一种风冷轴向磁通电机冷却结构及风冷轴向磁通电机

本发明涉及轴向磁通电机热管理，具体涉及一种风冷轴向磁通电机冷却结构及风冷轴向磁通电机。

背景技术：

1、轴向磁通电机具有轴向尺寸短、有效作用半径大、结构紧凑以及转矩密度和功率密度高等特点，在新能源汽车、低空飞行器及高端装备电驱系统等领域具有良好的应用前景。随着电机功率密度提高，定子绕组、定子铁心及转子组件等部件的损耗密度相应增大，对电机内部散热能力提出了更高要求。由于定、转子沿轴向紧凑布置，电机内部空气流动空间有限，容易出现局部空气更新不足和热量积聚。

2、其一，现有轴向磁通电机风冷结构通常采用外置风机、转轴风扇、转子叶片或其他导流构件强化空气流动。上述方式虽然能够提高冷却能力，但需要增加专用通风部件及其安装空间，可能增加电机质量、轴向尺寸和结构复杂度，不利于轴向磁通电机进一步实现轻量化和紧凑化。

3、其二，轴向磁通电机的盘状转子旋转时能够通过黏性拖曳作用带动邻近空气运动，并使空气具有由较小半径区域向较大半径区域输运的趋势，因此具有利用转子自身旋转组织内部冷却气流的条件。但现有自通风结构的冷却效果受进风位置、通流面积、流动阻力以及内部风路组织方式影响，转子背面、电磁气隙侧、定子两个轴向侧以及定子绕组内径端部等区域的换热能力尚未得到充分协同利用。

4、此外，端盖、转子组件和定子支架通常设置减重孔、减重槽等轻量化结构，但现有轻量化结构与通风结构往往分别设计，部分镂空区域仅用于减重，未同时承担冷却空气进风、分流或出风功能，结构空间利用率仍有提升空间。

5、因此，有必要提出一种能够将不同径向位置进风、转子内径进风、转子双面通风及定子外周排风相结合，并使轻量化镂空结构兼具冷却空气通流功能的轴向磁通电机冷却结构，以提高转子自身旋转诱导气流的利用程度，并兼顾电机冷却性能、结构轻量化和紧凑性。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术中轴向磁通电机风冷结构中专用风机、风扇或附加导流构件可能增加电机质量、轴向尺寸和结构复杂度，部分自通风结构中进风位置及内部风路组织不合理时冷却空气利用程度较低，转子背面、定子两个轴向侧及定子绕组内径端部等区域未能充分协同参与换热，以及端盖、转子组件和定子支架的轻量化镂空结构与通风结构功能相互分离等问题。为此本发明提出了一种风冷轴向磁通电机冷却结构及风冷轴向磁通电机，为解决上述技术问题本发明是通过以下技术方案实现的：

2、方案一、本发明提出了一种风冷轴向磁通电机冷却结构，所述轴向磁通电机采用双转子单定子结构，包括端盖组件、转子组件、定子组件和转轴，所述转子组件与所述转轴连接并伴随所述转轴旋转；

3、所述端盖组件包括上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖分别设置有沿径向分布的上端盖第一层减重进风口、上端盖第二层减重进风口、下端盖第一层减重进风口和下端盖第二层减重进风口，所述上端盖第二层减重进风口和下端盖第二层减重进风口位于所述上端盖第一层减重进风口的径向外侧；

4、所述转子组件靠近所述转轴的内径区域设置有沿周向分布的转子组件减重进风口，所述转子组件减重进风口包括上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口；

5、所述转子组件背离所述定子组件的一侧形成背面侧空气通道，所述背面侧空气通道包括上转子组件背面侧空气通道和下转子组件背面侧空气通道，所述转子组件朝向所述定子组件的一侧形成电磁气隙侧空气通道，所述电磁气隙侧空气通道包括上转子组件电磁气隙侧空气通道和下转子组件电磁气隙侧空气通道，所述上转子组件背面侧空气通道和下转子组件背面侧空气通道和上转子组件电磁气隙侧空气通道和下转子组件电磁气隙侧空气通道均沿径向由所述转子组件的较小半径区域向较大半径区域延伸；

6、所述第一层减重进风口和第一层减重进风口通过端盖内侧空气区域与所述上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口相连通，所述上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口分别与所述上转子组件背面侧空气通道和下转子组件背面侧空气通道和所述上转子组件电磁气隙侧空气通道和下转子组件电磁气隙侧空气通道相连通；

7、所述上端盖第二层减重进风口和下端盖第二层减重进风口设置于所述上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口的径向外侧，并与所述上转子组件背面侧空气通道和下转子组件背面侧空气通道相连通；

8、所述定子组件外周设置有与电机外部环境连通的定子组件减重出风口，所述定子组件减重出风口包括定子组件上减重出风口和定子组件下减重出风口；

9、所述上转子组件背面侧空气通道和下转子组件背面侧空气通道和所述上转子组件电磁气隙侧空气通道和下转子组件电磁气隙侧空气通道分别与电机外径侧空气区域相连通，所述电机外径侧空气区域与所述定子组件上减重出风口和定子组件下减重出风口相连通。

10、进一步的，提供一种优选实施方式，所述上端盖和下端盖分别设置有多个沿径向延伸并沿周向间隔布置的端盖径向加强筋，所述上端盖第一层减重进风口、下端盖第一层减重进风口、上端盖第二层减重进风口和下端盖第二层减重进风口中的至少部分设置于相邻所述端盖径向加强筋之间，并设置上端盖第一减重槽和上端盖第二减重槽。

