用于无人艇的外转子无刷电机的循环冷却系统

技术领域

本申请涉及无人艇动力装置的循环冷却领域，更具体地，涉及无人艇 外转子无刷电机的循环冷却系统。

背景技术

电动机(简称电机)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通 电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝 框)，从而形成磁电动力旋转扭矩。电动机按照使用电源的不同，可被分 为直流电动机和交流电动机。电力系统中的电动机大部分是交流电动机， 其可以是同步电机或者是异步电机。

由于各种损耗的存在，电动机在使用过程中主体温度会不断升高，如 果不能对其进行很好地冷却，则会严重影响电动机的使用寿命。高压电动 机的功率一般都较大，其损耗功率的绝对值也就大。为了能够正常使用并 延长电动机的使用寿命，及时对其进行冷却就显得尤为重要。

对于封闭式电动机(即，电动机和压缩机被安装在同一外壳内)而言， 空气在机壳内的流动与开启式电动机(即，机壳未全封闭，机身、前后端 盖都留有散热孔，无散热风扇，自冷)是比较类似的。封闭式电动机与开 启式电动机的冷却方式的最大差异之处在于，对封闭式电动机进行冷却时 需要将机壳内的热空气与外界的冷介质进行换热。本领域最常用的冷却介 质通常是空气，其次是水。

当使用空气作为冷却介质时，通常用与电动机同轴的外风扇来产生风 压驱动外界空气；当使用水作为冷却介质时，则需要专用水泵来驱动循环 冷媒水在冷却水箱中循环，以便对机壳内的热空气进行冷却。但这种冷却 装置在使用的时候，需要额外增加一个外置的循环冷却系统。这对于空间 不受限的系统来说，可能并非限制因素，但对于船、艇等空间比较局限的 装置来说，这种外置循环冷却系统一般在空间安装上处于劣势。因为其过于占用空间，并且冷却效果也差强人意，因此往往无法实现预定的冷却效 果。尤其对于无人艇这种具有狭小密闭空间的设备来说，在其中使用的是 内置电动机，则冷却效果会更加差。

对于开启式电动机而言，一般来说，环境空气会直接进入电动机内部 进行冷却，冷空气将电动机热量直接带走并排出到周围的环境中。空气在 电动机内部的行走路线主要有两种。

第一种是轴向，冷空气从电动机一端进入，从另外一端排出。因为只 需要在一端安装风扇，因此能够安装较大直径的风扇，冷却效果比较好， 铁芯结构也比较紧凑。但这种冷却方式的缺点是通风损耗较大，沿电动机 轴向的温度分布不均匀，一般常用于容量较小的电动机。

第二种是径向，这需要安装很多导热片，以增大散热面积。然后冷空 气从两端进入，从铁芯的径向通风道排出。这种冷却方式的缺点是因两端 均要装风扇，因此只能安装外径小于转子直径的风扇。

电动机按其工作电源种类可划分为直流电机和交流电机，其中直流电 动机按结构及工作原理可划分为无刷直流电动机(简称无刷电机)和有刷 直流电动机两种。

无刷电机是水面无人艇最常见的动力装置之一。其中常见的分为外转 子无刷电机和内转子无刷电机两种类型。顾名思义，内转子无刷电机指代 电机的工作转动部分被设计在内侧，静态部分被设计在外侧。进而可以理 解，外转子无刷电机指代电机的转动部分被设计在外侧，而静态部分被设 计在内侧。

无刷电机在工作期间，由于电流通过电机线圈，线圈存在电阻，期间 会释放大量的热量。这些热量若不能被及时释放，则无刷电机将可能因为 过热而导致损坏。目前在水面无人艇上，已经普遍采用了“电机水冷壳” 进行冷却。其原理是在抽吸作用下，将无人艇周围的水体从艇外抽吸并导 入到水冷壳中，通过水作为介质源源不断地带走电机产生的热量，从而对 电机进行冷却。

