CN1077345C - 感应电动机及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

在本发明所提供的电动车电动机及其冷却方法中，冷却剂注入电动机机壳上的一个冷却剂注入口后，受到引导，通过封在机壳内的定子铁心的一组径向槽，从电动机机壳上的一个冷却剂排出口排出。由于在这些径向槽内布有定子导线，因此冷却剂可以与所有定子导线的所有外表面接触。

Description

感应电动机及其冷却方法

下面标出的与本发明在同一日期提出的美国专利申请与本申请有关，列为本申请的参考：

“平顶原理”，代理人卷号58,295；

“电动车的汽车12伏系统”，代理人卷号58,333；

“电动车推进系统的直冷式开关模块”，代理人卷号58,334；

“电动车推进系统”，代理人卷号58,335；

“高压电动机控制的速度控制和引导技术”，代理人卷号58,336；

“电动车推进系统电动机控制器的矢量控制板”，代理人卷号58,337；

“具有综合测试和控制能力的数字脉冲宽度调制器”，代理人卷号58,338；

“电动车控制机构”，代理人卷号58,339；

“改进的功率转换器EMI滤波器配置技术”，代理人卷号58,340；

“检测电源和底盘之间漏电流的故障检测电路”，代理人卷号58,341；

“电动车继电器组件”，代理人卷号58,342；

“三相供电电桥组件”，代理人卷号58,343；

“具有机内测试功能的电动车推进系统供电电桥”，代理人卷号58,344；

“电动车推进系统供电电桥的测试方法”代理人卷号58,345；

“电动车配电模块”，代理人卷号58,346；

“电动车底盘控制器”，代理人卷号58,347；

“电动车系统控制单元机柜”，代理人卷号58,348；

“电动车系统控制单元的低成本液冷机柜”，代理人卷号58,349；

“电动车冷却剂泵组件”，代理人卷号58,350；

“散热变压器线圈”，代理人卷号58,351；

“电动车电池充电器”，代理人卷号58,352。

本发明与感应电动机有关。具体地说，本发明与感应电动机及其冷却方法有关。虽然本发明的应用范围很广，但特别适用于电动车推进系统，因此将结合这种情况具体加以说明。

通常的电动机，具体地说是鼠笼式感应电动机，一般包括一个定子和一个转子。定子和转子各有一个由铁磁性的迭片叠成的铁心，其中纳有一些导体，通常由铜制成。定子在其铁心两端都有导电的端部线匝，而转子在其铁心两端都有导电的端帽。

电动机工作时，定子和转子的铁心和导体都会发热。为了避免电动机过热而发生故障，必须冷却定子和转子。按照通常的致冷技术，将冷却剂(一般是油)压入电动机机壳。冷却剂导向处在电动机机壳两端的喷嘴阵列。这些喷嘴将冷却剂喷到定子的端部线匝和转子的端帽上。然后，冷却剂由于重力流入电动机集油槽，被抽出电动机后经油冷却机再返回喷嘴。

按照这种技术，冷却剂接触到的只是导电的定子端部线匝和转子端帽。这些导体，特别是定子中的那些，是电动机内的主要热源。在这些导体中产生的热必需通过热传导从定子的中心传到端部才能散去。对于通常用在电动车这种环境所会遇到的要产生大量的热的情况，这种冷却技术可能不足以使电动机充分散热，从而导致电动机损坏。

因此，本发明开发了一种基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而引起的一些问题的电动车电动机及其冷却方法。

本发明的其他特点和优点将在以下说明中给出，部分从说明中可以看到，或者通过实际应用本发明可以知道。采用在以下说明、权利要求及附图中具体指明的装置和方法就可以实现和达到本发明的目的以及其他优点。

按照本发明的目的，为了获得这些和其他一些优点，作为具体实施例概括地说，本发明所提出的电动车的电动机包括一个具有一对钟形端罩、一个冷却剂注入口和一个冷却剂排出口的机壳。这种电动机还包括一个安装在机壳内的定子铁心。定子铁心有夹在两个钟形端罩之间的两个对端，一组在对端之间轴向延伸的径向槽，一些嵌在槽内的导电绕组，以及从槽伸出的导电端部线匝。本发明所提出的电动机还包括一个从冷却剂注入口开始经定子铁心槽到冷却剂排出口的冷却剂通路。

