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(jì)蓬勃發(fā)展，作為人類主要交通工具的汽車數(shù)量也達(dá)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(jī)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(dòng)汽車正越來越引起人們的重視[1]。在中國，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車通常采用高功率密度電機(jī)，相比傳統(tǒng)電機(jī)，高功率密度電機(jī)運(yùn)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(jī)存在嚴(yán)重的溫升問題，這成為限制電動(dòng)汽車電機(jī)性能進(jìn)一步提升的主要因素之一。

因此，研究電機(jī)的溫升問題，合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義。目前對(duì)車用電機(jī)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(duì)這兩個(gè)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(diǎn)、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(dòng)態(tài)，對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，描述了目前面臨的主要研究問題，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車用電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

1 電動(dòng)汽車用電機(jī)的熱源及溫升危害

電動(dòng)汽車用電機(jī)將車載蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是為車輛提供動(dòng)力的重要裝置，是電動(dòng)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(dòng)力的需求，車用電機(jī)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(qiáng)、適應(yīng)惡劣工況等條件，相比常規(guī)電機(jī)，車用電機(jī)具有高速高頻的特點(diǎn)[6]。目前，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，永磁電機(jī)因其良好的性能獲得了廣泛的應(yīng)用。

電機(jī)主要熱源是其工作中內(nèi)部存在的鐵耗、銅耗、機(jī)械損耗等多種損耗，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速化，相比傳統(tǒng)電機(jī)，電動(dòng)汽車用電機(jī)擁有較高的供電頻率，通常達(dá)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(huì)隨之快速增加[10]；同時(shí)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)也會(huì)帶來更大的機(jī)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(shí)有效地進(jìn)行散熱，長時(shí)間高溫的工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)絕緣材料老化、轉(zhuǎn)子退磁、損耗增大、機(jī)械強(qiáng)度下降等一系列問題，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能和使用壽命[12]。電動(dòng)汽車用電機(jī)由于功率密度高、電流密度大，同時(shí)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(jī)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(dá)鐵心，再傳到電機(jī)表面。要降低電機(jī)溫升，一要增加電機(jī)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(jī)對(duì)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，車用電機(jī)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(duì)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(duì)電機(jī)的冷卻效果不同，其中風(fēng)冷構(gòu)造簡單、成本低，運(yùn)行維護(hù)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(diǎn)，如成本比氣冷高，構(gòu)造維護(hù)復(fù)雜，液體冷卻介質(zhì)容易對(duì)電機(jī)造成腐蝕，一旦泄露可能會(huì)造成嚴(yán)重事故。隨著電機(jī)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(jī)，對(duì)小功率電動(dòng)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(jià)值。

風(fēng)冷系統(tǒng)按是否添加額外的增強(qiáng)空氣流動(dòng)裝置，可分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不額外添加冷卻裝置，通過電機(jī)運(yùn)行中自然的空氣流動(dòng)冷卻電機(jī)，一般需要在機(jī)殼表面增設(shè)散熱筋、散熱片等增強(qiáng)散熱，冷卻成本低廉。輪轂電機(jī)是一種在車輛車輪上集成驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)，安裝空間十分緊張，且對(duì)可靠性要求高，所以采用自然風(fēng)冷較多。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一款10 kW的電動(dòng)汽車用內(nèi)置式永磁同步輪轂電機(jī)，采用自然冷卻方式，在機(jī)殼上裝有擴(kuò)展散熱筋以加強(qiáng)散熱效果。文獻(xiàn)[15]中以一臺(tái)2 kW的直驅(qū)外轉(zhuǎn)子式無刷輪轂電機(jī)進(jìn)行了研究，采用了自然風(fēng)冷式進(jìn)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(dòng)，并且功率較小的電機(jī)。

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

圖1 某風(fēng)冷電機(jī)制冷渦流管

強(qiáng)迫風(fēng)冷的基本結(jié)構(gòu)是在電機(jī)上設(shè)置風(fēng)扇，利用風(fēng)扇帶動(dòng)空氣流動(dòng)，增強(qiáng)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(jī)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(duì)電機(jī)機(jī)殼外表面進(jìn)行冷卻，通常在機(jī)殼表面設(shè)計(jì)擴(kuò)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(diǎn)。

內(nèi)通風(fēng)即在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置風(fēng)路，并通過風(fēng)扇帶動(dòng)氣流通過風(fēng)路進(jìn)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(dòng)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(dòng)流入電機(jī)，沿電機(jī)鐵心上的通風(fēng)孔及氣隙構(gòu)成的軸向通風(fēng)道進(jìn)行冷卻換熱。

