新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)水道優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】新能源汽車水冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度受冷卻效果影響較大，通過電機(jī)冷卻水道優(yōu)化，分析電機(jī)全域溫度場，可以顯著降低電機(jī)溫升，從而提升電機(jī)競爭力。

【關(guān)鍵詞】電機(jī)溫升;水道優(yōu)化;冷卻;螺旋形水道;軸向水道

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0011-02

New Energy Vehicle Drive Motor Waterway Optimization Design

【Abstract】The power density of water-cooled drive motor of new energy vehicles is greatly affected by the cooling effect. Through the optimization of the cooling water channel of the motor and the analysis of the overall temperature field of the motor， the temperature rise of the motor can be significantly reduced， so as to improve the competitiveness of the motor.

【Key words】motor temperature rise;waterway optimization;to cool;spiral channel;axial channel

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻形式較多，主要有風(fēng)冷、水冷及油冷等形式。其中風(fēng)冷主要用于A0及A00級車型，電機(jī)輸出功率較低，發(fā)熱量相對較小。對于B級及C級車，整車加速性要求高，電驅(qū)需要更強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出，因此電機(jī)體積做得更大，整車需要布置的空間更大，必須采用水冷或者油冷等高效率冷卻形式，從而降低電機(jī)體積。

伴隨電機(jī)原材料成本不斷攀升，改善電機(jī)溫升，提升電機(jī)功率密度至關(guān)重要。較多文獻(xiàn)介紹基于電機(jī)殼體水道與冷卻液熱交換效率設(shè)計(jì)優(yōu)化水道，評價(jià)手段較為簡單、直接，但無法有效了解電機(jī)內(nèi)部溫升，尤其是磁鋼、繞組等關(guān)鍵核心零部件的溫升表現(xiàn)，設(shè)計(jì)較為粗放，可能因磁鋼、繞組端部因局部過熱，形成“孤島效應(yīng)”，最終導(dǎo)致電機(jī)高溫失效。本文分析不同類型電機(jī)水道，考察電機(jī)全域溫度場，重點(diǎn)關(guān)注磁鋼、繞組等核心零部件溫升情況，更加精細(xì)化eTxJFjHnJ4ctLqoxVR/pOQ==設(shè)計(jì)電機(jī)溫升。

1 電機(jī)水道類型

對某款新能源汽車強(qiáng)制水冷電機(jī)設(shè)計(jì)3種類型電機(jī)冷卻水道，如圖1所示，分別為軸向水道、螺旋5層水道和螺旋6層水道。水道均可使用鑄造一體成型，厚度、軸向長度及內(nèi)徑均相同。

1）軸向水道。優(yōu)勢是制造成本低，一般通過熱壓成型。模具簡單，費(fèi)用低，只需要調(diào)整熱壓行程，就可以匹配不同長度的電機(jī)，比較容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)平臺化。

2）螺旋形水道。優(yōu)勢是水阻小，缺點(diǎn)是制造成本高，一般采用鑄造成型。模具復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)成本高，非常不利于電機(jī)軸向長度增加拓展。

具體選擇哪種水道，需要結(jié)合制造、冷卻效果及產(chǎn)品系列規(guī)劃綜合考慮。

2 電機(jī)水道仿真分析

建立電機(jī)定轉(zhuǎn)子、繞組、磁鋼、殼體、水道流體域及空氣域分析模型，基于主要熱傳遞路徑，將模型進(jìn)行簡化。電機(jī)熱仿真分析模型如圖2所示。

熱傳遞路徑分3步：①磁鋼發(fā)熱通過磁鋼膠傳遞給轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心自身損耗發(fā)熱，通過空氣及熱輻射將定子鐵心熱量傳遞給電機(jī)殼體;②繞組發(fā)熱通過絕緣紙傳遞給定子鐵心，定子鐵心自身損耗發(fā)熱，定子鐵心直接將熱量傳遞給電機(jī)殼體;③電機(jī)殼體與冷卻液熱量交換帶走熱量?？紤]通過轉(zhuǎn)子軸承傳遞的熱量較少，忽略通過轉(zhuǎn)子軸承傳遞的熱量，以及忽略電機(jī)殼體通過熱輻射向外傳遞的熱量。

在電機(jī)起始溫度相同的情況下，需考慮電機(jī)的繞組銅耗、定子鐵心鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵心鐵耗以及磁鋼的渦流損耗所產(chǎn)生的熱量。這些熱量通過熱傳遞路徑最終匯聚于電機(jī)殼體，隨后通過熱交換被水道冷卻液帶走。最后，對電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心、繞組以及磁鋼的剩余溫升進(jìn)行考察。當(dāng)起始溫度和發(fā)熱量相同時(shí)，剩余溫升越低的水道，表明其冷卻效果更為優(yōu)良。

電機(jī)關(guān)鍵材料及材料性能參數(shù)見表1。水道冷卻液入口流速為8L/min，入水口溫度為65℃，初始溫度為65℃，環(huán)境溫度為85℃。

經(jīng)過電機(jī)電磁仿真可得到電機(jī)在額定運(yùn)行工況（4000 r/min，120N·m）下的銅耗、鐵耗及磁鋼渦流損耗，具體內(nèi)容見表2。

3 仿真分析結(jié)果說明

額定工況下電機(jī)關(guān)鍵核心零部件溫升結(jié)果見表3。

依據(jù)表3數(shù)據(jù)，分別從電機(jī)繞組、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、磁鋼4方面進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如下所述。

