CN115864741A - 一种电动两轮车气冷轮毂电机 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及轮毂电机的技术领域，具体公开了一种电动两轮车气冷轮毂电机。电动两轮车气冷轮毂电机包括中空的电机本体和填充于电机本体内腔的散热介质，所述散热介质充满所述电机本体内腔使所述电机本体内腔不含有空气，所述电机本体内的散热介质维持在常压所述散热介质包括惰性气体和氢气，所述惰性气体为氦气或氖气。本申请的电动两轮车气冷轮毂电机可用于轮毂电机生产，其具有成本低且散热效果好的优点。
Description
技术领域
本申请涉及轮毂电机的技术领域，更具体地说，它涉及一种电动两轮车气冷轮毂电机。
背景技术
目前，轮毂电机广泛应用在电动两轮车的生产中，在通常情况下，电动两轮车的轮毂电机内部处于完全密闭状态，电机运行期间，轮毂电机通电后，电流通过切割磁感线，通过电磁感应定律产生驱动扭矩，使定子和转子发生相对转动，只要电机通电转动就会使定子铁心处产生热量，这些热量通过热传导的方式，散发到永磁铁、轮毂、毂盖、边盖或轴承本体，最后散发到外界环境。
当电机内部的温升超过永磁铁耐受的温度时，则会导致永磁铁退磁，而永磁铁的耐受温度受永磁铁材质中的化学组分所限制，并且永磁铁产生退磁后不可逆转，导致电机效率降低，耗电量增加，进而导致电机寿命缩短。
发明内容
为了降低电机内部温升，减少永磁铁由于温升出现退磁造成电机寿命缩短的情况，本申请提供一种电动两轮车气冷轮毂电机。
本申请提供的一种电动两轮车气冷轮毂电机采用如下的技术方案：
一种电动两轮车气冷轮毂电机，包括中空的电机本体和填充于电机本体内腔的散热介质，所述散热介质充满所述电机本体内腔使所述电机本体内腔不含有空气，所述电机本体内的散热介质维持在常压，所述散热介质包括惰性气体，所述惰性气体为氦气或氖气。
通过采用上述技术方案，通常情况下，电机本体内腔通常为空气，但空气是热的不良导体，是阻碍电机内部热传导和热扩散的重要因素，且空气的导热系数极低，使电机内部的热量不易散发；
采用惰性气体作散热介质充满在电机本体的内腔中，起到气体导热介质的热传导作用，能够快速的将定子铁心产生的热量传导给轮毂、边盖或毂盖，实现快速散温的效果，有效的降低电机定子的温升，减少永磁铁退磁导致的电机使用寿命降低的情况，提高了电动车的续航里程；
采用氦气或氖气做散热介质时，具有良好的安全性和散热性，能够加快将电机本体内热量向外界传导，降低电机定子的温升造成永磁铁出现退磁的情况。
优选的，所述散热介质还包括氢气，所述惰性气体和氢气的体积比为（0.25-0.5）：（0.75-0.5）。
通过采用上述技术方案，氢气具有导热系数高的特点，氢气与惰性气体共同混合后，改善了单纯使用惰性气体存在价格昂贵的缺点，具有成本低但散热效果好的优点；但氢气本身化学性质不稳定，当氢气与氧气接触时容易产生爆鸣气体，采用惰性气体与氢气混合做散热介质，提高了对电机本体的散热效果的同时，降低了氢气的浓度，即使在电机本体长时间的使用后有外界空气进入电机本体内腔也不会产生爆鸣气体，保证了轮毂电机使用的安全性；
惰性气体和氢气的体积比在（0.25-0.5）：（0.75-0.5）的范围内混合，得到的散热介质处于稳定状态，且热传导效率较高，从而使永磁铁不容易退磁，延长电机的使用寿命。
优选的，所述惰性气体为氦气。
通过采用上述技术方案，氦气为导热系数最大的惰性气体，氦气与氢气混合使用，有利于使电机内部的热量快速散发，同时具有散热效果稳定、成本低的优点。
优选的，所述电机本体包括电机轴和位于电机本体内腔的散热结构，所述电机轴穿设在所述电机本体上，所述散热结构包括穿设在电机轴上的定子支架和安装在定子支架上的多个导流板。
通过采用上述技术方案，电机运行过程中，定子与转子之间发生相对运动，散热结构进一步提高散热介质的散热效果，当散热介质为气体时，散热结构能够对位于电机本体内腔的气体进行扰动，加快气体流动速度，使散热结构对散热介质的散热效果起到倍增作用，降低由于温升导致的永磁铁退磁的情况，提高电机的使用寿命。
