CN115702538A - 向轴向冷却剂通道供应冷却剂的定子集成的歧管组件 - Google Patents

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CN115702538A CN202180044471.0A CN202180044471A CN115702538A CN 115702538 A CN115702538 A CN 115702538A CN 202180044471 A CN202180044471 A CN 202180044471A CN 115702538 A CN115702538 A CN 115702538A
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Abstract

提供了一种电动马达冷却系统，其利用定子集成的轴向冷却剂通道和居中地位于定子内的冷却剂歧管来有效地去除马达组件的热量。为了提高端部绕组冷却的均匀性，在定子组件的任一端包括两个或更多个端部叠片，其限制和引导冷却剂流出轴向冷却剂通道。

Description

向轴向冷却剂通道供应冷却剂的定子集成的歧管组件
相关申请的交叉引用
本申请是2020年5月11日提交的美国专利申请第16/871452号的继续申请，并要求其优先权，该申请是2020年5月11日提交的美国专利申请第16/871215号的部分继续申请，这两个申请的公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明总体涉及电动车辆的电动马达组件，更具体地，涉及一种可用于冷却电动马达组件的关键元件的高效马达冷却系统。
背景技术
为了满足不断上涨的燃油价格和全球变暖的可怕后果所驱动的消费者的需求，汽车行业正慢慢开始接受对超低排放、高效率汽车的需求。虽然业内一些人试图通过设计更高效的内燃机来实现这些目标，但其他人正在将混合动力或全电动传动系统纳入他们的车辆阵容。然而，为了满足消费者期望，汽车行业不仅必须实现更绿色的传动系统，而且必须在保持合理的性能、范围、可靠性、安全性和成本水平的同时做到这一点。
实现低排放、高效率汽车的最常见方法是使用混合动力传动系统，其中内燃机(ICE)与一个或多个电动马达相结合。虽然混合动力车辆提供了比传统的基于ICE的车辆更好的汽油里程和更低的车辆排放，但由于它们包括内燃机，所以它们仍然排放有害的污染，尽管与传统车辆相比排放水平降低了。此外，由于包括内燃机和带有电池组的电动马达，混合动力车辆的传动系通常比传统的基于ICE的车辆或全电动车辆的传动系更复杂，导致成本和重量增加。因此，一些车辆制造商正在设计仅使用一个或多个电动马达的车辆，从而消除了一个污染源，同时显著降低了传动系统的复杂性。
为了在电动车辆中实现期望的性能和可靠性水平，无论环境条件如何或车辆行驶有多艰难，牵引马达的温度保持在其指定的工作范围内是至关重要的。已经使用了多种方法来尝试并充分冷却电动汽车中的马达。例如，美国专利6954010公开了一种诸如马达、变压器或电感器的装置，其利用叠片堆，其中多个至少部分重合的孔穿过该叠片堆并限定多个冷却剂通道。位于叠片堆相对端的歧管构件用于将冷却剂通道连接到合适的冷却剂泵和散热器。公开了多种孔设计，包括形成直通道的相同尺寸的孔，以及在尺寸、形状和/或位置上变化以形成非轴向通道的孔。
美国专利第7009317号公开了一种利用冷却套的电动马达冷却系统。可以与定子形成过盈配合的冷却套的内表面包括一系列凹槽。凹槽与定子的外表面一起形成冷却管道，冷却剂通过该冷却管道被泵送。
美国专利第7633194号公开了一种用于冷却电动马达的定子叠片堆的系统。每个叠片的外周由向外突出的销阵列限定。冷却套包围叠片堆。向外突出的销与套配合形成冷却空间，冷却剂流过该冷却空间。
美国专利第10128701号公开了一种电动马达冷却系统，其中多个轴向冷却剂通道集成到定子中，优选地在定子齿内。每个轴向冷却剂通道的轴线平行于定子的圆柱形轴线。集成到定子中的冷却剂歧管组件将定子内的冷却剂通道流体联接到冷却剂源。
虽然有多种技术可用于冷却电动车辆的马达，但这些技术通常仅提供有限的热量提取。因此，需要一种有效的冷却系统，该冷却系统可以与高性能电动车辆中常用的高功率密度、紧凑的电动马达一起使用。本发明提供了这样一种冷却系统。
发明内容
