CN111864933B - 一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子及轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子及轴向磁通电机，属于电机冷却技术领域，包括：第一支撑结构，其圆筒状底板外表面两端对称设置有呈辐射状径向分布的支撑柱，底板和支撑柱之间形成多个定子槽；缠绕有变截面积导体制成的定子线圈的定子铁心嵌放在定子槽中；密封套，其紧密包裹于第一定子支撑结构的外围，以形成冷却流道；第二定子支撑结构，其与第一定子支撑结构装配后，在其周向外表面形成环形的进口分液腔和出口集液腔，且两个环形腔分别通过第一支撑结构底板上的冷却介质进孔和冷却介质出孔与冷却流道连通；第二定子支撑结构内侧还设置有绝缘冷却介质导入管和绝缘冷却介质导出管。本发明能够对电机定子线圈进行高效直接冷却。

Description

一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子及轴向磁通电机

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子及轴向磁通电机。

背景技术

轴向磁通永磁电机以其结构扁平紧凑、功率(转矩)密度高等优点引起了国内外学者广泛的关注与研究，作为一种很有潜力的高功率(转矩)密度电机拓扑，轴向磁通电机在航空航天、舰船推进、电动汽车等重量和空间受限的场合领域具有很好的应用前景。

在轴向磁通电机中，单定子双转子无轭电枢分离型(YASA型，Yokeless andSegmented Armature)轴向磁通电机由于省去了定子轭部，定子铁耗小，以及电枢绕组线圈可使用模块化绕制等原因而获得了很大的关注，相关研究成果较多，并且由于具有较大的功率密度优势和很好的市场应用前景，有些研究机构直接成立相关公司，将创新性研究成果进行产品转化推广，在全球高端电机市场上赢得了较好的口碑。例如牛津大学与英国YASA公司，比利时根特大学和MagnaX公司。但是，轴向磁通电机由于其结构紧凑而造成冷却困难，尤其是YASA结构电机，其定子无轭，绕组热流通道减少，从而导致电机绕组散热困难，因此需要设计高效的绕组冷却方式降低绕组温升以提升电机的热性能，从而提高电机功率和转矩。

在申请公布号为CN109904948A的专利申请文件中，公开的轴向磁通电机采用绕组水冷，在定子铁心内缘与定子铁心之间环绕有冷却水管，冷却水管包括与定子铁心等数量、设在定子铁心之间呈π形的第一部分和设在定子铁心内缘与两侧相邻的第一部分联通的第二、第三部分，所述冷却水管的相邻的π形第一部分的两端分别通过第二、第三部分间接地联通为水管，如图1所示。冷却水管由铝制成，定子绕组铜线外设有绝缘层，使其内部基本没有电流通过，从而实现电机强力冷却且没有漏水隐患，且可以减少电机径向尺寸。此外，转子增加了充磁磁铁，使得转子损耗降低。但是，该方案存在以下问题：(1)板状冷却水管分为多段，每一段尺寸都很小，加工制造难度大；(2)使用板状冷却水管分隔固定分块定，定子易产生轴向位移；(3)水管口径较小，限制了管内流量，造成冷却效果有限。

在申请公布号为CN110165836A的专利申请文件中，公开的轴向磁通电机采用条带状铝板水道，水道内部设有多排中孔，条带状铝板水道内放置有铁心绕组线包，如图2所示，水道紧贴绕组表面以最大化吸收热量，并进行灌封胶传递绕组热量，且水道工艺可根据需要冷却部位的形状来成型，以达到空间最小化、散热效果最有效率，降低电机热负荷从而提升电机性能。但是，该方案存在以下问题：(1)条带状水道环绕绕组，会增加电机径向尺寸；(2)水道内部及安装块连接处易漏水，从而对电机造成影响。

总的来说，现有的具有冷却结构的YASA轴向磁通电机，普遍存在冷却效果有限的问题。此外YASA结构由于电枢线圈分离，定子线圈的安装和固定困难，是YASA结构电机设计的难点之一。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子及轴向磁通电机，旨在解决现有的具有冷却结构的YASA轴向磁通电机中存在的冷却效果有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子，包括：第一定子支撑结构、第二定子支撑结构、定子铁心、定子线圈和密封套；

