CN114938110B - 电机总成及飞行设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电机总成及飞行设备。电机总成包括壳体组件、电机、减速装置、控制装置以及冷却装置。壳体组件包括电机室、控制室以及减速室，电机室连接于控制室及减速室之间；电机设置于电机室内；减速装置设置于减速室且连接于电机的输出轴；控制装置设置于控制室且电性连接于电机。冷却装置包括第一冷却管路、第二冷却管路以及第三冷却管路，第一冷却管路设置于控制室，第二冷却管路设置于电机室，第三冷却管路设置于减速室，第一冷却管路、第二冷却管路以及第三冷却管路的内腔依次连通。上述电机总成集成化程度高，只需一套冷却装置即可完成该电机总成的散热，散热效率高。

Description

电机总成及飞行设备

技术领域

本申请涉及飞行设备技术领域，特别涉及一种电机总成及飞行设备。

背景技术

随着新能源技术的发展和碳中和目标的提出，纯电驱动系统迎来了发展的高潮。目前纯电驱动系统主要应用于汽车行业，在吨位级升力的直升机或者吨位级升力的无人机上面还很少应用。现有的吨位级无人机或者直升机主要采用发动机驱动系统，发动机驱动系统空气污染严重，结构复杂，重量重，运行维护成本高等缺点。

对于纯电动无人机或直升机方案，多采用电机与控制器独立安装的布置，这种布置在冷却系统上通常采用各系统独自冷却方案，热管理系统利用率低，冷却效果差。

发明内容

本申请实施例提供一种电机总成，本申请实施例还提供一种具有上述电机总成的飞行设备。

第一方面，本申请实施例提供一种电机总成，包括壳体组件、电机、减速装置、控制装置以及冷却装置。壳体组件包括电机室、控制室以及减速室，电机室连接于控制室及减速室之间；电机设置于电机室内；减速装置设置于减速室且连接于电机的输出轴；控制装置设置于控制室且电性连接于电机。冷却装置包括第一冷却管路、第二冷却管路以及第三冷却管路，第一冷却管路设置于控制室，第二冷却管路设置于电机室，第三冷却管路设置于减速室，第一冷却管路、第二冷却管路以及第三冷却管路的内腔依次连通。

第二方面，本申请实施例还提供一种飞行设备，包括机体、旋翼以及上述任意一种电机总成，电机总成连接于机体，旋翼连接于电机的输出轴。

相对于现有技术，本申请实施例提供的电机总成中，电机、减速装置、控制装置均设置于壳体组件内，集成化程度高，极大地缩小了电机总成的整体空间。基于集成化程度高的该电机总成，本申请中的冷却装置考虑电机、减速装置以及控制装置各自的散热敏感性，合理安排冷却顺序，实现电机总成的逐级冷却，在提高散热效率的同时降低电机总成的失效风险，提高可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的飞行设备的结构示意图。

图2是本申请一实施例提供的电机总成的结构示意图。

图3是图2所示电机总成的剖面结构示意图。

图4是图2所示电机总成的结构的简化示意图。

图5是图2所示电机总成的部分结构的立体示意图。

图6是图2所示电机总成的冷却装置的部分结构示意图。

图7是图2所示电机总成的侧面投影示意图。

图8是图2所示电机总成的用于体现转换件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本申请实施例提供一种电机总成100，电机总成100用于安装在飞行设备200(如图8所示)中，其用于驱动飞行设备200的旋翼转动以为飞行设备200提供在空中行驶的动力。

本说明书对飞行设备200的具体类型不作限制，例如，飞行设备200可以为吨位级无人机或者直升机，也可以为飞行汽车。在本实施例中，飞行设备200包括机体201、旋翼203以及电机总成100。旋翼203可转动地连接于机体201，电机总成100连接于机体201，旋翼203传动连接于电机总成100的输出端。电机总成100驱使旋翼203转动以为飞行设备200提供升力。

请同时参阅图2和图3，电机总成100包括壳体组件10以及设置于壳体组件10内的电机30、减速装置50、控制装置70以及冷却装置90。电机30、减速装置50、控制装置70均设置于壳体组件10内，集成化程度高；冷却装置90对电机30、减速装置50、控制装置70进行冷却，提高电机总成100的可靠性。

在本实施例中，壳体组件10包括电机室12、控制室14以及减速室16，电机室12连接于控制室14和减速室16之间，且电机室12的腔体通过冷却装置90连通控制室14的腔体和减速室16的腔体。

