CN108270301A - 一种具有绕组端部冷却结构的定子结构及其电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有绕组端部冷却结构的定子结构及其电机，该定子结构包括：定子铁芯、绕组和定子灌封结构，绕组固定于定子铁芯上，定子灌封结构通过采用不导磁材料对定子铁芯的槽内空隙及绕组端部进行灌封固定而成，在定子灌封结构中存在环形空腔、冷却液进口及冷却液出口，环形空腔靠近绕组端部；通过冷却进口和冷却液出口向环形空腔中通入循环流动的冷却液，实现绕组端部冷却。本发明提的端部冷却结构具有绕组固定、绝缘作用，循环流动的冷却液在端部的环形空腔内直接与绕组接触，可以显著提升散热效果，且该冷却结构可用现有的灌封工艺制备，结构简单，制造方便，且对电机性能影响小。

Description

一种具有绕组端部冷却结构的定子结构及其电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种具有绕组端部冷却结构的定子结构及其电机。

背景技术

近年来，由于化石能源的不可再生性以及日益严峻的环境问题，电动汽车的研发受到各国学者与汽车厂商的重视，相关技术也取得了长足的进步。现存电动汽车主要采用集中驱动***，即驱动电机位于车辆内部，通过传动***将动力输出至车轮；与之相对的是电动轮驱动***，即将电机直接安装于车轮内。

与传统驱动方式相比，电动轮驱动***具有多方面优势：(1)结构简单，省去了复杂的机械传动***，简化底盘结构，大大增加车内空间，提升乘坐舒适性；(2)能实现车辆的电气制动，提高能源利用率；(3)各轮毂电机独立可控，可提高车辆转弯灵活性，省去差速装置。

虽然轮毂电机驱动***具有诸多优点，但是仍存在一些问题制约其发展及广泛应用：(1)轮毂电机需要安装在轮内空间，轮毂的结构尺寸限定了电机的外径而汽车的悬挂装置则限定其轴向长度，使得轮毂电机具有体积小的需求；(2)轮毂电机位于车轮内，会增加汽车的簧下质量，影响汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操控稳定性，因而对电机质量非常敏感；(3)直驱的轮毂电机不存在减速装置，需要输出较大的转矩，且电机位于轮毂内，散热条件较为恶劣。

由于轮毂电机常采用外转子结构，新能源汽车中常见的浸润式油冷会面临动态密封困难的问题，因而在轮毂电机中应用较少。现存大多数轮毂电机冷却***为在电机的壳体中设置循环水路或在设置循环水路的同时，在端部增加水冷板结构。直驱式轮毂电机属于低速大转矩应用场合，较大的转矩需求使得电机铜耗显著提高，绕组成为电机的主要热源。仅使用循环水路时，绕组特别是绕组端部并不直接与冷却板接触，需通过铁芯传导，散热效率低，存在局部过热问题，会直接影响电机运行安全及使用寿命；加装端部水冷板结构可以解决端部散热问题，但可能导致较大的涡流损耗，且会增加电机重量。如何不增加***复杂度及重量的前提下，进行有效的散热是轮毂电机的一大技术难点。

综合而言，轮毂电机具备高转矩密度、高功率密度的特征且对散热***有很高要求。

图1为新型冷却方式的轮毂电机的结构示意图，该轮毂电机的前端盖1与壳体2相连接。转子3安装于壳体2的内圆处。支架5位于定子4内圆处，支撑并固定定子4。支架5通过轴承8与转轴7连接。转轴7通过螺栓与位于电机右侧的后端盖6连接。一端带有端板圆筒形的支架5内设有冷却流道，冷却流道内充有冷却介质。定子铁芯内壁与支架5的圆筒段外壁接触，定子绕组端部与支架5端板内立面接触。冷却流道位于支架的圆筒段壁面及支架端板内，两部分冷却流道通过连通孔连通。该轮毂电机适用于新能源汽车电机及外转子电机。然而，该轮毂电机存在如下缺点：

