CN110022034B - 一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统，包括：汇油腔，以及分别与汇油腔集成的定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路；汇油腔用于汇集定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路，实现在空间有限的场合下对电机定子、转子和驱动控制器同时冷却，使得电机和控制器中发热元件的热量被快速带走。本发明中，利用汇油腔高压区和低压区的压降为转子冷却油路提供冷却油，系统非常紧凑，可靠性高；汇油腔的低压区与控制器冷却油路直接连接，也使得系统更加集成，定子冷却油路，转子冷却油路和控制器冷却油路汇集到汇油腔的低压区，再从低压区中的总出口流出整个油冷系统，系统十分集成、紧凑。

Description

一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统

技术领域

本发明属于电机冷却技术领域，更具体地，涉及一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统。

背景技术

高功率密度电机具有单位体积或者单位重量可以输出较大的功率的特点，特别适合在航空航天、电动汽车等对电机体积和重量有严格要求的场合，这类电机的功率高、散热面积相对较小，一般不适用强迫风冷，对于电机本体和驱动控制器，通常采用油冷或者水冷的方式对发热部件进行冷却。相比较于水冷，使用油冷可以使冷却液直接接触发热部分，散热效果好，可以大幅度降低电机部件如铁心、绕组和磁钢以及驱动器芯片的温度，

且冷却油是绝缘的，在航空航天等对安全性要求很高的场合，油冷系统较水冷系统更为安全，所以被广泛采用。对于电机和驱动控制器系统，要冷却的部分较多，有电机定子铁心及绕组、转子磁钢和驱动器，若采用一般的分离式管路连接，势必造成管路以及接头众多，油管走线复杂，一方面使得冷却油路系统安全性降低，故障率增加，另一方面在航空等对电机系统的空间和重量有严格限制的场合，分离式的油路连接系统通常安装不下，且众多接头也会增加系统的重量，所以必须设计出一种集成式的冷却油路系统，使得该油冷系统既可以有效地降低电机和驱动器的温度，又能保证油冷系统管路集成度高、系统简单、可靠性高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统，旨在解决现有技术中冷却效率低的技术问题。

本发明提供了一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统，包括：汇油腔，以及分别与汇油腔集成的定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路；汇油腔用于汇集定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路，实现在空间有限的场合下对电机定子、转子和驱动控制器同时冷却，使得电机和控制器中发热元件的热量被快速带走。工作时，冷却油从进油口进入所述定子冷却油路，从所述定子冷却油路的出油口流入至所述汇油腔的高压区腔体内以及所述控制器冷却油路中，所述定子冷却油路、所述转子冷却油路和所述控制器冷却油路在所述汇油腔的低压区腔体内汇合，再从冷却油路系统的出口流出。

本发明公开了一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统该结构具有集成的优势，可以在空间有限的场合下对电机定子、转子和驱动控制器同时冷却，进一步提高电机和驱动控制器总体的功率密度，同时使系统油路更加紧凑，可靠性相比较于分离式的众多的管接头，也高了。该集成冷却油路结构保证了电机和控制器中发热元件的热量被快速带走，各个零部件工作在其可靠的工作温度范围内，使得系统的可靠性和功率密度同时得到提升。

更进一步地，汇油腔包括：对称设置的高压区腔体和低压区腔体，以及设置在高压区腔体与低压区腔体的对称面上用于冷却油通过的孔；高压区腔体具有一个进油口和两个出油口，高压区腔体的进油口设置在高压区腔体的非对称面上且用于与所述定子冷却油路的出油口连通；高压区腔体的第一出油口设置在高压区腔体的对称面上且用于与转子冷却油路的进油口连通；高压区腔体的第二出油口设置在高压区腔体的对称面上且用于与低压区腔体的第一进油口连通；低压区腔体具有两个进油口和一个出油口，低压区腔体的第二进油口与转子冷却油路的出油口连通；低压区腔体的第三进油口与控制器冷却油路的出油口连通；低压区腔体的出油口作为冷却油路系统的出口。

更进一步地，定子冷却油路包括：进油口、出油口和隔油环；隔油环与机壳同轴设置，且隔油环的外壁与所述定子的铁心的内部配合，在定子的铁心的轭部设置有多个用于冷却油通过的孔；所述进油口设置在前端盖上用于为冷却油提供进口；所述出油口设置在后端盖上用于为冷却油提供出口。

其中，定子冷却油路的进油口是整个冷却油路系统的进口；定子冷却油路的出油口与汇油腔的高压区连接。具体的连接方式为：定子油路的出油口在后端盖上，出油口是管接头的形式，通过油管与固定在汇油腔高压区上的管接头连接，这种连接方式将定子油路和汇油腔集成在一起，使得系统更加简洁，管道和接头的数量减少，油路系统布置难度降低。