电机室12用于安装电机30，电机室12包括定子壳123和外壳121，外壳121套设于定子壳123的外周且连接于定子壳123。外壳121大致呈一端敞口的筒状，在本实施例中，外壳121大致呈圆筒状。定子壳123大致呈横截面为环形的回转体状，定子壳123具有既定的轴线O，定子壳123沿轴线O方向的尺寸小于外壳121沿轴线O方向的尺寸。

在一些实施例中，减速室16沿轴线O的方向连接于电机室12的一端，其用于安装减速装置50。减速室16包括安装壳161以及盖体163，安装壳161盖设于外壳121的开口处，且安装壳161至少部分地设置于电机室12内。盖体163盖设于安装壳161背离外壳121的一侧，盖体163通过螺栓连接于安装壳161。安装壳161的中部朝向外壳121的内部凹陷以与盖体163共同形成用于安装减速装置50的安装空间165，安装壳161的部分结构伸入定子壳123内。其中，“安装壳161的部分结构伸入定子壳123内”可以理解为安装壳161在垂直于轴线O的方向的投影与定子壳123在垂直于轴线O的方向的投影至少部分重合。减速室16和电机室12部分结构叠置共用，使得电机总成100的结构更加紧凑，提高了电机总成100的集成化程度。

控制室14连接于电机室12的周壁，其用于安装控制装置70。控制室14包括第一壳体141以及第二壳体143，第一壳体141大致呈两端贯通的筒状，其一端固定连接于外壳121的周壁，另一端连接于第二壳体143；第二壳体143大致呈一端敞口的筒状，其敞口的一端连接于第一壳体141远离外壳121的一端，第一壳体141、第二壳体143以及外壳121共同形成用于安装控制装置70的容纳空间145。电机室12的外壳121作为减速室16的组成部分，提高了电机总成100的集成化程度。

请同时参阅图3和图4，在本实施例中，电机30设置于电机室12内，本说明书对电机30的具体类型不作限制，在本实施例中，电机30为永磁同步电机。电机30包括定子32、转子34、输出轴36以及旋转变压器38。定子32同轴设置于定子壳123内且连接于定子壳123，转子34可转动地设置于定子32内。输出轴36穿设于转子34内且与转子34止转连接，输出轴36的轴线与轴线O共线，输出轴36沿轴线O延伸，贯穿安装壳161以及盖体163，且与安装壳161、盖体163通过轴承可转动地连接。输出轴36伸出壳体组件10的端部连接于旋翼203(如图2所示)，其用于驱使旋翼203旋转以为飞行设备200提供升力。

旋转变压器38连接于输出轴36远离旋翼203的一端，其用于采集定子32以及转子34的相对位置关系。旋转变压器38是一种电磁式传感器，又称同步分解器，旋转变压器38是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。在另一些实施例中，电机30可以不包括旋转变压器38，采用无感控制作为替代。无感控制又称无传感器控制、无感应器控制等，无传感器控制技术克服了使用机械传感器给系统带来的缺陷，扩大了电机在一些特殊场合的应用范围。

请同时参阅图3和图5，在本实施例中，减速装置50安装于减速室16的安装空间165内，减速装置50包括太阳轮52、内齿圈54、行星轮56以及行星架58。太阳轮52同轴套设于输出轴36且与输出轴36止转连接(如通过花键连接)。内齿圈54固定连接于安装壳161，且套设于太阳轮52外，内齿圈54与太阳轮52同轴。行星轮56啮合于太阳轮52与内齿圈54之间，行星轮56可以设置有多个，在本实施例中，行星轮56的数量设置为三个，三个行星轮56沿太阳轮52的周向等间距排列，且三个行星轮56关于太阳轮52的轴线呈中心对称设置。本说明书对减速装置50的减速比以及太阳轮52和行星轮56的减速极数不作限制，可以根据具体应用情况进行调整。

行星架58包括连接杆581以及轴部583，轴部583套设于输出轴36，轴部583位于太阳轮52朝向盖体163的一侧。连接杆581连接于轴部583和行星轮56之间，其一端固定连接于轴部583，另一端可转动地穿设于行星轮56的中心孔内。连接杆581的数量设置有三个，三个连接杆581与三个行星轮56一一对应设置。

使用时，电机30的输出轴36将电机30动力输入至减速装置50，动力经太阳轮52传递至行星轮26，并通过与内齿圈54进行动力耦合传递动力，进而完成动力至旋翼203的输出。减速装置50将高转速小扭矩的电机30功率变成低转速、大扭矩后，再传递给旋翼203(如图2所示)，并根据转速、扭矩需要将功率传递给飞行设备200的尾桨、附件等。