本发明提供了一种电动马达冷却系统，包括(i)定子，其包括具有第一外径的第一块体定子部分和具有第二外径的第二块体定子部分，其中第一和第二块体定子部分各自包括多个槽和多个定子齿，多个定子齿与多个槽交替；(ii)集成到第一块体定子部分中的第一多个轴向冷却剂通道，其中对应于第一多个冷却剂通道中的每个的轴线平行于定子的圆柱形轴线；(iii)集成到第二块体定子部分中的第二多个轴向冷却剂通道，其中对应于第二多个轴向冷却剂通道中的每个的轴线平行于定子圆柱形轴线；(iv)集成到定子中并位于第一和第二块体定子部分之间的冷却剂歧管，该冷却剂歧管包括：(a)具有第三外径的中间歧管构件，其中第三外径小于第一和第二直径；(b)第一过渡构件，其具有第四外径，并且介于中间歧管构件和第一块体定子部分之间，其中第四外径大于第三直径，其中第一过渡构件包括第一多个冷却剂分配通道，每个通道包括与第一多个轴向冷却剂通道中的每个流体连通的第一部分和延伸超过中间歧管构件的外周的第二部分，并且其中流入冷却剂歧管的冷却剂流过中间歧管构件的外周并经由第一多个冷却剂分配通道中的每个的第一和第二部分流入第一多个轴向冷却剂通道；以及(c)第二过渡构件，其具有第五外径，并且介于中间歧管构件和第二块体定子部分之间，其中第五外径大于第三直径，其中第二过渡构件包括第二多个冷却剂分配通道，每个通道包括与第二多个轴向冷却剂通道中的每个流体连通的第一部分和延伸超过中间歧管构件的外周的第二部分，并且其中流入冷却剂歧管的冷却剂流过中间歧管构件的外周并经由第一多个冷却剂分配通道中的每个的第一和第二部分流入第二多个轴向冷却剂通道。
在一方面，第一块体定子部分、第二块体定子部分、中间歧管构件、第一过渡构件和第二过渡构件可各自包括至少一个键槽特征，这些键槽特征在定子和冷却剂歧管组装之后对准。
在另一方面，第一块体定子部分、第二块体定子部分、中间歧管构件、第一过渡构件和第二过渡构件每个都包括多个等距离间隔的键槽特征，这些键槽特征在定子和冷却剂歧管组装之后对准。
在另一方面，第一和第二过渡构件的外边缘每个都是连续的圆形。
在另一方面，除了包括向外延伸并远离边缘的至少一个键槽特征之外，第一和第二过渡构件的外边缘均为连续的圆形。
在另一方面，中间歧管构件可以包括键槽对准特征，并且其中(i)第一过渡构件包括冷却剂切口，其中流入歧管的一部分冷却剂流过中间歧管构件的外周，并且经由冷却剂切口和经由第一多个冷却剂分配通道的子集中的每个的第一和第二部分流入第一多个轴向冷却剂通道的子集中；以及(ii)第二过渡构件包括冷却剂切口，其中流入歧管的一部分冷却剂流过中间歧管构件的外周，并经由冷却剂切口以及经由第二多个冷却剂分配通道的子集中的每个的第一部分和第二部分流入第二多个轴向冷却剂通道的子集中。优选地，第一和第二过渡构件中的冷却剂切口不延伸到过渡构件的外边缘。
在另一方面，中间歧管构件可以包括多个中间构件冷却剂通道，这些通道与第一多个轴向冷却剂通道对准，并且与第二多个轴向冷却剂通道对准。
在另一方面，第一过渡构件可以与第二过渡构件相同。
在另一方面，第一外径可以等于第二外径，第四外径可以等于第五外径。第一外径可以等于第四外径。
在另一方面，第一和第二过渡构件每个都包括至少一个冲压叠片。
在另一方面，第一块体定子部分、第二块体定子部分、中间歧管构件、第一过渡构件和第二过渡构件每个都包括至少一个冲压叠片，其中冲压叠片优选地由钢制成并且涂覆有一层电绝缘材料。
在另一方面，第一块体定子部分、第二块体定子部分、中间歧管构件、第一过渡构件和第二过渡构件焊接在一起以形成单个结构。
在另一方面，第一块体定子部分、第二块体定子部分、中间歧管构件、第一过渡构件和第二过渡构件结合在一起以形成单个结构。
通过参考说明书的剩余部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
应该理解的是，附图仅仅是为了说明而不是限制本发明的范围，并且不应该被认为是成比例的。此外，不同附图上的相同附图标记应该被理解为表示相同的部件或类似功能的部件。
图1示出了根据现有技术的定子叠片的一部分，该视图示出了集成到定子中的多个轴向冷却剂通道的位置；
图2提供了利用现有技术描述的冷却系统的电动马达的简化剖视图；
图3示出了定子组件块体中使用的轴向冷却剂通道的优选构造，该图提供了定子叠片的端视图；
图4示出了定子叠片的一部分，该视图示出了完全位于定子齿内的轴向冷却剂通道；
图5示出了定子叠片的一部分，该视图示出了完全位于定子轭内的轴向冷却剂通道；
图6示出了定子叠片的一部分，该视图示出了部分位于定子轭内且部分位于定子齿内的轴向冷却剂通道；
图7示出了外部定子叠片的一部分，该视图示出了外部叠片内的小冷却剂通道覆盖位于下方叠片内的较大冷却剂通道；
图8示出了外部定子叠片的一部分，该视图示出了在外部叠片中的大冷却剂通道覆盖下方叠片的冷却剂通道，两个通道的重叠最小；
图9示出了定子组件的一部分，该视图突出显示了用于产生从定子排出的冷却剂微射流的重叠冷却剂通道；
图10提供了图9所示的重叠冷却剂通道的详细视图；
图11提供了利用端部定子叠片的电动马达的简化剖视图，该端部定子叠片被设计成限制从集成到定子中的轴向冷却剂通道喷出的冷却剂流动；
图12提供了利用双端定子叠片的电动马达的简化剖视图，该双端定子叠片被设计成限制和引导从集成到定子中的轴向冷却剂通道喷出的冷却剂流动；
图13提供了包括诸如图12所示定子组件的定子的叠片堆的透视图；
图14提供了根据本发明的中间歧管构件的端视图；
