電動汽車用油內(nèi)冷永磁輪轂電機三維溫度場分析

王曉遠， 高鵬

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

電動汽車用油內(nèi)冷永磁輪轂電機三維溫度場分析

王曉遠， 高鵬

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

根據(jù)外轉(zhuǎn)子式輪轂電機的結(jié)構(gòu)及變壓器油的物理特性，提出油內(nèi)冷輪轂電機冷卻方式。以實際樣機為例，在傳熱學理論和有限元方法的基礎(chǔ)上，對輪轂電機各部件間的導熱系數(shù)和散熱系數(shù)進行了計算，并分別建立了采用自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻方式輪轂電機的3-D溫度場有限元分析模型。基于所建立的模型，計算并得到了不同冷卻方式下輪轂電機各部件的溫升曲線和溫度場分布。通過計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了有限元分析的正確性和油內(nèi)冷冷卻方式的有效性和實用性。

輪轂電機；油內(nèi)冷；溫度場；有限元法；自然冷卻

0　引言

輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)是將輪轂電機安裝于電動汽車車輪內(nèi)部驅(qū)動車輪同軸旋轉(zhuǎn)，省卻了機械離合器、變速箱、減速器、傳動軸等復雜裝置，簡化了汽車的結(jié)構(gòu)，提升了驅(qū)動系統(tǒng)的動力傳動效率［1］。為了滿足電動汽車運行的實際需求，輪轂電機需滿足高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度和結(jié)構(gòu)緊湊等要求。對于內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式的輪轂電機結(jié)構(gòu)，定子中的損耗所產(chǎn)生的熱量難以傳遞至機殼并散發(fā)出去，導致輪轂電機的內(nèi)部溫升變高。過高的溫升會影響電機性能，電機過熱易引起運行故障，影響電機的使用壽命［2］，因此采用合理的電機冷卻方式對于輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前，常用的電機冷卻方式包括強迫風冷［3-6］、循環(huán)水冷［2、7-8］和油內(nèi)冷等。強迫風冷，成本較低，但是相對冷卻效果較差。循環(huán)水冷，以凈化水為冷卻介質(zhì)，一種方式是在定子繞組中嵌入導水管，通過導水管內(nèi)水的循環(huán)流動實現(xiàn)冷卻電機繞組的目的。另一種方式是在電機定子機殼中設(shè)計冷卻水道，通過冷卻水道內(nèi)水的循環(huán)流動實現(xiàn)電機冷卻的目的。對于外轉(zhuǎn)子式的輪轂電機，強迫風冷方式難以降低電機內(nèi)部的溫升，循序水冷方式會提高電機的結(jié)構(gòu)要求和設(shè)計難度。相對于強迫風冷和循環(huán)水冷，油內(nèi)冷電機冷卻方式更加適合外轉(zhuǎn)子式輪轂電機的結(jié)構(gòu)。此外，利用變壓器油的導熱系數(shù)大、絕緣強度高、粘滯系數(shù)低等特點，以變壓器油為冷卻介質(zhì)填充到輪轂電機內(nèi)部，將電機內(nèi)部熱量傳遞至機殼并散發(fā)出去，可實現(xiàn)降低電機溫升的目的。目前，對油內(nèi)冷輪轂電機冷卻方式進行研究分析的文獻還鮮見報道。

本文根據(jù)外轉(zhuǎn)子式輪轂電機的結(jié)構(gòu)及變壓器油的物理特性，提出了油內(nèi)冷輪轂電機冷卻方式。以實際輪轂電機樣機為例，分別建立了采用自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻方式的輪轂電機3-D溫度場有限元分析模型。對額定工況條件下運行的輪轂電機進行了溫度場分析和實驗驗證。根據(jù)有限元分析結(jié)果和實驗測量數(shù)據(jù)，對比了自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻方式的冷卻效果，驗證了有限元分析的正確性和油內(nèi)冷冷卻方式的實用性。

