基于水冷冷卻方式的輪轂電機(jī)溫升對(duì)比分析

周志剛，楊文豪，李爭(zhēng)爭(zhēng)，李豪迪

（1.河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.寧波圣龍（集團(tuán)）有限公司，浙江 寧波 315100；3.同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海 201804）

輪轂電機(jī)技術(shù)將電機(jī)安裝于車(chē)輪內(nèi)，精簡(jiǎn)傳統(tǒng)汽車(chē)大部分機(jī)械傳動(dòng)部件，具有動(dòng)力系統(tǒng)布置靈活、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)［1－4］。輪轂電機(jī)技術(shù)因?yàn)閷?dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置整合到車(chē)輪內(nèi)，造成輪轂電機(jī)所處空間狹小，空氣流通不暢，散熱困難。同時(shí)，由于運(yùn)行工況復(fù)雜和損耗較高等原因，導(dǎo)致輪轂電機(jī)溫度過(guò)高［5－8］。對(duì)于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，定、轉(zhuǎn)子鐵芯和繞組等部件在電機(jī)中所處位置不同，兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)最高溫度和溫升情況不同，影響輪轂電機(jī)工作安全性、高效性和使用壽命等。因此，有必要對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)采取針對(duì)性的水冷冷卻方式，保障電機(jī)的工作性能，使輪轂電機(jī)在良好的工作環(huán)境中安全運(yùn)行［9－10］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的輪轂電機(jī)冷卻技術(shù)研究相對(duì)較少，相關(guān)研究大多單獨(dú)基于不同參數(shù)的外轉(zhuǎn)子或內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)水冷冷卻方式進(jìn)行，很少將內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)在參數(shù)相同情況下的溫升趨勢(shì)和水冷方式溫度的分布情況對(duì)比研究。由于2種不同結(jié)構(gòu)的永磁同步輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和永磁體等部件所在位置不同，使電機(jī)在采用水冷冷卻方式時(shí)內(nèi)部傳熱方式發(fā)生改變，導(dǎo)致電機(jī)各部件溫度的冷卻效果不同。電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)的冷卻方式主要有風(fēng)冷［11－13］、水冷［14－16］和油冷［17－20］等。其中，風(fēng)冷冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，但由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)較低造成對(duì)電機(jī)冷卻效果較差，很難滿足電動(dòng)汽車(chē)在各種復(fù)雜工況的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需求。油內(nèi)冷冷卻方式對(duì)電機(jī)密封程度要求較高，又由于冷卻油在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力，在一定程度上會(huì)提高電機(jī)制造成本和影響電機(jī)工作效率。水冷冷卻方式是在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)開(kāi)通水道，使冷卻水在機(jī)殼水道流動(dòng)，利用冷卻水的良好導(dǎo)熱能力對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱。此外，液態(tài)水由于在水道內(nèi)流動(dòng)，不會(huì)對(duì)電機(jī)內(nèi)各部件造成腐蝕，保障了電機(jī)的使用壽命，因此基于水冷冷卻方式對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行研究。目前，對(duì)基于水冷冷卻方式的電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)適用性研究文獻(xiàn)較少。

基于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，首先對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，并對(duì)額定工況情況下運(yùn)行的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。同時(shí)，通過(guò)有限元數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證有限元模型的有效性。對(duì)比水冷方式下的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度分布情況，分析水冷方式對(duì)不同結(jié)構(gòu)電機(jī)溫度場(chǎng)影響。考慮不同濃度的冷卻水對(duì)電機(jī)各部件溫度的影響，為采用水冷方式的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度場(chǎng)研究提供參考。

1 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)模型

樣機(jī)分別是電動(dòng)汽車(chē)用內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)和外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。為了更好地對(duì)比內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)經(jīng)水冷冷卻方式冷卻后的溫度和溫升情況，在模型建立時(shí)，保證內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子外徑與外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑相等。同時(shí)，保證電機(jī)的槽數(shù)、極對(duì)數(shù)和永磁體厚度等部件參數(shù)相同，其三維模型如圖1所示。