图15提供了图14所示的中间歧管构件的透视图；
图16提供了根据本发明的过渡叠片构件的端视图；
图17提供了图16所示的过渡叠片构件的透视图；
图18提供了叠片堆的一部分的透视图，该视图示出了中间歧管构件、左和右过渡叠片构件以及块体叠片堆的一部分；
图19提供了与图18相同的视图，除了移除了左过渡叠片构件；以及
图20提供了图18所示的叠片堆的一部分的详细透视图。
具体实施方式
如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。这里使用的术语“包括”、“包含”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。如本文所用，术语“和/或”和符号“/”旨在包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。此外，虽然术语第一、第二等可能在这里用来描述各种步骤或计算，这些步骤或计算不应被这些术语限制，而是这些术语仅仅被用来将一个步骤或计算与另一个步骤或计算区分开来。例如，第一计算可以称为第二计算，类似地，第一步骤可以称为第二步骤，类似地，第一部件可以称为第二部件，所有这些都不脱离本公开的范围。
本文描述和图示的电动马达和冷却系统通常适用于任何高性能电动马达，并且特别适用于使用电力牵引电动马达的车辆，例如电动车辆(EV)。在下文中，术语“电动车辆”和“EV”可以互换使用，并且可以指全电动车辆、插电式混合动力车辆(也称为PHEV)或混合动力车辆(也称为HEV),其中混合动力车辆利用包括电驱动系统在内的多个推进源。
电动马达通常由于铁芯损耗而在叠片中产生热量，并且由于涡流而在块体导体中产生热量。然而，由于阻性铜损耗，大部分损耗产生在定子绕组中。一种从定子散热的常用方法是通过使用冷却套，例如水套，其位于定子叠片周围。不幸的是，这种方法允许热点发展，因为它不能有效地冷却定子端部绕组，因为套没有放置在足够靠近主热源即定子绕组的地方。
一种已被证明能有效缓解马达端部发热问题的技术是将冷却剂(例如油)溅到定子端部绕组和转子端环上。通过将该技术与如上所述的冷却套相结合，可以在运行的电动马达中实现显著的温度下降。不幸的是，即使这种冷却系统的组合仍然会允许热点在马达轴向方向的中间形成，在此处，冷却套和溅在马达端部的冷却剂都没有足够近以有效地从这些区域散热。此外，通过组合两个独立的冷却子系统，例如外部水套和包括泵的油系统，整个系统的复杂性显著增加，导致制造成本增加和可靠性降低。
另一项显著降低马达温度(尤其是定子内温度)的技术是使用集成在定子内的薄轴向冷却通道。图1示出了这种方法，该图示出了定子101的一部分。轴向冷却剂通道103集成在定子101内。在该示例性构造中，轴向冷却剂通道103位于定子齿105内，并且定位在槽107之间和附近。因为定子中的主热源是绕组，所以将冷却剂通道103定位在齿中提供了从马达组件散热的非常有效的手段。不幸的是，在离开轴向冷却剂通道时，冷却剂的速度显著降低。由于速度降低，流出冷却剂通道103的冷却剂遵循重力流动模式，从而优先冷却冷却通道下方的定子绕组的端部。
图2提供了利用现有技术描述的冷却系统的电动马达的简化截面图。如图所示，冷却剂201被泵入包括定子203的叠片堆的中心或近似中心。冷却剂经由轴向冷却剂通道207从中心向外流向定子的两端205/206。当冷却剂离开定子时，重力流优先引导冷却剂经过绕组209的端部，该端部位于轴向冷却剂通道207的出口孔下方。冷却剂然后穿过马达壳体211并被收集在冷却剂盘213中。在离开冷却剂盘213之后，优选在通过过滤器217之后，使用泵215将冷却剂泵送回定子。热交换器219优选用于从冷却剂中提取多余的热量。如图2所示，现有技术方法会导致定子绕组端部的不均匀冷却，优先冷却下端绕组部分。定子绕组端部的不均匀冷却是冷却剂离开轴向冷却剂通道端部时冷却剂速度显著降低的结果。由于冷却剂速度的降低，冷却剂在离开冷却剂通道时遵循重力流动模式。结果，离开定子端部的冷却剂不会均匀地流过所有绕组的端部。
本发明利用定子集成的轴向冷却剂通道，例如在共同转让的美国专利第10128701号中公开的那些通道，该专利的公开内容出于任何和所有目的结合在此。为了克服上述的不均匀冷却，本发明利用了定子端部叠片，该定子端部叠片包括冷却剂通道，该冷却剂通道与定子集成的轴向冷却剂通道流体连通，但该冷却剂通道构造成限制离开冷却剂通道的冷却剂的流动。由于这种限制，离开定子集成冷却剂通道的冷却剂经历速度增加，这引导冷却剂流出并远离定子，从而均匀地冲击定子绕组的端部。
图3示出了用于本发明的定子组件中的轴向冷却剂通道的优选构造，该图提供了叠片300的端视图。在所示实施例中，轴向冷却剂通道301位于定子槽303之间，并且优选地部分位于定子齿305内。叠片300优选地包括一个或多个特征307，这里称为键槽，其用于在定子组装期间简化叠片堆的对准，并确保冷却剂通道301在整个叠片堆中对准。在优选的定子设计中，六个键槽307围绕叠片堆的周边等距离间隔。除了简化堆对准之外，键槽307也可以在最终组装过程中使用，例如提供用于将堆叠片焊接或结合在一起的连续表面。
