新能源汽車驅(qū)動電機油冷系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：為延長電機使用壽命，應(yīng)加強新能源汽車驅(qū)動電機散熱系統(tǒng)技術(shù)研究，通過高壓扁線油冷電驅(qū)動可有效提升電機散熱穩(wěn)定性，促進(jìn)電機傳熱效率的提升。據(jù)此，對新能源汽車扁線電機技術(shù)、扁線發(fā)卡結(jié)構(gòu)以及油冷技術(shù)進(jìn)行分析，在扁線電機基礎(chǔ)上構(gòu)建新能源汽車驅(qū)動電機油冷系統(tǒng)，提出相應(yīng)的油冷系統(tǒng)設(shè)計方案，對電機各部分損耗展開計算，并就機殼冷卻油道及噴淋油道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，促進(jìn)電機散熱性能及結(jié)構(gòu)可靠性的提升。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；驅(qū)動電機；油冷系統(tǒng)

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-12-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.010

1 前言

近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到長足發(fā)展，為滿足電動汽車運行需求，應(yīng)不斷提高電機性能與效率，因此應(yīng)針對更高功率密度電機展開深入研究，以乘用車功率度達(dá)到4 kW/kg以上為目標(biāo)，推動電驅(qū)系統(tǒng)朝向高效化、輕量化、低成本方向發(fā)展。

作為其中的關(guān)鍵技術(shù)，油冷技術(shù)在扁線發(fā)卡結(jié)構(gòu)中得到十分廣泛的應(yīng)用，在實踐中應(yīng)做好定子鐵芯通油、油環(huán)噴淋、轉(zhuǎn)子鐵芯通油及甩油等測試工作，確保滿足大扭矩、高轉(zhuǎn)速、高可靠性的油冷系統(tǒng)設(shè)計要求。

2 新能源汽車扁線電機技術(shù)的應(yīng)用

2.1 扁線電機技術(shù)

扁線電機即為條形繞組電機（Bar-wound motor），采用扁銅線繞組電機定子替代原本的圓銅線繞組，配套相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及冷卻方案，以實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化。當(dāng)前，扁線電機在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有功率密度大、散熱性能強等突出優(yōu)勢。電機能量損耗類型包括電機銅耗、電機鐵耗以及雜散損耗等，其中電機銅耗占據(jù)整體損耗的70%以上，因此降低電機銅耗也成為降低總體電機能量損耗的關(guān)鍵[1]。

扁線電機由于采用扁銅線繞組，相較于其他繞組形式，可通過調(diào)整銅線截面積的方式降低銅耗；相比于傳統(tǒng)的細(xì)圓導(dǎo)線繞組，扁銅線繞組可通過減小扁線間隙達(dá)到增加繞組銅線容量的作用，槽填充率進(jìn)一步提升，最高可達(dá)70%。經(jīng)測試，在相同電機功率下，扁線電機定子鐵芯及端部尺寸可有效縮減，不僅可以減少材料消耗，還可以促進(jìn)電機功率密度的提升[2]。

在此基礎(chǔ)上，相較于圓線電機，扁線電機的優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下幾方面：

a.槽口尺寸更小，對電磁噪聲及電樞噪音有著良好的抑制作用，通過配合轉(zhuǎn)子磁極以呈現(xiàn)出更良好的NVH性能。

b.扁線電機繞組端部形狀多樣電機小型化、輕量化發(fā)展提供便利條件。

c.導(dǎo)體內(nèi)部空隙縮減導(dǎo)致導(dǎo)體與鐵芯槽之間的接觸面積擴(kuò)大，促進(jìn)電機熱傳導(dǎo)性能與散熱性能的優(yōu)化。

d.繞組端部間隙的留出可為系統(tǒng)散熱系統(tǒng)條件，并在端部噴油冷卻技術(shù)的配合下，優(yōu)化扁線電機散熱性能，為新能源汽車動力性能的提升奠定基礎(chǔ)[3]。

2.2 扁線發(fā)卡結(jié)構(gòu)

