CN112491197B - 一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机。采用单定子/双转子拓扑，轴流风机位于两个转子之间，固定在轴上。定子采用封闭浸油循环冷却方案，油路在定子内部沿圆周方向按单支路“Z”型折返轨迹流动。一方面，转子的轴流风机空冷方案提高了磁钢端面、转子背铁端面、端盖端面和定子轮毂内圆周面的对流换热系数；另一方面，定子的封闭浸油循环方案，提高了定子绕组和定子铁芯的对流换热系数。采用电机内部集成轴流风机空冷和定子封闭浸油循环的混合冷却方案，可以将电机产生热量快速的扩散到外界空气中，从而提高了换热效率，实现功率密度、扭矩密度的显著提高。

Description

一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机
技术领域
本发明涉及一种应用于纯能源汽车、混合动力汽车、石油钻采领域的电机，具体涉及一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机。
背景技术
在纯能源汽车、混合动力汽车、石油钻采领域的电机多为径向磁通的交流永磁同步电动机或者交流异步电动机，由于传统径向磁通电机轴向安装尺寸较大，功率密度和效率都偏低，在这些空间要求严格、功率密度要求高的场合应用受到限制。
常规的轴向磁通电机，一般采用机座或者两侧端盖上的翅片散热或者端盖水冷方案，在定子铁芯与端盖装配误差较大、较大负载或者高转速工况下，电机产生大量热量仅仅靠翅片或者水冷来换热往往不能及时将热量散带走，给电机绝缘、温升带来极大挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机。轴流风机位于两个转子之间，固定在轴上。风路从机壳的一侧的外圆周通风孔进入，经非驱动端转子磁钢和定子铁芯与之间的气隙空气、轴流风机、驱动端转子磁钢与定子铁芯之间的气隙空气，从机壳另一侧的外圆周通风孔流出。定子采用封闭浸油循环冷却方案，定子轮毂的每一个筋板设计有通油槽，定子铁芯的两个端面设计有挡板，油路在定子内部沿圆周方向单支路“Z”型折返轨迹流动。
一方面，转子的轴流风机空冷方案提高了磁钢端面、转子背铁端面、端盖端面和定子轮毂内圆周面的对流换热系数；另一方面，定子的封闭浸油循环方案，提高了定子绕组和定子铁芯的对流换热系数。采用电机内部集成轴流风机空冷和定子封闭浸油循环的混合冷却方案，可以将电机产生热量快速的扩散到外界空气中，从而提高了换热效率，实现功率密度、扭矩密度的显著提高。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机，采用单定子/双转子架构，为了降低定子端部绕组长度和磁钢涡流损耗，绕组采用分数槽集中绕组，转子磁钢径向分段设计；冷却方案包含转子冷却和定子冷却，其中转子部分采用内置轴流风扇散热方案，定子部分采用封闭浸油循环冷却方案；电机包括定子、非驱动端转子、驱动端转子、出线盒、旋转变压器；轴流风机位于两个转子之间，固定在轴上；风路从机壳的一侧的外圆周通风孔进入，经非驱动端转子磁钢和定子铁芯与之间的气隙空气、轴流风机、驱动端转子磁钢与定子铁芯之间的气隙空气，从机壳另一侧的外圆周通风孔流出；定子采用封闭浸油循环冷却方案，定子轮毂的每一个筋板设计有通油槽，定子铁芯的两个端面设计有挡板，油路在定子内部沿圆周方向单支路“Z”型折返轨迹流动。
进一步地，磁路贯穿非驱动端转子、定子和驱动端转子，两个转子相同位置的磁钢磁性按N-S-N-S充磁配置。
进一步地，所述的的定子，包括定子铁芯，定子铁心由高磁导率、低损耗的硅钢片径向叠压而成；为了降低铁芯损耗，定子铁芯叠压工艺在内外圆周面使用压板和铆钉固定；定子铁心上套有定子绕组，采用分数槽集中绕组设计；定子铁芯与定子绕组产生的热量通过设计的单支路“Z”型油路，将热量对流传递出去；定子与转子的相对运动，通过一对分布在转子两侧的轴承实现，轴承可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承。