(1)虽然采用该轮毂电机能对定子铁芯及绕组端部均实现较好的冷却效果，但是冷却装置大大增加了***的复杂性，提高了加工、装配难度；

(2)由技术背景可知电动轮性能对***的重量非常敏感，该轮毂电机的冷却装置明显增加了***整体重量，可能降低车辆的舒适性、制动、转向性能；

(3)支架端板与绕组端部直接接触的方式可能会产生较大的涡流损耗，降低电机效率且端部只能直接冷却其一侧的端部，另一侧端部仍可能存在过热情况。

图2为电机绕组端部冷却结构的结构示意图，该电机绕组端部冷却结构采用隔离套筒4，与机壳1、端盖5形成密封腔体，端部密封空间内充满冷却油，端盖上设有进出油口，通过与外部的泵7、散热器8相连，形成循环油冷回路，有效散热。然而，该电机绕组端部冷却结构存在如下缺点：

(1)虽然电机绕组端部冷却结构使用直接油冷的方式获得比较好的冷却效果，但是对隔离套筒与机壳各组成部件的配合及密封提出了很高的要求，容易出现冷却液泄漏问题；

(2)隔离套筒结构位于电机的定、转子之间，使得电机的气隙长度大大增加，降低了电机性能，且对加工精度提出了很高的要求；

(3)较大的冷却空腔中充满了大量冷却液不仅增加了电动轮的整体重量，且需要配备大容量的泵、散热器，大大提高了冷却***的成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有绕组端部冷却结构的定子结构，其目的在于解决现有的电机中冷却结构无法兼顾结构简单和冷却性能良好的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种具有绕组端部冷却结构的定子结构，包括：

定子铁芯、绕组和定子灌封结构，所述绕组固定于定子铁芯上，定子灌封结构通过采用不导磁材料对定子铁芯的槽内空隙及绕组端部进行灌封固定而成，在定子灌封结构中存在环形空腔、冷却液进口及冷却液出口，环形空腔靠近绕组端部；通过冷却进口和冷却液出口向环形空腔中通入循环流动的冷却液，实现绕组端部冷却。

优选地，环形空腔的部分腔体壁面由绕组端部构成。

优选地，环形空腔位于成型绕组端部的环状空间中，或位于绕组端部一侧，或包绕整个绕组端部。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种基于上述具有绕组端部冷却结构的定子的电机，包括：具有绕组端部冷却结构的定子和转子。

本发明提出一种无槽轮毂电机，其目的在于满足轮毂电机小型化、轻量化需求的同时，克服现有轮毂电机散热技术中绕组热量传递次数多、散热困难及散热***复杂、自重大的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于上述的定子的轮毂电机，包括：具有绕组端部冷却结构的定子、定子支架、转子支架及磁钢；具有绕组端部冷却结构的定子位于定子支架上，磁钢位于转子支架上，定子支架用于同悬架桥连接，转子支架同转轴连接。

优选地，定子铁芯为无槽铁芯。

优选地，在定子铁芯上嵌套有绝缘骨架，骨架上开有槽，骨架用于固定绕组和绝缘。

优选地，磁钢为Halbach阵列充磁。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的定子结构，在现有的绕组灌封构建基础上，在靠近绕组端部的绕组灌封构建上设置环形空腔、冷却液进口及冷却液出口，通过冷却液进口、冷却液出口将冷却液注入环形空腔内，直接冷却绕组，冷却效果好，且该冷却结构使用现有灌封技术制造，制备步骤简单，且在灌封件内设置用于冷却用的环形空腔，对电机自身结构影响微小，能够在保证电机性能不变的情况下提高绕组端部冷却效果。

2、本发明提供的定子结构，能够适应不同结构定子，应用广泛。

3、本发明提供的轮毂电机，采用具有绕组端部冷却结构的定子，冷却液与绕组端部直接接触且在端部空腔内循环流动，可以快速有效地带走绕组产生的热量，显著提升了电机的散热能力，降低温升，保证了电机长时安全运行，且结构简单不会增加额外冷却结构及重量。

