CN111614207B - 离心式流体冷却轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

流体冷却轴向磁通电机具有定子、设置为与定子相邻的转子和旋转固定在转子上的转子轴。转子轴包括具有入口和相反出口的轴向冷却剂通路。转子包括从转子轴径向延伸的冷却剂通路。转子冷却剂通路包括与轴向冷却剂通路的出口流体连通的入口，和出口。流体冷却轴向磁通电机还包括：冷却剂分配集管，其具有与转子冷却剂通路的出口流体连通的入口；冷却剂收集集管，其具有与冷却剂分配集管的出口流体连通的入口；以及收集集管出口。相对于重力方向，冷却剂分配集管的出口设置在定子上方，冷却剂收集集管的入口设置在定子下方。

Description

离心式流体冷却轴向磁通电机

技术领域

本公开涉及轴向磁通电机；更具体地，涉及流体冷却轴向磁通电机。

背景技术

电动机利用线圈和磁铁生成的磁场的电磁相互作用原理，将电能转化为机械能。电动机通常包括称为定子的固定部件和称为转子的旋转部件。转子通过小气隙与定子分离，并相对于固定定子旋转。转子轴可以耦接到转子上，以传递旋转机械能，从而有益地使用。

根据转子与定子的相对位置，电动机可分为径向磁通电机或轴向磁通电机。在径向磁通电机中，由通电定子和转子的相互作用生成的磁通相对于转子轴径向延伸。在轴向磁通电机中，磁通平行于转子轴延伸。在某些应用中，轴向磁通电机是理想的，因为与径向磁通电机相比，轴向磁通电机相对较轻，功率增加，尺寸紧凑。

电动机的操作由于转子和定子中的电阻、铁损耗和机械摩擦而生成热量。通常冷却定子和转子以避免过热，过热会导致磁体退磁和/或定子、转子和其他电机部件热损坏。对于径向磁通电机，使用外部液体冷却套来用于电机散热。然而，对于轴向磁通电机，特别是对于定子堆叠在两个外部转子之间的轴向磁通电机，外部液体冷却套在不损害轴向磁通电机的紧凑形状因数的情况下可能不能有效散热。在这种情况下，轴向磁通电机依靠结合在转子外表面上的内部风扇叶片进行空气冷却。然而，由于空气冷却导致的风阻损失，电机效率降低。

因此，虽然气冷式轴向磁通电机实现了其预期目的，但是需要一种液体冷却轴向磁通电机，该电机在保持期望的紧凑形状因数的同时提高冷却效率。

发明内容

根据几个方面，公开了一种流体冷却轴向磁通电机。流体冷却轴向磁通电机包括：定子；转子，其围绕旋转轴线设置为与定子相邻并限定其间的气隙；以及转子轴，其沿着旋转轴线延伸并可旋转地固定到盘体。转子包括盘，该盘具有朝向定子的内面、相反的外面以及位于其间的盘体。转子轴包括具有入口和出口的轴向冷却剂通路。

在本公开的一个额外方面，轴向冷却剂通路包括与入口相对的封闭端，并且出口从旋转轴线垂直延伸。

在本公开的另一方面，盘包括延伸穿过盘体的离心冷却剂通路。离心冷却剂通路包括入口和相反的出口。轴向冷却剂通路的出口与离心冷却剂通路的入口流体连通。

在本公开的另一方面，盘包括限定离心冷却剂通路的入口的内圆周表面和限定离心冷却剂通路的出口的相反外圆周表面。内圆周表面与转子轴的外表面协作，以限定与轴向冷却剂通路的出口和离心冷却剂通路的入口流体连通的环形冷却剂集管。

在本公开的另一方面，离心冷却剂通路限定了从盘的内圆周表面到外圆周表面的螺旋曲线。

在本公开的另一方面，盘体还包括与离心冷却剂通路流体连通的多个同心冷却剂通道。

在本公开的另一方面，流体冷却轴向磁通电机还包括：多个磁体，其以预定布置粘附在盘的内面上；以及挡板(dam)，其与多个磁体滑动接合，使得挡板在离心冷却剂通路和定子之间提供流体密封。离心冷却剂通路在磁体和盘的内面之间的界面之间延伸。

