輪轂電機(jī)散熱技術(shù)研究

章渝

摘 要 輪轂電機(jī)技術(shù)是現(xiàn)階段先進(jìn)電動汽車技術(shù)研究的熱點之一，但在運行時會存在溫度過高的問題，如不能及時散熱會對輪轂電機(jī)的運行造成極大的影響。因此，對輪轂電機(jī)運行中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱，是輪轂電機(jī)研究的一個主要方向，本文主要介紹輪轂電機(jī)散熱的研究發(fā)展。

關(guān)鍵詞 輪轂電機(jī)；散熱；空冷；液冷

中圖分類號 U4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）14-0050-01

隨著汽車保有量的增多，環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，要求電動車盡量做到“低碳、節(jié)能”，電動輪式驅(qū)動是電動車的發(fā)展趨勢[1]。輪轂電機(jī)技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是將電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)，是現(xiàn)階段先進(jìn)電動汽車技術(shù)研究的熱點之一。由于輪轂電機(jī)與車輪一起旋轉(zhuǎn)，并且緊靠制動器，會存在在運行時溫度過高的問題，如不能及時對電機(jī)進(jìn)行散熱將會對電機(jī)安全性能和穩(wěn)定性能造成嚴(yán)重威脅，甚至燒壞電機(jī)[2]。因此，需要采用適宜的冷卻方式對輪轂電機(jī)進(jìn)行散熱，使輪轂電機(jī)處于合適的運行溫度范圍內(nèi)，防止運行出現(xiàn)故障，保障安全可靠地運行。

1 輪轂電機(jī)冷卻方式

在1900年，德國保時捷公司研制了兩個前輪為輪轂電機(jī)的雙座電動車，首次出現(xiàn)輪轂電機(jī)的概念，時至今日國內(nèi)外對輪轂電機(jī)冷卻問題的研究也逐漸成熟。

現(xiàn)階段輪轂電機(jī)散熱方式包括空氣冷卻、液體冷卻和混合冷卻[3]?？諝饫鋮s包括自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷分為開放式風(fēng)冷和封閉式風(fēng)冷，開放式風(fēng)冷指電機(jī)內(nèi)部和外部空氣形成循環(huán)進(jìn)行熱交換，具有通風(fēng)入口和出口，風(fēng)沿通孔方向帶走熱量，既可以對定子直接散熱，又可以對轉(zhuǎn)子直接散熱；封閉式風(fēng)冷指空氣在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)，通過機(jī)殼和外部進(jìn)行熱交換，電機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇把風(fēng)往機(jī)殼風(fēng)道入口吹，風(fēng)沿機(jī)殼風(fēng)道到達(dá)電機(jī)一端，然后通過轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔、定轉(zhuǎn)子間氣隙到達(dá)電機(jī)另一端，完成一個循環(huán)，機(jī)殼上帶有散熱片可以把熱量散出。如申請人SINELSHCHIKOV A V申請的專利SU477017，其發(fā)明了一種可操作的電力驅(qū)動輪，汽車的車輪內(nèi)包含有輪轂電機(jī)，電機(jī)內(nèi)包括冷卻空氣的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，通過冷卻空氣對流冷卻輪轂電機(jī)。

液體冷卻主要包括油冷和水冷，油冷按與冷卻液接觸形式分為直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻是電機(jī)定轉(zhuǎn)子直接散熱，間接冷卻是把密封好的電機(jī)浸在油箱里，通過機(jī)殼將熱量帶走。如TOYOTA MOTOR CO LTD申請的專利申請US2005045393A1中，提出采用油冷卻電機(jī)

定子。

水冷散熱設(shè)計有兩種形式，一種是采用水套形式，水路設(shè)計在機(jī)殼中；另一種是采用盤水管形式，水管設(shè)計在定子上。如MITSUBISHI MOTOR CORP申請的專利申請JP2005237176A中，提出采用水套形式來對電機(jī)進(jìn)行冷卻。

混合冷卻方式一般是在電機(jī)內(nèi)部采用液體冷卻同時也會采用空氣冷卻，相比于前兩種散熱方式，這種冷卻方式相比于空氣冷卻具有更好的散熱效果，相比于液體冷卻又更好地利用了空氣，使輪轂電機(jī)內(nèi)部設(shè)備的熱交換更充分。如AISIN AW CO LTD申請的專利，其在電機(jī)內(nèi)部采用油冷卻電機(jī)，同時也采用空氣冷卻該電機(jī)，提高了輪轂電機(jī)的散熱效率。

