CN117040184A - 一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，属于轮毂电机领域。轮毂内集成轴向磁通轮毂电机、单级行星减速器和盘式刹车。该轮毂电机采用单定子/双转子拓扑；转子拥有表贴径向分段磁钢和外圆周设计的轴流风机；中间机壳内圆周拥有回旋流道的水套；中间机壳的两侧各设计一套空水换热器，空水换热器由第一流道、径向翅片、第一轴流风机构成。中间机壳的回旋流道与两侧的空水换热器连通成一体构成水冷的外循环通道；轴流风机经过空水换热器，分成两个风路支路贯穿定子绕组内外端部，构成风冷内循环通道。水冷的外循环通道和风冷的内循环通道通过空水换热器进行热交换。本发明解决了定转子内部散热难题，满足IP68等级要求，提高了换热效率。

Description

一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统

技术领域

本发明属于纯电/混合动力汽车轮毂电机、航空电推，具体涉及一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统。

背景技术

在新能源汽车轮毂电机领域，常应用径向磁通的外转子永磁同步电机，采用定子水冷方案，因整个电机置于轮毂内部，转子的磁钢的“热孤岛”效应，靠自身散热效果较差，尤其在高电流、大负载工况，易引发磁钢的局部甚至永久退磁，造成电流显著增大加剧退磁，影响了新能源汽车的续航里程。

传统的轴向磁通电机，常采用单一的水冷或油冷方案，忽视了转子散热。中国发明专利CN105576919B(一体化冷却散热结构的盘式电机)介绍的盘式电机采用双定子/单转子结构，两侧端盖水道与机壳内水道进行组合一体化设计，提高了电机系统的对流换热能力。因转子未设计风扇，机壳内空气流动缓慢，与机壳的热交换效果较差。

中国专利申请CN115733325 A(一种带轴流风机内置式转子且定子油冷的轴向磁通电机)介绍的轴向磁通电机采用双定子/单转子、磁钢内置式转子且集成轴流风机、定子封闭浸油循环的混合冷却方案，将定子、转子以及轴承的热量快速扩散到外界空气，提高了换热效率，实现了电机功率密度、扭矩密度的提高，有利于实现弱磁调速。机壳、驱动端端盖、非驱动端端盖设计有通风孔，实现与周围空气的对流换热。但该方案属于开放式设计，风机需要与外界空气进行热交换，适合低防护等级场合，无法满足高防护等级IP68的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，轮毂内集成轴向磁通轮毂电机、单级行星减速器和盘式刹车。所述单级行星减速器布置在盘式刹车和集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机的中间。本发明一是实现电机、行星减速器和盘式刹车的深度集成；二是提高电机的换热效率、降低损耗、采用全封闭设计，提高防护等级，满足IP68防护等级要求。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，包括集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机、轮毂、单级行星减速器、盘式刹车；所述轮毂内设置集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机、单级行星减速器和盘式刹车，所述单级行星减速器布置在盘式刹车和集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机的中间；所述集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机采用单定子/双转子拓扑，转子具有表贴的径向分段磁钢和外圆周设计的轴流风机；中间机壳内圆周拥有回旋流道的水套；所述轴流风机包括非驱动端转子的第一轴流风机和驱动端转子的第二轴流风机；中间机壳的两侧分别设置第一空水换热器和第二空水换热器，第一空水换热器由第一铜管流道、第一翅片、第一轴流风机构成，第二空水换热器由第二铜管流道、第二翅片、第二轴流风机构成。

进一步地，中间机壳的回旋流道与第一空水换热器和第二空水换热器连通成一体构成水冷的外循环通道；第一、第二轴流风机经过第一、第二空水换热器，分成第一、第二风路支路贯穿定子绕组内外端部，构成风冷的内循环通道。水冷的外循环通道和风冷的内循环通道通过空水换热器进行热交换。

进一步地，转子由驱动端转子和非驱动端转子构成，且非驱动端转子和驱动端转子的外圆周分别集成有第一轴流风机和第二轴流风机，第一轴流风机和第二轴向风机产生轴向同方向的风。内循环风路在电机内部分成第一风路支路和第二风路支路。

进一步地，第一风路支路的流程为：第一轴流风机的风→第一空水换热器→定子绕组外端部通道→第二轴流风机的风→第一气隙→驱动端转子通风孔→定子绕组内端部通道→第四气隙；

进一步地，第二风路支路的流程为：第一轴流风机的风→第一空水换热器→定子绕组外端部通道→第二气隙→定子绕组内端部通道→第三气隙。

进一步地，所述驱动端端盖内部安装有单级行星减速器，单级行星减速器的太阳轮与集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机的输出轴同轴连接，单级行星减速器的行星架与盘式刹车的法兰连接，轮毂通过螺钉固定到单级行星减速器的行星架。