在本公开的另一方面，流体冷却轴向磁通电机还包括：电机外壳，其容纳转子和定子；以及冷却剂分配集管。冷却剂分配集管包括与离心冷却剂通路的出口流体连通的分配集管入口和与定子流体连通的冷却剂分配集管出口。冷却剂分配集管相对于重力方向位于电机外壳的上部。

在本公开的另一方面，流体冷却轴向磁通电机还包括冷却剂收集集管，该冷却剂收集集管具有与定子流体连通的收集集管入口和收集集管出口。冷却剂收集集管相对于重力方向位于电机外壳的下部。

在本公开的另一方面，盘包括层压金属带，该层压金属带具有限定径向冷却剂通路的预定孔。

根据几个方面，公开了一种流体冷却轴向磁通电机。该流体冷却轴向磁通电机包括：定子；转子，其围绕旋转轴线设置为与定子相邻并限定其间的气隙，其中，转子包括环形盘，环形盘具有朝向定子的内面、与内面相反的外面、内圆周表面和与内圆周表面相反的外圆周表面；多个磁体，其以预定布置粘附在环形盘的内面上；以及转子轴，其沿着旋转轴线延伸并可旋转地固定到环形盘的内圆周表面。转子轴包括轴向冷却剂通路，该轴向冷却剂通路具有入口、与入口相对的封闭端以及从旋转轴线径向延伸的多个出口。

在本公开的一个额外方面，转子轴包括与环形盘的内圆周表面协作的外轴表面，以限定与轴向冷却剂通路的出口流体连通的环形冷却剂分配集管。

在本公开的另一方面，转子包括在内圆周表面和外圆周表面之间延伸穿过环形盘的多个第一离心冷却剂通路。该多个第一离心冷却剂通路中的至少一个包括与环形冷却剂分配集管流体连通的入口。

在本公开的另一方面，转子包括在环形盘的内面与多个磁体之间的界面处在内圆周表面和外圆周表面之间延伸穿过环形盘的多个第二离心冷却剂通路。多个第二离心冷却剂通路中的至少一个包括与环形冷却剂分配集管流体连通的入口。

在本公开的另一方面，流体冷却轴向磁通电机还包括：电机外壳，其包围转子和定子；和冷却剂分配集管，其相对于重力方向设置为与电机外壳的上部相邻。冷却剂分配集管包括与多个第一离心冷却剂通路和多个第二离心冷却剂通路中的至少一个流体连通的入口以及与定子流体连通的出口。

在本公开的另一方面，流体冷却轴向磁通电机还包括冷却剂收集集管，其相对于重力方向设置为与电机外壳的下部相邻。冷却剂收集集管包括与定子流体连通的入口，和出口。

在本公开的另一方面，多个第一离心冷却剂通路限定了从内圆周表面到外圆周表面的螺旋曲线。

在本公开的另一方面，环形盘还包括与多个第一离心冷却剂通路和多个第二离心冷却剂通路中的至少一个流体连通的多个同心冷却剂通道。

根据几个方面，公开了一种流体冷却轴向磁通电机。该流体冷却轴向磁通电机包括：定子；转子，其围绕旋转轴线设置为与定子相邻，并可相对于定子旋转，其中，转子包括朝向定子的内面和粘附在内面上的多个磁体；以及转子轴，其可旋转地固定在转子上；轴向冷却剂通路，其具有轴向延伸穿过轴的入口和相反的出口；转子冷却剂通路，其从转子轴径向延伸穿过转子，其中，转子冷却剂通路包括与轴向冷却剂通路的出口流体连通的入口，和出口；冷却剂分配集管，其具有与转子冷却剂通路的出口流体连通的入口，和出口；以及冷却剂收集集管，其具有与冷却剂分配集管的出口流体连通的入口，和收集集管出口。