优选的，所述定子支架上安装有支撑板，所述支撑板为自四周向中心处逐渐隆起的伞状板，所述电机轴穿设在支撑板的中心，所述支撑板上开设有多个扰流口，多个所述扰流口沿支撑板的圆周方向分布。
通过采用上述技术方案，支撑板为伞状板使支撑板关于电机轴的垂直面倾斜设置，能够最大限度的利用电机内部的有限空间，扰流口开设在支撑板上，最大限度的增加了散热介质绕流的截面积，起到散热效果。
优选的，所述导流板包括用于扰动散热介质的导流部，所述导流部倾斜安装在支撑板上，所述导流部与支撑板之间形成的夹角为锐角。
通过采用上述技术方案，导流板通过固定部固定安装在支撑板上，由于支撑板在电机运行过程中始终保持静止状态，有利于固定部稳定的固定在支撑板上，安全性好；导流部对散热介质起到扰动的效果，在电机运行的过程中，电机轴和固定在电机轴上的定子支架和定子铁心处于静止状态，轮毂和固定在轮毂内周壁的永磁铁发生转动，与轮毂固定连接的边盖和毂盖同时发生旋转，电机高速旋转的过程中，产生高速相对运动，对散热介质具有更强的扰动效果，从而提高散热效果。
导流部倾斜安装在支撑板上，使导流部与支撑板支撑形成夹角，且夹角为锐角，能够扰动散热介质的同时，不易增加轮毂转动时的阻力，保证电机的传动效率和散热效果。
优选的，所述导流部与支撑板之间的夹角为72-80°。
通过采用上述技术方案，支撑板与导流部之间的夹角进一步优选为72-80°，能够最大限度的扰动散热介质，进一步显著提升散热效果同时保证电机的传动效率。
优选的，所述导流板还包括与导流部一体成型的固定部，所述固定部沿支撑板的斜伞面固定连接，所述固定部与支撑板相贴且固定连接，所述导流部通过固定部与支撑板固定连接。
通过采用上述技术方案，导流部通过固定部与支撑板固定连接，保证了导流部与支撑板之间的夹角能够显著提升散热效果的同时，固定部增强了导流部与支撑板之间的连接稳定性，减少导流板从支撑板上脱落的情况，保证电机的正常运行。
优选的，所述电机轴上还安装有多个油封，多个所述油封关于定子支架对称设置，所述电机本体包括转动安装在电机轴上的毂盖和边盖，所述毂盖和边盖均通过油封与电机轴密封连接。
通过采用上述技术方案，通过设置多个油封实现对电机本体的密封效果，减少电机本体内腔的散热介质外泄，同时能够减少外界空气进入电机本体内腔中，保证散热介质具有稳定的散热效果，进而延长电机的使用寿命。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用惰性气体和氢气作散热介质，大幅度提高了热传导效率，从而使永磁铁不容易发生退磁，提高电机的使用寿命。
2、本申请中优选采用散热结构，通过在定子支架上安装导流板，进一步提高了对散热介质的扰动，提高了散热介质在电机本体内腔中扩散效果，进一步提高了散热效果。
附图说明
图1为本申请实施例3的电机本体的剖面示意图。
图2为本申请实施例3的定子支架的结构示意图。
图3是本申请实施例3的导流板的结构示意图。
图4为不同体积比的散热介质的冷却曲线图。
附图标记说明：1、电机本体；11、电机轴；12、散热结构；121、定子支架；1211、支撑板；1212、扰流口；122、定子铁心；123、导流板；1231、导流部；1232、固定部；13、边盖；14、毂盖；15、油封；16、轮毂内圈；17、永磁铁；18、单向注气阀；19、减压平衡阀。
具体实施方式
实施例1.1-1.2
一种电动两轮车气冷轮毂电机，包括电机本体和填充于电机本体内腔的散热介质，散热介质为惰性气体，惰性气体充满电机本体内腔使电机本体内腔不含空气，且惰性气体在电机本体内腔中维持在1个标准大气压，其中，实施例1.1的惰性气体为氦气，实施例1.2的惰性气体为氖气。
实施例2.1-2.4
一种电动两轮车气冷轮毂电机，包括电机本体和填充于电机本体内腔的散热介质，散热介质为惰性气体和氢气，注入的惰性气体与氢气在电机本体内腔中维持在1个标准大气压，使电机本体内腔不含空气，实施例2.1-2.3的惰性气体与氢气的体积比为（0.25-0.5）：（0.75-0.5），实施例2.4的惰性气体与氢气的体积比为0.7:0.3。
其中惰性气体为氦气；
实施例2.1-2.4的惰性气体与氢气的体积比如表1所示。
表1 实施例2.1-2.4的惰性气体与氢气的体积比
对比例1
