CN115733325A - 一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机 - Google Patents
一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机。轴向磁通电机采用双定子/单转子拓扑，转子拥有内置径向分段磁钢、硅钢片径向叠压的主磁极、离心风机。转子支架支撑主磁极、磁钢和离心风机成为一个转子整体。转子支架外圆周设计的离心风机，提高了主磁极端面、端盖径/轴向通风孔表面的对流换热系数。电枢绕组产生的电枢磁场大部分经过主磁极的表面，从而使分段磁钢免受电枢反应的影响，涡流损耗显著降低。转子集成离心风机与定子封闭浸油循环的混合冷却方案，将定子、转子以及轴承产生热量快速的扩散到外界空气，从而提高了换热效率，实现了电机功率密度、扭矩密度的提高。采用磁钢内置式转子，有利于实现弱磁调速。
Description
技术领域
本发明属于纯能源汽车、混合动力汽车、航空电推领域的电机/发电机领域，具体涉及一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机。
背景技术
传统的轴向磁通电机，一般采用机座或端盖翅片自然冷却或者端盖水冷方案，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。传统轴向磁通电机的转子常常设计成磁钢表贴式，弱磁能力有限，不利于中高速场合使用。
专利[1](一种应用于轴向磁通电机的第一磁钢内置式转子CN214479912U)设计成径向分段、且磁钢内置式的转子，而且主轴设计有双轴流风机。转子背铁(20号钢)产生的涡流损耗在双轴流风机作用下虽然可以排出机壳，但在转子背铁这一实体块上产生巨大的涡流损耗，仍旧是一个难以忽略的问题。
专利[2](一种内置集成双轴流风机的油冷轴向磁通电机CN112383193B)，基于双定子/单转子、转子磁钢表贴式拓扑方案，虽然解决了高功率密度高扭矩密度电机的散热问题，但未充分利用端盖端面的散热空间，而且双轴流风机的布置占用了轴承安装的空间。
专利[3](一种带内置离心风机的自扇冷轴向磁通电机CN112383194B)，基于双定子/单转子、转子磁钢表贴式拓扑方案，特点是在转子背铁分成两半，内部集成离心风机。
专利[4](一种带内置轴流风机的油冷轴向磁通电机CN112491197B)与专利[5](一种带内置轴流风机的自扇冷轴向磁通电机CN2383192B)，基于单定子/双转子、转子磁钢表贴式的拓扑方案，特点是在主轴集成轴流风机，轴流风机位置位于单定子的内圆空腔内，前者应用对象空油混合冷却方案，后者应用对象自扇冷冷却方案。
专利[6](一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机CN112383191B)基于双定子/单转子、转子磁钢表贴式的拓扑方案，特点是在非驱动端布置大型离心风机。
专利[7](一种混合集成离心风机和轴流风机的自扇冷轴向磁通电机CN112491198B)基于单定子/双转子、转子磁钢表贴式的拓扑方案，特点是在驱动端布置大型离心风机、定子内圆周面布置小型轴流风机，构成二级风扇冷却系统。
专利[8](一种集成式风冷轴向磁通电机CN111864966A)基于单定子/双转子、转子磁钢表贴式的拓扑方案，特点是机壳布置多翅片、定子铁芯布置热管、转子斜极技术。
专利[9](一种定子浸油循环冷却且分段电枢的轴向磁通盘式电动机CN107196480A)基于单定子/双转子、转子磁钢表贴式的拓扑方案，特点是定子浸油循环冷却，转子没有布置风扇冷却系统。
专利[10](一种叶轮一体的磁悬浮电机纯风冷散热结构CN206023440U)基于叶轮一体的磁悬浮径向磁通电机的纯风冷散热结构。在一个非驱动端布置离心风扇，从机壳和端盖进风，经定子与机壳间风道、定子轴向通风孔和气隙空气，达到冷却目的。该方案风更多的从靠近非驱动端的机壳进风口以更短的路径进入，导致驱动端的定子和转子部分冷却效果欠佳。
专利[11](一种内置散热的无铁芯盘式电机CN208209735U)基于单定子/双转子拓扑、定子无铁芯的轴向磁通电机，主轴设计有离心风扇，在离心风扇作用下，实现机壳内部空气的内循环流动。专利[12](轴向磁通电机的气流内循环散热结构CN114915104A)基于单定子/单转子、磁钢表贴式、外转子架构，特点是在端盖内侧设置有多片风扇叶片构成内循环散热结构，实现机壳内部空气的循环流动，将热量传导到机壳，由机壳将热量扩散到周围环境。方案[11]-[12]因没有离心风扇的进出风口，无法与外界空气进行热量交换，热量只能传导/对流到机壳来散热，冷却效果欠佳。
专利[13](微散热风扇装置CN101363444A)基于双定子/单转子、磁钢表贴式架构，特点是两组磁钢的中间布置离心风机，定子部分采用平面线圈+无槽导磁背铁结构，转子无转子背铁，机壳设计成带蜗壳的结构。
