周志剛，楊文豪，孟祥明

（1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.寧波圣龍（集團）有限公司，浙江 寧波 315100）

輪轂電機驅(qū)動技術是將電機安裝于車輪內(nèi)部，利用車輪內(nèi)部電機帶動電動汽車運行[1].由于輪轂電機驅(qū)動技術將傳統(tǒng)汽車的動力裝置、傳動裝置及制動裝置集成于車輪內(nèi)，具有轉(zhuǎn)向靈活性較好、傳動效率高以及高度集成性等優(yōu)勢，但是較高的集成性使電機運行空間小，空氣流通困難，造成電機散熱條件差[2-4].過高的溫升會對電機的功率、使用壽命和安全性造成一定影響[5].因此，為保證電動汽車長時間安全運行有必要采取與輪轂電機相適應的冷卻系統(tǒng).

目前，國內(nèi)外學者對電機風冷[6-9]、水冷[10-12]以及油冷[13-14]等冷卻技術進行了大量研究.陳進華等[15]提出一種丁胞水冷結(jié)構(gòu)的散熱方案，并對相同條件下多種冷卻方案的流體場進行了分析.吳柏禧等[16]依據(jù)水道中流體的流動特性分析，建立了水道圓角半徑、入水口水道寬度和水道壓強的關系.趙蘭萍等[17]根據(jù)整車環(huán)境下對外轉(zhuǎn)子輪轂電機進行溫度特性研究，并對比自然風冷與油冷兩種冷卻方式的溫度場.Lim等[18]通過對兩種輪轂電機在額定工況下進行熱性能分析，設計了一種輪轂電機的噴油冷卻模式通道，并對其熱性能進行了分析.王曉遠等[19]提出油內(nèi)冷輪轂電機冷卻方式，根據(jù)自然風冷和油內(nèi)冷輪轂電機有限元模型，對輪轂電機的不同冷卻方式進行溫升和溫度場分析.

本文根據(jù)輪轂電機結(jié)構(gòu)，設計了不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)及多模式切換方式.首先，通過磁熱耦合分析，對輪轂電機在自然風冷條件下進行溫度場分析，同時，對比了自然風冷、水冷、油內(nèi)冷以及多冷源冷卻方式溫度場分布情況.最后，分析兩種不同工況對自然風冷、水冷、油內(nèi)冷和多冷源冷卻方式溫度場的影響.通過對多冷源冷卻方式進行試驗分析，并與有限元計算數(shù)據(jù)相對比，對多冷源冷卻結(jié)構(gòu)與方式的正確性進行驗證.

1 不同冷源結(jié)構(gòu)及多模式切換方式

按照某款輪轂電機電動車尺寸進行建模分析，其結(jié)構(gòu)主要包含永磁體、定子、繞組和轉(zhuǎn)子等.表1給出輪轂電機的主要參數(shù).

表1 輪轂電機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the in-wheel motor

由于研究的輪轂電機采用不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)與多模切換冷卻方式，該方式根據(jù)電機溫度，使冷卻水和冷卻油按照不同順序進入電機內(nèi)部，并且電機內(nèi)部冷源與外部冷源持續(xù)進行交換，使電機內(nèi)部冷源保持較低溫度，從而達到更好的冷卻效果，所以該方式必須采用一種相匹配的冷卻結(jié)構(gòu).對于外轉(zhuǎn)子輪轂電機，車軸始終處于靜止狀態(tài)，所以電機出油道在車軸內(nèi)部.由于出水道在電機機殼內(nèi)部設置，為保證機殼與車軸連接處冷卻水可以正常通過，在連接處安裝內(nèi)部旋轉(zhuǎn)接頭.電動汽車在運行過程中，車輪受到電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子的作用，帶動電動汽車運轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子輪轂電機機殼與車輪同時進行轉(zhuǎn)動，為了與外部冷源進行連接，必須在電機進油道和進水道處增加外部旋轉(zhuǎn)接頭，使電機進水道和進油道可以保持一邊旋轉(zhuǎn)一邊靜止的狀態(tài).考慮到進入電機內(nèi)部的冷源溫度不受出口通道冷源溫度的傳熱影響，將電機兩個進出通道分開設置.該冷卻結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)Fig.1 Different cooling source cooling structure