一种电动两轮车气冷轮毂电机，与实施例2.1的不同之处在于，惰性气体的用量为0。
对比例2
一种电动两轮车气冷轮毂电机，与实施例2.1的不同之处在于，电机本体内腔的散热介质为空气。
对比例3
一种电动两轮车气冷轮毂电机，与实施例1.1的不同之处在于，以等量的氙气替换氦气。
实施例3
参照图1，一种电动两轮车气冷轮毂电机，包括中空的电机本体1，电机本体1的内腔中设有散热结构12，散热结构12进一步提高散热介质的散热效果；电机本体1运行时，与电机轴11保持相对静止的部分为定子，相对电机轴11发生旋转的部分为转子，定子与转子之间发生相对运动时，散热结构12对散热介质进行扰动，加快散热介质的热传导效率，发挥出散热效果。
电机本体1包括水平设置的电机轴11、与电机轴11同轴转动连接的边盖13和毂盖14，边盖13与毂盖14相对设置，且边盖13和毂盖14均通过轴承与电机轴11转动连接，边盖13和毂盖14与电机轴11之间还安装有油封15，油封15位于两个轴承相互远离的一侧，油封15的数量为四个，边盖13和毂盖14均通过两个油封15与电机轴11密封连接，进一步提高对电机本体1内腔的密封效果，减少电机本体1内腔的散热介质出现外泄的情况，同时减少外界空气进入电机本体1内腔的情况。
边盖13与毂盖14相对设置，且边盖13和毂盖14之间安装有轮毂内圈16，轮毂内圈16为圆环形，轮毂内圈16与电机轴11的轴心位于同一直线，轮毂内圈16的一侧与边盖13固定连接，轮毂内圈16的另一侧与毂盖14固定连接，使边盖13和毂盖14之间形成封闭的空腔。
散热结构12包括同轴固定在电机轴11上的定子支架121，定子支架121位于边盖13与毂盖14之间的空腔内，定子支架121远离电机轴11的圆周面固定有定子铁心122，定子铁心122上缠绕有定子绕组，通电后定子绕组有电流通过切割磁力线，产生驱动扭矩，使定子与转子之间产生相对运动。
轮毂内圈16靠近定子铁心122的一侧固定有永磁铁17，定子铁心122与永磁铁17相对设置且间隙配合，电机本体1运行期间，电流通过切割磁感线，进而产生扭矩，轮毂内圈16、边盖13和毂盖14发生旋转，定子支架121与定子铁心122均处于静止状态。
参照图1和图2，定子支架121包括支撑板1211，支撑板1211为自支撑板的四周向中心处逐渐隆起的伞状板，电机轴11穿设在支撑板1211的中心处，使支撑板1211能够最大限度的利用电机本体1内腔的有限空间，且支撑板1211上还开设有多个扰流口1212，本实施例为八个，八个扰流口1212关于支撑板1211呈圆周方向分布，增加了散热介质绕流的截面积，进一步提高散热效果。
参照图2和图3，支撑板1211上还固定安装有多个导流板123，本实施例为四个，四个导流板123关于支撑板1211的圆周方向间隔分布，每个导流板123的一端均位于靠近支撑板1211中心处的一侧，每个导流板123的另一端均位于远离支撑板1211中心处的一侧。
导流板123包括导流部1231和与导流部1231一体成型的固定部1232，固定部1232固定安装在支撑板1211的斜伞面上，固定部1232的一端位于靠近支撑板1211中心处的一侧，固定部1232的另一端位于远离支撑板1211中心处的一侧，导流部1231通过固定部1232与支撑板1211固定连接。
固定部1232与支撑板1211之间的固定连接方式为焊接、粘接或铆钉连接，本实施例为粘接，由于在电机运行过程中，支撑板1211始终处于静止状态，保证了固定部1232能够稳定的固定在支撑板1211上，不易发生掉落的情况，保证电机本体1能够更好的正常运行；另外，导流板123通过固定部1232固定安装在支撑板1211上，有利于加强支撑板1211对定子铁心122与电机轴11之间的连接强度，延长定子支架121的使用寿命；导流板123安装在定子支架121上，保证了电机本体1在实际使用时保持良好的平衡稳定性，提高骑行时的安全系数。
导流部1231与固定部1232的长度相同，且导流部1231关于固定部1232倾斜设置，导流部1231与固定部1232之间的夹角为锐角，使导流部1231与支撑板1211之间形成72-80°的锐角，本实施例中导流部1231与支撑板1211之间的夹角为72°，具有较强的散热效果，且导流部1231远离固定部1232的一侧边始终位于定子支架121内，保证电机本体1的正常运转。
