
异步电机效率没有永磁电机效率高的原因在于，异步电机在起动后，转子绕组会继续产生大量损耗。将现有技术中的铸铝转子改成铜转子，因为铜的电阻率比铝小得多，所以可以大幅度降低电机转子损耗，电机各部分电磁损耗会以热量的形式流失，所以减小了转子损耗，既可以提高效率，又可以降低温升，延长电机寿命。而且铜的硬度比铝大，加强了转子的机械强度，也可以延长电机寿命。
具体实施方式三：参见图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的区别在于，所述的端环2-3上设有通孔，笼条2-2插入在通孔内，并与端环2-3焊接固定。
本实施方式，在转子2的生产制造过程中，先将笼条2-2插在转子槽中，再在笼条2-2两端套上端环2-3，在端环2-3和笼条2-2端面进行焊接，这种焊接方法难度小和制造成本低，使得每根笼条均在通孔内进行焊接，笼条的固定更加牢固，不易开裂，而且端环2-3的结构设计有效保证了转子的机械强度，可以完成低成本、高效率的铜芯转子制造。
现有技术的转子2中的笼条多采用铝质材料制成，转子损耗和温升高，某些铜芯转子的笼型异步电机，铜芯转子的焊接工艺需要采用感应钎焊，成本较高，且其笼条端环为圆柱形结构，在焊接的过程中将圆柱形端环整体与笼条进行焊接，制作成本高，施工难度大。由于电机转子的工作条件，对焊接点的强度要求比较大。如果焊接点出现损坏，轻则影响整个电机的性能，重则造成转子损毁。
具体实施方式四：参见图1至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的区别在于，所述定子绕组1-2的单根线径范围为0.9mm～1.06mm，定子绕组1-2采用多根并绕的方式进行嵌放，且定子绕组1-2上的电密度≤7.5A/mm2。
本实施方式中，
(A)：电机的主要尺寸关系式见式(公式一)：
式中，D为电枢直径，lef为电枢的计算长度，P′为计算功率，α′p为计算极弧系数；KNm为气隙磁场的波形系数；Kdp为电枢的绕组系数；A为线负荷；Bδ为气隙磁密；CA为电机常数。
电机中，转子转速n与电流频率f间的数值关系见公式二：
由公式一可以看出等于常数CA，而通过改变定子绕组线径Ac，可以增大线负荷A，继而减小电机常数CA，电机常数CA与电机功率P′成反比，所以电机的功率等级可以增加。
(B)：由公式二得出转速n和电流频率f呈正比例关系。
由公式一可以看出转速n和功率P′呈正比例关系。
本电机通过改变电源频率来增加转速n，继而提升功率等级。
通过上述两条，本发明电机的功率P′得到大幅度提升，功率提升了接近19倍，但是体积增加相对来说不大。因此本发明所述一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的功率密度会大幅增加。
具体应用：
以一台30槽的4kW感应电动机为例：额定功率达到75kW。新能源汽车对驱动电机的体积要求特别高，本发明相比于同功率等级的Y2-280S-2 75kW感应电机，电机体积缩小了接近4.5倍，完全满足汽车的性能要求，若想继续提高汽车性能，可以在汽车中使用两台改进后电机，再加上控制器组成双电机驱动系统，最大扭矩可以达到400Nm。该电机转子采用常规的笼型转子，不需要特殊的复杂结构，制造工艺简单，维护方便，运行可靠。本发明提出的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机运行可靠，成本较低，结构简单，性能优异，能够大大满足新能源汽车用电机的需求，该电机不仅在新能源汽车用电机领域有重要的意义，也同样适用于需要高转速电机的场合当中。
本发明所述一种新能源汽车用的笼型异步感应电机的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (4)

1.一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，它包括定子(1)、转子(2)和机壳(3)；定子(1)和转子(2)同轴设置位于机壳(3)内，定子(1)固定在机壳(3)上，转子(2)固定在转轴(4)上；定子(1)和转子(2)间存在气隙；定子(1)包括定子铁芯(1-1)和定子绕组(1-2)；定子绕组(1-2)嵌入在定子铁芯(1-1)的定子槽内；
机壳(3)的两个端口分别通过前、后两个端盖(5)进行密封；
其特征在于，转子(2)包括转子铁芯(2-1)、笼条(2-2)和端环(2-3)；笼条(2-2)位于转子铁芯(2-1)的转子槽内，且笼条(2-2)两端与端环(2-3)固定连接；
机壳(3)包括内机壳(3-1)和外机壳(3-2)，且定子铁芯(1-1)固定在内机壳(3-1)上，沿内机壳(3-1)的轴向均匀设有N个圆环(3-1-1)，相邻的两个圆环(3-1-1)间形成导流槽(3-1-2)，且每个圆环(3-1-1)上设有一个豁口(3-1-3)，
所有第奇数个圆环(3-1-1)上的豁口(3-1-3)形成一条直线，所有第偶数个圆环(3-1-1)上的豁口(3-1-3)形成另一条直线，由豁口(3-1-3)形成的两条直线在内机壳(3-1)的外壁上对称设置；
外机壳(3-2)上设有进水口(7)和出水口(8)，进水口(7)和出水口(8)均与导流槽(3-1-2)连通。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，其特征在于，所述的转子(2)中的笼条(2-2)采用铜质材料实现。
3.根据权利要求1或2所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，其特征在于，所述的端环(2-3)上设有通孔，笼条(2-2)插入在通孔内，并与端环(2-3)焊接固定。
4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用的笼型异步感应电机，其特征在于，所述定子绕组(1-2)的单根线径范围为0.9mm～1.06mm，定子绕组(1-2)采用多根并绕的方式进行嵌放，且定子绕组(1-2)上的电密度≤7.5A/mm2。
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