扁線電機按繞組類型劃分包括集中繞組、波繞組以及Hairpin（發(fā)卡）扁線電機，而發(fā)卡結(jié)構(gòu)是當(dāng)前扁線電機中的主流結(jié)構(gòu)。扁線發(fā)卡結(jié)構(gòu)按工藝可分為U-PIN和I-PIN兩種類型，前者是在將扁銅線一端制成U形的基礎(chǔ)上插入定子鐵心槽，再將另一端扭轉(zhuǎn)共同組成波浪型繞組；后者是直接將直銅線插入定子鐵芯槽，兩端同時扭轉(zhuǎn)組成波浪型繞組。

對于U-PIN和I-PIN工藝來說，二者均屬于軸向嵌裝繞組結(jié)構(gòu)，在運行效率、峰值扭矩上并沒有明顯差異，但相較于U-PIN，I-PIN在持續(xù)扭矩以及持續(xù)功率上更具優(yōu)勢，但同時由于焊點增加，也面臨更高的焊點失效風(fēng)險。

2.3 油冷技術(shù)

傳統(tǒng)水冷散熱方式在進(jìn)行繞組熱量散熱處理的過程中，往往需要經(jīng)過絕緣層，經(jīng)由定子鐵芯再達(dá)到機殼。運行過程中，若在路徑中出現(xiàn)局部熱點，會在一定程度上對水冷散熱效率造成不利影響。

基于此，可通過油冷技術(shù)針對這一問題提出解決方案，既可以實現(xiàn)與熱源的直接接觸，又可以規(guī)避對電機磁路的影響。同時，將油冷技術(shù)應(yīng)用于扁線電機領(lǐng)域還有助于達(dá)到更高的散熱效率。

電機運行期間，熱量主要集中在繞組端部，在噴油冷卻技術(shù)作用下，端部可呈現(xiàn)出更為良好的散熱作用，除了噴油冷卻技術(shù)，軸心甩油冷卻技術(shù)等也得到十分廣泛的關(guān)注[4]。

3 基于扁線電機的新能源汽車驅(qū)動電機油冷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 油冷系統(tǒng)設(shè)計方案

扁線電機油冷系統(tǒng)運行期間，冷卻油在與電機繞組、定子鐵芯直接接觸時可呈現(xiàn)良好的散熱效果，同時具備較強的導(dǎo)熱性能。扁線電機油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。

定子鐵芯和電機繞組為扁線電機的兩大熱源，特別是在運行期間，定子鐵芯較繞組的發(fā)熱功率更高。傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)采用內(nèi)置式流道，其散熱效果很大程度上會受到內(nèi)壁粗糙度和形位公差的影響，加上鐵芯和機殼之間存在空氣間隙，從而導(dǎo)致冷卻水帶走熱量的過程更易受熱阻限制，散熱質(zhì)量及效率不高?；诖?，本項目提出通過機殼內(nèi)壁油槽替換內(nèi)置式油道的方案，通過油冷散熱系統(tǒng)增加冷卻油與定子鐵芯的接觸面積，減少定子鐵芯冷卻受氣隙熱阻的影響。

而對于扁線電機端部繞組來說，傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)下，端部繞組散熱條件較定子鐵芯更差，隨著接觸面的增加，其接觸的熱阻也大大增加，導(dǎo)致端部繞組散熱效果不佳，同時電機內(nèi)部也出現(xiàn)較大的溫度梯度。

針對這一情況，本項目提出預(yù)埋熱傳感器的方式獲取端部繞組溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合電機最大溫升加強對端部繞組溫度的把控。在此基礎(chǔ)上，本項目進(jìn)一步將噴淋油道調(diào)整至機殼處，實現(xiàn)冷卻油與端部繞組的直接接觸，確?？稍诙虝r間內(nèi)實現(xiàn)良好的散熱效果，同時規(guī)避空氣參與到接觸面中，避免接觸熱阻對冷卻油散熱效果的影響。