通常，位于定子块体内的轴向冷却剂通道(例如冷却剂通道301)的尺寸、位置和形状从电磁、热和结构的角度针对特定应用(例如EV牵引马达)、马达(例如尺寸、输出、占空比等)进行优化和所述的冷却系统(例如冷却剂特性、热交换器特性等)。还考虑了冷却通道的可制造性，例如确保冷却通道的尺寸和形状适合使用合适的制造工具。应当理解，本发明的轴向冷却通道可利用多种形状中的任何一种，例如大致矩形、椭圆形、三角形、圆形等。大致矩形和三角形冷却通道的拐角可以是圆形的或不是圆形的，如果是圆形的，圆角的曲率半径可以被优化。此外，定子内的轴向冷却剂通道可位于定子齿内、定子轭内，或者定位成使得每个冷却剂通道的一部分部分位于轭内，部分位于齿内。图4-6示出了这些冷却剂通道的位置。在图4中，示出了定子的一部分400，其中轴向冷却剂通道401位于定子的每个齿403内。在图5中，示出了定子的一部分500，其中轴向冷却剂通道501完全位于定子轭503内。在图6中，示出了定子的一部分600，其中轴向冷却剂通道601部分位于定子齿603内，部分位于定子轭605内。当冷却剂通道完全或部分位于定子齿内时，每个冷却剂通道的最内侧边缘(例如通道边缘405)位于距内齿边缘(例如齿边缘407)足够远的位置，以确保齿的结构完整性，并保持足够低的磁饱和。虽然不是必需的，但优选地，在定子齿和轴向冷却剂通道之间存在一对一的对应关系，从而简化制造并确保均匀冷却。
电动马达随着机械负载的增加而发热，从而在定子绕组中产生电流。定子绕组中的电阻损耗PW可通过下式近似计算：
PW＝(Iph 2)(Rdc),
其中，Iph为相电流，Rdc为DC电阻。Rdc取决于绕组中所用导线的横截面和长度以及电阻率ρ。电阻率ρ取决于温度T。如果温度T变化不大，可使用如下所示的线性近似值来确定电阻率。具体来说：
ρ(T)＝ρ0[1+α(T–T0)],
其中，α是电阻率的温度系数，T0是固定的参考温度(通常为室温)，ρ0是温度T0时的电阻率。参数α是根据测量数据拟合的经验参数。在铜中，α为0.003862K-1。
构成定子组件的钢叠片产生取决于材料特性以及功率逆变器电源的磁通密度和频率的磁芯损耗。这些损耗以及其他马达机械和电气损耗会增加系统的热量，导致运行中的马达温度升高。
优选地，齿中磁通量的饱和度保持在最佳水平，使得马达的电磁转矩最大化。这个目标可以通过一起优化定子槽(例如图3中的槽303)和定子叠片块体内的轴向冷却剂通道(例如图3中的冷却剂通道301)来实现。发明人已经发现，这种优化通常导致槽宽减小，导致铜减少和定子电阻增加。如下所示，定子电阻的增量增加可以通过温度下降来克服，这允许电阻下降。
从热的观点来看，包含在定子块体内的轴向冷却剂通道被优化，以最小化冷却剂通道的冷却剂润湿区域和每个通道的冷却剂入口部分之间的热阻。对于给定的散热量，热阻越低，马达内的温度就越低。热阻Rth与浸湿面积A和传热系数αht相关，可通过下式计算：
Rth＝1/(A·αht)。
单通道提取的热量Q可表示为：
Q＝(Twall–Tinlet)/Rth，
其中，Twall和Tinlet分别代表通道的冷却剂润湿区域的平均温度和冷却通道入口部分的平均冷却剂温度。这个等式可以改写为：
Q＝A·αht·(Twall–Tinlet)。
因此，降低马达内部温度的关键是最大化量A·αht，从而最小化热阻。传热系数αht的值取决于冷却剂内发生的传热机制，即传导和对流。传导源于冷却剂的热性质，特别是冷却剂的导热性。假设流过轴向冷却通道的冷却剂与叠片堆和铜端部绕组直接接触，优选地，冷却剂既不导电也不具有腐蚀性。在本发明的至少一个实施例中，具有高介电强度的马达或传动油用作冷却剂。
热量提取的对流机制取决于轴向冷却剂通道内的流体运动状态。通道内的流体运动取决于雷诺数Re，Re代表与流动冷却剂相关的惯性力和粘性力之间的比率，由下式给出：
Re＝(ρ·ν·D)/μ，
其中，ρ为冷却剂密度，ν为在通道横截面上测得的平均冷却剂速度，D为水力直径，μ为冷却剂动力粘度。对于低雷诺数，通常小于2300，冷却剂状态为层流，主要传热机制为传导。对于通常大于4000的高雷诺数，冷却剂状态是湍流的。在这种情况下，冷却剂内出现的波动增加了混合，从而通过对流产生额外的热传递机制。对于大于2300且小于4000的雷诺数，冷却剂状态处于过渡状态。
水力直径D定义为：
D＝4(Asec/Psec)，
其中，Asec是横截面积，Psec是冷却剂通道横截面的湿周长。如前所述，为了降低马达温度，应最大化量A·αht，优选通过最大化冷却剂润湿面积A和取决于流体状态的传热系数αht。传热系数的表达式可以方便地写成努塞尔数Nu、普朗特数Pr和通道长度L与水力直径D之比。通常采用无量纲形式：
Nu＝F(Pr,Re,L/D…)。
