CN110504790A - 一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，与现有技术相比解决了难以在轮毂电机轴向尺寸受限条件下保证大扭矩、高功率密度要求的缺陷。本发明包括行星减速器，所述转子组件的输出轴与行星减速器的输入轴相连，行星减速器的减速器输出轴与轮毂轴承单元相连；所述的轴向磁通定子组件包括水冷壳体，水冷壳体的内壁上设有若干个翅片，绕组缠绕在定子铁心上并嵌在水冷壳体内壁上相邻的翅片之间且通过胶水灌封固定。本发明采用双转子定子分块无磁轭轴向磁通拓扑结构，内部集成行星减速器；既可以提供大的转矩，又具有较小的体积和重量。
Description
技术领域
本发明涉及轮毂电机技术领域，具体来说是一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机。
背景技术
轮毂电机安装在电动汽车的轮毂内，由于轮毂内部空间有限，同时还需要安装悬架、转向结构、刹车系统，留给轮毂电机的空间非常有限。
如图9所示，为了达到车辆的功率和扭矩要求，现有的轮毂电机需要对车辆的底盘系统、悬架系统、刹车系统做重大的结构调整。具体而言需要将刹车系统由车轮的外侧移至车轮的内侧，转向结构和悬架系统需要根据轮毂电机的尺寸定制开发。同时，现有的轮毂电机采用径向磁通结构，电机的轴向结构较长，占用了车辆其它结构的空间，不利于车轮做大幅度转向。由于轮毂电机内部结构的特殊性，若采用传统的轴向磁通结构，从理论上讲，虽有缩短轮毂电机轴向长度的可能性，但其势必会导致轮毂电机功率密度较低、无法提供大转矩(扭矩)，以致于无法满足电动汽车的实际使用需要，其原因在于：一、传统的轴向磁通结构电机由于磁轭存在，电机整机重量较大，同时由于磁轭存在，电机整体的损耗较高；二、传统的轴向磁通电机冷却系统集成在定子磁轭上，电机绕组上产生的热量首先要传导到电机磁轭，再通过磁轭传导到冷却系统，这样导致电机传热路径长、热阻大、电机定子和冷却系统温差大，电机输出功率受电机温度限制。同时，还会带来电机整体重量比较重、车辆的簧下质量较大、车辆的操控性较差的问题。
因此，如何能够在轮毂电机轴向尺寸受限的条件下，保证轮毂电机的大扭矩、高功率密度已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中难以在轮毂电机轴向尺寸受限条件下保证大扭矩、高功率密度要求的缺陷，同时在不对整车底盘和悬架做较大改动的前提下，提供一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，包括电机壳体，电机壳体的后端安装有电机后端盖，电机壳体的前端安装有轮毂轴承单元和电机前端盖，转子组件和轴向磁通定子组件安装在电机壳体内，转子组件与轴向磁通定子组件配合安装，
还包括行星减速器，所述转子组件的输出轴与行星减速器的输入轴相连，行星减速器的减速器输出轴与轮毂轴承单元相连；所述的轴向磁通定子组件包括水冷壳体，水冷壳体的内壁上设有若干个翅片，绕组缠绕在定子铁心上并嵌在水冷壳体内壁上相邻的翅片之间且通过胶水灌封固定。
所述水冷壳体的外壁上设有环绕水冷壳体一周的层间隔凸起，每个翅片内均设有片内水道，片内水道的一端与水冷壳体外壁上的层间隔凸起一侧相通，片内水道的另一端与水冷壳体外壁上的层间隔凸起另一侧相通。
所述的电机壳体内从后至前分为定子组件安装腔和行星减速器安装腔，定子组件安装腔与行星减速器安装腔的中心处相通且中心处安装有轴承，转子组件的输出轴安装在轴承上。
所述的行星减速器与电机前端盖、电机壳体之间的空腔中灌装有润滑油；还包括碳纤维固定板，所述的碳纤维固定板均通过胶水固定在水冷壳体轴面的翅片上。
所述水冷壳体的外壁上还设有环绕水冷壳体一周的片外水道，所述的片内水道为“U”字形，在水冷壳体的外壁上位于片外水道内壁与层间隔凸起之间设有若干个水路隔板。