进一步地，所述的出线盒通过螺钉固定到机壳上；出线盒包含有三个接线铜柱，三个接线铜柱插入到环氧基板的安装孔中，每个接线铜柱套有橡胶垫，橡胶垫的上面通过环氧盖板、螺钉、接线鼻子和薄螺母压紧接线铜柱；接线铜柱底部通过接线鼻子和薄螺母压紧固定；引出线与三个接线鼻子连接，然后通过三个填料函固定；环氧基板通过螺钉固定到出线盒壳体上。
本发明的原理在于：所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机，采用单定子/双转子架构，为了降低定子端部绕组长度和磁钢涡流损耗，绕组采用集中绕组，转子磁钢径向分段；冷却方案包含转子部分冷却和定子部分的冷却，其中转子部分采用内置轴流风扇散热方案，定子部分采用封闭浸油循环冷却方案。电机包括定子1、非驱动端转子2a、驱动端转子2b、出线盒4、旋转变压器3。
所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机的磁路贯穿非驱动端转子2a、定子1和驱动端转子2b。
所述的定子1，包括定子铁芯16，定子铁心16由高磁导率、低损耗的硅钢片径向叠压而成，定子铁芯16的内外圆周面使用扇形压板17、扇形压板18和铆钉31固定。定子铁心16上套有定子绕组15，采用集中绕组设计。定子铁芯16与定子绕组15产生的热量通过设计的“Z”型油路，将热量对流传递出去。定子1与转子2的相对运动，通过一对轴承即第一轴承6、第二轴承9实现，轴承6、轴承9可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承。
所述的出线盒组件4通过第三螺钉12固定到机壳27上。
所述的转子2中的第一磁钢43、第二磁钢49，为了降低其涡流损耗，采用径向分段设计。
所述的旋转变压器3的转子通过螺钉固定到电机主轴47上，旋转变压器3的定子，通过第五螺钉14固定到非驱动端端盖8上，实现精确的转子位置信号检测。
本发明的有益效果：
从降低损耗方面，定子绕组采用了分数槽集中绕组，降低了定子绕组端部长度；转子磁钢采用径向分段设计，表面涂覆环氧树脂，降低了磁钢的涡流损耗，极槽配合为18槽14极。
从提高散热能力方面，采用了带内置轴流风机设计，其内置轴流风机主要实现从机壳圆周上一侧的通风孔吸风，经过非驱动端转子两侧气隙空气层、轴流风机、驱动端转子两侧气隙空气层，最后从机壳圆周上另一侧的通风孔排风。在轴流风机吸风/排风作用下，外界的空气在电机内部表面多支路快速流动，提高了电机的换热效率，从而实现电机的冷却。采用该拓扑和冷却方案的电机，可以承受更大的负载，结构更加紧凑，提高了电机功率密度和扭矩密度。
附图说明
图1为本发明轴向磁通电机的总体结构剖面图，其中，1为定子，2a为非驱动端转子，2b为驱动端转子，3为旋转变压器，4为出线盒，19b为矩形槽，27为机壳，27a为第一通风孔，27b为第二通风孔，46为轴流风机。
图2为本发明轴向磁通电机的总体结构爆炸图，其中，1为定子，2为转子，2a为非驱动端转子，2b为驱动端转子，3为旋转变压器，4为出线盒，5为驱动端轴承外盖，6为第一轴承，7为驱动端端盖，8为非驱动端端盖，9为第二轴承，10为第一螺钉，11为第二螺钉，12为第三螺钉，13为第四螺钉，14为第五螺钉。
图3为本发明轴向磁通电机的轴侧图，其中，25为出油铜管接头，26为进油铜管接头，27a为第一通风孔，27b为第二通风孔。
图4为本发明轴向磁通电机的定子组件油路剖面图，其中，15为定子绕组，23为矩形橡胶垫，25为出油铜管接头，26为进油铜管接头，27为机壳，41为挡板。
图5为本发明轴向磁通电机的定子组件结构爆炸图，其中，15为定子绕组，16为定子铁芯，16a为定子铁芯16的径向通孔，16b为定子铁芯16的槽口，17为扇形压板，18为扇形压板，19为定子轮毂，19a为筋板，19b为矩形槽，19c为圆弧凹槽，19d为基座，20为驱动端挡油板，20a为筋板，21为第一环形挡圈，22为第二环形挡圈，23为矩形橡胶垫，23a为出线孔，24为温检插头，25为出油铜管接头，26为进油铜管接头，27为机壳，27f为凸台，27g为梯形凹台，27h为梯形凹台，27i为出线孔，28为第三环形挡圈，29为第四环形挡圈，30为非驱动端挡油板，31为铆钉，32为第六螺钉，33为第七螺钉，34为第八螺钉，35为第九螺钉，36为第十螺钉，37为第十一螺钉，38为第十二螺钉，39为第十三螺钉，40为第十四螺钉。