努塞尔数和普朗特数定义如下：
Nu＝αht·(D/k),以及
Pr＝Cp·(μ/k),
其中，Cp是冷却液的比热，k是冷却液的热导率，μ是冷却液的动力粘度。
因此，从上面可以清楚地看出，有许多因素影响应用于特定马达的块体定子轴向冷却剂通道的特定设计；这些因素包括冷却剂润湿面积A、传热系数αht、通道的拓扑结构和尺寸以及质量流率。在本发明的优选实施例中，块体定子轴向冷却剂通道具有大致矩形的形状，通道宽度和高度之间的纵横比约为1:5。优选的块体定子轴向冷却剂通道具有约0.8毫米×4毫米的尺寸。
如上所述，定子叠片堆的最外面叠片利用轴向冷却剂通道，该通道构造成限制冷却剂流过定子。限制冷却剂流出定子增加了冷却剂速度，从而形成从定子两端排出的冷却剂微射流。在优选实施例中，离开定子的冷却剂相对于最外面叠片的平面表面以约90度的角度向外引导，从而确保冷却剂均匀地冲击端部绕组。假设区域为圆形，冷却剂通道的受限区域的尺寸虽然取决于块体定子轴向冷却剂通道的尺寸，但通常直径在0.2mm至1mm的范围内。如果限制性区域是椭圆形的或形成为一些其它非圆形形状，通常它们具有0.03mm2至0.8mm2范围内的面积。
限制冷却剂流出定子的一种方法是利用小孔作为出口冷却剂通道，其中这些小孔与下面的轴向冷却剂通道重叠，如图7所示。图7提供了示例性定子组件700的一部分的端视图。下面的块体定子轴向冷却剂通道701以虚线示出。出口孔703，即形成在外部定子叠片705中的冷却剂通道，直接覆盖下面的块体定子轴向冷却剂通道701。
虽然如图7所示在最外面的叠片中形成小的冷却剂通道的方法是形成本发明的冷却剂微射流的一种方法，但由于最外面的冷却剂通道(例如通道703)的小尺寸，这种方法难以制造。因此，在优选实施例中，在最外面的定子叠片上形成的通道相对较大，然而，这些通道被定位成使得它们与下面的冷却剂通道仅具有最小的重叠，从而形成期望的限制性通道。图8提供了示例性定子组件800的一部分的端视图，示出了形成冷却剂微射流的这种方法。最外面的定子叠片801包括冷却剂通道803。制造在最外面的叠片801中的冷却剂通道803与下面的冷却剂通道805重叠，重叠由标记807表示。在该图中，下面的冷却剂通道805以虚线示出。由于这种构造，当冷却剂穿过限制性重叠区域，即区域807时，经由通道805流过定子块体的冷却剂将经历速度的增加，从而产生被引导出并远离定子的冷却剂的微射流。
使用重叠的冷却剂通道来产生如上相对于图8所述的小的限制性冷却剂通道会影响冷却剂从定子喷出的方向，这是由于当冷却剂流过块体轴向冷却剂通道805并离开最外面的通道803的受影响的表面时，冷却剂经历了表面反射。由于这种现象，冷却剂离开定子组件的方向部分取决于最外面的叠片(例如图8中的叠片801)的厚度。
虽然当冷却剂从定子排出时限制冷却剂的流动增加了冷却剂的流动速度，从而产生冷却剂微射流并克服重力流和粘附力，但应该理解的是，冷却剂流动的方向根据冷却剂通道位置、最外层叠片的叠片厚度等可能适合也可能不适合特定的马达设计。因此，在至少一个实施例中，发明人发现，为了有效地冷却定子端部绕组，引导冷却剂微射流是理想的。为了将来自定子组件的冷却剂流引导到期望的方向，在至少一个实施例中，该方向是大致垂直于最外面叠片的表面平面的方向，发明人已经发现使用两个外部叠片是优选的。图9提供了定子叠片堆900的透视图，该定子叠片堆900使用一对外部叠片901和903来限制冷却剂流并将排出的冷却剂微射流引导至期望的方向。在图9中，为了更好地说明本发明，只有部分外叠片901和903是可见的。在该实施例中，包括定子的部分907即定子块体的叠片905堆利用轴向冷却剂通道909。冷却剂通道909利用与图3所示的通道301相同的通道设计。第一外部叠片901，即直接邻近叠片905堆的叠片，利用大的冷却剂通道911。如上关于图8所述，冷却剂通道911仅与下面的通道909少量重叠，以便产生限制性通道913。第二外部叠片903，即包括定子的最外部叠片，包括多个通道915。在该实施例中，叠片903包括与形成定子块体907的叠片905相同的冷却剂通道图案和冷却剂通道形状/尺寸。这样，通道915与通道911重叠。限制冷却剂流动的叠片901和引导冷却剂流动的叠片903的组合产生了一系列微射流，这些微射流相对于叠片903的平坦表面以大约90度的角度从定子叠片900的端部排出。图10提供了包括在叠片905、第一外部叠片901和第二外部叠片903中的重叠冷却剂通道的更详细视图。
应该理解的是，可以使用不同形状和尺寸的轴向冷却剂通道来实现上面相对于图9描述的双外部叠片的使用。然而，上面提供的设计还通过限制制造定子所需的不同叠片设计的数量来优化马达的可制造性，从而优化制造效率，即冲压效率。例如，通道911服务于双重目的。通道911的下部被设计成与定子通道915重叠到根据需要限制冷却剂流动的程度，而通道911的上部被设计成提供冷却剂进入定子通道的通道，如下面详细描述。此外，在该实施例中，相同的叠片设计用于块体叠片905和最外面的叠片903，因此允许该设计也用于双重目的。