圖2 軸向式風(fēng)冷風(fēng)路示意圖

文獻(xiàn)[20]提出了一種外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的軸向風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，電機(jī)端蓋設(shè)計(jì)為離心風(fēng)扇，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(dòng)，這種結(jié)構(gòu)使電機(jī)更加緊湊，并達(dá)到了較好的散熱效果。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 某軸向式風(fēng)冷電機(jī)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(qiáng)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(jī)內(nèi)部直接換熱，這種方式冷卻效率高，但由于電機(jī)內(nèi)部直接與外界接觸，環(huán)境中灰塵污垢容易進(jìn)入電機(jī)，運(yùn)行一段時(shí)間后需對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆卸清理，并且轉(zhuǎn)子上的冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲較大，早期小型車用電機(jī)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(jī)內(nèi)部同軸風(fēng)扇帶動(dòng)氣流將熱量傳遞到機(jī)殼表面，再對(duì)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(jī)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(gè)重要因素。文獻(xiàn)[23]以一臺(tái)全封閉風(fēng)冷電機(jī)為對(duì)象，分析測(cè)試了空氣流速對(duì)冷卻效果的影響，測(cè)得隨著內(nèi)部空氣流速的增加，電機(jī)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(diǎn)較高，沸點(diǎn)較低，易產(chǎn)生水垢和腐蝕電機(jī)的問題，所以在實(shí)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(diǎn)，可使電機(jī)有效地防凍，還具有防腐防水垢的功能[24]。

在中小型電機(jī)中，一般采用定子外水冷技術(shù)[25]，即在機(jī)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(jī)。冷卻水道在電機(jī)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(duì)這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)[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(xiàn)[27]從機(jī)械加工、結(jié)構(gòu)性能、冷卻效果等多方面考慮，對(duì)軸向Z字形水道進(jìn)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(diǎn)，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(duì)電機(jī)散熱的影響，可以得到合理冷卻水流速的計(jì)算方法[28]。水道結(jié)構(gòu)也對(duì)冷卻水的流動(dòng)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(duì)電機(jī)溫升的影響[29]。

為了達(dá)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(dá)到增強(qiáng)散熱的目的。文獻(xiàn)[30]對(duì)擾流片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出排列方式，選用叉排，擾流片與冷卻液流向夾角30°時(shí)效果最好。肋片是沿水道設(shè)置的附加散熱片，通過對(duì)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(diǎn)，可以將兩者整合到一個(gè)冷卻系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[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(jī)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(jī)內(nèi)，實(shí)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(duì)定子鐵心的直接冷卻技術(shù)也進(jìn)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(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻[34]；在輪轂電機(jī)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(diǎn)，通常在電機(jī)外殼及定轉(zhuǎn)子等位置設(shè)置冷卻通道，通入冷卻油進(jìn)行冷卻，這種方式稱為間接油冷，也可直接將油通入電機(jī)內(nèi)部對(duì)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(jī)內(nèi)部，浸沒定轉(zhuǎn)子，這種方法能有效增強(qiáng)電機(jī)內(nèi)部的傳熱系數(shù)。文獻(xiàn)[36]以一臺(tái)外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)電機(jī)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(jī)冷卻方式，將電機(jī)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(yàn)證了油內(nèi)冷方式的有效性。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 油內(nèi)冷輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

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

但浸油式也存在一定缺點(diǎn)，冷卻油直接充滿電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)部分，由于油的粘滯性，轉(zhuǎn)子運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦損耗，降低了電機(jī)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(jì)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(jī)定子繞組端部等部件進(jìn)行冷卻[37]。文獻(xiàn)[38]基于35 kW輪轂電機(jī)，設(shè)計(jì)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(dá)到了較好的冷卻效果。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 輪轂電機(jī)噴油式冷卻系統(tǒng)冷卻回路示意圖

間接油冷即在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部，定轉(zhuǎn)子上設(shè)置油道，通過油的對(duì)流換熱帶走電機(jī)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(diǎn)。

在機(jī)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(xiàn)[39]以一臺(tái)21 kW，11 000 r/min航空油泵電機(jī)設(shè)計(jì)為例, 對(duì)電機(jī)進(jìn)行了散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱場分析，采用電機(jī)外殼循環(huán)油冷，采用12個(gè)油孔串聯(lián)的油道對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。

文獻(xiàn)[40]提出了一種新的油冷設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)空心軸，冷卻油流經(jīng)電機(jī)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(jī)內(nèi)部的產(chǎn)熱，獲得了較好的冷卻效果。

圖11 電機(jī)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(duì)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(jī)。液冷冷卻方式的散熱能力強(qiáng)，可用于解決電動(dòng)汽車用高功率密度電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)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(diǎn)。

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(duì)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了電動(dòng)汽車用高功率密度電機(jī)的特點(diǎn)、電機(jī)主要熱源，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外車用電機(jī)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(diǎn)和研究動(dòng)態(tài)，并對(duì)兩者優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，給出其適用條件，為今后車用高功率密度電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。