一种用于轮毂电机的冷却系统的制作方法

1.本发明涉及冷却技术领域，具体涉及一种用于轮毂电机的冷却系统。


背景技术：

2.轮毂电机驱动是新能源汽车的重要发展方向之一，其原理便是将电机安装在汽车轮辋内，由电机直接驱动车轮，省掉了传统的传动装置。以某款轮毂电机为例，结构形式如图1所示（图1中1-车轮、2-轮毂电机外转子、3-制动碟、4-冷却水管接口、5-低压信号线束接口、6-高压线束接口、7-制动卡钳、8-轮毂电机定子）。
3.用于新能源乘用车搭载的大多数是外转子轮毂电机，因其采用直接轮内驱动，省去了传动部件，传动结构简单以及驱动方式灵活。为提升电机的功率密度和扭矩密度，现在的电机多采用三相交流永磁同步电机，但由于当前所用钕铁硼永磁体技术所限，一般在180℃左右开始退磁。由于车辆的行驶工况复杂，特别是在重载爬长坡的时候，温升很快，虽然在电机设计的时候会考虑到最大温升及预留一定的安全系数，但在实际使用时的不确定性，以及零件和材料的性能衰减，还有受到不同道路和极端环境的影响，经常会出现设计与实际不符的情况，特别是在当前车用轮毂电机驱动发展尚不成熟的情况下，需要一种更加高效、可靠的冷却系统。
4.外转子永磁同步电机正在向高功率密度发展，其中减小体积不仅能提升功率密度，还能降低成本，但是为了满足需要的扭矩，一般是提升磁密，而导磁硅钢片在达到1.95t以后就很难再提升，且大部分驱动电机在峰值运行时都处于饱和状态，目前技术水平已然无法继续提升磁密。因此，为提升功率密度，在当前情况下，最理想的当然是改善电机的散热措施。
5.对于绝大多数轮毂电机采用的永磁同步电机冷却系统，其散热技术发展进入了成熟期，根据电机效能情况，择优选择空气冷却、液体冷却、混合冷却。目前，所有的研究基本集中在对电机内部的散热，特别是对水道的优化和冷却方式选取上，但由于目前对轮毂电机的工况采集数量不足，所有的研究内容差不多都是从集中电机移植过来的，效果并没有质的飞跃，对电机可靠性的提升有限。
6.目前，常采用如图2所示的轮毂电机系统冷却方案：水泵将散热器内的冷却液先行泵入控制器（有些要先泵入pdu或“三合一”），从电机控制器流出的冷却液分成两条支路，分别进入左、右轮毂电机（有的也会由一条主路分别流过左、右电机），最后分别从电机流出的冷却液合成为一条主路流入散热器进行散热；其中，对进入电机的冷却液一般都是要求低于65℃，且在电机内部最高温度低于140℃。图3为某车型上所采用的轮毂电机液冷系统，（图3中：9-散热器、10-冷却水泵、11-pdu/dcdc/obc三合一、12-右轮毂电机、13-左轮毂电机、14-冷却水管、15-轮毂电机控制器），冷却液的循环流程为：9
→
10
→
11
→
15
→
12/13
→
9。水泵10将从散热器9流出的冷却液泵入三合一11，冷却液从三合一11流出后经过长冷却水管14流入电机控制器15，然后从电机控制器15流出的冷却液分成左、右两条支路，分别进入左、右轮毂电机12/13，最后分别从轮毂电机12/13流出的冷却液合为一条主路流入散热器9
进行散热。
7.然而，在应用现有技术方案对轮毂电机进行冷却时，存在以下问题：（1）由原有的一个集中电机驱动改为两个或四个轮毂电机驱动，电机数量的增加及轮毂电机对大扭矩的需求，都会导致系统的散热量提高很多，原有散热器9的尺寸可能难以满足散热要求，存在散热不足和散热不及时的问题。
8.（2）一旦外置的水泵出现问题，冷却系统将无法工作，而电机温度则会快速上升，如果在其它策略失效的情况下，电机可能会烧坏，可靠性差。
9.（3）当轮毂电机本体和控制器集成为一体时，由于空间布置原因，现行的冷却系统将非常复杂，而且流阻增加导致冷却效果并不理想。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种散热效果好、能耗低、可靠性高的用于轮毂电机的冷却系统。