为了实现最佳的散热，优选地，冷却剂(例如非腐蚀性、非导电的油)被供给到叠片堆的中心，而不是供给到叠片堆的一端。进入堆的中心允许更短的冷却通道，即堆的左部和右部，而不是贯穿整个堆，因此提供了更高的平均传热系数和改进的冷却。此外，向堆中心供给允许冷却在堆的中间开始，在那里热量被截留并且通常出现热点。
图11和12提供了利用本文所述冷却系统的示例性电动马达的简化截面图。图11所示的实施例在单个最外面的叠片内使用冷却剂通道，例如图8所示的那些，以产生当冷却剂从集成到定子中的轴向冷却剂通道喷射时形成的冷却剂微射流。图12中所示的实施例使用一对最外面的叠片内的冷却剂通道，例如图9和10中所示的那些，来产生和引导当冷却剂从集成到定子中的轴向冷却剂通道喷射时形成的冷却剂微射流。
在图11中，冷却剂1101被泵入包括定子1103的叠片堆的中心或近似中心。冷却剂经由块体定子轴向冷却剂通道1109在朝向定子端部1107的方向1105上从中心向外流动。在至少一个实施例中，块体定子轴向冷却剂通道1109类似于图8所示的冷却剂通道805。在离开块体轴向冷却剂通道1109时，冷却剂穿过形成在定子端部叠片1113中的冷却剂通道1111。如之前在描述图8时所述，由于通道1109和1111(即区域1115)之间的最小重叠，限制导致从定子喷射的冷却剂的速度增加。喷射的冷却剂速度的增加克服了重力流动模式，从而有助于确保喷射的冷却剂冲击定子端部绕组(为清楚起见未示出)。在冷却端部绕组之后，冷却剂穿过马达壳体1117并被收集在冷却剂盘1119中。在通过热交换器1121之后，并且优选地在通过过滤器1123之后，使用泵1125将冷却剂泵送回定子。
图12中所示的实施例类似于图11中所示的实施例，除了该实施例包括如上关于图9和10所述的双外部叠片1201和1203。如在先前的实施例中，从块体定子轴向冷却剂通道1109流出的冷却剂1101首先穿过形成在定子端部叠片1201中的冷却剂通道1205，其中叠片1201和通道1205与叠片1113和通道1111相似或相同。由于通道1109和1205(即区域1207)之间的最小重叠，限制导致从定子喷射的冷却剂的速度增加。接下来，冷却剂穿过包括在第二端部叠片1203中的通道1209。优选地，通道1209与用于块体叠片中的通道1109相同。如上所述，在制造成端部叠片1203的通道1209和制造成端部叠片1201的通道1205之间有最小的重叠，即区域1211。端部叠片1203中的通道1209引导由第一端部叠片1201中的通道1205产生的微射流的流动。双外叠片1201/1203中的两个通道1205和1209的组合既产生又引导冲击端部绕组的冷却剂微射流。如在前面的实施例中，在该优选实施例中，在冷却端部绕组之后，冷却剂1101穿过马达壳体1117，被收集在冷却剂盘1119中，穿过过滤器1123，并由泵1125泵送穿过热交换器1121。
图13提供了叠片堆1300的透视图，例如图12中所示的叠片堆，该组件包括双外部叠片，例如上面关于图9和10描述的那些。应当理解，在该简化视图中，构成叠片堆的各个叠片不是单独可见的。此外，在该图中没有示出定子绕组，因此可以更好地观察各个定子齿1301。应该理解的是，由于该视图不包括最外面的叠片的剖视图，所以块体轴向冷却剂通道例如图9中的冷却剂通道909是不可见的。在该图中，只有制造在最外面的叠片1305中的通道1303是可见的。应当理解，除了本文所述的块体和外部叠片的轴向冷却通道以及冷却剂歧管设计之外，定子的设计和制造是众所周知的，因此将不提供详细描述。此外，应该理解的是，下文所述和图13所示的冷却剂歧管同样适用于利用单个微射流形成外部叠片的定子组件，例如图7和图8所示以及上文所述的设计。
通常，定子组件1300由一堆板构成，通常称为叠片，其中每个板与相邻的板电绝缘。这些板通常由单片材料(例如钢)冲压或以其他方式制成。为了实现电绝缘，每个板的两个表面都涂有电绝缘层。电绝缘涂层可以在板的制造之前或之后施加，例如在冲压之前或之后。因为每个板包括一层或多层电绝缘材料，所以在涂覆之后，板通常被称为层压板或叠片，板堆通常被称为叠片堆。在堆组装之后，绕组围绕定子齿设置。
冷却剂歧管1311结合到定子中，并且位于叠片堆的左部1307和右部1309之间。冷却剂歧管1311联接到定子冷却剂入口，例如图11和12所示的冷却剂入口1127。冷却剂被泵送通过入口1127并进入歧管1311，然后歧管将冷却剂分配到所有的块体轴向冷却剂通道，这些通道在该图中不可见，但与图3中所示的冷却剂通道301相似或相同。通过将歧管定位在定子中心或其附近，冷却剂从定子中心向外泵送到定子组件的两端。歧管1311连接并密封到入口1127，使得通过入口1127泵送的冷却剂围绕歧管1311的整个周边流动。通过密封歧管的入口，冷却剂被迫通过歧管进入所有的块体轴向冷却通道。