发明内容
为了克服上述现有专利[1]-[13]技术的缺点，本发明提供一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，降低损耗并提高散热能量。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，采用双定子/单转子拓扑，包括非驱动端定子，驱动端定子，内置式转子，出线盒组件，旋转变压器和机壳；所述内置式转子包括径向分段的第一磁钢和第二磁钢，还包括硅钢片径向叠压的第一主磁极、第二主磁极和离心风机；包括第一转子支架和第二转子之间支撑第一主磁极、第二主磁极、第一磁钢、第二磁钢和离心风机成为一个整体的转子；第一转子支架、第二转子支架的外圆周设置有离心风机；所述非驱动端定子包括非驱动端端盖和非驱动端盖板，所述驱动端定子包括驱动端盖板与驱动端端盖，所述轴向磁通电机的风路分成两支，风分别从非驱动端端盖和驱动端端盖的圆周面的第一进风口和第二进风口吸入，经过非驱动端端盖和驱动端端盖的第一径向通风槽和第一轴向通风孔、第二径向通风槽和第二轴向通风孔、气隙空气，最后从机壳通风口流出。
进一步地，所述离心风机设计有圆弧的离心风机凸台，与第一转子支架的凹槽和第二转子支架的凹槽配合，限制离心风机的切向运动。
进一步地，所述非驱动端定子、驱动端定子和机壳通过第二螺钉固定。非驱动端定子与旋转变压器通过第一螺钉固定。出线盒组件与非驱动端定子和驱动端定子通过第三螺钉固定。
进一步地，所述非驱动端端盖和非驱动端盖板通过第四螺钉固定；所述驱动端盖板与驱动端端盖通过第五螺钉固定。
进一步地，所述第一转子支架与第二转子支架使用第一螺母、第六螺钉固定到主轴上。
进一步地，所述第一主磁极包括第一台阶面、第二台阶面和第一端面凹槽，第一台阶面和第二台阶面与第一转子支架配合，限制第一主磁极的圆周运动。
进一步地，所述第二主磁极包括第三台阶面、第四台阶面和第二端面凹槽，第一台阶面和第二台阶面与第二转子支架配合，限制第二主磁极的圆周运动。
进一步地，还包括第一筋板和第二筋板，所述第一筋板通过第七螺钉固定到第一转子支架上，用于限制第一主磁极的轴向运动；所述第二筋板通过第八螺钉固定到第二转子支架上，用于限制第二主磁极的轴向运动。
进一步地，所述的内置式转子采用四轴承支撑方案，在非驱动端设置有第一推力球轴承和第一深沟球轴承，第一推力球轴承和第一深沟球轴承之间设置有第一轴套；在驱动端设置有第二推力球轴承和第二深沟球轴承，第二推力球轴承和第二深沟球轴承之间设置有第二轴套。
进一步地，所述的带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机根据需要，可扩展为：
a.自扇冷却的轴向磁通电机，即去掉定子的挡油板，只保留转子外圆周的离心风扇以及相关的风路；
b.空水混合冷却的轴向磁通电机，即端盖设计水路，与转子离心风机构成空水混合冷却方案；
c.集成离心风机的表贴式转子，即空油冷却方案基础上，将集成离心风机的内置式转子设计成集成离心风机的表贴式转子；
d.集成二级风扇系统的轴向磁通电机，即转子外圆周集成离心风机且主轴安装双轴流风机。
本发明的有益效果：
(1)从降低损耗方面，转子磁钢两个端面设计有主磁极，电枢磁场主要经过主磁极，少部分经过磁钢，同时转子磁钢采用径向分段、表面涂覆环氧树脂。主磁极代偿了传统表贴式磁钢的位置，电枢磁场在磁钢上产生很少的涡流损耗，从而显著降低了磁钢涡流损耗。电机采用18槽8极分数槽分布绕组电磁方案，降低了绕组端部长度以及绕组磁动势谐波，加之磁钢内置式转子，有利于电机实现弱磁调速。
(2)从提高散热能力方面，采用了转子带内置离心风机设计，风路分成两支风路，风分别从非驱动端端盖和驱动端端盖圆周面的进风口吸入，经过非驱动端端盖和驱动端端盖的径向和轴向通风孔和气隙空气，最后从机壳的通风口流出。在转子离心风机的吸风/排风作用下，外界空气在转子表面按各自的支路快速流动，提高了电机的换热效率、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结构剖面图；
图2为本发明轴向磁通电机的结构爆炸图；
图3为本发明轴向磁通电机的轴侧图；
图4为本发明轴向磁通电机的驱动端端盖结构图；
其中，1为非驱动端定子，2为驱动端定子，3为内置式转子，4为出线盒组件，5为旋转变压器，6a为机壳出风口，6为机壳，7为第一螺钉，8为第二螺钉，9为第三螺钉，101为非驱动端端盖，101a为第一进风口，101b为第一径向通风槽，101c为第一轴向通风孔，102为非驱动端盖板，103为第四螺钉，201为驱动端端盖，201a为第二进风口，201b为第二径向通风槽，201c为第二轴向通风孔，202为驱动端盖板，203为第五螺钉。
图5为本发明轴向磁通电机的内置式转子的平面图；
图6为本发明轴向磁通电机的内置式转子的爆炸图；
