整車運行環境下油冷對外轉子輪轂電機溫度特性的影響*

趙蘭萍，江從喜，徐 鑫，楊志剛，3

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804； 2.同濟大學，上海市地面交通工具空氣動力與熱環境模擬重點實驗室，上海 201804；3.北京民用飛機技術研究中心，北京 102211）

前言

輪轂電機驅動技術把電機固定在車輪內，電機將動力直接傳遞到車輪上［1］，具有驅動傳動鏈短、傳動效率高和結構緊湊等突出優點［2］。由于輪轂電機安裝在車輪內，其運行空間狹小，工況復雜、功率密度大且沒有散熱風扇，散熱條件較為惡劣，尤其是在高速、爬坡和過載等惡劣工況下，容易導致電機溫度過高［3］。對于外轉子輪轂電機，定子鐵芯和繞組中損耗所產生的熱量難以通過定、轉子之間的氣隙和電機內腔內的空氣傳遞到電機外殼并散發到外界空氣中去，從而導致輪轂電機內部各部件的溫度升高［4］，影響輪轂電機的性能、運行可靠性、安全性和使用壽命［5］。因此，有必要對外轉子輪轂電機采取有針對性的冷卻措施，保證其良好的負載性能，從而使電動汽車能穩定安全地運行［6］。

目前，國內外針對外轉子、內定子結構形式的電動汽車用輪轂電機冷卻技術的研究不多，相關外轉子輪轂電機冷卻研究多基于單電機平臺，即假設電機各表面來流均勻，沒有結合電動汽車整車環境進行研究。由于電機安裝在車輪內，在電動汽車外流和前端進氣內流共同作用下，電機附近的流動較為復雜，基于單電機平臺的電機溫度場研究方法無法有效再現電機周圍復雜的熱、流場結構。另外，重復制動工況下高溫制動盤的熱輻射對電機溫度場的影響等信息也無法基于單電機平臺獲得。電機常用的散熱冷卻方式包括強制風冷［7-10］、水冷［11-13］和油冷［4，14］等。對于電動汽車用外轉子輪轂電機，強制風冷雖然能增強電機外殼對流換熱的能力，但由于氣隙和電機內腔內空氣的存在，電機主要發熱源如定子鐵芯和繞組等無法得到有效冷卻。水冷方式需要在繞組中嵌入冷卻水管或在電機定子機殼中設計冷卻水道，這無疑會提高電機的結構要求并增加電機設計的難度［4］。相對于這兩種冷卻方式，油冷方式不需要結構上的特殊設計，且具有較好的冷卻效果，更適合外轉子輪轂電機。目前，國內外對電動汽車用外轉子輪轂電機在整車環境下使用油冷冷卻的研究文獻較少。

本文中基于電動汽車用外轉子輪轂電機特殊的結構形式，首先建立整車環境下外轉子輪轂電機熱流耦合的CFD仿真模型，并進行熱環境風洞實驗，對整車環境下以額定轉速工況運行的輪轂電機進行自然風冷的溫升計算結果進行驗證。對比自然風冷散熱和油冷散熱情況下的電機溫度場，分析油冷方式對整車環境下輪轂電機內溫度場的影響。在此基礎上，分析不同冷卻油對電機溫度場的影響。為整車環境下電動汽車用外轉子輪轂電機溫度場的研究及其冷卻性能的改善提供參考。

1 CFD數值計算

1.1 電動汽車整車及輪轂電機計算模型

對某款輪轂電機電動汽車進行1∶1全尺寸幾何建模，如圖1所示，坐標系定義如下：原點設在左右前輪中心連線的中點，x軸沿水平面指向汽車前進反方向，y軸指向汽車右側，z軸垂直向上。

為更好地模擬電動汽車在行駛過程中的流場、輪轂電機周圍流場和內部溫度場，忽略雨刮器、狹縫和螺栓等外部干擾物，省去對管路、電子線束等對流場影響較小的部件，基本保留了電動汽車的所有零部件。