圖1 輪轂電機(jī)三維模型示意圖

電動(dòng)汽車(chē)用內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)額定功率為8 kW，額定轉(zhuǎn)速為600 r／min，負(fù)載運(yùn)行，電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 輪轂電機(jī)基本參數(shù)

水冷冷卻方式是在輪轂電機(jī)的機(jī)殼中設(shè)計(jì)水道，通過(guò)機(jī)殼與電機(jī)部件接觸使電機(jī)內(nèi)部的熱量傳遞至電機(jī)機(jī)殼，并利用液態(tài)水良好的導(dǎo)熱能力，將傳導(dǎo)至機(jī)殼的熱量通過(guò)水道中液態(tài)水帶走，以達(dá)到良好的散熱效果。

內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)定子外徑與外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑相同，使2種電機(jī)可以采用相同水道，以便內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)在水冷冷卻后進(jìn)行溫度分析對(duì)比。由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)中定子、轉(zhuǎn)子等部件與水道接觸面不同，造成2種不同結(jié)構(gòu)的輪轂電機(jī)冷卻效果不同，因此有必要對(duì)兩種電機(jī)的水冷冷卻方式進(jìn)行研究。輪轂電機(jī)所采用的冷卻水道結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由于物體傳熱方式與電機(jī)中的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，因此研究的內(nèi)、外傳子電機(jī)相同部件的材料參數(shù)相同，輪轂電機(jī)各部件材料導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

圖2 輪轂電機(jī)冷卻水道結(jié)構(gòu)示意圖

表2 輪轂電機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)

2 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)內(nèi)部熱源分析

2.1 輪轂電機(jī)損耗分析

在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)中，雖然定子、轉(zhuǎn)子和繞組等部件所在位置不同，但在電機(jī)內(nèi)部熱源產(chǎn)生原理相同。其中，電機(jī)損耗主要包括鐵心損耗、繞組銅耗、永磁體渦流損耗以及機(jī)械損耗等。因機(jī)械損耗計(jì)算較為復(fù)雜，且在各種損耗中所占比例較小，因此對(duì)機(jī)械損耗不做重點(diǎn)研究［21］。

繞組損耗主要為輪轂電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)汽車(chē)中電池的電流過(guò)繞組中產(chǎn)生的損耗。通過(guò)焦耳－楞次定律，輪轂電機(jī)繞組損耗為［6］：

式中：I為輪轂電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的相電流；R為輪轂電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電阻。

定轉(zhuǎn)子電機(jī)鐵芯損耗是由于輪轂電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中磁場(chǎng)發(fā)生變化而產(chǎn)生。鐵芯損耗為：

式中：kh為磁滯常數(shù)；ke為渦流常數(shù)；β為與疊片材料相關(guān)的斯坦梅茨系數(shù)；ωs為同步角速度；B為磁通密度。

由磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)磁場(chǎng)外部產(chǎn)生變化時(shí)，輪轂電機(jī)的永磁體將有渦流狀的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生。渦流損耗為：

式中：La為永磁體軸向長(zhǎng)度；Lb為永磁體徑向?qū)挾龋籚為永磁體體積；kme為電動(dòng)勢(shì)比例常數(shù)；fme為磁場(chǎng)交變頻率；Bme永磁體最大磁通密度；ρ1為永磁體電阻率。

2.2 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)磁場(chǎng)分析

基于Ansoft Maxwell軟件對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析。考慮到有限元分析效果與物理模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量關(guān)系密切，為達(dá)到更好的仿真效果，2種輪轂電機(jī)模型均不采用默認(rèn)的劃分網(wǎng)格方式，而采用手動(dòng)網(wǎng)格劃分，但對(duì)2種電機(jī)相同部件劃分方式相同。因?yàn)殡姍C(jī)繞組和定子鐵芯損耗的復(fù)雜性，需對(duì)繞組和定子部件進(jìn)行詳細(xì)網(wǎng)格劃分。電機(jī)網(wǎng)格劃分主要采用邊界劃分和表層劃分方式，繞組和定子鐵芯邊界劃分的最大數(shù)值為0.4 mm，最小為0.2 mm。表層劃分?jǐn)?shù)值設(shè)置為0.1 mm，轉(zhuǎn)子和永磁體邊界劃分的最大數(shù)值為4 mm，最小為2 mm，表層劃分?jǐn)?shù)值設(shè)置為2 mm。得到內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量為106 464，外轉(zhuǎn)子電機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量為103 476，2種電機(jī)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量相近。圖3顯示了內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的網(wǎng)格分布情況。

