一种内冷式定子及电机驱动系统的制作方法

1.本发明属于电机技术领域，尤其是电动车驱动用的、高速高效的电机。


背景技术：

2.电动车技术的快速发展和商业化竞争，对驱动电机性能提出了越来越高的要求。对于电动车“三电技术”之一的电机，更是要求功率/扭矩高密度、高速/高效恒功率、安全可靠低成本，而要解决这些课题都与电机电控功率系统的热管理即降温或控温有关。目前用于电机散热的方式主要有自然对流、强制风冷、机壳水冷，和机内油冷。自然对流是通过机壳与环境的温差自动进行的，无需外加动力，但效率较低；强制风冷是通过风扇驱使机壳周围的空气将热量带走，需消耗少量动力，效率高于自然对流；水冷是使以水作为介质流经电机外壳的水套带走电机热量，因为水的的比热容比空气大几倍，效率是风冷的数倍；但一方面需要增加水泵、水箱、风扇灯部件，另一方面水道与热源即铁芯线圈之间隔着机壳，冷水并不直接作用于线圈和铁芯这两个发热主体，有点隔靴搔痒的感觉；油冷使用飞溅或喷淋的方式可直接冷却线圈端部，效果明显改善，电气绝缘也是油冷的好处，但油的比热容不如水大，油具有粘度，高速搅动时会损耗功率。虽然如此，直喷油冷仍不失为现有技术最好的热控方式。但是这种方式仍然不能令人满意，因为它很难对已经提出的目标： 2030年电机比功率达到5kw/kg提供更多的支持，因此必须为高密度电机的热管理提出更好的技术方案。基于热力学原理，常用介质的汽化潜热比它的比热容大很多，显然用工质的气液相变循环的方式代替简单热辐射传导对流方式，用工质汽化吸热冷却定子代替简单的流体输运或介质传导是一个更高效的技术路线。因为没有检索到类似设计的定子和电机系统，于是提出一种利用制冷介质在定子内部汽化吸热来降低线圈和铁芯的温度的技术方案，即本专利方案。