1　輪轂電機模型

1.1輪轂電機分析模型

以一臺電動汽車用外轉(zhuǎn)子式輪轂電機為研究對象，主要包括采用分數(shù)槽集中繞組的內(nèi)定子和與兩端蓋相連接的外轉(zhuǎn)子兩部分。電機的內(nèi)定子通過定子支架與電機軸相連接，軸內(nèi)通出電源線。外轉(zhuǎn)子與兩端蓋固定連接，其中電機的一側(cè)端蓋與電動汽車的輪輞相連，轉(zhuǎn)子與車輪同軸轉(zhuǎn)動。輪轂電機參數(shù)如表1所示。

電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，電機各部分損耗成為電機內(nèi)發(fā)熱的熱源。永磁體表貼式分數(shù)槽繞組輪轂電機的損耗主要包括鐵心損耗、繞組損耗、永磁體渦流損耗和機械損耗。根據(jù)電機內(nèi)發(fā)熱熱源分布及傳熱學理論，繪制自然冷卻輪轂電機的簡化熱流動模型，如圖1所示。在輪轂電機內(nèi)部，槽內(nèi)繞組產(chǎn)生的熱量傳遞至定子鐵心，端部繞組產(chǎn)生的熱量散發(fā)到電機內(nèi)部空氣。定子鐵心內(nèi)的熱量一部分通過熱傳導傳遞至定子支架，一部分熱量通過定子鐵心端面散發(fā)到電機內(nèi)部空氣，此外，定、轉(zhuǎn)子鐵心表面通過氣隙空氣發(fā)生對流換熱。永磁體內(nèi)的熱量通過熱傳導傳遞至轉(zhuǎn)子套，轉(zhuǎn)子套外表面與周圍空氣發(fā)生對流換熱。圖1中，紅色箭頭方向表示為熱流動方向。

表1　輪轂電機參數(shù)Table 1　Parameters of in-wheel motor

圖1　自然冷卻輪轂電機熱流動圖Fig.1　Heat flow diagram in in-wheel motor with nature cooling

由于對輪轂電機功率密度、轉(zhuǎn)矩密度等要求較高，且輪轂電機工作環(huán)境較為惡略，采用自然冷卻方式的輪轂電機會存在以下問題：（1）槽內(nèi)繞組導線之間、繞組與絕緣材料之間及絕緣材料與定子槽之間存在導熱系數(shù)很低的空氣，導致繞組熱量向外傳遞效率低；（2）處于密閉輪轂電機內(nèi)的空氣難以將電機內(nèi)部大部分熱量散發(fā)至機殼；（3）輪轂電機運行轉(zhuǎn)速相對較低，定、轉(zhuǎn)子間的對流散熱能力有限。以上問題會造成高負荷下輪轂電機繞組溫升急劇增加，整體溫度場分布不均勻。

為了提高輪轂電機的電磁負荷和材料利用率，降低電機內(nèi)溫度最高點溫度，改善溫度場分布，必須采用合理的冷卻方式和冷卻介質(zhì)。充分考慮輪轂電機的安裝形式、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及變壓器油的物理特性，提出油內(nèi)冷輪轂電機冷卻方式，即將輪轂電機內(nèi)部填充滿變壓器油，利用變壓器油將電機內(nèi)熱量傳遞至機殼，采用油內(nèi)冷冷卻方式的輪轂電機示意圖如圖2所示，輪轂電機各部件材料導熱系數(shù)如表2所示。

圖2　油內(nèi)冷輪轂電機示意Fig.2　Sketch of in-wheel motor with inner-oil cooling

表2　輪轂電機材料導熱系數(shù)Table 2　Thermal conductivity of the materials of in-wheel motor

1.2輪轂電機數(shù)學模型

為了節(jié)省3-D有限元計算時間，根據(jù)分數(shù)槽繞組電機的單元電機理論取輪轂電機周向的1/3，取軸向1/2，建立輪轂電機1/6模型，輪轂電機模型如圖3所示。

