CN117081306A - 一种集成空水换热器且全域水冷轴向磁通轮毂电机系统 - Google Patents
一种集成空水换热器且全域水冷轴向磁通轮毂电机系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种集成空水换热器且全域水冷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。该轮毂电机采用双定子/单转子拓扑；转子拥有表贴径向分段磁钢和外圆周设计的离心风机；定子拥有回旋水道的端盖；空水换热器由机壳的第三回旋水道、径向翅片、转子的离心风机构成。两侧端盖的回旋水道与空水换热器连通成一体构成水冷的外循环通道；转子集成的离心风机经过空水换热器，分成两个风路支路，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。本方案解决了转子内部散热难题，同时定子产生的热量被端盖水道和空水换热器带走，满足了IP68等级要求，提高了换热效率。
Description
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，具体涉及一种全封闭集成空水换热器且全域水冷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，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，忽视了转子散热处理。中国发明专利CN105576919 B(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(一种带离心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离心风机、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，本发明提供一种集成空水换热器且全域水冷的轴向磁通轮毂电机系统，轮毂内集成有轴向磁通轮毂电机、单级行星减速器和盘式刹车。轴向磁通轮毂电机采用双定子/单转子拓扑；转子拥有表贴的径向分段磁钢和外圆周设计的离心风机；定子拥有回旋水道的端盖；机壳的第三回旋水道、径向翅片、转子的离心风机构成空水换热器；非驱动端端盖的第一回旋水道、驱动端端盖的第二回旋水道、机壳的第三回旋水道连通成一体，构成水冷的外循环通道；转子外圆周集成的离心风机产生的风经过空水换热器，分成两个内循环风路：非驱动端风路支路和驱动端风路支路，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。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：
一种集成空水换热器且全域水冷的轴向磁通轮毂电机系统，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双定子/单转子拓扑，转子具有表贴(直轴电感Ld与交轴电感Lq相等)的径向分段磁钢和外圆周设计的离心风机；非驱动端定子拥有第一回旋水道的非驱动端端盖；驱动端定子拥有第二回旋水道的驱动端端盖；机壳包含第二进水铜管接头、第二出水铜管接头、第三回旋水道、径向翅片、第二螺钉；空水换热器由机壳的第三回旋水道、径向翅片、转子的离心风机构成；非驱动端端盖的第一回旋水道、驱动端端盖的第二回旋水道、机壳的第三回旋水道连通成一体；
进一步的，非驱动端端盖的第一回旋水道、驱动端端盖的第二回旋水道、机壳的第三回旋水道连通成一体，构成水冷的外循环通道；离心风机产生的风经过空水换热器，分成两个内循环风路：非驱动端风路支路和驱动端风路支路，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。
进一步的，转子外圆周集成的离心风机产生的风经过空水换热器，分成两个内循环风路：非驱动端风路支路和驱动端风路支路，其中非驱动端风路支路：离心风机产生的风→空水换热器→第一定子绕组外端部→第一定子铁心与非驱动端端盖之间的第一径向通风槽道→第一定子绕组内端部→非驱动端定子与转子之间的气隙；驱动端风路支路：离心风机产生的风→空水换热器→第二定子绕组外端部→第二定子铁心与非驱动端端盖之间的第二径向通风槽道→第二定子绕组内端部→驱动端定子与转子之间的气隙。
非驱动端风路支路和驱动端风路支路，构成风冷内循环通道。在转子外圆周集成的离心风机作用下，径向分段磁钢、第一定子绕组、第二定子绕组、第一定子铁心、第二定子铁心产生的热量与空水换热器进行热交换。
进一步的，外循环水冷通道与风冷内循环通道通过空水换热器进行热量交换。
进一步的，出线盒焊接到非驱动端盖的端面上。
本发明的有益效果：
