CN112636497B - 一种永磁同步电机定子散热结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机定子散热结构，包括定子和壳体，所述定子外表面加工一螺旋水槽；所述壳体内表面光滑，定子外表面和壳体内表面进行过盈配合形成内部封闭水道。本发明提供的永磁同步电机定子散热结构及设计方法，该结构的壳体无水道，可有效降低壳体设计的复杂程度、外形尺寸和加工成本；此外冷却液可以与定子直接接触，增加了冷却液与定子的换热效率，改善电机的温升特性，能够进一步提升壳体过盈下的受力均匀，提升壳体的可靠性。

Description

一种永磁同步电机定子散热结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及电机散热领域，特别涉及一种永磁同步电机定子散热结构及其设计方法。

背景技术

目前新能源汽车电机散热方案主要是在壳体内部设计散热水道，运行过程中，水道里通入冷却液对电机进行散热。现有方案存在以下几个问题：

(1)由于需包含水道结构，因此壳体尺寸较大，成本高，加工复杂；

(2)定子热量首先通过壳体再传递到冷却液，热传递效率不高，定子冷却不理想；

(3)极寒条件下，壳体受定子挤压，由于内部水道结构，会存在应力集中，易涨裂。

发明内容

本发明目的是：提供一种永磁同步电机定子散热结构及其设计方法，在定子表面重新设计了水道结构，降低了壳体结构的设计复杂性，便于加工，成本降低，大大提高了定子与壳体的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种永磁同步电机定子散热结构，包括定子和壳体，所述定子外表面加工一螺旋水槽；所述壳体内表面光滑，定子外表面和壳体内表面进行过盈配合形成内部封闭水道。

一种永磁同步电机定子散热结构的设计方法，包括：

S1，计算参数的设置：设定相应的计算参数，通过此步骤建立壳体径向的变形量ε₁与接触压强P之间的关系；设定定子与壳体接触面间的单边过盈量为ε，壳体径向的变形量为ε₁，定子径向的变形量为ε₂，定子与壳体配合的接触压强为P；

S2，计算壳体径向的变形量ε₁：此步骤是建立定子径向变形量ε₂与接触压强P之间的关系，其计算公式如下：

其中：E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S3，计算定子径向的变形量ε₂，其计算公式如下：

其中：E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S4，将壳体与定子联合计算，通过联立方程组，约去未知参数ε₁、ε₂，将接触压强P用已知的设计参数来表示；

联立壳体径向的变形量ε₁、定子径向的变形量ε₂、定子与壳体配合的单边过盈量ε，其计算公式为：

ε＝ε₁+ε₂；

计算定子与壳体的接触压强P，计算公式如下：

其中：ε为定子与壳体配合的单边过盈量、R为定子的外圆半径、E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径；

S5，计算定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′，通过第四步中计算得到的接触压强P和已知的设计参数来建立定子、壳体配合后所能传递的最大扭矩与未知水道设计参数h，s，d的关系；

其计算公式如下：

其中：u为定子与壳体接触的静摩擦系数、L为定子与壳体轴向的接触长度、s为螺旋水道的螺距、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强，h为螺旋线轴向长度，d为水道槽宽；

在此，建立了基于定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′与h，s，d的方程式，根据实际需要的最大扭矩T，则可以确定h，s，d的关系；

S6，根据电机设计传递的最大扭矩T，以保证电机正常工作为前提，建立T′与T的关系，结合步骤S5中h，s，d与T′的关系，进而求出h，s，d需满足的关系。

步骤S6具体步骤如下：

(1)设定要求电机正常工作下输出的最大扭矩为T，最大扭矩T根据电动汽车对电机的实际要求来定；

(2)获取定子与壳体配合后所能传递的最大扭矩值T′，且满足T′≥T；

(3)h，s，d水道设计参数的关系，其计算公式如下：

其中，

本发明的优点是：

本发明提供了一种永磁同步电机定子散热结构及设计方法，该结构的壳体无水道，可有效降低壳体设计的复杂程度、外形尺寸和加工成本；此外冷却液可以与定子直接接触，增加了冷却液与定子的换热效率，改善电机的温升特性，能够进一步提升壳体过盈下的受力均匀，提升壳体的可靠性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明永磁同步电机定子散热结构的示意图；

