不同冷源輪轂電機(jī)多模式切換溫度場研究

周志剛 楊文豪 孟祥明

摘 ? 要：針對輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車長時(shí)間運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的散熱困難問題，設(shè)計(jì)一種與之匹配的冷卻機(jī)構(gòu)和冷卻方式. 在此基礎(chǔ)上，建立輪轂電機(jī)熱磁耦合溫度場仿真模型. 對電動(dòng)汽車的2種運(yùn)行工況，開展基于不同冷源多模式方式下的輪轂電機(jī)熱磁耦合溫升研究及分析，并對仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證. 結(jié)果表明：電動(dòng)汽車在長時(shí)間運(yùn)行過程中電機(jī)高溫問題得到明顯改善;2種運(yùn)行工況對電機(jī)溫升有不同的影響. 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，工況1中繞組最大誤差為5.1%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.9%，工況2中繞組最大誤差為4.8%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.5%，為輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車長時(shí)間運(yùn)行過程中高溫問題的研究提供一定參考.

關(guān)鍵詞：不同冷源;多模式切換;輪轂電機(jī);電動(dòng)汽車;溫度場

中圖分類號：TM35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Temperature Field of In-wheel Motors

with Different Cold Sources in Multi-mode Switching

ZHOU Zhigang1，2，YANG Wenhao1，MENG Xiangming1

（1. College of Vehicle and Traffic Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China;

2. Ningbo Shenglong（Group） Co Ltd，Ningbo 315100，China）

Abstract：Aiming at the difficulty of heat dissipation during long-term operation of in-wheel motor electric vehicles，a matching cooling mechanism and cooling method are designed. On this basis，a thermal and magnetic coupling temperature field simulation model of the in-wheel motor is established. Under the two operating conditions，the thermal and magnetic coupling temperature rise of in-wheel motors based on different cooling sources and multi-mode modes are carried out，and the simulation results are verified by experiments. The results show that the motor high-temperature problem is significantly improved during the long-term operation of electric vehicles; the two operating conditions have different effects on the motor temperature rise. The simulation results are in good agreement with the test results. The maximum winding error in working condition 1 is 5.1%，the maximum rotor error is 4.9%，the maximum winding error in working condition 2 is 4.8%，and the maximum error of the rotor is 4.5%. The study of high-temperature problems during long-term automobile operation provides a certain reference.

Key words：different cold source;multimode switching;in-wheel motor;electric vehicle;temperature field

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是將電機(jī)安裝于車輪內(nèi)部，利用車輪內(nèi)部電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)汽車運(yùn)行[1]. 由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置及制動(dòng)裝置集成于車輪內(nèi)，具有轉(zhuǎn)向靈活性較好、傳動(dòng)效率高以及高度集成性等優(yōu)勢，但是較高的集成性使電機(jī)運(yùn)行空間小，空氣流通困難，造成電機(jī)散熱條件差[2-4]. 過高的溫升會對電機(jī)的功率、使用壽命和安全性造成一定影響[5]. 因此，為保證電動(dòng)汽車長時(shí)間安全運(yùn)行有必要采取與輪轂電機(jī)相適應(yīng)的冷卻系統(tǒng).

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電機(jī)風(fēng)冷[6-9]、水冷[10-12]以及油冷[13-14]等冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量研究. 陳進(jìn)華等[15]提出一種丁胞水冷結(jié)構(gòu)的散熱方案，并對相同條件下多種冷卻方案的流體場進(jìn)行了分析. 吳柏禧等[16]依據(jù)水道中流體的流動(dòng)特性分析，建立了水道圓角半徑、入水口水道寬度和水道壓強(qiáng)的關(guān)系. 趙蘭萍等[17]根據(jù)整車環(huán)境下對外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)進(jìn)行溫度特性研究，并對比自然風(fēng)冷與油冷兩種冷卻方式的溫度場. Lim等[18]通過對兩種輪轂電機(jī)在額定工況下進(jìn)行熱性能分析，設(shè)計(jì)了一種輪轂電機(jī)的噴油冷卻模式通道，并對其熱性能進(jìn)行了分析. 王曉遠(yuǎn)等[19]提出油內(nèi)冷輪轂電機(jī)冷卻方式，根據(jù)自然風(fēng)冷和油內(nèi)冷輪轂電機(jī)有限元模型，對輪轂電機(jī)的不同冷卻方式進(jìn)行溫升和溫度場分析.

