CN113162281B - 一种具有冷却结构的外转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冷却结构的外转子电机，属于电机冷却技术领域，在定子和转子之间还设置有隔油套，且隔油套与定子的周向外表面紧密贴合；定子支撑的前后两端分别设置有环形凹槽，与轴装配后形成集油腔和分油腔；定子支撑上还设置有进油口，进油口为跨越集油腔和分油腔的管道结构，其位于分油腔一侧的端口与分油腔连通，其位于集油腔一侧的端口不与集油腔连通；定子支撑上还设置有出油口，出油口为管道结构，其一端口与集油腔连通，另一端口不与集油腔连通；定子支撑上还均匀设置有多个连通分油腔和定子支撑周向外表面的分油孔，定子支撑上还设置有连通集油腔和定子支撑周向外表面的集油孔。本发明能够在冷却外转子电机的同时，减小电机重量。

Description

一种具有冷却结构的外转子电机

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外转子电机。

背景技术

外转子电机作为轮毂电机的首选，具有体积小、机械结构简单、传动效率高等优点，广泛应用于电动汽车、舰船推进等场合，随着新能源汽车的飞速发展，外转子电机的发展也迎来了高潮。

常规外转子电机包括固定在轴上的定子、定子支撑、在定子外旋转的转子、覆盖在电机前后部的端盖、轴承以及转子外的机壳，定子通过上固定板和下固定板固定。其中，定子包括定子铁心和绕组，转子包括转子铁心和永磁体(磁钢)。由于空间及尺寸的严格限制，对外转子电机的功率密度提出了更高的要求。但是更高的功率密度带来了更高的电磁负荷，从而会产生更多的热量，且电机本身散热面积小，散热困难，若只依靠自然冷却，将会造成电机温升过大，导致磁钢退磁甚至绕组烧毁等严重后果，因此外转子电机的冷却至关重要，其严重制约了电机功率密度的提高。为解决此问题，常采用强迫风冷、水冷或油冷对电机进行冷却。

强迫风冷在外转子电机中较为常见，因为其本身具有的离心风机特性，能够在转子旋转的过程中带动气流，冷却电机转子，但通常也只能冷却转子，对电机定子冷却效果甚微，若通过外加风扇冷却电机，则可冷却定子，但增加了电机重量，不利于电机功率密度的提高。

水冷方式采用水作为冷却介质，相较于强迫风冷其可同时冷却电机定转子，并且冷却效果比强迫风冷好，但由于水可导电，水冷方式对电机绝缘性能要求很高。在申请号为201611046484.9、发明名称为“一种新型冷却方式的轮毂电机”的专利文件中，公开了一种具有水冷结构的电机，如图1所示，其中，定子铁芯内部与一端带有端板圆筒形的支架相接触，支架内有冷却流道，冷却流道内通过冷却介质，定子绕组端部直接与支架端板的内立面相接触。在电机运行过程中，定子产生的热量从定子铁芯和绕组端部传递给支架，并通过支架内流道流过的冷却介质快速将热量带走，有效提高了电机的散热能力，从而降低电机温升，保证电机的长期稳定运行。但是，该电机中存在两个明显的缺点：(1)冷却液不与绕组及定子铁芯直接接触，冷却效果不好；(2)前端端部绕组不与支架接触，易造成前端端部绕组局部温度过高，影响电机正常运行。

油冷方式有许多种形式，如浸油冷却、喷油冷却等，冷却油直接与电机接触以冷却电机，冷却效果很好，且由于油不导电，对电机绝缘性能要求不高，能有效解决高功率密度电机冷却困难的问题，近年来受到许多人追捧与研究，十分具有发展前景。在申请号为201811589724.9，发明名称为“一种快速冷却的外转子永磁同步电机”的专利文件中，公开了一种具有油冷结构的电机，如图2所示，其中，电机的油道由电机转轴中的油道、第一油冷轴承和第二油冷轴承腔体中的通道，定子叶片中的油道构成油道回路。冷却油从油泵中泵出，从转轴冷却油道入口进入电机，经第一油冷轴承的轴承座通孔流入圆环形储油舱，然后均匀进入定子叶片每一个油道，之后进入第二油冷轴承的圆环形储油舱，最后从转轴冷却油出口流出电机。在此过程中能够均匀地冷却电机，延长电机寿命，并且简化了电机冷却结构。但是，该电机存在如下缺陷：(1)需要使用多个轴承，增加了电机重量，同时增加了电机轴承损耗，导致电机效率降低；(2)外加的定子叶片增加了电机径向尺寸，且会使电机体积和重量增加；(3)轴承结构较复杂，加工困难。

