摘要：為延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，應(yīng)加強(qiáng)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱系統(tǒng)技術(shù)研究，通過(guò)高壓扁線(xiàn)油冷電驅(qū)動(dòng)可有效提升電機(jī)散熱穩(wěn)定性，促進(jìn)電機(jī)傳熱效率的提升。據(jù)此，對(duì)新能源汽車(chē)扁線(xiàn)電機(jī)技術(shù)、扁線(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)以及油冷技術(shù)進(jìn)行分析，在扁線(xiàn)電機(jī)基礎(chǔ)上構(gòu)建新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)油冷系統(tǒng)，提出相應(yīng)的油冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)電機(jī)各部分損耗展開(kāi)計(jì)算，并就機(jī)殼冷卻油道及噴淋油道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)電機(jī)散熱性能及結(jié)構(gòu)可靠性的提升。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；油冷系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469? 收稿日期：2023-12-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.010

1 前言

近年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行需求，應(yīng)不斷提高電機(jī)性能與效率，因此應(yīng)針對(duì)更高功率密度電機(jī)展開(kāi)深入研究，以乘用車(chē)功率度達(dá)到4 kW/kg以上為目標(biāo)，推動(dòng)電驅(qū)系統(tǒng)朝向高效化、輕量化、低成本方向發(fā)展。

作為其中的關(guān)鍵技術(shù)，油冷技術(shù)在扁線(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)中得到十分廣泛的應(yīng)用，在實(shí)踐中應(yīng)做好定子鐵芯通油、油環(huán)噴淋、轉(zhuǎn)子鐵芯通油及甩油等測(cè)試工作，確保滿(mǎn)足大扭矩、高轉(zhuǎn)速、高可靠性的油冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2 新能源汽車(chē)扁線(xiàn)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 扁線(xiàn)電機(jī)技術(shù)

扁線(xiàn)電機(jī)即為條形繞組電機(jī)（Bar-wound motor），采用扁銅線(xiàn)繞組電機(jī)定子替代原本的圓銅線(xiàn)繞組，配套相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及冷卻方案，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化。當(dāng)前，扁線(xiàn)電機(jī)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有功率密度大、散熱性能強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)。電機(jī)能量損耗類(lèi)型包括電機(jī)銅耗、電機(jī)鐵耗以及雜散損耗等，其中電機(jī)銅耗占據(jù)整體損耗的70%以上，因此降低電機(jī)銅耗也成為降低總體電機(jī)能量損耗的關(guān)鍵[1]。

扁線(xiàn)電機(jī)由于采用扁銅線(xiàn)繞組，相較于其他繞組形式，可通過(guò)調(diào)整銅線(xiàn)截面積的方式降低銅耗；相比于傳統(tǒng)的細(xì)圓導(dǎo)線(xiàn)繞組，扁銅線(xiàn)繞組可通過(guò)減小扁線(xiàn)間隙達(dá)到增加繞組銅線(xiàn)容量的作用，槽填充率進(jìn)一步提升，最高可達(dá)70%。經(jīng)測(cè)試，在相同電機(jī)功率下，扁線(xiàn)電機(jī)定子鐵芯及端部尺寸可有效縮減，不僅可以減少材料消耗，還可以促進(jìn)電機(jī)功率密度的提升[2]。

在此基礎(chǔ)上，相較于圓線(xiàn)電機(jī)，扁線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在以下幾方面：

a.槽口尺寸更小，對(duì)電磁噪聲及電樞噪音有著良好的抑制作用，通過(guò)配合轉(zhuǎn)子磁極以呈現(xiàn)出更良好的NVH性能。

b.扁線(xiàn)電機(jī)繞組端部形狀多樣電機(jī)小型化、輕量化發(fā)展提供便利條件。

c.導(dǎo)體內(nèi)部空隙縮減導(dǎo)致導(dǎo)體與鐵芯槽之間的接觸面積擴(kuò)大，促進(jìn)電機(jī)熱傳導(dǎo)性能與散熱性能的優(yōu)化。

d.繞組端部間隙的留出可為系統(tǒng)散熱系統(tǒng)條件，并在端部噴油冷卻技術(shù)的配合下，優(yōu)化扁線(xiàn)電機(jī)散熱性能，為新能源汽車(chē)動(dòng)力性能的提升奠定基礎(chǔ)[3]。

2.2 扁線(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)