在本发明的另一种情况中，上述电动车的电动机在机壳上还开有一个第二冷却剂注入口。一个具有两个相对的端帽的转子配置在定子铁心内。第二冷却剂通路是从第二冷却剂注入口开始经端帽到冷却剂排出口。

在本发明的第三种情况中，本发明所提出的电动机包括一个具有一对钟形端罩、一个冷却剂注入口和一个冷却剂排出口的机壳。一个定子铁心安装在机壳内，它的两个对端夹在两个钟形端罩之间。定子铁心还有一组在它的两个对端之间轴向延伸的径向槽，一些嵌在这些槽内的导电绕组，以及从这些槽伸出的导电端部线匝。这种电动机还包括至少一个配置在机壳内的套筒，用来引导冷却剂经这些槽流向冷却剂排出口。这至少一个的套筒分别从定子铁心的对端一直沿伸到相应的钟形端罩。

在本发明的第四种情况中，所提出的冷却电动车的电动机的方法包括将冷却剂注入具有一对钟形端罩的电动机机壳的一个冷却剂注入口的步骤。这种方法还包括使冷却剂经过定子铁心上的一组径向槽。定子铁心安装在机壳内，具有两个夹在两个钟形端罩之间的对端和从那些槽伸出的导电的端部线匝。槽在定子铁心的对端之间轴向延伸，嵌有导电的绕组。这种方法还包括从机壳的一个冷却剂排出口排出冷却剂的步骤。

在第五种情况中，上述冷却电动车的电动机的方法还包括将冷却剂注入电动机机壳的一个第二冷却剂注入口的步骤。转子的端帽于是受到从第二冷却剂注入口注入的冷却剂的喷淋。冷却剂从冷却剂排出口排出。

可以理解，以上概要说明和以下详细说明都是示例性的，旨在为权利要求所限定的本发明作进一步的解释。

下列附图是本说明的一部分，示出了本发明的优选实施例。这些附图连同说明部分一起用来解释本发明的原理，使本发明可以得到更深入的理解。在这些附图中；

图1为采用本发明所提出的电动机及其冷却方法的电动车推进系统的方框图；

图2为示出本发明第一实施例的冷却系统的方框图；

图3为本发明第一实施例的电动机的剖视图，示出了沿图6所示电动机机壳的C-C线剖视的视图；

图4为用来叠成本发明电动机定子铁心的定子迭片的端视图；

图5为遵从本发明的装有导电绕组的定子槽的端视图；

图6为遵从本发明的电动机机壳的切剖端视图；

图7为用于本发明电动机的套筒的侧视图；

图8为图7所示套筒的端视图；

图9为与图3相同的电动机剖视图，示出了本发明第一实施例的冷却剂流动路径；

图10为沿图6所示电动机机壳的B-B线剖视的电动机剖视图，进一步示出了本发明第一实施例的冷却剂流动路径；

图11为示出本发明第二实施例的冷却系统的方框图；

图12为沿图6所示电动机机壳的B-B线剖视的电动机剖视图，示出了本发明第二实施例的冷却剂流动路径；

图13为沿图6所示电动机机壳的C-C线剖视的电动机剖视图，进一步示出了本发明第二实施例的冷却剂流动路径；

图14为示出本发明第三实施例的冷却系统的方框图；

图15为示出本发明第四实施例的冷却系统的方框图；以及

图16为用来叠成本发明电动机转子铁心的转子迭片的端视图。

下面将结合附图所示对本发明提出的各优选实施例进行说明。在各附图中，相同的标号标记的是同样的部件。

涉及感应电动机及其冷却方法的本发明将就图1所示的电动车推进系统10进行讨论。电动车推进系统10包括系统控制单元12、电动机组件14、冷却系统16、电池18和DC/DC变换器20。系统控制单元12包括中空的吸热板22。主要的发热电子部件是电池充电器24和电动机控制器26。系统控制单元12中的其他部件包括配电模块28和底盘控制器30。这些部件安装在吸热板上，与之保持热接触。冷却系统16包括压送冷却剂通过吸热板22、电动机34的油泵单元38和放热器/风扇40。电动机组件14包括解算器32、电动机34和过滤器36。

