一种高转矩密度的高压电子冷却风扇电机及其校核方法与流程

本发明涉及车载电子冷却风扇电机领域，尤其涉及一种高转矩密度的高压电子冷却风扇电机及其校核方法。

背景技术：

1、随着国内制造业电动化转型加速，商用车散热系统电动化、大功率化成为行业发展主流。传统商用车散热系统普遍采用多台小功率风扇并联布置，存在系统结构繁杂、装配空间占用量大、故障点位多、集成成本高、整机可靠性差等缺陷。采用单台10kw及以上大功率冷却风扇电机，能够减少风扇数量、简化整车管路与机械布置、降低集成成本，同时提升系统拓展性与运行可靠性，是当前车载冷却系统核心研发方向。

2、永磁同步电机具备热源集中、散热设计灵活、功率密度上限高、运行稳定可靠等优势，适配车载冷却风扇低速大转矩直驱工况。现有永磁同步电机分为外转子内定子、内转子外定子两类构型：

3、1.外转子内定子结构：同等包络体积下力臂更长，理论永磁转矩更高，但定子绕组热源被转子封闭包裹，热量难以向外传导，即便搭配水冷散热，散热效率仍存在明显短板；且现有外转子方案仅利用永磁转矩，未充分挖掘磁阻转矩，材料利用率偏低，同时电机轴向尺寸偏大，转矩密度难以进一步提升。

4、2.常规内转子外定子结构：定子绕组直接贴合机壳，散热条件优异，但现有槽极匹配方案存在两大缺陷：一是极槽搭配不合理，仅依靠永磁转矩输出，磁阻转矩未得到有效利用，转矩输出能力受限；二是转子永磁体尺寸无最优参数约束，易出现永磁体高温退磁、材料成本过高、齿槽转矩振动噪声大等问题；三是定子轭部厚度设计失衡，轭部过厚会拉长电机轴向长度、降低转矩密度，轭部过薄则会大幅增大磁路磁阻、削弱气隙磁通，恶化电机出力性能。

5、现有不少研究结论表明外转子内定子结构的转矩密度上限更高，尤其是外转子表贴式永磁电机构型，原因是相同包络体积的比较系下，外转子内定子结构力臂更长，转矩更高。研究忽视了表贴式只利用了电磁转矩类型中的永磁转矩、未考虑内转子外定子结构热源产生机理，以及导热原理，能更好的集中散热，提供负载能力，只论证了电机转矩密度高，电机轴向长度没有有效控制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高转矩密度的高压电子冷却风扇电机及其校核方法，解决现有技术中电机电磁转矩未能充分发挥，导致材料利用率低、热源产生靠近电机内部、轴向长度大，转矩密度低的问题。

2、按照本发明提供的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机采用的主要技术方案为：包括外定子组件与内转子组件，内转子组件为20极辐条内置式永磁转子，外定子组件为24槽扁平定子，形成20极24槽极槽匹配结构；

3、内转子组件包括由多层转子叠片叠加而成的转子铁芯和设在转子铁芯上的永磁体，转子叠片包括支撑部、设在支撑部中部的轴孔、设在支撑部外侧周向的多个转子齿，相邻的转子齿之间形成永磁体槽，永磁体槽内设有永磁体；

4、永磁体槽内两侧壁均设有弹弓凹槽；

5、外定子组件与内转子组件之间的气隙不均匀设置，不均匀气隙的最大径向高度为

hg；

6、外定子组件包括定子铁芯和绕设在定子铁芯上的绕组，定子铁芯上设有定子齿，定子齿的端部设有极靴，绕组绕设在定子齿上，相邻的两个极靴之间形成槽口，槽口的宽度为

wg；

7、

hg和

wg之间的长度之比为1~1.5。

8、本发明提供的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机还采用如下附属技术方案：

9、优选的，定子铁芯包括多个齿单元，多个齿单元依次拼接形成定子铁芯；齿单元包括固定部和设在固定部上的定子齿，相邻的两个齿单元上的固定部连接在一起。

10、优选的，转子齿的内侧端与支撑部连接，转子齿的内侧端宽度为转子齿的外侧端宽度的8%-12%。

11、优选的，转子齿上沿径向由内向外依次设有漏磁通路、第一减重孔和动平衡调节孔。

12、优选的，漏磁通路为中空的u形结构，u形结构的底部靠近转子齿的内侧端，u形结构的上端部靠近第一减重孔。

13、优选的，永磁体槽的底部与u形结构的中部位于转子叠片的同一尺寸的半径圆环轨迹上；u形结构的上部为永磁体接触段，永磁体接触段的宽度小于u形结构其他部位的宽度，永磁体接触段宽度为永磁体接触段长度的1/5-1/10；永磁体槽的底部设有限位凸起，限位凸起位于永磁体接触段的底部旁侧。

