一种超高速电机、电动空压机、新能源汽车

技术领域

本申请涉及新能源汽车这一技术领域，具体涉及一种超高速电机、电动空压机、新能源汽车。

背景技术

电机是常见的动力设备。特别的，应用于新能源汽车用空压机时，需要电机有较高的转速。

然而，随着电机转速的增加，其散热问题成为制约其工作的一大难题(散热不好会造成：高速电机效率达不到设计要求；同时电机绝缘寿命降低，可能会影响安全)。

对于电机散热问题而言，有许多文献进行了过研究，诸如：CN210468991U(广东合一新材料研究院有限公司)、CN207218461U(精基科技有限公司)、CN109245431A(石家庄金士顿轴承科技有限公司)等。

然而，上述研究，主要是针对中低转速以下的电机的散热问题，对于超高速电机的相关结构则并未进行深入的研究。

发明内容

本申请的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种超高速电机、电动空压机、新能源汽车。

本申请的技术方案如下：

一种超高速电机，包括：机壳、定子总成、转子总成、风扇；

其中，定子总成的外侧为机壳，定子总成的内侧安装有转子总成；

其中，在机壳上沿着圆周方向均匀开设有若干个水冷通道，用于外部冷却水对定子降温；

其中，所述定子总成包括：定子铁芯；在定子铁芯的外周部开设有第一通风槽，在定子铁芯的内周部开设有第二通风孔；所述第一通风槽沿着定子铁芯的外周部均匀布置；所述第二通风孔沿着定子铁芯的内周部均匀布置；

其中，转子总成包括：转轴、转子铁芯、导流磁环、磁环保护套；在转轴上固定有转子铁芯，在转子铁芯的外周设置有导流磁环，在导流磁环的外周设置有磁环保护套；所述磁环保护套沿着圆周方向布置有若干个第三通风孔；

在磁环保护套的前端、后端均布置有风扇，所述辐射风扇设置在转轴上。

进一步，所述导流磁环为2极平行充磁磁环。

进一步，定子绕组采用单层同心式绕组。

进一步，所述第一通风槽、第二通风孔沿着定子铁芯的圆周方向相互交错。

进一步，所述第一通风槽为方形槽。

进一步，所述第三通风孔在磁环保护套上均匀布置。

进一步，磁环保护套的表面沿着圆周方向均匀开设10-20个第三通风孔。

进一步，在磁环保护套的两侧均布置有多个风扇。

一种电动空压机，其使用了前述的超高速电机。

一种新能源汽车，其使用了前述的电动空压机。

本申请的有益效果在于：

第一，本申请的第一个发明构思在于：“在定子铁芯的内周部设置多个第二通风孔、在定子铁芯的外周部设置多个第一通风槽、在磁环保护套的两侧设置多个风扇、在磁环保护套的表面设置多个第三通风孔，在降低温度方面共同起作用”，即均属于必要技术特征，使得电机内部空气形成轴向径向对流。上述每项散热措施，均是通过仿真试验进行对比，验证了效果。

第二，高速电机经过优化之后，控制器的控制效果得到了明显的提高；具体而言，电机定子外径130mm，单边气隙3mm，铁芯长度40mm；上述数据是本申请的核心发明构思之一。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本申请作进一步的详细说明，但并不构成对本申请的任何限制。

图1是双层绕组的设计示意图。

图2是单层绕组的设计示意图。

图3是给出了现有技术的磁环应力值分布云图。

图4是磁环加上的不锈钢保护套的设计图。

图5是现有技术的电磁方案的横截面图。

图6是现有技术的电磁方案的纵断面图。

图7是现有技术的电压电流波形图。

图8是优化后的电磁方案的横截面图。

图9是优化后的电磁方案的纵断面图。

图10是优化后电压电流波形图。

图11是实施例1的高速电机散热结构的三维设计示意图。

图12是实施例1的定子总成的三维设计示意图。

图13是实施例1的定子总成、转子总成安装在一起的三维设计示意图。

图14是实施例1的转子总成、风扇安装在一起的三维设计示意图。

图15是实施例1的转子总成在另一视角下的三维设计示意图。

图16是实施例1的高速电机散热结构的剖面设计图。

图17a是对比例1的仿真模型图。

图17b是对比例1的仿真结果图。

图18a是对比例2的仿真模型图。

图18b是对比例2的仿真结果图。

图19a是对比例3的仿真模型图。

图19b是对比例3的仿真结果图。

图20a是对比例4的仿真模型图。

图20b是对比例4的仿真结果图。

图21a是对比例5的仿真模型图。

图21b是对比例5的仿真结果图。

图22a是实施例1的仿真模型图。

图22b是实施例1的仿真结果图。

图1-22b中附图标记说明如下：

机壳1、定子总成2、转子总成3、风扇4；

定子铁芯2-1、定子绕组2-2、第一通风槽2-1-1、第二通风孔2-1-2；

转轴3-1、转子铁芯3-2、导流磁环3-3、磁环保护套3-4、第三通风孔3-4-1。

具体实施方式

实施例一。

第一个研究问题：绕组对比分析

表1对比了单层绕组与双层绕组的性能，结果表明：双层绕组、单层绕组的效率、输出功率、损耗相差不大。

对于超高速电机而言，由于电机定子内径较小，双层绕组不易于嵌线。虽然单层绕组方案综合性能有所降低，但是与双层绕组相比而言，电机性能差异并不大，因而选择利于批量生产的工艺性良好的单层绕组

表1

第二个研究问题：极数方案的对比分析

超高速电机的极数一般选为2极或4极，否则将会导致电机运行基频过高，各项损耗急剧增加。表2对比了2级单层绕组、4极单层绕组的性能：计算结果表明：4极方案整体性能相比2极方案降低，最终选择2极方案。