技术实现要素：

3.一种内冷式定子及电机驱动系统，包括传动部ⅰ，电磁部ⅱ和热控部ⅲ；其中传动部ⅰ是一个机械系统，与电磁部相连实现机械力矩的传递或放大，有利于提高电机的扭矩密度；其中电磁部ⅱ包括电机转子、定子和控制器，其特征在于定子和控制器都是气密性的，内部与热控部相通，热控部的冷却介质只能通过管道进入定子和控制器内部，直接对铁芯、线圈和功率器件进行冷却，然后从中流出回到热控部完成循环；它实质上既属于电磁部又属于热控部，它首先是电磁换能系统，负责将电能转换成机械能，同时又是一个制冷系统的吸热器，对电磁部进行冷却；其中热控部ⅲ是控制电磁部运行温度的冷却系统，包括增压器、放热器、减压器和吸热器，吸热器包括电磁部的定子和控制器。
4.如上所述一种内冷式定子及电机驱动系统，所述电磁部包括转子1、定子2和驱动控制器3。其特征在于：定子由铁芯201和绕组202组成，特别是铁芯是由环形齿铁芯2011和
轭铁芯2012组成，环形齿铁芯的环内边是逐齿相连的，而槽口2013是向外的，绕组从槽口装配非常容易。齿铁芯2011有等宽齿和等宽槽两种形式，附图2是定转子截面图，显示了等宽槽的齿铁芯配置扁线绕组的例子。绕组装配之后装配轭铁芯使槽口封闭。定子两端密封连接定子端盖203和204，定子铁芯有轴向贯通的槽口2013，将定子两边端盖内腔连通；定子端盖内腔呈环槽形，与铁芯201端部密封连接后构成两个相通的环形密闭腔室2031和2041并将绕组端部2021包容在内；定子端盖有通道301同驱动控制器3相通，使冷却介质能进入其中对功率器件302进行冷却；定子端盖还设有供冷却介质进出的通道连接件2032r和2042l，一个连接件2032r与减压器6相连，另一个连接件2042l与增压器4相连，由于铁芯槽口是封闭的，两端也是封闭的，因此整个定子是一个密封体，不仅能作为电枢产生旋转磁场，而且还作为热控部的一个部件吸收铁芯绕组的发热，控制定子温升。
5.如上所述一种内冷式定子及电机驱动系统，所关联的热控部是一个制冷系统，包括压缩机4即增压器，冷凝器5即放热器，节流器6即减压器和蒸发器即定子2和控制器3，它们用管道连通成循环制冷系统；压缩机4进气端与电机定子2及控制器3内部相通，出口端同冷凝器5相连，冷凝器又连接到节流器6。压缩机从定子吸入低温气态工质进行压缩，输出高温高压气态工质给冷凝器，工质在冷凝器放出热量冷凝成液态，冷凝器出口同节流器相连，冷凝后的液态高压工质经过节流器降压进入蒸发器即定子内部，工质在蒸发器即定子内部减压蒸发变为蒸汽，蒸汽直接同线圈和铁芯接触，迅速消耗线圈和铁芯产生的热能即气化吸热；工质汽化所需热能很大，使定子温度无法升高。根据国家制冷行业能效标准，得到几倍的能效比是不困难的。
6.如上所述一种内冷式定子及电机驱动系统，所述热控部也可以简化为循环液冷系统，可使用包括水、油、液化汽或其他液体为工质，这时增压器具体所指是一个泵，液相工质由泵驱动循环。回路中，电机定子经由通道连接件2032r和2042l接入外部冷源，由外部提供液态的冷媒给线圈和铁芯降温，外部系统统一对电机、电控及电池系统和车内的其它环境温度进行调控。
7.如上所述一种内冷式定子及电机驱动系统，所述压缩机可以同电磁部组合为一体，共用一个机壳，可减少零部件，压缩机可用单独电机驱动，也可由电机转轴101耦合传动，节流器6和用于工质循环的通道可直接在端盖和定子中加工形成，这样可省却压缩机和节流器与定子连接的管道，系统更加紧凑。如图4。
8.如上所述一种内冷式定子及电机驱动系统，其特征在于还可以采用蒸发式冷却方式降温，使用纯净水为工质，环保且不导电，转子自带压缩风机，风机使定子内产生负压，使水汽化，并抽取吸热后的水蒸汽，压入冷凝水箱；使冷凝水箱的压力略高于大气压，因为压差，水以喷射方式呈雾状进入到定子内吸热汽化，使定子温度不高于负压条件的汽化温度，比如80℃左右；因为每千克水汽化可吸收4200kj的热能，若100kw电机发热为4.2kw，冷凝器通风散热良好则无需排空，比如汽车高速行驶；如果热负荷太重超过冷凝器的能力时，也可将高温水蒸汽排向环境；由于1kg水可持续汽化17分钟，10kg水便可维持100kw电动机安全运行3小时以上，因此，若加水方便也可不使用冷凝器。
9.本发明具有以下优点和突出效果：1、利用制冷循环给电机电控系统降温，机电换能和热电循环均可达一级能效标准；
2、用制冷剂在电机内部汽化吸热直接冷却线圈和铁芯，可使铁芯线圈温度接近制冷介质在该真空度下的汽化温度;更低的运行温度可降低铜损提高电机效率。经测定，铜电磁线工作在100℃比工作在25℃损耗大40%;3、在一定条件下甚至可产生超导材料所需的温度，从而制造出超导电机。
10.4、适应面广，本专利方案普遍适用于外定子结构的同步或异步电动机、发电机，为提高电机效率和比功率提供了一条新的可行的技术路线。
附图说明
11.图1是系统简图。图中标号：ⅰ传动部，ⅱ电磁部，ⅲ热控部；1转子，2定子，3控制器，4增压器，5放热器；6减压器。
12.图2是定转子截面图。其中标号1转子，2定子，201铁芯，202绕组，2011齿铁芯，2012轭铁芯，2013槽口。
13.图3是定子剖面图。其中标号：2011齿铁芯，2012轭铁芯，2013槽口，202绕组，203右端盖，204左端盖，2021绕组右端部，2022绕组左端部，2031环形密闭右腔室，2041环形密闭左腔室，2032连接件r，2042连接件l。
14.图4是应用实例图。其中标号：1转子，101转子轴；2定子，201铁芯，202绕组，2021绕组右端部，2022绕组左端部，203右端盖，204左端盖，2031环形密闭右腔室，2041环形密闭左腔室；3控制器，301联通孔，302功率器件，303电路板，304接线盒；401无刷电机，402压缩机；5冷凝器；6节流器，7传动箱。
15.实施案例现进一步举例说明实施本发明的具体方法。一台乘用车驱动电机，电机类型：pmsm永磁同步电机，额定功率150kw，最大功率500kw，额定转速5000rpm，最高转速18000rpm，最大扭矩200nm，减速箱传动比7.5，比功率10kw/kg，重量50kg，额定效率95.5%，定子损耗3.5kw，允许温升高于环境30℃，选择压缩机1.5kw可输出4.25kw冷量，可满足需要。 对于500kw30s最大功率短时工况，通过设计冷凝器水储备热容量解决。制冷剂选用r502。结构如附图4，电机转子1的轴101连接传动箱7；定子2，201铁芯，202绕组，2021绕组右端部，2022绕组左端部，203右端盖，204左端盖，密封连接，形成2031环形密闭右腔室，2041环形密闭左腔室；301联通控制器3和定子2，控制器外壳为铝合金，同时作为功率器件302的散热体，303电路板用于连接电子元件，无刷电机401定子位于电路板中间，由电路板馈电，无刷电机转子402同压缩机403相连，驱动压缩机转子运转，这里举例使用的是偏心滚子压缩机，也可使用其他形式压缩机；压缩机与冷凝器相连冷凝器应配置于容易散热的位置；节流器与端盖203连接，304为接线盒，用于电能和信号的输入输出及内外隔离和防护。