所述的转子组件包括两个转子磁轭，两个转子磁轭的中心通过转子连接件相连，两个转子磁轭的对立面上安装有永磁体，任意一个转子磁轭的外表面上安装有转轴，水冷壳体安装在转子连接件上且位于两个转子磁轭之间。
所述转子组件的转轴安装在行星减速器的太阳轮上。
所述的水路隔板均位于相邻的翅片之间。
所述的电机壳体外壁上设有刹车钳安装孔、水嘴、减震器安装孔、转向机构安装孔和底盘安装孔，所述的水嘴数量为2个，2个水嘴均与水冷壳体的外壁相通。
所述的绕组为圆铜线或扁铜线，定子铁心由两片以上的硅钢片叠压而成或金属粉末冶金材料压制而成。
有益效果
本发明的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，与现有技术相比采用双转子定子分块无磁轭轴向磁通拓扑结构，内部集成行星减速器；既可以提供大的转矩，又具有较小的体积和重量；相比较现有的轮毂电机，本发明不需要对车辆的悬架、转向、刹车等系统做改动，具有良好的通用性。另外在输出相同功率和扭矩的前提下本发明中的轮毂电机重量约为现有轮毂电机的二分之一，可以大幅减小车辆的簧下质量，提高车辆的操控性。
本发明主要优点如下：
1.将行星减速器和轴向磁通电机进行高度集成，形成新型轮毂电机，该种轮毂电机既可以提供大的转矩和输出功率，又具有较小的体积和重量；
2.在双转子定子分块无磁轭轴向磁通拓扑结构中增加水冷壳结构，水冷壳翅片内部开有片内水道，可以有效增加电机定子的散热效率，提高电机的输出功率。
附图说明
图1为本发明的纵向剖视图；
图2为本发明的立体结构图；
图3为本发明中行星减速器的结构示意图；
图4为本发明中转子组件的结构示意图；
图5为本发明中轴向磁通定子组件的结构示意图；
图6a为本发明中水冷壳体的结构示意图；
图6b为本发明中水冷壳体的纵向剖视图；
图7为本发明中并联水道设计示意图；
图8为本发明所述电机与传统电机的升温测试对比图；
图9为现有技术中轮毂电机安装爆炸图；
其中，1-轮毂轴承单元、2-电机前端盖、3-行星减速器、4-电机壳体、5-转子组件、6-轴向磁通定子组件、7-电机后端盖、31-大齿圈、32-行星轮、33-太阳轮、34-减速器输出轴、41-刹车钳安装孔、42-水嘴、43-减震器安装孔、44-转向机构安装孔、45-底盘安装孔、51-转子磁轭、52-永磁体、53-转子连接件、54-转轴、61-定子铁心、62-绕组、63-碳纤维固定板、64-密封圈、65-水冷壳体、651-翅片、652-层间隔凸起、653-水路隔板、654-片外水道、656-片内水道。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，包括电机壳体4，电机壳体4的后端按现有技术方式安装有电机后端盖7，电机壳体4的前端按现有技术方式安装有轮毂轴承单元1和电机前端盖2。转子组件5和轴向磁通定子组件6均安装在电机壳体4内，转子组件5与轴向磁通定子组件6两者配合安装。
电机壳体4内从后至前分为定子组件安装腔和行星减速器安装腔，定子组件安装腔靠近电机后端盖7，行星减速器安装腔靠近电机前端盖2，定子组件安装腔用于安装定子组件、行星减速器安装腔用于安装行星减速器3。定子组件安装腔和行星减速器安装腔两者为相对独立结构，仅在中心处相通，且安装轴承，使得转子组件5的输出轴安装在轴承上，以将动力输出。定子组件安装腔和行星减速器安装腔相对独立结构的作用是为了配合行星减速器的安装。因为行星减速器必然要有润滑配合，在此通过电机壳体4内部的特殊设计，为行星减速器的安装形成了专用腔体，不仅在容纳行星减速器的同时还可以提供行星减速器安装腔的空间冗余，以用于注入润滑液。
在此，电机磁通方式采用了轴向磁通的方式，轴向磁通由于其轴向长度短、结构紧凑，因此其在轴向所占空间较小，但是目前普通的轴向磁通电机功率密度低，传热性能差，且轮毂这种有限空间内不能满足整车转矩需求。行星减速器3的作用是提高整机的输出转矩，满足整车动力性能，如图3所示，行星减速器3包括大齿圈31、行星轮32、太阳轮33和减速器输出轴34。正由于采用了本发明独特的轴向磁通方式，不仅为行星减速器3的安装提供了位置空间，使在行星减速器3与电机前端盖2、电机壳体4(行星减速器安装腔内)产生了空腔，通过在空腔中灌装润滑油，为行星减速器3的安装提供了使用可能性。转子组件5的输出轴与行星减速器3的输入轴相连，行星减速器3的减速器输出轴34与轮毂轴承单元1相连，转子组件5输出动力通过行星减速器3增加扭矩，以提供给轮毂轴承单元1。