第一定子支撑结构包括圆筒状的底板，底板上设置有冷却介质进孔和冷却介质出孔，底板外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱，底板和多个支撑柱之间形成多个定子槽；定子铁心设置有多个，定子线圈缠绕在定子铁心之上，各缠绕有定子线圈的定子铁心嵌放在定子槽中；

密封套紧密包裹于第一定子支撑结构的外围，由定子线圈之间以及定子线圈与密封套之间的间隙形成冷却流道；

第二定子支撑结构为圆筒结构，其外径等于第一定子支撑结构的内径，其两端高于其周向外表面，且其周向外表面上设置有周向挡板；第二定子支撑结构与第一定子支撑结构装配后，在第二定子支撑结构的周向外表面形成两个环形腔，分别为进口分液腔和出口集液腔，且进口分液腔和出口集液腔分别通过冷却介质进孔和冷却介质出孔与冷却流道连通；第二定子支撑结构内侧还设置有与进口分液腔连通的绝缘冷却介质导入管和与出口集液腔连通的绝缘冷却介质导出管。

本发明中，由第一定子支撑结构中的圆筒状底板和底板外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱之间形成定子槽，缠绕有定子线圈的定子铁心嵌放在定子槽中，并利用密封套紧密包裹于第一定子支撑结构的外围，由定子线圈之间以及定子线圈与密封套之间的间隙形成冷却流道，所形成的冷却流道具体包括缠绕于不同定子铁心的定子线圈之间形成的径向冷却流道，和定子线圈与密封套之间形成的周向冷却流道，从而通入绝缘冷却介质后，冷却介质可以在定子线圈之间和定子线圈外部周向流动，与定子线圈充分接触，对电机定子线圈进行高效直接冷却。

本发明将定子线圈缠绕于定子铁心后，将定子铁心嵌放到对应的定子槽中即可，定子线圈装配简单，并且易于将定子线圈固定。

进一步地，定子线圈采用矩形截面的导体绕制而成。

本发明中，定子线圈采用矩形截面的导体绕制而成，能够增大电机槽满率，且增强导热系数，从而改善定子线圈冷却效果和电机性能。

进一步地，缠绕于同一个定子铁心上的多匝定子线圈的导体具有多个不同的截面积，使得各匝线圈向冷却流道内部交错凸起。

本发明中，定子线圈采用导体截面积变化的变截面导体线圈，其导体截面积不同，每一匝线圈向冷却流道内部交错凸起，能够增大与冷却介质的接触面积，并且具有减小直流电阻的作用，从而有效降低电机损耗和线圈温升。

进一步地，第二定子支撑结构周向外表面上的周向挡板为蛇型挡板，且周向挡板设置于第二定子支撑结构外表面的正中间。

本发明利用设置于第二定子支撑结构外表面正中间的蛇型挡板分隔进口分液腔和出口集液腔，由此能够保证绝缘冷却介质的均匀流动，实现对定子线圈的均匀散热。

进一步地，第一定子支撑结构的底板上设置的冷却介质进孔和冷却介质出孔均位于底板正中的原周上，且冷却介质进孔和冷却介质出孔交替排列。

本发明设置冷却介质进孔和冷却介质出孔在位于底板正中的圆周上交替排列，有利于提高绝缘冷却介质流动的均匀性，实现对定子线圈的均匀散热。

进一步地，冷却介质进孔和冷却介质出孔均为矩形孔。

本发明通过设置冷却介质进孔和冷却介质出孔均为矩形孔，有利于控制绝缘冷却介质流动的均匀性，实现对定子线圈的均匀散热。

进一步地，第二定子支撑结构的筒壁上，设置有轴向通孔。

本发明在第二定子支撑结构的筒壁上设置轴向通孔，能够有效降低定子整体的质量。

进一步地，第一定子支撑结构采用复合材料进行3D打印加工而成。

本发明采用复合材料进行3D打印加工得到第一定子支撑结构，能够根据实际强度要求采用高强度复合材料进行3D打印加工，在满足电机定子的强度要求的同时，减低支撑结构中的电磁涡流损耗。

