TWI656717B - 驅控器連結電動機之冷卻結構 - Google Patents

Abstract

一種驅控器連結電動機之冷卻結構，驅控器包含一功率模組與一控制模組，電動機具有一轉子與一定子，驅控器連結電動機之冷卻結構包含：一外殼，呈筒狀套設於定子外；以及一後水套，其包含至少一組合洞，至少一組合洞係供至少一導電柱通過，後水套設置於外殼之一軸向端，於後水套設有複數後水套水路，其中定子電性耦合該至少一導電柱之一端，功率模組連接該至少一導電柱之另一端。

Description

驅控器連結電動機之冷卻結構

本發明有關於一種驅控器連結電動機之冷卻結構，尤指一種將電動機之軸向端軸承座兼作為冷卻水進出之路徑並形成一冷卻裝置，並將電動機之電力經由穿過此冷卻裝置之導電柱與電絕緣套與驅控器結合之驅控器連結電動機之冷卻結構。

電動機的驅控器(又稱控制器)，其電子電路大概包括控制板(Control board)、功率模組(IPM)及閘極驅控器(Gate driver)等三個功能模塊，一般依其使用之電力型態，可大致分為控制模組與功率模組；其中，控制模組使用小電力之電流，產生控制信號；而功率模組能接收外來大電力，例如電池的電力，經處理並受到控制模組的控制信號操控之後，再提供合適的大電力給電動機的定子線圈使用，大電力在定子線圈中流動產生電磁場推動電動機的轉子運動，輸出動能；但同樣的機構能反向作用，產生反方向之功能，就是若電動機的轉子受到外力帶動旋轉時，電動機將成為發電機功能，其定子線圈將產生大電力，經由功率模組接收此發電機的大電力，經處理並受到控制模組的控制信號操控之後，將大電力傳導至外界使用，例如充入電池內儲存。

由於電子科技的進步，近年來，驅控器其體積被大幅縮小以提高其功率密度，這點對於機電一體化很有利；但雖然體積縮小了，因為驅控器仍要控制並供應大功率之電流，給電動機使用，其使用功率沒有降低，使得驅控器本身於工作時仍然會產生大量高溫，必須儘速將熱量帶走或散開，不然將會造成該驅控器燒毀。

當機電一體化時，要將驅控器硬體裝設在電動機的軸端部，一般會有兩個困難的問題，需要解決；一是電動機的定子線圈的電力線繞線，其出線之線端頭組裝作業困難的問題；每一定子配合其相數與極數，會有多組繞線之線圈，讓電力流通產生電磁場；每一線圈皆有電力流入端與流出端，各線圈各有兩條電力線之端頭，各線圈的電力線端頭，需配合繞線方式焊接一起，並與驅控器之供應電源線銜接，以獲得電力；若是三相電流之電動機，其所有線圈之電力線端頭，最後會焊接於一個接地點和三件出線接頭上，形成特定型式之定子繞線，如Y型繞線或△型繞線等等，一般每一相至少有一件出線接頭；此一繞線出線接頭之組合作業，需在定子各線圈已全部組裝於定子(矽鋼片組)上之後才連接各出線頭，也就是說各繞線之出線端頭組合作業，須在電動機定子外殼的軸端側面的內部區域作業完成，其作業空間很狹窄，使得組裝作業非常不易，且會容易造成組裝品質下降；當各出線端頭組裝好之後，要再連接驅控器之電力輸出端頭；由於這一組裝作業是在電動機定子外殼的軸端的側面進行，如果驅控器與電動機定子線圈之間的距離很近，不論是使用焊接或鎖固連接，其組裝作業皆很困難，一般需要設計較長的導電線，連接兩者，才能完成整個電力之連接作業，過長的導電線最後又全部彎折擠壓 裝配於電動機軸端很小的空間中，不僅造成電阻抗增加連帶熱損增加，也容易造成連接點受力脫落等品質不良的問題；二是緊迫的空間，讓驅控器的散熱裝置不易設計，使得散熱更加困難；如何在狹窄的空間中，能將驅控器的熱量，經由氣冷或水冷的方式有效的帶走，這是機電一體式電動機常要面對的問題，熱量沒有充分的散開，將造成驅控器的電路元件容易燒毀。