如图4所示，转子组件5包括两个转子磁轭51，两个转子磁轭51的中心通过转子连接件53相连，两个转子磁轭51的对立面上均安装有永磁体52，任意一个转子磁轭51的外表面上安装有转轴54，水冷壳体65安装在转子连接件53上且位于两个转子磁轭51之间，同时，转子组件5的转轴54安装在行星减速器3的太阳轮33上。
如图5和图6a、图6b所示，轴向磁通定子组件6包括水冷壳体65，水冷壳体65的内壁上设有若干个翅片651，翅片651用于在径向夹持定子铁心61，其根据定子铁心61数量设计翅片651的数量、根据定子铁心61的形状设计两个翅片651之间的形状。绕组62缠绕在定子铁心61上，绕组62可以为圆铜线或扁铜线，定子铁心61没有磁轭，其由两片以上的硅钢片叠压而成或金属粉末冶金材料压制而成。该种铁心可以有效减小涡流和磁滞损耗，提高电机的整机效率。定子铁心61缠绕绕组62后，嵌在水冷壳体65内壁上相邻的翅片651之间，并且通过胶水(传统的环氧树脂灌封)灌封固定，以此实现定子铁心61在相邻翅片651之间的安装。在此，水冷壳体65的特殊设计，减小了热路热阻，提高了传热效率，提高了整机输出功率。
为了实现定子铁心61在轴向上的进一步固定，可以利用碳纤维固定板63在轴向上进行固定，碳纤维固定板63均通过胶水(传统的环氧树脂灌封)固定在水冷壳体65轴面的翅片651上。
为了增加电机的通用性，如图2所示，电机壳体4外壁上设有刹车钳安装孔41、水嘴42、减震器安装孔43、转向机构安装孔44和底盘安装孔45，水嘴42数量为2个，2个水嘴42均与水冷壳体65的外壁(外圆周)相通。
为了实现高功率密度，针对翅片651在径向夹持定子铁心61的特殊设计，在此水冷结构设计如图6a和图6b所示。水冷壳体65的外壁(外圆周)上设有环绕水冷壳体65一周的层间隔凸起652，层间隔凸起652将水冷壳体65的外壁在轴向分为内、外两个水路。每个翅片651内均设有片内水道656，片内水道656最好可以设计为“U”字形，片内水道656的一端与水冷壳体65外壁上的层间隔凸起652一侧相通，片内水道656的另一端与水冷壳体65外壁上的层间隔凸起652另一侧相通，使得水冷壳体65外壁的内水路可以通过片内水道656流入、再从另一侧的水冷壳体65外壁的外水路流出，实现在片内水道656的水路循环，以实现最大效率、面积的对定子铁心61的水冷降温。
为了进一步增加水冷降温效果，还可以在水冷壳体65的外壁上设环绕水冷壳体65一周的片外水道654，片外水道654也可以设计为多路，以实现针对于水冷壳体65外圆壳体的进一步水冷降温。为了增加密封效果，在水冷壳体65外圆壳体上还可以加装密封圈64。
由于在此使用了层间隔凸起652和片内水道656的设计，为多组水道循环处理带来了实现可能性。即若要满足更大的水冷降温效果，可以设计水冷壳体65的外壁上位于片外水道654内壁与层间隔凸起652之间设有若干个水路隔板653，水路隔板653最好位于相邻的翅片651之间。如图7所示，通过对水道并联数隔板653位置和数量进行调整，可以调整片内水道656的并联路数，以实现更好的水冷效果。
采用本发明冷却系统的电机和普通轴向电机在输出功率65kw、发热功率同为5kw的情况下进行温升测试，冷却水进口温度均为28℃，本电机定子温度到72℃达到热平衡，而普通电机定子到95℃才达到热平衡，温差相差23℃。因此本电机的输出功率可以比普通电机进一步提高，其中，两种电机温升测试如图8所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，包括电机壳体(4)，电机壳体(4)的后端安装有电机后端盖(7)，电机壳体(4)的前端安装有轮毂轴承单元(1)和电机前端盖(2)，转子组件(5)和轴向磁通定子组件(6)安装在电机壳体(4)内，转子组件(5)与轴向磁通定子组件(6)配合安装，其特征在于：