请再次参阅图3和图4，控制装置70设置于控制室14的容纳空间145内，其用于控制电机30的扭矩和转速。控制装置70包括电容72、功率模块74以及驱控模块76，电容72、功率模块74以及驱控模块76沿自第二壳体143至第一壳体141的方向排列。控制装置70还包括电控三相接线、转接铜排以及电机三相接线(图中未标出)，控制装置70和电机30之间通过电控三相接线、转接铜排以及电机三相接线连接。控制装置70远离第一壳体141的一侧设有直流母线78以及低压插接件710。

当电机总成100应用于飞行设备200中时，飞行设备200的整机电机通过直流母线78将能量传入电容72，直流电流在功率模块74的作用下转换为交流电流，该交流电再通过电控三相接线、转接铜排以及电机三相接线输入电机30；飞行设备200通过低压插接件710将整机信号传输至控制装置70，控制装置70结合旋转变压器38所采集到的定子32和转子34的相对位置关系，通过驱控模块76对电机30的转速和扭矩进行控制。

请同时参阅图3和图6，在本实施例中，冷却装置90包括第一冷却管路92、第二冷却管路94以及第三冷却管路96。第一冷却管路92设置于控制室14，第二冷却管路94设置于电机室12，第三冷却管路96设置于减速室16，第一冷却管路92、第二冷却管路94以及第三冷却管路96的内腔连通。

在本实施例中，冷却装置90为液冷装置，冷却介质可以为油、水等冷却液。请参阅图7，在一些实施例中，冷却装置90还包括换热器98，第一冷却管路92和第三冷却管路96分别与换热器98连通，从而使得冷却液可以循环使用。换热器98是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用。本说明书对换热器98的具体类型不作限制，例如，换热器98可以为管壳换热器、翅片换热器、板式换热器等。

冷却液从换热器98先进入第一冷却管路92对控制装置70进行散热，接着经过第二冷却管路94对电机30进行散热，然后进入第三冷却管路96对减速装置50进行散热，最后回到换热器98内，完成一次循环。第一冷却管路92、第二冷却管路94以及第三冷却管路96先后且分别对控制装置70、电机30以及减速装置50进行逐级冷却，降低了电机总成100的失效风险。

在另一些实施例中，冷却装置90也可以采用风冷的形式散热，例如，冷却装置90可以包括分别对控制装置70、电机30以及减速装置50进行冷却的第一散热风扇、第二散热风扇以及第三散热风扇。

第一冷却管路92用于对控制装置70进行冷却散热，第一冷却管路92包括第一进水管921、液冷板923以及第一出水管925。第一进水管921穿设于第二壳体143远离第一壳体141的侧壁，第一进水管921的一端与换热器98连通。液冷板923连接于第一进水管921和第一出水管925之间，且其内腔连通于第一进水管921和第一出水管925的内腔。本说明书对液冷板923的具体材质不作限制，液冷板923可以为钢制液冷板，也可以为铝制液冷板，或者采用铝板埋铜管的设计方式。在本实施例中，液冷板923设置于电容72和功率模块74之间，液冷板923的面积可以略大于电容72和功率模块74的面积，使得液冷板923能够大致覆盖于电容72和功率模块74。液冷板923朝向电容72和功率模块74的侧面可以设置有凹陷或者凸起，以使液冷板923的表面贴合于电容72和功率模块74的表面，尽可能增加液冷板923与电容72和功率模块74的接触面积，从而达到更好的冷却效果。

第一出水管925位于液冷板923远离第一进水管921的一侧，第一出水管925远离液冷板923的一端穿设于外壳121且连通于第二冷却管路94。换热器98内的冷却液经第一进水管921进入液冷板923，在控制室14内对控制装置70进行液冷，而后，冷却液经过第一出水管925进入第二冷却管路94。