圖2 為不同冷源冷卻系統(tǒng)簡圖.該系統(tǒng)主要由冷卻系統(tǒng)控制器、溫度傳感器、循環(huán)泵、冷卻油箱及電磁閥組成.為了使輪轂電機部件溫度保持在合理范圍之內(nèi)，需要對多個冷卻油箱的電磁閥進行相應的控制，使電機內(nèi)部冷源進行切換.對冷源切換標準定義為T1和T2，根據(jù)電機內(nèi)部溫度的需要，將電機冷卻方式分為水冷、油冷和混合冷卻，并依次進行切換使電機達到較好的冷卻目的.不同冷源多模式切換過程如圖3 所示.多冷源協(xié)調(diào)控制方式閥門工作狀態(tài)如表2 所示.

圖2 不同冷源冷卻系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic diagram of different cold source cooling systems

圖3 不同冷源冷卻方式切換過程（工作原理）Fig.3 Switching process of different cold source cooling methods（working principle）

表2 不同冷源冷卻方式閥門工作狀態(tài)Tab.2 Valve working status of different cold source cooling methods

2 輪轂電機熱磁耦合溫度場模型建立

2.1 電磁場數(shù)學模型

電動汽車在運行過程中，熱量主要來源于輪轂電機內(nèi)部各種損耗.電機內(nèi)部損耗主要包含鐵芯損耗、繞組損耗以及永磁體損耗等.

輪轂電機損耗可以表達為：

也可以寫為：

式中：P 為電機總損耗；PFe為輪轂電機鐵芯損耗；kh、ke和kex分別表示為鐵芯磁滯損耗系數(shù)、鐵芯渦流損耗系數(shù)和鐵芯附加損耗系數(shù)；f 為交變頻率；Bm為磁通密度的賦值；PCu為繞組損耗；I 為電機繞組相電流；R 為電機繞組電阻；Pe為輪轂電機永磁體渦流損耗；Vm為永磁體體積；J 為電流密度賦值；σ 為永磁體的電導率.

2.2 溫度場數(shù)學模型

依據(jù)傳熱原理，輪轂電機的瞬態(tài)溫度場可以表達為：

式中：Kx、Ky和Kz為在x、y、z 方向上的導熱系數(shù)；T為電機溫度；si和sj分別為電機第二類邊界條件和第三類邊界條件；h 為輪轂電機對流散熱系數(shù)；Ti和Tj分別為給定邊界面和周圍介質(zhì)的溫度（介質(zhì)溫度隨時間發(fā)生變化）；q 為熱流密度；n 為邊界面si、sj上的法向矢量；cp為比熱容；ρ 為介質(zhì)密度；K 為邊界面si、sj的法向熱傳導系數(shù).在進行溫度場計算時，輪轂電機的溫升與材料導熱系數(shù)密切相關，輪轂電機材料的導熱系數(shù)如表3 所示.

表3 輪轂電機不同材料導熱系數(shù)Tab.3 Thermal conductivity of different materials for in-wheel motors W·（m·K-1）

考慮到流體的黏性以及管道的擾動和阻滯作用，流體在輪轂電機內(nèi)部流動過程中，會損失一定壓力.流體的能量損失可以表示為：

式中：h1為流體能量損失；hf為管道內(nèi)流體沿程能量損失；hm為局部能量損失.

式中：λr為阻力系數(shù)；g 為重力加速度；ζ 為油道總長度；d 水力直徑；vo流體流速；φ 為局部阻力系數(shù).

3 溫度場仿真分析及試驗驗證

3.1 不同工況下輪轂電機磁熱耦合仿真分析

為了全面考慮不同冷源冷卻結(jié)構(gòu)及多模式切換方式對輪轂電機溫度的影響，選取兩種不同運行工況，如表4 所示.將兩種不同轉(zhuǎn)速的運行工況定義為工況1 和工況2.