电动机34最好是一个三相交流感应电动机，具有一个或多个电绝缘的三相绕组，可以在低速产生大转矩，以便提供与通常的气体驱动的发动机相当的性能。电动机34的转子接到车辆的传动轴上。最好，在定子34的每个槽内的各个分开的绕组在顶部相互基本对齐，使得每根导线中的电流都为电动机转矩作出贡献。这样，能用一些分开的电气独立的三相供电电桥来驱动同一个电动机。

解算器32安装在电动机34附近，用来检测电动机转轴的转速，向电动机控制器26提供指示电动机转轴转速的信号。解算器32可以是市售的解算器，也可以是在该技术领域常用的其他解算器。解算器32的基准信号由电动机控制器26提供。

图2示出了本发明第一实施例的冷却剂循环流动的情况。如图所示，冷却剂(最好是合成的高温低粘性的油类)通常依次流经泵单元38、放热器/风扇40、吸热板22、过滤器36和串馈电动机34循环。放热器/风扇40将热从冷却剂中散去，冷却剂由过滤器36过滤。过滤器36可以是在该技术领域常用的市售滤油器。泵38的速度控制了流过电动机34的冷却剂的体流率。

电动机34包括机壳44、定子铁心46和转子48，如图3所示。转子48最好包括一根钢转轴、一些铁心片、一些钢的鼠笼导体和两个分别在转子两端将所有铜的转子导体连接起来的铜的端导体。如通常的那样，定子铁心46包括一叠定子叠片50(定子叠片50的厚度最好与在转子中所使用的相同)和绕在各槽内的铜导线。由图4可以更清楚地看到，每个定子叠片50上都开有一组沿周边分隔的槽52。当叠片50叠在一起形成定子铁心46时，槽52便在定子铁心46的对端54之间轴向延伸。每个定子槽52中都嵌有一些导电绕组56，最好是圆形截面的导线，如图5所示。或者，绕组56也可以具有在该技术领域中所知的其他截面形状。绕组56最好是用铜导线绕成。导电绕组56围着定子铁心46缠绕，从定子槽52伸出，形成暴露的导电端部线匝58和60。端部线匝58和60分别从定子铁心46的两端54凸出。

转子48安装在定子铁心46内，有两个端帽62。在端帽之间是一组叠在一起的如图16所示的薄金属叠片。这些叠片上开有一系列相互对准的孔或槽100。在这些槽100中各塞入铜导体102(见图3)，从转子的一端62通到另一端，由端帽62在电气上和机械上连接在一起。最好，端帽62和鼠笼导体102都是铜的。

端视图如图6所示的机壳44将定子铁心46封在两个钟形端罩64之间。机壳44包括冷却剂注入口66、冷却剂收集槽68以及与冷却剂收集槽68相邻的冷却剂排出口70(见图3)。

如图3所示，每个钟形端罩64上各固定了一个冷却剂喷嘴环72，从而各形成了一个封闭的环形腔74。每个喷嘴环72上至少装有一个喷嘴76，以将冷却剂散作雾状喷向转子的端帽62。最好，每个喷嘴环72上安装四个均匀间隔的喷嘴76，这样，在转子48旋转时就可大面积地对转子的端帽62进行喷淋。

按照本发明第一实施例，电动机34还包括一对封在机壳44内的套筒78。如图7和8所示，每个套筒都加工成大体呈钟形，内径处在喉部80，外径处在口部82。这对套筒78分别从定子铁心46的两端54伸向相应的钟形端罩64，如图3所示。钟形端罩64用螺钉固定在机壳44上，紧紧地将套筒78压靠在定子铁心46上卡住。套筒78也可以用其他任何常用方法固定就位。每个套筒78的喉部80与定子铁心46的端部叠片50的内径接触。因此，套筒78有效地隔出了内环形腔84和外环形腔86和88。

