CN111262391B - 一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，包括永磁同步电机和冷气供给机构，永磁同步电机包括机壳、定子、电机轴和转子，转子两端与机壳形成空腔A和空腔B；冷气进气通道包括设置在电机轴上的冷气通道A和设置在所述转子上的多个冷气通道D，冷气通道A通过旋转接头和胶管A与冷气供给机构连通，冷气通道A通过多个径向冷气通道分别与每个冷气通道D中部连通；冷气排气通道包括设置在机壳上的排气通道A和排气通道B，排气通道A与空腔A连通，排气通道B与空腔B连通，排气通道A和排气通道B上分别设有气体单向阀A。能够使电机内的散热条件得到明显改善，降温效率高，降温效果显著，且能够对电机温升进行长期有效控制。

Description

一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统

技术领域：

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统。

背景技术：

电机是新能源汽车的三大核心部件之一，现有电动汽车所采用的的驱动电机主要包括直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四类。永磁同步电机因其具有转速范围广、功率密度高、工艺简单、体积小且运行可靠耐用的特点，近些年得到快速发展，被广泛使用在比亚迪秦、比亚迪宋DM、宋EV300和北汽EV系列等新能源汽车上，已经成为主流电机，被各大新能源汽车品牌车型选用。

虽然永磁同步电机拥有众多优势，如图1所示是现有永磁同步电机主体结构示意图，但随着新能源汽车电机正在逐步向高功率密度、高速化发展，由基波电流和谐波电流所产生的磁动势谐波在转子产生很大涡流损耗，同时转子高速旋转时产生的空气摩擦损耗大，上述两点直接导致转子、定子加热严重，特别是转子加热更加明显，电机温升问题凸显。如果电机转子、定子不能有效散热，不仅导致电机轴承温升过高，寿命缩短，甚至直接导致电机烧毁等事故，而且转子过热还会造成不可逆失磁，因此对于转子的降温是重中之重。

为了提升散热效率和散热质量，使产品设计更加合理，并趋于完善，现有技术进行了各种尝试，试图使电机满足散热要求，然而总是存在一些未尽如人意之处。通过对现有散热原理进行分析可以大致分为三类：

第一类是未对转子结构直接进行改进，而是通过对机壳进行水冷却(例如专利申请号：201910057525.1，专利名称：一种有利于散热的电机水冷壳体的专利)和/或对转轴进行冷却(例如专利申请号：201910601046.1，专利名称：一种具有多重内置风冷散热结构的新能源汽车电机)和/或在转子一侧或两侧增加风刺来增大空气流动加快散热(如作者：佟文明,程雪斌,孙静阳,等.转子风刺对高速永磁电机永磁体温升的抑制作用[J].中国电机工程学报,2017,37(5):1526-1534.)，上述几种方式散热在一定程度上提高了散热效率，但都不是对转子直接散热，散热效率有限，特别是在高功率密度、高速化的情况下，转子不仅温升高，而且温升迅速，上述方案很难及时有效对转子进行降温。

第二类是对转子结构进行改进(该改进是基于对电机性能基本不变的基础上)，目前主要改进方式是在转子上开设轴向通风孔，通过设计轴向通风孔对靠近转子端面的空气最大流速影响较大，转子轴向通风孔内的空气流动受离心力和科里奥利力的影响，在转子两端形成压头，推动空气在孔内的轴向流动，改善了电机内的散热条件，电机温升降低。但这种温升降低也是有限的，特别是轴向通风孔内空气流通导致空气摩擦损耗增加以及绕组温升提高，另外转子依然处在相对封闭的空间内，转子产生的热量主要依靠传递给转轴和空气对流换热向外传递，电机长时间工作产生的热量依然难以快速扩散出去，导致腔内的空气温度升高，转子散热效率严重下降，最终导致电机温升失控。同时为了提高轴向通风孔的散热效果，也有技术人员在转子两端设计风刺与轴向通风孔配合使用散热(例如：专利申请号：201920664752.6，专利名称：一种永磁电机转子)，该方案的改进虽然在一定程度上提高散热效率，但其根本理论依然是通过改善空气流动原理提高散热效率，因此，该方案也直接导致空气摩擦损耗进一步增大，且绕组温升进一步提高，同时也面临封闭空间内长时间工作空气温升的问题，最终导致电机温升失控。