3.2 電機損耗計算

本項目為高壓（800 V）扁線油冷電驅(qū)動系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min。扁線電機運行期間所產(chǎn)生的損耗包括電機銅耗、電機鐵耗、雜散損耗等，因此本項目也需要針對繞組線圈、鐵芯等位置產(chǎn)生的損耗進(jìn)行計算[4]。本項目基于扁線電機電磁仿真對電機損耗進(jìn)行分析與計算，探討電機溫度升高受各部分損耗的影響，進(jìn)而根據(jù)計算結(jié)果對電機運行溫度分布提供參考。

3.2.1 繞組銅耗計算

扁線電機銅耗是指電機運行期間，銅線繞組會出現(xiàn)一定程度上的發(fā)熱，并形成相應(yīng)的能量損耗。通常情況下，扁線電機銅耗包括直流銅耗、交流銅耗，其中直流銅耗以電流熱效應(yīng)為主要影響因素，因此在計算過程中需考慮熱效應(yīng)影響，進(jìn)而引入焦耳公式，其公式表示為：

[PCu=mI2R]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[PCu]為繞組銅耗，W；[m]為電機繞組相數(shù)；[I]為繞組相電流有效值，A；[R]為繞組相電阻阻值，Ω。

扁線電機運轉(zhuǎn)過程中，電機內(nèi)部溫度會受到各部分損耗影響而升高，考慮到本項目中的電機機組功率與銅耗較大，其定子繞組阻值勢必會存在較大范圍的溫度變化，其溫度變化計算公式表示為：

[R=R01+α0T?T0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[R]為溫度[T]時的繞組相電阻阻值，Ω；[R0]為溫度[T0]時的繞組相電阻阻值，Ω；[α0]為電阻溫度系數(shù)；[T]和[T0]分別為繞組溫度與起始環(huán)境溫度，℃，本項目在計算過程中，[T0]取值為20℃，而[R0]的公式則表示為：

[R0=PCu2LhNnπad22]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[PCu]為溫度[T0]時的銅線電阻率，Ω?m；[Lh]為繞組線圈半匝長，m；[N]為繞組串聯(lián)匝數(shù)；[n]為并聯(lián)支路數(shù)；[a]為并繞根數(shù)；[d]為繞組銅線直徑，m。

由于本項目采用的是扁線繞組，在電機高轉(zhuǎn)速工況下，受到集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)的影響也會產(chǎn)生交流銅耗，其計算公式為：

[PAC=PDC+Pstrand+Pbundle]? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[PAC]為導(dǎo)體總銅耗；[PDC]為直流銅耗；[Pstrand]為基于單根導(dǎo)體的交流銅耗；[Pbundle]為基于成束導(dǎo)體的交流銅耗。

3.2.2 定子鐵耗計算

扁線電機運行過程中還會產(chǎn)生一定的鐵芯損耗，可以分為磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗，電機繞組在接入電流后可形成電力磁效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)電機磁場的改變，在此基礎(chǔ)上受到磁滯效應(yīng)影響而產(chǎn)生相應(yīng)的磁滯損耗；電機鐵芯磁通工況下則會產(chǎn)生相應(yīng)的渦流效應(yīng)，造成一定的渦流損耗，此外定子鐵耗還包括一定的異常損耗。對扁線電機定子鐵耗進(jìn)行計算，其公式表示為：

[PFe=Ph+Pc+Pe=khfB2+kCf2B2+kef1.5B1.5]? ?（5）

式中，[PFe]為定子鐵耗，[Ph]、[Pc]、[Pe]分別為磁滯損耗、渦流損耗以及異常損耗；[kh]、[kC]、[ke]分別為磁滯損耗、渦流損耗與異常損耗系數(shù)；[f]為交變電流頻率，Hz；[B]為磁密幅值，T。

根據(jù)式（5）可以進(jìn)一步看出，扁線電機鐵耗與電流頻率有著十分密切的關(guān)系，鐵芯渦流損耗會隨著電流頻率增加而增加，其增長速率也呈現(xiàn)出快速增加的趨勢。當(dāng)處于特定工況時，電機鐵耗往往會比銅耗更大。