图2为本发明永磁同步电机定子散热结构的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的永磁同步电机定子散热结构，包括定子1和壳体2，所述定子外表面加工一螺旋水槽；所述壳体内表面光滑，定子外表面和壳体内表面进行过盈配合形成内部封闭水道3。冷却液与定子1直接接触，增加了冷却液与定子1的换热效率，改善电机的温升特性，能够进一步提升壳体过盈下的受力均匀，提升壳体的可靠性。

本发明的永磁同步电机定子散热结构的安装原理为：定子表面加工螺旋槽并与壳体过盈配合形成散热水道，且定子与壳体接触面产生一定的静摩擦力，但螺旋槽的设计会减少定子与壳体的过盈接触面积，因此为了保证定子与壳体的固定连接，具体设计方法如下：

本发明的一种永磁同步电机定子散热结构的设计方法，包括：

S1，计算参数的设置：设定相应的计算参数，通过此步骤建立壳体径向的变形量ε₁与接触压强P之间的关系；如图2所示，设定定子1与壳体2接触面间的单边过盈量为ε，壳体径向的变形量为ε₁，定子径向的变形量为ε₂，定子与壳体配合的接触压强为P.

S2，计算壳体径向的变形量ε₁：此步骤是建立定子径向变形量ε₂与接触压强P之间的关系，其计算公式如下：

其中：E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强。

S3，计算定子径向的变形量ε₂，其计算公式如下：

其中：E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强。

S4，将壳体与定子联合计算，通过联立方程组，约去未知参数ε₁、ε₂，将接触压强P用已知的设计参数来表示；

联立壳体径向的变形量ε₁、定子径向的变形量ε₂、定子与壳体配合的单边过盈量ε，其计算公式为：

ε＝ε₁+ε₂；

计算定子与壳体的接触压强P，计算公式如下：

其中：ε为定子与壳体配合的单边过盈量、R为定子的外圆半径、E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径。

S5，计算定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′，通过第四步中计算得到的接触压强P和已知的设计参数来建立定子、壳体配合后所能传递的最大扭矩与未知水道设计参数h，s，d的关系，

其计算公式如下：

其中：u为定子与壳体接触的静摩擦系数、L为定子与壳体轴向的接触长度、s为螺旋水道的螺距、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强，h为螺旋线轴向长度，d为水道槽宽，

在此，建立了基于定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′与h，s，d的方程式，根据实际需要的最大扭矩T，则可以确定h，s，d的关系。

S6，根据电机设计传递的最大扭矩T，以保证电机正常工作为前提，建立T′与T的关系，结合步骤S5中h，s，d与T′的关系，进而求出h，s，d需满足的关系。

步骤S6具体步骤如下：

(1)设定要求电机正常工作下输出的最大扭矩为T，最大扭矩T根据电动汽车对电机的实际要求来定；

(2)获取定子与壳体配合后所能传递的最大扭矩值T′，且满足T′≥T；满足T′≥T的目的是，在进行了水道设计后的定子，其要满足设计要求的最大扭矩T，根据这个要求，确定水道设计数值的范围关系。

(3)h，s，d水道设计参数的关系，其计算公式如下：

其中，

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机定子散热结构，其特征在于，包括定子和壳体，所述定子外表面加工一螺旋水槽；所述壳体内表面光滑，定子外表面和壳体内表面进行过盈配合形成内部封闭水道；永磁同步电机定子散热结构的设计方法包括：

S1，计算参数的设置：设定相应的计算参数，通过此步骤建立壳体径向的变形量ε₁与接触压强P之间的关系；设定定子与壳体接触面间的单边过盈量为ε，壳体径向的变形量为ε₁，定子径向的变形量为ε₂，定子与壳体配合的接触压强为P；