第三类是在高速大功率异步电机上采用的主动输入冷气对转子进行降温(如作者：熊万里,徐光帅,吕浪,等。高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究[J].机械科学与技术,2014,33(5):735-740.)，冷气先进入转子左端空腔内，然后经轴向通风孔流向右端空腔内，然后经右端空腔排出。该方案能够持续不断的进行降温，避免封闭空腔内空气温升的不足，相对于前两类降温效果得到提升。但该方案虽然输入了冷气，但冷气第一时间不是对转子降温，而是转子端部空腔，这导致无法第一时间将最低温的冷气用于对转子降温，导致转子降温不及时，另外该方案还会导致部分冷气直接经气隙进入右端空腔，进一步降低冷气的降温效果，还有该方案没有针对转子温升最高和温升最低的局部进行有效区别降温，降温对称性较差，导致电机右端部分比左端部分温度高，这也导致该方案降温依然有局限性，且存在较大的能源浪费。因此，有必要对永磁同步电机的散热结构进行改进，实现对电机温升进行有效控制。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于解决现有技术所存在的问题，提供一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，使电机内的散热条件得到明显改善，降温效率高，降温效果显著，降温对称性好，且能够对电机温升进行长期有效控制。

本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：

一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，包括永磁同步电机，所述永磁同步电机包括机壳，所述机壳内固定设有定子，所述机壳中部安装有电机轴，所述电机轴上安装有转子，所述转子上设有永磁体，所述转子两端与机壳形成空腔A和空腔B两个空腔；

冷气供给机构，用于提供冷气；

冷气进气通道，包括设置在所述电机轴非输出端的冷气通道A和沿轴向方向设置在所述转子上的多个冷气通道D，所述冷气通道A外端部安装有旋转接头，所述旋转接头通过胶管A与冷气供给机构连通，所述冷气通道A通过设置在所述电机轴和所述转子上的多个径向冷气通道分别与每个所述冷气通道D中部连通；

冷气排气通道，包括设置在机壳上的排气通道A和排气通道B，所述排气通道A与空腔A连通，所述排气通道B与空腔B连通，所述排气通道A和排气通道B上分别设有气体单向阀A。

所述电机轴上对应所述转子中部位置设有与冷气通道D个数相同的径向冷气通道B，所述转子中部径向设有将冷气通道B与冷气通道D中部连通的冷气通道C。

所述电机轴上对应所述转子中部位置至少设有一个径向冷气通道B，所述转子中部对应所述冷气通道B的位置设有环形冷气通道E，所述冷气通道B与所述环形冷气通道E连通，所述转子中部径向设有将环形冷气通道E与所述冷气通道D中部连通的冷气通道C。

所述冷气通道B与所述冷气通道C错位设置。

所述冷气通道D的孔径从中部向两侧逐渐变小。

所述冷气供给机构包括空气制冷干燥机，所述空气制冷干燥机通过胶管A与旋转接头连接。

所述机壳上设有机壳控温机构，所述机壳控温机构包括设置在机壳上的螺旋冷气通道，所述空气制冷干燥机连接有分气器，所述分气器通过胶管A与旋转接头连接，通过胶管B与螺旋冷气通道连接。