本文中所研究的電動汽車用外轉子輪轂電機額定功率為5 kW，額定轉速為842 r／min，完整的參數如表1所示。

表1 外轉子輪轂電機參數

圖2所示為油冷散熱方式的基本原理。在輪轂電機內填充一定的冷卻油，利用其較好的傳熱性能，將電機內產生的熱量有效傳遞至電機殼體，最后通過周邊流場帶走。采用具有較好導熱和絕緣性能，且黏度適中的變壓器油作為介質，其物性參數如表2所示。

圖2 輪轂電機油冷冷卻示意圖

表2 變壓器油熱物理性質

1.2 網格劃分

考慮到整車模型的復雜性，進行網格劃分時，采用三角形網格進行面網格的劃分，體網格為四面體網格。車頭前中部的進氣格柵面網格尺寸為1 mm，車身表面面網格尺寸為20 mm，前艙部件（包括前端模塊）、輪轂電機外殼和內部各部件的面網格尺寸均為2 mm，其余部件面網格控制在5 mm左右。對于車輪和地面相接觸的部分，參考傅立敏等人［15］的做法，在車輪與地面之間的區域上形成一個凸臺，保證該區域網格質量。

為了準確地預測車身外表面空氣的流動情況，近壁面區域的網格的y＋值控制在30到300范圍之內［16-17］。取車身表面第 1層邊界層網格厚度為0.94 mm，以1.1倍增長率拉伸5層三棱柱邊界層網格［18］，如圖3所示。在Hypermesh里完成面網格劃分后，導入Fluent 16.1的Mesh板塊中生成體網格，最終整車體網格總數為3 200萬。整個計算域如圖4所示，取11倍車長，7倍車寬，5倍車高，電動汽車的長、寬和高分別為4.23，1.70和1.25 m。其中，車頭離計算域進口距離為3倍車長，車尾離計算域出口距離為7倍車長，計算域具體的長、寬和高尺寸分別為46.53，11.9和6.225 m。

圖3 車身邊界層網格

1.3 參數設置

圖4 計算域

輪轂電機熱源損耗所產生的熱量是影響輪轂電機發熱的最主要因素，制動盤熱輻射對輪轂電機溫度場的影響可忽略不計［6］。雖然車身外殼、座椅、懸掛系統、轉向系統和車架等與輪轂電機溫度場的關系較小，但與流場有直接關系，所以將其設置為固定壁面。

從同濟大學973項目合作平臺獲得輪轂電機在額定轉速工況下各部件發熱量如下：繞組銅損耗為211 W，鐵芯損耗為78 W，轉子永磁體渦流損耗為100 W，電機整體運行效率為91.3%，機械損耗為50 W，作為各發熱部件內體熱源設置的依據［25］。輪轂電機散熱的3種途徑包括熱傳導、熱對流和熱輻射，其中前兩者起主要作用［19-20］，而熱輻射的影響可忽略。

采用有限體積法進行計算求解，選用高雷諾數的兩方程Realizable k-ε湍流模型，采用非平衡壁面函數，離散方程組壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。前端模塊設置為多孔介質［2］，風扇區域設置為多參考坐標系模型（MRF）區域［21］，車輪、制動盤和輪轂電機均設置為旋轉壁面［2，18］，地面設置為移動壁面［2］，通過 Moving Wall的功能實現［21-23］，計算域內的其它固體壁面均設為光滑、無滑移、不可穿透的壁面。計算域速度入口邊界條件為26.5 m／s，出口為壓力出口邊界條件，環境溫度為293 K。計算時，先使用1階迎風格式，當收斂到一定程度后改用為2階迎風格式，可保證數值計算的穩定性和殘差精度，其中能量殘差設置為10-7，其余量的計算殘差設置為10-5，計算軟件為Fluent 16.1，在刀片計算機平臺上進行計算。

2 結果與分析

2.1 CFD數值計算與實驗結果對比

為驗證數值計算的可靠性，在整車熱環境風洞中對該款電動汽車進行了對應工況的電機溫升實驗，圖5所示為實驗現場。實驗過程中將熱環境風洞實驗段的溫度保持在293 K左右，各個實驗參數與CFD數值仿真計算過程中的設置保持一致。