按照本发明的另一个方面，提供了一种单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机，包括同轴依次设置的前转子、定子和后转子；定子与前转子和后转子之间分别形成空气气隙，前转子与后转子由前、后两个轴承进行支撑，且前转子和后转子采用机壳进行连接；其中，定子为本发明提供的具有冷却结构的轴向磁通电机定子。

本发明所提供的单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机，其中的定子具有冷却结构，能够对电机定子线圈进行高效直接冷却，并且定子线圈易于装配和固定，从而有效提高了电机整体的性能。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明由第一定子支撑结构中的圆筒状底板和底板外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱之间形成定子槽，缠绕有定子线圈的定子铁心嵌放在定子槽中，并利用密封套紧密包裹于第一定子支撑结构的外围，由定子线圈之间以及定子线圈与密封套之间的间隙形成冷却流道，从而通入绝缘冷却介质后，冷却介质可以在定子线圈之间和定子线圈外部周向流动，与定子线圈充分接触，对电机定子线圈进行高效直接冷却。

(2)本发明将定子线圈缠绕于定子铁心后，将定子铁心嵌放到第一定子支撑结构的底板和支撑柱形成的定子槽中即可，定子线圈装配简单，并且易于将定子线圈固定。

(3)本发明中，定子线圈采用矩形截面的导体绕制而成，能够增大电机槽满率，且增强导热系数，从而改善定子线圈冷却效果和电机性能。

(4)本发明所提供的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，在其优选方案中，定子线圈采用导体截面积变化的变截面导体线圈，其导体截面积不同，每一匝线圈向冷却流道内部交错凸起，能够增大与冷却介质的接触面积，并且具有减小直流电阻的作用，从而有效降低电机损耗和线圈温升。

(5)本发明所提供的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其中的支撑结构采用分体设计，在其优选方案中，第一定子支撑结构采用复合材料进行3D打印加工而成，由此能够根据实际强度要求采用高强度复合材料进行3D打印加工，在满足电机定子的强度要求的同时，减低支撑件中的电磁涡流损耗。

附图说明

图1为现有的一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子示意图；

图2为现有的另一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子示意图；

图3为本发明实施例提供的轴向磁通电机定子的支撑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的定子线圈装配结构示意图；

图5为本发明实施例提供的绝缘冷却介质流动示意图；

图6为本发明实施例提供的具有变截面导体的定子线圈示意图；

图7为本发明实施例提供的定子线圈间冷却流道示意图；

图8为本发明实施例提供的单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机结构的三维爆炸图；

图9为本发明实施例提供的单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机结构的纵截面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为定子，11为第一定子支撑结构，111为底板，112为支撑柱，113为冷却介质进孔，114为冷却介质出孔，12为第二支撑结构，121为周向挡板，122为进口分液腔，123为出口集液腔，124为绝缘冷却介质导入管，125为绝缘冷却介质导出管，13为定子铁心，14为定子线圈，15为密封套，16为固定螺钉，17为定子压条，2为前转子，21为前转子盘，22为前转子铁心，23为前转子磁钢，24为前轴承，25为磁钢压板，3为后转子，31为后转子盘，32为后转子铁心，33为后转子磁钢，34为后轴承，4为机壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1：

一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子，如图3-7所示，包括：第一定子支撑结构11、第二定子支撑结构12、定子铁心13、定子线圈14和密封套15；

如图3和图4所示，第一定子支撑结构11包括圆筒状的底板111，底板111上设置有冷却介质进孔113和冷却介质出孔114，底板外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱112，底板111和多个支撑柱112之间形成多个定子槽；定子铁心13设置有多个，定子线圈14缠绕在定子铁心13之上，各缠绕有定子线圈14的定子铁心13嵌放在定子槽中；

密封套紧密15包裹于第一定子支撑结构11的外围，由定子线圈14之间以及定子线圈14与密封套15之间的间隙形成冷却流道；

如图3所示，第二定子支撑结构12为圆筒结构，其外径等于第一定子支撑结构11的内径，其两端高于其周向外表面，且其周向外表面上设置有周向挡板121；第二定子支撑结构12与第一定子支撑结构11装配后，在第二定子支撑结构12的周向外表面形成两个环形腔，分别为进口分液腔122和出口集液腔123，且进口分液腔122和出口集液腔123分别通过冷却介质进孔113和冷却介质出孔114与冷却流道连通；第二定子支撑结构12内侧还设置有与进口分液腔122连通的绝缘冷却介质导入管124和与出口集液腔123连通的绝缘冷却介质导出管125；