在优选的定子设计中，包括定子组件的每个叠片包括至少一个键槽1313。更优选地，如图所示，每个定子叠片包括多个围绕叠片周边等距离间隔的键槽。键槽1313有多种用途。首先，键槽1313允许定子叠片容易组装，同时保持轴向冷却剂通道的对准，以确保冷却剂不间断地流过通道。第二，键槽1313提高了整个叠片堆1300的刚度。第三，键槽1313提供了将堆焊接或结合在一起的便利区域。
图14和15分别提供了位于歧管1311中心或近似中心的中间歧管构件1400的端视图和透视图。中间歧管构件1400优选由多个单独的、相同的叠片构成。构件1400的外径1401小于其余定子叠片的外径。然而，优选地，构件1400包括键槽1313。尽管不是必需的，但优选地，构件1400还包括与在整个定子中使用的块体轴向冷却剂通道相同的图案，例如通道301。包括在中间歧管构件1400中的轴向冷却剂通道确保该构件不会形成热点。
图16和17分别提供了位于中间歧管构件1400任一侧的过渡构件1600的端视图和透视图。图18提供了叠片堆1300的一部分的透视图，该视图分别示出了右叠片部分1309、中间歧管构件1400以及左和右过渡叠片构件1600A和1600B。图19提供了与图18相同的视图，除了移除了左过渡叠片构件1600A。图20提供了图18所示的叠片堆的一部分的详细透视图。
过渡叠片构件1600A和1600B包括与在块体左和右叠片堆部分1307和1309中使用的轴向冷却剂通道301相同的图案和构造。通道301与冷却剂分配通道1601流体连通，即通道301和通道1601之间没有屏障。如图19所示，每个冷却剂分配通道1601的一部分1901延伸超过中间歧管构件1400的周界。由于这种设计，流入歧管1311的冷却剂经由部分1901流入分配通道1601，然后流入轴向冷却剂通道301。
由于在中间歧管构件1400上包括键槽1311，优选地，过渡叠片构件包括冷却剂切口1603，其确保构件的该区域中的冷却剂分配通道1601A-1601C接收冷却剂。因此，切口1603配置成确保制造在中间歧管构件1400中的键槽1313不会干扰冷却剂流入制造在过渡叠片构件中的冷却剂分配通道，并且因此不会干扰冷却剂流入轴向冷却剂通道301。切口1603还允许过渡构件保持包括键槽1313的连续、不间断的外周。
中间歧管构件1400以及过渡叠片构件1600优选使用与整个叠片堆中使用的叠片构件相同的工艺制造，例如冲压。
已经概括地描述了系统和方法，以帮助理解本发明的细节。在一些情况下，没有具体示出或详细描述公知的结构、材料和/或操作，以避免模糊本发明的方面。在其他情况下，为了提供对本发明的全面理解，已经给出了具体细节。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以其他特定形式实施，例如以适应特定的系统或设备或情况或材料或部件。因此，本文的公开和描述旨在说明而非限制本发明的范围。

Claims (18)

1.一种电动马达冷却系统，包括：
定子，其包括第一块体定子部分和第二块体定子部分，其中第一外径对应于所述第一块体定子部分，第二外径对应于所述第二块体定子部分，其中，所述第一块体定子部分和所述第二块体定子部分各自包括多个槽和多个定子齿，其中，所述多个定子齿与所述多个槽交替；
集成到所述第一块体定子部分中的第一多个轴向冷却剂通道，其中对应于所述第一多个轴向冷却剂通道中的每个的轴线平行于对应于所述定子的圆柱形轴线；
集成到所述第二块体定子部分中的第二多个轴向冷却剂通道，其中对应于所述第二多个轴向冷却剂通道中的每个的轴线平行于对应于所述定子的所述圆柱形轴线；
集成到所述定子中并位于所述第一块体定子部分和所述第二块体定子部分之间的冷却剂歧管，所述冷却剂歧管包括：
中间歧管构件，其中第三外径对应于所述中间歧管构件，其中，所述第三外径小于所述第一直径，并且其中，所述第三外径小于所述第二直径；
介于所述中间歧管构件和所述第一块体定子部分之间的第一过渡构件，其中第四外径对应于所述第一过渡构件，其中，所述第四外径大于所述第三直径，所述第一过渡构件包括第一多个冷却剂分配通道，其中，所述第一多个冷却剂分配通道中的每个的第一部分与所述第一多个轴向冷却剂通道中的每个流体连通，并且所述第一多个冷却剂分配通道中的每个的第二部分延伸超过所述中间歧管构件的外周，其中流入所述冷却剂歧管的冷却剂流过所述中间歧管构件的所述外周，并且经由所述第一多个冷却剂分配通道中的每个的所述第一部分和所述第二部分流入所述第一多个轴向冷却剂通道；以及
介于所述中间歧管构件和所述第二块体定子部分之间的第二过渡构件，其中第五外径对应于所述第二过渡构件，其中，所述第五外径大于所述第三直径，所述第二过渡构件包括第二多个冷却剂分配通道，其中，所述第二多个冷却剂分配通道中的每个的第一部分与所述第二多个轴向冷却剂通道中的每个流体连通，并且所述第二多个冷却剂分配通道中的每个的第二部分延伸超过所述中间歧管构件的所述外周，其中流入所述冷却剂歧管的所述冷却剂流过所述中间歧管构件的所述外周，并且经由所述第二多个冷却剂分配通道中的每个的所述第一部分和所述第二部分流入所述第二多个轴向冷却剂通道。