在本公开的一个额外方面，相对于重力方向，冷却剂分配集管的出口设置在定子上方，并且冷却剂收集集管的入口设置在定子下方。

根据本文提供的描述，进一步的适用范围将变得显而易见。应理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据示例性实施例的轴向磁通电机的示意图，该电机的定子堆叠在两个外部转子之间；

图2是液体冷却轴向磁通电机的第一实施例的截面示意图；

图3A-3C是图2的液体冷却转子沿线3-3的截面示意图，示出了离心冷却通路的替代实施例；

图4是根据示例性实施例的图3的液体冷却转子的部分完成的层压盘的示意性侧视图；以及

图5是液体冷却轴向磁通电机的第二实施例的截面示意图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或使用。参考附图公开了所示的实施例，其中，在几幅附图中，相同的附图标记表示相应的部件。附图不一定按比例绘制，一些特征可能放大或最小化，以显示特定特征的细节。所公开的具体结构和功能细节并不旨在解释为限制，而是作为教导本领域技术人员如何实践所公开的概念的代表性基础。

图1示出了轴向磁通电机100的示意图，其也称为盘式电机100，该电机具有单个定子102和双转子104A、104B(统称为“转子104”)。轴向磁通电机100可用于高扭矩应用，例如，用于推进电动或混合动力车辆。提供了轴向磁通电机100的车辆应用作为示例性实施例，并不旨在进行限制。

定子102沿着旋转轴线A堆叠在第一转子104A和第二转子104B之间。转子104与定子102相隔小气隙106，并且相对于固定定子102在旋转轴线A上旋转。应当理解，虽然示出了两个转子104，但是轴向磁通电机100并不局限于此。轴向磁通电机100可以具有一个转子和一个定子、一个转子和两个定子，以及多个转子和定子的各种组合。

每个转子104包括环形盘112，其具有朝向定子102定向的内部环形面114和相反的外部环形面116。转子轴118可旋转地耦接到每个转子104，使得转子104的旋转促使转子轴118旋转，反之亦然。定子102包括多个导电绕组108，其可操作以与具有交替磁极的多个永磁体122的磁场相互作用。多个永磁体122周向定位在环形盘112的内部环形面114上，并用粘合剂粘附就位。可以选择性地激励定子102的不同区域，以在转子104上施加旋转力，促使转子104和旋转耦接轴118在旋转轴线A上旋转。

图2示出了液体冷却轴向磁通电机(在本文为“液体冷却轴向磁通电机200”)的第一实施例的截面示意图。液体冷却轴向磁通电机200包括沿着旋转轴线A堆叠在第一转子104A和第二转子104B之间的定子102。转子104与定子102相隔小气隙106，并相对于固定定子102旋转。转子轴118可旋转地耦接到每个转子104，并延伸穿过定子102。转子轴118包括两个相反的轴端120。轴端延伸穿过限定在电机外壳126中的相反的轴开口124。转子轴118由轴承128支撑，轴承128使转子104与定子102对齐，同时允许转子轴118旋转。

参考图2和3A-C，每个转子的环形盘112包括面向旋转轴线A的内圆周表面130、相反的外圆周表面132、多个内部离心冷却剂通路134和多个外部离心冷却剂通路136。多个内部离心冷却剂通路134中的至少一个从内圆周表面130延伸穿过环形盘112的主体，到达外圆周表面132。内圆周表面130限定了通向内部离心冷却剂通路134的入口138，外圆周表面132限定了内部离心冷却剂通路134的出口140。多个外部离心冷却剂通路136中的至少一个限定在内部环形面114和多个磁体122之间的界面142上，并且从内圆周表面130延伸到外圆周表面132。内圆周表面130限定通向外部离心冷却剂通路136的入口144，外圆周表面132限定外部离心冷却剂通路136的出口146。

