涡轮结构车用风冷装置的制作方法

1.本发明涉及新能源商用车的、冷却系统，具体涉及一种涡轮结构车用风冷装置。


背景技术：

2.在新能源商用车领域，电动驱动系统、电池包等往往因其发热量大，需要进行冷却。传统的冷却系统主要由电子风扇和散热器构成，在电子风扇方面，通过无刷电机的驱动，带动尼龙扇叶转动，建立风场使散热器前后产生大气压差，从而形成气流作用于散热器表面；在散热器方面，主要通过进、出水口内部冷却液的温度降低，结合电子风扇带来的气流，带走大量余热以完成冷却。
3.随着新能源商用车的发展，电动驱动系统的输出扭矩越来越大，供电电池包体积越来越大，对应的散热器体积同步变大，冷却系统的要求也逐步提高。目前对于大散热需求的散热器来说，要么匹配大直径电子风扇，要么采用多个小直径电子风扇串联的方式完成冷却：大直径的扇叶意味着扇叶转动时产生的噪音也更大，无刷电机所需的能耗更大；大直径的电子风扇质量大，布置时产生的弯矩也大，因此在扇叶旋转时产生的不平衡量也大，引起的振动量也大，会影响驾驶员的安全和驾乘感受。小直径电子风扇的串联设计往往会引起风量内部干涉和紊流，整体出风效率较低，引起额外能耗。
4.随着新能源在商用车领域的布局，以及国家对碳排放和碳达标的需求，新能源商用车面临着高性能，低排放的要求，其关键点就在冷却系统：一方面冷却系统需要不断提升冷却能力以面对整车高性能的挑战，另一方面由于冷却系统是整车较大的能耗单元，其自身也需要不断优化以降低能耗，而在冷却系统中最大功率消耗点就在电子风扇。目前主流的电子风扇均采用尼龙材料，因为尼龙强度问题，风扇最大转速将会受限，无法实现高转速、长时间运行，以避免风扇开裂损坏；大直径风扇在旋转工作时会不断摩擦空气，其不必要的热损失较高，工作效率低下；当整车行驶于恶劣环境下，无论是吸风还是吹风式的电子风扇，均会导致风扇叶片积累灰尘，影响风扇的不平衡量，加大电子风扇的噪音，引起终端客户的使用不适，严重时还会影响风扇的性能，甚至会降低电子风扇的使用寿命；目前电子风扇与整车相匹配时，需要额外的控制设备，因风扇种类不同，设备开发商设计理念的不同，相应的控制设备也大相径庭，而不利于推广。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供一种涡轮结构车用风冷装置，该装置使用无扇叶的涡轮结构，采用吹风式模式，在提高散热能力的同时，降低噪音。
6.本发明采用的技术方案是：一种涡轮结构车用风冷装置，固定安装在散热器的后端，用于对散热器进行吹风，其特征在于：包括电机、涡轮、流道、电控单元、前壳体和后壳体，所述前壳体和后壳体均通过螺栓固定在流道上，所述电控单元布置在后壳体内部，所述电机和涡轮设置在前壳体和后壳体之间，所述电机固定在后壳体上，所述涡轮与电机固定连接；所述电机带动涡轮旋转，在涡轮进风口处产生负压区，在大气压力作用下，将空气压
入涡轮中，流经涡轮长叶片和短叶片后，从涡轮出风口流出，对散热器进行吹风冷却。
7.作为优选，所述涡轮包括叶片底板、长叶片和短叶片，所述长叶片和短叶片间隔均匀设置在叶片底板上。
8.进一步的，所述长叶片和短叶片的叶型弯折角θ为25
°
～38
°
。
9.进一步的，所述长叶片和短叶片的长度差值δl为1～15mm。
10.作为优选，所述流道包括流场密封结构、连接通道结构和环形倍增结构，所述流场密封结构与涡轮叶片叶尖间距为1～3mm，用于提高涡轮进风口和涡轮出风口的气压差；所述连接通道结构连接轮流场密封结构和环形倍增结构，起到空气导流作用；所述连接通道结构和环形倍增结构连接倒角为r10～r20；所述环形倍增结构基于柯恩达效应对流入的空气实现气压的倍增，并将空气导出吹向散热器，所述环形倍增结构在出风口设有用于吸附空气的水滴形结构。
11.作为优选，所述电控单元通过can总线读取整车热信号并依据内部算法，输出需求转速的pwm信号以驱动电机转动，并带动涡轮的运动；流量传感器实时反馈涡轮的流量给电控单元，不断修正需求转速；线束和流量传感器线束经后壳体连接在电控单元上，并沿后壳体固定在流道外侧线束固定卡扣上。
12.作为优选，圆形过滤网布置在涡轮进风口处，用于阻挡粉尘和大颗粒石子，以保护涡轮叶片；过滤网厚度为.5～1mm，过滤网的直径需要匹配涡轮进风口的直径；过滤网的材质为金属，优先为碳钢、锡青铜或不锈钢，可通过冲压或编织成型，过滤网中直径大于1mm的网眼数量不超过5％；过滤网表面光滑，通过螺栓固定在流道上。