換言之，要求提高動力系統的功率密度，就是要求輸出功率提高同時要縮小使用空間；為了讓使用空間能越小越好，使得機電一體化，就是將電動機本體與其驅控器硬體，整合成一整體，以利於縮小整體使用空間，這種結構已成為之電動機產品(例如電動車輛)之發展趨勢。但是機電一體化，使得組裝空間很緊迫，會很明顯的造成以下問題，例如設計困難、組裝困難、散熱困難、組裝品質下降等問題；這些問題是全世界電動機行業，開發新產品時，都要面對的棘手問題。

據此，如何能有一種設計簡單、組裝簡易、具高散熱性且可提高組裝品質，可解決習知機電一體化電動機常見之電力出線組裝困難及驅控器散熱不良等兩大問題之『驅控器連結電動機之冷卻結構』，是相關技術領域人士亟待解決之課題。

於一實施例中，本發明提出一種驅控器連結電動機之冷卻結構，該驅控器包含一功率模組與一控制模組，該電動機具有一轉子與一定子，該驅控器連結電動機之冷卻結構包含：一外殼，呈筒狀套設於該定子外；以及一後水套，其包含至少一組合洞，該至少一組合洞係供至少一導電柱通過，該後水套設置於該外殼之一軸向 端，於該後水套設有複數後水套水路，其中該定子電性耦合該至少一導電柱之一端，該功率模組連接該至少一導電柱之另一端。

100‧‧‧驅控器連結電動機之冷卻結構

10‧‧‧電動機

11‧‧‧轉子

12‧‧‧定子

121‧‧‧電線

13A、13B‧‧‧軸承

20‧‧‧驅控器

21‧‧‧功率模組

211‧‧‧電力接頭

212、213‧‧‧正負電接頭

22‧‧‧控制模組

221‧‧‧電流感測器

23‧‧‧防護罩

30‧‧‧導電柱

33‧‧‧凸緣

34‧‧‧絕緣墊片

40‧‧‧外殼

41A~41F‧‧‧外殼水路

42‧‧‧壁肉

43、44‧‧‧螺孔

50‧‧‧前水套

51A~51C‧‧‧前水套水路

52‧‧‧螺栓

53‧‧‧墊片

54‧‧‧螺孔

60‧‧‧後水套

61A~61D‧‧‧後水套水路

62‧‧‧螺栓

63‧‧‧墊片

64‧‧‧螺孔

65‧‧‧後水套座

651‧‧‧第一面

652‧‧‧第二面

653‧‧‧進水水路

654‧‧‧出水部

66‧‧‧蓋板

661‧‧‧進水孔

662‧‧‧出水孔

663‧‧‧進水管

664‧‧‧出水管

67‧‧‧組合洞

70‧‧‧電絕緣套

80‧‧‧固定裝置

81‧‧‧墊片

圖1為本發明實施例之分解結構示意圖。

圖2為本發明之冷卻水路及導電柱與電絕緣套部分之組合結構示意圖。

圖3為本發明之外殼搭配前水套及後水套之分解結構示意圖。

圖4為本發明之後水套之另一角度搭配外殼之立體結構示意圖。

請參閱圖1及圖2所示實施例，驅控器連結電動機之冷卻結構100，主要包含一外殼40、一前水套50及一後水套60。必須說明的是，本實施例是以三相電動機為說明例，依其繞線型式，設有三個導電柱30、搭配三個絕緣套70；但電動機依其使用之不同電力相數和不同的繞線型式，可能使用不同數量之導電柱30並搭配該數量之絕緣套70，換言之，若是單相電動機，則可能只要設置一個導電柱30搭配一個絕緣套70，而二相電動機一般設置二個導電柱30搭配二個絕緣套70，但繞線不同時，也可能設置更多個電柱30搭配同數個絕緣套70，以此類推。此外，於本實施例中，每一絕緣套70搭配一固定裝置80分別用以固定一導電柱30，以及用以組合一驅控器20、後水套60及一電動機10為一體。固定裝置80可搭配一墊片81。

