撰文 / 李勇    编审 / 翟悦

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 电机冷却方式多样化

 扁线电机的冷却方式

 扁线电机的冷却技术方案
驱动电机在运行的时候会因为铜损耗、铁损耗等原因持续产生热量,热量如果超过一定的界线就会影响运行效率,润滑和绝缘也都会受到影响,甚至会烧坏电机。以永磁电机为例,过热的话会使其内部的永磁体退磁,最终会导致电机无法运行。虽然新能源汽车的电机没有电池那么贵,但也是价格不菲,所以新能源汽车电机良好的散热也同样至关重要。

01.

电机冷却方式发展多样化
电机的冷却方式大致分为三类,包含自然冷却、风冷和液冷。在其基础上还分了很多种冷却方式。
其中自然冷却也可以看作是被动散热,它依靠驱动电机自身的硬件结构,把热量由金属材料向外散热,效果较差但成本也是最小。
风冷,字面意思是通过风带来冷却,就是带有散热风扇也叫做主动式散热,早期的驱动电机会通过自带的同轴风扇搭配设计好的循环风道,把热量通过风扇向外扩散。
目前的新能源电驱趋势是扁线化、高压化,所以冷却方式不能单单依靠外形设计和一些简单的散热方式。
“热”到一定程度,“风扇”也就没那么好使了,这个时候就需要“洗个冷水澡”。液冷也是当前的主流配置,主要是目前新能源汽车的快速发展,电机功率越来越大,风冷已经不够满足了,液冷散热主要是通过液体介质来进行冷却,所以在冷却介质方面也有不同的分类,主要分为水冷和油冷。水是具有导电性的,所以在使用水为介质的时候就需要驱动电机能设计出一套能让水流动的套装来实现热量的交换。
水冷也是目前的主流方案,目前很多驱动电机是用机壳水冷的方案。但纯水有低温结冰的问题,故水冷方案的冷却液一般采用水和乙二醇 1 比 1 混合,可以使冰点降低至约零下 40 摄氏度。部分产品为了更好的散热,在机壳水冷的基础上又增加了轴向风扇进行强制风冷。
随着技术的进步,不但电机外侧的定子可以冷却,内部的转子也可以增加水套进行冷却,进一步提升了热管理的效率。
那油冷是怎么回事呢?为了进一步提升散热效果,可以把冷却介质通道延申至电机内部,深入到电机绕组线圈的端部或是内部转子等一些发热量大的地方,直击热源才能更好地散热,只不过使用这种冷却就需要冷却介质不导电、不导磁,类似于传统的变速箱油,这种散热效果相较于水效果更好,但成本也相对更高。
目前的最佳散热方式是油冷+风冷,当然使用哪种冷却方式还要根据驱动电机的自身属性和结构来定,毕竟理论上最好的不一定是最好用的,成本和结构加上目前的集成化轻量化趋势还是要集合各家特性等很多原因来选择。

02.

扁线电机的冷却方式
上文我们提到,散热会影响电机效率,一般电机有两个功率:
 一个是峰值功率:电机短时间内可达最大功率。
 一个是恒定功率:电机长时间稳定输出功率。
电机在高速运转时,定子绕组上的铜线会有极大的交变电流通过,产生大量的热,一般差不多10秒钟内就要把功率降下来,否则导线就会过热烧坏绝缘层导致电机报废,所以扁线电机一般是跟油冷相结合,只有油冷才能深入到电机内部的绕组进行散热,通过定子的润滑油会通过管道空喷到端部铜线上,油冷能让扁线电机在250KW峰值功率下工作性能更强,此外,油冷既能润滑又能冷却,正好也贴合当下集成化、轻量化的趋势。

03.

扁线电机的冷却技术方案
扁线定子冷却目前常用的技术就是浸油冷却和绕组喷淋冷却。浸油冷却指定子完全浸油,冷却效率高但密封设计复杂;绕组喷淋冷却(就是上述的冷却方式)指将油引入喷油环,把油喷到定子绕组表面来冷却绕组,但存在无法完全覆盖定子,导致冷却不均匀的问题。
丰田的专利中提出在定子芯上侧设置喷油口,定子芯下侧设置排油口,通过盖子构成封闭式冷却油流道,使得定子部分与冷却油接触,并设置流量控制单元,可以根据旋转电机的状态来改变填充在冷却流道中的流体线圈的浸没水平。

博格华纳研发的新款向心式油冷电机定子,是一种圆周分布的从边缘向中心喷淋的油路结构,利用铁芯的有效厚度和角度分布,通过合理的结构分布,电机只用两种冲片就可以实现油路的向心式喷淋。

这种方式的优势就是对铁芯的匹配比较灵活, 可以与开口铁芯或闭口铁芯进行油路匹配,还无需喷油管、喷油环、密封圈等其他油路零部件,能够大大的减少电机的直径和体重。
特斯拉的油水复合冷却,是由定转子冷却后的油回到油底壳,与轴承冷却润滑的油液汇合,自此形成一个完整的润滑冷却系统,通过油水混合冷却结构切换。
其冷却方案是轴向式与螺旋式综合水道壳体+空心轴套转子甩油冷却+绕组喷淋。
FEV 开发的油冷式电动机,该油也可用作电动机的润滑剂,在电机运行期间油通过轴通过离心力引导到导热铜绕组,离心冷却油流经转子轴,通过转子芯和磁铁下方的 5 个径向孔,然后油被引导到前侧和后侧,直接喷洒在定子绕组, 油通过外部油泵泵入系统,该系统利用离心力(旋转时)在系统中分配油。
油通过外部连接流入前后侧的两个喷环。 对于每个线圈,喷嘴都安装在喷射环中,并直接喷射到定子绕组的前部。 前、后壳体底部设计有两个排油口,油通过重力排出。
中国驱动电机冷却技术自2001年起步,虽然起步较晚,但是作为新能源汽车的主要市场。我国驱动电机冷却相关的技术快速发展,就目前的中国驱动电机冷却技术专利申请量已经达到近200件,几乎占全球驱动电机冷却技术专利申请量的近一半,综合考虑驱动电机结构、检索其可行性还是我们之后很长的道路。

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