所述螺旋冷气通道出口安装有气体单向阀B。

所述机壳上设有用于检测空腔A和空腔B内空气温度的温度传感器，所述温度传感器分别与PLC控制器连接，所述PLC控制器与空气制冷干燥机连接。

所述分气器与螺旋冷气通道连接的胶管A上设有电磁阀A，所述分气器与旋转接头连接的胶管B上设有电磁阀B，所述电磁阀A和电磁阀B分别与PLC控制器连通。

本发明采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：(1)通过设计冷气供给机构、对冷气通道进行改进设计，使冷气经电机轴上的轴向冷气通道A、径向冷气通道B和转子上的径向冷气通道C进入冷气通道D中部，冷气从转子中部向两侧流通分别进入空腔内，经空腔从排气通道排出，电机工作时转子中部温升最高，逐渐向两侧降低，本申请的设计能够与其匹配先对转子中部降温，然后向两侧降温，实现精准、高效和快速降温，使转子温升得到有效控制；(2)冷气通道D直径从中部向两侧逐渐减小，从而使得转子中部温升高的地方接触面积大，提高冷却效率；(3)通过在机壳上加工螺旋冷气通道，加快定子的冷却效果；(4)通过设计温度传感器、电磁阀实现根据电机温升需求选择冷气的开启方式，进而提高冷气利用率，节约能源。

附图说明：

图1为现有永磁同步电机的结构示意图；

图2为本发明实施例1的电机温控系统的结构示意图；

图3为本发明实施例1转了冷气通道截面图；

图4为本发明实施例2的转子冷气通道截面图。

图中，1、永磁同步电机，101、机壳，102、定子，103、电机轴，104、转子，105、永磁体，106、空腔A，107、空腔B，108、输出端，109、散热风扇，2、冷气供给机构，201、空气制冷干燥机，202、分气器，3、冷气进气通道，301、胶管A，302、旋转接头，303、冷气通道A，304、冷气通道B，305、冷气通道C，306、冷气通道D，307、冷气通道E，4、冷气排气通道，401、排气通道A，402、排气通道B，403、气体单向阀，5、机壳控温机构，501、螺旋冷气通道，502、胶管B，503、气体单向阀B，6、温度传感器，7、PLC控制器，8、电磁阀A，9、电磁阀B。

具体实施方式：

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在本发明中，术语“内侧”、“外侧”、“A”、“B”、“C”、“D”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的位置。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“设置”、“连接”、“连通”等术语应做广义理解，例如，“设有”和“设置”可以是固定安装，也可以是可拆卸安装，或成一体；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介连接，“连通”在本申请中主要是指气路相通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，需要说明的是，本申请为了描述方面，附图中的永磁同步电机采用内埋式永磁转子的形式，具体采用V型径向式为例说明，但这不能理解为对本发明的永磁同步电机具体结构的限定。另外，对于在转子上开设通风孔(轴向或径向)时，不能一味的追求降温效果，还要考虑电机磁力线与气隙磁密分布情况，在保证不改变原有电机性能的基础上(开孔不对磁路造成显著影响)，因此，选择适当数量的径向冷气通道C和轴向冷风通道D是必要的，具体如何选择这里属于现有技术可以参考作者：佟文明,程雪斌,孙静阳,等.转子风刺对高速永磁电机永磁体温升的抑制作用[J].中国电机工程学报,2017,37(5):1526-1534.和作者：熊万里,徐光帅,吕浪,等。高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究[J].机械科学与技术,2014,33(5):735-740.等文献及其著作，而且这里不是本发明的重点，因此在此不再赘叙。

实施例1：

如图1-3所示，一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，包括永磁同步电机1，所述永磁同步电机1包括机壳101，所述机壳101内固定设有定子102，所述机壳101中部安装有电机轴103，所述电机轴103上安装有转子104，所述转子104上内嵌有V型径向设置的永磁体105，所述转子104两端与机壳101形成空腔A106和空腔B107两个空腔，所述定子铁芯设有24个槽，槽上设有绕组110，永磁同步电机可1以采用比较常用的4极形式，电机绕组按3相4极布置，采用单层链式绕组，通电产生4极旋转磁场，永磁体转子铁芯采用硅钢片叠成，可以采用焊接或硅钢片上模冲自扣点进行扣压或在硅钢片上穿铆钉进行铆接或使用特殊的胶合剂进行胶接完成；所述电机轴103一端为输出端108，另一端安装有散热风扇109。