本文根據(jù)輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)及多模式切換方式. 首先，通過磁熱耦合分析，對輪轂電機(jī)在自然風(fēng)冷條件下進(jìn)行溫度場分析，同時(shí)，對比了自然風(fēng)冷、水冷、油內(nèi)冷以及多冷源冷卻方式溫度場分布情況. 最后，分析兩種不同工況對自然風(fēng)冷、水冷、油內(nèi)冷和多冷源冷卻方式溫度場的影響. 通過對多冷源冷卻方式進(jìn)行試驗(yàn)分析，并與有限元計(jì)算數(shù)據(jù)相對比，對多冷源冷卻結(jié)構(gòu)與方式的正確性進(jìn)行驗(yàn)證.

1 ? 不同冷源結(jié)構(gòu)及多模式切換方式

按照某款輪轂電機(jī)電動(dòng)車尺寸進(jìn)行建模分析，其結(jié)構(gòu)主要包含永磁體、定子、繞組和轉(zhuǎn)子等. 表1給出輪轂電機(jī)的主要參數(shù).

由于研究的輪轂電機(jī)采用不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)與多模切換冷卻方式，該方式根據(jù)電機(jī)溫度，使冷卻水和冷卻油按照不同順序進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，并且電機(jī)內(nèi)部冷源與外部冷源持續(xù)進(jìn)行交換，使電機(jī)內(nèi)部冷源保持較低溫度，從而達(dá)到更好的冷卻效果，所以該方式必須采用一種相匹配的冷卻結(jié)構(gòu). 對于外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)，車軸始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以電機(jī)出油道在車軸內(nèi)部. 由于出水道在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置，為保證機(jī)殼與車軸連接處冷卻水可以正常通過，在連接處安裝內(nèi)部旋轉(zhuǎn)接頭. 電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中，車輪受到電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的作用，帶動(dòng)電動(dòng)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)機(jī)殼與車輪同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，為了與外部冷源進(jìn)行連接，必須在電機(jī)進(jìn)油道和進(jìn)水道處增加外部旋轉(zhuǎn)接頭，使電機(jī)進(jìn)水道和進(jìn)油道可以保持一邊旋轉(zhuǎn)一邊靜止的狀態(tài). 考慮到進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的冷源溫度不受出口通道冷源溫度的傳熱影響，將電機(jī)兩個(gè)進(jìn)出通道分開設(shè)置. 該冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖2為不同冷源冷卻系統(tǒng)簡圖. 該系統(tǒng)主要由冷卻系統(tǒng)控制器、溫度傳感器、循環(huán)泵、冷卻油箱及電磁閥組成. 為了使輪轂電機(jī)部件溫度保持在合理范圍之內(nèi)，需要對多個(gè)冷卻油箱的電磁閥進(jìn)行相應(yīng)的控制，使電機(jī)內(nèi)部冷源進(jìn)行切換. 對冷源切換標(biāo)準(zhǔn)定義為T1和T2，根據(jù)電機(jī)內(nèi)部溫度的需要，將電機(jī)冷卻方式分為水冷、油冷和混合冷卻，并依次進(jìn)行切換使電機(jī)達(dá)到較好的冷卻目的. 不同冷源多模式切換過程如圖3所示. 多冷源協(xié)調(diào)控制方式閥門工作狀態(tài)如表2所示.

2 ? 輪轂電機(jī)熱磁耦合溫度場模型建立

2.1 ? 電磁場數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中，熱量主要來源于輪轂電機(jī)內(nèi)部各種損耗. 電機(jī)內(nèi)部損耗主要包含鐵芯損耗、繞組損耗以及永磁體損耗等.

輪轂電機(jī)損耗可以表達(dá)為：

P = PFe + PCu + Pe ? ? ? ? ?（1）

也可以寫為：

P=kh ?fB2m+ke ?f ?2B2m+kex（ f Bm）

（2）

式中：P為電機(jī)總損耗;PFe為輪轂電機(jī)鐵芯損耗;kh、ke和kex分別表示為鐵芯磁滯損耗系數(shù)、鐵芯渦流損耗系數(shù)和鐵芯附加損耗系數(shù);f為交變頻率;Bm為磁通密度的賦值;PCu為繞組損耗;I為電機(jī)繞組相電流;R為電機(jī)繞組電阻;Pe為輪轂電機(jī)永磁體渦流損耗;Vm為永磁體體積;J為電流密度賦值;σ為永磁體的電導(dǎo)率.

2.2 ? 溫度場數(shù)學(xué)模型

依據(jù)傳熱原理，輪轂電機(jī)的瞬態(tài)溫度場可以表達(dá)為：

式中：Kx、Ky和Kz為在x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);T為電機(jī)溫度;si和sj分別為電機(jī)第二類邊界條件和第三類邊界條件;h為輪轂電機(jī)對流散熱系數(shù);Ti和Tj分別為給定邊界面和周圍介質(zhì)的溫度（介質(zhì)溫度隨時(shí)間發(fā)生變化）;q為熱流密度;n為邊界面si、sj上的法向矢量;cp為比熱容;ρ為介質(zhì)密度;K為邊界面si、sj的法向熱傳導(dǎo)系數(shù). 在進(jìn)行溫度場計(jì)算時(shí)，輪轂電機(jī)的溫升與材料導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，輪轂電機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示.