然而，上述方式在实际使用中，却存在多种问题。最常见的问题在于： 外部水体中掺杂的杂物，诸如但不限于，水草、尼龙绳等丝状垃圾，甚至 塑料布等，极易堵塞进水口，从而导致“电机水冷壳”的水冷作用失效。 而无人艇相对体积较小，进水口也相应非常小，利用水冷来对电机进行冷 却极易造成进水口堵塞，导致水冷失效。

例如，授权公告号为CN2634717Y的中国实用新型专利公开了一种电 机散热系统。它主要是由电机转子上的空心导条和与导条连通的散热腔组 成。利用流体对流的方法，把转子上产生的电热传递到散热腔中去散热， 从而把电机的温度控制在较低的范围内，达到提高电机运行性能和提高电 机转换效率的目的。该系统将热量传输到散热腔内，进行散热，但同时散 热腔依然在电机内部，散热效率稍显低下。并且，对外转子电机无使用使 用价值，在使用范围上有一定的局限性。

例如，授权公告号为CN103219833B的中国实用新型专利公开了一种 电机散热结构，包括：电机外壳、散热齿、热管和辅助散热机构，所述热 管的第一端安装在所述电机外壳的外表面，所述热管的第二端延伸至所述 电机外壳的尾部，所述热管的第二端安装辅助散热机构，若干所述散热齿 包覆在所述电机外壳的外表面。该散热结构利用了散热管、散热齿对电机 进行散热，但散热齿和散热管仍然安装在电机内部，这对于散热结构的散 热效率有很大影响。实际使用中，散热效率仍然较为低下。

因此，直到今天，针对体积较小的无人艇，尚未存在除了“电机水冷 壳”以外的其它冷却手段。该手段既能规避水中杂物堵塞冷却水进水口的 问题，又能实现良好的冷却效果。

因此，本领域对于用于无人艇的外转子无刷电机的循环冷却系统存在 很大的需求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。 此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面 的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目 的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更加 详细的描述之序。

根据本申请的第一方面，提供了一种用于无人艇的外转子无刷电机的循 环冷却系统，包括：

内驱动轴，用于将携带热量的冷却液输送至远端以进行冷却；

外驱动轴，与内驱动轴耦合，用于接收来自内驱动轴的经冷却的冷却液； 储存腔，与内驱动轴和外驱动轴贯通，用于容纳冷却液；以及

电机转动机构，用于为上述组件提供动力，其中电机转动机构包括外 部转子和内部定子。

根据本申请的优选实施例，外驱动轴具有反向内螺纹，而内驱动轴具有正 向内螺纹，由此两者相互嵌套在一起并在周向方向上具有均匀的壁厚。

根据本申请的优选实施例，外驱动轴和内驱动轴与外部转子成为一体。

根据本申请的优选实施例，内驱动轴和外驱动轴的远端被浸没到冷却介质 中。

根据本申请的优选实施例，内驱动轴通过开口与储存腔贯通。

根据本申请的优选实施例，内驱动轴与储存腔的贯通是通过在其壁上轴向 打孔来实现的。

根据本申请的优选实施例，经冷却的冷却液经由外驱动轴内壁上的槽流回 至储存腔。

根据本申请的第二方面，提供了一种使用根据本申请的上述循环冷却 系统对无人艇外转子无刷电机进行冷却的方法，包括以下步骤：

S1：存储在储存腔中的携带热量的冷却液经由内驱动轴被抽出；

S2：携带热量的冷却液经由内驱动轴流至远端以进行冷却；

S3：经冷却的冷却液由外驱动轴流回至储存腔；

S4：经冷却的冷却液对无刷电机进行冷却。

根据本申请的优选实施例，经冷却的冷却液经由外驱动轴内壁上的槽流回 至储存腔。

本发明的循环散热系统籍由冷却液在装置内部循环流动，带动电机产 生的热量逐步传导到外界。在转子转动时，内轴上的正向螺纹带动冷却液 由底部向上部流动，将电机工作状态下产生的热量传送到外部散去，相对 于安装在外部的散热装置，此装置的散热效率大大提升，也不需要任何的 外部的装置配合。在采用有转子带动轴的转动，使螺纹旋转带动冷却液的 流动，这种一体化的结构，使得轴与转子的转动具有一致性，增加了整体工作的效率。冷却液被传递到轴的外侧伸出的部分，由于外侧的轴与冷水 相接触，具有一定的温度差，将带出来的热量散发掉。