转子轴118包括限定轴向冷却剂通路150的孔表面148，该轴向冷却剂通路150沿着轴线A部分地延伸穿过转子轴118。轴向冷却剂通路150包括入口152和与入口152相反的封闭端154。轴向冷却剂通路150的封闭端154位于第一转子104A的外表面116附近。轴向冷却剂通路150包括与多个内部离心冷却剂通路134和外部离心冷却剂通路136流体连通的多个径向出口156。环形盘112的内圆周表面130与转子轴118的外表面158协作，以限定与轴向冷却剂通路150的径向出口156以及内部和外部离心冷却剂通路134、136流体连通的环形冷却剂集管(header)160。挡板垫圈162定位成与多个磁体122滑动接合，使得挡板垫圈162在内部和外部离心冷却剂通路134、136与定子102之间提供流体密封。挡板垫圈162可由金属材料或复合材料形成，该材料足够耐用且柔顺，以使旋转转子的接触表面抵靠挡板滑动，同时保持流体密封。

图3A至3C是图2的第一转子104A沿线3-3的截面示意图，示出了多个内部离心冷却剂通路134的替代实施例。图3A至3C示出了转子轴118的截面，该转子轴118具有轴向冷却剂通路150和从轴向冷却剂通路150延伸的多个径向出口156。多个径向出口156与环形冷却剂集管160流体连通，环形冷却剂集管160与多个内部离心冷却剂通路134流体连通。图3A示出了具有平缓螺旋弯曲路径的多个内部离心冷却剂通路134，图3B示出了具有急剧螺旋弯曲路径的多个内部离心冷却剂通路134。图3C示出了具有与多个径向延伸的内部离心冷却剂通路134流体连通的多个同心冷却剂通道164的环形盘112的主体。

参考图2和3A-C，在操作模式中，当转子104围绕旋转轴线A旋转时，液体冷却剂从轴向冷却剂通路150的入口152流过轴118的轴向冷却剂通路150，并离开径向出口156，进入环形冷却剂集管160。冷却剂从环形冷却剂集管160流过多个内部和外部离心冷却剂通路134、136，然后通过相应离心冷却剂通路134、136的出口流出，并进入外壳126，在外壳126中，可以在冷却剂被泵送到轴向冷却剂通路150的入口152之前，收集冷却剂并使冷却剂循环通过外部热交换器(未示出)，以重复该过程。当冷却剂流过内部和外部离心冷却剂通路134、136时，热量从高温转子104传递到低温冷却剂，从而冷却轴向磁通电机200。冷却剂可以是天然或合成矿物油或水-乙二醇混合物的组合的冷却剂。

图4示出了具有图3A的多个内部离心冷却剂通路134的、部分完成的层压环形盘112的示意性侧视图。出于说明的目的，放大了层压环形盘112的特征。层压环形盘112由具有约小于0.3mm的厚度以及预定宽度(W1)的金属带165(优选地，硅钢带)形成。预定宽度(W1)是外圆周表面132沿轴线A的宽度。通过螺旋卷绕金属带165来堆叠金属带165，以形成层压环形盘112。沿着金属带165在预定位置处冲压、切割出或通过任何其它方式去除具有预定形状和尺寸的多个孔166，使得当金属带165螺旋卷绕形成层压环形盘112时，孔166对齐，以限定内部离心冷却剂通路134和相应的入口和出口。

在替代实施例中，盘112可以由非导电材料制成，例如，软磁复合材料(SMC)，该材料是具有电绝缘性能的混合粉末，根据成形模具，在模具中压制该材料以形成环形盘形状或任何其它形状。环形盘112的多个内部和外部离心冷却剂通路134、136可以在压制过程中通过任何已知的方式形成。

图5示出了液体冷却轴向磁通电机(在本文为“液体冷却轴向磁通电机300”)的第二实施例的截面示意图。类似于液体冷却轴向磁通电机200的第一实施例，液体冷却轴向磁通电机300包括多个外部离心冷却剂通路136，这些通路限定在内部环形面114和多个磁体122之间的界面142上，从环形盘112的内圆周表面130延伸到外圆周表面132。