2.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件均包括至少一个键槽特征，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件的所述至少一个键槽特征在组装所述定子和冷却剂歧管之后对准。
3.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件均包括多个键槽特征，其中，所述多个键槽特征围绕所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件中的每个等距间隔开，并且其中，所述多个键槽特征在组装所述定子和冷却剂歧管之后对准。
4.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，对应于所述第一过渡构件的第一外边缘是连续的圆形，对应于所述第二过渡构件的第二外边缘是连续的圆形。
5.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，除了向外延伸并远离所述第一外边缘的至少一个键槽特征之外，对应于所述第一过渡构件的第一外边缘是连续的圆形，并且其中除了向外延伸并远离所述第一外边缘的至少一个键槽特征之外，对应于所述第二过渡构件的第二外边缘是连续的圆形。
6.根据权利要求5所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分和所述中间歧管构件每个都包括至少一个键槽特征，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件的所述至少一个键槽特征在组装所述定子和冷却剂歧管之后对准。
7.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，所述中间歧管构件还包括键槽对准特征；
其中，所述第一过渡构件还包括第一冷却剂切口，其中流入所述歧管的冷却剂的第一部分流过所述中间歧管构件的所述外周，并经由所述第一冷却剂切口和经由所述第一多个冷却剂分配通道的子集的每个的所述第一部分和所述第二部分流入所述第一多个轴向冷却剂通道的子集；并且
其中，所述第二过渡构件还包括第二冷却剂切口，其中流入所述歧管的第二部分冷却剂流过所述中间歧管构件的所述外周，并经由所述第二冷却剂切口以及经由所述第二多个冷却剂分配通道的子集的每个的所述第一部分和所述第二部分流入所述第二多个轴向冷却剂通道的子集。
8.根据权利要求7所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一冷却剂切口不延伸至所述第一过渡构件的外边缘，并且其中，所述第二切口不延伸至所述第二过渡构件的外边缘。
9.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，所述中间歧管构件还包括多个中间构件冷却剂通道，其中，所述多个中间构件冷却剂通道与所述第一多个轴向冷却剂通道对准，并且与所述第二多个轴向冷却剂通道对准。
10.根据权利要求1所述的马达冷却系统，其中，所述第一过渡构件与所述第二过渡构件相同。
11.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一外径等于所述第二外径，并且其中，所述第四外径等于所述第五外径。
12.根据权利要求11所述的马达冷却系统，其中，所述第一外径等于所述第四外径。
13.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一过渡构件包括至少第一冲压叠片，并且其中，所述第二过渡构件包括至少第二冲压叠片。
14.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件均由至少一个冲压叠片构成。
15.根据权利要求14所述的电动马达冷却系统，其中，所述至少一个冲压叠片中的每个由钢制成。
16.根据权利要求15所述的电动马达冷却系统，其中，所述至少一个冲压叠片中的每个涂覆有一层电绝缘材料。
17.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件焊接在一起以形成单一结构。
18.根据权利要求1所述的电动马达冷却系统，其中，所述第一块体定子部分、所述第二块体定子部分、所述中间歧管构件、所述第一过渡构件和所述第二过渡构件结合在一起以形成单一结构。
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