1）電機(jī)繞組溫升對比：5層螺旋水道溫升比軸向水道溫升低1.5℃，6層螺旋水道溫升比5層螺旋水道溫升低6.5℃，即對比繞組散熱效果，3種水道中6層螺旋水道冷卻效果最好。

2）電機(jī)定子鐵心溫升對比：5層螺旋水道溫升比軸向水道溫升低2.2℃，6層螺旋水道溫升比5層螺旋水道溫升低1.2℃，即對比定子鐵心散熱效果，3種水道中6層螺旋水道冷卻效果最好。

3）電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心溫升對比：5層螺旋水道溫升比軸向水道溫升低5.3℃，6層螺旋水道溫升比5層螺旋水道溫升低3.5℃，即對比轉(zhuǎn)子鐵心散熱效果，3種水道中6層螺旋水道冷卻效果最好。

4）電機(jī)磁鋼溫升對比：5層螺旋水道溫升比軸向水道溫升低5.3℃，6層螺旋水道溫升比5層螺旋水道溫升低3.7℃，即對比磁鋼散熱效果，3種水道中6層螺旋水道冷卻效果最好。

綜合來看，6層螺旋水道冷卻效果優(yōu)于5層螺旋水道，5層螺旋水道冷卻效果優(yōu)于軸向水道。

如圖3～圖6所示，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況（4000r/min、120N·m）時(shí)，電機(jī)最高溫度出現(xiàn)在繞組位置。電機(jī)繞組溫升差異約10℃，最高溫度出現(xiàn)在繞組端部處，達(dá)到140.7℃，因?yàn)槔@組端部熱量需要通過繞組中部傳遞到殼體及鐵心上，熱傳遞路徑較長，繞組端部形成“熱量孤島”效應(yīng)，熱量累積較高;電機(jī)定子鐵心溫升差異約30℃，最高溫度為112.9℃，出現(xiàn)在貼心內(nèi)徑位置，此處發(fā)熱量較高卻又處于熱量傳遞路徑前端，熱量累積較多;轉(zhuǎn)子鐵心溫升差異約為30℃，最高溫度117.56℃，磁鋼最高溫度117.52℃，定子貼心和磁鋼的最高溫度均出現(xiàn)在軸向中間區(qū)域，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子熱量主要通過定轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的空氣傳遞和熱輻射傳遞，轉(zhuǎn)子中間區(qū)域熱交換效果較轉(zhuǎn)子兩側(cè)區(qū)域效果差，熱量積累較多。因此重點(diǎn)考察這3個(gè)位置的溫升是否滿足設(shè)計(jì)要求。

繞組端部的溫升最高，如果可以解決此處溫升，可以大幅度改善電機(jī)的溫升。如果繞組端部的溫升降低30℃，則整個(gè)電機(jī)的溫升將更加平衡，電機(jī)的峰值及額定功率也會相應(yīng)提升。電機(jī)繞組端部通過導(dǎo)熱材料注塑處理，繞組端部的熱量通過導(dǎo)熱材料傳遞到殼體，縮短熱傳遞路徑，是一種非常好的解決方案。部分油冷電機(jī)通過對定子繞組端部直接噴油冷卻，也是基于對繞組端部“熱量孤島”的溫升改善，來提升電機(jī)的輸出能力。

4 結(jié)論

在水冷電機(jī)中，螺旋形水道的冷卻效果優(yōu)于軸向水道。通過合理設(shè)計(jì)水道層數(shù)，冷卻效果能夠得到較大幅度的改善。此外，電機(jī)繞組端部是水冷電機(jī)的“熱量孤島”，也是電機(jī)溫度的最高點(diǎn)，此處的溫升需要重點(diǎn)進(jìn)行校核與優(yōu)化。通過縮短繞組端部的熱傳遞路徑，可以大幅度提升電機(jī)的輸出能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張舟云，徐國卿，沈祥林. 用于電動(dòng)汽車的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器一體化冷卻系統(tǒng)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（10）：1367-1371.

[2] 和偉超，吳建華. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其溫度場分析[J]. 輕工機(jī)械，2013，31（10）：19-25.

[3] 李和明，李俊卿. 電機(jī)中溫度計(jì)算方法及其應(yīng)用綜述[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（1）：1-5.

[4] 胡萌，李海奇，李旭光. 電動(dòng)車用水套冷卻永磁電機(jī)損耗及溫度[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41（1）：27-32.

[5] 梁培鑫，柴鳳，李翠萍. 水冷電機(jī)水路設(shè)計(jì)的研究[J]. 微電機(jī)，2013，46（5）：1-4.

[6] 朱高嘉，朱英浩，朱建國. 永磁電機(jī)溫度場的改進(jìn)有限元公式迭代算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（16）：136-143.

[7] 黃聰，張僑，楊文. 高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)及損耗溫度場分析[J]. 微特電機(jī)，2020，53（8）：33-39.

[8] 杜靜娟. 電動(dòng)汽車用高效高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2017.

[9] 吳琳，王宏光. 水冷電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（8）：40-41.

[10] 張力. 電動(dòng)汽車用高功率密度永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2016.

[11] 劉威. 水冷永磁電機(jī)多工況熱特性及冷卻水道研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2018.

[12] 徐云龍. 高速永磁電機(jī)損耗計(jì)算與熱分析[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2009.