一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构及设计方法，首先，提出了一种水

【技术实现步骤摘要】
一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构及设计方法


[0001]本专利技术属于电机冷却
，涉及永磁电机冷却，特别涉及一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构及设计方法。

技术介绍

[0002]永磁电机在运行过程中会产生热量，使得电机内部温度升高。电机温升过大会破坏电机绕组绝缘材料的性能、导致永磁体发生不可逆退磁，严重危害了电机的安全运行。因此必须采取高效的冷却手段保证电机温升能在合理的范围内。
[0003]永磁电机常用的冷却方式有三种：风冷、水冷和油冷。风冷冷却效率低，主要用于小功率电机，对于车用驱动电机，目前大部分都采用水冷方式。传统的水冷结构一般通过冷却机壳间接对定子铁心进行散热。定子端部绕组需要通过导热性能差的空气进行散热，发热现象仍然非常严重。车用电机运行工况复杂，在加速超车和爬坡等工况下其端部绕组的散热问题较单一工况运行的电机更加突出。对于电机的油冷方式，由于油的导热性能比水差，所以传统意义上的油冷并没有水冷的冷却效果好，但是油具有良好的绝缘性，可以直接接触定子绕组，使其冷却性能大大提升。
[0004]基于上述原因，提出一种车用高功率密度永磁电机的散热结构及设计方法，在对车用永磁同步电机整体进行冷却的前提下，特别考虑和解决了定子端部绕组的散热问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构及设计方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：包括机壳(1)、端盖(2)、定子铁心(3)、定子绕组(4)、转子铁心(5)、磁钢(6)、转轴(7)、油冷却单元及水冷却单元，所述转轴(7)前、后两端均套装有端盖(2)，所述端盖(2)上设置有轴承(8)，所述端盖(2)之间安装机壳(1)，所述机壳(1)上固定安装有定子铁心(3)，所述定子铁心(3)上设置定子绕组(4)，所述定子绕组(4)两端均伸出所述定子铁心(3)，所述转轴(7)上由内向外依次同轴套装有转子铁心(5)及磁钢(6)；
[0008]所述油冷却单元包括喷油环(14)及导油管(13)，所述喷油环(14)沿定子绕组(4)伸出部分轴向环绕，所述喷油环(14)的顶端连接所述导油管(13)，所述导油管(13)端部设置有进油口(12)，所述机壳(1)下部对应所述喷油环(14)下端设置有出油口(16)，所述喷油环(14)内壁上均匀排布设置有两排喷油孔(15)；
[0009]所述水冷却单元包括设置于机壳(1)上的冷却水道(9)、进水口(10)及出水口(11)，所述进水口(10)与出水口(11)均与所述冷却水道(9)连通。
[0010]而且，所述冷却水道(9)为螺旋型水道。
[0011]而且，所述冷却水道(9)的轴向长度与所述定子铁心(3)相同。
[0012]而且，所述进油口(12)靠近所述端盖(2)而远离所述进水口(10)、出水口(11)。
[0013]而且，所述机壳(1)采用铝或铁材质制成。
[0014]而且，所述喷油环(14)通过捆扎绳固定于所述定子绕组(4)两端。
[0015]一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构的设计方法，其特征在于：所述冷却水道(9)的螺旋型水道圈数n、螺距h
L
、截面宽度a及截面高度b的设计方法为：
[0016]定义电机的峰值功率P
max
、电机效率η、电机损耗功率P
l
、定子铁心外径D
c
、机壳外径D
s
、定子铁心长度L
c
及机壳长度L
s
；
[0017]则电机存在的最大损耗功率表示为：
[0018]P
l
＝P
max
·
η
[0019]考虑机械加工条件和材料强度，留出合理余量，初步确定水冷却结构的基本尺寸，包括螺旋型水道圈数n，螺距h
L
，截面宽度a，截面高度b；
[0020]为校核水冷却结构散热能力，需在已知电机损耗功率的条件下推导水冷却结构的实际散热功率，分别对冷却水流量、水冷结构传热系数和电机实际散热功率进行计算，定义冷却水流量Q，水冷结构传热系数h，冷却水道散热功率P
s
；
[0021]冷却水流量表示为：
[0022][0023]其中：P
l
为电机损耗功率；
[0024]ρ为水的密度；
[0025]c
p
为水的比热容；
[0026]ΔT1为进出口水温差；
[0027]水冷结构传热系数表示为：
[0028][0029]其中：N
u
为近似努塞尔数；
[0030]α
w
为水的导热系数；
[0031]d
e
为管道当量直径；
[0032]p
r
为水的普朗克常数；