11.本发明采用的技术方案为：一种用于轮毂电机的冷却系统，所述冷却系统包括散热器、pdu/dcdc/obc三合一装置、轮毂电机和轮毂电机控制器；所述轮毂电机内设有用于冷却轮毂电机定子线圈的冷却水套，以及与冷却水套连通的双向柱塞泵；所述散热器的冷源出口依次与pdu/dcdc/obc三合一装置和轮毂电机控制器的内部连通，轮毂电机控制器的冷却液出口与轮毂电机内部的自吸泵进水口连通，自吸泵内部与冷却水套连通；自吸泵的出水口通过冷却水管与散热器的冷源入口连通。
12.按上述方案，所述轮毂电机包括轮毂轴承、定子机架、绕有线圈的定子、压装有磁钢的转子、自吸泵和用于冷却定子线圈的冷却水套；所述轮毂轴承的内圈与安装有定子的定子机架固连，轮毂轴承的外圈为与转子适配的外圈法兰面；所述自吸泵为安装在冷却水套内的双向柱塞泵，双向柱塞泵的顶杆与可外圈法兰面接触，转子带动外圈法兰面旋转时，双向柱塞泵的顶杆发生轴向移动；所述双向柱塞泵的进水口与电机控制器的冷却液出口连通，柱塞泵的出水口与电机控制器的冷却液入口连通；所述定子和冷却水套同轴装配在定子机架上，冷却水套内开设有流道，流道与双向柱塞泵的内部连通；当双向柱塞泵的顶杆发生轴向移动时，双向柱塞泵和冷却水套内的冷却液流动，与定子热源进行对流换热。
13.按上述方案，所述轮毂轴承的外圈法兰面增设有沿轴线方向凸起的回转凸轮结构；顶杆与可回转凸轮结构接触，转子带动外圈法兰面旋转时，回转凸轮结构推动双向柱塞泵的顶杆发生轴向移动。
14.按上述方案，所述双向柱塞泵包括与顶杆相连的泵体，以及同轴布置在泵体内的第一泵腔和第二泵腔；所述第一泵腔两侧分别设进水口和出水口，第一泵腔和第二泵腔之间分别设有连通二者的四个单向阀；所述柱塞安装第二泵腔内，柱塞可在顶杆的带动下沿轴向往复移动；柱塞将第二泵腔分隔为上腔体和下腔体，上腔体和下腔体分别通过两个单向阀与第一泵腔连通；柱塞可在顶杆的带动下轴向移动。
15.按上述方案，四个单向阀分别为第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀；当顶杆处于下降阶段时，第一单向阀和第四单向阀打开，第二单向阀和第三单向阀关闭，冷却液通过进水口经第一单向阀进入上腔体，同时在下腔体经第四单向阀从出水口流出；当顶杆处于上升阶段时，第二单向阀和第三单向阀打开，第一单向阀和第四单向阀关
闭，冷却液通过进水口经第二单向阀进入下腔体，同时在上腔体经第三单向阀从出水口流出。
16.按上述方案，所述双向柱塞泵有三个，周向均匀间隔安装在冷却水套。
17.按上述方案，所述冷却水套内开设有u形或者螺旋形的流道，流道分别连通有进水管和出水管，其中进水管通过第一过流孔与双向柱塞泵的进水口连通，出水管通过第二过流孔与双向柱塞柱泵的出水口连通。
18.按上述方案，所述第一过流孔与第二过流孔之间设置有挡片。
19.本发明的有益效果为：（1）与传统的
“‑
散热器-水泵-控制器及电机
‑”
散热系统相比，本发明所述冷却系统不需要专用水泵，整车电能消耗降低，对续航能力有一定提升；（2）本发明中，所述双向柱塞泵装配在冷却水套内，通过与轮毂轴承的回转凸轮结构其轴向作用产生泵吸效果，实现冷却液的流通，降低电机散热功率消耗，同时减小散热路径引起的流阻损耗，在电机内部形成强制对流散热，避免散热不足、散热不及时；且不管轮毂电机正转还是反转，冷却液均会从固定流道进行冷却；只要转子在旋转，冷却液就会被泵吸循环，旋转速度越快循环越快，提升了散热的及时性，同时也由于冷却系统与电机的联动作用，其可靠性也得到了提升；（3）本发明可采用多个间隔布置的双向柱塞泵安装于冷却水套上，可以根据流量要求变更轴承外圈法兰面的回转凸轮结构的数量来实现。
附图说明
20.图1为现有轮毂电机的结构示意图。
21.图2为现有轮毂电机液冷系统流程框图。
22.图3为现有技术中轮毂电机液冷系统的整体结构示意图。
23.图4为本发明一个具体实施例的流程框图。
24.图5为本实施例的结构示意图。
25.图6为本实施例中轮毂电机的结构示意图。
26.图7为本实施例中双向柱塞泵的整体示意图。
27.图8为本实施例中双向柱塞泵的剖视图。
28.图9为本实施例中轮毂轴承的结构示意图。