为能达成前述及相关目的，这一个或多个方面包括在下文中充分描述 并在所附权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了这一个 或多个方面的某些解说性特征。但是，这些特征仅仅是指示了可采用各种 方面的原理的各种方式中的若干种，并且本描述旨在涵盖所有此类方面及 其等效方案。

附图说明

为了能详细理解本申请的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面 来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。 然而应该注意，附图仅解说了本申请的某些典型方面，故不应被认为限定 其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。

在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的用于无人艇外转子无刷电机的循环 冷却系统100的总体结构示意图；

图2示出了根据本申请的实施例的循环冷却系统100在工作状态下冷 却液的来流方向示意图，其中具体示出了循环冷却系统的各个组件；

图3示出了根据本申请的实施例的内驱动轴102的开槽处的结构放大 图；

图4示出了根据本申请的实施例的组合驱动轴的结构示意图；

图5示出了根据本申请的实施例的循环冷却方法的流程图；以及

图6示出了根据本申请的实施例的循环冷却系统100在工作状态下的 温度测试的曲线图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合示例性 实施例，并参考附图来对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。在以 下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所描述的示例性实施例的透 彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细 节中的至少部分细节的情况下实践所描述的实施例。在一些示例性实施例 中，简化或省略了对公知的结构、方法步骤和技术手段等的描述，以免混 淆本申请构思的新颖性和创造性方面。

需要注意，尽管附图中示出了本申请的示例性实施例，但本领域技术 人员应当能够领会，可按照与所描述的示例性实施例等同的各种形式及变 体来实现各实施例，而毋需受到所描述的示例性实施例的限制。换言之， 提供这些示例性实施例只是为了使本领域技术人员能够更透彻地理解本申 请构思，以及相应地将本申请的范围完整地传达给本领域技术人员和公众。

还需要注意，除非另有说明，否则本申请所使用的技术术语或者科学 术语应具有本领域技术人员所普遍理解的意义和含义。在本申请的上下文 中，当所使用的技术术语或者科学术语与前述普遍理解的意义和含义确有 偏差时，以本申请为准。

还应当领会，贯穿本申请文本，当提及“上”、“下”、“左”、“右”、 “前”和“后”等方位词时，其旨在描述相关组件在相应附图中相对于彼 此的布置和取向，而并不旨在构成对相关组件的布置和取向的限制。

参照图1，其中示出了根据本申请的实施例的用于无人艇外转子无刷电 机的循环冷却系统100的总体结构示意图。如图1中所示，该循环冷却系 统100主要分为内部定子结构部分和外部转子结构部分。

图2示出了根据本申请的实施例的循环冷却系统在工作状态下冷却液 的来流方向示意图，其中具体示出了循环冷却系统的各个组件。

如图所示，该循环冷却系统包括外驱动轴101、内驱动轴102、外部转 子103、磁轭104、永磁体磁极105、内部定子106、励磁绕组107、轴承 108、储存腔109以及内定子铁芯110。

内部定子结构部分主要包括：内部定子106、励磁绕组107、轴承108、 储存腔109以及内定子铁芯110。

励磁绕组107被绕在内定子铁芯110上，内定子铁芯110和励磁绕组 107之间进行了胶封。水密轴承108被安装在储存腔109的接口处。例如， 在内定子铁芯110处，挖有一直径28mm，深50mm的空间作为储存腔109。 当然，如本领域技术员能够领会的，上述尺寸仅仅是针对特定无刷电机的 示意性尺寸。本领域技术人员能够根据不同尺寸的无刷电机以及不同的冷 却要求设计不同尺寸从储存腔用于储存冷却液，这些都落在本申请的范围 之内。

储存腔109用于来储存冷却液，并且与外驱动轴101和内驱动轴102 形成一个内循环结构。储存腔109与内驱动轴102是通过水密轴承108进 行连接的。这既保证了内驱动轴102的良好的转动，又确保了电动机装置 在正常工作的时候不会发生冷却液的泄露。

