CN107134903A - 一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机 - Google Patents

一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，包括驱动端定子组件和非驱动端定子组件组成的定子组件、驱动端转子组件、中间转子组件和非驱动端转子组件，以及非驱动端端盖、驱动端轴承外盖，非驱动端定子组件的外侧设置有非驱动端端盖，非驱动端端盖上设置有非驱动端轴承外盖，非驱动端轴承外盖上设置有旋转变压器组件，定子组件上的机座上固定有出线盒组件，机座上开设有进水口接头和出水口接头，采用水冷循环散热设计的盘式电机以及定子绕组与定子轮毂的筋板的紧密贴合，热量通过传导与对流可以很快带走，功率密度、扭矩密度可以做的更大，结构更加紧凑。

Description

一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电 动机
技术领域
本发明属于纯电动、混合动力汽车驱动领域，具体涉及一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机。
背景技术
在纯电动、混合动力汽车驱动领域应用的电机多为径向磁通的交流永磁同步电动机、直流电机或者交流异步电动机，由于传统径向电机轴向安装尺寸较大，功率密度和效率都偏低，不利于在电动汽车领域空间要求严格、效率要求高的场合应用。
常规的水冷电机，一般采用机座水冷或者少数的端盖水冷等单一冷却形式，而纯电动、混合动力汽车用电机防护等级要求高，底盘安装空间狭小，电机在加速超车、爬坡等工况，产生大量的热量，考虑到机座内空气的导热能力比较差、机座水道或者端盖水道与定子铁芯存在装配间隙，导致很大的传导热阻，有时仅仅靠机座水冷或者端盖水冷来换热往往不能及时散出，给电机温升管理带来极大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，具有对流换热效率高，换热面积大，导热速度快等优点，采用这种散热结构的盘式电机，功率密度、扭矩密度可以做得更高，结构更加紧凑，适应于未来对电机安装空间有苛刻要求的场合。
为了达到上述目的，本发明包括通过驱动端定子组件和非驱动端定子组件组成的定子组件，驱动端定子组件至非驱动端定子组件间依次设置有驱动端转子组件、中间转子组件和非驱动端转子组件，驱动端定子组件的外侧设置有驱动端端盖，驱动端端盖上设置有驱动端轴承外盖，非驱动端定子组件的外侧设置有非驱动端端盖，非驱动端端盖上设置有非驱动端轴承外盖，非驱动端轴承外盖上设置有旋转变压器组件，定子组件上的机座上固定有出线盒组件，机座上开设有进水口接头和出水口接头。
所述驱动端转子组件、中间转子组件和非驱动端转子组件通过背靠背安装的第一角接触球轴承和第二角接触球轴承进行轴向定位。
所述驱动端定子组件和非驱动端定子组件采用并联供电模式或串联供电模式。
所述驱动端定子组件和非驱动端定子组件的结构相同，均包括定子铁芯，定子铁芯的外壁上绕有定子绕组，定子绕组的槽内直线段采用第一槽楔和第二槽楔压紧，定子绕组两侧分别通过第一外箍圈、第二外箍圈、第一内箍圈和第二内箍圈固定在定子轮毂上，定子铁芯上开设三个轴向通风孔，定子铁芯的两侧端面径向通风槽。
所述定子绕组st109采用C级绝缘漆包线，并采用多股并绕。
所述出线盒组件包括出线盒壳体，出线盒壳体内固定有三个填料函和一个温检接头，出线盒壳体与盖板和背板共同组成密闭空腔，盖板上设置有三个接线铜柱，接线铜柱的一端通过机座上的过线孔引出后接入定子绕组(st109)的引出线，接线铜柱的另一端外接动力电缆。
所述盖板与出线盒壳体之间设有橡胶垫，接线铜柱通过环氧底板的端面限位。
所述非驱动端转子组件和驱动端转子组件的结构相同，均包括磁钢，磁钢的底面涂覆有磁钢底面胶，磁钢固定在转子铁芯上，相邻的磁钢间设置有用于限位的磁钢隔条；
所述中间转子组件包括第一磁钢框架和第二磁钢框架，第一磁钢框架和第二磁钢框架间固定有中间转子磁钢，中间转子磁钢的底面涂覆有磁钢底面胶；
所述驱动端转子组件与中间转子组件固定在第一轴套的两侧，中间转子组件与非驱动端转子组件固定在第二轴套的两侧，第一轴套和第二轴套与轴均通过花键副连接，第一轴套的外侧通过弧键定位，第二轴套的外侧通过弧键定位；