附图说明

图1为背景技术中新型冷却方式的轮毂电机的结构示意图；

图2为背景技术中电机绕组端部冷却结构的结构示意图；

图3为本发明提供的绕组端部冷却结构的示意图；

图4(a)为本发明提供的具有分布绕组端部冷却结构的定子结构的示意图；图4(b)为本发明提供的具有集中绕组端部冷却结构的定子结构的示意图；

图5为本发明提供的轮毂电机的剖面图；

图6为本发明提供的轮毂电机中定子结构的局部放大图；

图7为本发明提供的轮毂电机的转子充磁示意图；

图8为本发明提供的轮毂电机的定子结构***图。

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，以下结合附图及实施例，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施例仅用以解释本发明，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。

图3为本发明提供的绕组端部冷却结构的示意图，当绕组下线后，通常使用不导磁材料对绕组进行灌封，例如环氧树脂，起到绕组固定及绝缘的作用，与传统电机的灌封不同，本发明所提电机的绕组灌封并非实心结构，在灌封时，在绕组两侧端部各制成了一个环形空腔103，其部分腔体壁由绕组端部组成，环形空腔内充满导热、绝缘的冷却液，例如变压器油，在灌封件两侧各有一对冷却液进口101和冷却液出口102，该冷却液进口101和冷却液出口均与环形空腔连接通，通过管道连接至外部的散热器和油泵。冷却液直接与绕组接触，冷却效果好，且灌封件制备方法简单。

本发明提出的绕组端部冷却结构同样适用于各种开槽电机，图4(a)为本发明提供的具有分布绕组端部冷却结构的定子结构的示意图，分布绕组的端部在圆周方向上为空间弧线，在绕组端部形成环形空腔，灌封时可直接利用端部空隙形成环形空腔。图4(b)为本发明提供的具有集中绕组端部冷却结构的定子结构的示意图，集中绕组端部的径向切面为实心结构，灌封时可在绕组的一侧预留空隙或直接灌封形成C型空腔，将端部包裹在其中。通过在空腔中充满循环的冷却液，端部灌封结构不仅起到了原有的固定、绝缘作用，还可以对绕组进行直接的浸润式油冷，大大提高了电机散热能力，达到提升转矩输出能力的作用。

本发明提出了一种轮毂电机。图5所示为电机的整体结构剖面图。轮毂电机包括转子支架6、定子支架4、磁钢5、定子轭3及带有灌封件1的绕组2。转子支架6与定子支架4均为轻质金属合金材质；电机无机壳结构，转子支架6安装有轴承7，转子支架6通过螺栓与转轴8相连，外侧直接固定汽车轮毂及轮胎结构；定子支架4则通过螺栓固定于悬架桥。

图6为上述轮毂电机中定子结构的局部放大图，绕组2绕制于定子铁芯1上，在绕组2端部具有环形空腔，灌封件3上的空腔设置于绕组端部的环形空腔内，充分利用绕组内部空间，保证电机性能的同时提高绕组端的冷却效率。

轮毂电机的磁钢5固定于转子支架6内侧，采用Halbach阵列充磁，其充磁方向如图7所示。常规永磁电机采用单一的径向充磁或切向充磁，因而气隙磁密波形接近方波，存在较大的谐波含量。Halbach阵列磁钢的一个磁极由多个充磁单元组成，每个单元的充磁方向各异，通过调整各充磁单元的方向及大小，Halbach阵列可以提供接近正弦的气隙磁密波形，以及更大的气隙磁通，能有效降低涡流损耗，提高转矩输出。除此之外，Halbach阵列具有很好的磁屏蔽作用，可以显著降低转子轭厚度，甚至省去转子轭，从而降低转子的重量且电机外径一定时磁钢的有效半径随之增大可以进一步提高转矩。