本发明的有益效果：

水冷的外循环通道和风冷内循环通道构成双通道冷却系统，双通道的热量交换通过空水换热器实现。风冷内循环通道分成的两个风路支路，通过四个气隙、定子绕组内外端部、磁钢表面、转子背铁表面和定子铁心表面，将磁钢、转子背铁、定子铁心产生的热量通过风冷内循环通道和空水换热器，传递到水冷外循环通道；水冷的外循环通道中的中间机壳包含水套以及水套上的翅片，该翅片插入到定子绕组的槽内位置，将定子绕组槽内的部分产生的热量通过水冷外循环通道带走。本发明的的全域水冷方案解决了定子和转子内部散热难题，电机产生的热量被水冷的外循环通道和风冷内循环通道带走。内外双双循环方案提高了换热效率，提升了电机的功率密度和扭矩密度，满足了IP68高防护等级要求。

附图说明

图1为本发明的双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统的总体结构图；

图2为本发明的双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统的剖面图；

图3为本发明的双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统的总体爆炸图；其中，上图为轮毂、盘式刹车、单级行星减速器，下图为双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机；

图4为本发明的双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统的轴侧图；

图5为本发明的定子及其机壳集成布局图；

图6为本发明的定子及其机壳集成布爆炸图；

图7为本发明的水套流道布局图；其中，图(a)水套流道在出线位置视图，图(b)为水套流道进出水口位置视图，图(c)为水套流道的水路图；

图8为本发明的非驱动端机壳流道翅片布局图；

图9为本发明的双转子布局图。

图10为本发明的双循环空油散热器的轴向磁通轮毂电机系统的剖面图；

其中，1为集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机，2为轮毂，3为单级行星减速器，4为盘式刹车，5为深沟球轴承，6为行星架，7为第一螺钉，8为太阳轮，9为驱动端端盖，10为非驱动端端盖，11为第二螺钉，12为第三螺钉，13为第四螺钉，14为第一风路支路，15为第二风路支路，16a为第一气隙，16b为第二气隙，16c为第三气隙，16d为第四气隙；

100为定子，101为定子铁心，102为扇形压板，103为铆钉，104为定子绕组，105为压板，105a为第一通风槽道，105b为第一筋板，105c为第四通风槽道。106为驱动端机壳，106a为第一出水口，106b为第一进水口，106c为第一翅片，106d为第一铜管流道，107为非驱动端机壳，107a为第二进水口，107b为第二出水口，107c为第二翅片，107d为第二铜管流道，108为中间机壳，108a为第二通风槽道，108b为第二筋板，108c为第三通风槽道，109为水套，109a为第三翅片，109b为回旋流道，110为水套盖板，110a为第三进水口，110b为第三出水口，111为第一直角铜管弯头，112为第二直角铜管弯头，113为第三直角铜管弯头，114为第四直角铜管弯头。

200为非驱动端转子，201为第一轴流风机，202为第一磁钢，203为第一转子支架，203a为第一通风孔，204为第一转子背铁，204a为第一矩形凹槽。

300为驱动端转子，301为第二轴流风机，302为第二磁钢，303为第二转子支架，303a为第二通风孔，304为第二转子背铁，304a为第二矩形凹槽。

400为出线盒，401为第五螺钉。

500为旋转变压器。

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2所示，本发明的一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统包括集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机1、轮毂2、单级行星减速器3、盘式刹车4。

如图3，图4所示，所述轮毂2内包含集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机1、单级行星减速器3和盘式刹车4，单级行星减速器3布置在盘式刹车4和集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机1的中间，位于驱动端端盖9的内部。单级行星减速器3的太阳轮8与集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机1的输出轴同轴连接，轮毂2与盘式刹车4的法兰通过第一螺钉7固定到单级行星减速器3的行星架6，深沟球轴承5安装于驱动端端盖9的内圆周面，安装用于支撑单级行星减速器3的行星架6的旋转。使用第二螺钉11将驱动端端盖9固定到定子100的中间机壳108上，同理，使用第三螺钉12将非驱动端端盖10固定到定子100的中间机壳108上。使用第四螺钉13将旋转变压器500固定到非驱动端端盖10。使用第五螺钉401将出线盒400固定到中间机壳108上。

如图5、图6所示，定子100集成了驱动端机壳106、非驱动端机壳107和中间机壳108，第一直角铜管弯头111连接第二出水口107b，第二直角铜管弯头112分别连接第二进水口107a和第三进水口110a第三直角铜管弯头113连接第三出水口110b和第一进水口106b，第四直角铜管弯头114连接第一出水口106a。扇形压板102通过铆钉103径向压紧定子铁心101，定子铁心101套有定子绕组104。压板105通过螺钉固定到中间机壳108上，压板105的第一筋板105b嵌入到定子铁心101。压板105在端面设计有第一通风槽道105a和第四通风槽道105c。同理，中间机壳108设计有第二通风槽道108a、第二筋板108b和第三通风槽道108c。第一翅片106c位于驱动端机壳106内侧圆周面分布，第一翅片106c设计有半圆形凹槽放置第一铜管流道106d。水套盖板110通过焊接工艺密封水套109成为一个整体。

