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CN112383191B - 一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机 - Google Patents

一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机 Download PDF

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CN112383191B CN202011312315.1A CN202011312315A CN112383191B CN 112383191 B CN112383191 B CN 112383191B CN 202011312315 A CN202011312315 A CN 202011312315A CN 112383191 B CN112383191 B CN 112383191B
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Abstract

本发明提出一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机，采用双定子/单转子拓扑，单个转子位于两个定子中间。包括驱动端定子、非驱动端定子、转子、出线盒、旋转变压器、驱动端端盖、非驱动端端盖以及由外置离心风机构成的冷却系统。其中外置离心风机采用无蜗壳离心风机，位于非驱动端端盖的外侧，负责径向排风。外置离心风机、旋转变压器转子以及转子同轴连接。驱动端端盖、非驱动端端盖与机壳通过螺钉连接。旋转变压器的定子固定到离心风机外侧的挡板上，出线盒则通过螺钉固定到机壳上。本发明提高了定子铁芯端面、磁钢端面、端盖径向翅片表面和端盖腰形孔内圆周面的对流换热系数，将定子、转子以及轴承产生热量快速扩散到外界空气中，从而提高了换热效率。

Description

一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机
技术领域
本发明涉及一种应用于应急发电、新能源汽车领域的集成起动/发动机，具体涉及一种集成外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机。
背景技术
在应急发电、新能源汽车领域的集成起动/发动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，由于传统径向磁通电机轴向安装尺寸较大，功率密度和效率都偏低，在应急发电领域空间要求严格、便携性、功率密度要求高的场合应用受到限制。
常规的小功率轴向磁通电机，一般采用机座或者两侧端盖上的翅片散热，在定子铁芯与端盖装配误差较大、较大负载或者高转速工况下，电机产生大量热量仅仅靠机座翅片或者端盖翅片来换热往往不能及时将热量散带走，给电机绝缘、温升带来极大挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机。离心风机位于非驱动端的端盖一侧，负责排风。风路主要包含两个支路，其中一个风路支路，从驱动端端盖与盖板构成的径向翅片沟槽进风，经端盖的腰形孔、转子背铁的通风孔，从离心风机的叶片或者非驱动端端盖径向翅片沟槽流出；另一个风路支路，从机壳的通风孔进风，经驱动端定子铁芯与转子磁钢之间的气隙空气、非驱动端定子铁芯与转子磁钢之间的气隙空气，从离心风机的叶片或者非驱动端端盖径向翅片沟槽流出。采用这种外置离心风扇散热方案的轴向磁通电机，两条风路支路提高了定子铁芯端面、磁钢端面、端盖径向翅片表面和端盖腰形孔内圆周面的对流换热系数，将电机产生热量快速的散热到外界空气中，从而提高了换热效率，实现功率密度、扭矩密度的显著提高。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机，采用双定子/单转子架构，为了降低定子绕组的空间谐波和磁钢涡流损耗，绕组采用分布绕组，极槽配合选用18槽6极或者24槽8极设计，转子磁钢径向分段且圆周方向斜极设计；冷却方案采用外置离心风扇散热方案，离心风机叶片设计为直叶片或者后弯叶片；电机包括非驱动端定子、驱动端定子、转子、出线盒、旋转变压器；