所示非驱动端转子组件和驱动端转子组件的磁钢以及中间转子磁钢外均涂覆有环氧镀层。
所述旋转变压器组件包括固定在旋转变压器定子法兰盘上的旋转变压器定子，旋转变压器定子内设置有旋转变压器铁芯，旋转变压器定子法兰盘上开设有若干用于调节旋转变压器定子圆周位置的腰形孔，旋转变压器定子法兰盘固定在非驱动端轴承外盖上，旋转变压器转子固定在旋转变压器轴套上，并通过轴用挡圈限制轴向运动，旋转变压器转子设置在旋转变压器定子内，旋转变压器定子法兰盘外设置有固定在非驱动端轴承外盖上的旋转变压器外盖。
与现有技术相比，本发明采用双定子三转子的架构，机座上开设有进水口接头和出水口接头，使冷却液能够进入电机内部进行热交换，本装置具有对流换热效率高，换热面积大，导热速度快等优点，采用这种散热结构的盘式电机，功率密度、扭矩密度可以做得更高，结构更加紧凑，适应于未来对电机安装空间有苛刻要求的场合。
进一步的，本发明的定子铁芯设计成独立的无轭部定子齿块，每个定子齿块绕有集中绕组，因采用独立的分段电枢结构，可以显著降低铁芯的涡流损耗，从而提高电机运行效率。同时，由于转子采用了磁钢表贴式结构以及12槽10极的近极槽配合，盘式电动机具有较好的弱磁扩速能力，适合高速运行工况。
进一步的，本发明中驱动端转子磁钢、中间转子磁钢和非驱动端转子磁钢均采用分块设计，并进行环氧镀层来阻断涡流以降低涡流损耗。
进一步的，本发明的定子绕组采用细的、漆膜耐温等级更高的C级绝缘漆包线，多股并绕以降低高频涡流铜耗等措施。
附图说明
图1为本发明的零部件***结构图；
图2为本发明的整体剖面结构图；
图3为本发明的磁路结构图；
图4为本发明的供电模式结构图；其中，(a)双定子串联供电，(b)为双定子并联供电；
图5为本发明的定子组件剖面结构图；
图6为本发明的定子组件***结构图；
图7为本发明的转子组件剖面结构图；
图8为本发明的转子组件***结构图；
图9为本发明的出线盒组件剖面结构图；
图10为本发明的出线盒组件***结构图；
图11为本发明的旋转变压器组件剖面结构图；
图12为本发明的旋转变压器组件***结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1，图2所示，本发明采用双定子三转子架构，有主轴设计，其中转子采用磁钢表贴式结构，温升管理采用整个定子轮毂水冷循环冷却散热模式；包括驱动端定子组件st100a、非驱动端定子组件st100b、驱动端转子组件ro200a、中间转子组件ro200b、非驱动端转子组件ro200c、出线盒组件te300、旋转变压器组件re400。定子组件st100a位于驱动端转子组件ro200a和中间转子组件ro200b中间，定子组件st100b位于中间转子组件ro200b和非驱动端转子组件ro200c中间，驱动端转子组件ro200a、中间转子组件ro200b和非驱动端转子组件ro200c通过2个花键轴套连接。旋转变压器组件re400通过紧定螺钉re411固定到非驱动端轴承外盖4上，出线盒组件te300通过紧定螺钉te301固定到定子组件st100中的机座st102上。驱动端端盖1和非驱动端端盖2通过双头螺柱st123和螺母st124固定到定子组件st100的机座st102上，3个转子组件的轴向定位通过2个背靠背安装的角接触球轴承ro213、角接触球轴承ro222实现，两侧使用驱动端轴承外盖3、非驱动端轴承外盖4固定。
如图3所示，定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机的磁路贯穿定子组件st100、驱动端转子组件ro200a、中间转子组件ro200b和非驱动端转子组件ro200c。具体磁路如下：第一磁钢ro202a→第一定子铁芯st107a→第二磁钢ro207a→第二定子铁芯st107c→第三磁钢ro211a→第三转子铁芯ro212→第四磁钢ro211b→第四定子铁芯st107d→第五磁钢ro207b→第五定子铁芯st107b→第六磁钢ro202b→第六转子铁芯ro201。其中相邻位置的第一磁钢ro202a与第六磁钢ro202b，第二磁钢ro207a与第五磁钢ro207b，第三磁钢ro211a与第四磁钢ro211b极性相反，相同位置的第一磁钢ro202a、第二磁钢ro207a和第三磁钢ro211a，第六磁钢ro202b、第五磁钢ro207b和第四磁钢ro211b极性相同。