当电机本体1运行时，定子和转子之间产生高速相对运动，此时安装在支撑板1211上的导流板123进一步起到扰动电机本体1内腔中的散热介质的作用，进一步提高散热效果，同时设置的导流板123的安装位置及安装角度不易增大电机本体1运行时的阻力，保证电机本体1的传动效果的同时能够最大程度的提高散热效果，减少永磁铁17由于电机本体1内部温度过高出现退磁的情况，进一步延长了电机本体1的使用寿命。
参照图1，电机本体1还包括安装在毂盖14上的单向注气阀18和安装在边盖13上的减压平衡阀19，当电机本体1组装完成后，先对电机本体1内腔进行抽真空，抽出空气，然后再通过单向注气阀18注入散热介质，使电机本体1内腔的散热介质充满电机本体1内腔并维持在1个大气压；当电机本体1运转过程中，电机本体1内腔中的气体由于温度提高体积发生小幅度膨胀时，减压平衡阀19将电机本体1内腔的气体泄出一部分同时保证电机本体1内腔维持在1个大气压，保证电机本体1运行的稳定性。
本申请实施例一种电动两轮车气冷轮毂电机的实施原理为：
电机本体1运转过程中，定子与转子产生高速相对运动，随着电机运转速度的提升，散热结构12对电机本体1的散热效果也随之增强，散热介质利用本身导热系数高且稳定性好的优点，使电机本体1内腔的热量快速向外界传导，散热结构12进一步提高电机本体1内腔散热介质的流动性，定子支架121和固定在定子支架121上的导流板123协同起到散热效果， 利用电机本体1的有限空间最大程度的扰动散热介质；在转子与定子在相对高速转动过程中，导流板123产生风扇效应，加速电机本体1内腔的热量向外散发，提升散热效果，减少电机本体1内部的永磁铁17由于温升出现退磁的情况，进而延长电机本体1的使用寿命。
测试包括：
1.温升实验测试
将本申请实施例1.1-1.2、实施例2.1-2.4、对比例1-3的散热介质注入到本申请实施例3的电机本体内腔中，在室温为28℃的环境下进行测试，电机转子以380rpm的频率旋转，电机本体进行通电连续加载测试7次，每次加载时长5分钟，通电加载结束后打开毂盖用测温枪测试定子铁心处的温度。
实施例1.1-1.2、实施例2.1-2.4、对比例1-3的温升实验测试结果如表2。
将本申请实施例2.1和对比例2的散热介质应用于某市售轮毂电机（不含本申请散热结构）内腔中，分别作为对照组1和对照组2，按照上述测试条件进行温升测试，测试结果如表2。
表2温升实验测试结果
| 测试完成后内部最高温度/℃ | 温升/K | 是否有鸣爆气体产生 | |
| 实施例1.1 | 62 | 34 | 否 |
| 实施例1.2 | 70 | 42 | 否 |
| 实施例2.1 | 52 | 24 | 否 |
| 实施例2.2 | 55 | 27 | 否 |
| 实施例2.3 | 58 | 30 | 否 |
| 实施例2.4 | 61 | 33 | 否 |
| 对比例1 | 51 | 23 | 是 |
| 对比例2 | 89 | 61 | 否 |
| 对比例3 | 90 | 62 | 否 |
| 对照组1 | 59.5 | 31.5 | 否 |
| 对照组2 | 96 | 68 | 否 |
实施例1.1、实施例2.1、实施例2.3和对比例2的测试结果曲线图如图4所示，图4中横坐标为电机的加载次数，纵坐标为温度，单位℃；
尽管采用纯氢气作为散热介质时具有良好的导热效果，但是由于氢气的不稳定性容易产生鸣爆气体，限制了其在轮毂电机内的使用；采用惰性气体与氢气混合时作为散热介质并且通过调整惰性气体与氢气的配比也能够达到较好的散热效果，同时保证了散热介质具有良好的稳定性和安全性，保证电机本体的正常运行，减少电机本部的温升造成永磁铁出现退磁的情况，延长电机本体的使用寿命。
结合实施例1.1-1.2和对比例3并结合表2可以看出，实施例1.1较优于实施例1.2，说明采用氦气作为散热介质时具有更好的散热效果，能够快速将电机本体内腔的热量向外界传导，降低电机本体内部的温升。