绝缘冷却介质可以是风、油等不导电且绝缘性较好的介质，不失一般性地，在本实施例中，绝缘冷却介质为冷却油；

本实施例中，由第一定子支撑结构11中的圆筒状底板111和底板111外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱112之间形成定子槽，缠绕有定子线圈14的定子铁心13嵌放在定子槽中，并利用密封套15紧密包裹于第一定子支撑结构11的外围，由定子线圈14之间以及定子线圈14与密封套15之间的间隙形成冷却流道，所形成的冷却流道具体包括缠绕于不同定子铁心13的定子线圈14之间形成的径向冷却流道，和定子线圈14与密封套15之间形成的周向冷却流道；绝缘冷却介质经绝缘冷却介质导入管124流入进口分液腔122后，经冷却介质进孔113进行分配，通过径向冷却流道和周向冷却流道在在定子线圈14之间和定子线圈14外部周向流动，然后经冷却介质出孔流入出口集液腔进行收集，最终经绝缘冷却介质导出管125流出。绝缘冷却介质在定子内部的流动情况如图5所示，绝缘冷却介质在流动的过程中，与定子线圈14充分接触，对电机定子线圈进行高效直接冷却。

作为一种可选的实施方式，本实施例中，定子线圈采用矩形截面的导体绕制而成，由此能够增大电机槽满率，且增强导热系数，从而改善定子线圈冷却效果和电机性能。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例中，第二定子支撑结构12周向外表面上的周向挡板121为蛇型挡板，且周向挡板121设置于第二定子支撑结构12外表面的正中间；

相应地，第一定子支撑结构11的底板111上设置的冷却介质进孔113和冷却介质出孔114均位于底板111正中的原周上，且冷却介质进孔113和冷却介质出孔114交替排列；

本实施例利用设置于第二定子支撑结构12外表面正中间的蛇型挡板分隔进口分液腔122和出口集液腔123，设置冷却介质进孔113和冷却介质出孔114在位于底板111正中的圆周上交替排列，这些设置方式有利于提高绝缘冷却介质流动的均匀性，实现对定子线圈14的均匀散热。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例中，冷却介质进孔113和冷却介质出孔114均为圆孔。

本实施例将定子线圈14缠绕于定子铁心13后，将定子铁心13嵌放到对应的定子槽中即可，如图4所示，实际装配时，可采用固定螺钉16和定子压条17将定子线圈14和定子铁心13固定压紧，定子线圈14装配简单，并且易于将定子线圈固定。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例中，第二定子支撑结构12的筒壁上，设置有轴向通孔，由此能够有效降低定子整体的质量。

作为一种选的实施方式，本实施例中，第一定子支撑结构11采用复合材料进行3D打印加工而成，由此能够根据实际强度要求采用高强度复合材料进行3D打印加工，在满足电机定子的强度要求的同时，减低支撑结构中的电磁涡流损耗。

实施例2：

一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子结构，本实施例与上述实施例1相同，所不同之处在于，如图6和图7所示，本实施例中，缠绕于同一个定子铁心上的多匝定子线圈的导体具有多个不同的截面积，使得各匝线圈向冷却流道内部交错凸起；本实施例通过采用导体截面积变化的变截面导体线圈，其导体截面积不同，每一匝线圈向冷却流道内部交错凸起，能够增大与冷却介质的接触面积，并且具有减小直流电阻的作用，从而有效降低电机损耗和线圈温升。

实施例3：

一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子结构，本实施例与上述实施例1相同，所不同之处在于，本实施例中，冷却介质进孔和冷却介质出孔均为矩形孔；