离心风机位于非驱动端的端盖一侧，负责排风；风路主要包含两个支路，其中一个风路支路，从驱动端端盖与盖板构成的径向翅片沟槽进风，经端盖的腰形孔、转子背铁的通风孔，从离心风机的叶片或者非驱动端端盖径向翅片沟槽流出；另一个风路支路，从机壳的通风孔进风，经驱动端定子铁芯与转子磁钢之间的气隙空气、非驱动端定子铁芯与转子磁钢之间的气隙空气，从离心风机的叶片或者非驱动端端盖径向翅片沟槽流出。
进一步地，磁路贯穿非驱动端定子、转子和驱动端定子，转子背铁两侧相同位置的磁钢充磁方案按N-S-N-S配置。
进一步地，非驱动端定子和驱动端定子，包括定子铁芯，定子铁芯由高磁导率、低损耗的硅钢片卷绕而成。定子铁芯上套有定子绕组，采用分布绕组设计。
进一步地，非驱动端定子和驱动端定子与转子的相对运动，通过一对轴承实现，轴承位于中间转子两侧，可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承。
进一步地，驱动端盖与非驱动端端盖结构相同，端面上设计有沿圆周分布的径向辐条状翅片，相邻翅片形成通风槽，驱动端端盖内圆位置开设有筋板，相邻筋板之间设计有腰形孔。驱动端端盖与盖板装配形成径向通风的通道。
本发明原理在于：所述的一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机，采用双定子/单转子架构，为了降低定子绕组的空间谐波和磁钢涡流损耗，绕组采用分布绕组，转子磁钢径向分段；冷却方案采用外置离心风扇散热方案。电机包括非驱动端定子1、驱动端定子2、转子3、出线盒4、旋转变压器5。
所述的带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机的磁路贯穿非驱动端定子1、转子3和驱动端定子2。
所述的非驱动端定子1和驱动端定子2，包括定子铁芯17，定子铁芯17由高磁导率、低损耗的硅钢片卷绕而成。定子铁芯17上套有定子绕组15，采用分布绕组设计。
定子铁芯17与定子绕组15的槽内绕组产生的一部分热量传导散热到驱动端端盖18的翅片上；另一热量在外置离心风机8的吸风排风作用下，定子铁芯17与定子绕组15的内外端部绕组通过表面对流散热，将热量扩散到周围环境中。
非驱动端定子1和驱动端定子2与转子3的相对运动，通过一对轴承即第一轴承23、第二轴承25实现，第一轴承23、第二轴承25可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承。
所述的出线盒组件3通过第四螺钉14固定到机壳9上。
所述的转子3中的第一磁钢27、第二磁钢29，为了降低其涡流损耗和齿谐波，采用径向分段且沿圆周方向斜极设计。
所述的旋转变压器5的转子通过螺钉固定到电机主轴24上，旋转变压器5的定子，通过螺钉10固定到风扇挡板7上，实现精确的转子位置信号检测。
本发明的有益效果：
从降低损耗方面，定子绕组采用了18槽6极或者24槽8极分布绕组设计，相对分数槽集中绕组，降低了定子绕组空间谐波；转子磁钢采用径向分段且圆周方向斜极设计，表面涂覆环氧树脂，削弱了定子铁芯齿谐波，降低了磁钢的涡流损耗。
从提高散热能力方面，采用了带外置离心风机设计，其外置离心风机主要实现从驱动端的端盖径向通风孔和机壳圆周上的通风孔吸风，经过转子铁芯的通风孔、转子两侧气隙空气层以及非驱动端端盖的径向通风槽，最终通过离心风扇排风。在离心风机吸风/排风作用下，外界的空气在电机内部表面多支路快速流动，提高了电机的换热效率，从而实现电机的冷却。采用该拓扑和冷却方案的电机，可以承受更大的负载，结构更加紧凑，提高了电机功率密度和扭矩密度。
附图说明
图1为本发明轴向磁通电机的总体结构剖面图，其中，1为非驱动端定子，2为驱动端定子，3为转子，4为出线盒，5为旋转变压器，8为离心风机，8a为叶片，9为机壳，9a 为第一通风孔，18为驱动端端盖，18a为第一径向通风槽，18c为第一腰形孔，35为非驱动端端盖，35a为第二径向通风槽，35c为第二腰形孔。
图2为本发明轴向磁通电机的总体结构爆炸图，其中，1为非驱动端定子，2为驱动端定子，3为转子，4为出线盒，5为旋转变压器，6为旋变法兰，7为风扇挡板，8为离心风机，9为机壳，9a为第一通风孔，10为第一螺钉，11为第二螺钉，12为套筒，13为第三螺钉，14为第四螺钉。