考慮到流體的黏性以及管道的擾動(dòng)和阻滯作用，流體在輪轂電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)過程中，會損失一定壓力. 流體的能量損失可以表示為：

式中：h1為流體能量損失;hf為管道內(nèi)流體沿程能量損失;hm為局部能量損失.

式中：λr為阻力系數(shù);g為重力加速度;ζ為油道總長度;d水力直徑;vo流體流速;為局部阻力系數(shù).

3 ? 溫度場仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ? 不同工況下輪轂電機(jī)磁熱耦合仿真分析

為了全面考慮不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)及多模式切換方式對輪轂電機(jī)溫度的影響，選取兩種不同運(yùn)行工況，如表4所示. 將兩種不同轉(zhuǎn)速的運(yùn)行工況定義為工況1和工況2.

考慮到輪轂電機(jī)溫升受其內(nèi)部損耗影響以及磁熱耦合方法計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用磁熱耦合方法對輪轂電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算，通過將電磁場仿真得到的各種損耗加載到溫度場中得到電機(jī)溫度場分布情況. 由于篇幅限制，本文僅列出工況2時(shí)輪轂電機(jī)溫度場分布情況如圖4及圖5所示.

由圖4可以看出電機(jī)采用自然風(fēng)冷冷卻方式時(shí)，溫度場分布極不均勻，熱量主要集中在繞組以及定子齒部，轉(zhuǎn)子和永磁體熱量分布較少. 由圖5可以得出，繞組與定子為最高溫度部件，其中定子齒部與定子軛部溫度差別較大. 永磁體與轉(zhuǎn)子溫度較低，但是熱量分布較均勻.

對輪轂電機(jī)在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行仿真分析，運(yùn)行時(shí)間為150 min，冷卻方式為自然風(fēng)冷，不同運(yùn)行工況下電機(jī)各部件溫升如圖6所示. 由圖6可以得出，電機(jī)的繞組與定子的溫升受不同運(yùn)行工況影響較大，而永磁體與轉(zhuǎn)子受到的影響相對較小. 兩種電機(jī)的運(yùn)行工況的溫度上升趨勢相同，先快速上升而后逐漸趨于平緩，電機(jī)的最高溫度為繞組的168 ℃，影響電動(dòng)汽車的長時(shí)間安全運(yùn)行，因此為保證電動(dòng)汽車的安全性，需要采用相應(yīng)的冷卻方式.

3.2 ? 冷卻方式對電機(jī)溫升影響

為降低輪轂電機(jī)的溫度，保證電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行，研究不同冷源輪轂電機(jī)多模式切換對溫度場的影響，并對比分析水冷、油內(nèi)冷及不同冷源冷卻方式對電機(jī)溫升的影響.

圖7為不同工況下水冷和油內(nèi)冷對電機(jī)各部件溫升的影響. 由圖7（a）（b）可以看出兩種運(yùn)行工況下水冷冷卻方式對電機(jī)的高溫部件繞組和定子具有較好的降溫效果，但對永磁體和轉(zhuǎn)子溫升影響較小. 由圖7（c）（d）可以看出油內(nèi)冷冷卻方式相對于水冷對電機(jī)的繞組和定子影響較小，且永磁體與轉(zhuǎn)子溫度相對于自然風(fēng)冷反而上升，這是因?yàn)槔鋮s油在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，具有均溫效果，使永磁體及轉(zhuǎn)子溫度上升. 兩種冷卻方式中，水冷冷卻方式對電機(jī)繞組和定子具有較好冷卻效果，但是電機(jī)內(nèi)部溫差較大. 油內(nèi)冷冷卻方式對電機(jī)繞組和定子冷卻作用較小，但是電機(jī)內(nèi)部溫差減小，有利于電機(jī)整體冷卻. 兩種冷卻方式對電機(jī)短時(shí)間運(yùn)行都有較好的冷卻效果，但是隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間增加，溫度持續(xù)上升，最高溫度達(dá)到139 ℃，使電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行存在一定隱患.