圖3 輪轂電機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖

對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，得到各種損耗結(jié)果。2種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁場(chǎng)分析結(jié)果大致相同，電機(jī)大部分損耗都集中于繞組和鐵芯部件，永磁體和轉(zhuǎn)子部件損耗密度相對(duì)較小。由圖4可知：2種結(jié)構(gòu)電機(jī)繞組為損耗密度最高的部件，且定子齒部損耗密度分布大于定子軛部，永磁體損耗密度分布為中心較周?chē)停D(zhuǎn)子損耗密度分布較均勻。2種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于部件材料不同與所處位置不同而影響電機(jī)損耗密度分布。

圖4 輪轂電機(jī)磁場(chǎng)分布云圖

3 溫度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)分析

3.1 傳熱方式分析

輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的熱量主要來(lái)源于電機(jī)的各種損耗。輪轂電機(jī)熱量分布復(fù)雜，傳熱方式和材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度影響較大。其中，傳熱方式主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射，由于熱輻射在熱量傳遞過(guò)程中所占比重較小，故不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究［22］。

考慮到內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)不同，造成電機(jī)中傳熱方式不同，因此需對(duì)電機(jī)進(jìn)行傳熱方式分析。采用水冷方式的水道在機(jī)殼內(nèi)部，需要著重考慮電機(jī)部件與電機(jī)機(jī)殼熱傳導(dǎo)方式。對(duì)于外轉(zhuǎn)子電機(jī)，轉(zhuǎn)子鐵芯與電機(jī)機(jī)殼直接接觸，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子鐵芯與電機(jī)內(nèi)部水道的熱傳導(dǎo)；對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，定子鐵芯與電機(jī)機(jī)殼直接接觸，發(fā)生定子鐵芯與電機(jī)水道熱傳導(dǎo)，電機(jī)其他部件也存在的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流如圖5所示。

圖5 輪轂電機(jī)傳熱路徑示意圖

3.2 輪轂電機(jī)溫度場(chǎng)系數(shù)分析

輪轂電機(jī)的溫度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)影響電機(jī)各部件溫度場(chǎng)分布情況，因此有必要對(duì)電機(jī)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

繞組導(dǎo)熱系數(shù)為：

式中：Nuc為輪轂電機(jī)定子繞組的努賽爾數(shù)；det為電機(jī)繞組直徑；λair為電機(jī)內(nèi)部空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

定子散熱系數(shù)為：

式中：vr1為轉(zhuǎn)子表面線速度。

轉(zhuǎn)子散熱系數(shù)為：

式中：Nur為轉(zhuǎn)子端面努賽爾數(shù)；λair為電機(jī)內(nèi)部空氣導(dǎo)熱系數(shù)；RR為轉(zhuǎn)子鐵芯外徑。

機(jī)殼散熱系數(shù)為［18］：

式中：vair為輪轂電機(jī)機(jī)殼外表面空氣的運(yùn)動(dòng)速度。

4 溫度場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度場(chǎng)分析

對(duì)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)進(jìn)行有限元分析。設(shè)定工作環(huán)境溫度為20℃，采用自然冷卻，電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)在額定工況下運(yùn)行，進(jìn)行三維磁熱耦合分析，得到仿真結(jié)果如圖6～9所示。圖6為在額定工況下2種電機(jī)各部件溫度隨時(shí)間的變化情況。電機(jī)整體和定轉(zhuǎn)子各部件的溫度分布如圖7～9所示。