结合本申请实施例1.1、实施例2.1-2.3和对比例1-2结合表2和图4可以看出，采用惰性气体和氢气作散热介质充满在电机本体的内腔中，起到气体导热介质的热传导作用，能够快速的将定子铁心产生的热量传导给轮毂、边盖或毂盖，实现快速散温的效果，有效的降低电机定子的温升，减少永磁铁退磁导致的电机使用寿命降低的情况，提高了电动车的续航里程。
结合本申请实施例2.1-2.4并结合表2可以看出，惰性气体和氢气的体积比在（0.25-0.5）：（0.75-0.5）的范围内混合，得到的散热介质处于稳定状态，且热传导效率较高，从而使永磁铁不容易退磁，延长电机的使用寿命。
结合本申请实施例2.1、对比例2和对照组1-2结合表2可以看出，本申请电机本体内腔中的散热结构能够进一步起到提高散热介质快速散热的效果，减少永磁铁由于温升出现退磁的情况，提高了电机本体的使用寿命。
结合本申请实施例1.1和实施例2.1结合表2可以看出，采用氦气与氢气混合更有利于使电机内部的热量快速散发，同时具有散热效果稳定、成本低的优点。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于，包括中空的电机本体（1）和填充于电机本体（1）内腔的散热介质，所述散热介质充满所述电机本体（1）内腔使所述电机本体（1）内腔不含有空气，所述电机本体（1）内的散热介质维持在常压，所述散热介质包括惰性气体，所述惰性气体为氦气或氖气。
2.根据权利要求1所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述散热介质还包括氢气，所述惰性气体和氢气的体积比为（0.25-0.5）：（0.75-0.5）。
3.根据权利要求2所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述惰性气体为氦气。
4.根据权利要求1所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述电机本体（1）包括电机轴（11）和位于电机本体（1）内腔的散热结构（12），所述电机轴（11）穿设在所述电机本体（1）上，所述散热结构（12）包括穿设在电机轴（11）上的定子支架（121）和安装在定子支架（121）上的多个导流板（123）。
5.根据权利要求4所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述定子支架（121）上安装有支撑板（1211），所述支撑板（1211）为自四周向中心处逐渐隆起的伞状板，所述电机轴（11）穿设在支撑板（1211）的中心，所述支撑板（1211）上开设有多个扰流口（1212），多个所述扰流口（1212）沿支撑板（1211）的圆周方向分布。
6.根据权利要求4所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述导流板（123）包括用于扰动散热介质的导流部（1231），所述导流部（1231）倾斜安装在支撑板（1211）上，所述导流部（1231）与支撑板（1211）之间形成的夹角为锐角。
7.根据权利要求6所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述导流部（1231）与支撑板（1211）之间的夹角为72-80°。
8.根据权利要求6所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述导流板（123）还包括与导流部（1231）一体成型的固定部（1232），所述固定部（1232）沿支撑板（1211）的斜伞面固定连接，所述导流部（1231）通过固定部（1232）与支撑板（1211）固定连接。
9.根据权利要求4所述的电动两轮车气冷轮毂电机，其特征在于：所述电机轴（11）上还安装有多个油封（15），多个所述油封（15）关于定子支架（121）对称设置，所述电机本体（1）包括转动安装在电机轴（11）上的毂盖（14）和边盖（13），所述毂盖（14）和边盖（13）均通过油封（15）与电机轴（11）密封连接。
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