新能源汽車驅動電機水道優化設計

【摘 要】新能源汽車水冷驅動電機功率密度受冷卻效果影響較大，通過電機冷卻水道優化，分析電機全域溫度場，可以顯著降低電機溫升，從而提升電機競爭力。

【關鍵詞】電機溫升;水道優化;冷卻;螺旋形水道;軸向水道

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：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

新能源汽車驅動電機冷卻形式較多，主要有風冷、水冷及油冷等形式。其中風冷主要用于A0及A00級車型，電機輸出功率較低，發熱量相對較小。對于B級及C級車，整車加速性要求高，電驅需要更強勁的動力輸出，因此電機體積做得更大，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，從而降低電機體積。

伴隨電機原材料成本不斷攀升，改善電機溫升，提升電機功率密度至關重要。較多文獻介紹基于電機殼體水道與冷卻液熱交換效率設計優化水道，評價手段較為簡單、直接，但無法有效了解電機內部溫升，尤其是磁鋼、繞組等關鍵核心零部件的溫升表現，設計較為粗放，可能因磁鋼、繞組端部因局部過熱，形成“孤島效應”，最終導致電機高溫失效。本文分析不同類型電機水道，考察電機全域溫度場，重點關注磁鋼、繞組等核心零部件溫升情況，更加精細化eTxJFjHnJ4ctLqoxVR/pOQ==設計電機溫升。

1 電機水道類型

對某款新能源汽車強制水冷電機設計3種類型電機冷卻水道，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、軸向長度及內徑均相同。

1）軸向水道。優勢是制造成本低，一般通過熱壓成型。模具簡單，費用低，只需要調整熱壓行程，就可以匹配不同長度的電機，比較容易實現電機平臺化。

2）螺旋形水道。優勢是水阻小，缺點是制造成本高，一般采用鑄造成型。模具復雜，維護保養成本高，非常不利于電機軸向長度增加拓展。

具體選擇哪種水道，需要結合制造、冷卻效果及產品系列規劃綜合考慮。

2 電機水道仿真分析

建立電機定轉子、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，將模型進行簡化。電機熱仿真分析模型如圖2所示。

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

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

電機關鍵材料及材料性能參數見表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℃，環境溫度為85℃。

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

3 仿真分析結果說明

額定工況下電機關鍵核心零部件溫升結果見表3。

依據表3數據，分別從電機繞組、定子鐵心、轉子鐵心、磁鋼4方面進行對比分析，分析結果如下所述。

1）電機繞組溫升對比：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）電機轉子鐵心溫升對比：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于5層螺旋水道，5層螺旋水道冷卻效果優于軸向水道。

如圖3～圖6所示，電機穩定運行工況（4000r/min、120N·m）時，電機最高溫度出現在繞組位置。電機繞組溫升差異約10℃，最高溫度出現在繞組端部處，達到140.7℃，因為繞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，熱量累積較高;電機定子鐵心溫升差異約30℃，最高溫度為112.9℃，出現在貼心內徑位置，此處發熱量較高卻又處于熱量傳遞路徑前端，熱量累積較多;轉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在軸向中間區域，主要是因為轉子熱量主要通過定轉子間氣隙內的空氣傳遞和熱輻射傳遞，轉子中間區域熱交換效果較轉子兩側區域效果差，熱量積累較多。因此重點考察這3個位置的溫升是否滿足設計要求。

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的溫升。如果繞組端部的溫升降低30℃，則整個電機的溫升將更加平衡，電機的峰值及額定功率也會相應提升。電機繞組端部通過導熱材料注塑處理，繞組端部的熱量通過導熱材料傳遞到殼體，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，來提升電機的輸出能力。

4 結論

在水冷電機中，螺旋形水道的冷卻效果優于軸向水道。通過合理設計水道層數，冷卻效果能夠得到較大幅度的改善。此外，電機繞組端部是水冷電機的“熱量孤島”，也是電機溫度的最高點，此處的溫升需要重點進行校核與優化。通過縮短繞組端部的熱傳遞路徑，可以大幅度提升電機的輸出能力。

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