综上所述，为了提升外转子电机的整体性能，针对外转子电机的冷却结构有待进一步优化。

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外转子电机，其目的在于，在有效冷却外转子电机的同时，减小外转子电机的重量，从而解决外转子的电机的散热问题，有效提高外转子电机的功率密度。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有冷却结构的外转子电机，其中，在定子和转子之间还设置有隔油套，且隔油套与定子的周向外表面紧密贴合；

定子支撑的前后两端分别设置有环形凹槽，与轴装配后形成集油腔和分油腔；定子支撑上还设置有进油口，进油口为跨越集油腔和分油腔的管道结构，其位于分油腔一侧的端口与分油腔连通，其位于集油腔一侧的端口不与集油腔连通；定子支撑上还设置有出油口，出油口为管道结构，其一端口与集油腔连通，另一端口不与集油腔连通；定子支撑上还均匀设置有多个连通分油腔和定子支撑周向外表面的分油孔，定子支撑上还设置有连通集油腔和定子支撑周向外表面的集油孔；

由相邻定子齿上缠绕的绕组间的间隙形成绕组油道；工作时，绝缘的冷却介质经进油口注入分油腔后，经分油孔均匀流向定子铁心，流经绕组油道吸收绕组产生的热量后经集油孔流入集油腔，之后经出油口流出。

本发明通过在外转子电机的定子和转子之间设置隔油套，将定子密封在隔油套中，使定子和转子之间实现了热隔离，同时使得相邻定子齿上缠绕的绕组间的间隙能够形成供冷却介质流过的通道，即绕组油道，由于冷却介质流经绕组油道时，与定子绕组直接接触，能够有效增强冷却效果；由于冷却结构直接设置在定子支撑内部，大大减小了定子支撑的重量，能够进一步提高电机的功率密度；由于连通分油腔和定子支撑周向外表面的分油孔在定子支撑上均匀分布，分油腔中的冷却介质可以经这些分油孔均匀地分配给每个定子，实现对定子的均匀散热，避免局部温度过高。总体而言，本发明提供的具有冷却结构的外转子电机，能够在有效冷却外转子电机的同时，减小外转子电机的重量，从而解决外转子的电机的散热问题，有效提高外转子电机的功率密度。

进一步地，定子铁心底部和/或定子齿顶端还设置有凹槽，以由定子铁心底部的凹槽与定子支撑的周向外表面形成第一定子油道，由定子齿顶端的凹槽与隔油套形成第二定子油道。

本发明进一步在定子铁心底部和/或定子齿顶端设置凹槽形成定子油道，包括由定子铁心底部的凹槽与定子支撑的周向外表面形成的第一定子油道和由定子齿顶端的凹槽与隔油套形成的第二定子油道，使得冷却时，分油腔中的冷却介质经分油孔均匀流入定子后，除了会流经绕组流道，实现对绕组的冷却，还会流经定子油道，与定子铁心直接接触，实现对定子铁心的均匀冷却，从而进一步提高定子的冷却效果。

进一步地，定子铁心底部设置的凹槽为半圆孔结构。

本发明通过将定子铁心底部的凹槽设置为半圆孔结构，在形成定子油道的同时，能够使定子铁心磁密分布均匀，提高铁心利用率。

进一步地，定子齿顶端设置的凹槽为方孔结构。

本发明通过将定子齿顶端的凹槽为设置方孔结构，能够使得齿槽转矩较小，提高电机稳定性；此外，方孔结构能够提供更大的接触面积，从而提高对定子铁心的冷却效果。

进一步地，定子支撑在集油腔一侧为镂空结构。

本发明中，定子支撑在集油腔一侧设置为镂空结构，能够在保证冷却效果的同时，有效减小电机重量。

进一步地，集油孔设置于镂空结构形成的支撑肋上。

本发明在定子支撑为镂空结构时，将集油孔设置在该镂空结构形成的支撑肋上，能够简化电机的冷却结构。

进一步地，转子为开式结构。

本发明进一步将转子设置为开式结构，能够采用强迫风冷，基于外转子电机的离心风机特性，在电机旋转的过程中，带动空气流动，从而冷却转子，不需增加额外的设施，节约了电机重量，同时冷却效果更佳。

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)本发明通过在外转子电机的定子和转子之间设置隔油套，将定子密封在隔油套中，并且将定子中的冷却结构直接设置在定子支撑内部，使连通分油腔和定子支撑周向外表面的分油孔在定子支撑上均匀分布，能够在有效冷却外转子电机的同时，减小外转子电机的重量，从而解决外转子的电机的散热问题，有效提高外转子电机的功率密度。

