CN220629094U - 电机、车轮和两轮车 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电机、车轮和两轮车，包括：定子、用于支撑定子的定子支架、以及相对于定子可旋转地设置并与定子间隔开的转子，其中所述电机还包括安装于电机的固定部件上且用于控制电机工作的驱动控制单元，所述驱动控制单元具有印刷电路板和位于印刷电路板上的芯片，并且所述电机还包括位于所述芯片的顶面的热电冷却器且所述热电冷却器的冷板与芯片附接以对芯片进行冷却。通过为驱动控制单元单独设置热电冷却器，可以降低芯片在工作期间的最高温度，延长芯片的使用寿命，还可以对芯片温度进行瞬时控制和调节。

Description

电机、车轮和两轮车

技术领域

本申请涉及一种车轮，尤其涉及车轮的轮毂电机，该轮毂电机的电子元件带有热电冷却装置。

背景技术

电动车辆在当今得到了广泛的使用，许多电动车辆的车轮使用了轮毂电机来驱动，在车轮中，还设置有便于控制车辆运行的驱动控制单元DCU，其中集成有许多的芯片和电容器等电子元件。为了获得较长的使用寿命和高效率，芯片和电容器等电子元件需要在适度的温度范围内工作。通常情况下，一旦温度超过了最高可容忍的温度，就会导致电子元件的功能失效。而随着电子元件功率密度的增加，这些元件内的散热也变得越来越重要，现有技术中有许多手段来解决这个问题，如空气冷却、液体冷却和相变冷却。然而，只有少数冷却方法可用于轮毂电机中，例如：通过设置翅片结构来优化热交换表面积，或者采用高导热材料作为散热器等。

在现有轮毂电机中，其通往外部环境的散热途径主要取决于空气和金属部件(外壳和轴)的导热性。支架底面旁边的空气区的流动条件接近于自然空气对流，这意味着散热条件较差。现有轮毂电机的冷却设计很难涵盖所有关键工况下的散热能力。

因此，需要提供一种能改善轮毂电机内的散热状况的设计，以适应关键工况。

实用新型内容

经发明人研究发现，轮毂电机和驱动控制单元(DCU)的集成设计将进一步恶化封装空间的散热条件。此外，一些关键运行条件，如高扭矩爬坡状态，将增加DCU内电子元件的功率损失。在这些情况下，热量无法及时散发到外部环境中，因此会聚集在壳盖内。此外，这些关键工况通常是瞬时的，这就要求控制模式有更快的反应。因此，需要提供一种能改善轮毂电机内的散热状况的设计，以适应关键工况和可快速调节电子元件的温度。

本申请的目的在于提供一种能有效改善轮毂电机内的驱动控制单元的散热过程的装置。

为实现上述目的，本申请提供一种电机，包括：定子、用于支撑定子的定子支架、以及相对于定子可旋转地设置并与定子间隔开的转子，其中所述电机还包括安装于电机的固定部件上且用于控制电机工作的驱动控制单元，所述驱动控制单元具有印刷电路板和位于印刷电路板上的芯片，并且所述电机还包括位于所述芯片的顶面的热电冷却器且所述热电冷却器的冷板与芯片附接以对芯片进行冷却。

可选地，所述电机还包括位于定子和定子支架的中心且与定子支架固定地连接的电机轴，且所述转子具有相对于所述电机轴可旋转地连接的转子外壳和固定于转子外壳内且与定子相面对的永磁体。

其中，所述驱动控制单元被安装于定子支架上。

其中，所述芯片的顶面为芯片的与印刷电路板相反的顶表面。

可选地，所述定子支架包括用于固定定子的定子固定部和与电机轴连接的支架背板，所述热电冷却器安装在所述支架背板上或者安装在所述定子固定部的内侧壁上。

可选地，所述驱动控制单元通过所述印刷电路板至定子支架的固定而被固定在定子支架上。

其中，所述印刷电路板通过机械紧固件被固定至定子支架。

其中，所述印刷电路板与所述定子支架之间设置有导热界面材料。

所述导热界面材料为导热胶或导热填料。

可选地，所述热电冷却器包括热板和冷板以及位于热板和冷板之间的半导体板，所述冷板紧靠所述驱动控制单元的所述芯片的顶面设置。

可选地，所述电机还包括用于测量芯片温度的温度检测器，所述温度检测器为单独设置的温度检测器或集成在所述芯片内部的温度检测元件。

可选地，所述电机还包括分别与热电冷却器的热板和冷板相连的电源以及根据芯片的温度对由电源施加至热板和冷板的电压或电流进行控制从而调节冷板的温度且借此调节芯片的温度的冷却控制单元。