图6为本发明轴向磁通电机的转子组件结构爆炸图，其中，6为第一轴承，9为第二轴承，42为驱动端转子背铁，42a为驱动端转子背铁42的腰形通风孔，43为第一磁钢，44为第二磁钢，45为轴用挡圈，46为轴流风机，46a为花键副，47为电机主轴，47a为花键副，48为非驱动端压条，49为非驱动端磁钢，50为非驱动端转子背铁，50a为非驱动端转子背铁50的腰形通风孔。
图7为本发明轴向磁通电机的出线盒组件结构爆炸图，其中，51为出线盒壳体，52为接线铜柱，53为第一薄螺母，54为第一接线鼻子，55为环氧基板，56为环氧盖板，57为橡胶垫，58为第二薄螺母，59为第二接线鼻子，60为填料函，61为第十五螺钉，62为第十六螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机的磁路贯穿定子1、驱动端转子2b和非驱动端转子2a。风路采用内置轴流风扇散热方案。其内置的轴流风机46主要实现的风路，是从机壳27的非驱动端侧的第一通风孔27a进风，流过非驱动端转子2a的两个侧端面的气隙空气层，进入轴流风机46的入风口，然后从轴流风机46的出风口出风，进入驱动端转子2b的两个侧端面的气隙空气层，最后从机壳27的驱动端侧的第二通风孔27b出风。整个风路路径2D剖面，如图1所示。其进风/出风3D标识，如图2所示。
所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机采用单定子/双转子架构。定子1位于非驱动端转子2a、驱动端转子2b的中间，通过第二螺钉11、第四螺钉13，将非驱动端盖8、驱动端端盖7、定子1中的机壳27三者固定，如图3所示。
驱动端轴承外盖5通过第一螺钉10，固定到驱动端端盖7上。出线盒4通过第三螺钉12固定到机壳27上。旋转变压器3的定子通过第五螺钉14固定到非驱动端端盖8上，旋转变压器3的转子通过螺钉固定到电机主轴47上，实现精确的转子位置信号检测。整个电机的结构图，如图3所示。
所述的定子1的油路沿圆周方向，呈“Z”型走向。在定子轮毂19的筋板19a的中间位置设计矩形槽19b，形成了油路的径向通道；在定子轮毂19的基座19d每相隔一个筋板19a设计有一个圆弧凹槽19c，形成了油路在内圆周的拐弯通道；定子绕组15和机壳27形成了油路在外圆周的拐弯通道。每隔一个线圈，设置一个挡板41。最终形成“Z”型往复回路，整个电机的油路循环图，如图4所示。
所述的定子1，包括定子铁芯16，定子铁心16由高磁导率、低损耗的硅钢片径向叠压而成。定子铁芯16内外圆周面设计有扇形压板17、扇形压板18，通过铆钉31将定子铁芯16、扇形压板17、扇形压板18沿径向方向紧固。定子铁心16上缠绕有定子绕组15，采用集中式绕组设计，将缠有定子绕组15的定子铁芯16放置在定子轮毂19的相邻筋板19a之间，最后固定到机壳27上。机壳27的圆周面上设计有第一通风孔27a、第二通风孔27b和出线孔27i。因定子铁芯16和定子绕组15固定到定子轮毂19上，以下主要描述它们之间的装配关系以及与机壳27的固定方式。定子1内圈的两侧使用第九螺钉35、第十二螺钉38将第二环形挡圈22、第四环形挡圈29压紧扇形压板18的两个端面，固定到定子轮毂19的毂圈19d上。定子1外圈的两侧使用第八螺钉34、第十一螺钉37将第一环形挡圈21、第三环形挡圈28压紧扇形压板17的两个端面，固定到定子轮毂19的筋板19a上。定子轮毂19的筋板19a通过第十一螺钉37固定到机壳27的凸台27f上。定子轮毂19的筋板19a的圆周方向的限位通过机壳27的梯形凹台27g固定。定子轮毂19的筋板19a的轴向方向的限位通过第一环形挡圈21、第三环形挡圈28和机壳27的梯形凹台27g和梯形凹台27h实现。定子1的爆炸图，如图5所示。