29.图10为本实施例中冷却水套的结构示意图。
具体实施方式
30.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
31.本发明中，pdu(power distribution unit)为高压配电盒，dc-dc（direct current/ direct current）为将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置；obc( on-board controller)为车载充电机；pdu/dcdc/obc三合一装置10为将三个设备的功能融合于一体的装置，为行业现有设备，这里不再赘述。
32.如图4和图5所示的一种用于轮毂电机的冷却系统，图4中各附图标记分别为：9-散热器，10-pdu/dcdc/obc三合一装置、11-右轮毂电机，12-左轮毂电机，13-冷却水管，14-轮
毂电机控制器。所述冷却系统包括散热器9、pdu/dcdc/obc三合一装置10、轮毂电机和轮毂电机控制器14；所述轮毂电机内设有用于冷却轮毂电机定子18线圈的冷却水套16，以及与冷却水套16连通的自吸泵；所述散热器9的冷源出口依次与pdu/dcdc/obc三合一装置10和轮毂电机控制器14的内部连通，轮毂电机控制器14的冷却液出口与轮毂电机内部的自吸泵进水口连通，自吸泵内的冷却液通道与用于冷却轮毂电机定子18线圈的冷却水套16连通；自吸泵的出水口通过冷却水管13与散热器9的冷源入口连通。
33.轮毂电机包括左轮毂电机12和右轮毂电机11，本实施例中，轮毂电机控制器14的冷却液出口与左轮毂电机12内部的自吸泵进水口连通，并经自吸泵进入冷却水套16内，以冷却左轮毂电机12的定子18线圈，冷却液回流进入自吸泵，经自吸泵的吹水口流出，并经管道进入右轮毂电机11内部的自吸泵，流入右轮毂电机11内部的冷却水套16后，回流至右轮毂电机11的自吸泵出水口流出，经冷却水管13与散热器9的冷源入口连通。冷却液在所述冷却系统内回流的驱动力来自轮毂电机内部的自吸泵，冷却液的循环流程为：散热器99
→
pdu/dcdc/obc三合一装置10
→
冷却水管1313
→
轮毂电机控制器1414
→
轮毂电机（可先进入轮毂电机后右轮毂电机11，也可先进入右轮毂电机11后左轮毂电机12）
→
冷却水管1313
→
散热器99。
34.本发明将轮毂电机的自吸泵串联到整个冷却回路中，取消现有技术中的专用水泵，冷却液从散热器9流出，依次进入轮毂电机控制器14和左/右轮毂电机11，通过轮毂电机内部的自吸泵使冷却液在整个系统内进行换热，从而实现轮毂电机散热的作用。
35.本发明中，轮毂电机的结构如图6所示，图6中各附图标记分别为：15-双向柱塞23泵，16-冷却水套，17-定子机架，18-定子，19-转子，20-轮毂轴承。所述轮毂电机包括轮毂轴承20、定子机架17、绕有线圈的定子18、压装有磁钢的转子19、自吸泵和用于冷却定子18线圈的冷却水套16；所述轮毂轴承20的内圈法兰面34与安装有定子18的定子机架17固连（可螺栓连接），轮毂轴承20的外圈法兰面35与转子19适配，外圈法兰面35增设有沿轴线方向凸起的回转凸轮结构36；所述自吸泵为安装在冷却水套16内的双向柱塞泵15，双向柱塞泵15的顶杆22与可回转凸轮结构36接触，转子19带动外圈法兰面35旋转时，双向柱塞泵15的顶杆22发生轴向移动；所述双向柱塞泵15的进水口与电机控制器的冷却液出口连通，柱塞23泵的出水口与电机控制器的冷却液入口连通；所述定子18和冷却水套16同轴装配在定子机架17上，冷却水套16内开设有流道，流道与双向柱塞泵15的内部连通；当双向柱塞泵15的顶杆22发生轴向移动时，双向柱塞泵15和冷却水套16内的冷却液流动，与定子18热源进行对流换热，从而实现冷却液内循环来对定子18线圈产生的热量进行散热。