(2)本发明进一步在定子铁心底部和/或定子齿顶端设置凹槽形成定子油道，使得冷却时，分油腔中的冷却介质经分油孔均匀流入定子后，除了流经绕组流道，实现对绕组的冷却，还会流经定子油道，与定子铁心直接接触，实现对定子铁心的均匀冷却，从而进一步提高定子的冷却效果。

(3)本发明进一步将转子设置为开式结构，能够采用强迫风冷，基于外转子电机的离心风机特性，在电机旋转的过程中，带动空气流动，从而冷却转子，不需增加额外的设施，节约了电机重量，同时冷却效果更佳。

附图说明

图1为现有的新型冷却方式的轮毂电机结构示意图；

图2为现有的外转子永磁同步电机中冷却油道的剖视图；

图3为本发明实施例提供的具有冷却结构的外转子电机的三维爆炸图；

图4为本发明实施例提供的纵截面图；

图5为本发明实施例提供的定子冷却结构示意图；

图6为本发明实施例提供的定子冷却模型图；

图7为本发明实施例提供的转子风冷结构示意图；

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为定子支撑，11为集油腔，12为分油腔，13为进油口，14为出油口，15为分油孔，16为集油孔，2为定子，21为定子铁心，22为绕组，23为第一定子油道，24为第二定子油道，3为隔油套，4为转子，41为转子铁心，42为磁钢，43为进风口，44为出风口，5为前端盖，51为上固定板，6为后端盖，61为下固定板，7为机壳，8为轴。

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外转子电机，如图3所示，其中包括定子支撑1、定子2、转子4、前端盖5、上固定板51、后端盖6、下固定板61以及机壳7，定子2包括定子铁心21和绕组22，转子4包括转子铁心41和永磁体(磁钢42)；此外，在定子2和转子4之间还设置有隔油套3，且隔油套3与定子2的周向外表面紧密贴合；

如图5～图6所示，本实施例中，定子支撑1的前后两端分别设置有环形凹槽，与轴8装配后形成集油腔11和分油腔12；定子支撑1上还设置有进油口13，进油口13为跨越集油腔11和分油腔12的管道结构，其位于分油腔12一侧的端口与分油腔12连通，其位于集油腔11一侧的端口不与集油腔11连通；定子支撑1上还设置有出油口14，出油口14为管道结构，其一端口与集油腔11连通，另一端口不与集油腔11连通；定子支撑1上还均匀设置有多个连通分油腔12和定子支撑1周向外表面的分油孔15，定子支撑1上还设置有连通集油腔11和定子支撑1周向外表面的集油孔；

由相邻定子齿上缠绕的绕组22间的间隙形成绕组油道；工作时，绝缘的冷却介质经进油口13注入分油腔后，经分油孔15均匀流向定子铁心21，流经绕组油道吸收绕组22产生的热量后经集油孔流入集油腔11，之后经出油口14流出；可选地，本实施例中，所使用的绝缘冷却介质具体是冷却油。

本实施例通过在外转子电机的定子和转子之间设置隔油套，将定子密封在隔油套中，使定子和转子之间实现了热隔离，同时使得相邻定子齿上缠绕的绕组间的间隙能够形成供冷却介质流过的通道，即绕组油道，由于冷却介质流经绕组油道时，与定子绕组直接接触，能够有效增强冷却效果；由于冷却结构直接设置在定子支撑内部，大大减小了定子支撑的重量，能够进一步提高电机的功率密度；由于连通分油腔和定子支撑周向外表面的分油孔在定子支撑上均匀分布，分油腔中的冷却介质可以经这些分油孔均匀地分配给每个定子，实现对定子的均匀散热，避免局部温度过高。总体而言，本实施例提供的具有冷却结构的外转子电机，能够在有效冷却外转子电机的同时，减小外转子电机的重量，从而解决外转子的电机的散热问题，有效提高外转子电机的功率密度。

如图5所示，为了进一步提高对定子2的冷却效果，本实施例中，定子铁心21的底部还设置有凹槽，以由定子铁心底部的凹槽与定子支撑的周向外表面形成第一定子油道23；作为一种优选的实施方式，本实施例中，定子铁心21底部设置的凹槽为半圆孔结构，由此能够在形成第一定子油道23的同时，能够使定子铁心21磁密分布均匀，提高定子铁心的利用率；