所述的转子2包含非驱动转子2a、驱动端转子2b和轴流风扇46。其中非驱动端转子包含非驱动端转子背铁50、非驱动端磁钢49和非驱动端压条48，使用螺钉和非驱动端压条48固定非驱动端磁钢49到非驱动端转子背铁50上；驱动端转子包含驱动端转子背铁42、驱动端磁钢43和驱动端压条44，使用螺钉和驱动端压条44固定驱动端磁钢43到驱动端转子背铁42上。轴用挡圈45用于驱动端转子背铁42的轴向限位。轴流风机46与主轴47通过花键副46a、47a连接传递扭矩。为了降低其涡流损耗，非驱动端磁钢49、驱动端磁钢43采用径向分段设计。定子1与非驱动端转子2a和驱动端转子2b的相对运动，通过一对轴承即第一轴承6、第二轴承9实现，轴承6、轴承9可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承，各自位于非驱动转子2a、驱动端转子2b的外侧。如图6所示。
所述的出线盒4包含有三个接线铜柱52，三个接线铜柱52插入到环氧基板55的安装孔中，每个接线铜柱52套有圆环形橡胶垫57，橡胶垫57的上面通过环氧盖板56、第十六螺钉62、第一接线鼻子54和第一薄螺母53压紧接线铜柱52。接线铜柱52底部通过第二接线鼻子59和第二薄螺母58压紧固定。引出线与三个第一接线鼻子54连接，然后通过三个填料函60固定。环氧基板55通过第十五螺钉61固定到出线盒壳体51上。
尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本申请旨在覆盖任何改变和本发明所讨论的各种具体实施实例。因此本发明仅由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机，其特征在于：采用单定子/双转子架构，为了降低定子端部绕组长度和磁钢涡流损耗，绕组采用分数槽集中绕组，转子磁钢径向分段设计；冷却方案包含转子冷却和定子冷却，其中转子部分采用内置轴流风扇散热方案，定子部分采用封闭浸油循环冷却方案；电机包括定子、非驱动端转子、驱动端转子、出线盒、旋转变压器；
轴流风机位于两个转子之间，固定在轴上；风路从机壳的一侧的外圆周通风孔进入，经非驱动端转子磁钢和定子铁芯与之间的气隙空气、轴流风机、驱动端转子磁钢与定子铁芯之间的气隙空气，从机壳另一侧的外圆周通风孔流出；定子采用封闭浸油循环冷却方案，定子轮毂的每一个筋板设计有通油槽，定子铁芯的两个端面设计有挡板，油路在定子内部沿圆周方向单支路“Z”型折返轨迹流动；
磁路贯穿非驱动端转子、定子和驱动端转子，两个转子相同位置的磁钢磁性按N-S-N-S充磁配置；
所述的定子，包括定子铁芯，定子铁心由高磁导率、低损耗的硅钢片径向叠压而成；为了降低铁芯损耗，定子铁芯叠压工艺在内外圆周面使用压板和铆钉固定；定子铁心上套有定子绕组，采用分数槽集中绕组设计；定子铁芯与定子绕组产生的热量通过设计的单支路“Z”型油路，将热量对流传递出去；定子与转子的相对运动，通过一对分布在转子两侧的轴承实现，轴承可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承；
所述的出线盒通过螺钉固定到机壳上；出线盒包含有三个接线铜柱，三个接线铜柱插入到环氧基板的安装孔中，每个接线铜柱套有橡胶垫，橡胶垫的上面通过环氧盖板、螺钉、接线鼻子和薄螺母压紧接线铜柱；接线铜柱底部通过接线鼻子和薄螺母压紧固定；引出线与三个接线鼻子连接，然后通过三个填料函固定；环氧基板通过螺钉固定到出线盒壳体上；
所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机的磁路贯穿定子(1)、驱动端转子(2b)和非驱动端转子(2a)，风路采用内置轴流风扇散热方案，其内置的轴流风机(46)主要实现的风路，是从机壳(27)的非驱动端侧的第一通风孔(27a)进风，流过非驱动端转子(2a)的两个侧端面的气隙空气层，进入轴流风机(46)的入风口，然后从轴流风机(46)的出风口出风，进入驱动端转子(2b)的两个侧端面的气隙空气层，最后从机壳(27)的驱动端侧的第二通风孔(27b)出风；
所述的一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机采用单定子/双转子架构，定子(1)位于非驱动端转子(2a)、驱动端转子(2b)的中间，通过第二螺钉(11)、第四螺钉(13)，将非驱动端盖(8)、驱动端端盖(7)、定子(1)中的机壳(27)三者固定；