11、进一步的，提供一种优选实施方式，所述上转子组件与上端盖之间形成上转子组件背面侧空气通道，上转子组件与定子组件之间形成上转子组件电磁气隙侧空气通道；

12、下转子组件与下端盖之间形成下转子组件背面侧空气通道，下转子组件与定子组件之间形成下转子组件电磁气隙侧空气通道；

13、上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口分别与相应背面侧空气通道和电磁气隙侧空气通道相连通。

14、进一步的，提供一种优选实施方式，所述定子组件包括定子绕组、定子铁心和定子支架；

15、定子组件内径端部形成定子组件内径端部环形空气腔，所述环形空气腔沿周向延伸，并位于定子绕组内径端部；

16、环形空气腔与上转子组件电磁气隙侧空气通道和下转子组件电磁气隙侧空气通道中的至少一个相连通。

17、进一步的，提供一种优选实施方式，所述定子支架外周沿周向设置多个定子支架支撑柱，相邻定子支架支撑柱之间形成定子组件上减重出风口和定子组件下减重出风口；

18、定子组件上减重出风口与定子组件靠近上转子组件一侧的空气区域以及电机外部环境相连通；定子组件下减重出风口与定子组件靠近下转子组件一侧的空气区域以及电机外部环境相连通。

19、进一步的，提供一种优选实施方式，所述上端盖第一层减重进风口、上端盖第二层减重进风口、下端盖第一层减重进风口、下端盖第二层减重进风口、上转子组件减重进风口、下转子组件减重进风口、定子组件上减重出风口及定子组件下减重出风口中的至少一种，形状选自矩形、圆角矩形、梯形、扇形、条形中的一种或多种。

20、进一步的，提供一种优选实施方式，所述第一层减重进风口、上端盖第二层减重进风口、下端盖第一层减重进风口和下端盖第二层减重进风口、上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口以及定子组件上减重出风口和定子组件下减重出风口均由对应构件的轻量化镂空区域形成，所述轻量化镂空区域同时作为结构减重区域和冷却空气通流区域。

21、进一步的，提供一种优选实施方式，所述上端盖第一层减重进风口、下端盖第一层减重进风口的径向内边界半径定义为，径向外边界半径定义为，所述上转子组件减重进风口和下转子组件减重进风口的径向内边界半径定义为，径向外边界半径定义为，满足。

22、进一步的，提供一种优选实施方式，所述上端盖第二层减重进风口和下端盖第二层减重进风口的径向内边界半径定义为和径向外边界半径定义为，所述转子组件背面侧表面的径向内边界半径为、转子组件背面侧表面的径向外边界半径，满足：

23、

24、

25、。

26、方案二、一种风冷轴向磁通电机，包括方案一所述的风冷轴向磁通电机冷却结构。

27、本发明的有益之处在于：

28、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构中第一层端盖减重进风口与转子组件内径减重进风口径向匹配，用于向转子内径区域补气；第二层端盖减重进风口位于转子组件减重进风口径向外侧，用于从较大半径位置向转子背面侧空气通道补气，使不同径向位置的进风口承担不同的补气功能，形成多径向位置差异化进风。

29、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构中转子组件背面侧表面的径向内边界半径不大于转子组件减重进风口的径向外边界半径，有利于转子内径进风区域与背面侧空气通道形成连续的径向气流衔接；同时，通过限制第二层减重进风口的径向外边界，使其位于转子组件背面侧表面径向中间半径的径向内侧，可在外侧补气的同时保留较长的径向向外流动距离，有利于延长转子背面侧有效换热路径并降低形成短路径排风的可能性。

30、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构中第一层端盖减重进风口与转子组件减重进风口径向匹配，使冷却空气能够经较短路径进入转子内径区域，有利于减小局部径向偏转和绕流，降低转子内径补气路径阻力。

31、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构实现转子双面通风。转子组件背面侧和电磁气隙侧分别形成径向空气通道，使转子组件两个轴向侧均能够参与空气换热，提高转子轴向表面的换热利用程度。以及实现定子双面及绕组内径端部协同冷却。在双转子单定子实施方式中，上、下电磁气隙侧空气通道分别作用于定子组件两个轴向侧，并结合定子绕组内径端部环形空气腔，使定子两个轴向侧及绕组内径端部区域均能够参与空气换热。

32、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构提高转子自身旋转诱导气流的利用程度。利用转子组件旋转表面对邻近空气的黏性拖曳及径向输运作用组织内部气流，可降低对独立风机作为内部气流形成必要部件的依赖，形成明确的连续冷却空气流路。第一进风支路进入转子内径区域后分别向背面侧和电磁气隙侧分流，第二进风支路从较大半径位置补充背面侧空气，各支路最终经电机外径侧空气区域及定子组件减重出风口排出。

33、本发明所述的风冷轴向磁通电机冷却结构中端盖减重进风口、转子组件减重进风口和定子组件减重出风口均可由相应构件的轻量化镂空区域形成，使同一结构同时承担结构减重和冷却空气通流功能。通过将端盖进风、转子双面通风、定子外周排风以及结构轻量化进行集成，可降低对额外复杂叶轮风道结构的依赖，有利于保持轴向磁通电机轴向尺寸短和结构紧凑的特点。