更进一步地，定子冷却油路具有四个出油口，分别沿着所述后端盖的圆周方向均匀分布，其中三个出油口与汇油腔高压区连通，一个出油口与控制器冷却油路的进油口连通。

更进一步地，转子冷却油路包括：进油口、转子的轴、出油口和输油管；转子的轴为中空结构且沿着轴向一端开口；输油管同轴设置在转子的轴的中空结构内，且输油管的外径小于中空结构的直径，输油管内以及输油管外壁与中空结构内部之间的通路作为冷却油的通路；转子冷却油路的进油口的一端与汇油腔的高压区腔体连通，转子冷却油路的进油口的另一端与输油管连通；转子冷却油路的出油口的一端与输油管外壁和中空结构内部之间的通路连通，所述转子冷却油路的出油口的另一端与汇油腔的低压区腔体连通。

其中，输油管的进口端面与汇油腔高压区中的孔重合，使冷却油可以顺利地从汇油腔的高压区进入转子输油管内，输油管插入转子半中空轴中，两者中心线重合，且输油管端部距离转子半中空轴油一段距离，便于冷却油从输油管中流入轴内孔中，冷却轴，动密封固定在轴端部且与控制器散热器支撑环接触固定，防止冷却油流到轴外面，并形成油道，冷却油从半中空轴流出进入控制器散热器支撑环内的油道，控制器散热器支撑环内的油道与汇油腔低压区的半圆环形孔相通，使得冷却油可以从控制器散热器支撑环内的油道进入汇油腔低压区中。这样设计的优势在于可以将转子油路和汇油腔高度集成在一起，使得系统更加简洁，管道和接头的数量减少，油路系统布置难度降低。

更进一步地，控制器冷却油路包括：进油口，出油口，对称紧密设置的第一腔体和第二腔体，以及设置在第一腔体与第二腔体的对称面上用于冷却油通过的孔；控制器冷却油路的进油口的一端设置在第一腔体的非对称面上，控制器冷却油路的进油口的另一端与定子冷却油路的出口连通；控制器冷却油路的出油口的一端设置在第二腔体的非对称面上，控制器冷却油路的出油口的另一端与汇油腔低压区连通。

其中，控制器冷却油路的出油口与汇油腔的低压区连接，所述控制器冷却油路的进油口与定子油路的一个出油口连接，取一部分定子油路中的油进入控制器，冷却控制器；油道隔板将控制器油路分成上下两个腔，使得冷却油可以从控制器油路，油道的隔板上设置有用于油流通的孔，可以使冷却油从上面的腔体流入下面的腔体，控制器油路和汇油腔之间有隔板隔开，控制器油路下面的腔体与汇油腔低压区之间的隔板有用于油流体的孔，使得控制器里面的冷却油可以流入汇油腔低压区，再从汇油腔低压区流出系统。

本发明散热效果好，结构紧凑，整体的冷却油路系统高度集成，减小了系统的体积和重量，使得系统布置的难度大大降低。

本发明中，汇油腔的高压区汇集定子冷却油路的出油，再集中从汇油腔的低压的总出油口流出系统；汇油腔的高压区与转子冷却油路进油口连接，低压区与出油口连接，利用汇油腔高压区和低压区的压降为转子冷却油路提供冷却油，系统非常紧凑，可靠性高；汇油腔的低压区与控制器冷却油路直接连接，也使得系统更加集成，定子冷却油路，转子冷却油路和控制器冷却油路汇集到汇油腔的低压区，再从低压区中的总出口流出整个油冷系统，系统十分集成、紧凑。另一方面，汇油腔并非一个单独的空间，而是控制器散热器的一部分，可以为控制器功率模块散热，进一步地提高了电机系统的功率密度和系统的集成度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：

(1)本发明通过将定子冷却油路与汇油腔的集成使得油路分布均匀，结构紧凑。具体地，汇油腔起到汇集电机定子冷却油路的出油的作用，一方面平衡了定子出油口的压力，使得定子冷却油路分布更加均匀，另一方面大大减少管路和管接头的设计，使得系统简化，结构紧凑；若不采用集成的冷却油路方案，整个冷却油路系统的体积将增大，重量也会增加，从而导致系统的功率密度下降。在对电机系统由严格的空间限制的情况下，分离的定子冷却油路不能满足要求。