如图4所示，轴向磁通盘式电机有两个定子组件st100a、定子组件st100b，可以采用并联供电模式，承受更大的电流；亦可以采用串联供电模式，可以承受更大的电压。
如图5和图6所示，定子组件st100包括定子铁芯st107，定子铁芯st107由高磁导率、低损耗、超薄硅钢片卷绕而成，然后分割成一个个独立的电枢齿，以降低定子铁芯涡流损耗。定子铁芯st107的外壁面绕有定子绕组st109，定子绕组st109槽内直线段使用第一槽楔st106和第二槽楔st108压紧，定子绕组st109的内外端部通过第一外箍圈st105、第二外箍圈st121、第一内箍圈st104、第二内箍圈st119、紧定螺钉st101、紧定螺钉st103、紧定螺钉st120、紧定螺钉st122固定到定子轮毂st113，以限制其轴向运动。定子铁芯st107上开设有三个轴向通风孔，定子铁芯st107的两侧端面径向通风槽。进水口接头st114、出水口接头st115通过紧定螺钉st123、紧定螺钉st124固定到机座st102上。
定子组件st100与非驱动端转子组件ro200c、中间转子组件ro200b和驱动端转子组件ro200a的相对运动，通过一对背对背安装的第一角接触轴承ro213与第二角接触轴承ro222实现，第一角接触轴承ro213和第二角接触轴承ro222均与主轴ro209通过过盈配合链接，第一角接触轴承ro213与第二角接触轴承ro222分别与驱动端端盖1和非驱动端端盖2通过过渡配合链接，驱动端轴承外盖3、非驱动端轴承外盖4通过螺钉5、螺钉6用于的记忆角接触轴承ro213与第二角接触轴承ro222的轴向限位。
如图9和图10所示，出线盒组件te300，为了固定外接动力和温检信号引接线，分别引入了3个填料函te315、1个温检接头te313，填料函te315固定到出线盒壳体te316上，盖板te302通过螺钉te301固定出线盒壳体te316上，盖板te302与出线盒壳体te316之间设有橡胶垫te305。定子绕组st109的引出线通过机座st102上的过线孔引出，使用螺母te312和接线铜鼻子te311连接到接线铜柱te308的一端，另一端使用接线铜鼻子te304外接动力电缆，同理，使用螺母te303压紧。其中接线铜柱te308通过环氧底板te307的端面限位，其上套有橡胶圈te309，通过紧定螺钉固定法兰盘st310，从而压紧橡胶圈te309，压紧起密封作用，定子绕组st109的温度传感器引接线通过温检插头te313引出。同时，设置了密封垫te317、密封垫te302、密封垫te305，以保证出线盒组件te300内部是一个密封的空间。
密封方面，出线盒te300内部安装有密封垫te317、密封垫te302、密封垫te305、环氧底板te307、接线铜柱te308、橡胶圈te309构成出线盒部分的密封空间。
如图5所示，机座st102上安装有进水接头st114和出水接头st115，其上开有进/出水口。定子绕组st109、定子铁芯st107、产生的热量，通过流动的冷却液带走，通过定子轮毂st113的水冷循环冷却设计以及定子绕组st109与定子轮毂st113的贴合装配，增大主要发热源的接触散热面积，提高热源表面对流换热系数，显著改善了定子散热效果，同时，通过定子铁芯st107的轴向通风孔与两个端面通风槽、风路可以多支路流动，增大表面的散热面积，定子铁芯st107、定子绕组st109产生的热量可以较快的被带走。
如图7和图8所示，非驱动端转子组件ro200c，为了使电机具有更高的功率密度，将转子组件ro200c的非驱动端转子磁钢ro211设计成表贴式结构。非驱动端转子组件ro200c包括非驱动端转子磁钢ro211，非驱动端转子磁钢ro211底面涂覆磁钢底面胶，使用非驱动端转子磁钢隔条ro209来定位非驱动端转子磁钢ro211，限制其切向、径向、轴向运动。通过螺钉ro210将非驱动端转子磁钢隔条ro209固定到非驱动端转子铁芯ro212上。
中间转子组件ro200b，将转子组件ro200b中的中间转子磁钢ro207设计成表贴式结构。中间转子组件ro200b包括中间转子磁钢ro207，中间转子磁钢ro207底面涂覆磁钢底面胶，两侧使用第一磁钢框架ro206中间转子、第二磁钢框架ro208来定位中间转子磁钢ro211，限制其切向、径向、轴向运动。通过螺钉ro205将第一磁钢框架ro206、第二磁钢框架ro208固定到一起。