36.本发明中，整个轮毂电机的自吸冷却原理是通过对冷却水套16和双向柱塞泵15进行特殊设计实现的。冷却水套16内置双向柱塞泵15，同时轮毂轴承20的外圈法兰面35增设回转凸轮结构36，通过转子19的旋转带动外圈法兰面35旋转，回转凸轮结构36推动双向柱塞泵15的顶杆22发生轴向移动，使冷却水套16内的冷却液与定子18热源强制对流换热，从而实现冷却液内循环来对定子线圈产生的热量进行散热。冷却液循环速度随着转速而改变，为减少轴向作用产生的损耗，可以从以下三个方面进行优化：（1）改善两者的润滑条件以降低摩擦系数；（2）通过优化凸轮轮廓行程，可以减小轴向冲击影响；（3）通过优化柱塞23泵内部弹簧的刚度系数，可以减小轴向负荷并增加回弹响应度。
37.双向柱塞泵15的结构如图7和图8所示。图7和图8中各附图标记分别为：21-泵体，
22-顶杆，23-柱塞，24-第一泵腔，25-上腔体，26-下腔体，27-第一单向阀，28-第二单向阀，29-第三单向阀，30-第四单向阀，31-弹簧，32-进水口，33-出水口。优选地，所述双向柱塞泵15包括与顶杆22相连的泵体21，以及同轴布置在泵体21内的第一泵腔24和第二泵腔；所述第一泵腔24两侧分别设进水口和出水口，第一泵腔24和第二泵腔之间分别设有连通二者的四个单向阀；所述柱塞23安装第二泵腔内，柱塞23可在顶杆22的带动下沿轴向往复移动；柱塞23将第二泵腔分隔为上腔体25和下腔体26，上腔体25和下腔体26分别通过两个单向阀与第一泵腔24连通；柱塞23可在顶杆22的带动下轴向移动。第二泵腔的底部设有弹簧31，柱塞23的底部可与弹簧31接触。
38.本实施例中，四个单向阀分别为第一单向阀27、第二单向阀28、第三单向阀29和第四单向阀30。顶杆22与轮毂轴承20的回转凸轮结构36联动，在转子19带动下，顶杆22带动柱塞23沿轴向往复直线运动：（1）当顶杆22处于下降阶段时（顶杆22带动柱塞23向下移动），第一单向阀27和第四单向阀30打开，第二单向阀28和第三单向阀29关闭，冷却液通过进水口32经第一单向阀27进入膨胀腔（也即上腔体25），同时在压缩腔（也即下腔体26）经第四单向阀30从出水口33流出；（2）当顶杆22处于上升阶段时，第二单向阀28和第三单向阀29打开，第一单向阀27和第四单向阀30关闭，冷却液通过进水口32经第二单向阀28进入膨胀腔（下腔体26），同时在压缩腔（上腔体25）经第三单向阀29从出水口33流出。顶杆22随着转子19旋转作往复运动，冷却液一直不断经进水口32流入并从出水口33流出。本发明中，采用三个间隔120
°
的双向柱塞泵15周向间隔安装在冷却水套16上，可以根据流量要求变更轴回转凸轮结构36的数量来实现。
39.轮毂轴承20的结构如图9所示，图9中附图标记为：34-内圈法兰面，35-外圈法兰面，36-回转凸轮结构。所述轮毂轴承20的内圈法兰面34分别与定子18和定子机架17相连；轮毂轴承20的外圈与转子19连接；轮毂轴承20的外圈法兰面35上设计有回转凸轮结构36，根据对冷却流量的需要确定凸轮数量；轮毂轴承20的其他配置均为现有技术，这里不在赘述。本发明中，所述轮毂轴承20的内圈法兰面34同时定子18和定子机架17连接，在电磁作用过程中维持不动，外圈法兰面35与转子19连接，在电磁作用过程中一直旋转。
40.冷却水套16的结构如图10所示，图10中各附图标记为：37-进水管，38-出水管，39-流道。所述冷却水套16内开设有u形或者螺旋形的流道，流道分别连通有进水管和出水管，其中进水管通过第一过流孔与双向柱塞泵15的进水口连通，出水管通过第二过流孔与双向柱塞23柱泵的出水口连通；所述第一过流孔与第二过流孔之间设置有挡片。由于双向柱塞泵15的特点，不论轮毂电机正转还是反转，冷却液将只会通过进水管流入，从出水管流出。本发明中，冷却水套16主要用来冷却与之装配的定子18线圈，将双向吸泵装入水套内，需要在水套上分别做出两个孔，分别与柱塞23泵的进出水口相连，为确保定向冷却，在这两个孔之间设置挡片。
41.最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。