(2)本发明通过将转子冷却油路与汇油腔的集成使得系统简化，可靠性高。

具体地，由于转子冷却油路的空间十分狭小，安装转子冷却油路油管进出接头空间有限，十分不便，将转子冷却油路与汇油腔集成设计是一种非常好的解决方案，利用汇油腔高压区与低压区的压差，为转子冷却油路提供一定量的冷却油。该结构非常紧凑，减少管路和管接头的设计，使得系统简化，可靠性高。若不采用集成的冷却油路方案，整个冷却油路系统的体积将增大，重量也会增加，从而导致系统的功率密度下降。一般功率密度较高的电机中转子处的空间都十分紧凑，若需要采用转子油冷方案，集成冷却设计是很重要的，分离的转子冷却油路一般不能满足空间的限制。

(3)本发明通过将控制器冷却油路与汇油腔的集成使得散热能力得到进一步的提升。

具体地，控制器冷却油路的出口与汇油腔的低压区相连接，减少管路和管接头的设计，使得系统简化，结构紧凑，同时汇油腔是控制器散热器的一部分，可以给控制器散热，使控制器散热器的散热能力得到进一步的提升，控制器的功率密度可以做得更高，因为限制控制器的功率密度提升的一个重要方面就是控制器散热的问题。若不采用集成的设计，一方面，控制器的散热能力降低，另一方面也会使得冷却油路系统的体积和重量增加，较难满足电机系统的空间和重量的限制。

(4)本发明通过对汇油腔的结构进行设计使得系统简化，结构紧凑，进一步提高了系统的集成度，提升系统功率密度。

具体地，汇油腔的设计是为了给电机定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路提供集成的接口，使得整个油冷系统通过汇油腔集成在一起，如果没有该汇油腔，电机的定子冷却油路、转子冷却油路、控制器冷却油路高度集成在一起非常困难。汇油腔与电机的定子冷却油路、转子冷却油路、控制器冷却油路高度集成设计减少管路和管接头的设计，使得系统简化，结构紧凑，可以满足电机系统的空间和重量的限制，可靠性高；同时汇油腔并非一个单独的空间，而是设计成控制器散热器的一部分，可以为控制器的功率器件散热，进一步提高了系统的集成度，提升系统功率密度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电机和驱动控制器集成的冷却油路系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电机和驱动控制器集成的冷却油路系统中电机定子、转子冷却油路与汇油腔连接结构示意图；

图3是本发明实施例提供的电机和驱动控制器集成的冷却油路系统中汇油腔及控制器散热器内部油路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统；该系统包括四部分油路：定子冷却油路、转子冷却油路、控制器冷却油路和汇油腔，其中定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路通过与汇油腔的连接，成为一个集成的冷却油路系统，结构非常紧凑。这种结构保证油冷系统管路集成度高、系统简单、可靠性高，同时提高了电机和驱动控制器的冷却效率，降低电机和驱动控制器的温度，使电机系统安全运行。

本发明提供的电机和驱动控制器集成的冷却油路系统如图1所示，该冷却油路系统由四部分油路组成：电机定子冷却油路、转子冷却油路、控制器冷却油路和汇油腔。冷却油首先从电机定子进油口进入电机定子冷却油路，然后从电机另一端的端盖出来，出口分为四个，其中三个出口与汇油腔的高压区相连接，剩下的一个出口与控制器冷却油路的进口相连接，为控制器供油，转子冷却油路的进口与汇油腔的高压区连接，出口与汇油腔的低压区相连接，控制器冷却油路的出口与汇油腔的低压区连接。电机定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路在汇油腔的低压区汇合，从一个总的出口流出电机和控制器集成冷却油路系统。

对于本次设计的电机和驱动控制系统，其主要损耗分为四个部分：电机定子铁耗和铜耗、转子磁钢的涡流损耗、控制器功率器件的损耗，所以这三部分都需要设计冷却油路来对发热元件进行冷却，保证其工作在安全的范围内，汇油腔的设计是为了集成整个冷却油路系统。这四部分油路中，定子冷却油路是由电机机壳与隔油环组成的，冷却油直接流过定子铁心轭部和绕组端部，可以对定子的发热元件如定子铁心和绕组直接冷却；转子冷却油路是由半中空转轴和插入轴中的输油管组成的；控制器冷却油路在控制器散热器内，分为上下两个腔；汇油腔在控制器散热器内，分为两个区，汇油腔高压区和汇油腔低压区，如图1和图2所示。