驱动端轴承外盖(5)通过第一螺钉(10)，固定到驱动端端盖(7)上，出线盒(4)通过第三螺钉(12)固定到机壳(27)上，旋转变压器(3)的定子通过第五螺钉(14)固定到非驱动端端盖(8)上，旋转变压器(3)的转子通过螺钉固定到电机主轴(47)上，实现精确的转子位置信号检测；
所述的定子(1)的油路沿圆周方向，呈“Z”型走向，在定子轮毂(19)的筋板(19a)的中间位置设计矩形槽(19b)，形成了油路的径向通道；在定子轮毂(19)的基座(19d)每相隔一个筋板(19a)设计有一个圆弧凹槽(19c)，形成了油路在内圆周的拐弯通道；定子绕组(15)和机壳(27)形成了油路在外圆周的拐弯通道，每隔一个线圈，设置一个挡板(41)，最终形成“Z”型往复回路；
所述的定子(1)，包括定子铁芯(16)，定子铁心(16)由高磁导率、低损耗的硅钢片径向叠压而成，定子铁芯(16)内外圆周面设计有扇形压板(17)、扇形压板(18)，通过铆钉(31)将定子铁芯(16)、扇形压板(17)、扇形压板(18)沿径向方向紧固，定子铁心(16)上缠绕有定子绕组(15)，采用集中式绕组设计，将缠有定子绕组(15)的定子铁芯(16)放置在定子轮毂(19)的相邻筋板(19a)之间，最后固定到机壳(27)上，机壳(27)的圆周面上设计有第一通风孔(27a)、第二通风孔(27b)和出线孔(27i)，因定子铁芯(16)和定子绕组(15)固定到定子轮毂(19)上，定子(1)内圈的两侧使用第九螺钉(35)、第十二螺钉(38)将第二环形挡圈(22)、第四环形挡圈(29)压紧扇形压板(18)的两个端面，固定到定子轮毂(19)的毂圈(19d)上，定子(1)外圈的两侧使用第八螺钉(34)、第十一螺钉(37)将第一环形挡圈(21)、第三环形挡圈(28)压紧扇形压板(17)的两个端面，固定到定子轮毂(19)的筋板(19a)上，定子轮毂(19)的筋板(19a)通过第十一螺钉(37)固定到机壳(27)的凸台(27f)上，定子轮毂(19)的筋板(19a)的圆周方向的限位通过机壳(27)的梯形凹台(27g)固定，定子轮毂(19)的筋板(19a)的轴向方向的限位通过第一环形挡圈(21)、第三环形挡圈(28)和机壳(27)的梯形凹台(27g)和梯形凹台(27h)实现；
所述的转子(2)包含非驱动转子(2a)、驱动端转子(2b)和轴流风扇(46)，其中非驱动端转子包含非驱动端转子背铁(50)、非驱动端磁钢(49)和非驱动端压条(48)，使用螺钉和非驱动端压条(48)固定非驱动端磁钢(49)到非驱动端转子背铁(50)上；驱动端转子包含驱动端转子背铁(42)、驱动端磁钢(43)和驱动端压条(44)，使用螺钉和驱动端压条(44)固定驱动端磁钢(43)到驱动端转子背铁(42)上，轴用挡圈(45)用于驱动端转子背铁(42)的轴向限位，轴流风机(46)与主轴(47)通过花键副(46a)、(47a)连接传递扭矩，为了降低其涡流损耗，非驱动端磁钢(49)、驱动端磁钢(43)采用径向分段设计，定子(1)与非驱动端转子(2a)和驱动端转子(2b)的相对运动，通过一对轴承即第一轴承(6)、第二轴承(9)实现，轴承(6)、轴承(9)可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承，各自位于非驱动转子(2a)、驱动端转子(2b)的外侧；
所述的出线盒(4)包含有三个接线铜柱(52)，三个接线铜柱(52)插入到环氧基板(55)的安装孔中，每个接线铜柱(52)套有圆环形橡胶垫(57)，橡胶垫(57)的上面通过环氧盖板(56)、第十六螺钉(62)、第一接线鼻子(54)和第一薄螺母(53)压紧接线铜柱(52)，接线铜柱(52)底部通过第二接线鼻子(59)和第二薄螺母(58)压紧固定，引出线与三个第一接线鼻子(54)连接，然后通过三个填料函(60)固定，环氧基板(55)通过第十五螺钉(61)固定到出线盒壳体(51)上。
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