其中，301为第一推力球轴承，302为第一轴套，303为第一深沟球轴承，304为主轴，305为第一转子支架，305a为第一转子支架的凹槽，306为第一螺母，307为第六螺钉，308为隔磁铝板，309为第七螺钉，310为第一筋板，311为第一铆钉，312为第一主磁极，312a为第一台阶面，312b为第二台阶面，312c为第一端面凹槽，313为第一磁钢，314为离心风机，314a为离心风机叶片，314b为离心风机凸台，315为第二磁钢，316为第二主磁极，316a为第三台阶面，316b为第四台阶面，316c为第二端面凹槽，317为第二铆钉，318为第八螺钉，319为第二筋板，320为第二转子支架，320a为第二转子支架的凹槽，321为第二深沟球轴承，322为第二轴套，323为第二推力球轴承。
图7、图8分别为在本发明的基础上扩展的表贴式转子3的平面图和爆炸图。
其中，324为第一磁钢隔条，325为第九螺钉，326为第一圆环压圈，314c为离心风机内齿凸台，327为转子背铁，327a为离心风机外齿凹台，328为第十螺钉，329为第二圆环压圈，330为第十一螺钉，331为第二磁钢隔条。
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。
下面结合附图对本发明作详细描述。
如图1-图4所示，本发明的一种带离心风机的内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机包括非驱动端定子1，驱动端定子2，内置式转子3，出线盒组件4，旋转变压器5和机壳6。所述非驱动端定子1、驱动端定子2和机壳6通过第二螺钉8固定。非驱动端定子1与旋转变压器5通过第一螺钉7固定。出线盒组件4与非驱动端定子1和驱动端定子2通过第三螺钉9固定。所述非驱动端定子1包括非驱动端端盖101和非驱动端盖板102，两者通过第四螺钉103固定；所述驱动端定子2包括驱动端盖板202与驱动端端盖201，两者通过第五螺钉203固定，生成内部空气流通的密封空间。
所述的轴向磁通电机的风路分成支路一和支路二，支路一从非驱动端端盖101的第一进风口101a吸入，经过非驱动端端盖101的第一径向通风槽101b和第一轴向通风孔101c。经过内置式转子3与非驱动端定子1的气隙空气，最后从机壳6的机壳出风口6a流出。同理，支路二从驱动端端盖201的第二进风口201a吸入，经过驱动端端盖201的第二径向通风槽201b和驱动端端盖201的第二轴向通风孔201c。经过内置式转子3与驱动端定子2的气隙空气，最后从机壳6的机壳出风口6a流出。由此可见，外界空气流过非驱动端端盖101和驱动端端盖201的端面，增大了电机的散热面积以及增加了定子散热的支路。
如图5，图6所示，所述的集成离心风机的内置式转子3包括径向分段的第一磁钢313和第二磁钢315、硅钢片径向叠压的第一主磁极312、第二主磁极316、第一磁钢313、第二磁钢315和离心风机314。第一转子支架305与第二转子支架320支撑第一主磁极312、第二主磁极316、第一磁钢313、第二磁钢315和离心风机314，使用第七螺钉309和第八螺钉318固定成一个转子整体。离心风机314设计有后弯多翅片的离心风机叶片314a和离心风机凸台314b，与第一转子支架的凹槽305a和第二转子支架的凹槽320a配合，限制离心风机314的切向运动。第一转子支架305与第二转子支架320使用第一螺母306、第六螺钉307固定到主轴304上。隔磁铝板308位于第一转子支架305与第二转子支架320的内圈夹层之间，用于降低第一磁钢313和第二磁钢315的漏磁。
所述的第一主磁极312和第二主磁极316分别通过第一铆钉311和第二铆钉317径向压紧固定。第一主磁极312包括第一台阶面312a、第二台阶面312b和第一端面凹槽312c，第一台阶面312a和第二台阶面312b与第一转子支架305配合，限制第一主磁极312的圆周运动。第二主磁极316包括第三台阶面316a、第四台阶面316b和第二端面凹槽316c，第一台阶面316a和第二台阶面316b与第二转子支架320配合，限制第二主磁极316的圆周运动。
第一筋板310通过第七螺钉309固定到第一转子支架305上，用于限制第一主磁极312的轴向运动。第二筋板319通过第八螺钉318固定到第二转子支架320上，用于限制第二主磁极316的轴向运动。所述第一筋板310和第二筋板319用于压紧主磁极，降低主磁极的轴向变形。
所述的集成离心风机的内置式转子3采用四轴承支撑方案，在非驱动端设计有第一推力球轴承301和第一深沟球轴承303，第一推力球轴承301和第一深沟球轴承303之间设计有第一轴套302；在驱动端设计有第二推力球轴承321和第二深沟球轴承323，第二推力球轴承321和第二深沟球轴承323之间设计有第二轴套322。
