CN109428422B - 一种电机绕组端部冷却装置及冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电机绕组端部冷却装置，其中，所述电机绕组端部冷却装置包括：壳体，所述壳体上设有进液口和多个出液口；设置在所述壳体内的转子，所述转子以电机的转轴为中心；设置在所述壳体内的定子，其环绕在所述转子的外侧；设在所述定子外侧的冷却管路，其与所述进液口和所述出液口相连通，冷却介质在所述冷却管路内流动以对定子绕组端部进行冷却。本发明的电机绕组端部冷却装置能够对驱动电机绕组端部形成有效冷却，降低电机的最高温度，从而能够进一步提升电机的功率密度与转矩密度。

Description

一种电机绕组端部冷却装置及冷却系统

技术领域

本发明涉及电机冷却装置，特别涉及一种新能源汽车用液冷电机绕组端部冷却装置及冷却系统。

背景技术

伴随着新能源汽车普及程度的提高以及国家的大力扶持，新能源汽车用电机的发展也受到国内外研究机构、高校、企业等多方重视。目前，新能源汽车用电机的冷却方式主要有两种，分别为空冷和液冷；其中，空冷又分为自然空冷和自带风扇空冷。随着驱动电机的功率密度、转矩密度及体积要求越来越苛刻，空冷电机在系能源汽车上的应用已越来越少，可以预测，未来一段时期内，新能源汽车电机将主要采用液冷冷却方式。

目前，采用液冷冷却的新能源汽车用电机多在电机的壳体内部设置有液冷冷却结构，这种结构主要有两种形式，分别轴向冷却结构和周向冷却结构(也称为螺旋冷却结构)。这种冷却结构的工作原理是：外部经过散热器冷却的冷却介质通过冷却水管从电机机壳的进液口流入机壳内部，流经机壳内部的冷却液从机壳吸收定子铁心传递到机壳的热量后，再从机壳出液口流出，进入外部散热器，如此循环冷却电机。由于电机的结构特点，电机定子绕组端部的温度相对于定子铁心内部绕组温度要高很多，而目前的电机冷却结构无法对定子绕组端部形成有效散热，这直接限制了电机的功率密度与转矩密度的提升。

为解决上述问题，有必要提出一种新的电机冷却装置。

发明内容

本发明基于上述问题，本发明提出了一种新型的电机绕组端部冷却装置，这种电机绕组端部冷却装置能够对驱动电机绕组端部形成有效冷却，降低电机的最高温度，从而能够进一步提升电机的功率密度与转矩密度。

为实现上述目的，本发明提出了一种电机绕组端部冷却装置，其中，所述电机绕组端部冷却装置包括：

壳体，所述壳体上设有进液口和多个出液口；

设置在所述壳体内的转子，所述转子以电机的转轴为中心；

设置在所述壳体内的定子，其环绕在所述转子的外侧；

设在所述定子外侧的冷却管路，其与所述进液口和所述出液口相连通，冷却介质在所述冷却管路内流动以对定子绕组端部进行冷却。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述壳体包括：机壳以及所述机壳两端的端盖。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述机壳上设有所述进液口和所述出液口，所述端盖上设有所述出液口。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述机壳内设有机壳管路，所述机壳管路与所述进液口和所述出液口相连通。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述机壳管路通过支管与所述端盖上的出液口相连通。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述支管通过螺旋形的冷却水管与所述端盖上的出液口相连通。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述螺旋形的冷却水管与电机定子绕组端部固定连接。

如上所述的电机绕组端部冷却装置，其中，所述机壳管路、所述支管、所述冷却水管和所述端盖依次相接。

本发明还提出了一种冷却系统，该冷却系统能够对控制器及电机进行有效地冷却，尤其能够对驱动电机绕组端部形成有效冷却，有效地降低电机的最高温度，从而能够进一步提升电机的功率密度与转矩密度。

为实现上述目的，本发明提出了一种冷却系统，其中，其包括如上所述的电机绕组端部冷却装置；

还包括：与所述电机绕组端部冷却装置的进液口相连通的水泵；以及

分别与所述电机绕组端部冷却装置的出液口和所述水泵相连通的膨胀水箱和散热器。

如上所述的冷却系统，其特征在于，所述水泵与所述电机绕组端部冷却装置之间设有控制器。

本发明的电机绕组端部冷却装置用于直接冷却电机定子绕组端部，这种冷却装置的使用，一方面能够降低电机内部的最高温度，避免电机因定子绕组过早的达到系统保护温度，因而电机在高功率工况下或者高速工况下运行的时间得以延长，电机的潜能能够进一步的发掘；另一方面，这种冷却装置的使用，能够降低电机的平均工作温度，在相同条件下，较低的工作温度环境，电机的绝缘材料、轴承油脂等材料的工作寿命会更加长久。因此无论从哪一方面看，这种冷却装置的设计都是有利的。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的冷却系统的工作原理图；