圖3　輪轂電機3-D物理模型Fig.3　3-D physical model of in-wheel motor

在直角坐標系下，輪轂電機計算單元的溫度場求解可歸結(jié)為如下的邊值問題［3、9-10］：

式中：T為溫度；Kx、Ky、Kz為沿x、y、z方向的導熱系數(shù)；T1為邊界面S1上的給定溫度；n為邊界面（S1、S2）上的法向矢量；h為S2表面的散熱系數(shù)；T0為S2周圍介質(zhì)的溫度。

相應邊界條件設(shè)定：

1）絕熱邊界條件，即在此類邊界面上無熱傳導。

式中：SJ為模型中的絕熱邊界面，包括：鐵心軸向中心面、永磁體軸向中心面、轉(zhuǎn)子軛軸向中心面及周向?qū)ΨQ面和槽內(nèi)繞組軸向中心面；λn為垂直于物體表面的導熱系數(shù)。

2）環(huán)境溫度邊界條件，加載面包括：定子鐵心軸向端面、永磁體軸向端面、轉(zhuǎn)子軛軸向端面、繞組表面，邊界面上的熱傳遞通過下式計算

式中，qt和Tp分別為通過邊界上一點的熱量和溫度；hc和hr分別為對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)；Te為外部環(huán)境溫度。

2　與溫度場相關(guān)的系數(shù)計算

在輪轂電機的3-D溫度場計算中，各部件間導熱系數(shù)和散熱系數(shù)是受多變量控制的復雜函數(shù)關(guān)系，根據(jù)傳熱學理論和輪轂電機結(jié)構(gòu)對相應的導熱系數(shù)和散熱系數(shù)進行分析和等效計算。

2.1油內(nèi)冷輪轂電機

1）槽內(nèi)繞組等效導熱系數(shù)

槽內(nèi)繞組熱量由橫向散到定子鐵心的齒部和軛部，在熱量傳遞的過程中分別有槽絕緣材料、變壓器油、導線絕緣漆等產(chǎn)生的熱阻。定子槽內(nèi)繞組與定子鐵心間的絕緣包括：槽絕緣材料、槽絕緣材料與定子鐵心間的變壓器油和繞組銅線的絕緣漆和繞組銅線間變壓器油。引入絕緣層等效導熱系數(shù)λeff，槽內(nèi)繞組等效模型如圖4所示。由于絕緣物質(zhì)的存在，定子槽內(nèi)繞組外表面的等效導熱系數(shù)［11-12］表示為

式中：d1為槽絕緣材料厚度；d2為槽絕緣材料與定子鐵心間油的厚度；d3為銅線絕緣漆和繞組銅導線間油的等效厚度；λ1、λ2、λ3分別為對應的導熱系數(shù)。

圖4　油內(nèi)冷輪轂電機繞組等效模型Fig.4　Equivalent model of the winding of in-wheel motor with inner-oil cooling

2）定轉(zhuǎn)子油間等效散熱系數(shù)

根據(jù)雷諾實驗所得出的理論，油會在定轉(zhuǎn)子油的分界面產(chǎn)生層流和湍流兩種流動狀態(tài)，定、轉(zhuǎn)子油間發(fā)生對流散熱。由于輪轂電機轉(zhuǎn)速相對較低，并且為了簡化分析模型，假定定、轉(zhuǎn)子油在氣隙徑向中心處分為靜止層和運動層。定轉(zhuǎn)子油間的等效散熱系數(shù)hairgap_oil可通過下式進行簡化計算［13］

式中：η為定子外徑與轉(zhuǎn)子內(nèi)徑之比；k為與氣隙內(nèi)物質(zhì)導熱系數(shù)相關(guān)的修正系數(shù)；r為轉(zhuǎn)子外徑；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；δ為氣隙長度；υoil為油的運動粘度系數(shù)。

3）轉(zhuǎn)子套外表面散熱系數(shù)

當電機旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子套的旋轉(zhuǎn)運動帶動周圍空氣流動。由旋轉(zhuǎn)體表面散熱系數(shù)的計算準則，計算轉(zhuǎn)子套外表面的對流傳熱系數(shù)［13］

