李翠萍, 管正偉，丁秀翠，趙 冰

(1.東北電力大學(xué)，吉林 132012; 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130021)

0 引 言

近幾十年來，世界經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，作為人類主要交通工具的汽車數(shù)量也達到了可觀的規(guī)模，其中絕大部分是傳統(tǒng)燃油汽車，這給化石資源和大氣環(huán)境帶來了很大壓力。隨著全球能源危機和大氣污染問題愈演愈烈，與傳統(tǒng)能源汽車相比，更加綠色清潔、零排放的電動汽車正越來越引起人們的重視[1]。在中國，電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為受政策大力扶持的新興產(chǎn)業(yè)，獲得了飛速發(fā)展[3]。

但在電動汽車的發(fā)展過程中，也存在著一些不可忽視的問題[4]。為滿足性能需求，電動汽車通常采用高功率密度電機，相比傳統(tǒng)電機，高功率密度電機運行過程中發(fā)熱量較高，而車廂的安裝空間狹小，惡劣復(fù)雜的工況也加劇了散熱的困難性，使得車用電機存在嚴重的溫升問題，這成為限制電動汽車電機性能進一步提升的主要因素之一。

因此，研究電機的溫升問題，合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)，對電機的安全經(jīng)濟運行有著重要意義。目前對車用電機冷卻系統(tǒng)的研究主要分為風(fēng)冷和液冷兩大類[5]，國內(nèi)外研究人員針對這兩個方向展開了大量研究并取得了諸多重要研究成果。

本文主要介紹了各類冷卻系統(tǒng)的原理、特點、主要應(yīng)用和發(fā)展歷程，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)，對比分析了各自的優(yōu)缺點，描述了目前面臨的主要研究問題，并在此基礎(chǔ)上對電動汽車用電機冷卻系統(tǒng)進行進一步探討。

1 電動汽車用電機的熱源及溫升危害

電動汽車用電機將車載蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能，是為車輛提供動力的重要裝置，是電動汽車的心臟。為了滿足汽車行駛過程中頻繁起停、爬坡及各種復(fù)雜工況下穩(wěn)定高效輸出動力的需求，車用電機需滿足體積小、質(zhì)量輕、低速高轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、過載能力強、適應(yīng)惡劣工況等條件，相比常規(guī)電機，車用電機具有高速高頻的特點[6]。目前，在電動汽車領(lǐng)域，永磁電機因其良好的性能獲得了廣泛的應(yīng)用。

電機主要熱源是其工作中內(nèi)部存在的鐵耗、銅耗、機械損耗等多種損耗，為了實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子的高速化，相比傳統(tǒng)電機，電動汽車用電機擁有較高的供電頻率，通常達到幾百甚至上千赫茲，這帶來更高的基波和諧波頻率，鐵心損耗、銅耗和渦流損耗會隨之快速增加[10]；同時轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)也會帶來更大的機械損耗[11]，其中最主要的損耗是定子鐵耗和轉(zhuǎn)子銅耗。這些損耗最后均轉(zhuǎn)化為熱能，以熱量形式向外發(fā)散。

如果不能及時有效地進行散熱，長時間高溫的工作環(huán)境會導(dǎo)致電機出現(xiàn)絕緣材料老化、轉(zhuǎn)子退磁、損耗增大、機械強度下降等一系列問題，嚴重影響電機的性能和使用壽命[12]。電動汽車用電機由于功率密度高、電流密度大，同時又存在安裝空間有限、工作環(huán)境惡劣等問題，導(dǎo)致散熱條件很差，研究合理有效的冷卻系統(tǒng)尤為重要。

在工作過程中，電機的繞組是其主要熱源，繞組產(chǎn)生的熱從線圈穿過絕緣層到達鐵心，再傳到電機表面。要降低電機溫升，一要增加電機內(nèi)部的傳熱能力，例如采用導(dǎo)熱性能較好的絕緣材料；二是增加電機對外的散熱能力，可以采用增大散熱面積和利用冷卻介質(zhì)等措施。

2 電動汽車驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，車用電機冷卻系統(tǒng)主要可分為風(fēng)冷和液冷兩大類。風(fēng)冷采用空氣作為冷卻介質(zhì)，通過空氣對流散熱。液冷采用液體作導(dǎo)熱介質(zhì)，常用的冷卻液有冷卻水、油等[13]。