图2是本发明的本发明的电机绕组端部冷却装置的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的冷却系统包括相连通的电机绕组端部冷却装置(其具体结构在下文进行具体地阐述)、水泵、膨胀水箱和散热器，具体地，本发明的冷却系统的工作原理参考图1所示，本发明的冷却系统的流量为Q的冷却液由水泵经冷却水管推送到控制器内部，先对控制器进行冷却。从控制器流出的冷却液继而从电机机壳的进水口流入到机壳水道部分，进入机壳的冷却液一部分流量为Q1的冷却液对机壳进行冷却后，从机壳的出水口流出；另外一部分流量为Q2的冷却液从机壳流入绕组端部冷却结构对绕组端部进行冷却后再流出。对电机进行冷却后的冷却液从电机流出后，经由散热器散热后，再回到水泵，如此循环工作。

并且在本发明的冷却系统中，如图1所示，还包括膨胀水箱，其能够使冷却液的流量Q稳定，同时，在本发明系统中，膨胀水箱与散热器并联连接，这样的设置方式并不影响散热器对冷却液进行冷却，需要说明的是，图1中的箭头表示为散热器向外界扩散热量。

如图2所示，电机绕组端部冷却装置包括：壳体1、壳体1上设有进液口10和多个出液口11，壳体1内设有有转子2、转子2以电机的转轴3为中心(即在工作状态下，转子2以电机的转轴3为中心进行旋转)，转子2的外侧设有定子3，即定子3包围转子2，且二者之间存在间隙，在定子的外侧设有冷却管路，该冷却管路与进液口10和多个出液口11相连通，冷却介质(也可称为冷却液)通过进液口10流入到冷却管路中，冷却介质在冷却管路流动过程中可以实现对壳体1的机壳12进行冷却后，从机壳12的出液口11流出，从而实现对定子铁心进行冷却，同时，另一部分冷却液还能还能实现对绕组端部进行冷却后再流出，从而实现冷却介质在冷却管路内流动以对定子绕组端部和定子铁心进行冷却，其中，定子3与转子之间的位置关系及其结构为本领域所熟知的，在此不再进行赘述，进一步地，在端盖13和转轴3之间设有轴承30，从而有助于保护转轴3，使其寿命延长，需要说明的是，图2中的箭头方向为冷却液的流动方向。

具体地，本发明的壳体1包括机壳12以及机壳12两端的端盖13，机壳12上设有进液口10和出液口11，端盖13上设有出液口11。在一具体实施例中，机壳12内设有机壳管路20，机壳管路20与机壳12上的进液口10和出液口11直接连通，机壳管路20与端盖13上的出液口11间接连通。

具体地，机壳管路20通过支管21与端盖13上的出液口11相连通，在一具体实施例中，支管21通过螺旋形的冷却水管22与端盖13上的出液口11相连通，，在一具体实施例中，螺旋形的冷却水管22为在绕组端部圆周方向绕制一定的圈数而形成的空间螺旋结构，冷却水管22可以是钢管绕制、铜管绕制或者其他材质管道绕制、铸造等方式形成，在此不做具体限制。进一步地，螺旋形的冷却水管22与电机绕组端部30通过绑扎绳绑扎固定，绑扎绳按照圆周方向均匀的将端部冷却水管22绑扎在电机绕组端部30，绑扎绳的材质可以是纤维材料、金属材料、聚合物材料等，在此不做进一步地限制。

即在本发明的电机绕组端部冷却装置中，流量为Q冷却液经该冷却装置的进液口10进入机壳管路20部分，进入机壳的冷却液一部分流量为Q3的冷却液从机壳管路20流入到左侧(图2中的左侧)的绕组端部冷却结构，即进入机壳的冷却液一部分流量为Q3的冷却液从机壳管路20流入到左侧的支管21中，该部分泠却液经支管21流入到螺旋形的冷却水管22中，冷却液在螺旋形的冷却水管22流动过程中，可以很好地将电机绕组端部30的热量带走，从而降低电机绕组端部30的温度。另一部分流量为Q1的冷却液从机壳管路20的左侧向右侧流动，该部分的冷却液对机壳进行冷却后，从机壳的出水口流出，在流动过程中，流经机壳管路20的这部分冷却液从机壳吸收定子铁心传递到机壳的热量，从而对定子铁心进行冷却，此部分的冷却液的一部分流量为Q4的冷却液从机壳管路20流入到右侧(图2中的右侧)的电极绕组端部冷却结构，即流量为Q1的冷却液一部分流量为Q4的冷却液从机壳管路20流入到右侧的支管21中，该部分泠却液经支管21流入到螺旋形的冷却水管22中，冷却液在螺旋形的冷却水管22流动过程中，可以很好地将右侧的电机绕组端部30的热量带走，从而降低右侧的电机绕组端部30的温度。