本发明提供的集成油冷结构非常紧凑，可以同时有效地冷却电机定子、转子和驱动控制器，又使得整个电机和驱动控制系统结构紧凑，整体的功率密度得到进一步的提升。

本发明实施例中，定子冷却油路的设计如图1左上方虚线框所示，定子冷却通道由机壳内壁面、前端盖内表面、后端盖内表面、隔油环以及定子铁心轭部的孔组成，冷却油由前端盖上的进油口进入电机定子，首先冲击电机绕组端部，对绕组端部进行冷却，然后流过定子铁心轭部的通道，即定子铁心轭部的孔，冷却定子铁心，槽内绕组的热量即电机的定子铜耗也大部分通过导热导到定子铁心中，由冷却油带走；冷却油流过铁心轭部的通道后，会到达绕组的另一个端部，对电机的绕组端部进行冷却，然后从电机后端盖上的出油口离开定子冷却油路。为了定子冷却油路冷却油的流量在圆周方向上分布尽量均匀，电机油路的出口一般不低于四个，若这四个出口分别出去，则需要四个管接头，且非常复杂，若使用5通接头，会占很大一部分空间和重量，且结构复杂，所以设计出汇油腔将电机出口的油再汇集起来，一起从一个管里面流出冷却油路系统，承担汇集电机定子出油的任务。

本发明之所以将定子冷却油路与汇油腔集成，其目的是可以使得油路分布均匀，结构紧凑。具体地，汇油腔起到汇集电机定子冷却油路的出油的作用，一方面平衡了定子出油口的压力，使得定子冷却油路分布更加均匀，另一方面大大减少管路和管接头的设计，使得系统简化，结构紧凑；若不采用集成的冷却油路方案，整个冷却油路系统的体积将增大，重量也会增加，从而导致系统的功率密度下降。在对电机系统由严格的空间限制的情况下，分离的定子冷却油路不能满足要求。

本发明实施例中，转子冷却油路与汇油腔的集成由图2和图3所示，转子冷却油路的组成如图2所示，转子冷却油路包括：进油口、转子的轴、出油口和输油管；转子的轴为中空结构且沿着轴向一端开口；输油管同轴设置在转子的轴的中空结构内，且输油管的外径小于中空结构的直径，输油管内以及输油管外壁与中空结构内部之间的通路作为冷却油的通路；转子冷却油路的进油口的一端与汇油腔的高压区腔体连通，转子冷却油路的进油口的另一端与所述输油管连通；转子冷却油路的出油口的一端与输油管外壁和中空结构内部之间的通路连通，转子冷却油路的出油口的另一端与汇油腔的低压区腔体连通。冷却油的流动路径如图2箭头所示。冷却油从汇油腔的高压区由控制器散热器端面孔进入输油管，然后流过转子空腔内壁面，冷却转子，整个转子的损耗，主要是磁钢的涡流损耗产生的热量通过导热导到轴上，然后由冷却油带走，冷却油流过转子空腔内壁面后，流过控制器散热器支撑环内表面，然后从控制器散热器端面的半圆环形孔流到汇油腔的低压区，流出转子冷却油路。由于转子输油管处的空间十分狭小，安装转子冷却油路油管接头空间有限，十分不便，考虑到转子冷却油路只需要一定的压差就能驱动一定量的冷却油流入转子空腔内，所以将汇油腔设计成两个腔体，将汇油腔设计成两个腔体，一个压力高称为汇油腔高压区，一个压力低称为汇油腔低压区，如图1和图2所示，这样直接把转子冷却油路的进油口与汇油腔的高压区连接，出口与汇油腔的低压区连接，利用汇油腔高压区和低压区的压力差为转子冷却油路提供冷却油量，解决了转子冷却油路进出口处空间狭小不便于安装油管接头的问题，使得系统更加集成和紧凑，可靠性更高。

本发明实施例中，控制器冷却油路与汇油腔的集成以及控制器冷却油路的设计由图2和图3所示，控制器散热器是一个长方体形状的空腔，中间有隔板将其分为上下两个腔，隔板上有孔，上下两个腔连通，形成油道，控制器冷却油路的出油口与汇油腔的低压区连接，减少了管路和管接头的使用，使得系统更加集成和紧凑，可靠性更高。

本发明实施例中，如图2所示，汇油腔是控制器散热器空腔的一部分，用隔板将汇油腔和控制器散热器油路隔开，再用隔板将汇油腔分为两部分，一部分为汇油腔高压区、一部分为汇油腔低压区，中间的隔板开孔，连接高压区和低压区，形成汇油腔的油路，如图2所示。汇油腔的作用在于汇集定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路，首先汇油腔的高压区汇集定子冷却油路的出油，再集中从汇油腔的低压的总出油口流出系统；汇油腔的高压区与转子冷却油路进油口连接，低压区与出油口连接，利用汇油腔高压区和低压区的压降为转子冷却油路提供冷却油，系统非常紧凑，可靠性高；汇油腔的低压区与控制器冷却油路直接连接，也使得系统更加集成，定子冷却油路，转子冷却油路和控制器冷却油路汇集到汇油腔的低压区，再从低压区中的总出口流出整个油冷系统，系统十分集成、紧凑。另一方面，汇油腔并非一个单独的空间，而是控制器散热器的一部分，可以为控制器功率模块散热，进一步地提高了电机系统的功率密度和系统的集成度。