其中，所述冷却控制单元是单独设置的部件或者是所述驱动控制单元的集成部件。

所述电机包括轮毂电机。

可选地，在所述热板一侧设置或贴合有用于将热量转移到定子空间进而转移至外界环境中散热器。

所述电机的壳体设置有散热风扇，且热板朝向散热风扇设置。

本申请还涉及一种车轮，包括如上所述的电机和附接于所述电机的车轮轮毂。

本申请还涉及一种两轮车，包括如上所述的车轮。

在采用本申请的方案后，可以通过为轮毂电机内的驱动控制单元设置专门的热电冷却器，来降低工作期间芯片的最高温度，延长芯片的使用寿命，并提高对关键工作条件的容忍度。另外，通过测量芯片温度并根据测量的温度来控制热电冷却器，可以获得芯片温度的自我调节控制，进而使芯片保持在一个恒定的温度。还可以通过自我调节控制处理瞬态和临界状态，避免因特定工况下过热导致的驱动控制单元的功能失效。本申请的方案不仅能够有效改善轮毂电机内的驱动控制单元的散热过程，也能有效地改善其它类型的电机内的驱动控制单元的散热过程。

附图说明

从后述的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本申请的前述及其它方面。需要指出的是，附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本申请的理解。在附图中：

图1为根据本申请的轮毂电机的示意图；

图2为根据本申请的轮毂电机内的驱动控制单元与热电冷却器连接处的放大示意图；以及

图3为示出了热电冷却器和驱动控制单元之间的电路连接和温度控制的示意图。

具体实施方式

在本申请的附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示，附图并非严格按比例绘制，而是为了清楚起见有所放大。

图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的轮毂电机1，所述轮毂电机1包括在圆周方向上布置的定子2和居中地位于定子2内的电机轴3，所述定子2由定子支架4保持，所述定子支架4包括沿圆周方向布置的用于固定定子2的定子固定部41和封围定子固定部41的支架背板42，所述支架背板42与所述定子固定部41可以固定连接，所述支架背板42与所述电机轴3固定地连接在一起，例如可以通过可拆卸连接或永久连接被固定在一起，优选可拆卸地固定连接，使得定子支架4和电机轴3成为一个整体。所述定子2上安装有定子绕组，定子绕组在定子2上的安装方式可以以现有技术中已知的方式进行布置。

在所述定子2的径向外侧，设置有沿圆周方向布置的转子5，所述转子5具有永磁体51和转子外壳52，所述永磁体51在所述转子外壳52内部被固定成与所述定子2在径向上相面对且在定子2和永磁体51之间具有间隙11。所述转子外壳52可通过轴承(图中未示出)被安装在电机轴3上，以使得转子外壳52能相对于电机轴3旋转。

在轮毂电机1工作时，绕组被通电，永磁体51绕定子2旋转，带动整个转子5绕电机轴3旋转。

在轮毂电机1被用于车轮的应用中，所述转子5可与车轮的轮毂相连，例如可通过螺钉将转子5的转子外壳52与车轮轮毂固定，使得转子5带动轮毂从而带动车轮进行旋转。

所述轮毂电机1还包括固定于定子支架4上的驱动控制单元6，用于对车轮的驱动部件和制动部件以及其他电子元件等进行控制。图2为驱动控制单元6处的放大示图，详细示出了驱动控制单元6处的连接结构。

所述驱动控制单元6包括印刷电路板61和集成在印刷电路板61上的芯片62，其上具有芯片62的所述印刷电路板61被固定到定子支架4的支架背板42上，例如，可通过机械紧固件如螺钉或铆钉等将印刷电路板61固定到支架背板42，同时在印刷电路板61和支架背板42之间设置有导热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)，例如导热胶层或导热填料层63，也可以不带导热胶或导热填料层63，或者，还可以是仅通过导热胶层63将印刷电路板61粘合至支架背板42，只要能实现印刷电路板61在定子支架4的固定即可。在一些实施例中，所述印刷电路板61采用FR-4作为基材。

尽管图中示出驱动控制单元6借助其印刷电路板61被固定至支架背板63，但驱动控制单元6的固定位置并不限于此，其也可以被固定到轮毂电机的其他固定部件上，例如可以固定至定子支架4的定子固定部41的内侧壁上(未示出)，只要其他固定部件上具有足够的空间来固定驱动控制单元6即可。