如图5所示，为了进一步提高对定子2的冷却效果，本实施例中，定子齿顶端还设置有凹槽，以由定子齿顶端的凹槽与隔油套3形成第二定子油道24；作为一种优选的实施方式，本实施例中，定子齿顶端设置的凹槽为方孔结构，由此能够使得齿槽转矩较小，提高电机稳定性；此外，方孔结构能够提供更大的接触面积，从而提高对定子铁心21的冷却效果；

如图4所示，冷却时，分油腔12中的冷却介质经分油孔15均匀流入定子2后，除了会流经绕组流道，实现对绕组22的冷却，还会流经第一定子油道23和第二定子油道24，与定子铁心21直接接触，实现对定子铁心21的均匀冷却，从而进一步提高定子2的冷却效果；应当说明的是，此处所设置的定子铁心21底部及定子齿顶端的凹槽形状，仅为优选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在冷却效果满足电机的应用需求的情况下，也可将凹槽设置为其他的形状；同样地，在冷却效果满足电机的应用需求的情况下，也可仅在定子铁心2的底部设置凹槽，或者仅在定子齿顶端设置凹槽，甚至不设置凹槽。

为了进一步减小电机的重量，以提高外转子电机的功率密度，如图5和图6所示，本实施例中，定子支撑1在集油腔11一侧为镂空结构；该镂空结构会形成多个呈辐条状的支撑肋，在实际应用中，镂空结构根据支撑强度要求以及减重效果综合设定即可；本实施例中，集油孔16设置于镂空结构形成的支撑肋上。

为了实现对定子的均匀冷却，本实施例中，设置了较多的分油孔15，具体为30个；为了避免使用较多的支撑肋，以最大程度上减小电机重量，本实施例中，集油孔16具体设置有8个，且同样均匀分布；应当说明的是，此处关于分油孔15和集油孔16的具体数量设定，仅为示例性描述，不应理解为对本发明的唯一限定。

为了进一步提高外转子电机的整体冷却效果，如图7所示，本实施例中，转子4被设置为开式结构，能够采用强迫风冷，基于外转子电机的离心风机特性，在电机旋转的过程中，在转子4轴向的两个端面上分别形成进风口43和出风口44，带动空气流动，从而冷却转子，不需增加额外的设施，节约了电机重量，同时冷却效果更佳；本实施例中，转子4的开式结构，可采用任意一种能够实现强迫风冷的开式结构，在此将不作一一列举。

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 (4)

1.一种具有冷却结构的外转子电机，其特征在于，在定子和转子之间还设置有隔油套，且所述隔油套与所述定子的周向外表面紧密贴合；

定子支撑沿轴向的前后两端分别设置有环形凹槽，与轴装配后形成分别位于前后两端的集油腔和分油腔；所述定子支撑上还设置有进油口，所述进油口为跨越所述集油腔和所述分油腔的管道结构，其位于所述分油腔一侧的端口与所述分油腔连通，其位于所述集油腔一侧的端口不与所述集油腔连通；所述定子支撑上还设置有出油口，所述出油口为管道结构，其一端口与所述集油腔连通，另一端口不与所述集油腔连通；所述定子支撑上还均匀设置有多个连通所述分油腔和所述定子支撑周向外表面的分油孔，所述定子支撑上还设置有连通所述集油腔和所述定子支撑周向外表面的集油孔，集油孔和分油孔分别设置于定子支撑沿轴向的前后两端，分油孔的数量相比于集油孔的数量较多；所述定子支撑在所述集油腔一侧为镂空结构，所述集油孔设置于所述镂空结构形成的支撑肋上；

定子铁心底部和/或定子齿顶端还设置有凹槽，以由所述定子铁心底部的凹槽与所述定子支撑的周向外表面形成第一定子油道，由所述定子齿顶端的凹槽与所述隔油套形成第二定子油道；

由相邻定子齿上缠绕的绕组间的间隙形成绕组油道；工作时，绝缘的冷却介质经所述进油口注入所述分油腔后，经所述分油孔均匀流向定子铁心，流经所述绕组油道吸收绕组产生的热量后经所述集油孔流入所述集油腔，之后经所述出油口流出。

2.如权利要求1所述的具有冷却结构的外转子电机，其特征在于，所述定子铁心底部设置的凹槽为半圆孔结构。

3.如权利要求1所述的具有冷却结构的外转子电机，其特征在于，所述定子齿顶端设置的凹槽为方孔结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的具有冷却结构的外转子电机，其特征在于，所述转子为开式结构。

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