電動機10具有一轉子11與一定子12；轉子11軸向兩端分別設有一軸承13A、13B，轉子11軸設於定子12內，外殼40呈筒 狀套設於定子12外。

驅控器20包含一功率模組21與一控制模組22。定子12以電線121電性耦合每一導電柱30之一端，功率模組21以電力接頭211連接每一導電柱30之另一端。控制模組22設有三個電流感測器221。每一導電柱30皆穿越控制模組22，且每一導電柱30皆穿越一電流感測器221；後水套60與控制模組22之間設有三個絕緣墊片34，每一導電柱30皆穿過一絕緣墊片34。本實施例之電流感測器221裝設於控制模組22之上用以量測電流量，故該每一導電柱30以穿越控制模組22同時穿過電流感測器221為最佳，但由於電流感測器有多種型式，有些型式的電流感測器並不必然要被導電柱30穿過就能量測出電流值，而且有些電動機以電壓值作為控制參數，不使用電流值作控制，可能不量測電流，則可能不使用電流感測器，而是使用電壓感測器量測電壓值，此時該每一導電柱30就不必然要穿越該控制模組22。

此外，本實施例將導電柱30連接電線121之一端設置具有一凸緣33，是為了焊接電線121的方便性，同時有利於將導電柱30定位於控制模組22之一側，然導電柱30的形式並不限於此態樣。

前水套50與後水套60分別設置於轉子11軸向兩端及並承接轉子11軸向兩端之軸承13A、13B。前水套50與後水套60分別以螺栓52、62配合墊片53、63(圖1僅代表示出一根螺栓52、62及一個墊片53、63)穿設於前水套50與後水套60所具有之螺孔54、64，而後鎖固於外殼40兩軸向端所具有之螺孔43、44。於外殼40、前水套50及後水套60之各接合面皆有防漏處理，例如以防漏墊片，或防水膠等(圖中未示出)。外殼40兩軸向端的螺孔 43、44以錯開為佳，以利於各水路之設計能有利於外殼40鑄造成型時，便於由兩軸端側拔出連接前水套50與後水套60個別水流通路的模具(圖中未示出)。

後水套60包含三個組合洞67，每一導電柱30皆穿越後水套60之一組合洞67，三個電絕緣套70分別套設於三個導電柱30外，用以電性隔離導電柱30與控制模組22或後水套60，亦即，每一個組合洞67係容置一電絕緣套70與一導電柱30。

此外，設置有一防護罩23罩設於功率模組21外以保護功率模組21，且功率模組21的正負電接頭212、213伸出防護罩23，接受外來電源之電力，例如電池(未顯示於圖式中)提供正負電力，經過功率模組21將電力轉化成三相交流電，以至少3個電力輸出接頭，將三相中各相位之電力提供給定子12。防護罩23可以螺栓或其他方式固定於後水套60。

電絕緣套70讓導電柱30能安全地穿過後水套60，並連接於功率模組21之電力接頭211，而不會有漏電之虞慮。根據以上所述，導電柱30之一軸向端與定子12耦接，另一軸向端依序穿越控制模組22、電流感測器221、絕緣墊片34、後水套60、電力接頭211；電絕緣套70則套設於導電柱30外並穿越後水套60。由於較軟材質的電絕緣套70能於導電柱30穿過後水套60之較大組合洞67之後，再於外側往組合洞67內套住導電柱30，使得導電柱30與後水套60組裝時其間的間隙大，很容易組裝，而且電絕緣套70較軟也能容易套入組合洞67之中，然後再於更外側組裝功率模組21，整個組裝程序完全由軸端一層一層、依序組裝作業，且每一作業皆不會因間隙緊密造成困難組裝的地方，因此讓整個組裝作業相 對於所有習知技藝更為簡易，組裝作業的簡易，不僅能提高組裝速度，更有利於降低零件尤其是剛性強的電力線及其接合點的組裝損傷，因此能提高組裝品質又能降低組裝成本。