按照这个第一实施例，冷却剂依次通过定子槽52、喷嘴76和收集槽68。在工作时，冷却剂(最好是油类)在由放热器/风扇40放热、流经吸热板22和过滤器36后，在注入口进入电动机34，如图9所示。泵38的速度控制了进入注入口66的冷却剂的体流率。冷却剂充满外环形腔86，接触导电的端部线匝58，降低了线匝的温度。然后，冷却剂在隔出腔86的套筒76的引导下进入定子槽52，充满导电绕组56之间的间隙。冷却剂实际上接触着所有的导电绕组56，使绕组56和定子铁心46都受到冷却。

冷却剂通过槽52后，充入外环形腔88，接触和冷却导电的端部线匝60。冷却剂在隔出腔88的套筒76的引导下通过开口90进入机壳44上部的通道92，如图10所示。通过道92将冷却剂导向钟形端罩64内的通道94，最终到达各由一个喷嘴环72隔成的两个腔74。各喷嘴76将冷却剂喷入环形腔84，朝向转子48的端帽62，如图9和10所示。转子48内产生的热传导到端帽62被从喷嘴76喷到端帽62上的冷却剂带走。

喷到端帽62上后，冷却剂在环形腔86内经钟形端罩64流入冷却剂收集槽68，如图9和10中的虚线箭头所示。然后，冷却剂泵单元(图2)将冷却剂从冷却剂收集槽68通过冷却剂排出口70抽出，送回到放热器/风扇40。冷却剂不仅使电动机的定子和转子受到冷却，而且对电动机的轴承95起了润滑作用。

图11示出了本发明第二实施例的电动车冷却系统，其中包括一个电动车的电动机34’。在这个第二实施例中，冷却剂是并行流过电动机34’的。如图12所示，机壳44’除了冷却剂注入口66外还有一个第二冷却剂注入口96。从过滤器36流出的冷却剂分为两路，每路各有一个阀42，分别控制流向冷却剂注入口66和96的冷却剂的体流率。

如图13所示，流入注入口66的冷却剂被导入定子槽52，通过定子槽，这与第一实施例的情况相同。设置在注入口66的套筒78将冷却剂导入定子槽52。

然而，与第一实施例不同的是，在机壳44’内，在定子铁心46的冷却剂流出定子槽52的这个端部54处并没有一个第二套筒78。因此，在这个端部54实际上就有了一个相当于第一实施例中的环形腔84和88合并而成的腔98。流出定子槽52后，冷却剂充入腔98，接触和冷却端部线匝60。然而，并不一定要冷却剂长度与端部线匝60完全接触，因为线匝60内产生的热通过热传导传入定子槽52，在那里冷却剂对导线56的冷却更为有效。然而，冷却剂通过导电的端部线匝60附近的孔或槽104流入冷却剂收集槽58，如图13中虚线箭头99所示。

进入第二冷却剂注入口96的冷却剂流入通道92，如图12所示。通道92将冷却剂导向钟形端罩64内的通道94；最终进入各由一个喷嘴环72隔成的两个腔74。与第一实施例的情况相同，各喷嘴76将冷却剂喷向转子48的端帽62。

在接触和冷却了端帽62后，冷却剂在环形腔84内由套筒78导入冷却剂收集槽68，如虚线箭头79所示。腔98内的冷却剂与通过定子槽52的冷却剂一起流入冷却剂收集槽68，如虚线箭头99所示。然后，冷却剂泵单元38将冷却剂从收集器68通过冷却剂排出口70抽出，送回到放热器/风扇40。

图14示出了本发明第三实施便的电动车冷却系统。在这个第三实施例中，从过滤器36流出的冷却剂分为独立的三路，两路至电动机34’，而第三路至其他需要冷却的装置，如变速箱。三路各有一个阀42，相应控制分别流入电动机34’的冷却剂注入口66和96以及变速箱的冷却剂的体流率。

在第三实施例中，在电动机34’内的冷却剂流也是并行的，与第二实施例中的情况相同。进入和冷却变速箱的冷却剂也流入电动机34’的冷却剂收集槽68，抽回放热器/风扇40。