[0033]a为水道截面宽度；
[0034]b为水道截面高度；
[0035]τ为水的运动粘性系数；
[0036]冷却水道截面面积S＝a
×
b；
[0037]冷却水道截面周长l＝2(a+b)；
[0038]当量直径近似努塞尔数雷诺数冷却水流速
[0039]冷却水道散热功率表示为：
[0040][0041]其中：L
L
为螺旋型水道总长；
[0042]ΔT2为水与管道的温度差；
[0043]D
L
为水道所在平面等效直径；
[0044]因此，电机冷却水道散热功率实际表示为：
[0045][0046]比较冷却水道散热功率P
s
与电机损耗功率P
l
，若P
s
＞P
l
，则水冷却结构散热效果良好，符合预期标准；若P
s
＜P
l
，则根据上述公式，继续调整水道参数。
[0047]而且，所述冷却水道(9)所需进出口水泵压差的算法为：
[0048]定义沿程阻力F，进出水口压差Δp，
[0049]沿程阻力表示为：
[0050][0051]其中：λ为沿程阻力系数，与雷诺数有关，通过实验测定和查表得到；
[0052]g为重力加速度；
[0053]冷却水道需要克服的管道进出水口压差表示为：
[0054][0055]水冷却结构所需水泵的最小压差表示为：
[0056][0057]据此公式可以对水冷却结构的尺寸参数进行调整，保证散热效果良好的情况下尽可能降低功耗。
[0058]而且，所述喷油环(14)的界面为椭圆型，所述喷油环(14)的设计步骤为：
[0059]定子绕组的伸出长度为l
oil
，喷油环的截面椭圆长轴长2a1，短轴长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：包括机壳(1)、端盖(2)、定子铁心(3)、定子绕组(4)、转子铁心(5)、磁钢(6)、转轴(7)、油冷却单元及水冷却单元，所述转轴(7)前、后两端均套装有端盖(2)，所述端盖(2)上设置有轴承(8)，所述端盖(2)之间安装机壳(1)，所述机壳(1)上固定安装有定子铁心(3)，所述定子铁心(3)上设置定子绕组(4)，所述定子绕组(4)两端均伸出所述定子铁心(3)，所述转轴(7)上由内向外依次同轴套装有转子铁心(5)及磁钢(6)；所述油冷却单元包括喷油环(14)及导油管(13)，所述喷油环(14)沿定子绕组(4)伸出部分轴向环绕，所述喷油环(14)的顶端连接所述导油管(13)，所述导油管(13)端部设置有进油口(12)，所述机壳(1)下部对应所述喷油环(14)下端设置有出油口(16)，所述喷油环(14)内壁上均匀排布设置有两排喷油孔(15)；所述水冷却单元包括设置于机壳(1)上的冷却水道(9)、进水口(10)及出水口(11)，所述进水口(10)与出水口(11)均与所述冷却水道(9)连通。2.根据权利要求1所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：所述冷却水道(9)为螺旋型水道。3.根据权利要求1所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：所述冷却水道(9)的轴向长度与所述定子铁心(3)相同。4.根据权利要求1所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：所述进油口(12)靠近所述端盖(2)而远离所述进水口(10)、出水口(11)。5.根据权利要求1所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：所述机壳(1)采用铝或铁材质制成。6.根据权利要求1所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构，其特征在于：所述喷油环(14)通过捆扎绳固定于所述定子绕组(4)两端。7.一种如权利要求1～6任意一项所述车用高功率密度永磁电机混合散热结构的设计方法，其特征在于：所述冷却水道(9)的螺旋型水道圈数n、螺距h
L
、截面宽度a及截面高度b的设计方法为：定义电机的峰值功率P
max
、电机效率η、电机损耗功率P
l
、定子铁心外径D
c
、机壳外径D
s
、定子铁心长度L
c
及机壳长度L
s
；则电机存在的最大损耗功率表示为：P
l
＝P
max
·
η考虑机械加工条件和材料强度，留出合理余量，初步确定水冷却结构的基本尺寸，包括螺旋型水道圈数n，螺距h
L
，截面宽度a，截面高度b；为校核水冷却结构散热能力，需在已知电机损耗功率的条件下推导水冷却结构的实际散热功率，分别对冷却水流量、水冷结构传热系数和电机实际散热功率进行计算，定义冷却水流量Q，水冷结构传热系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓远，刘双双，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：