本发明的机壳内圆周面布置有径向翅片和铜管，与转子外圆周的离心风机构成空水换热器。两侧端盖的回旋水道与机壳的空水换热器连通构成轮毂电机水冷的外循环；转子的离心风机产生的风经过非驱动端定子和驱动端定子的径向通风槽道，回到气隙，形成空冷的内循环。空冷的内循环与水冷的外循环，通过空水换热器进行热交换。本发明的的全域水冷方案解决了转子内部散热难题，同时定子产生的热量被外循环的端盖水道和内循环的空水换热器带走。内外双循环空水冷却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。单级行星减速器和盘式刹车的卡钳产生的热量可以通过驱动端端盖的水道带走，降低了这两者的温升。
附图说明
图1为本发明的集成空水换热器且全域水冷轴向磁通轮毂电机系统的总体结构图；
图2为本发明的集成空水换热器且全域水冷轴向磁通轮毂电机系统的剖面图；
图3为本发明的集成空水换热器且全域水冷轴向磁通轮毂电机系统的总体爆炸图；
图4为本发明的集成空水换热器且全域水冷的轴向磁通轮毂电机系统的轴侧图；
图5为本发明的非驱动端定子及其驱动端端盖水道布局图；
图6为本发明的非驱动端定子剖面布局图；
图7为本发明的驱动端定子及其非驱动端水道布局图；
图8为本发明的驱动端定子剖面布局图；
图9为本发明的集成空水换热器的机壳图；
图10为本发明的防水出线盒图；
图11为本发明的非驱动端端盖示意图；
图12为本发明的驱动端端盖示意图。
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；
100为非驱动端定子，101为第一进水直角铜管弯头，102为第一出水直角铜管弯头，103为非驱动端风路支路，104为第一定子铁心，105为非驱动端端盖，105a为出线孔，106为第一径向通风槽道，107为第一回旋水道，108为第一定子绕组，108a为第一定子绕组外端部，108b为第一定子绕组内端部；
200为机壳，201为第二进水铜管接头，202为第二出水铜管接头，203为第三回旋水道，204为径向翅片，205为第二螺钉。
300为驱动端定子，301为第二进水直角铜管弯头，302为第二出水直角铜管弯头，303为驱动端风路支路，304为第二定子铁心，305为驱动端端盖，306为第二径向通风槽道，307为第二回旋水道，308为第二定子绕组，308a为第二定子绕组外端部，308b为第二定子绕组内端部；
400为出线盒，401为出线盒壳体，402为环氧基板，403为接线铜柱，404为圆柱形橡胶圈，405为环氧压板，406为第三螺钉，407为第一螺母，408为接线铜鼻，409为接线盖板，410为填料函；
500为旋转变压器；
600为转子，601为离心风机，径向分段磁钢602。
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，本发明的一种全封闭集成空水换热器且全域水冷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。
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305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305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。
非驱动端定子100、驱动端定子300，机壳200通过第二螺钉205固定到一起。
如图2，图3，图4所示，出线盒400通过焊接工艺固定到非驱动端定子100的非驱动端端盖105的端面，在非驱动端端盖105的端面设计有三个出线孔105a，旋转变压器500布置在非驱动端，集成空水换热器的轴向磁通轮毂电机1采用双定子/单转子拓扑；转子600拥有表贴的径向分段磁钢602和外圆周设计的离心风机601。表贴表示磁钢直接贴在转子背铁端面，直轴电感Ld与交轴电感Lq相等。
所述的非驱动端定子100包含非驱动端端盖105，非驱动端端盖105的外圆周面上设计有第一进水直角铜管弯头101和第一出水直角铜管弯头102，冷却水从第一进水直角铜管弯头101进入，经第一回旋水道107，从第一出水直角铜管弯头102流出，如图5所示。第一定子铁心104与非驱动端端盖105通过凸台凹槽装配，形成第一径向通风槽道106，如图6所示。
所述的驱动端定子300包含驱动端端盖305，驱动端端盖305的外圆周面上设计有第二进水直角铜管弯头301和第二出水直角铜管弯头302，冷却水从第二进水直角铜管弯头301进入，经第二回旋水道307，从第二出水直角铜管弯头302流出，如图7所示。第二定子铁心304与驱动端端盖305通过凸台凹槽装配，形成第二径向通风槽道306，如图8所示。