液体冷却轴向磁通电机300包括冷却剂分配集管168，其具有与多个外部离心冷却剂通路136中的至少一个的出口146流体连通的分配集管入口170以及与定子102流体连通的分配集管出口172。冷却剂分配集管168相对于重力方向位于电机外壳126的上部174。液体冷却轴向磁通电机300还包括冷却剂收集集管176，其具有与定子102流体连通的收集集管入口178和收集集管出口180，其中，冷却剂收集集管176相对于重力方向位于电机外壳126的下部182。

在操作模式中，当转子104围绕旋转轴线A旋转时，液体冷却剂从轴向冷却剂通路150的入口152流过轴118的轴向冷却剂通路150，然后离开径向出口156，进入环形冷却剂集管160。冷却剂从环形冷却剂集管160流过多个外部离心冷却剂通路136，并进入分配集管168中。在重力的作用下，冷却剂从分配器集管168被分配到定子102的线圈的端部绕组上。然后被收集集管176收集，并通过限定在外壳126上的收集集管出口180从外壳126中引导出。

当冷却剂流过外部离心冷却剂通路136和定子102的绕组时，热量从高温转子104和定子102传递到低温冷却剂，从而冷却轴向磁通电机300。冷却剂可以是天然或合成矿物油的冷却剂。虽然仅示出了多个外部离心冷却剂通路136，但是液体冷却轴向磁通电机300也可以包括多个内部离心冷却剂通路134，如轴向磁通电机200的第一实施例所示。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不背离本公开的主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为背离本公开的精神和范围。

Claims (8)

1.一种流体冷却轴向磁通电机，包括：

定子；

转子，其围绕旋转轴线设置为与所述定子相邻，其中，所述转子包括一盘，所述盘具有朝向所述定子定向的内面、相反的外面以及位于其间的盘体；以及

转子轴，其沿着所述旋转轴线延伸并可旋转地固定到所述盘体，其中，所述转子轴包括具有入口和出口的轴向冷却剂通路；

所述盘包括延伸穿过所述盘体的离心冷却剂通路，其中，所述离心冷却剂通路包括入口和相反的出口，并且所述轴向冷却剂通路的出口与所述离心冷却剂通路的入口流体连通；

所述盘包括限定所述离心冷却剂通路的入口的内圆周表面和限定所述离心冷却剂通路的出口的相反外圆周表面，其中，所述内圆周表面与所述转子轴的外表面协作，以限定与所述轴向冷却剂通路的出口和所述离心冷却剂通路的入口流体连通的环形冷却剂集管；

多个磁体，其以预定布置粘附在所述盘的内面上；

挡板，其与多个所述磁体滑动接合，使得所述挡板在所述离心冷却剂通路和所述定子之间提供流体密封。

2.根据权利要求1所述的流体冷却轴向磁通电机，其中：

所述轴向冷却剂通路包括与入口相反的封闭端；并且

所述出口从所述旋转轴线垂直延伸。

3.根据权利要求1所述的流体冷却轴向磁通电机，其中，所述离心冷却剂通路限定了从所述盘的内圆周表面到外圆周表面的螺旋曲线。

4.根据权利要求1所述的流体冷却轴向磁通电机，其中，所述盘体还包括与所述离心冷却剂通路流体连通的多个同心冷却剂通道。

5.根据权利要求1所述的流体冷却轴向磁通电机，其中，所述离心冷却剂通路在所述磁体之间的界面与所述盘的内面之间延伸。

6.根据权利要求5所述的流体冷却轴向磁通电机，还包括：

电机外壳，其包含转子和定子；以及

冷却剂分配集管，其具有与所述离心冷却剂通路的出口流体连通的分配集管入口和与所述定子流体连通的冷却剂分配集管出口，其中，所述冷却剂分配集管相对于重力方向位于所述电机外壳的上部。

7.根据权利要求6所述的流体冷却轴向磁通电机，还包括冷却剂收集集管，该冷却剂收集集管具有与所述定子流体连通的收集集管入口和收集集管出口，其中，所述冷却剂收集集管相对于重力方向位于所述电机外壳的下部。

8.根据权利要求1所述的流体冷却轴向磁通电机，其中，所述盘包括层压金属带，该层压金属带具有限定径向冷却剂通路的预定孔。

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