式中：hk為旋轉(zhuǎn)柱表面的對流散熱系數(shù)；vair為大氣壓下空氣的運動速度，按照電機旋轉(zhuǎn)速度的75%取值［13］。不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子套外表面的散熱系數(shù)如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)子套外表面對流散熱系數(shù)Fig.5　Convective heat transfer coefficient of outside surface of the rotor core

2.2自然冷卻輪轂電機

1）槽內(nèi)繞組等效導熱系數(shù)

定子槽內(nèi)繞組與定子鐵心間的絕緣包括：槽絕緣材料、槽絕緣材料與定子鐵心間的空氣和繞組銅線的絕緣漆和繞組銅線間空氣，如圖6所示。根據(jù)式（4），自然冷卻輪轂電機槽內(nèi)繞組等效導熱系數(shù)可表示為

式中：d2'為槽絕緣材料與定子鐵心間空氣的厚度；d3'為銅線絕緣漆和繞組銅導線間空氣的等效厚度；λ2'、λ3'分別為對應的導熱系數(shù)。

圖6　自然冷卻輪轂繞組等效模型Fig.6　Equivalent model of the winding in-wheel motor with natural cooling

2）端部繞組散熱系數(shù)

輪轂電機旋轉(zhuǎn)時，端部繞組受機殼旋轉(zhuǎn)的影響，處于強制對流換熱狀態(tài)，繞組端部的散熱系數(shù)hwinding可以通過下式進行計算［14］：

式中：Nu為努賽爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；v為特征速度，L為特征長度，λα為空氣導熱系數(shù)，υair為空氣的運動粘度。

3）氣隙散熱系數(shù)

輪轂電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)同時會帶動氣隙中空氣的流動，又由于輪轂電機的定子表面存在齒和槽，使得定、轉(zhuǎn)子及氣隙間的換熱情況非常復雜，難以準確計算對流散熱系數(shù)。借助文獻［15］中提出的對流鏈理論來計算氣隙的對流散熱系數(shù)，對流鏈理論是用來描述熱量在不同邊界間的對流理論，能夠合理的描述定、轉(zhuǎn)子及氣隙間的換熱情況。根據(jù)輪轂電機定、轉(zhuǎn)子的直徑、氣隙長度和電機轉(zhuǎn)速，計算的氣隙對流散熱系數(shù)如圖7所示。

圖7　氣隙對流散熱系數(shù)Fig.7　Convective heat transfer coefficient of the air g-ap

4）定子鐵心端面散熱系數(shù)

轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)造成輪轂電機內(nèi)的空氣流動，定子鐵心端面的空氣流動速度與轉(zhuǎn)子表面的線速度Vrl有關(guān)，定子鐵心端面的散熱系數(shù)用下式計算［16］

3　溫度場分析及實驗驗證

3.1溫度場3-D有限元分析

根據(jù)上述的計算和所建立的模型，對不同冷卻方式輪轂電機的溫度場進行3-D有限元計算。輪轂電機工作于額定工況條件下，運行120 min后，輪轂各部件的溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)。油內(nèi)冷輪轂電機各部件的溫升曲線如圖8所示。盡管在分數(shù)槽繞組電機中，定子電流產(chǎn)生很強的諧波磁動勢，會在永磁體中產(chǎn)生渦流損耗，導致溫升增加。但是，輪轂電機運行于額定工況，轉(zhuǎn)速較低，繞組銅耗仍為輪轂電機發(fā)熱的主要熱源，通過有限元法計算的繞組損耗為179.8 W，永磁體中的渦流損耗為107.4 W。因此，定子繞組和鐵心的溫升較高，永磁體和轉(zhuǎn)子套的溫升較低。

圖8　輪轂電機各部件溫升曲線Fig.8　Temperature rise curves of different parts of inwheel motor

采用自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻方式輪轂電機各部件的溫升曲線變化趨勢保持一致，但是各部件的穩(wěn)態(tài)溫升值具有較大差別。輪轂電機的穩(wěn)態(tài)溫升對比數(shù)據(jù)如表3所示。采用自然冷卻方式的輪轂電機，由于空氣的導熱系數(shù)很小，繞組銅耗及定子鐵心鐵耗產(chǎn)生的熱量難以傳遞至機殼并散發(fā)出去，繞組溫升為93.4°C，是電機溫升最高的部件。采用油內(nèi)冷冷卻方式的輪轂電機，槽內(nèi)繞組的等效導熱系數(shù)變大，有利于繞組的熱量向定子鐵心傳導，繞組溫升為86.7°C，低于自然冷卻輪轂電機的繞組溫升。輪轂電機內(nèi)部填充的變壓器油有效的將電機內(nèi)熱量傳遞至機殼，導致電機轉(zhuǎn)子套和永磁體的溫升增加。