图5中的所述的第一回旋水道107与图9中的第三回旋水道203通过第一出水直角铜管弯头102连通，图9中的第三回旋水道203与图7中的第二回旋水道307通过第二进水直角铜管弯头301连通，最终第一回旋水道107、第三回旋水道203、第二回旋水道307连通成一个轮毂电机外循环水冷通道，如图4所示。
所述的转子600集成的离心风机601产生的风经过径向翅片204和第三回旋水道203分成两个内循环风路支路：非驱动端风路支路103和驱动端风路支路303，如图3所示。其中非驱动端风路支路103依次经过第一定子绕组外端部108a、第一径向通风槽道106、第一定子绕组内端部108b、非驱动端侧气隙；驱动端风路支路303经过驱动端定子300的第二定子绕组外端部308a、第二径向通风槽道306、第二定子绕组内端部308b、驱动端侧气隙，如图3、图6、图8所示。这两个内循环风路支路、第三回旋水道203与机壳内壁的径向翅片204构成空水换热器，在转子600外圆周上的离心风机601作用下，径向分段磁钢602、第一定子绕组108、第二定子绕组308、第一定子铁心104、第二定子铁心304产生的热量与空水换热器进行热交换，构成风冷内循环通道，如图3所示。
所述的机壳200的外圆周面上设计有第二进水铜管接头201和第二出水铜管接头202，机壳200的内圆周面设计有径向翅片204，第三回旋水道203为铜管材质，镶嵌到径向翅片204的半圆形凹槽中。冷却水从第二进水铜管接头201进入，经两圈第三回旋水道203，从第二出水铜管接头202流出，铜材质的第三回旋水道203与机壳内壁的径向翅片204构成空水换热器，外循环水冷通道与风冷内循环通道通过空水换热器进行热量交换，如图9所示。
如图10所示，所述圆弧腰型的出线盒400焊接到非驱动端端盖105的端面上，环氧基板402通过螺钉固定到出线盒壳体401，接线铜柱403套有圆柱形橡胶圈404，然后插入到环氧基板402的穿线孔中，使用环氧压板405、第三螺钉406压紧接线铜柱403。接线铜鼻408安装到接线铜柱403上，使用第一螺母407固定。在接线盖板409上安装有填料函410，然后装配到出线盒壳体401上。
非驱动端端盖105的第一径向通风槽道106，驱动端端盖305的第二径向通风槽道306分别如图11、图12所示。
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)
1.一种集成空水换热器且全域水冷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双定子/单转子拓扑，转子具有表贴的径向分段磁钢和外圆周设计的离心风机，直轴电感Ld与交轴电感Lq相等；非驱动端定子拥有第一回旋水道的非驱动端端盖；驱动端定子拥有第二回旋水道的驱动端端盖；机壳包含第二进水铜管接头、第二出水铜管接头、第三回旋水道、径向翅片、第二螺钉；空水换热器由机壳的第三回旋水道、径向翅片、转子的离心风机构成；非驱动端端盖的第一回旋水道、驱动端端盖的第二回旋水道、机壳的第三回旋水道连通成一体；转子外圆周集成的离心风机产生的风经过空水换热器，分成两个内循环风路：非驱动端风路支路和驱动端风路支路，其中非驱动端风路支路的风的流程为：离心风机产生的风→空水换热器→第一定子绕组外端部→第一定子铁心与非驱动端端盖之间的第一径向通风槽道→第一定子绕组内端部→非驱动端定子与转子之间的气隙；驱动端风路支路的风的流程为：离心风机产生的风→空水换热器→第二定子绕组外端部→第二定子铁心与非驱动端端盖之间的第二径向通风槽道→第二定子绕组内端部→驱动端定子与转子之间的气隙。
2.根据权利要求1所述的一种集成空水换热器且全域水冷的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：非驱动端端盖的第一回旋水道、驱动端端盖的第二回旋水道、机壳的第三回旋水道连通成一体，构成水冷的外循环通道；离心风机产生的风经过空水换热器，分成两个内循环风路：非驱动端风路支路和驱动端风路支路，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。
3.根据权利要求1所述的一种集成空水换热器且全域水冷的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：所述非驱动端盖的端面上设置出线盒，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。
4.根据权利要求1所述的一种拥有双循环空水散热器的轴向磁通轮毂电机系统，其特征在于：以转子外圆周设计的轴流风机为基础，在转子背铁外端面替换成后弯离心风机，保持风路设计不变，达到类似的效果。
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2023
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