还包括行星减速器(3)，所述转子组件(5)的输出轴与行星减速器(3)的输入轴相连，行星减速器(3)的减速器输出轴(34)与轮毂轴承单元(1)相连；所述的轴向磁通定子组件(6)包括水冷壳体(65)，水冷壳体(65)的内壁上设有若干个翅片(651)，绕组(62)缠绕在定子铁心(61)上并嵌在水冷壳体(65)内壁上相邻的翅片(651)之间且通过胶水灌封固定。
2.根据权利要求1所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述水冷壳体(65)的外壁上设有环绕水冷壳体(65)一周的层间隔凸起(652)，每个翅片(651)内均设有片内水道(656)，片内水道(656)的一端与水冷壳体(65)外壁上的层间隔凸起(652)一侧相通，片内水道(656)的另一端与水冷壳体(65)外壁上的层间隔凸起(652)另一侧相通。
3.根据权利要求1所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的电机壳体(4)内从后至前分为定子组件安装腔和行星减速器安装腔，定子组件安装腔与行星减速器安装腔的中心处相通且中心处安装有轴承，转子组件(5)的输出轴安装在轴承上。
4.根据权利要求2所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的行星减速器(3)与电机前端盖(2)、电机壳体(4)之间的空腔中灌装有润滑油；还包括碳纤维固定板(63)，所述的碳纤维固定板(63)均通过胶水固定在水冷壳体(65)轴面的翅片(651)上。
5.根据权利要求2所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述水冷壳体(65)的外壁上还设有环绕水冷壳体(65)一周的片外水道(654)，所述的片内水道(656)为“U”字形，在水冷壳体(65)的外壁上位于片外水道(654)内壁与层间隔凸起(652)之间设有若干个水路隔板(653)。
6.根据权利要求2所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的转子组件(5)包括两个转子磁轭(51)，两个转子磁轭(51)的中心通过转子连接件(53)相连，两个转子磁轭(51)的对立面上安装有永磁体(52)，任意一个转子磁轭(51)的外表面上安装有转轴(54)，水冷壳体(65)安装在转子连接件(53)上且位于两个转子磁轭(51)之间。
7.根据权利要求6所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述转子组件(5)的转轴(54)安装在行星减速器(3)的太阳轮(33)上。
8.根据权利要求5所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的水路隔板(653)均位于相邻的翅片(651)之间。
9.根据权利要求2所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的电机壳体(4)外壁上设有刹车钳安装孔(41)、水嘴(42)、减震器安装孔(43)、转向机构安装孔(44)和底盘安装孔(45)，所述的水嘴(42)数量为2个，2个水嘴(42)均与水冷壳体(65)的外壁相通。
10.根据权利要求2所述的一种短轴向结构的高功率密度轴向磁通轮毂电机，其特征在于：所述的绕组(62)为圆铜线或扁铜线，定子铁心(61)由两片以上的硅钢片叠压而成或金属粉末冶金材料压制而成。
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