3.2.3 雜散損耗計算

扁線電機雜散損耗往往會受到多方面因素的影響，包括線圈繞組電流、定子鐵芯開槽等，這也給扁線電機雜散損耗的精確計算帶來一定難度。在這樣的情況下，本項目通過測試得到在電機驅(qū)動電流持續(xù)增大的過程中，雜散損耗會隨著電流平方的增加而增加，因此可通過近似公式完成雜散損耗的計算，其公式表示為：

[Ps=IIr2KsPN]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[I]為電機線電流，A；[Ir]為電機額定電流，A；[Ks]為電機雜散損耗系數(shù)；[PN]為電機額定功率，W。

4 油冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

4.1 機殼冷卻油道設(shè)計

在進(jìn)行機殼冷卻油道設(shè)計過程中，其主要目的是提升電機油道冷卻效果，因此應(yīng)對油道進(jìn)行合理選型。現(xiàn)階段，常見的油道類型有螺旋型、折返型、周向型等，通過對散熱系數(shù)、壓力損失等參數(shù)進(jìn)行衡量，同時考慮到本項目采用的扁線電機功率密度較高，經(jīng)過綜合考量選定軸向折返型油道結(jié)構(gòu)，同時將油道直角通道調(diào)整為圓角，以實現(xiàn)油道壓阻條件的優(yōu)化，使冷卻油呈現(xiàn)出更順暢的流動狀態(tài)，從而起到降低油道壓力損失的作用。基于此，本項目結(jié)合圓角過渡設(shè)計思路提出優(yōu)化油道設(shè)計方案，圖2為S形軸向折返油道示意圖。

結(jié)合圖2信息可以看出，本項目的油道方案采用矩形截面，進(jìn)油口設(shè)置在機殼油道中間處，確保電機前后機油道長度保持一致。在此基礎(chǔ)上，又對油道寬度、高度以及折返半徑等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而呈現(xiàn)出最優(yōu)的流阻和換熱能力效果。經(jīng)測試，在油道高度為8.5 mm、油道寬度為18 mm、折返次數(shù)為16次、油道軸向整長為83 mm的情況下，直角折返、圓角折返以及本項目采用的S形折返的油道換熱面積分別為30 928 mm2、28 314 mm2以及26 343 mm2。

4.2 噴淋油道結(jié)構(gòu)設(shè)計

扁線電機運行過程中，為達(dá)到良好的冷卻效果，需要使得冷卻油在重力作用下自上而下流動并與端部繞組直接接觸，從而保證電機冷卻的均勻性與全面性。在此過程中，為盡可能減少噴淋油道壓力損失，往往不會在電機底部布置噴嘴。本項目在進(jìn)行電機噴淋油道設(shè)計及其與機殼油道連接設(shè)計的過程中，基于冷卻油流動特點提出環(huán)繞電機上方240°、180°、120°三種布置方案（圖3、圖4、圖5），分別對應(yīng)的噴嘴數(shù)量為17個、13個、9個，噴淋油路尺寸均為5/18 mm，噴嘴直徑均為1.5 mm。在對三種方案進(jìn)行對比的過程中，考慮到為使冷卻油順利流出，需要設(shè)置額外的抽油泵與進(jìn)油泵，因此240°噴嘴布置方案具有更強的適用性。

5 結(jié)語

扁線電機憑借其獨特優(yōu)勢在新能源汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時引入扁線發(fā)卡繞組工藝，更好地滿足新能源汽車電機高效能、輕量化、高功率密度的發(fā)展要求。為提高電機散熱效率，本項目將傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)替換為油冷系統(tǒng)，實現(xiàn)電機各部分損耗精確計算的同時，強化了油冷系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計，從而確保扁線電機可以長時間處于高效的散熱狀態(tài)，為電機持續(xù)功率和持續(xù)扭矩的提高提供技術(shù)支持。

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作者簡介：

楊悅思，男，1987年生，工程師，研究方向為新能源汽車新能源電機、扁線定子、電驅(qū)動油冷。