圖6 輪轂電機(jī)各部件溫升曲線

圖7 輪轂電機(jī)溫度分布

通過(guò)分析可知：內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)各部件的溫升變化趨勢(shì)大致相同，3 000 s前電機(jī)各部件溫度快速增長(zhǎng)，4 500 s后電機(jī)各部件溫度增長(zhǎng)逐漸趨于平穩(wěn)，在6 000 s時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)繞組溫度為123.5℃，外轉(zhuǎn)子電機(jī)繞組溫度為119.1℃。由圖6可知：繞組和定子部件在電機(jī)中溫度最高，這是因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)行過(guò)程繞組的大量損耗轉(zhuǎn)化為熱源，且散熱困難，造成繞組和定子溫度高。定子齒部和定子軛部溫差較大，這是因?yàn)槎ㄗ育X部受到電機(jī)最高溫度部件繞組的影響，且定子齒部比軛部損耗密度分布高，部件面積較大使軛部與電機(jī)其他部件接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)造成溫度較低。永磁體和轉(zhuǎn)子為電機(jī)最低溫度部件，這是因?yàn)橛来朋w和轉(zhuǎn)子損耗密度分布低，受氣隙旋轉(zhuǎn)影響。

圖8 外轉(zhuǎn)子電機(jī)各部件溫度分布曲線

圖9 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)各部件溫度分布曲線

在整個(gè)溫升過(guò)程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)在運(yùn)行4 000 s之前繞組部件溫升增速大于外轉(zhuǎn)子電機(jī)繞組與定子部件，且2種電機(jī)繞組與定子之間溫度相差也出現(xiàn)較大不同。一方面是因?yàn)樗治龅?種電機(jī)各部件所處位置不同造成部件之間換熱方式發(fā)生變化，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)靠近電機(jī)機(jī)殼在一定程度上對(duì)電機(jī)定子產(chǎn)生冷卻效果，使定子與繞組溫度產(chǎn)生較大差異，而外轉(zhuǎn)子電機(jī)靠近電機(jī)軸部對(duì)電機(jī)冷卻效果不明顯，使定子與繞組溫度相差較小；另一方面是因?yàn)閮?nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)損耗密度大于外轉(zhuǎn)子電機(jī)損耗密度。但是永磁體與轉(zhuǎn)子之間溫度增速和溫差較小，因?yàn)椴考p耗密度相差小，同時(shí)受到轉(zhuǎn)子與永磁體軸向長(zhǎng)度影響較小。

對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)在水冷方式下進(jìn)行性能比較分析。為保證電機(jī)經(jīng)過(guò)水冷方式后計(jì)算結(jié)果的有效性，選取2種電機(jī)部件溫度相差較小的時(shí)刻。由于電機(jī)在5 000 s后的各部件溫度增長(zhǎng)相對(duì)平緩，因此采用6 000 s情況下溫度分布情況。此時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)繞組溫差為4℃，定子溫差為0.8℃，永磁體溫差為2.2℃，轉(zhuǎn)子溫差為2.3℃，如圖7、8所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證輪轂電機(jī)有限元仿真模型的正確性和有效性，對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 輪轂電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括輪轂電機(jī)、測(cè)功機(jī)、電源、驅(qū)動(dòng)控制器、負(fù)載電機(jī)、輪轂電機(jī)性能測(cè)控平臺(tái)、溫度傳感器和紅外線測(cè)溫儀等。在電機(jī)繞組中安裝溫度傳感器用于檢測(cè)電機(jī)溫度，紅外線測(cè)溫儀測(cè)量轉(zhuǎn)子表面溫度。在輪轂電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)溫度傳感器和紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)試并傳輸?shù)綔y(cè)試平臺(tái)讀取數(shù)值得到測(cè)點(diǎn)溫度，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖11、12分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度曲線。