如图9，图10所示，驱动端转子组件ro200a的结构形式，与非驱动端转子组件ro200c的结构形式相同，驱动端转子组件ro200a与中间转子组件ro200b通过的记忆轴套ro217上的两侧法兰连接，使用紧定螺钉ro215、紧定螺钉ro218固定拧紧；同理，非驱动端转子组件ro200c与中间转子组件ro200b通过第二轴套ro219上的两侧法兰连接，使用紧定螺钉ro218、紧定螺钉ro220固定拧紧。第一轴套ro217、第二轴套ro219与轴ro216通过花键副连接，两侧使用第一弧键ro214、第二弧键ro221定位。
如图11和图12所示，旋转变压器组件re400，目的是为了精确的检测转子位置信号，设计有旋转变压器定子re408，过盈装配到旋转变压器定子法兰盘re410上。旋转变压器定子法兰盘re410开有4个腰形孔，用于调节旋转变压器定子re408的圆周位置，最后通过螺钉re409固定到非驱动端轴承外盖4上；旋转变压器转子re405通过平键re404固定到旋转变压器轴套re406上，使用轴用挡圈re406限制轴向运动，旋转变压器转子re405设置在旋转变压器定子re408内。旋转变压器外盖re412通过紧定螺钉re411固定到非驱动端端盖4上。
本发明的工作原理为：定子组件st100中的定子绕组st109外接电机逆变器输出的三相交流电，产生圆形旋转磁场，驱动端转子磁钢ro202、中间转子磁钢ro207、非驱动端转子磁钢ro211产生的磁场切割定子绕组st109，从而定子绕组st109产生的圆形旋转磁场带动驱动端转子磁钢ro202、中间转子磁钢ro207、非驱动端转子磁钢ro211产生的永磁磁场同步旋转，产生电磁转矩。在盘式电机运行过程中产生的热量，主要通过2个定子轮毂st113中的循环冷却液带走，由于采用定子轮毂st113水冷循环冷却方案，盘式电机可以承受更大的过载，拥有更大的功率密度和扭矩密度；采用了表贴式转子方案，使得盘式电机拥有了更高的功率密度和扭矩密度。
该盘式电机采用有主轴设计，减速器或者差速器的输出轴上的内花键与盘式电机的外花键，通过花键副连接，其中与减速器耦合，用于减速；或者与差速器耦合，用于直驱。主要作为牵引动力，适合应用于纯电动、混合动力汽车等对空间要求苛刻、直驱或者配减速器的领域。
被动降低损耗方面，定子轮毂st113设计有回旋型水道，定子绕组st109与定子轮毂st113紧密贴合装配，将定子绕组st109、定子铁芯st107产生的热量传导到定子轮毂st113，热量通过水道内的冷却液带走。定子铁芯st107的每个独立的电枢齿在轴向方向开有3个通风孔，两侧端面设计有径向通风槽，转子旋转过程中，可以增大定子铁芯表面的对流换热系数，提高散热能力。驱动端转子磁钢ro202、中间转子磁钢ro207、非驱动端转子磁钢ro211采用耐温等级更高的N38EH烧结钕铁硼材质。通过以上措施，盘式电机具有了更高的耐温升等级,可以承受更大的过载，结构更加紧凑，提高了电机功率密度和扭矩密度。

Claims (9)

1.一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，包括通过驱动端定子组件(st100a)和非驱动端定子组件(st100b)组成的定子组件(st100)，驱动端定子组件(st100a)至非驱动端定子组件(st100b)间依次设置有驱动端转子组件(ro200a)、中间转子组件(ro200b)和非驱动端转子组件(ro200c)，驱动端定子组件(st100a)的外侧设置有驱动端端盖(1)，驱动端端盖(1)上设置有驱动端轴承外盖(3)，非驱动端定子组件(st100b)的外侧设置有非驱动端端盖(2)，非驱动端端盖(2)上设置有非驱动端轴承外盖(4)，非驱动端轴承外盖(4)上设置有旋转变压器组件(re400)，定子组件(st100)上的机座(st102)上固定有出线盒组件(te300)，机座(st102)上开设有进水口接头(st114)和出水口接头(st115)。
2.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述驱动端转子组件(ro200a)、中间转子组件(ro200b)和非驱动端转子组件(ro200c)通过背靠背安装的第一角接触球轴承(ro213)和第二角接触球轴承(ro222)进行轴向定位。