表4 輪轂電機不同運行工況Tab.4 Different operating conditions of in-wheel motors

考慮到輪轂電機溫升受其內(nèi)部損耗影響以及磁熱耦合方法計算的準確性，采用磁熱耦合方法對輪轂電機溫度場進行仿真計算，通過將電磁場仿真得到的各種損耗加載到溫度場中得到電機溫度場分布情況.由于篇幅限制，本文僅列出工況2 時輪轂電機溫度場分布情況如圖4 及圖5 所示.

圖4 電機整體溫度分布圖Fig.4 Overall temperature distribution diagram of the motor

圖5 電機各部件溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution diagram of each part of the motor

由圖4 可以看出電機采用自然風冷冷卻方式時，溫度場分布極不均勻，熱量主要集中在繞組以及定子齒部，轉(zhuǎn)子和永磁體熱量分布較少.由圖5 可以得出，繞組與定子為最高溫度部件，其中定子齒部與定子軛部溫度差別較大.永磁體與轉(zhuǎn)子溫度較低，但是熱量分布較均勻.

對輪轂電機在不同運行工況下進行仿真分析，運行時間為150 min，冷卻方式為自然風冷，不同運行工況下電機各部件溫升如圖6 所示.由圖6 可以得出，電機的繞組與定子的溫升受不同運行工況影響較大，而永磁體與轉(zhuǎn)子受到的影響相對較小.兩種電機的運行工況的溫度上升趨勢相同，先快速上升而后逐漸趨于平緩，電機的最高溫度為繞組的168℃，影響電動汽車的長時間安全運行，因此為保證電動汽車的安全性，需要采用相應的冷卻方式.

圖6 不同工況電機各部件最高溫升曲線Fig.6 The maximum temperature rise curve of each part of the motor under different working conditions

3.2 冷卻方式對電機溫升影響

為降低輪轂電機的溫度，保證電動汽車的安全運行，研究不同冷源輪轂電機多模式切換對溫度場的影響，并對比分析水冷、油內(nèi)冷及不同冷源冷卻方式對電機溫升的影響.

圖7 為不同工況下水冷和油內(nèi)冷對電機各部件溫升的影響.由圖7（a）（b）可以看出兩種運行工況下水冷冷卻方式對電機的高溫部件繞組和定子具有較好的降溫效果，但對永磁體和轉(zhuǎn)子溫升影響較小.由圖7（c）（d）可以看出油內(nèi)冷冷卻方式相對于水冷對電機的繞組和定子影響較小，且永磁體與轉(zhuǎn)子溫度相對于自然風冷反而上升，這是因為冷卻油在電機內(nèi)部流動，具有均溫效果，使永磁體及轉(zhuǎn)子溫度上升.兩種冷卻方式中，水冷冷卻方式對電機繞組和定子具有較好冷卻效果，但是電機內(nèi)部溫差較大.油內(nèi)冷冷卻方式對電機繞組和定子冷卻作用較小，但是電機內(nèi)部溫差減小，有利于電機整體冷卻.兩種冷卻方式對電機短時間運行都有較好的冷卻效果，但是隨著電機運行時間增加，溫度持續(xù)上升，最高溫度達到139 ℃，使電動汽車的安全運行存在一定隱患.

圖7 不同工況輪轂電機水冷及油內(nèi)冷最高溫升曲線Fig.7 The maximum temperature rise curve of water cooling and oil cooling of in-wheel motors under different working conditions

3.3 不同冷源多模式切換方式對電機溫升影響

圖8 為不同冷源多模式切換方式溫升仿真結(jié)果.考慮到輪轂電機采用自然風冷溫升較高，造成電機的切換次數(shù)增加，為降低輪轂電機溫度上升速度及減少冷源切換次數(shù)，在電機溫度上升至A 點時采用第一階段水冷冷卻方式進行溫升分析.圖8（a）由于工況1 溫升較慢，所以在冷卻方式切換過程中只進行了一次冷源的切換，冷源切換后溫度在短時間內(nèi)下降，之后溫度持續(xù)上升，但電機運行到150 min 時最高溫度在合理范圍內(nèi)，沒有進行下一次的冷源切換；由圖8（b）可以看出，電機在冷卻方式切換中一共切換了三次冷源，依次使電機最高溫度下降了7 ℃、9 ℃和5 ℃，使電機最高溫度保持在合理范圍內(nèi).由于油冷冷源切換時，電機溫度上升較快，所以對電機的冷卻效果相對下降；而混合冷卻中油冷冷源切換速度較快，導致水冷冷源溫度較高，使混合冷卻對電機冷卻效果降低.不同冷源多模式切換方式中冷源切換次數(shù)受不同的電機工況影響較大，對電動汽車的長時間運行冷卻效果較好.