14、优选的，支撑部上沿环形轨迹设有多个第二减重孔，靠近轴孔的边缘周围设有转子叠片卡扣。

15、优选的，第一减重孔为梯形孔，第二减重孔为扇形孔。

16、优选的，动平衡调节孔为三角形孔。

17、按照本发明提供的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机的校核方法，包括以下步骤：

18、1）额定转矩校核，利用maxwell建立电磁模型，确保额定电流符合电流密度7a/mm2，

19、设置热收敛判定条件为t(n+1)-t(n)≤0.5℃，每10s迭代更新材料热属性与热源，校核额定转矩与温升；

20、2）转子应力校核，利用ansys有限元仿真，在转子外延与定子内验施加超过额定转矩两倍的实验转矩，校核转子最大应力不超过铁芯材料屈服强度的70%；

21、3）齿槽转矩校核方式，基于气隙磁动势调制理论，优化

hg与定子槽开口

wg，将齿槽转矩抑制至额定转矩1/5000以内；

22、4）转矩密度校核：转矩密度有转矩质量密度和转矩体积密度，计算式分别为额定转矩比包络体积、额定转矩比电机质量，分别计算与设计目标比对。

23、本发明提供的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机校核方法还采用如下附属技术方案：

24、所述电磁场有限元模型输出绕组、永磁体、铁芯损耗作为温度场热源；温度场模型输入各部件导热系数、对流散热系数，输出全域温度分布结果；温度结果回传电磁场模型更新绕组、永磁体热属性，循环迭代直至温度收敛，完成电磁热耦合校核。

25、按照本发明提供的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机及其校核方法与现有技术相比具有如下优点：1、电机同时具有永磁转矩和磁阻转矩对抗负载，增强了电机的负载能力；2、冷却条件好，通过优化定子槽数（24槽），在保证铁芯磁路健康的前提下，使热源更贴近机壳，结合内转子外定子构型与水冷散热方式，大幅改善了电机散热条件，有效降低了永磁体退磁风险；3、通过精确设定永磁体槽的关键参数，在抑制齿槽转矩、控制材料成本与保证运行稳定性之间取得了最优平衡；本发明结构紧凑、散热高效、成本可控，适用于高压电子冷却风扇直驱高负载工况，具有显著的工程实用价值和产业化前景；4、通过机械动力实验和性能实验计算并验证电机质量、应力检测、额定转矩，用量化数据证明本发明提供的电机电磁方案达到设计目标。

1.一种高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，包括外定子组件与内转子组件，其特征在于：内转子组件为辐条内置式永磁转子，外定子组件为扁平定子；

2.根据权利要求1所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：定子铁芯包括多个齿单元，多个齿单元依次拼接形成定子铁芯；齿单元包括固定部和设在固定部上的定子齿，相邻的两个齿单元上的固定部连接在一起。

3.根据权利要求1所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：转子齿的内侧端与支撑部连接，转子齿的内侧端宽度为转子齿的外侧端宽度的8%-12%。

4.根据权利要求1所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：转子齿上沿径向由内向外依次设有漏磁通路、第一减重孔和动平衡调节孔。

5.根据权利要求4所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：漏磁通路为中空的u形结构，u形结构的底部靠近转子齿的内侧端，u形结构的上端部靠近第一减重孔。

6.根据权利要求5所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：永磁体槽的底部与u形结构的中部位于转子叠片的同一尺寸的半径圆环轨迹上；u形结构的上部为永磁体接触段，永磁体接触段的宽度小于u形结构其他部位的宽度，永磁体接触段宽度与永磁体接触段长度之比为1/5-1/10；永磁体槽的底部设有限位凸起，限位凸起位于永磁体接触段的底部旁侧。

7.根据权利要求4所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：支撑部上沿环形轨迹设有多个第二减重孔，靠近轴孔的边缘周围设有转子叠片卡扣。

8.根据权利要求7所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机，其特征在于：第一减重孔为梯形孔，第二减重孔为扇形孔。

9.权利要求1-8任一项所述高转矩密度高压电子冷却风扇电机的校核方法，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的高转矩密度的高压电子冷却风扇电机的校核方法，其特征在于：电磁场模型输出全域损耗数据传递至温度场，温度场收敛后的各部件温度回传电磁模型更新永磁体、绕组的电阻率、剩磁等热属性，实现电磁-温度双向耦合迭代。