請參閱圖3及圖4所示，說明本發明之一實施例，係由外殼40、前水套50及後水套60構成之冷卻裝置，然本發明實施態樣不限於此。圖3及圖4中所示之虛線箭頭皆表示冷卻水流方向。

於外殼40設有複數呈長條形、貫通其相對兩軸向端且相互平行之外殼水路41A~41F，各外殼水路41A~41F內部有壁肉42隔離不相流通。

於前水套50相對應於外殼水路41A~41F設有複數前水套水路51A~51C。其中，前水套水路51A對應於外殼水路41A~41B，前水套水路51B對應於外殼水路41C~41D，前水套水路51C對應於外殼水路41E~41F。如圖2顯示前水套水路51B可對應連通於外殼水路41C。

後水套60相對應於外殼水路41A~41F設有複數後水套水路61A~61D(如圖4所示)。其中，後水套水路61A對應於外殼水路41A，後水套水路61B對應於外殼水路41B~41C，後水套水路61C對應於外殼水路41D~41E，後水套水路61D對應於外殼水路41F。如圖2顯示後水套水路61B可對應連通於外殼水路41C。

由上述外殼水路41A~41F、前水套水路51A~51C與後水套水路61A~61D構成一連續之冷卻水路，可於冷卻水路設置一進水端與一出水端，以供冷卻水流入及流出冷卻水路。

於本實施例中，後水套60包含一後水套座65與一蓋板66，蓋板66與後水套座65之間可以螺栓(圖中未示出)鎖固或以其他 方式連接。後水套座65具有相對之一第一面651與一第二面652，第二面652朝向外殼40，蓋板66設置於第一面651。於第一面651設有一進水水路653及一出水部654，進水水路653的設計沒有限制，例如圖3所示虛線箭頭方向，以可讓冷卻水盡量流經第一面651的大部分區域為前提。於第二面652設有複數後水套水路61A~61D(如圖4所示)，進水水路653連通於後水套水路61A，出水部654連通於後水套水路61D。於蓋板66設有一進水孔661、一出水孔662分別連通進水水路653及出水部654，且分別連接於一進水管663、出水管664。藉由上述結構，於蓋板66形成一進水端(由進水管663、進水孔661構成)與一出水端(由出水管664、出水孔662構成)，進水端連通於進水水路653，出水端連通於出水部654。冷卻水由進水管663進入進水水路653後，可通過後水套水路61A而後進入外殼水路41A，而前述出水端則提供由外殼水路41F流入後水套水路61D內之冷卻水流出後水套60。

藉由上述外殼水路41A~41F、前水套水路51A~51C及後水套水路61A~61D之設計，冷卻水之流動路徑為：進水管663→進水孔661→進水水路653→後水套水路61A→外殼水路41A→前水套水路51A→外殼水路41B→後水套水路61B→外殼水路41C→前水套水路51B→外殼水路41D→後水套水路61C→外殼水路41E→前水套水路51C→外殼水路41F→後水套水路61D→出水部654→出水孔662→出水管664。

冷卻水由出水管664流出並帶走熱量後，另經散熱器等裝置(圖中未示出)作散熱處理。

必須說明的是，亦可將進水端與出水端設置於外殼40，以提 供冷卻水進入外殼水路41A及提供外殼水路41F內之冷卻水流出外殼40。如此，可省略進水水路653、出水部654、蓋板66等結構。例如，若將進水管663連通外殼水路41A，將出水管664連通外殼水路41F，則冷卻水之流動路徑為：進水管663→外殼水路41A→前水套水路51A→外殼水路41B→後水套水路61B→外殼水路41C→前水套水路51B→外殼水路41D→後水套水路61C→外殼水路41E→前水套水路51C→外殼水路41F→出水管664。

同理，可將進水端與出水端設置於冷卻水路的其他位置，冷卻水之流動路徑也隨之改變。此外，當外殼40的尺寸不同時，設置於外殼的外殼水路的數量也會不同，不限於圖示六條外殼水路41A~41F，而前水套水路與後水套水路的數量也隨之變化，不限於圖示態樣。此外，依照本發明之另一實施例，冷卻裝置可由外殼40及後水套60構成，藉由適當安排進水端與出水端的位置以及因應設置相對水路，亦可形成所需之冷卻水的流動路徑。