外部转子结构部分主要包括：外驱动轴101、内驱动轴102、外部转子 103、磁轭104、永磁体磁极105。并且，内驱动轴102被嵌套在外驱动轴 101内部，永磁体磁极105被嵌入到磁轭104上。在本申请的实施例中，电 动机装置内部的磁轭104和永磁体磁极105是通过胶封被相互固定在一起 的。经组合的驱动轴101、102和磁轭104是经过金属3D打印形成一体的。

在与外部转子103连接处，外驱动轴101与内驱动轴102的两者内部 空间是相互连接的。例如，这是通过以下方式来实现的：在内驱动轴102 上沿轴向外开3个相互间隔120°、深度25mm的孔且不与带螺纹的孔相互 干涉，并且在外驱动轴101与外部转子103的连接处沿轴向外10mm处开 3个相互间隔120°环绕轴且长度15mm、宽度2.5mm的孔。从而使外驱动轴101与内驱动轴102内部的空间相互连接。

图3示出了根据本申请的实施例的内驱动轴102的开槽处的结构放大 图。

当携带热量的冷却液从储存腔109经由内驱动轴102流至远端被冷却 后，经由外驱动轴101再次回到储存腔109。这是通过在内驱动轴102的外 壁上的开槽来实现的，此种开槽能够实现内外驱动轴之间的空隙以便于冷 却液的流动。

在本申请的具体实施例中，作为示例但非限定，在特定尺寸的外转子 无刷电机中，内驱动轴102底面向上至40mm的位置，其壁厚是0.4mm； 40mm处向上至顶端，其壁厚均是0.8mm。从底端向上40mm处向上切除 一长30mm、宽0.3mm圆环形槽，此圆环形槽内壁至内轴外壁0.1mm(深 度)。在底端向上50mm处在内驱动轴表面向内开3个相互间隔120°、长 15mm宽2.5mm的孔，以连接圆环形槽。这样，经外驱动轴101回流的冷 却液经由内驱动轴102上开的三个孔进入到圆环形槽内，再流经圆环形槽 进入储存腔109。

图4示出了根据本申请的实施例的组合驱动轴的结构示意图。

在本申请的实施例中，组合驱动轴101、102是由外驱动轴101和内驱 动轴102以内外嵌套的形式，组合在一起的，并且具有均匀的壁厚。另外， 外驱动轴101和内驱动轴102的内表面均有螺纹，外驱动轴101内部是逆 向螺纹，而内驱动轴102内部是正向螺纹，螺纹的作用是在外部转子103 带动下，提供冷却液向外输出的动力。并且螺纹的组合可以提供更大的接 触面，从而增大散热面积，提高散热效率。

在本申请的实施例中，外驱动轴101和内驱动轴102的材质可以是各 种金属、合金，这取决于工作环境对材质的要求，并且容易为本领域技术 人员所领会。外、内驱动轴101、102的内部螺纹可参考图4中示出的组合 驱动轴的剖视图。

图5示出了根据本申请的实施例的循环冷却方法的流程图。

如图5中所示，在正常工作下，电机通电，外部转子103带动外驱动 轴101和内驱动轴102转动进行高速旋转，此时螺纹的组合可以为冷却液 提供进出组合驱动轴的动力。在储存腔109中的高温冷却液，由储存腔109 沿着内驱动轴102向外流动(通过在内驱动轴102上开口，例如打孔来实 现)，流经至远端，即外驱动轴101和内驱动轴102被浸没在冷却介质(诸 如水)中的部分。此时高温冷却液由于和浸没在冷却介质中的外驱动轴101 和内驱动轴102之间存在温度差，温度较高的冷却液被迅速冷却。

冷却液经过冷却之后，再由外驱动轴101将冷却液输送回到电机内部 的储存腔109，对产生热量的电机进行冷却。这是通过在内驱动轴的外壁上 开槽来实现的。形成一个循环，从而在整体上构成了一个基于电机内部的 内循环的散热结构。