圖5 電動汽車整車熱環境風洞實驗

圖6 為電機繞組溫升的實驗結果與對應CFD仿真結果的對比。從中可以看出，兩組溫升曲線吻合良好。實驗所得到的溫升曲線在CFD計算結果之上，這主要是由于CFD仿真無法考慮外界不確定性因素干擾對輪轂電機溫升的影響，而傳感器的測量誤差也無法避免。可以看出，CFD仿真結果與實驗測量結果間最大偏差為4 K，在本文對輪轂電機溫度場性能所考慮的誤差范圍之內。下面的分析都是基于數值仿真的結果。

圖6 整車環境下輪轂電機繞組溫升過程

2.2 整車與單電機環境輪轂電機溫度特性對比

2.2.1 輪轂電機周邊流場

輪轂電機附近流場直接與其散熱能力相關，分析該區域的流場有助于進一步理解整車環境下輪轂電機的溫升特性。

圖7為前艙Z＝0輪轂電機附近水平截面速度分布云圖。可以看出，在制動盤、輪轂電機和車輪轉動的過程中，在輪轂電機后部前艙內的外殼和車輪內側形成了一個漩渦，整體上電機后部外殼和輪胎內側之間的氣流流速比電機前部外殼和輪胎內側之間的氣流流速大，且在輪轂電機后部前艙外側的外殼與車輪內側之間的氣流流速最大。

圖8為前艙Z＝50 mm輪轂電機附近水平截面速度分布云圖。可以看出，Z＝50 mm水平截面上的氣流流動狀態與Z＝0水平截面上的氣流流動狀態有較大的差別，在制動盤后部與電機前端外殼后部的內側區域之間形成了一個漩渦，漩渦的形成不利于電機外殼的散熱，在電機外殼的其它區域上空氣流運動都較平穩，散熱較好。

圖7 前艙Z＝0輪轂電機附近水平截面速度分布

圖8 前艙Z＝50 mm輪轂電機附近水平截面速度分布

圖9 為前艙Z＝-50 mm輪轂電機附近水平截面速度分布云圖。可以看出，從前艙內流來的氣流分流成3部分，一部分由于受到減振器下兩叉桿結構的影響，在其后部形成了一個大的漩渦，另一部分氣流受到制動系統的阻礙，從其內側附近流到輪罩后方，還有一部分氣流從制動盤與電機前端外殼之間的區域流動，在制動盤區域形成了一個漩渦，氣流流速較慢，漩渦的形成不利于制動盤熱量的散出，在制動盤與電機前端外殼之間氣隙的氣流流動較順利，沒有產生渦結構，氣流流速也較快，利于散熱；另外在電機后端外殼的前部區域由于車身外氣流的影響也形成了一個小的漩渦，相對于車身外側氣流流動的速度，其流速較低；在前部輪胎與輪罩之間的空間形成了一個大的漩渦，由于離電機距離較遠，所以對電機的溫升和散熱影響程度較小。

2.2.2 整車環境輪轂電機溫度特性

圖10所示為整車環境下電機內部yoz截面溫度圖。可以看出，由于輪轂電機外殼附近結構對流場的影響，整車條件下電機與外界空氣之間對流換熱能力不如單電機，在整車環境工況下輪轂電機內部溫度整體高于單電機工況。

圖10 電機內部yoz中截面溫度

電機內部發熱部件發出的熱量經內部結構傳遞，最后由外殼傳遞給周圍空氣，溫度分布如圖11所示。可以看出，整車環境下輪轂電機外殼溫度整體比單電機情況高了近10 K，側面和軸附近表面的溫度相差更顯著。說明整車環境下輪轂電機周邊結構件對流場的影響導致電機的散熱變差。

以上分析表明，整車環境下，由于結構件對流場的作用，輪轂電機的散熱情況與單電機研究環境有較大區別，單電機研究方法所得到的結論如直接應用到整車條件下，可能導致電機實際溫度過高的情況出現，這也從側面佐證了基于整車環境研究輪轂電機溫度場的必要性。因此，下面關于油冷冷卻的所有計算分析，均基于整車環境。