轮毂电机1上还可以设置对电机转子5进行制动的制动部件，例如液压制动片等，图中未示出。

驱动控制单元6的印刷电路板61和芯片62在工作过程中会产生热量，因驱动控制单元6设置在轮毂电机1的内部，其工作过程中产生的热量主要通过转子外壳52和电机轴5以及其间的间隙被传递到轮毂电机外部，因此，散热能力会不足，因此，在本申请中，在驱动控制单元6的芯片62的与印刷电路板相反的顶表面上，设置有冷却器，例如热电冷却器7，以用于对芯片62进行直接冷却，防止因芯片62过热而导致电子元件的失效。

热电冷却器可为现有可获得的商用冷却器，其通常体积较小，因而不会过多占用轮毂电机1内有限的使用空间。

热电冷却器7为板状，其冷却面积可以根据芯片62的数量和功率大小来限定，例如，可以设置单个的热电冷却器7来覆盖所有的芯片62的区域，或者，也可以设置多个热电冷却器7，每个热电冷却器7分别与各个芯片62的形状相对应，即一个热电冷却器7覆盖一个芯片62，当然，还可以设置多个热电冷却器7，每个热电冷却器7覆盖两个或更多个芯片62区域。根据实际需要进行热电冷却器7的数量的提供，以使得芯片62的区域均可以得到热电冷却器7的冷却。

如图2所示，热电冷却器7包括热板71和冷板73以及位于热板71和冷板73之间的半导体板72。冷板73紧靠芯片62设置，并且可以通过例如导热胶将冷板73与芯片62进行粘合，以使冷板73与芯片62具有尽可能大的接触面积，通过冷板73与芯片62的粘合，使得热电冷却器7与驱动控制单元6彼此固定。

图3示出了热电冷却器7和驱动控制单元6之间的电路连接和温度控制示意图。如图所示，冷板73和热板71分别与电源9相连，以对热电冷却器7施加直流电压，借助于热电冷却器7的中间的半导体板73的作用，使冷板73因吸热产生低温，热板71放热以将热量散发到定子空间中，实现热电冷却器7的热量循环。

在芯片62附近，或在芯片62上，设置有温度检测器，例如热电偶温度计8，用于直接测量芯片62上的温度或间接获得芯片62的温度，所测得或获得的芯片62的温度值被传送到冷却控制单元10，冷却控制单元10根据所测得或获得的芯片62的温度以及车辆目前的工况，对电源9进行抑制，从而在特定工况下及时打开电源9的开/关状态以开启或切断热电冷却器7；或者在需要时调节由电源9施加到热电冷却器7的冷板73和热板71上的电压差/电流值，进而调节冷板73的温度，使得与之接触的芯片62的温度能达到所期望的冷却温度。

上述调节过程可通过电流调节阀(图中未示出)来进行。

在一些实施例中，可以在热板71一侧设置或贴合散热器，从而将热量及时转移到定子空间进而转移至外界环境中，例如轮毂电机壳体设置有散热风扇，可以使得热板71朝向散热风扇设置。

虽然在图3中示出了由单独设置的冷却控制单元10来控制芯片62的被冷却温度，但是，所述冷却控制单元10也可以被集成在驱动控制单元6中，例如，被设置成为驱动控制单元6的印刷电路板61上的一个控制元件，从而缩小了控制部件的总体尺寸。

热电冷却器7的制冷功率和冷板温度可以在设计阶段根据轮毂电机1所适用的车轮的车辆出厂要求来确定，例如，根据待冷却的芯片62的具体功率密度来预先选择，在此基础上，在车辆的具体使用过程中，用户可以进一步根据需要通过对电源9所施加至热电冷却器7的电压/电流进行调节来进行冷板73的温度的微调整。具体而言，上述选择可基于芯片62的散热面积和电功率来进行。

上述轮毂电机1可用于电动车辆，也可用于混合动力车辆。

所述轮毂电机1可用于两轮车，所述两轮车可为电动摩托车或者电动自行车等两轮电动车。

虽然图1中所示为外转子式的轮毂电机1，但是本申请也适用于内转子式的轮毂电机，在这种情况下，可将驱动控制单元6固定至轮毂电机的固定部件上，只要该固定部件处具有足够容纳驱动控制单元6和热电冷却器7的空间即可，驱动控制单元6和固定部件之间可使用机械紧固装置和/或导热粘合剂进行附接，也可以通过焊接被永久固定。