如图6、图7所示，水套109包含第三翅片109a和回旋流道109b，因考虑定子绕组104引出线需求，水套109设计成开放式圆弧型，其外圆周也因引出线的位置，回旋水道109b分成两部分设计。第三翅片109a插入到定子绕组104的槽内直线部分。

如图8所示，非驱动端机壳107内圆周设计有第二翅片107c，第二铜管流道107d嵌入到第二翅片107c的半圆形槽内；驱动端机壳107外圆周设计有第二进水口107a和第二出水口107b。

如图9所示，双转子分成非驱动端转子200和非驱动端转子300，第一转子支架203的外圆周安装有第一轴流风机201、第一转子支架203的内侧设计有第一通风孔203a。第一磁钢202使用磁钢胶水粘贴到第一转子背铁204(表贴磁钢的特征：直轴电感L_d与交轴电感L_q相等)，第一转子背铁204设计有第一矩形凹槽204a，嵌入到第一转子支架203。同理，第二转子支架303的外圆周安装有第二轴流风机301、第二转子支架303的内侧设计有第二通风孔303a。第二磁钢302使用磁钢胶水粘贴到第二转子背铁304，第二转子背铁304设计有第二矩形凹槽304a，嵌入到第二转子支架303。

如图2、图9所示，转子由非驱动端转子200和驱动端转子300构成，第一轴流风机201和第二轴流风机301产生轴向同方向的风。内循环风路在电机内部分成两个风路支路：第一风路支路14和第二风路支路15。

第一气隙16a为驱动端端盖9的端面与驱动端转子300的端面之间的空气层；

第二气隙16b为驱动端转子300的端面与定子100的端面之间的空气层；

第三气隙16c为定子100的端面与非驱动端转子200的端面之间的空气层；

第四气隙16d为非驱动端转子200的端面与非驱动端端盖10的端面之间的空气层。

进一步的，第一风路支路14的流程为：第一轴流风机201的风→非驱动端机壳107→第一通风槽道105a→定子绕组104外端部通道→第二通风槽道108a→第二轴流风机301的风→第一气隙16a→非驱动端转子200的第一通风孔203a→第三通风槽道105c→定子绕组104内端部通道→第四通风槽道108c→驱动端转子300的第二通风孔303a→第四气隙16d。

进一步的，第二风路支路15的流程为：第一轴流风机的风→驱动端机壳106→定子绕组104外端部通道→第二气隙16b→定子绕组104内端部通道→第三气隙16c。

如图10所示，基于双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，仅将现有的包含回旋冷却油道、双侧挡油板设计、定子铁心固定方式的电机系统升级为双循环空油散热器的轴向磁通轮毂电机系统，定子100的两侧的两个转子上的轴流风机，形成绕各自转子自身的循环风路：第一风路支路14和第二风路支路15。

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)

1.一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：包括集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机、轮毂、单级行星减速器、盘式刹车；所述轮毂内设置集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机、单级行星减速器和盘式刹车，所述单级行星减速器布置在盘式刹车和集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机的中间；所述集成有空水换热器的轴向磁通轮毂电机采用单定子/双转子拓扑，转子具有表贴的径向分段磁钢和外圆周设计的轴流风机；中间机壳内圆周设有回旋流道的水套；所述轴流风机包括非驱动端转子的第一轴流风机和驱动端转子的第二轴流风机；中间机壳的两侧分别设置第一空水换热器和第二空水换热器，第一空水换热器由第一铜管流道、第一翅片、第一轴流风机构成，第二空水换热器由第二铜管流道、第二翅片、第二轴流风机构成。

2.根据权利要求1所述的一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：中间机壳的回旋流道与第一空水换热器和第二空水换热器连通成一体构成水冷的外循环通道；第一轴流风机、第二轴流风机产生的风，分别吹过第一空水换热和第二空水换热器，分成第一风路支路和第二风路支路，贯穿定子绕组内外端部，构成风冷的内循环通道；水冷的外循环通道和风冷的内循环通道通过第一空水换热器、第二空水换热器进行热交换。

3.根据权利要求2所述的一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：所述非驱动端转子和驱动端转子的外圆周分别集成第一轴流风机和第二轴流风机，第一轴流风机和第二轴向风机产生同方向的风；风冷的内循环风路在电机内部分成第一风路支路和第二风路支路；

第一风路支路的流程为：第一轴流风机的风→第一空水换热器→定子绕组外端部通道→第二轴流风机的风→第一气隙→驱动端转子通风孔→定子绕组内端部通道→第四气隙；

第二风路支路的流程为：第一轴流风机的风→第一空水换热器→定子绕组外端部通道→第二气隙→定子绕组内端部通道→第三气隙。

4.根据权利要求1所述的一种拥有双循环空水换热器的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：所述驱动端端盖内部安装有单级行星减速器，单级行星减速器的太阳轮与集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机的输出轴同轴连接，单级行星减速器的行星架与盘式刹车的法兰连接，轮毂通过螺钉固定到单级行星减速器的行星架。