2.3 油冷卻對輪轂電機散熱性能的影響

2.3.1 對輪轂電機內部溫度場的影響

圖11 電機外殼溫度分布

圖12 為輪轂電機xoy截面溫度場的對比圖。從中可以看出，無冷卻油時輪轂電機內部的最高溫度為372 K，最高溫度部件為繞組，且繞組和定子鐵芯的最高溫度較為接近。采用油冷方式后，電機內部最高溫度下降至357 K，下降幅度達15 K，最高溫度部件仍為繞組，繞組溫度與轉子、永磁體和外殼之間的溫度差變小，同時內部高溫區域明顯減小。

圖12 電機內部xoy中截面溫度場對比

油冷方式可很好地減小輪轂電機內部的高溫區域，主要是由于冷卻油的導熱系數為 0.128 W／（m·K），是空氣導熱系數的5.29倍，能很好地將定子鐵芯和繞組產生的熱量傳遞至轉子和外殼；另外，從圖13和圖14可以看出，采用油冷方式后，由于冷卻油隨著電機轉子和外殼的旋轉而流動，使電機定子與永磁體和轉子部分表面的對流換熱系數加大，增加了定、轉子之間氣隙的對流換熱。

圖14 永磁體與轉子部分對流換熱系數

2.3.2 對電機內腔熱傳遞介質溫度場的影響

輪轂電機內腔內的流體介質起著將電機內部發熱源生成的熱量最終傳遞至外殼的作用。當輪轂電機為自然風冷時，電機內部空氣的導熱系數較低，熱傳遞能力較弱，從圖15中可以看出：電機內腔內空氣最高溫度接近371 K，離發熱源越近的地方溫度越高；采用油冷方式后，由于電機內腔內的冷卻油導熱系數較大，熱傳遞能力好，電機內腔內的溫度分布較均勻，最高溫度為357 K，同時電機各部件之間的溫度差減小。

圖15 電機內腔內流體yoz中截面溫度場

2.3.3 對轉子鐵芯和永磁體溫度場的影響

從圖16和圖17中可以看出，當輪轂電機達到熱平衡時，采用油冷方式時，轉子鐵芯和永磁體的最高溫度分別為345和347 K，而在自然風冷狀態時，轉子鐵芯和永磁體的最高溫度為326和328 K，油冷時的最高溫度反而比風冷高近20 K。

圖16 電機轉子鐵芯溫度場

圖17 電機永磁體溫度場

由于冷卻油具有較好的傳熱性能，電機內腔內和定、轉子之間氣隙的冷卻油將從定子鐵芯和繞組上傳遞來的熱量傳遞至與冷卻油相接觸的轉子鐵芯、永磁體和外殼，使轉子鐵芯、永磁體和外殼溫度在油冷狀態下相對于自然風冷時溫度要高。雖然這些部件的溫度有所上升，但電機內高、低溫區域間溫差減小，冷卻油的均溫作用和熱量導出能力有利于電機整體性能的提高。

2.3.4 對輪轂電機外殼溫度場的影響

從圖18中可以看出，在油冷狀態時，外殼接收了更多的從定子鐵芯和繞組上傳遞來的熱量，使電機外殼在油冷狀態下的溫度有所升高。輪轂電機前端外殼、中間外殼和后端外殼最高溫度在油冷狀態下為343，344和347 K，自然風冷狀態下的對應值分別為328，322和341 K。油冷時的最高溫度反而比風冷時高6～22 K，但從圖19中可以看出，在油冷冷卻和自然風冷冷卻時，電機外殼與外界空氣之間的對流換熱系數變化不大。油冷方式一方面在電機內部起到了溫度均衡的作用，另一方面實際上增加了電機表面與周圍空氣的傳熱溫差，從而提高了電機的散熱能力。