冷气供给机构2，用于提供冷气，可以提供干燥冷气，防止较高湿度的空气对电机内部造成不良后果；

冷气进气通道3，包括设置在所述电机轴103非输出端的冷气通道A303和沿轴向方向设置在所述转子104上的多个冷气通道D306，所述冷气通道A303外端部安装有旋转接头302，所述旋转接头302通过胶管A301与冷气供给机构2连通，所述冷气通道A303通过设置在所述电机轴103和所述转子104上的多个径向冷气通道分别与每个所述冷气通道D306中部连通；

冷气排气通道4，包括设置在机壳101上的排气通道A401和排气通道B402，所述排气通道A401与空腔A106连通，所述排气通道B402与空腔B107连通，所述排气通道A401和排气通道B402上分别设有气体单向阀A403。

所述电机轴103上对应所述转子104中部位置设有与冷气通道D306个数相同的径向冷气通道B304，但是这里需要注意为了不过多的降低电机轴103的结构强度，一般冷气通道B的个不能大于4个，所述转子103中部径向设有将冷气通道B304与冷气通道D306中部连通的冷气通道C305。通过设计冷气供给机构2、对冷气通道进行改进设计，使冷气经电机轴103上的轴向冷气通道A303、径向冷气通道B304和转子上的径向冷气通道C305进入冷气通道D306中部，冷气从转子104中部向两侧流通分别进入空腔内，经空腔从排气通道排出，电机工作时转子中部温升最高，逐渐向两侧降低，本申请的设计能够与其匹配先对转子中部降温，然后向两侧降温，实现精准、高效和快速降温，使转子温升得到有效控制。

所述冷气通道D306的孔径从中部向两侧逐渐变小，充分考虑到电机工作时转子103中部温升最高，两侧逐渐降低，进而增大冷气通道D306的中部直径，增大冷气与转子内壁的接触面，从而更好提高降温效果。

所述冷气供给机构2包括空气制冷干燥机201，所述空气制冷干燥机201通过胶管A301与旋转接头302连接。提供干燥冷气，满足电机降温和空气干燥的要求。

所述机壳101上设有机壳控温机构5，所述机壳控温机构5包括设置在机壳101上的螺旋冷气通道501，所述空气制冷干燥机201连接有分气器202，所述分气器202通过胶管A301与旋转接头302连接，通过胶管B502与螺旋冷气通道501连接。通过设计机壳控温机构替代传统的水冷方式，能够实现对机壳及定子的快速高效降温的同时，还可以集成化共用一套冷气供给机构，节约成本。

所述螺旋冷气通道501出口安装有气体单向阀B503，避免外界空气对机壳内的污染。

所述机壳101上设有用于检测空腔A106和空腔B107内空气温度的温度传感器6，所述温度传感器6分别与PLC控制器7连接，所述PLC控制器7与所述空气制冷干燥机201连接。通过设计温度传感器6可以实时监测空腔内的气体温度，进而可以间接监测出转子103的温度，可以根据需要开始只先对转子103进行降温，当转子103降温无法满足要求时，再同时启用机壳控温机构5，进一步提高降温效果，实现对整个电机的控温作用，这样可以合理利用冷气，节约资源，避免浪费。

所述分气器202与螺旋冷气通道501连接的胶管B502上设有电磁阀B9，所述分气器202与旋转接头302连接的胶管A301上设有电磁阀A8，所述电磁阀A8和电磁阀B9分别与PLC控制器7连通。

实施例2：本实施例与实施例1的区别在于：

如图4所示，所述电机轴103上对应所述转子103中部位置至少设有一个径向冷气通道B304，一般对称设置2个冷气通道B304，所述转子103中部对应所述冷气通道B304的位置设有环形冷气通道E307，所述冷气通道B304与所述环形冷气通道E307连通，所述转子104中部径向设有将环形冷气通道E307与所述冷气通道D306中部连通的冷气通道C305，这里的冷气通道D的个数要大于2个才有意义，最好是冷气通道B个数的3至5倍。采用这种结构设计可以实现在减少对电机轴103径向破坏的前提下还能够实现对更多冷气通道D306进行通冷气。

所述冷气通道B304与所述冷气通道C305错位设置。避免冷气直接只通过一个冷气通道C305跑出，使冷气可以进入所有冷气通道C305和冷气通道D306，提高降温效率和效果。