扁線(xiàn)電機(jī)按繞組類(lèi)型劃分包括集中繞組、波繞組以及Hairpin（發(fā)卡）扁線(xiàn)電機(jī)，而發(fā)卡結(jié)構(gòu)是當(dāng)前扁線(xiàn)電機(jī)中的主流結(jié)構(gòu)。扁線(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)按工藝可分為U-PIN和I-PIN兩種類(lèi)型，前者是在將扁銅線(xiàn)一端制成U形的基礎(chǔ)上插入定子鐵心槽，再將另一端扭轉(zhuǎn)共同組成波浪型繞組；后者是直接將直銅線(xiàn)插入定子鐵芯槽，兩端同時(shí)扭轉(zhuǎn)組成波浪型繞組。

對(duì)于U-PIN和I-PIN工藝來(lái)說(shuō)，二者均屬于軸向嵌裝繞組結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行效率、峰值扭矩上并沒(méi)有明顯差異，但相較于U-PIN，I-PIN在持續(xù)扭矩以及持續(xù)功率上更具優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)由于焊點(diǎn)增加，也面臨更高的焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 油冷技術(shù)

傳統(tǒng)水冷散熱方式在進(jìn)行繞組熱量散熱處理的過(guò)程中，往往需要經(jīng)過(guò)絕緣層，經(jīng)由定子鐵芯再達(dá)到機(jī)殼。運(yùn)行過(guò)程中，若在路徑中出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，會(huì)在一定程度上對(duì)水冷散熱效率造成不利影響。

基于此，可通過(guò)油冷技術(shù)針對(duì)這一問(wèn)題提出解決方案，既可以實(shí)現(xiàn)與熱源的直接接觸，又可以規(guī)避對(duì)電機(jī)磁路的影響。同時(shí)，將油冷技術(shù)應(yīng)用于扁線(xiàn)電機(jī)領(lǐng)域還有助于達(dá)到更高的散熱效率。

電機(jī)運(yùn)行期間，熱量主要集中在繞組端部，在噴油冷卻技術(shù)作用下，端部可呈現(xiàn)出更為良好的散熱作用，除了噴油冷卻技術(shù)，軸心甩油冷卻技術(shù)等也得到十分廣泛的關(guān)注[4]。

3 基于扁線(xiàn)電機(jī)的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)油冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 油冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

扁線(xiàn)電機(jī)油冷系統(tǒng)運(yùn)行期間，冷卻油在與電機(jī)繞組、定子鐵芯直接接觸時(shí)可呈現(xiàn)良好的散熱效果，同時(shí)具備較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能。扁線(xiàn)電機(jī)油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

定子鐵芯和電機(jī)繞組為扁線(xiàn)電機(jī)的兩大熱源，特別是在運(yùn)行期間，定子鐵芯較繞組的發(fā)熱功率更高。傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)采用內(nèi)置式流道，其散熱效果很大程度上會(huì)受到內(nèi)壁粗糙度和形位公差的影響，加上鐵芯和機(jī)殼之間存在空氣間隙，從而導(dǎo)致冷卻水帶走熱量的過(guò)程更易受熱阻限制，散熱質(zhì)量及效率不高?；诖?，本項(xiàng)目提出通過(guò)機(jī)殼內(nèi)壁油槽替換內(nèi)置式油道的方案，通過(guò)油冷散熱系統(tǒng)增加冷卻油與定子鐵芯的接觸面積，減少定子鐵芯冷卻受氣隙熱阻的影響。

而對(duì)于扁線(xiàn)電機(jī)端部繞組來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)下，端部繞組散熱條件較定子鐵芯更差，隨著接觸面的增加，其接觸的熱阻也大大增加，導(dǎo)致端部繞組散熱效果不佳，同時(shí)電機(jī)內(nèi)部也出現(xiàn)較大的溫度梯度。

針對(duì)這一情況，本項(xiàng)目提出預(yù)埋熱傳感器的方式獲取端部繞組溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合電機(jī)最大溫升加強(qiáng)對(duì)端部繞組溫度的把控。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目進(jìn)一步將噴淋油道調(diào)整至機(jī)殼處，實(shí)現(xiàn)冷卻油與端部繞組的直接接觸，確?？稍诙虝r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果，同時(shí)規(guī)避空氣參與到接觸面中，避免接觸熱阻對(duì)冷卻油散熱效果的影響。

3.2 電機(jī)損耗計(jì)算

本項(xiàng)目為高壓（800 V）扁線(xiàn)油冷電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min。扁線(xiàn)電機(jī)運(yùn)行期間所產(chǎn)生的損耗包括電機(jī)銅耗、電機(jī)鐵耗、雜散損耗等，因此本項(xiàng)目也需要針對(duì)繞組線(xiàn)圈、鐵芯等位置產(chǎn)生的損耗進(jìn)行計(jì)算[4]。本項(xiàng)目基于扁線(xiàn)電機(jī)電磁仿真對(duì)電機(jī)損耗進(jìn)行分析與計(jì)算，探討電機(jī)溫度升高受各部分損耗的影響，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)電機(jī)運(yùn)行溫度分布提供參考。