圖18 電機外殼溫度場

2.4 不同冷卻油對輪轂電機溫度場的影響

圖19 電機外殼對流換熱系數

2.4.1 冷卻油物性

冷卻油的熱物性與其在電機內的流動狀態和熱量傳遞能力密切相關，進而影響冷卻油與電機外殼之間的換熱能力［11］，最終會影響電機的整體散熱性能。參考蔣國柱等人［24］對不同變壓器冷卻油熱物理性能的研究結果，本文中將另外使用3種冷卻油介質，分別為大分子烴類變壓器油α油、大分子烴類變壓器油β油和合成酯變壓器油，分別定義為A，B和C冷卻油，其熱物性參數如表3所示，同時將上節已使用的變壓器油定義為D冷卻油。

表3 不同冷卻油種類熱物理性能

2.4.2 不同冷卻油對輪轂電機溫度場的影響

圖20為采用A，B和C 3種冷卻油后輪轂電機內部的溫度與無冷卻油情況的對比。從中可以看出，A，B和C 3種冷卻油對輪轂電機都具有較好的降低最高溫度和整體均溫的效果，電機的定子鐵芯和繞組的最高溫度均有所降低。另外，C冷卻油使繞組和定子鐵芯的溫度降得最低，且電機內部均溫效果更顯著，其次是B冷卻油，最后是A冷卻油，究其原因是由于C冷卻油的導熱系數在3種冷卻油中最大。

圖21為A，B和C 3種冷卻油對輪轂電機內各部件溫度的影響。結合前面對D冷卻油的仿真結果，可以看出A，B和C 3種冷卻油使繞組的最高溫度最終降到了359，356和353 K，相對于無油冷的自然冷卻狀態，繞組的最高溫度分別降低了13，16和19 K，而D冷卻油使繞組的最高溫度降低了15 K。同時也可以看出，在永磁體、轉子鐵芯、中間外殼、前端外殼和后端外殼上，A，B，C和D冷卻油均會使電機在這些部件上的最高溫度有所上升，但C冷卻油在這些部件上溫度上升的最少，其后是B，D和A冷卻油。

圖20 不同冷卻油對輪轂電機內部溫度場的影響

圖21 不同冷卻油對輪轂電機各部件溫度的影響

2.4.3 冷卻油最優選擇

4種冷卻油均使繞組、定子鐵芯和電機軸的最高溫度有所降低，但也使永磁體、轉子鐵芯、中間外殼、前端外殼和后端外殼上的最高溫度升高。4種冷卻油介質對電機內部各部件溫度場的影響程度不同：對于溫升最高的繞組以及定子鐵芯和電機軸來說，C冷卻油使其最高溫度降低最多，其后是B，D和A冷卻油；對于永磁體、轉子鐵芯、中間外殼、前端外殼和后端外殼，C冷卻油使其最高溫度上升的最少，其后是B，D和A冷卻油。但4種冷卻油對電機各部位散熱冷卻效果的優劣排序，都是C，B，D和A，且結合表2和表3可見，主要取決于冷卻油的導熱系數。

3 結論

本文中針對電動汽車用外轉子輪轂電機特殊的結構形式在整車環境下進行輪轂電機溫度場特性研究，并對自然風冷和油冷條件下的輪轂電機溫度場進行對比和分析，在此基礎上，分析了4種不同冷卻油介質對輪轂電機散熱冷卻性能的影響，得到如下結論。

（1）整車環境下，輪轂電機的溫度特性與單電機研究環境有較大差別。由于結構對流場的干擾，整車條件下輪轂電機的散熱情況較差。

（2）整車環境下，輪轂電機采用油冷方式后，繞組的溫度依然最高，且和定子鐵芯的溫度較為接近，相對于無油冷的自然風冷冷卻，繞組最高溫度顯著下降。

（3）轉子鐵芯、永磁體和電機外殼的溫度在油冷狀態下相對于無油冷的自然風冷冷卻時的溫度要高，但電機整體上的溫度分布比較均勻，高溫區域和低溫區域之間的溫度差減小。油冷方式對輪轂電機起到了良好的內部均溫作用。

（4）冷卻油物性對輪轂電機內部各部件的溫度有影響。導熱系數越大，冷卻油的溫度均衡能力越強，電機整體散熱效果越好。與導熱系數為0.11 W／（m·K）的A冷卻油相比，導熱系數為其1.31倍的C冷卻油可使繞組的最高溫度多下降6 K。