表3　輪轂電機溫升Table 3　Temperature rising of In-wheel motor℃

運行至120 min時，電機溫升趨于穩(wěn)定，輪轂電機穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖9所示。油內(nèi)冷式輪轂電機，電機內(nèi)部溫度分布較均勻，電機溫度最高點溫度有效降低，圖9也進一步驗證了油內(nèi)冷冷卻方式的冷卻效果。

3.2實驗系統(tǒng)

所研究的樣機如圖10（a）所示，通過注油孔向輪轂電機內(nèi)填充滿冷卻用變壓器油。建立輪轂電機溫升實驗系統(tǒng)，如圖10（b）所示。實驗系統(tǒng)由輪轂電機、測功機、電機控制器、功率分析儀、溫度傳感器和紅外溫度測量儀等設(shè)備構(gòu)成。將PT100溫度傳感器嵌入到電機繞組中實時測量繞組溫度，紅外溫度測量儀用于測量轉(zhuǎn)子套表面溫度。

圖9　輪轂電機溫度場分布Fig.9　Temperature field distribution of in-wheel motor

圖10　輪轂電機樣機及實驗系統(tǒng)Fig.10　In-wheel motor and experimental system

在輪轂電機溫升實驗中，每間隔5min分別測量定子繞組溫度和轉(zhuǎn)子套溫度，并與有限元計算結(jié)果對比，溫升曲線對比結(jié)果如圖11所示。計算數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)存在較小的差異，驗證了文中所建立的輪轂有限元分析模型的正確性。

圖11　有限元計算與實驗測量溫升曲線Fig.11　Temperature rise curves for FEA and measured values

4　結(jié)論

本文考慮電動汽車用輪轂電機的安裝結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，提出了輪轂電機的油內(nèi)冷冷卻方式。基于3-D溫度場有限元法，分別建立了采用自然冷卻和油內(nèi)冷冷卻方式的輪轂電機模型。通過有限元計算和溫升實驗對比，驗證了所建立模型的正確性，為研究輪轂電機復雜運行工況下的溫升情況和溫度場分布奠定了基礎(chǔ)。同時，證實了油內(nèi)冷冷卻方式對降低輪轂電機溫升和均衡輪轂電機內(nèi)溫度場分布的有效性，為進一步提高輪轂電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度提供了理論依據(jù)。

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（編輯：劉素菊）

Analysis of 3-D temperature field of in-wheel motor with inner-oil cooling for electric vehicle

WANG Xiao-yuan， GAO Peng
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A inner-oil cooling method based the structure of outer rotor in-wheel motor and the physical characteristics of transformer oil was presented for in-wheel motor.According to the theory of heat transfer and the finite element method，the thermal conductivity and the coefficient of heat transfer for the components of the prototype were calculated.The 3-D finite element analysis models were established for the inwheel motor with natural cooling and inner-oil cooling.The temperature rise curves and temperature field distribution were calculated for the in-wheel motors with different cooling methods.By comparing the calculation results with measurement results，the correctness of the finite element analysis and the validity of inner-oil cooling method were verified.

in-wheel motor；inner-oil cooling；temperature field；finite element method；natural cooling

10.15938/j.emc.2016.03.006

TM 315

A

1007-449X（2016）03-0036-07

2014-09-02

國家863高技術(shù)基金（2011AA11A259）

王曉遠（1962—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機電磁場的分析與計算、電機電器設(shè)計與控制研究；

高鵬（1985—），男，博士研究生，研究方向為電動汽車用輪轂電機設(shè)計。

高鵬