圖11 外轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)溫度與計(jì)算溫度曲線

圖12 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)溫度與計(jì)算溫度曲線

圖11、12為2種電機(jī)部件計(jì)算與實(shí)驗(yàn)溫度曲線，可以看出：實(shí)驗(yàn)計(jì)算與有限元計(jì)算中繞組為最高溫度部件，這是由于自然冷卻中氣體導(dǎo)熱系數(shù)較低，造成繞組溫度過(guò)高。其中，轉(zhuǎn)子溫度低，一方面是因?yàn)檗D(zhuǎn)子損耗較低，另一方面是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中起到一定降溫效果。實(shí)驗(yàn)計(jì)算與有限元計(jì)算所得結(jié)果變化趨勢(shì)相近，電機(jī)各部件溫度在3 000 s前上升較快，在3 000 s后上升趨勢(shì)逐漸變緩，4 500 s后逐漸趨于平緩。實(shí)驗(yàn)計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證了所建立的輪轂電機(jī)有限元分析模型的有效性及實(shí)用性，但存在一定誤差，外轉(zhuǎn)子電機(jī)繞組溫度最大誤差為5.4%，轉(zhuǎn)子溫度最大誤差為7.4%。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)繞組溫度最大誤差為5.2%，轉(zhuǎn)子溫度最大誤差為6.7%。繞組與轉(zhuǎn)子的實(shí)測(cè)值高于計(jì)算值，造成誤差的原因是仿真分析中對(duì)電機(jī)三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中電機(jī)與周邊環(huán)境和其他部件的傳熱方式有一定差異，使計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果存在誤差。同時(shí)，隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)械損耗占比逐漸增大。另外，溫度傳感器測(cè)量值的精確性和實(shí)驗(yàn)環(huán)境所限等因素也是誤差產(chǎn)生的重要因素。誤差的主要來(lái)源是因?yàn)樵诜抡嬗?jì)算中電機(jī)各部件的熱量分布較為均勻，而電機(jī)的實(shí)際熱源分布位置較為復(fù)雜，熱量并沒(méi)有均勻分布在電機(jī)的各部件中，使得測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性降低。

4.3 水冷方式對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度影響

電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的水冷條件設(shè)置：冷卻水入口溫度為70℃，流速為1 m／s。由圖13、14可知：在采用水冷冷卻方式后，2種電機(jī)部件的溫度明顯減小，主要是由于冷卻水在電機(jī)水道中通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式對(duì)電機(jī)各部件進(jìn)行冷卻。

圖13 外轉(zhuǎn)子電機(jī)各部件溫度分布曲線

由圖13可知：在水冷方式下，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)部件最高溫度為繞組78.4℃，部件最低溫度為轉(zhuǎn)子61.3℃，而采用自然冷卻的部件最高溫度為繞組119.1℃，部件最低溫度為轉(zhuǎn)子90.5℃。2種不同冷卻方式部件最高溫度與部件最低溫度之間相差了40.7℃，2種冷卻方式的溫差相差11.5℃。這是因?yàn)樗淅鋮s方式相對(duì)于自然冷卻，冷卻水具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

從圖14可以得出：在水冷冷卻方式下，內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)部件最高溫度為繞組73.5℃，部件最低溫度為轉(zhuǎn)子64.92℃，而自然水冷情況下內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)部件最高溫度為123.5℃，部件最低溫度為轉(zhuǎn)子92.1℃。2種不同冷卻方式之間最高溫度部件相差50℃，2種冷卻方式的溫差為22.82℃。

圖14 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)各部件溫度分布曲線

內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)采用水冷冷卻方式均可有效降低電機(jī)各部件溫度，但由于2種電機(jī)部件所處位置不同，導(dǎo)致水冷條件下熱傳遞方式不同，使電機(jī)各部件的溫度分布發(fā)生變化。外轉(zhuǎn)子電機(jī)采用水冷方式的部件最高溫度為78.4℃，部件最低溫度為61.3℃。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)部件最高溫度為73.5℃，部件最低溫度為64.92℃，外轉(zhuǎn)子電機(jī)部件溫差為17.1℃，定子齒部和軛部溫差為2.3℃，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)部件溫差為8.58℃，定子齒部和軛部溫差為4.9℃。內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)中電機(jī)機(jī)殼靠近繞組和定子，使電機(jī)機(jī)殼對(duì)繞組和定子發(fā)生熱傳導(dǎo)，因此水冷方式對(duì)電機(jī)主要熱源中的繞組和定子產(chǎn)生了更好的冷卻效果，更有利于降低電機(jī)部件最高溫度，縮小內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)部件溫差。