請參閱圖1及圖2所示，後水套60位於電動機10與功率模組21之間，由於功率模組21會產生大量的熱，因此藉由本發明由外殼40、前水套50及後水套60構成之冷卻裝置，可對需有特別散熱處理之功率模組21發揮優異的散熱效果。本發明將溫度最高的功率模組21分開貼近後水套60外側面，後水套60外側面具有更開放之利用空間，有利於散熱方案之設定並易於接收外加電源之電力。

上述於外殼40、前水套50及後水套60設置冷卻水路之方式僅作為本發明之一實施例，除此之外，亦可將水路設計為其他態樣，基於功率模組21會產生大量熱的前提，因此可僅於後水套60 設置後水套水路。

綜上所述，本發明所提供之驅控器連結電動機之冷卻結構，於電動機定子外殼設置水路，搭配於後水套之水路，或者於電動機定子外殼的兩軸端設置相通之前、後水套，藉以形成冷卻水路徑及水冷冷卻裝置，並將驅控器(尤其是功率模組)貼附於冷卻裝置表面，並於冷卻裝置上設有組合孔並設置電絕緣套以容納電動機電力的導電裝置通過並連結驅控器，以達成縮小冷卻裝置體積，簡化電力傳導線組裝作業的功效，同時解決如何以更緊湊的空間安裝足夠的冷卻裝置，並且不因空間緊湊而難以組裝之現有問題。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (12)

1. 一種驅控器連結電動機之冷卻結構，該驅控器包含一功率模組與一控制模組，該電動機具有一轉子與一定子，該驅控器連結電動機之冷卻結構包含：一外殼，呈筒狀套設於該定子外，該外殼設有貫通其相對兩軸向端之複數外殼水路；一後水套，其包含至少一組合洞，該至少一組合洞係供至少一導電柱通過，該後水套設置於該外殼之一軸向端，於該後水套設有複數後水套水路；以及一前水套，設置於該外殼之另一軸向端，於該前水套相對應於該外殼水路設有複數前水套水路，該複數外殼水路、該複數前水套水路與該複數後水套水路構成一連續之冷卻水路，其中該定子電性耦合該至少一導電柱之一端，該功率模組連接該至少一導電柱之另一端。
2. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該複數外殼水路相互平行。
3. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該前水套與該後水套分別設置於該轉子軸向兩端及承接該轉子軸向兩端之軸承。
4. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該後水套設置於該轉子軸向之一端及承接該轉子軸向的該端之軸承。
5. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，另包含：至少一電絕緣套，套設於該至少一導電柱外，且穿設於該後水套之該至少一組合洞，用以電性隔離該至少一導電柱、該控制模組及該後水套。
6. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該後水套位於該控制模組與該功率模組之間。
7. 如請求項6所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，另包含：至少一絕緣墊片，位於該後水套與該控制模組之間，該至少一導電柱穿過該至少一絕緣墊片。
8. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該後水套具有一進水端與一出水端，該進水端提供冷卻水進入該後水套水路，該出水端提供該後水套水路內之冷卻水流出該後水套。
9. 如請求項8所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該後水套包含：一後水套座，其具有相對之一第一面與一第二面，該第二面朝向該外殼，於該第一面設有一進水水路及一出水部，於該第二面設有該複數後水套水路，該進水水路連通於其中一該後水套水路，該出水部連通於其中另一該後水套水路；以及一蓋板，設置於該第一面，該蓋板具有該進水端與該出水端，該進水端連通於該進水水路，該出水端連通於該出水部。
10. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該外殼具有一進水端與一出水端，該進水端提供冷卻水進入該外殼水路，該出水端提供該外殼水路內之冷卻水流出該外殼。
11. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，另包含：一固定裝置，用以固定該至少一導電柱，以及組合該驅控器、該後水套及該電動機為一體。
12. 如請求項1所述之驅控器連結電動機之冷卻結構，其中該至少一導電柱穿越該控制模組。