圖8 不同冷源多模式切換方式輪轂電機最高溫升曲線Fig.8 The maximum temperature rise curve of the in-wheel motor with different cooling sources and multi-mode switching methods

3.4 試驗驗證

輪轂電機試驗測試平臺如圖9 所示，主要包括：輪轂電機、測功機、電機控制器、溫度傳感器以及紅外線測溫儀.通過安裝在繞組中的溫度傳感器及測溫儀的作用，對電機的繞組和轉(zhuǎn)子部件進行溫度測量.輪轂電機樣機如圖10 所示，通過相應的管路使冷卻油進入電機內(nèi)部，達到相應的冷卻效果.

圖9 輪轂電機試驗測試系統(tǒng)Fig.9 In-wheel motor test test system

圖10 輪轂電機試驗樣機Fig.10 In-wheel motor test prototype

圖11 為工況1 計算結(jié)果與試驗測量溫度曲線.由圖11 可以得出，輪轂電機的繞組和轉(zhuǎn)子試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果溫升變化趨勢一致，在溫升過程中進行了一次冷源切換；相較于工況2 少進行兩次冷源切換，這是由于受到不同轉(zhuǎn)速的影響，說明多冷源冷卻結(jié)構(gòu)及方式受冷源流速影響較大.隨著電機運行時間的增加，試驗測量結(jié)果與計算結(jié)果誤差加大，繞組最大誤差為5.1%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.9%，這是由于長時間的試驗測量計算，計算精度下降，從而導致結(jié)果出現(xiàn)一定誤差.

圖11 工況1 計算結(jié)果與試驗測量溫度曲線Fig.11 Working condition 1 calculation results and experimental measurement temperature curve

圖12 為工況2 計算結(jié)果與試驗測量溫度曲線.由圖12 可以看出，試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果都進行了三次冷源切換，且每次冷源切換后都使電機溫度得到一定程度的下降；在第三次冷源切換后溫度下降相對較少，一方面是由于電機的持續(xù)運行使電機溫度較高，另一方面是由于冷卻液本身帶有一定熱量，使電機冷卻效果下降；工況2 中試驗測量結(jié)果與計算結(jié)果吻合度較高，但是存在一定誤差，繞組最大誤差為4.8%，轉(zhuǎn)子最大誤差為4.5%.這是受到試驗環(huán)境、試驗測量手段以及測量工具的精度影響，從而產(chǎn)生一定誤差.

圖12 工況2 計算結(jié)果與試驗測量溫度曲線Fig.12 Working condition 2 calculation results and experimental measurement temperature curve

通過對輪轂電機多冷源冷卻方式的試驗驗證可得，計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果吻合度較高，可驗證該冷卻方式的正確性.

4 結(jié)論

本文針對輪轂電機電動汽車長時間運行產(chǎn)生較高溫升問題，提出一種不同冷源多模式切換冷卻方式.首先，采用磁熱耦合方法對自然水冷方式的輪轂電機進行溫度場仿真分析.其次，對采用水冷和油內(nèi)冷的輪轂電機進行溫升仿真分析.最后，通過對不同冷源多模式切換冷卻方式進行溫升仿真分析，從而進行水冷、油內(nèi)冷和不同冷源多模式切換方式之間的溫升對比分析.

對不同冷源多模式切換冷卻方式的仿真結(jié)果分析表明，該方式通過對不同冷源的模式切換，可以有效減少電動汽車在長時間運行帶來的高溫問題；電機的不同運行工況對多冷源冷卻方式的冷卻效果影響較大；仿真與試驗結(jié)果的對比分析，進一步驗證了該冷卻方式對電機降溫效果的有效性，為輪轂電機電動汽車長時間帶來的溫升問題的研究提供一定參考.