本发明的工作过程：

以实施例2的结构特征说明工作过程。

工作时，温度传感器6实时监测空腔A106和空腔B107内的温度，当温度达到设定值A时，空气制冷干燥机201开始工作，电磁阀A8打通，冷气通过胶管A301进入旋转接头302，经旋转接头302进入冷气通道A303，冷气经冷气通道A302进入径向冷气通道B304，冷气经冷气通道B304进入环形冷气通道E307，冷气沿环形冷气通道E307逐个进入径向冷气通道C305，冷气经冷气通道C305进入冷气通道D306的中部，然后冷气从冷气通道D306的中部向两侧流动进入空腔A106和空腔B107内，然后经空腔A106和空腔B107上的排气通道A401和排气通道B402排出，冷气在流通过程中带走转子103上的大量热量，该冷气控温装置具有降温精准，且降温对称性好，能够持续不断输入冷气，从而实现对电机的智能控温。当温度传感器6检测数值超过设定值B时(设定值B大于设定值A)，电磁阀B9开通，冷气经胶管B502进入螺旋冷气通道501，最后从排气口排出，冷气带走机壳1上的大量热量，实现进一步对电机的控温。本申请的永磁同步电机控温装置，降温具有针对性，降温对称性好，且降温效率高、降温效果好，能够持续不断的输入冷气，进而确保电机的长期有效控温，从而满足永磁同步电机工作时对温升的要求。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，包括永磁同步电机，所述永磁同步电机包括机壳，所述机壳内固定设有定子，所述机壳中部安装有电机轴，所述电机轴上安装有转子，所述转子上设有永磁体，所述转子两端与机壳形成空腔A和空腔B两个空腔，其特征在于：还包括

冷气供给机构，用于提供冷气；

冷气进气通道，包括设置在所述电机轴非输出端的冷气通道A和沿轴向方向设置在所述转子上的多个冷气通道D，所述冷气通道A外端部安装有旋转接头，所述旋转接头通过胶管A与冷气供给机构连通，所述冷气通道A通过设置在所述电机轴和所述转子上的多个径向冷气通道分别与每个所述冷气通道D中部连通；

冷气排气通道，包括设置在机壳上的排气通道A和排气通道B，所述排气通道A与空腔A连通，所述排气通道B与空腔B连通，所述排气通道A和排气通道B上分别设有气体单向阀A；

所述电机轴上对应所述转子中部位置设有与冷气通道D个数相同的径向冷气通道B，所述转子中部径向设有将冷气通道B与冷气通道D中部连通的冷气通道C；或者所述电机轴上对应所述转子中部位置至少设有一个径向冷气通道B，所述转子中部对应所述冷气通道B的位置设有环形冷气通道E，所述冷气通道B与所述环形冷气通道E连通，所述转子中部径向设有将环形冷气通道E与所述冷气通道D中部连通的冷气通道C；

所述冷气通道D的孔径从中部向两侧逐渐变小；

所述冷气供给机构包括空气制冷干燥机，所述空气制冷干燥机通过胶管A与旋转接头连接；

所述机壳上设有机壳控温机构，所述机壳控温机构包括设置在机壳上的螺旋冷气通道，所述空气制冷干燥机连接有分气器，所述分气器通过胶管A与旋转接头连接，通过胶管B与螺旋冷气通道连接。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，其特征在于：所述冷气通道B与所述冷气通道C错位设置。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，其特征在于：所述螺旋冷气通道出口安装有气体单向阀B。

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，其特征在于：所述机壳上设有用于检测空腔A和空腔B内空气温度的温度传感器，所述温度传感器分别与PLC控制器连接，所述PLC控制器与所述冷气供给结构连接。

5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车用永磁同步电机温控系统，其特征在于：所述分气器与螺旋冷气通道连接的胶管A上设有电磁阀A，所述分气器与旋转接头连接的胶管B上设有电磁阀B，所述电磁阀A和电磁阀B分别与PLC控制器连通。

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