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(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，但在運(yùn)行時(shí)會(huì)存在溫度過(guò)高的問(wèn)題，如不能及時(shí)散熱會(huì)對(duì)輪轂電機(jī)的運(yùn)行造成極大的影響。因此，對(duì)輪轂電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱，是輪轂電機(jī)研究的一個(gè)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(lèi)號(hào) U4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）14-0050-01

隨著汽車(chē)保有量的增多，環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，要求電動(dòng)車(chē)盡量做到“低碳、節(jié)能”，電動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。輪轂電機(jī)技術(shù)又稱(chēng)為車(chē)輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)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(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。由于輪轂電機(jī)與車(chē)輪一起旋轉(zhuǎn)，并且緊靠制動(dòng)器，會(huì)存在在運(yùn)行時(shí)溫度過(guò)高的問(wèn)題，如不能及時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱將會(huì)對(duì)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(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行散熱，使輪轂電機(jī)處于合適的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，防止運(yùn)行出現(xiàn)故障，保障安全可靠地運(yùn)行。

1 輪轂電機(jī)冷卻方式

在1900年，德國(guó)保時(shí)捷公司研制了兩個(gè)前輪為輪轂電機(jī)的雙座電動(dòng)車(chē)，首次出現(xiàn)輪轂電機(jī)的概念，時(shí)至今日國(guó)內(nèi)外對(duì)輪轂電機(jī)冷卻問(wèn)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]。空氣冷卻包括自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷分為開(kāi)放式風(fēng)冷和封閉式風(fēng)冷，開(kāi)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(duì)定子直接散熱，又可以對(duì)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(guò)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(guò)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(gè)循環(huán)，機(jī)殼上帶有散熱片可以把熱量散出。如申請(qǐng)人SINELSHCHIKOV A V申請(qǐng)的專(zhuān)利SU477017，其發(fā)明了一種可操作的電力驅(qū)動(dòng)輪，汽車(chē)的車(chē)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(guò)冷卻空氣對(duì)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(guò)機(jī)殼將熱量帶走。如TOYOTA MOTOR CO LTD申請(qǐng)的專(zhuān)利申請(qǐng)US2005045393A1中，提出采用油冷卻電機(jī)

定子。

水冷散熱設(shè)計(jì)有兩種形式，一種是采用水套形式，水路設(shè)計(jì)在機(jī)殼中；另一種是采用盤(pán)水管形式，水管設(shè)計(jì)在定子上。如MITSUBISHI MOTOR CORP申請(qǐng)的專(zhuān)利申請(qǐng)JP2005237176A中，提出采用水套形式來(lái)對(duì)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(shí)也會(huì)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(qǐng)的專(zhuān)利，其在電機(jī)內(nèi)部采用油冷卻電機(jī)，同時(shí)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(qǐng)趨勢(shì)分析

通過(guò)在專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索，分析輪轂電機(jī)散熱專(zhuān)利申請(qǐng)量在中國(guó)國(guó)內(nèi)以及全球范圍內(nèi)的趨勢(shì)，專(zhuān)利申請(qǐng)總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(gè)階段。輪轂電機(jī)散熱專(zhuān)利申請(qǐng)開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，到20世紀(jì)90年代申請(qǐng)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(chē)進(jìn)行了大力研發(fā)，輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)再次成為研究的熱點(diǎn)，輪轂電機(jī)的散熱技術(shù)研究也成為熱點(diǎn)。2003年開(kāi)始，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量開(kāi)始快速增長(zhǎng)，到2004年達(dá)到一個(gè)小高峰，在經(jīng)歷一個(gè)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(zhǎng)，直到2011年達(dá)到一個(gè)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(lái)越多的公司開(kāi)始加大對(duì)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(zhuān)利申請(qǐng)量呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。而2011年后專(zhuān)利申請(qǐng)量有所下降，這也說(shuō)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?yàn)殡S著輪轂電機(jī)效能的提高，其電機(jī)內(nèi)部的溫度也會(huì)隨之提高，從而解決電機(jī)內(nèi)部溫度過(guò)高問(wèn)題便會(huì)成為關(guān)注重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)輪轂電機(jī)的發(fā)展較晚，隨著各科研單位對(duì)該技術(shù)的研究不斷加強(qiáng)，散熱冷卻問(wèn)題也越來(lái)越受關(guān)注。對(duì)于在中國(guó)國(guó)內(nèi)的輪轂電機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)，在2005年以前申請(qǐng)數(shù)量極低，隨后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這說(shuō)明我國(guó)最初相比于整個(gè)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(guó)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(zhǎng)期，這說(shuō)明我國(guó)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(guó)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(shì)基本一致，這可能是由于中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)越來(lái)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(shí)國(guó)外企業(yè)重視在中國(guó)市場(chǎng)的專(zhuān)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(qǐng)人分析

根據(jù)全球范圍內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)，對(duì)輪轂電機(jī)散熱技術(shù)重要申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，輪轂電機(jī)散熱技術(shù)方面還是日本的申請(qǐng)量為主，尤其是豐田，其申請(qǐng)量已經(jīng)遠(yuǎn)超后幾名申請(qǐng)人的申請(qǐng)量，其占據(jù)這該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，其對(duì)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(kāi)始進(jìn)行了四輪輪轂電機(jī)純電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題也逐步受到重視。通過(guò)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(gè)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(zhuān)利快速增長(zhǎng)，技術(shù)方案主要涉及內(nèi)外空氣對(duì)流等強(qiáng)制風(fēng)冷方面，同時(shí)也存在“油冷、油和空氣同時(shí)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(guò)程。

3 結(jié)論

本文從輪轂電機(jī)散熱領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)著手，介紹了輪轂電機(jī)散熱方式種類(lèi)，同時(shí)重點(diǎn)對(duì)該領(lǐng)域的重點(diǎn)申請(qǐng)人的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行說(shuō)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(shì)，對(duì)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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