不同的冷卻介質(zhì)對電機的冷卻效果不同，其中風(fēng)冷構(gòu)造簡單、成本低，運行維護方便，但冷卻效果一般；而液冷介質(zhì)比熱容大，散熱效果好，所以液冷是一種比較高效的冷卻方式。但液冷也存在一定缺點，如成本比氣冷高，構(gòu)造維護復(fù)雜，液體冷卻介質(zhì)容易對電機造成腐蝕，一旦泄露可能會造成嚴重事故。隨著電機朝著容量大型化方向發(fā)展，液冷以其較好的冷卻效果日益受到重視。

2.1 風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷系統(tǒng)一般適用于功率較小的小型電機，對小功率電動汽車來說，由于其不需要額外冷卻裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低廉，所以存在一定的應(yīng)用價值。

風(fēng)冷系統(tǒng)按是否添加額外的增強空氣流動裝置，可分為自然風(fēng)冷和強迫風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不額外添加冷卻裝置，通過電機運行中自然的空氣流動冷卻電機，一般需要在機殼表面增設(shè)散熱筋、散熱片等增強散熱，冷卻成本低廉。輪轂電機是一種在車輛車輪上集成驅(qū)動、制動系統(tǒng)的電機，安裝空間十分緊張，且對可靠性要求高，所以采用自然風(fēng)冷較多。文獻[14]設(shè)計了一款10 kW的電動汽車用內(nèi)置式永磁同步輪轂電機，采用自然冷卻方式，在機殼上裝有擴展散熱筋以加強散熱效果。文獻[15]中以一臺2 kW的直驅(qū)外轉(zhuǎn)子式無刷輪轂電機進行了研究，采用了自然風(fēng)冷式進行冷卻。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠，比較適合于工作中有較多自然空氣流動，并且功率較小的電機。

除了通過在機殼設(shè)散熱片增大散熱面積外，還可以通過設(shè)計輔助的散熱裝置增強散熱。文獻[16]通過設(shè)計制冷渦流管來增強電機散熱，如圖1所示，空氣流入布置于電機定子內(nèi)的冷卻渦管風(fēng)道內(nèi)，達到了較好的冷卻效果。

圖1 某風(fēng)冷電機制冷渦流管

強迫風(fēng)冷的基本結(jié)構(gòu)是在電機上設(shè)置風(fēng)扇，利用風(fēng)扇帶動空氣流動，增強風(fēng)冷效果。根據(jù)空氣不同的流通路徑，可分為內(nèi)部風(fēng)冷和外部風(fēng)冷兩類。

外通風(fēng)即通過在電機外部非軸伸端裝設(shè)風(fēng)扇，通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)增壓后形成氣流，對電機機殼外表面進行冷卻，通常在機殼表面設(shè)計擴展散熱筋來增大散熱面積，這種結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單，成本低的優(yōu)點。

內(nèi)通風(fēng)即在電機內(nèi)部設(shè)置風(fēng)路，并通過風(fēng)扇帶動氣流通過風(fēng)路進行散熱。相比外通風(fēng)，內(nèi)通風(fēng)擁有較好的冷卻效果[17-18]。

內(nèi)通風(fēng)根據(jù)風(fēng)路的不同有徑向式結(jié)構(gòu)、軸向式結(jié)構(gòu)和徑向軸向混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)，微型電動汽車體積較小，采用軸向式風(fēng)冷較多。軸向式風(fēng)冷典型結(jié)構(gòu)如圖2所示[19]，空氣被風(fēng)扇驅(qū)動流入電機，沿電機鐵心上的通風(fēng)孔及氣隙構(gòu)成的軸向通風(fēng)道進行冷卻換熱。

圖2 軸向式風(fēng)冷風(fēng)路示意圖

文獻[20]提出了一種外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的軸向風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，電機端蓋設(shè)計為離心風(fēng)扇，轉(zhuǎn)子設(shè)計為轉(zhuǎn)子齒突出于磁極表面，螺旋狀磁極形成螺旋空氣通道，增加了空氣流動，這種結(jié)構(gòu)使電機更加緊湊，并達到了較好的散熱效果。電機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 某軸向式風(fēng)冷電機主要結(jié)構(gòu)

根據(jù)內(nèi)部風(fēng)路與外部風(fēng)路的關(guān)聯(lián)，強迫風(fēng)冷可分為封閉式和開啟式系統(tǒng)。開啟式系統(tǒng)以內(nèi)外風(fēng)路聯(lián)通，外部空氣可循環(huán)到電機內(nèi)部直接換熱，這種方式冷卻效率高，但由于電機內(nèi)部直接與外界接觸，環(huán)境中灰塵污垢容易進入電機，運行一段時間后需對電機進行拆卸清理，并且轉(zhuǎn)子上的冷卻風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)，噪聲較大，早期小型車用電機應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)較多。封閉式系統(tǒng)，即內(nèi)風(fēng)路封閉，利用電機內(nèi)部同軸風(fēng)扇帶動氣流將熱量傳遞到機殼表面，再對外散熱[21]。這種無外風(fēng)扇全封閉式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)能有效地解決灰塵問題，并減小風(fēng)扇噪聲，結(jié)構(gòu)如圖4所示[22]。