轮毂电机的无开槽定子铁芯由硅钢片叠压而成，嵌套在定子支架外侧，图8所示为定子结构的***视图。与常规定子不同，所提定子是只有磁轭的无槽结构，而多极数电机的轭部很薄，因而铁芯重量显著降低。在无槽铁芯外侧嵌套固定了一层由绝缘材料制成的开槽骨架9，其开槽数对应常规定子的齿槽数，起到绕组定位及绝缘的作用。因为定子上不存在齿，仅包含一层磁轭，而绝缘骨架9非常轻薄，与常规电机槽绝缘层厚度相近，所以可以更充分利用空间，显著增加绕组导体的截面比例，降低电机铜耗。进一步的考虑，由于不受定子铁芯无齿槽饱和的影响，电机的转矩输出能力与电流的线性度好，过载能力强。除此之外，因为没有齿槽效应，所以无槽轮毂电机还有转矩脉动小的优点。

直驱电动轮***属于低速大转矩应用场合，其铜耗显著高于其他损耗成分。因为采用Halbach阵列磁钢，且没有定子齿槽结构，磁钢损耗和定子铁耗进一步降低，所以电机绕组是无槽轮毂电机的主要热源。在本发明冷却结构中，冷却液与绕组端部直接接触且在端部空腔内循环流动，可以快速有效地带走绕组产生的热量，显著提升了电机的散热能力，降低温升，保证了电机长时安全运行，且结构简单不会增加额外冷却结构及重量。

综合而言，本发明所提无槽轮毂电机，采用Halbach阵列永磁转子及无槽定子结构，显著降低了电机有效重量，提高了电机的转矩密度、过载能力，消除齿槽效应，提高转矩平稳度，减小损耗。电机的冷却方式采用绕组端部灌封存在环形空腔，空腔内充满绝缘冷却液与外部散热器、泵相连，实现循环油冷，在固定、绝缘的同时实现循环油冷，对作为主要热源的绕组进行有效散热，可以达到极佳的冷却效果，具有结构简单，质量轻，无需外加复杂的冷却装置的优点。另外，本发明提供的绕组端部冷却结构对定子与转子之间气隙不影响，能够提高绕组冷却效果的同时不降低电机性能。

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 (8)

1.一种具有绕组端部冷却结构的定子结构，其特征在于，包括定子铁芯、绕组和定子灌封结构，所述绕组固定于定子铁芯上，定子灌封结构通过采用不导磁材料对定子铁芯的槽内空隙及绕组端部进行灌封固定而成，在定子灌封结构中存在环形空腔、冷却液进口及冷却液出口，环形空腔靠近绕组端部；通过冷却进口和冷却液出口向环形空腔中通入循环流动的冷却液，实现绕组端部冷却。

2.如权利要求1所述的定子结构，其特征在于，环形空腔的部分腔体壁面由绕组端部构成。

3.如权利要求1或2所述的定子结构，其特征在于，环形空腔位于成型绕组端部的环状空间中，或位于绕组端部一侧，或包绕整个绕组端部。

4.一种基于权利要求3所述的定子结构的电机，其特征在于，包括：具有绕组端部冷却结构的定子和转子。

5.一种基于权利要求3所述的定子结构的轮毂电机，其特征在于，包括：具有绕组端部冷却结构的定子、定子支架、转子支架及磁钢；具有绕组端部冷却结构的定子位于定子支架上，磁钢位于转子支架上，定子支架用于同悬架桥连接，转子支架同转轴连接。

6.如权利要求5所述的轮毂电机，其特征在于，定子铁芯为无槽铁芯。

7.如权利要求6所述的轮毂电机，其特征在于，在定子铁芯上嵌套有绝缘骨架，骨架上开有槽，骨架用于固定绕组和绝缘。

8.如权利要求5至6任一项所述的轮毂电机，其特征在于，磁钢为Halbach阵列充磁。