所述的集成离心风机表贴式转子，在集成离心风机的内置式转子3的基础上进行的扩展，其结构图和爆炸图如图7、图8所示。离心风机内齿凸台314c与转子背铁327的离心风机外齿凹台327a啮合，实现圆周方向的扭矩传递，同时第一圆环压圈326、第二圆环压圈329使用第十螺钉328固定到离心风机314上。使用第九螺钉325和第一磁钢隔条324固定第一磁钢313，使用第十一螺钉330和第二磁钢隔条331固定第二磁钢315。
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 (10)
1.一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：采用双定子/单转子拓扑，包括非驱动端定子，驱动端定子，内置式转子，出线盒组件，旋转变压器和机壳；所述内置式转子包括径向分段的第一磁钢和第二磁钢，还包括硅钢片径向叠压的第一主磁极、第二主磁极和离心风机；包括第一转子支架和第二转子之间支撑第一主磁极、第二主磁极、第一磁钢、第二磁钢和离心风机成为一个整体的转子；第一转子支架、第二转子支架的外圆周设置有离心风机；轴向磁通电机的混合冷却包含内置式转子外圆周集成离心风机和定子封闭浸油循环；轴向磁通电机的电磁结构包含磁钢的内置式转子和18槽8极的双层分数槽分布绕组；所述非驱动端定子包括非驱动端端盖和非驱动端盖板，所述驱动端定子包括驱动端盖板与驱动端端盖，所述轴向磁通电机的风路分成两支，风分别从非驱动端端盖和驱动端端盖的圆周面的第一进风口和第二进风口吸入，经过非驱动端端盖和驱动端端盖的第一径向通风槽和第一轴向通风孔、第二径向通风槽和第二轴向通风孔、气隙空气，最后从机壳通风口流出。
2.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述离心风机设计有圆弧的离心风机凸台，与第一转子支架的凹槽和第二转子支架的凹槽配合，限制离心风机的切向运动。
3.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述非驱动端定子、驱动端定子和机壳通过第二螺钉固定。非驱动端定子与旋转变压器通过第一螺钉固定。出线盒组件与非驱动端定子和驱动端定子通过第三螺钉固定。
4.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述非驱动端端盖和非驱动端盖板通过第四螺钉固定；所述驱动端盖板与驱动端端盖通过第五螺钉固定。
5.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述第一转子支架与第二转子支架使用第一螺母、第六螺钉固定到主轴上。
6.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述第一主磁极包括第一台阶面、第二台阶面和第一端面凹槽，第一台阶面和第二台阶面与第一转子支架配合，限制第一主磁极的圆周运动。
7.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述第二主磁极包括第三台阶面、第四台阶面和第二端面凹槽，第一台阶面和第二台阶面与第二转子支架配合，限制第二主磁极的圆周运动。
8.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：还包括第一筋板和第二筋板，所述第一筋板通过第七螺钉固定到第一转子支架上，用于限制第一主磁极的轴向运动；所述第二筋板通过第八螺钉固定到第二转子支架上，用于限制第二主磁极的轴向运动。
9.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：所述的内置式转子采用四轴承支撑方案，在非驱动端设置有第一推力球轴承和第一深沟球轴承，第一推力球轴承和第一深沟球轴承之间设置有第一轴套；在驱动端设置有第二推力球轴承和第二深沟球轴承，第二推力球轴承和第二深沟球轴承之间设置有第二轴套。
10.根据权利要求1所述的一种带离心风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机，其特征在于：
自扇冷却的所述轴向磁通电机，去掉定子的挡油板，只保留转子外圆周的离心风扇以及风路；
或者空水混合冷却的所述轴向磁通电机，在端盖设计水路，与内置式转子的离心风机构成空水混合冷却结构；
或者在空油冷却的基础上，将集成离心风机的内置式转子设计成集成离心风机的表贴式转子；
或者在内置式转子外圆周集成离心风机且主轴安装双轴流风机形成具有集成二级风扇系统的轴向磁通电机。
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| CN116488420B (zh) * | 2023-03-07 | 2023-10-13 | 扬州科光技术发展有限公司 | 一种抗过载轴向磁通电机 |
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