表2

第三个研究问题：转子机械强度的校核

转子在运行中不仅受到高速旋转带来的离心力，还要承受电磁力的作用，此时永磁体自身的机械强度需要计算分析。

如图3给出了转子机械的模拟结果；由图3可知：稀土磁钢应力已经超过材料本身抗拉强度值；必须采取相应保护措施。

如图4所示，给出了相应的保护措施：超高速电机磁环采用不锈钢保护套来保护。

第四个研究问题：电磁方案与控制器的结合

电机本体设计参数与控制器相匹配时，由于电感量较小，导致控制效果较差。为了与控制器参数匹配，优化电磁方案。

图5-7给出了现有技术的电磁方案。

图8-9给出了优化后的电磁方案，采取降低磁负荷(增加气隙长度+缩短铁芯长度)，提高电负荷的方法增大电机电感值。

从图10可知：超高速电机经过优化之后，控制器的控制效果得到了明显的提高(具体而言，电机定子外径130mm，单边气隙3mm，铁芯长度40mm)。

第四个研究问题：散热措施。

一种高速电机散热结构，包括：机壳1、定子总成2、转子总成3、风扇4；

定子总成2的外侧为机壳1，定子总成2的内侧安装有转子总成3；

其中，机壳1具有支撑和保护内部零件的作用，在机壳1上沿着圆周方向开设有若干个水冷通道1-1，用于外部冷却水对定子降温；

其中，所述定子总成2包括：定子铁芯2-1和定子绕组2-2；在定子铁芯的外周部开设有第一通风槽2-1-1，在定子铁芯的内周部开设有第二通风孔2-1-2；

所述第一通风槽2-1-1沿着定子铁芯2-1的外周部均匀布置；

所述第二通风孔2-1-2沿着定子铁芯2-1的内周部均匀布置；

所述第一通风槽2-1-1、第二通风孔2-1-2沿着定子铁芯的圆周方向相互交错。

其中，转子总成3包括：转轴3-1、转子铁芯3-2、导流磁环3-3、磁环保护套3-4；

在转轴3-3上固定有转子铁芯3-2，在转子铁芯3-2的外周设置有导流磁环3-3，在导流磁环3-3的外周设置有磁环保护套3-4；所述磁环保护套3-1沿着圆周方向布置有若干个第三通风孔3-4-1；

在磁环保护套3-1的前端、后端均布置有风扇4，所述辐射风扇4设置在转轴3-1上。

进一步，所述第三通风孔3-4-1在磁环保护套3-4上均匀布置。

进一步，磁环保护套3-1的表面沿着圆周方向均匀开设10-20个第三通风孔。

进一步，在磁环保护套3-1的两侧均布置有多个风扇。

下面通过数值模拟试验来说明本申请的散热效果。

对比例1：机壳1采用水冷，定子总成2的定子铁芯2-1的内周部、外周部未设置第二通风孔、第一通风槽，转子总成3的转轴不设置风扇，磁环保护套全封闭(即未设置第三通风孔)；其电磁仿真模型如图17a所示，仿真结果如图17b所示。从图17b可知：内部空气无对流。

对比例2：机壳采用水冷，定子总成2的定子铁芯2-1的内周部附近开孔24×Φ3.5，转子总成3的转轴不设置风扇，磁环保护套全封闭；其电磁仿真模型如图18a所示，仿真结果如图18b所示。从图18b可知：内部空气少量有对流。

对比例3：机壳采用水冷，定子总成2的定子铁芯2-1的内周部附近开孔24×Φ4，转子总成3的转轴在磁环保护套的单侧设置6个风扇，磁环保护套全封闭；其电磁仿真模型如图 19a所示，仿真结果如图19b所示。从图19b可知：内部空气有轴向径向对流。

对比例4：机壳采用水冷，定子总成2的定子铁芯2-1的内周部附近开孔24×Φ4，转子总成3的转轴在磁环保护套的两侧各设置6个风扇，磁环保护套全封闭；其电磁仿真模型如图 20a所示，仿真结果如图20b所示。从图20b可知：内部空气有轴向径向对流。

对比例5：机壳采用水冷，定子总成2的定子铁芯2-1的内周部附近开孔24×Φ4.5，转子总成3的转轴在磁环保护套的两侧各设置16个风扇，磁环保护套全封闭；其电磁仿真模型如图21a所示，仿真结果如图21b所示。从图21b可知：内部空气有轴向径向对流。

实施例1：水冷机壳，增加定子铁心开孔数：定子铁芯2-1的内周部附近12个开方孔2mm×5mm、外圆部开12个方槽2.5mm×6mm，转子总成3的转轴在磁环保护套的两侧各设置16个风扇、磁环保护套开设12个长条形孔2mm×20mm，磁极半裸露状态(磁极采用平行充磁磁环)，其电磁仿真模型如图22a所示，仿真结果如图22b所示。从图22b可知：内部空气有轴向径向对流

上述对比例1、对比例2、对比例3、对比例4、对比例5、实施例1的对比结果见表3 所示。

从表3可知，本申请的设计，具有良好的效果，能够适应高速电机的需要。

即：本申请中的：在定子铁芯的内周部设置多个第二通风孔、在定子铁芯的外周部设置多个第一通风槽、在磁环保护套的两侧设置多个风扇、在磁环保护套的表面设置多个第三通风孔，在降低温度方面共同起作用，即均属于必要技术特征，使得电机内部空气形成轴向径向对流。

表3

以上所举实施例为本申请的较佳实施方式，仅用来方便说明本申请，并非对本申请作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本申请所提技术特征的范围内，利用本申请所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本申请的技术特征内容，均仍属于本申请技术特征的范围内。