3.2.1 繞組銅耗計(jì)算

扁線(xiàn)電機(jī)銅耗是指電機(jī)運(yùn)行期間，銅線(xiàn)繞組會(huì)出現(xiàn)一定程度上的發(fā)熱，并形成相應(yīng)的能量損耗。通常情況下，扁線(xiàn)電機(jī)銅耗包括直流銅耗、交流銅耗，其中直流銅耗以電流熱效應(yīng)為主要影響因素，因此在計(jì)算過(guò)程中需考慮熱效應(yīng)影響，進(jìn)而引入焦耳公式，其公式表示為：

[PCu=mI2R]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[PCu]為繞組銅耗，W；[m]為電機(jī)繞組相數(shù)；[I]為繞組相電流有效值，A；[R]為繞組相電阻阻值，Ω。

扁線(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)部溫度會(huì)受到各部分損耗影響而升高，考慮到本項(xiàng)目中的電機(jī)機(jī)組功率與銅耗較大，其定子繞組阻值勢(shì)必會(huì)存在較大范圍的溫度變化，其溫度變化計(jì)算公式表示為：

[R=R01+α0T?T0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[R]為溫度[T]時(shí)的繞組相電阻阻值，Ω；[R0]為溫度[T0]時(shí)的繞組相電阻阻值，Ω；[α0]為電阻溫度系數(shù)；[T]和[T0]分別為繞組溫度與起始環(huán)境溫度，℃，本項(xiàng)目在計(jì)算過(guò)程中，[T0]取值為20℃，而[R0]的公式則表示為：

[R0=PCu2LhNnπad22]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[PCu]為溫度[T0]時(shí)的銅線(xiàn)電阻率，Ω?m；[Lh]為繞組線(xiàn)圈半匝長(zhǎng)，m；[N]為繞組串聯(lián)匝數(shù)；[n]為并聯(lián)支路數(shù)；[a]為并繞根數(shù)；[d]為繞組銅線(xiàn)直徑，m。

由于本項(xiàng)目采用的是扁線(xiàn)繞組，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下，受到集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)的影響也會(huì)產(chǎn)生交流銅耗，其計(jì)算公式為：

[PAC=PDC+Pstrand+Pbundle]? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[PAC]為導(dǎo)體總銅耗；[PDC]為直流銅耗；[Pstrand]為基于單根導(dǎo)體的交流銅耗；[Pbundle]為基于成束導(dǎo)體的交流銅耗。

3.2.2 定子鐵耗計(jì)算

扁線(xiàn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一定的鐵芯損耗，可以分為磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗，電機(jī)繞組在接入電流后可形成電力磁效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的改變，在此基礎(chǔ)上受到磁滯效應(yīng)影響而產(chǎn)生相應(yīng)的磁滯損耗；電機(jī)鐵芯磁通工況下則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的渦流效應(yīng)，造成一定的渦流損耗，此外定子鐵耗還包括一定的異常損耗。對(duì)扁線(xiàn)電機(jī)定子鐵耗進(jìn)行計(jì)算，其公式表示為：

[PFe=Ph+Pc+Pe=khfB2+kCf2B2+kef1.5B1.5]? ?（5）

式中，[PFe]為定子鐵耗，[Ph]、[Pc]、[Pe]分別為磁滯損耗、渦流損耗以及異常損耗；[kh]、[kC]、[ke]分別為磁滯損耗、渦流損耗與異常損耗系數(shù)；[f]為交變電流頻率，Hz；[B]為磁密幅值，T。

根據(jù)式（5）可以進(jìn)一步看出，扁線(xiàn)電機(jī)鐵耗與電流頻率有著十分密切的關(guān)系，鐵芯渦流損耗會(huì)隨著電流頻率增加而增加，其增長(zhǎng)速率也呈現(xiàn)出快速增加的趨勢(shì)。當(dāng)處于特定工況時(shí)，電機(jī)鐵耗往往會(huì)比銅耗更大。

3.2.3 雜散損耗計(jì)算

扁線(xiàn)電機(jī)雜散損耗往往會(huì)受到多方面因素的影響，包括線(xiàn)圈繞組電流、定子鐵芯開(kāi)槽等，這也給扁線(xiàn)電機(jī)雜散損耗的精確計(jì)算帶來(lái)一定難度。在這樣的情況下，本項(xiàng)目通過(guò)測(cè)試得到在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流持續(xù)增大的過(guò)程中，雜散損耗會(huì)隨著電流平方的增加而增加，因此可通過(guò)近似公式完成雜散損耗的計(jì)算，其公式表示為：