第二冷却管路94用于对电机30进行冷却散热，第二冷却管路94包括第二进水管941以及冷却腔943，第二进水管941的一端套设于第一出水管925背离液冷板923的一端，且与第一出水管925的内腔连通，第二进水管941的另一端与冷却腔943连通。冷却腔943形成于电机室12的外壳121和定子壳123之间，外壳121和定子壳123之间至少部分结构相对间隔以形成冷却腔943。在一些实施例中，定子壳123朝向外壳121的一侧开设有凹槽1232，凹槽1232的内壁和外壳121的内壁之间形成冷却腔943，冷却腔943沿定子壳123的周向环绕于定子壳123。定子壳123环绕在定子32的外周且与定子32的外周紧密贴合，冷却腔943环绕在定子壳123外，即环绕在定子32的外周，冷却腔943内的冷却液能够从定子32的整个周壁对定子32以及定子32内的结构进行冷却，提高了对电机30的冷却效率。冷却腔943与第三冷却管路96连通。冷却液经第一出水管925进入第二进水管941，再从第二进水管941进入电机室12内的冷却腔943内，对电机30进行液冷散热。

第三冷却管路96用于对减速装置50进行冷却散热，第三冷却管路96包括冷却流道961以及第二出水管963。冷却流道961形成于减速室16并与冷却腔943连通，安装壳161的外壁和外壳121的内壁间隔相对以形成冷却流道961，冷却流道961环绕于安装壳161的外周。

冷却流道961腔体的具体形状取决于外壳121的内壁形状以及安装壳161的外形，在本实施例中，安装壳161包括安装部1612、承托部1614以及连接部1616，安装部1612、承托部1614以及连接部1616沿盖体163至电机室12内的方向依次连接，三者连同盖体163共同形成安装空间165。安装部1612、承托部1614以及连接部1616的横截面均大致为环形且三者大致同轴设置，安装部1612的外径大致等于承托部1614的外径，且二者的外周连接处平滑接续；安装部1612的内径大于承托部1614的内径，连接部1616连接于承托部1614的内周壁，其远离承托部1614的一端伸入定子壳123内。由此，安装部1612的外周壁、承托部1614的外周壁和远离安装部1612的侧壁、连接部1616的外周壁与外壳121共同形成冷却流道961的腔体。

减速装置50的内齿圈54穿设于安装部1612，其外周与安装部1612紧密连接，内齿圈54的一侧放置于承托部1614且与承托部1614紧密贴合。冷却液进入冷却流道961，通过安装部1612和承托部1614对内齿圈54及内齿圈54内的部件进行冷却，安装部1612和承托部1614增加了冷却液和减速装置50的接触面积，提高了散热效率；连接部1616的部分结构位于定子壳123内，冷却流道961内的冷却液在对减速室16进行冷却的同时通过连接部1616对电机室12进行冷却，进一步提高了散热效率。

第二出水管963的一端穿设于外壳121与冷却流道961连通，另一端与壳体组件10外连通，用于输出冷却液。冷却液从冷却腔943进入冷却流道961，对减速装置50进行液冷散热，完成散热后从第二出水管963输出。

请同时参阅图6和图8，在本实施例中，冷却装置90还包括转换件18，其用于连通冷却腔943和冷却流道961。转换件18包括转换盒181以及连接于转换盒181的连管183。转换盒181连接于外壳121，转换盒181设有转换腔1812、第一通孔1814以及第二通孔1816。第一通孔1814贯穿外壳121，转换腔1812通过第一通孔1814连通冷却腔943(如图3所示)。连管183的一端通过第二通孔1816连接于转换盒181，且通过第二通孔1816与转换腔1812连通，另一端伸入冷却流道961并与冷却流道961连通。

进一步地，转换盒181内还设有隔板189，隔板189将转换腔1812分隔成相邻的第一腔体185和第二腔体187，第一通孔1814和第二通孔1816位于第一腔体185内。第二出水管963背离冷却流道961的一端连接于第二腔体187处的转换盒181侧壁，第二出水管963与第二腔体187连通。转换盒181上还设有出口1818，出口1818连通第二腔体187。

冷却腔943内的冷却液经过第一通孔1814进入转换腔1812，再通过连管183进入冷却流道961，对减速装置50进行液冷散热，完成散热后从第二出水管963进入第二腔体187，最后经由出口1818进入换热器98(如图7所示)。转换件18的设置简化了第二冷却管路94和第三冷却管路96之间的连通结构，减少了占用空间。

本申请实施例提供的电机总成100是一种电机30、减速装置50以及控制装置70三合一纯动力驱动系统。电机室12的外壳121部分作为用于安装控制装置70的容纳空间145的内壁的组成部分，减速室16的安装壳161也作为电机室12外壳121的盖体部分，壳体组件10的设计将电机30、减速装置50以及控制装置70集成在一起，极大地缩小了电机总成100的整体空间。