13.本发明取得的有益效果是：本发明放弃了尼龙扇叶结构而采用内置金属涡轮的新型结构，当涡轮的叶片高速转动时，加速的空气可以通过独特的流道，用于散热器的冷却；本发明中的涡轮采用金属材质，对比传统的尼龙扇叶，可以提升叶片转速上限，适用于高扭矩的整车平台；独特的环状流道结构，采用中空设计，加上过滤网，可以避免灰尘及其它杂质的堆积，从而延长本发明的使用寿命；本发明具备内置控制单元，可保证在大多数工况下涡轮叶片的转速调节具有快速响应，高精确性等特点，降低了冷却系统的能耗；本发明具备can通讯能力，可对接整车，与整车进行数据交互，更方便的采集数据以及回传冷却装置的状态。相比于现有风扇具有如下优点：
14.1、基于柯恩达效应，本发明设计了轴向环形流道，当风在流道内部运动时会形成层流现象，相较于传统风扇的无流道设计，减少了冷却风的无序运动，因而降低了紊流噪音；同时因为冷却风的层流现象，整个风冷装置的不平衡量降低，减少了振动量，优化终端客户的体验；
15.2、本发明中的涡轮采用钢制合金可承受更高转速，因此相较于传统的尼龙风扇，提供的散热能力更强，同时因为金属的强度更高，风扇的使用寿命也大大提高；
16.3、本发明中的涡轮因为转速较高，体积较风扇小巧，同时流道直径可以根据散热需求进行调整，因此整个风冷装置布置占用的空间更小，布置更容易；
17.4、本发明中的涡轮因其进风区域小，灰尘以及小颗粒进入概率低，同时配合滤网过滤，可有效的减少尘土以及杂质的影响，提高本发明的可靠性；
18.5、本发明内置电控单元，借助流量传感器形成闭环控制，可以准确快、速的控制涡轮转速，同时预留了整车can模块，未来可与整车ecu进行can通讯，具有更好的推广性和平
台性；
19.6、本发明较传统风扇，减少护风罩的设计，减少了风扇与护风罩在装配中出现的刮擦，提高散热系统可靠性和成本。
附图说明
20.图1为本发明的风冷装置安装在散热器上的结构示意图；
21.图2-3为本发明的风冷装置结构示意图；
22.图4为本发明的风冷装置剖面示意图；
23.图5为涡轮结构示意图；
24.图6为涡轮叶片结构示意图；
25.图7为涡轮叶片截面图；
26.图8为电控单元安装后壳体内的示意图；
27.图9为线束固定在后壳体上的示意图；
28.图10为本发明的控制逻辑图；
29.其中：1、散热器；2、风冷装置；3、电机；31、电机主轴；32、电机线束；4、涡轮；41、涡轮安装孔；42、涡轮进风口；43、涡轮出风口；44、叶片底板；45、长叶片；451、吸力面；452、压力面；46、短叶片；47、涡轮叶片叶尖；5、流道；51、流场密封结构；52、连接通道结构；53、环形倍增结构；54、连接倒角；56、流道出风口；57、水滴形结构；58、流道出口内壁；59、固定结构；511、线束固定卡扣；6、电控单元；61、流量传感器线束；62、线束；63、流量传感器；7、过滤网；8、前壳体；9、后壳体；91、后壳体加强筋；92、后壳体外表面；93、固定电机结构。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
31.如图1所示，本发明的一种涡轮结构车用风冷装置2，安装在散热器1后端，用于对散热器1进行吹风冷却，通过螺钉固定在散热器1上。
32.结合图2-4所示，本发明的涡轮结构车用风冷装置，包括电机3、涡轮4、流道5、电控单元6、前壳体8和后壳体9，前壳体8和后壳体9均通过螺栓固定在流道5上，电控单元6布置在后壳体9内部，电机3和涡轮4设置在前壳体8和后壳体9之间，电机3固定在后壳体9上，涡轮4与电机3固定连接；电机3带动涡轮4旋转，在涡轮进风口42处产生负压区，在大气压力作用下，将空气压入涡轮4中，流经涡轮长叶片45和短叶片46后，从涡轮出风口43流出，对散热器1进行吹风冷却。
33.电机3为三相无刷电机，固定在后壳体9上，电压选用范围为400v～800v，额定功率为5～15kw；电机主轴31直径为φ31mm，电机主轴31与涡轮安装孔41通过花键固定连接，将电机3与涡轮4固定连接在一起。当涡轮4高速旋转时，花键可以避免涡轮4与电机主轴31产生滑动位移。
34.结合图5-6所示，涡轮4由金属材质构成，采用无冠结构，包括叶片底板44、长叶片45和短叶片46，长叶片45和短叶片46间隔均匀设置在叶片底板44上，长叶片45包括吸力面451和压力面452。