在确定本发明的冷却系统时，首先，确定电机冷却液吸收电机的热量为A，其中机壳内部冷却液吸收的热量为A1，绕组端部冷却系统吸收电机的热量为A2，则冷却系统工作时，从电机带走的整个热量为A＝A1+A2。流经机壳部分吸收热量为A1的冷却液流量为Q1，流经绕组端部吸收热量为A2的冷却液流量为Q2，对电机进行散热整个冷却系统的流量为Q。其中Q1：Q2＝K，K称为流量比，K值的范围并不在本发明中进行限制，即其任一数值都在本发明的保护范围之内。

在对电机的冷却装置进行详细设计时(图2)，完成包括对机壳部分冷却结构的设计、绕组端部的冷却结构设计、机壳水道与端部冷却结构的连接设计、端部绕组冷却结构出水口的设计以及流量比K的设计。

在图2中，螺旋形的冷却水管22为本发明方案设计的冷却结构主体，示意图2中为其截面示意图，实际结构为冷却水管在绕组端部圆周方向绕制一定的圈数，形成的空间螺旋结构，冷却水管可以是钢管绕制、铜管绕制或者其他材质管道绕制、铸造等方式形成。螺旋形的冷却水管22进出水口与机壳管路20、端盖13通过焊接或者涨紧方式连接，形成封闭的冷却结构。

本发明提出了一种电机绕组端部冷却装置，该冷却装置特别为一种新能源汽车电机端部绕组冷却结构，这种结构可以对电机端部绕组直接冷却，有效的降低端部绕组温度，在同样的运行工况下，与采用本发明结构的电机相比，电机最高温度与平均温度更低。这种优势带来的好处是，电机的绝缘材料、轴承油脂工作寿命将大大延长，同时电机在高功率或者高速工况下运行的时间也更长。

本发明的电机绕组端部冷却装置可以在相同的新能源汽车平台下，将电机的体积设计的更加紧凑，占用空间更小；同时电机的铁磁材料、线圈等用量将减少，直接降低电机的材料成本。

此外，本发明的电机绕组端部冷却装置中的电机的冷却液在封闭的管道中流动，不会与定子绕组进行直接接触，因此对电机的绝缘不会产生影响，且工艺性好易于实现。

为了便于说明，在本发明的实施例只列出一种圆管绕制形成的冷却结构。其他方管、铸造或模压形成的不规则管道也是本发明专利的保护范围内。

在本发明中的定子绕组是指由铜线按照一定形状绕制形成的线圈，按照一定规律嵌在定子铁心槽中，再把一个个线圈按照一定规律连接后形成定子绕组。电机通电时，在定子绕组内产生电流，继而产生磁场。在本发明中的电机绕组端部是指嵌在定子铁心中的绕组一部分嵌在铁心中，一部分伸出铁心。其中伸出铁心的部分称为绕组端部。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (4)

1.一种电机绕组端部冷却装置，其特征在于，所述电机绕组端部冷却装置包括：

壳体，所述壳体上设有进液口和多个出液口；

设置在所述壳体内的转子，所述转子以电机的转轴为中心；

设置在所述壳体内的定子，其环绕在所述转子的外侧；

设在所述定子外侧的冷却管路，其与所述进液口和所述出液口相连通，冷却介质在所述冷却管路内流动以对定子绕组端部进行冷却；

所述壳体包括：机壳以及所述机壳两端的端盖；

所述机壳上设有所述进液口和所述出液口，所述端盖上设有所述出液口；

所述机壳内设有机壳管路，所述机壳管路与所述进液口和所述出液口相连通；

所述机壳管路通过支管与所述端盖上的出液口相连通，并且，所述支管通过螺旋形的冷却水管与所述端盖上的出液口相连通；

所述螺旋形的冷却水管与电机绕组端部通过绑扎绳按照圆周方向均匀绑扎固定。

2.如权利要求1所述的电机绕组端部冷却装置，其特征在于，所述机壳管路、所述支管、所述冷却管路和所述端盖依次相接。

3.一种冷却系统，其特征在于，其包括如权利要求1或2所述的电机绕组端部冷却装置；

还包括：与所述电机绕组端部冷却装置的进液口相连通的水泵；以及

分别与所述电机绕组端部冷却装置的出液口和所述水泵相连通的膨胀水箱和散热器。

4.如权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述水泵与所述电机绕组端部冷却装置之间设有控制器。

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