图15示出了本发明第四实施例的电动车冷却系统。在这个第四实施例中，从过滤器36流出的冷却剂通过注入口66进入电动机34”。冷却剂通过电动机34”是串行的，如第一实施例那样。然而，与第一实施例不同的是，从定子槽52流出而进入通道92的冷却剂有一部分被引导到电动机34”外部的需要冷却的装置，如变速箱。这可以通过从通道92上的孔引一条管道接到变速箱来实现。流出变速箱的冷却剂回到电动机34”，进入冷却剂收集槽68，与其他冷却剂一起由泵单元38抽回放热器/风扇40。

本发明所提出的冷却电动机的方法使冷却剂直接与电动机中的主要热源接触，同时还润滑了电动机。电动机内产生的热中，主要部分(通常占三分之二左右)是由定子铁心，特别是嵌在定子槽内的绕组产生的，其余部分是由转子产生的，而由于摩擦和空气阻力产生的热量很小。通过使冷却剂流过定子槽与导电绕组接触，电动机就能经得住在用于电动车情况下所要求的比较高的功率，而不会过热。这样，对于给定的功率要求，就能生产出又小又轻又经济的电动机。

显然，对于熟悉本技术领域的人员来说，在不背离本发明的精神或范围的情况下可对本发明所提出的电动机和相应冷却方法进行各种修改和变动。因此，本发明包括了所有属于所附权利要求规定的本发明专利保护范围的对本发明的修改和变动。

Claims (21)

1.一种包括一个转子、一个定子铁心和一个在这两者之间的气隙的电动车电动机，其特征在于还包括：

一个具有一对钟形端罩、一个液体冷却剂注入口和一个液体冷却剂排出口的电动机机壳；

所述定子铁心封在机壳内，具有两个夹在钟形端罩之间的对端、一组在对端之间轴向延伸的径向定子槽、一些嵌在定子槽内得到定子槽支持的导电定子绕组和一些从定子槽伸出的定子绕组的导电端部线匝；

一条使液体冷却剂通过定子铁心的受限制的冷却剂通路，所述冷却剂通路在冷却剂注入口开始，从定子铁心的一端轴向穿过整个定子槽到定子铁心的另一端，在冷却剂排出口结束，从而使得所述冷却剂与导电绕组在整个长度上的几乎所有外表面以及导电绕组的端部线匝直接接触；以及

一个引导液体冷却剂进入定子槽、充满导电绕组之间的间隙、通过定子槽，而阻止液体冷却剂进入气隙的装置。

2.按照权利要求1所述的电动车电动机，其特征在于所述引导液体冷却剂的装置包括一对配置在机壳内的套筒，用来引导冷却剂进入和通过定子槽流向冷却剂排出口，所述这两个套筒分别从定子铁心的对端延伸到相应的钟形端罩。

3.按照权利要求2所述的电动车电动机，其特征在于所述两个套筒都基本上是钟形的，各自有一个口部，与相应一个钟形端罩邻接。

4.按照权利要求1所述的电动车电动机，其特征在于所述转子配置在定子铁心内，具有两个相对的端帽；而在冷却剂通路内还包括一个用来将冷却剂喷向端帽的装置。

5.按照权利要求4所述的电动车电动机，其特征在于所述将液体冷却剂引导到端帽上的装置包括至少一个固定在每个钟形端罩上的喷嘴，用来将所述液体冷却剂喷向端帽。

6.按照权利要求1所述的电动车电动机，其特征在于所述引导液体冷却剂的装置包括至少一个配置在机壳内的套筒，用来将冷却剂从所述冷却剂注入口引导到定子铁心的定子槽的一端，所述套筒从紧邻的定子铁心的所述这端延伸到所述这对钟形端罩中的一个相应钟形端罩。

7.按照权利要求6所述的电动车电动机，其特征在于还包括：

一个配置在机壳上的第二冷却剂注入口；

一个配置在定子铁心内、装有一对端帽的转子；以及

一条液体冷却剂的第二冷却剂通路，在第二冷却剂注入口开始、经端帽到冷却剂排出口结束。

8.按照权利要求7所述的电动车电动机，其特征在于所述第二冷却剂通路包括至少一个固定在每个钟形端罩上的喷嘴，用来将所述液体冷却剂喷向端帽。

9.按照权利要求4所述的电动车电动机，其特征在于还包括一个将一部分液体冷却剂从所述冷却剂通路引导到一个在电动车电动机外的需要用液体冷却剂冷却的设施的装置，所述将液体冷却剂引导到所述设施的装置配置在位于液体冷却剂通路的冷却剂接触端帽这部分的上游沿线。