图3为本发明轴向磁通电机的轴侧图，其中，8为离心风机，8a为叶片，8b为空气域，9为机壳，9a为第一通风孔，18为驱动端端盖，18a为第一径向通风槽，35为非驱动端端盖，35a为第二径向通风槽。
图4为本发明轴向磁通电机的定子组件结构爆炸图，其中，15为定子绕组，16为筋板， 17为定子铁芯，17a为矩形凹槽，18为驱动端端盖，18a为第一径向通风槽，18b为第一翅片，18c为第一腰形孔，18d为筋板，19为驱动端盖板，20为第五螺钉，21为第六螺钉。
图5为本发明轴向磁通电机的端盖结构图，其中，18为驱动端端盖，18a为径向通风槽， 18b为第一翅片，18c为第一腰形孔，18d为第一筋板，35为非驱动端端盖，35a为第二径向通风槽，35b为第二翅片，35c为第二腰形孔，35d为第二筋板。
图6为本发明轴向磁通电机的转子组件结构爆炸图，其中，8为离心风机，8a为叶片， 8b为空气域，22为法兰，23为第一轴承，24为电机主轴，25为第二轴承，26为第一压板，27为第一磁钢，28为转子背铁，28a为第二通风孔，29为第二磁钢，30为第二压板，31为第七螺钉，32为轴用挡圈，33为第八螺钉，34为第九螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
所述的一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机的磁路贯穿非驱动端定子1、驱动端定子2和转子3。风路采用外置离心风机散热方案。其外置的离心风机8主要实现其中一条风路支路，是从驱动端端盖18上的第一径向通风槽18a进风，流经驱动端端盖18的第一腰形孔18c、转子背铁28的第二通风孔28a进入非驱动端端盖35的腰形孔35c；另一条支路，是从机壳9的圆周面上第一通风孔9a吸风，流过转子3的两个侧端面的气隙空气层、转子背铁28的第二通风孔28a，进入非驱动端端盖35的第二腰形孔35c，最后风通过非驱动端端盖35第二径向通风槽35a和离心风机8的叶片8a之间的空气域8b流出到外界环境中。整个风路路径2D剖面，如图1所示。其进风/出风3D标识，如图2所示。
所述的带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机采用双定子/单转子架构。转子3位于两个非驱动端定子1和驱动端定子2的中间，通过第三螺钉13、第四螺钉14分别将非驱动端定子1、驱动端定子2和机壳9三者固定。机壳9的圆周面上设计有第一通风孔9a。离心风机8位于非驱动端定子1的外侧，与转子3同轴连接，离心风机8设计为无蜗壳离心风机，其叶片8a设计为直叶片或者后弯叶片。出线盒4通过第四螺钉14固定到机壳9上。旋转变压器5的定子通过第一螺钉10、旋变法兰6固定到风扇挡板7上，转子通过螺钉固定到电机主轴24上，实现精确的转子位置信号检测。风扇挡板7通过第二螺钉11、套筒12与非驱动端端盖35固定，整个电机的结构图，如图3所示。
所述的驱动端定子2，结构与非驱动端定子1相同，以驱动端定子2为例，包括定子铁芯17，定子铁芯17由高磁导率、低损耗的硅钢片卷绕而成。定子铁芯17的定子槽设计有矩形凹槽17a，使用第五螺钉20、筋板16将定子铁芯17固定到驱动端端盖18上。驱动端端盖18的一侧端面设计有驱动端盖板19，目的是规划风的路径只能按照径向槽方向流动。定子铁芯17上缠绕有定子绕组15，采用18槽6极或者24槽8极分布绕组设计。驱动端定子 2的爆炸图，如图4所示。
所述的驱动端端盖18与非驱动端端盖35相同，端面上设计有沿圆周分布的第一翅片18b，相邻翅片形成第一径向通风槽18a，驱动端端盖18内圆位置开设有第一筋板18d，相邻筋板之间设计有第一腰形孔18c，如图5所示。
所述的转子3包含转子背铁28、第一磁钢27、第二磁钢29、离心风机8。其中第一磁钢27、第二磁钢29分别位于转子背铁28的两侧，使用第一压板26、第二压板30、第八螺钉33、第九螺钉34固定到转子背铁28上。转子背铁28设计有第二通风孔28a，与电机主轴24通过花键副传递扭矩，且使用法兰22、第七螺钉31轴向固定。离心风机8与电机主轴 24通过键连接传递扭矩，且使用轴用挡圈32用于对离心风机8轴向限位固定。为了降低其涡流损耗，第一磁钢27、第二磁钢29采用径向分段、圆周斜极设计，如图6所示。
非驱动端定子1和驱动端定子2与转子3的相对运动，通过一对轴承即第一轴承23、第二轴承25实现，第一轴承23、第二轴承25可以选型为角接触轴承或者深沟球轴承，位于转子3的两端，如图6所示。
尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本申请旨在覆盖任何改变和本发明所讨论的各种具体实施实例。因此本发明仅由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机，其特征在于：采用双定子/单转子架构，为了降低定子绕组的空间谐波和磁钢涡流损耗，冷却方案采用外置离心风扇散热方案，离心风机叶片设计为直叶片或者后弯叶片；电机包括非驱动端定子、驱动端定子、转子、出线盒、旋转变压器；
磁路贯穿非驱动端定子、转子和驱动端定子，转子背铁两侧相同位置的磁钢充磁方案按N-S-N-S配置；
具体的，
所述的一种带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机的磁路贯穿非驱动端定子(1)、驱动端定子(2)和转子(3)，风路采用外置离心风机散热方案，其外置的离心风机(8)主要实现其中一条风路支路，是从驱动端端盖(18)上的第一径向通风槽(18a)进风，流经驱动端端盖(18)的第一腰形孔(18c)、转子背铁(28)的第二通风孔(28a)进入非驱动端端盖(35)的第二腰形孔(35c)；另一条支路，是从机壳(9)的圆周面上第一通风孔(9a)吸风，流过转子(3)的两个侧端面的气隙空气层、转子背铁(28)的第二通风孔(28a)，进入非驱动端端盖(35)的第二腰形孔(35c)，最后风通过非驱动端端盖(35)第二径向通风槽(35a)和离心风机(8)的叶片(8a)之间的空气域(8b)流出到外界环境中；
所述的带外置离心风机的自扇冷轴向磁通电机采用双定子/单转子架构，转子(3)位于两个非驱动端定子(1)和驱动端定子(2)的中间，通过第三螺钉(13)、第四螺钉(14)分别将非驱动端定子(1)、驱动端定子(2)和机壳(9)三者固定，机壳(9)的圆周面上设计有第一通风孔(9a)，离心风机(8)位于非驱动端定子(1)的外侧，与转子(3)同轴连接，离心风机(8)设计为无蜗壳离心风机，其叶片(8a)设计为直叶片或者后弯叶片，出线盒(4)通过第四螺钉(14)固定到机壳(9)上，旋转变压器(5)的定子通过第一螺钉(10)、旋变法兰(6)固定到风扇挡板(7)上，转子通过螺钉固定到电机主轴(24)上，实现精确的转子位置信号检测，风扇挡板(7)通过第二螺钉(11)、套筒(12)与非驱动端端盖(35)固定；
所述的驱动端定子(2)，结构与非驱动端定子(1)相同，驱动端定子(2)，包括定子铁芯(17)，定子铁芯(17)由高磁导率、低损耗的硅钢片卷绕而成，定子铁芯(17)的定子槽设计有矩形凹槽(17a)，使用第五螺钉(20)、筋板(16)将定子铁芯(17)固定到驱动端端盖(18)上，驱动端端盖(18)的一侧端面设计有驱动端盖板(19)，目的是规划风的路径只能按照径向槽方向流动，定子铁芯(17)上缠绕有定子绕组(15)，采用18槽6极或者24槽8极分布绕组设计；
所述的驱动端端盖(18)与非驱动端端盖(35)相同，端面上设计有沿圆周分布的第一翅片(18b)，相邻翅片形成第一径向通风槽(18a)，驱动端端盖(18)内圆位置开设有第一筋板(18d)，相邻筋板之间设计有第一腰形孔(18c)；
所述的转子(3)包含转子背铁(28)、第一磁钢(27)、第二磁钢(29)、离心风机(8)，其中第一磁钢(27)、第二磁钢(29)分别位于转子背铁(28)的两侧，使用第一压板(26)、第二压板(30)、第八螺钉(33)、第九螺钉(34)固定到转子背铁(28)上，转子背铁(28)设计有第二通风孔(28a)，与电机主轴(24)通过花键副传递扭矩，且使用法兰(22)、第七螺钉(31)轴向固定，离心风机(8)与电机主轴(24)通过键连接传递扭矩，且使用轴用挡圈(32)用于对离心风机(8)轴向限位固定，为了降低其涡流损耗，第一磁钢(27)、第二磁钢(29)采用径向分段、圆周斜极设计；
非驱动端定子(1)和驱动端定子(2)与转子(3)的相对运动，通过一对轴承即第一轴承(23)、第二轴承(25)实现，第一轴承(23)、第二轴承(25)选型为角接触轴承或者深沟球轴承，位于转子(3)的两端。
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