本发明所提供的电机和驱动控制器油冷集成系统结构紧凑，电机定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路紧密地与汇油腔连接在一起，因此能够大幅度提高油冷系统的集成度，在满足电机定子、转子和控制器的散热性能的条件下，油冷系统简化、集成度高且可靠性高。

本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电机和驱动控制器集成的冷却油路系统，其特征在于，包括：汇油腔，以及分别与所述汇油腔集成的定子冷却油路、转子冷却油路和控制器冷却油路；

所述汇油腔用于汇集所述定子冷却油路、所述转子冷却油路和所述控制器冷却油路，实现在空间有限的场合下对电机定子、转子和驱动控制器同时冷却，使得电机和控制器中发热元件的热量被快速带走；

工作时，冷却油从进油口进入所述定子冷却油路，从所述定子冷却油路的出油口流入至所述汇油腔的高压区腔体内以及所述控制器冷却油路中，所述定子冷却油路、所述转子冷却油路和所述控制器冷却油路在所述汇油腔的低压区腔体内汇合，再从冷却油路系统的出口流出。

2.如权利要求1所述的冷却油路系统，其特征在于，所述汇油腔包括：对称设置的高压区腔体和低压区腔体，以及设置在高压区腔体与低压区腔体的对称面上用于冷却油通过的孔；

所述高压区腔体具有一个进油口和两个出油口，所述高压区腔体的进油口设置在所述高压区腔体的非对称面上且用于与所述定子冷却油路的出油口连通；所述高压区腔体的第一出油口设置在所述高压区腔体的对称面上且用于与所述转子冷却油路的进油口连通；所述高压区腔体的第二出油口设置在所述高压区腔体的对称面上且用于与低压区腔体的第一进油口连通；

所述低压区腔体具有两个进油口和一个出油口，所述低压区腔体的第二进油口与所述转子冷却油路的出油口连通；所述低压区腔体的第三进油口与所述控制器冷却油路的出油口连通；所述低压区腔体的出油口作为冷却油路系统的出口。

3.如权利要求1所述的冷却油路系统，其特征在于，所述定子冷却油路包括：进油口、出油口和隔油环；

所述隔油环与机壳同轴设置，且隔油环的外壁与所述定子的铁心的内壁配合，在定子的铁心的轭部设置有多个用于冷却油通过的孔；

所述进油口设置在前端盖上用于为冷却油提供进口；

所述出油口设置在后端盖上用于为冷却油提供出口。

4.如权利要求3所述的冷却油路系统，其特征在于，所述定子冷却油路具有四个出油口，分别沿着所述后端盖的圆周方向均匀分布，其中三个出油口与汇油腔高压区连通，一个出油口与控制器冷却油路的进油口连通。

5.如权利要求1-4任一项所述的冷却油路系统，其特征在于，所述转子冷却油路包括：进油口、转子的轴、出油口和输油管；

所述转子的轴为中空结构且沿着轴向一端开口；所述输油管同轴设置在转子的轴的中空结构内，且所述输油管的外径小于所述中空结构的直径，所述输油管内以及输油管外壁与中空结构内部之间的通路作为冷却油的通路；

所述转子冷却油路的进油口的一端与汇油腔的高压区腔体连通，所述转子冷却油路的进油口的另一端与所述输油管连通；

所述转子冷却油路的出油口的一端与输油管外壁和中空结构内部之间的通路连通，所述转子冷却油路的出油口的另一端与汇油腔的低压区腔体连通。

6.如权利要求1-4任一项所述的冷却油路系统，其特征在于，所述控制器冷却油路包括：进油口，出油口，对称紧密设置的第一腔体和第二腔体，以及设置在第一腔体与第二腔体的对称面上用于冷却油通过的孔；

所述控制器冷却油路的进油口的一端设置在第一腔体的非对称面上，所述控制器冷却油路的进油口的另一端与定子冷却油路的出口连通；

所述控制器冷却油路的出油口的一端设置在第二腔体的非对称面上，所述控制器冷却油路的出油口的另一端与汇油腔低压区连通。

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