10.一种包括一个转子、一个定子铁心和一个处于这两者之间的气隙的电动机，其特征在于包括：

一个具有一对钟形端罩、一个液体冷却剂注入口和一个液体冷却剂排出口的机壳；

一个封在机壳内的定子铁心，这个定子铁心具有两个夹在钟形端罩之间的对端、一组在对端之间轴向延伸的径向定子槽、一些嵌在定子槽内的导电定子绕组和一些从定子槽伸出的定子绕组的导电端部线匝；以及

至少一个配置在机壳内的套筒，用来将液体冷却剂引导到和通过定子槽的整个长度流向冷却剂排出口使液体冷却剂可以与所述导电绕组的几乎所有外表面在整个长度上直接接触，而阻止液体冷却剂进入气隙；

所述至少一个套筒分别从紧邻的定子铁心对端延伸到相应钟形端罩，从而提供了一条受限制的液体冷却剂通路。

11.一种冷却包括一个转子、一个定子铁心和一个处于这两者之间的气隙的电动车电动机的方法，其特征在于包括下列步骤：

将液体冷却剂沿着一条受限制的冷却剂通路引导到和通过定子铁心的一组径向定子槽的整个长度而阻止液体冷却剂进入气隙，所述这组定子槽在定子铁心的两个对端之间轴向延伸，含有在其中与液体冷却剂直接接触的导电绕组，所述液体冷却剂可以与导电绕组在整个长度上的几乎所有外表面以及导电端部线匝直接接触，以及

使冷却剂从机壳的一个冷却剂排出口排出。

12.按照权利要求11所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述引导冷却剂这个步骤包括下列子步骤：

通过一对套筒分别将液体冷却剂馈入定子铁心的一端和从另一端导出，所述这对套筒配置在电动机机壳内，分别从定子铁心的两个对端中的一个延伸到相应的钟形端罩，从而提供了一条受限制的液体冷却剂通路；以及

引导冷却剂从套筒通过定子槽流向冷却剂排出口。

13.按照权利要求12所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述这两个套筒基本是钟形的，各自包括一个口部，与相应一个钟形端罩邻接。

14.按照权利要求13所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于还包括通过所述套筒馈送液体冷却剂、使冷却剂经过导电端部线匝的步骤。

15.按照权利要求11所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于还包括用液体冷却剂喷淋所述转子端帽的步骤。

16.按照权利要求15所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述喷淋端帽这个步骤包括从至少一个固定在每个钟形端罩上的喷嘴向端帽喷淋液体冷却剂的步骤。

17.按照权利要求11所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述引导液体冷却剂这个步骤包括下列子步骤：

馈送液体冷却剂经过一个套筒而阻止液体冷却剂进入气隙，所述套筒配置在电动机机壳内，从定子铁心上的冷却剂进入定子槽的那一端延伸到相应一个钟形端罩。

18.按照权利要求17所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于还包括下列步骤：

将液体冷却剂馈给一个配置在电动机机壳上的第二冷却剂注入口；

用在第二冷却剂注入口馈给的冷却剂喷淋转子的端帽；以及

使在第二冷却剂注入口馈给的冷却剂从冷却剂排出口排出。

19.按照权利要求18所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述喷淋端帽这个步骤包括从至少一个固定在每个钟形端罩上的喷嘴向端帽喷淋液体冷却剂的步骤。

20.按照权利要求11所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于所述液体冷却剂包括油。

21.按照权利要求11所述的冷却电动车电动机的方法，其特征在于还包括下列步骤：

将通过定子铁心的液体冷却剂中的一部分液体冷却剂引导到一个在电动车电动机外的需要用所述液体冷却剂冷却的设施；以及

使引导到这个设施的那部分液体冷却剂返回到冷却剂排出口。

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