4.4 不同冷卻水對(duì)輪轂電機(jī)溫度場(chǎng)的影響

考慮到我國(guó)溫度分布差異較大，冷卻水的冰點(diǎn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)影響較大，因此對(duì)不同地區(qū)的冷卻水冰點(diǎn)要求不同。對(duì)另外3種不同冰點(diǎn)冷卻水進(jìn)行分析，分別為30%濃度乙二醇水溶液、40%濃度乙二醇水溶液和50%濃度乙二醇水溶液，定義為A、B和C乙二醇水溶液，同時(shí)將所研究的純水定義為D，乙二醇水溶液熱物理參數(shù)如表3所示。

表3 不同冷卻水熱物理參數(shù)

從圖15、16可知：A、B和C這3種不同的冷卻水都對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)有較好的降低最高部件溫度、縮小溫差的效果，但在使用不同濃度的乙二醇水溶液作為冷卻水時(shí)，得到的電機(jī)冷卻效果相對(duì)于純水溶液差。不同濃度的乙二醇水溶液對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)溫度影響效果不同。

圖15 外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度分布直方圖

圖16 內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)溫度分布直方圖

A、B、C和D冷卻液對(duì)電機(jī)的永磁體和轉(zhuǎn)子冷卻效果相差較小，但對(duì)定子和繞組的冷卻效果相差較大。外轉(zhuǎn)子電機(jī)中永磁體的溫差為1.8℃，轉(zhuǎn)子為1.6℃，繞組為6.1℃，定子為5.5℃。A、B、C和D冷卻液使外轉(zhuǎn)子電機(jī)定子的最高溫度依次下降到78.9、80.5、81.6和76.1℃，相對(duì)于無(wú)水冷冷卻方式，定子的最高溫度依次下降了40.3、38.7、37 .6和43.1℃。可以發(fā)現(xiàn)，A、B和C冷卻液對(duì)電機(jī)定子和繞組的冷卻效果相差較小，但D冷卻液對(duì)電機(jī)的冷卻效果最好。由于2種電機(jī)的傳熱方式不同，4種不同濃度的冷卻液對(duì)外轉(zhuǎn)子電機(jī)的繞組和定子冷卻效果均不如內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。4種不同的冷卻液散熱效果按照A、B、C和D依次排序，主要是由于不同濃度乙二醇冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)所決定的。

5 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)在水冷條件下進(jìn)行研究，對(duì)2種電機(jī)的溫升情況和水冷后的溫度進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，針對(duì)4種不同濃度的乙二醇水溶液對(duì)2種電機(jī)冷卻性能的影響進(jìn)行研究。

內(nèi)、外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)中，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)溫升高于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。但運(yùn)行一定時(shí)間后，2種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)溫度逐漸接近，同時(shí)通過(guò)有限元計(jì)算與溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的正確性和有效性，為輪轂電機(jī)采用水冷方式溫度場(chǎng)的研究提供參考。相對(duì)于自然風(fēng)冷方式，水冷對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)仍然有較好的散熱效果。2種電機(jī)在采用水冷方式時(shí)，電機(jī)繞組依然為最高溫度部件，電機(jī)繞組與定子齒部溫度相近。在采用水冷方式后，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)部件最高溫度下降程度大于外轉(zhuǎn)子電機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)整體溫差小于外轉(zhuǎn)子電機(jī)，更有利于降低輪轂電機(jī)溫差。

采用不同地區(qū)的不同冰點(diǎn)的冷卻水，對(duì)4種不同濃度的乙二醇水溶液進(jìn)行研究，得出結(jié)論：4種冷卻水對(duì)于2種電機(jī)都有較好的冷卻效果，但冷卻效果不同，這主要是因?yàn)镈冷卻水的導(dǎo)熱能力大于A、B和C冷卻水，同時(shí)也與2種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)部件的傳熱方式有關(guān)。