[Ps=IIr2KsPN]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[I]為電機(jī)線(xiàn)電流，A；[Ir]為電機(jī)額定電流，A；[Ks]為電機(jī)雜散損耗系數(shù)；[PN]為電機(jī)額定功率，W。

4 油冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)殼冷卻油道設(shè)計(jì)

在進(jìn)行機(jī)殼冷卻油道設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主要目的是提升電機(jī)油道冷卻效果，因此應(yīng)對(duì)油道進(jìn)行合理選型。現(xiàn)階段，常見(jiàn)的油道類(lèi)型有螺旋型、折返型、周向型等，通過(guò)對(duì)散熱系數(shù)、壓力損失等參數(shù)進(jìn)行衡量，同時(shí)考慮到本項(xiàng)目采用的扁線(xiàn)電機(jī)功率密度較高，經(jīng)過(guò)綜合考量選定軸向折返型油道結(jié)構(gòu)，同時(shí)將油道直角通道調(diào)整為圓角，以實(shí)現(xiàn)油道壓阻條件的優(yōu)化，使冷卻油呈現(xiàn)出更順暢的流動(dòng)狀態(tài)，從而起到降低油道壓力損失的作用?；诖耍卷?xiàng)目結(jié)合圓角過(guò)渡設(shè)計(jì)思路提出優(yōu)化油道設(shè)計(jì)方案，圖2為S形軸向折返油道示意圖。

結(jié)合圖2信息可以看出，本項(xiàng)目的油道方案采用矩形截面，進(jìn)油口設(shè)置在機(jī)殼油道中間處，確保電機(jī)前后機(jī)油道長(zhǎng)度保持一致。在此基礎(chǔ)上，又對(duì)油道寬度、高度以及折返半徑等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而呈現(xiàn)出最優(yōu)的流阻和換熱能力效果。經(jīng)測(cè)試，在油道高度為8.5 mm、油道寬度為18 mm、折返次數(shù)為16次、油道軸向整長(zhǎng)為83 mm的情況下，直角折返、圓角折返以及本項(xiàng)目采用的S形折返的油道換熱面積分別為30 928 mm2、28 314 mm2以及26 343 mm2。

4.2 噴淋油道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扁線(xiàn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，為達(dá)到良好的冷卻效果，需要使得冷卻油在重力作用下自上而下流動(dòng)并與端部繞組直接接觸，從而保證電機(jī)冷卻的均勻性與全面性。在此過(guò)程中，為盡可能減少?lài)娏苡偷缐毫p失，往往不會(huì)在電機(jī)底部布置噴嘴。本項(xiàng)目在進(jìn)行電機(jī)噴淋油道設(shè)計(jì)及其與機(jī)殼油道連接設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基于冷卻油流動(dòng)特點(diǎn)提出環(huán)繞電機(jī)上方240°、180°、120°三種布置方案（圖3、圖4、圖5），分別對(duì)應(yīng)的噴嘴數(shù)量為17個(gè)、13個(gè)、9個(gè)，噴淋油路尺寸均為5/18 mm，噴嘴直徑均為1.5 mm。在對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中，考慮到為使冷卻油順利流出，需要設(shè)置額外的抽油泵與進(jìn)油泵，因此240°噴嘴布置方案具有更強(qiáng)的適用性。

5 結(jié)語(yǔ)

扁線(xiàn)電機(jī)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)引入扁線(xiàn)發(fā)卡繞組工藝，更好地滿(mǎn)足新能源汽車(chē)電機(jī)高效能、輕量化、高功率密度的發(fā)展要求。為提高電機(jī)散熱效率，本項(xiàng)目將傳統(tǒng)水冷散熱系統(tǒng)替換為油冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)各部分損耗精確計(jì)算的同時(shí)，強(qiáng)化了油冷系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，從而確保扁線(xiàn)電機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間處于高效的散熱狀態(tài)，為電機(jī)持續(xù)功率和持續(xù)扭矩的提高提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲亞飛，毛紅生.新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].時(shí)代汽車(chē)，2023（15）：80-82.

[2]高銀橋.新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（12）：249-250.

[3]郭少杰，王軍雷，夏天，等.基于專(zhuān)利分析的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].汽車(chē)文摘，2020（5）：8-12.

[4]陳廣林，周文，陳寄貴，等.純電動(dòng)汽車(chē)集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的研究與應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020（15）：8-9+28.

作者簡(jiǎn)介：

楊?lèi)偹迹校?987年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)新能源電機(jī)、扁線(xiàn)定子、電驅(qū)動(dòng)油冷。