3.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述驱动端定子组件(st100a)和非驱动端定子组件(st100b)采用并联供电模式或串联供电模式。
4.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述驱动端定子组件(st100a)和非驱动端定子组件(st100b)的结构相同，均包括定子铁芯(st107)，定子铁芯(st107)的外壁上绕有定子绕组(st109)，定子绕组(st109)的槽内直线段采用第一槽楔(st106)和第二槽楔(st108)压紧，定子绕组(st109)两侧分别通过第一外箍圈(st105)、第二外箍圈(st121)、第一内箍圈(st104)和第二内箍圈(st119)固定在定子轮毂(st113)上，定子铁芯(st107)上开设三个轴向通风孔，定子铁芯(st107)的两侧端面径向通风槽。
5.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述定子绕组st109采用C级绝缘漆包线，并采用多股并绕。
6.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述出线盒组件(te300)包括出线盒壳体(te316)，出线盒壳体(te316)内固定有三个填料函(te315)和一个温检接头(te313)，出线盒壳体(te316)与盖板(te302)和背板(te319)共同组成密闭空腔，盖板(te302)上设置有三个接线铜柱(te308)，接线铜柱(te308)的一端通过机座(st102)上的过线孔引出后接入定子绕组(st109)的引出线，接线铜柱(te308)的另一端外接动力电缆。
7.根据权利要求6所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述盖板(te302)与出线盒壳体(te316)之间设有橡胶垫(te305)，接线铜柱(te308)通过环氧底板(te307)的端面限位。
8.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述非驱动端转子组件(ro200c)和驱动端转子组件(ro200a)的结构相同，均包括磁钢，磁钢的底面涂覆有磁钢底面胶，磁钢固定在转子铁芯上，相邻的磁钢间设置有用于限位的磁钢隔条；
所述中间转子组件(ro200b)包括第一磁钢框架(ro206)和第二磁钢框架(ro208)，第一磁钢框架(ro206)和第二磁钢框架(ro208)间固定有中间转子磁钢(ro207)，中间转子磁钢(ro207)的底面涂覆有磁钢底面胶；
所述驱动端转子组件(ro200a)与中间转子组件(ro200b)固定在第一轴套(ro217)的两侧，中间转子组件(ro200b)与非驱动端转子组件(ro200c)固定在第二轴套(ro219)的两侧，第一轴套(ro217)和第二轴套(ro219)与轴(ro216)均通过花键副连接，第一轴套(ro217)的外侧通过弧键(ro214)定位，第二轴套(ro219)的外侧通过弧键(ro221)定位；
所示非驱动端转子组件(ro200c)和驱动端转子组件(ro200a)的磁钢以及中间转子磁钢(ro207)外均涂覆有环氧镀层。
9.根据权利要求1所述的一种定子轮毂水冷且双定子三转子架构的轴向磁通盘式电动机，其特征在于，所述旋转变压器组件(re400)包括固定在旋转变压器定子法兰盘(re410)上的旋转变压器定子(re408)，旋转变压器定子(re408)内设置有旋转变压器铁芯(re407)，旋转变压器定子法兰盘(re410)上开设有若干用于调节旋转变压器定子(re408)圆周位置的腰形孔，旋转变压器定子法兰盘(re410)固定在非驱动端轴承外盖(4)上，旋转变压器转子(re405)固定在旋转变压器轴套(re401)上，并通过轴用挡圈(re406)限制轴向运动，旋转变压器转子(re405)设置在旋转变压器定子(re408)内，旋转变压器定子法兰盘(re410)外设置有固定在非驱动端轴承外盖(4)上的旋转变压器外盖(re412)。
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