S2，计算壳体径向的变形量ε₁：此步骤是建立定子径向变形量ε₂与接触压强P之间的关系，其计算公式如下：

其中：E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S3，计算定子径向的变形量ε₂，其计算公式如下：

其中：E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S4，将壳体与定子联合计算，通过联立方程组，约去未知参数ε₁、ε₂，将接触压强P用已知的设计参数来表示；

联立壳体径向的变形量ε₁、定子径向的变形量ε₂、定子与壳体配合的单边过盈量ε，其计算公式为：

ε＝ε₁+ε₂；

计算定子与壳体的接触压强P，计算公式如下：

其中：ε为定子与壳体配合的单边过盈量、R为定子的外圆半径、E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径；

S5，计算定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′，通过第四步中计算得到的接触压强P和已知的设计参数来建立定子、壳体配合后所能传递的最大扭矩与未知水道设计参数h，s，d的关系；

其计算公式如下：

其中：u为定子与壳体接触的静摩擦系数、L为定子与壳体轴向的接触长度、s为螺旋水道的螺距、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强，h为螺旋线轴向长度，d为水道槽宽；

在此，建立了基于定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′与h，s，d的方程式，根据实际需要的最大扭矩T，则可以确定h，s，d的关系；

S6，根据电机设计传递的最大扭矩T，以保证电机正常工作为前提，建立T′与T的关系，结合步骤S5中h，s，d与T′的关系，进而求出h，s，d需满足的关系。

2.一种永磁同步电机定子散热结构的设计方法，其特征在于，包括：

S1，计算参数的设置：设定相应的计算参数，通过此步骤建立壳体径向的变形量ε₁与接触压强P之间的关系；设定定子与壳体接触面间的单边过盈量为ε，壳体径向的变形量为ε₁，定子径向的变形量为ε₂，定子与壳体配合的接触压强为P；

S2，计算壳体径向的变形量ε₁：此步骤是建立定子径向变形量ε₂与接触压强P之间的关系，其计算公式如下：

其中：E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S3，计算定子径向的变形量ε₂，其计算公式如下：

其中：E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强；

S4，将壳体与定子联合计算，通过联立方程组，约去未知参数ε₁、ε₂，将接触压强P用已知的设计参数来表示；

联立壳体径向的变形量ε₁、定子径向的变形量ε₂、定子与壳体配合的单边过盈量ε，其计算公式为：

ε＝ε₁+ε₂；

计算定子与壳体的接触压强P，计算公式如下：

其中：ε为定子与壳体配合的单边过盈量、R为定子的外圆半径、E₁为壳体的弹性模量、μ₁为壳体的泊松比、R₁为壳体外圆半径、E₂为定子的弹性模量、μ₂为定子的泊松比、R₂为定子内圆半径；

S5，计算定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′，通过第四步中计算得到的接触压强P和已知的设计参数来建立定子、壳体配合后所能传递的最大扭矩与未知水道设计参数h，s，d的关系；

其计算公式如下：

其中：u为定子与壳体接触的静摩擦系数、L为定子与壳体轴向的接触长度、s为螺旋水道的螺距、R为定子的外圆半径、P为壳体与定子的接触压强，h为螺旋线轴向长度，d为水道槽宽；

在此，建立了基于定子与壳体过盈配合后能够传递的最大扭矩T′与h，s，d的方程式，根据实际需要的最大扭矩T，则可以确定h，s，d的关系；

S6，根据电机设计传递的最大扭矩T，以保证电机正常工作为前提，建立T′与T的关系，结合步骤S5中h，s，d与T′的关系，进而求出h，s，d需满足的关系。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机定子散热结构的设计方法，其特征在于，步骤S6具体步骤如下：

(1)设定要求电机正常工作下输出的最大扭矩为T，最大扭矩T根据电动汽车对电机的实际要求来定；

(2)获取定子与壳体配合后所能传递的最大扭矩值T′，且满足T′≥T；

(3)h，s，d水道设计参数的关系，其计算公式如下：

其中，

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