前面描述了在需要时可以通过改变施加到热电冷却器7上的电流值来调整热电冷却器7的冷却效果，且为此在芯片62附近放置一个热电偶温度计，但本申请中也可以设置成在芯片62本身的元件设计中选择一个具有温度监测功能的芯片，从而可以实现芯片温度的自我调节功能。即，在工作过程中，芯片温度被随时记录下来并传送到冷却控制单元10以控制热电冷却器7的开/关状态和调节热电冷却器7的电流值。无论使用哪种方式，芯片62都可以被保持在一个恒定的工作温度，并且可以实现对瞬态且关键的工况的快速反应。

本申请中，通过对驱动控制单元6直接应用热电冷却器(TEC)，可以获得以下技术效果：

-降低驱动控制单元在工作时的最高温度；

-延长电子元件的使用寿命；

-提高对关键工作条件的容忍度；

-通过自我调节控制使芯片保持恒定的温度；

-通过自我调节控制处理瞬态和临界工作状态。

也就是说，鉴于热电冷却被认为是一种主动冷却方法，通过在芯片62的顶部附连热电冷却器7，使得当在热电冷却器7上施加直流电时，冷板73将向芯片62直接提供冷却能力，使得芯片62的温度可以迅速下降。同时，芯片62产生的热量将散失到热板71一侧的空气区，并最终转移到外部环境，实现了芯片62的有效散热。

尽管这里详细描述了本申请的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本申请的范围构成限制。在不脱离本申请精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (18)

1.一种电机，其特征在于，包括：定子(2)、用于支撑定子(2)的定子支架(4)、以及相对于定子(2)可旋转地设置并与定子(2)间隔开的转子(5)，

其中所述电机还包括安装于电机的固定部件上且用于控制电机工作的驱动控制单元(6)，所述驱动控制单元(6)具有印刷电路板(61)和位于印刷电路板(61)上的芯片(62)，并且

所述电机还包括位于所述芯片(62)的顶面的热电冷却器(7)且所述热电冷却器(7)的冷板(73)与芯片(62)附接以对芯片(62)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机还包括位于定子(2)和定子支架(4)的中心且与定子支架(4)固定地连接的电机轴(3)，且所述转子(5)具有相对于所述电机轴(3)可旋转地连接的转子外壳(52)和固定于转子外壳(52)内且与定子(2)相面对的永磁体(51)。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述驱动控制单元(6)被安装于定子支架(4)上。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述芯片(62)的顶面为芯片(62)的与印刷电路板(61)相反的顶表面。

5.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述定子支架(4)包括用于固定定子(2)的定子固定部(41)和与电机轴(3)连接的支架背板(42)，所述热电冷却器(7)安装在所述支架背板(42)上或者安装在所述定子固定部(41)的内侧壁上。

6.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，所述驱动控制单元(6)通过所述印刷电路板(61)至定子支架(4)的固定而被固定在定子支架(4)上。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述印刷电路板(61)通过机械紧固件被固定至定子支架(4)。

8.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述印刷电路板(61)与所述定子支架(4)之间设置有导热界面材料。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述导热界面材料为导热胶或导热填料(63)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的电机，其特征在于，所述热电冷却器(7)包括热板(71)和冷板(73)以及位于热板(71)和冷板(73)之间的半导体板(72)，所述冷板(73)紧靠所述驱动控制单元(6)的所述芯片(62)的顶面设置。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机还包括用于测量芯片温度的温度检测器(8)，所述温度检测器(8)为单独设置的温度检测器或集成在所述芯片(62)内部的温度检测元件。

12.根据权利要求1-9中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机还包括分别与热电冷却器(7)的热板(71)和冷板(73)相连的电源(9)以及根据芯片(62)的温度对由电源(9)施加至热板(71)和冷板(73)的电压或电流进行控制从而调节冷板(73)的温度且借此调节芯片(62)的温度的冷却控制单元(10)。

13.根据权利要求12所述的电机，其特征在于，所述冷却控制单元(10)是单独设置的部件或者是所述驱动控制单元(6)的集成部件。

14.根据权利要求1-9中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机包括轮毂电机。

15.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，在所述热板(71)一侧设置或贴合有用于将热量转移到定子空间进而转移至外界环境中散热器。

16.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述电机的壳体设置有散热风扇，且热板(71)朝向散热风扇设置。

17.一种车轮，其特征在于，包括根据权利要求1-16中任一项所述的电机，和附接于所述电机的车轮轮毂。

18.一种两轮车，其特征在于，包括根据权利要求17所述的车轮。