通过采用这种方式对外转子无刷电机进行冷却，就能将电机温度控制 在一个合理的范围内，从而保证电机长时间持续稳定的工作。

图6示出了根据本申请的实施例的在工作状态下的温度测试的曲线图。

在无人船上采用24V、功率为138W、转速为3000r/min的外转子无刷 电机，将电机在船上固定牢靠，将电机输出轴与船外壳，接触处做好水密； 同时在电机外壳上装置一个温度传感器，以便记录电机的实时温度情况。

通电后，在河中测试20分钟，每2分钟记录一次温度，共测试三次， 并实时监控电机温度情况，防止电机温度出现异常，以便救援。所得实验 结果如图6所示。

以下结合上述附图来进一步描述根据本申请的无刷电机外转子循环冷 却系统100的工作原理。

在外部定子106和内部转子103被正确装备配后，通上电源，电机转 动，循环冷却系统100开始工作。当内部转子103开始转动后，由于其和 组合驱动轴101、102是一体的，因此带动组合驱动轴开始转动。此刻，储 存腔109内的冷却液在内驱动轴102内部的正向螺纹的高速旋转形成的吸 引力的引领下，将温度较高的冷却液向组合驱动轴的远端流去，直至流到 组合驱动轴的最远处。该最短端的部分是被浸没在诸如水之类的冷却介质 中的。由于轴内流动的冷却液和水有较大的温度差，冷却液上所携带的热 量可以通过驱动轴作为介质，被传递到冷却介质中，从而达到冷却的效果。

经冷却的冷却液，在外驱动轴101内部的反向螺纹的高速旋转形成的 吸引力的引领下，流向了电机内部。经由内驱动轴102上设置的槽(如图3 中所示)，通过内驱动轴102内部到达储存腔109，完成了一次电机的冷却。 然后冷却液再次吸收高温，被传送到外端，周而复始的进行冷却。

采用本申请的实施例的用于无人艇外转子无刷电机的循环冷却系统， 具有以下优势：

第一，完全避免了水中杂物对循环冷却系统的影响，提高了循环冷却系 统的可靠性；

第二，不必添加任何外置冷却装置或设备，极大地降低了制造成本，并 且提高了系统可靠性；

第三，完全基于现有电机的内部结构，节省了内部空间，尤其适合于空 间受限型电机的冷却。

参照可执行本文所描述的动作或功能的一个或多个组件以及一种或多 种方法描绘了诸方面。在一方面，本文使用的术语“组件”、“部件”可 以是构成系统的诸部分之一，可以是硬件或软件或其某种组合，并且可以 被划分成其他组件。尽管以下在图中所描述的操作以特定次序呈现和/或如 由示例组件执行，但应理解这些动作的次序以及执行动作的组件可取决于 实现而变化。此外，应当理解，以下动作或功能可由专门编程的处理器、 执行专门编程的软件或计算机可读介质的处理器、或由能够执行所描述的 动作或功能的硬件组件和/或软件组件的任何其他组合来执行。

应该理解，所公开的方法中各步骤的具体次序或阶层是示例性过程的 解说。基于设计偏好，应该理解，可以重新编排本文描述的方法或方法体 系中各步骤的具体次序或阶层。所附方法权利要求以样本次序呈现各种步 骤的要素，且并不意味着被限定于所呈现的具体次序或阶层，除非在本文 中有特别叙述。

提供先前描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中所述的 各种方面。对这些方面的各种改动将容易为本领域技术人员所明白，并且 在本文中所定义的普适原理可被应用于其他方面。因此，权利要求并非旨 在被限定于本文中所示出的各方面，而是应被授予与权利要求的语言相一 致的全部范围，其中对要素的单数形式的引述并非旨在表示“有且仅有一 个”(除非特别如此声明)而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。引述一列项目中的“至少一个”的短语 是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至 少一者”旨在涵盖：至少一个a；至少一个b；至少一个c；至少一个a和 至少一个b；至少一个a和至少一个c；至少一个b和至少一个c；以及至 少一个a、至少一个b和至少一个c。本公开通篇描述的各种方面的要素为 本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通 过引述被明确纳入于此，且旨在被权利要求所涵盖。此外，本文中所公开 的任何内容都并非旨在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求书中 被显式地叙述。