本实施例通过设置冷却介质进孔和冷却介质出孔均为矩形孔，有利于控制绝缘冷却介质流动的均匀性，实现对定子线圈的均匀散热。

应当说明的是，在本发明的其他一些实施例中，部分结构可采用不同的实施方式，例如，第二定子支撑结构12周向外表面上的周向挡板121除了可以是蛇型挡板外，还可以是锯齿形、波浪形等其他易于加工的形状；冷却介质进孔113和冷却介质出孔114除了矩形和圆形外，也可以为其他便于绝缘冷却介质通过的形状，冷却介质进孔113和冷却介质出孔114也可以具有不同的形状。更多的实例，在此将不作一一列举。

实施例4：

一种单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机，如图8和图9所示，包括同轴依次设置的前转子2、定子1和后转子3；定子1与前转子2和后转子3之间分别形成空气气隙，前转子与后转子由前、后两个轴承(24，34)进行支撑，便于进行旋转运动，且前转子2和后转子3采用机壳4进行连接，以降低两个转子盘的偏心和变形；其中，定子1为上述任一实施例提供的具有冷却结构的轴向磁通电机定子；

其中，前转子2和后转子3的结构与现有的YASA结构轴向磁通电机相同，如图9所示，前转子2包括转子盘21、转子铁心22和磁钢23，转子铁心22安装贴合在转子盘21上，磁钢23则安装贴合在转子铁心22上，并且利用磁钢压板25固定；

相应地，后转子3包括转子盘31、转子铁心32和磁钢33，转子铁心32安装贴合在转子盘31上，磁钢33则安装贴合在转子铁心32上，并且利用磁钢压板固定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，包括：第一定子支撑结构、第二定子支撑结构、定子铁心、定子线圈和密封套；

所述第一定子支撑结构包括圆筒状的底板，所述底板上设置有冷却介质进孔和冷却介质出孔，所述底板外表面两端对称设置有多个呈辐射状径向分布的支撑柱，所述底板和所述多个支撑柱之间形成多个定子槽；所述定子铁心设置有多个，所述定子线圈缠绕在所述定子铁心之上，各缠绕有定子线圈的定子铁心嵌放在所述定子槽中；

所述密封套紧密包裹于所述第一定子支撑结构的外围，由定子线圈之间以及定子线圈与所述密封套之间的间隙形成冷却流道；

所述第二定子支撑结构为圆筒结构，其外径等于所述第一定子支撑结构的内径，其两端高于其周向外表面，且其周向外表面上设置有周向挡板；所述第二定子支撑结构与所述第一定子支撑结构装配后，在所述第二定子支撑结构的周向外表面形成两个环形腔，分别为进口分液腔和出口集液腔，且所述进口分液腔和所述出口集液腔分别通过所述冷却介质进孔和所述冷却介质出孔与所述冷却流道连通；所述第二定子支撑结构内侧还设置有与所述进口分液腔连通的绝缘冷却介质导入管和与所述出口集液腔连通的绝缘冷却介质导出管；

所述定子线圈采用矩形截面的导体绕制而成；缠绕于同一个定子铁心上的多匝定子线圈的导体具有多个不同的截面积，使得各匝线圈向所述冷却流道内部交错凸起。

2.如权利要求1所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，所述第二定子支撑结构周向外表面上的周向挡板为蛇型挡板，且所述周向挡板设置于所述第二定子支撑结构外表面的正中间。

3.如权利要求2所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，所述第一定子支撑结构的底板上设置的冷却介质进孔和冷却介质出孔均位于所述底板正中的原周上，且冷却介质进孔和冷却介质出孔交替排列。

4.如权利要求3所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，所述冷却介质进孔和所述冷却介质出孔均为矩形孔。

5.如权利要求1所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，所述第二定子支撑结构的筒壁上，设置有轴向通孔。

6.如权利要求1所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子，其特征在于，所述第一定子支撑结构采用复合材料进行3D打印加工而成。

7.一种单定子双转子无轭电枢分离型轴向磁通电机，包括同轴依次设置的前转子、定子和后转子；所述定子与所述前转子和所述后转子之间分别形成空气气隙，所述前转子与所述后转子由前、后两个轴承进行支撑，且所述前转子和所述后转子采用机壳进行连接；其特征在于，所述定子为权利要求1-6任一项所述的具有冷却结构的轴向磁通电机定子。

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