3.3 ? 不同冷源多模式切換方式對電機(jī)溫升影響

圖8為不同冷源多模式切換方式溫升仿真結(jié)果. 考慮到輪轂電機(jī)采用自然風(fēng)冷溫升較高，造成電機(jī)的切換次數(shù)增加，為降低輪轂電機(jī)溫度上升速度及減少冷源切換次數(shù)，在電機(jī)溫度上升至A點(diǎn)時(shí)采用第一階段水冷冷卻方式進(jìn)行溫升分析. 圖8（a）由于工況1溫升較慢，所以在冷卻方式切換過程中只進(jìn)行了一次冷源的切換，冷源切換后溫度在短時(shí)間內(nèi)下降，之后溫度持續(xù)上升，但電機(jī)運(yùn)行到150 min時(shí)最高溫度在合理范圍內(nèi)，沒有進(jìn)行下一次的冷源切換;由圖8（b）可以看出，電機(jī)在冷卻方式切換中一共切換了三次冷源，依次使電機(jī)最高溫度下降了7 ℃、9 ℃和5 ℃，使電機(jī)最高溫度保持在合理范圍內(nèi). 由于油冷冷源切換時(shí)，電機(jī)溫度上升較快，所以對電機(jī)的冷卻效果相對下降;而混合冷卻中油冷冷源切換速度較快，導(dǎo)致水冷冷源溫度較高，使混合冷卻對電機(jī)冷卻效果降低. 不同冷源多模式切換方式中冷源切換次數(shù)受不同的電機(jī)工況影響較大，對電動(dòng)汽車的長時(shí)間運(yùn)行冷卻效果較好.

3.4 ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

輪轂電機(jī)試驗(yàn)測試平臺如圖9所示，主要包括：輪轂電機(jī)、測功機(jī)、電機(jī)控制器、溫度傳感器以及紅外線測溫儀. 通過安裝在繞組中的溫度傳感器及測溫儀的作用，對電機(jī)的繞組和轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行溫度測量. 輪轂電機(jī)樣機(jī)如圖10所示，通過相應(yīng)的管路使冷卻油進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，達(dá)到相應(yīng)的冷卻效果.

圖11為工況1計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量溫度曲線. 由圖11可以得出，輪轂電機(jī)的繞組和轉(zhuǎn)子試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果溫升變化趨勢一致，在溫升過程中進(jìn)行了一次冷源切換;相較于工況2少進(jìn)行兩次冷源切換，這是由于受到不同轉(zhuǎn)速的影響，說明多冷源冷卻結(jié)構(gòu)及方式受冷源流速影響較大. 隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，試驗(yàn)測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差加大，繞組最大誤差為5.1%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.9%，這是由于長時(shí)間的試驗(yàn)測量計(jì)算，計(jì)算精度下降，從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定誤差.

圖12為工況2計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量溫度曲線. 由圖12可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果都進(jìn)行了三次冷源切換，且每次冷源切換后都使電機(jī)溫度得到一定程度的下降;在第三次冷源切換后溫度下降相對較少，一方面是由于電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行使電機(jī)溫度較高，另一方面是由于冷卻液本身帶有一定熱量，使電機(jī)冷卻效果下降;工況2中試驗(yàn)測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合度較高，但是存在一定誤差，繞組最大誤差為4.8%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.5%. 這是受到試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)測量手段以及測量工具的精度影響，從而產(chǎn)生一定誤差.

通過對輪轂電機(jī)多冷源冷卻方式的試驗(yàn)驗(yàn)證可得，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果吻合度較高，可驗(yàn)證該冷卻方式的正確性.

4 ? 結(jié) ? 論

本文針對輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生較高溫升問題，提出一種不同冷源多模式切換冷卻方式. 首先，采用磁熱耦合方法對自然水冷方式的輪轂電機(jī)進(jìn)行溫度場仿真分析. 其次，對采用水冷和油內(nèi)冷的輪轂電機(jī)進(jìn)行溫升仿真分析. 最后，通過對不同冷源多模式切換冷卻方式進(jìn)行溫升仿真分析，從而進(jìn)行水冷、油內(nèi)冷和不同冷源多模式切換方式之間的溫升對比分析.

對不同冷源多模式切換冷卻方式的仿真結(jié)果分析表明，該方式通過對不同冷源的模式切換，可以有效減少電動(dòng)汽車在長時(shí)間運(yùn)行帶來的高溫問題;電機(jī)的不同運(yùn)行工況對多冷源冷卻方式的冷卻效果影響較大;仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該冷卻方式對電機(jī)降溫效果的有效性，為輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車長時(shí)間帶來的溫升問題的研究提供一定參考.

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收稿日期：2020-09-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305126），National Natural Science Foundation of China（51305126）;河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2017GGJS063），Henan Province Colleges and Universities Youth Key Teacher Training Project（2017GGJS063）

作者簡介：周志剛（1978—），男，河南澠池人，河南科技大學(xué)副教授，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：hnmczzg@163.com