针对上述电机总成100的一体化设计，本申请采用一套冷却装置90，实现控制装置70到电机30再到减速装置50的逐级冷却。换热器98中的冷却液经第一进水管921进入液冷板923，在控制室14内对控制装置70进行液冷，而后，水流经过第一出水管925进入第二进水管941，再从第二进水管941进入电机室12内的冷却腔943内，对电机30进行液冷散热；冷却腔943内的冷却液经过第一通孔1814进入转换腔1812，再通过连管183进入冷却流道961，对减速装置50进行液冷散热，完成散热后从第二出水管963进入第二腔体187，最后经由出口1818进入换热器98。本申请中的冷却装置90考虑到电机30、减速装置50以及控制装置70各自的散热敏感性，合理安排冷却顺序，实现控制装置70到电机30再到减速装置50的逐级冷却，在提高散热效率的同时降低电机总成100的失效风险，提高可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电机总成，其特征在于，包括：

壳体组件，所述壳体组件包括电机室、控制室以及减速室，所述电机室连接于所述控制室及所述减速室之间，所述电机室包括外壳，所述减速室包括安装壳以及盖体，所述安装壳盖设于所述外壳的一端且至少部分地设置于所述电机室内；所述盖体盖设于所述安装壳以与所述安装壳共同形成安装空间；所述安装壳包括安装部、承托部以及连接部，所述安装部、所述承托部以及所述连接部沿自所述减速室至所述电机室的方向依次连接；

电机，设置于所述电机室内；

减速装置，设置于所述安装空间且连接于所述电机的输出轴；

控制装置，设置于所述控制室且电性连接于所述电机；以及

冷却装置，所述冷却装置包括第一冷却管路、第二冷却管路、第三冷却管路以及转换件，所述第一冷却管路设置于所述控制室，所述第一冷却管路包括第一进水管和第一出水管；所述第二冷却管路设置于所述电机室，所述第二冷却管路包括第二进水管和冷却腔，所述二进水管连接于所述第一出水管和所述冷却腔之间；所述第三冷却管路设置于所述减速室，所述第三冷却管路包括冷却流道以及第二出水管，所述外壳的内壁与所述安装部背离所述安装空间的外壁、所述承托部背离所述安装空间的外壁以及所述连接部背离所述安装空间的外壁间隔设置以共同形成所述冷却流道；所述第二出水管连通所述冷却流道和所述壳体组件的外界；所述转换件连接于所述电机室和所述减速室之间，所述转换件具有连通的第一通孔和第二通孔，所述冷却腔与所述第一通孔连通，所述冷却流道与所述第二通孔连通；

冷却液经由所述第一进水管进入所述第一冷却管路，并依次通过所述第一出水管、所述第二进水管进入所述冷却腔，然后通过所述第一通孔从所述冷却腔中流出、并经由所述第二通孔进入所述冷却流道，最后从所述冷却流道内经由所述第二出水管流出所述第三冷却管路。

2.如权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述第一冷却管路还包括液冷板，所述第一进水管和所述第一出水管分别连通于所述液冷板的两侧，所述液冷板设置于所述控制室的内腔中。

3.如权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述冷却腔形成于所述电机室的壳体。

4.如权利要求3所述的电机总成，其特征在于，所述电机室包括定子壳，所述定子壳环绕设置于所述电机的定子的外周，所述外壳套设于所述定子壳的外周并与所述定子壳连接，所述定子壳和所述外壳之间至少部分结构相对间隔以形成所述冷却腔。

5.如权利要求4所述的电机总成，其特征在于，所述定子壳朝向所述外壳的一侧设有凹槽，所述凹槽的内壁和所述外壳的内壁之间形成所述冷却腔，所述冷却腔沿着所述定子壳的周向环绕于所述定子壳。

6.如权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述冷却装置还包括换热器，所述第一进水管和所述第二出水管分别与所述换热器连通。

7.如权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述转换件设有转换腔，所述冷却腔通过第一通孔与所述转换腔连通，所述转换腔通过第二通孔与所述冷却流道连通。

8.如权利要求1～7中任一所述的电机总成，其特征在于，所述电机具有输出轴，所述减速室沿所述输出轴的轴向设置于所述电机室的一端，所述控制室连接于所述电机室的周壁。

9.一种飞行设备，其特征在于，包括：

机体及旋翼；

以及

如权利要求1～8中任一所述的电机总成，所述电机总成连接于所述机体，所述旋翼连接于所述电机的输出轴。