圖4 無外風(fēng)扇全封閉風(fēng)冷電機結(jié)構(gòu)圖

在風(fēng)冷系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)空氣的流速是影響冷卻效果的一個重要因素。文獻[23]以一臺全封閉風(fēng)冷電機為對象，分析測試了空氣流速對冷卻效果的影響，測得隨著內(nèi)部空氣流速的增加，電機的主要發(fā)熱部分溫度均隨之減小。

2.2 液冷系統(tǒng)

液冷根據(jù)冷卻液的不同可分為水冷，油冷。水的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較高，冷卻效果好，無污染，成本低，是一種應(yīng)用十分廣泛的冷卻劑。但由于水還存在凝固點較高，沸點較低，易產(chǎn)生水垢和腐蝕電機的問題，所以在實際應(yīng)用中，考慮到環(huán)境適應(yīng)性，可以根據(jù)需要使用混合溶液代替水來適應(yīng)不同的工作環(huán)境。目前應(yīng)用較多的冷卻劑是由水、乙二醇、抗腐蝕與抗泡沫添加劑配比組成的混合溶液，大大降低了冷卻液的凝固點，可使電機有效地防凍，還具有防腐防水垢的功能[24]。

在中小型電機中，一般采用定子外水冷技術(shù)[25]，即在機殼外壁設(shè)置水套，通過冷卻水流過其中的水道循環(huán)換熱冷卻電機。冷卻水道在電機外殼的分布主要有三種結(jié)構(gòu)，環(huán)形、軸向及螺旋結(jié)構(gòu)，對這三種結(jié)構(gòu)進行建模分析，如圖5所示。綜合比較各種結(jié)構(gòu)的冷卻效果，其中環(huán)形水套冷卻效果較好，螺旋水套流阻低，而軸向水套沒有軸向溫度梯度，適用于軸向結(jié)構(gòu)較長的電機[26]。

(a) 水套固體外殼

(b) 環(huán)形水套

(c) 軸向水套

(d) 螺旋水套

文獻[27]從機械加工、結(jié)構(gòu)性能、冷卻效果等多方面考慮，對軸向Z字形水道進行了研究，這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，散熱均勻，易于加工生產(chǎn)的特點，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軸向Z字形水路結(jié)構(gòu)

水道中冷卻水的流速及溫度是影響散熱效果的直接因素，基于傳熱學(xué)及流體力學(xué)分析冷卻水流速對電機散熱的影響，可以得到合理冷卻水流速的計算方法[28]。水道結(jié)構(gòu)也對冷卻水的流動狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響，其中包括水道數(shù)量、寬度等因素，通過采取控制變量法可以定量研究每種結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機溫升的影響[29]。

為了達到更好的冷卻效果，還可以在冷卻水道中加入擾流片或肋片以增加換熱面積。擾流片是設(shè)置在水道中呈一定規(guī)則排列的散熱片，結(jié)構(gòu)如圖7所示，可以增大換熱面積和冷卻液湍流度，從而達到增強散熱的目的。文獻[30]對擾流片的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，得出排列方式，選用叉排，擾流片與冷卻液流向夾角30°時效果最好。肋片是沿水道設(shè)置的附加散熱片，通過對直肋的厚度、高度、側(cè)面傾斜角度三方面展開研究分析，可以得到最為優(yōu)化的肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)值[31]，水道截面示意圖如圖8所示。

(a) 無擾流片

(b) 有擾流片

圖8 設(shè)置肋片的水道截面示意圖

綜合風(fēng)冷和水冷的特點，可以將兩者整合到一個冷卻系統(tǒng)中。文獻[32]提出了一種水冷換熱系統(tǒng)，在水套內(nèi)外環(huán)間布置若干通風(fēng)管道，電機內(nèi)高溫?zé)犸L(fēng)經(jīng)風(fēng)扇送入水套間的通風(fēng)管道與冷卻水換熱，冷卻后流回電機內(nèi)，實現(xiàn)了良好的冷卻效果。