35.涡轮叶片包括8～10组的长叶片45和短叶片46的组合，其均匀布置在叶片底板44
上，处于流道5的流场密封结构51与叶片底板44之间。流道5的流场密封结构51将外部空气沿轴向的涡轮进风口42吸入涡轮4的吸力面451，外部空气受到压力面452的引导并沿环状结构向涡轮进风口43排出，相比传统的“开式”或“半开式“设计，涡轮的流量以及效率均得到提高。
36.结合图7所示，涡轮叶片的叶型弯折角θ在25
°
～38
°
；每组叶片均采用高、低差双叶片结构，可有效减少入口处紊流产成的噪音；前、后叶片长度差值δl在10～15mm。(如下表可知：θ＝32
°
～38
°
，δl＝10
°
～12
°
，涡轮性能最优)。
[0037][0038]
涡轮叶片的厚度在1～3mm，具体厚度尺寸可依据涡轮的流量和效率等参数进行变化。
[0039]
如图4所示，流道5的材料为尼龙，可分为三个结构部分：流场密封结构51、连接通道结构52和环形倍增结构53。
[0040]
涡轮流场密封51可防止空气泄漏，并提高涡轮进风口42和涡轮出风口43的气压差，涡轮流场密封51的厚度在2～5mm，必要时可在外侧部分增加肋筋结构以增加刚性。涡轮流场密封51与涡轮叶片叶尖47间距为1～3mm，当涡轮转速越大时，间隙尺寸越大。
[0041]
连接通道结构52，一方面起到支撑作用，另一方面起到空气导流作用，连接通道结构52位于环形倍增结构53和流场密封结构51之间，连接通道结构52和环形倍增结构53的连接倒角0504尺寸为r10～r20，连接通道结构52的厚度在3～5mm，截面为多边形结构，可有效支撑本发明的整体结构。
[0042]
基于柯恩达效应，环形倍增结构53可对流入的空气实现气压倍增功能，加压并吹向散热器1，环形倍增结构53的厚度为5～10mm。
[0043]
在环形倍增结构53的流道出风口56处设有水滴形结构57，可有效吸附流过的空气，并沿流道出口内壁58高速、稳定流出。
[0044]
环形倍增结构53的外侧均布有3～6个固定结构59，固定结构59的厚度为20～30mm；固定结构59上设有与散热器1固定连接的腰孔，螺栓穿过固定结构59上的腰孔将风冷装置2固定在散热器1上，固定处可以采用增加橡胶垫片以减少刚性冲击以及摩擦振动。
[0045]
如附图8-10所示，电控单元6可通过can线读取整车热信号并依据内部算法，输出需求转速的pwm信号以驱动电机3转动，并带动涡轮4的运动；流量传感器63可以实时反馈涡轮4的流量给电控单元6以不断修正需求转速。上述闭环控制可快速、精确的控制涡轮4的转速。电控单元6是将整车热系统各信号通过电机线束62以及内部的流量传感器63信号能过流量传感器线束61给电机3下达转速指令，进而带动涡轮4转动，调节出风风量。电控单元6具有智能化控制模块，可根据整车ecu连接通讯，可实时读取bms和电驱系统等整车热系统
参数，进而通过算法控制散热器所需的流量要求，提高电机3和风冷装置2的效率。
[0046]
电控单元6布置在后壳体9内部，电机线束32和流量传感器线束61，经过后壳体9连接在电控单元6上，并沿后壳体9固定在流道5外侧的线束固定卡扣511上。
[0047]
过滤网7(圆形过滤网)布置在涡轮进风口42处，用于阻挡粉尘和大颗粒石子，以保护涡轮叶片；过滤网7厚度为0.5～1mm，过滤网7的直径需要匹配涡轮进风口42的直径。过滤网7的材质为金属，优先为碳钢、锡青铜或不锈钢，可通过冲压或编织成型，过滤网7的网眼中直径大于1mm的数量不超过5％；过滤网07表面光滑，通过螺栓固定在流场密封结构上。
[0048]
本实施例中，前壳体8和后壳体9，材料为尼龙，均为注塑成型。前壳体8具有流线性设计，厚度在1～2mm，一方面可以导流空气，另一方面也可以保护流道5主体结构。后壳体9用于固定电机3、线束62、电控单元6和流量传感器63。后壳体9沿伸出来的线束62，固定在流道5外部的线束固定卡扣511上，线束固定卡扣511与线束62为过盈配合以防止线束松脱和振动，线束固定卡扣511的尺寸比线束62小0.5～1mm。
[0049]
后壳体9内部有加强筋91以提高后壳体9刚度。流道出风口56流出的空气，会沿着后壳体9表面流过。后壳体外表面92采用流线性结构，后壳体9中心设有固定电机结构93，增加了电机3散热区域，提高电机03可靠性。
[0050]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。