2 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r分析

2.1 申請趨勢分析

通過在專業(yè)數(shù)據(jù)庫中檢索，分析輪轂電機(jī)散熱專利申請量在中國國內(nèi)以及全球范圍內(nèi)的趨勢，專利申請總體呈現(xiàn)增長趨勢。在全球范圍內(nèi)，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的發(fā)展大致分為4個階段。輪轂電機(jī)散熱專利申請開始于20世紀(jì)70年代，到20世紀(jì)90年代申請量都較低，這一階段屬于輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的起步階段。1995年—2003年為技術(shù)穩(wěn)定期，在此期間，汽車進(jìn)行了大力研發(fā)，輪轂電機(jī)電動汽車再次成為研究的熱點，輪轂電機(jī)的散熱技術(shù)研究也成為熱點。2003年開始，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)專利申請量開始快速增長，到2004年達(dá)到一個小高峰，在經(jīng)歷一個小低谷后再次攀升，于2007年達(dá)到第二小高峰，之后持續(xù)增長，直到2011年達(dá)到一個高峰，這屬于快速發(fā)展階段。這是由于能源危機(jī)和新能源概念的普及，越來越多的公司開始加大對輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的研發(fā)力度，使得在該階段內(nèi)的專利申請量呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢。而2011年后專利申請量有所下降，這也說明了散熱技術(shù)方面的發(fā)展進(jìn)入了成熟期，從上述可知輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的發(fā)展側(cè)面反映了輪轂電機(jī)領(lǐng)域整體的發(fā)展情況，因為隨著輪轂電機(jī)效能的提高，其電機(jī)內(nèi)部的溫度也會隨之提高，從而解決電機(jī)內(nèi)部溫度過高問題便會成為關(guān)注重點。

國內(nèi)輪轂電機(jī)的發(fā)展較晚，隨著各科研單位對該技術(shù)的研究不斷加強(qiáng)，散熱冷卻問題也越來越受關(guān)注。對于在中國國內(nèi)的輪轂電機(jī)專利申請，在2005年以前申請數(shù)量極低，隨后呈現(xiàn)上升趨勢，這說明我國最初相比于整個輪轂電機(jī)散熱領(lǐng)域技術(shù)還具有一定的差距，但隨著國內(nèi)輪轂電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)的使輪轂電機(jī)較好地進(jìn)行散熱也成為了比較關(guān)注的方面。在2005年到2010年的發(fā)展速度進(jìn)入了平穩(wěn)增長期，這說明我國的輪轂電機(jī)散熱方面的技術(shù)得到了快速發(fā)展。在2010年以后，國內(nèi)輪轂電機(jī)散熱技術(shù)整體達(dá)到了較高的水平，與全球趨勢基本一致，這可能是由于中國汽車市場越來越受到重視，以及環(huán)境保護(hù)及能源節(jié)約觀念普及，同時國外企業(yè)重視在中國市場的專利布局，這為輪轂電機(jī)散熱技術(shù)發(fā)展提供了有利條件。

2.2 重要申請人分析

根據(jù)全球范圍內(nèi)的專利申請，對輪轂電機(jī)散熱技術(shù)重要申請人進(jìn)行統(tǒng)計，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)方面還是日本的申請量為主，尤其是豐田，其申請量已經(jīng)遠(yuǎn)超后幾名申請人的申請量，其占據(jù)這該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，其對輪轂電機(jī)散熱技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地研發(fā)、保護(hù)和應(yīng)用。

在90年代末，豐田公司開始進(jìn)行了四輪輪轂電機(jī)純電動汽車的研發(fā)工作，隨著輪轂電機(jī)的發(fā)展，電機(jī)冷卻散熱問題也逐步受到重視。通過梳理和分析，豐田公司的輪轂電機(jī)散熱技術(shù)研究總體大致可以分為4個階段：在2003年前豐田的技術(shù)方案主要集中在“自然風(fēng)冷”方面；在2003年—2005年期間，散熱技術(shù)專利快速增長，技術(shù)方案主要涉及內(nèi)外空氣對流等強(qiáng)制風(fēng)冷方面，同時也存在“油冷、油和空氣同時冷卻”的技術(shù)方案；在2006年—2008年期間，技術(shù)方案主要涉及“電機(jī)內(nèi)部提供冷卻油通道、電機(jī)外接冷卻油管道”等液體冷卻方面；2009年以后，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了成熟期，根據(jù)電機(jī)效能情況，擇優(yōu)選擇空氣冷卻、液體冷卻、混合冷卻。綜上可知，豐田輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的發(fā)展整體呈現(xiàn)“自然風(fēng)冷→強(qiáng)制風(fēng)冷→冷卻油或冷卻劑液體冷卻→擇優(yōu)冷卻”的研究過程。

3 結(jié)論

本文從輪轂電機(jī)散熱領(lǐng)域的專利申請態(tài)勢著手，介紹了輪轂電機(jī)散熱方式種類，同時重點對該領(lǐng)域的重點申請人的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行說明，有助于全面了解輪轂電機(jī)散熱技術(shù)的基本發(fā)展態(tài)勢，對涉及輪轂電機(jī)散熱領(lǐng)域的研究工作有較大幫助。

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