除了定子外水冷技術(shù)，國內(nèi)外針對定子鐵心的直接冷卻技術(shù)也進行了一系列探索，并取得了一定的研究成果。如在定子疊片上開孔形成冷卻流道，采用密封劑密封相鄰定子疊片間縫隙[33]；將冷卻水管直接嵌入定子鐵心軛部的槽中對電機進行冷卻[34]；在輪轂電機設(shè)置環(huán)形定子支撐件，內(nèi)部中空，灌注高導(dǎo)熱的環(huán)氧樹脂，散熱效果良好[35]。

油冷即采用油作為冷卻劑，油與水相比具有介電常數(shù)高、絕緣性能好的特點，通常在電機外殼及定轉(zhuǎn)子等位置設(shè)置冷卻通道，通入冷卻油進行冷卻，這種方式稱為間接油冷，也可直接將油通入電機內(nèi)部對繞組等部位散熱，稱為直接油冷。

直接油冷根據(jù)冷卻方式又可分為浸油和噴油式兩類。浸油式即利用油的絕緣特性，直接將油通入電機內(nèi)部，浸沒定轉(zhuǎn)子，這種方法能有效增強電機內(nèi)部的傳熱系數(shù)。文獻[36]以一臺外轉(zhuǎn)子式輪轂電機為研究對象，根據(jù)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，將電機內(nèi)部充滿變壓器油，利用油導(dǎo)熱，并建立模型分析溫度場，驗證了油內(nèi)冷方式的有效性。電機結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 油內(nèi)冷輪轂電機結(jié)構(gòu)圖

在電機內(nèi)部采用浸油式冷卻的同時，也可在電機外部并用間接冷卻，形成混合冷卻方式，加強熱的傳遞與發(fā)散。

但浸油式也存在一定缺點，冷卻油直接充滿電機內(nèi)旋轉(zhuǎn)部分，由于油的粘滯性，轉(zhuǎn)子運行中會產(chǎn)生一定的摩擦損耗，降低了電機的效率。為了減少摩擦損耗，可以采用噴油式冷卻，噴油式是利用油泵將變壓器油噴到轉(zhuǎn)子上設(shè)計的固定葉片，通過葉片的旋轉(zhuǎn)作用，將變壓器油飛濺到電機定子繞組端部等部件進行冷卻[37]。文獻[38]基于35 kW輪轂電機，設(shè)計了一套冷卻油循環(huán)系統(tǒng)，冷卻油通過中空軸上的孔道流入，分別流經(jīng)軸承、減速齒輪、定子處，通過油泵加壓將油噴灑在相應(yīng)部位，達到了較好的冷卻效果。電機結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 輪轂電機噴油式冷卻系統(tǒng)冷卻回路示意圖

間接油冷即在電機機殼內(nèi)部，定轉(zhuǎn)子上設(shè)置油道，通過油的對流換熱帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。相比直接油冷，間接油冷具有轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中摩擦損耗較小的優(yōu)點。

在機殼內(nèi)部設(shè)置油道的結(jié)構(gòu)，類似于定子外水冷技術(shù)，將冷卻水換為油。文獻[39]以一臺21 kW，11 000 r/min航空油泵電機設(shè)計為例, 對電機進行了散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱場分析，采用電機外殼循環(huán)油冷，采用12個油孔串聯(lián)的油道對電機進行冷卻。

文獻[40]提出了一種新的油冷設(shè)計，設(shè)計了一個空心軸，冷卻油流經(jīng)電機外殼體、下殼體、空心軸再排出，結(jié)構(gòu)如圖11所示。相比傳統(tǒng)外殼冷卻方式，這種結(jié)構(gòu)更直接地去除了電機內(nèi)部的產(chǎn)熱，獲得了較好的冷卻效果。

圖11 電機冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

綜合以上研究可以看出，目前國內(nèi)外針對兩種冷卻系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的重要成果，風(fēng)冷方式成本低，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性好，適用于功率密度偏小的電機。液冷冷卻方式的散熱能力強，可用于解決電動汽車用高功率密度電機發(fā)熱嚴重的問題，但液冷也存在著需要附加完整冷卻系統(tǒng)裝置，可靠性差，成本偏高的缺點。

3 結(jié) 語

隨著能源結(jié)構(gòu)的改變,未來新能源汽車將迎來快速發(fā)展期,對電動汽車用驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文介紹了電動汽車用高功率密度電機的特點、電機主要熱源，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外車用電機冷卻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，綜述風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點和研究動態(tài)，并對兩者優(yōu)缺點進行了比較，給出其適用條件，為今后車用高功率密度電機冷卻系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供了一定的參考價值。