芝能智芯出品

FEV Europe GmbH做了一份材料介紹了電動(dòng)車輛中高速牽引電機(jī)的熱集成問(wèn)題，并提出了一些未來(lái)趨勢(shì)和解決方案。

●??電機(jī)熱管理?

近年來(lái)，電動(dòng)汽車技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但電機(jī)熱管理問(wèn)題一直是電動(dòng)車輛領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。純電動(dòng)汽車中電機(jī)已經(jīng)表現(xiàn)出高效的特點(diǎn)，但在傳動(dòng)系統(tǒng)中仍然導(dǎo)致能量損失。未來(lái)的能源消耗目標(biāo)要求進(jìn)一步提高電機(jī)效率，以減少能源消耗并增加續(xù)航里程。電機(jī)的熱管理被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。?

●?溫度對(duì)電機(jī)效率的影響?

研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的溫度對(duì)其效率有著顯著的影響。特定操作點(diǎn)下，更高的溫度可以提高電機(jī)的效率，因此在日常駕駛中，“溫度更高更好！”通過(guò)主動(dòng)控制電機(jī)的溫度，可以有效提高效率。

當(dāng)電機(jī)溫度從60°C升至140°C時(shí)，電動(dòng)汽車的效率出現(xiàn)了明顯的差異，針對(duì)一款緊湊型電動(dòng)汽車，由單電軸驅(qū)動(dòng)，搭載了峰值功率為150千瓦的傳動(dòng)系統(tǒng)。研究使用了最先進(jìn)的永磁同步電機(jī)（PMSM）進(jìn)行模擬，電機(jī)設(shè)計(jì)采用了三角形極性形狀和夾板繞組。當(dāng)電機(jī)溫度達(dá)到140°C時(shí)，正數(shù)（綠色）表示電機(jī)的效率明顯提高，特別是在低扭矩區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，電機(jī)需要較少的過(guò)度勵(lì)磁，減少了磁場(chǎng)削弱電流的需求，但也需要具備熱動(dòng)力學(xué)行為。

但是在高負(fù)載區(qū)域，電機(jī)的效率下降，主要原因是銅損耗增加，因此需要更好的冷卻系統(tǒng)來(lái)維持性能。

對(duì)于日常駕駛來(lái)說(shuō)，“溫度更高就更好！”。在正常駕駛條件下，較高的電機(jī)溫度可以提高效率。通過(guò)積極控制電機(jī)的溫度，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的熱場(chǎng)減弱，從而進(jìn)一步提高效率。這種技術(shù)特別適用于高速和輕量化設(shè)計(jì)的電機(jī)，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩墓β拭芏?、更高的損耗密度和更短的熱升溫時(shí)間。在WLTC測(cè)試中，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)溫度可以實(shí)現(xiàn)更高的性能和效率。

●?增加電機(jī)功率密度

提高電機(jī)的功率密度是提高電機(jī)性能的一種方法，可以通過(guò)增加電機(jī)的運(yùn)行速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也需要權(quán)衡功率密度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，以確保電機(jī)的可靠性和性能。?

高速電機(jī)設(shè)計(jì)是提高功率密度的有效途徑，通常包括改進(jìn)的氣隙半徑、更高的材料密度以及高效的冷卻方法，可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更少的材料消耗和更高的效率。?

● 電機(jī)的冷卻概念?

不同的電機(jī)冷卻概念，包括直接冷卻定子、直接冷卻轉(zhuǎn)子和定子層疊冷卻。

1）電機(jī)定子外殼冷卻方案具有以下特點(diǎn)：

附加工作量較低

冷卻液、繞組和絕緣層之間無(wú)接觸

不會(huì)對(duì)電機(jī)的磁性能產(chǎn)生影響

在熱源（繞組）和冷卻介質(zhì)之間存在較大的熱阻

需要額外的徑向空間

密封和制造較為復(fù)雜 ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2）電機(jī)定子層疊片冷卻方案則有以下特點(diǎn)：

熱阻較低

繞組、絕緣和冷卻介質(zhì)之間無(wú)接觸

可能對(duì)電機(jī)的磁性能產(chǎn)生影響

鋼片之間可能存在泄漏

可能導(dǎo)致扭矩支撐表面的損失（采用壓配方式）

3）直接定子繞組冷卻方案則包括以下特點(diǎn)：

可以直接將熱量散發(fā)到熱源處，非常有效地冷卻繞組，為繞組提供了最高的冷卻潛力

繞組、絕緣和冷卻液之間有接觸

可能對(duì)絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生影響

鋼片之間可能存在泄漏

這些不同的定子冷卻方案各有利弊，選擇合適的方案需要根據(jù)具體應(yīng)用和性能需求進(jìn)行權(quán)衡。

4）轉(zhuǎn)子軸冷卻方案包括以下特點(diǎn)：

使用中空軸時(shí)，附加工作量較低，易于設(shè)計(jì)實(shí)施。

在熱源（磁鐵、轉(zhuǎn)子棒或勵(lì)磁繞組）和冷卻介質(zhì)之間存在較長(zhǎng)的熱傳遞路徑。

5）轉(zhuǎn)子層疊片冷卻方案則有以下特點(diǎn)：

更靠近磁鐵激勵(lì)源。

不與磁鐵接觸，利用轉(zhuǎn)子孔。

鋼片之間可能存在泄漏。

在磁通區(qū)域設(shè)置冷卻通道。

不同通道中冷卻液的供應(yīng)可能不均勻，可能導(dǎo)致不平衡（例如，由于壓力差異）。

6）直接轉(zhuǎn)子激勵(lì)冷卻方案則包括以下特點(diǎn)：

可以將熱量迅速散發(fā)到熱源附近，具有較高的熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

具有挑戰(zhàn)性的機(jī)械設(shè)計(jì)。

可能損失磁性活性材料。

冷卻液的路由較為復(fù)雜。

這些不同的轉(zhuǎn)子冷卻方案各有其優(yōu)勢(shì)和限制，選擇適合特定應(yīng)用需求的方案需要進(jìn)行綜合考慮。

●?電機(jī)熱建模方法?

為了解決電機(jī)熱管理問(wèn)題，研究人員采用了多種熱建模方法，包括電磁有限元分析和計(jì)算流體力學(xué)模擬。這些方法的結(jié)合可以更準(zhǔn)確地評(píng)估電機(jī)的熱特性，有助于優(yōu)化冷卻方案。?

●?冷卻對(duì)電機(jī)性能的影響?

不同的冷卻方法對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生了不同的影響，包括溫度上升速率和功率密度，設(shè)計(jì)良好的冷卻方法可以顯著提高電機(jī)的持續(xù)扭矩，從而增加了電動(dòng)汽車在高負(fù)載條件下的性能。?

●?結(jié)論和展望?

電機(jī)熱管理是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，制造下一代電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元所面臨的新挑戰(zhàn)，冷卻劑的選擇和開發(fā)，以及通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制來(lái)優(yōu)化整個(gè)熱系統(tǒng)，以提高電動(dòng)汽車的效率和性能。?

電機(jī)熱管理問(wèn)題將繼續(xù)引領(lǐng)電動(dòng)車輛技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)更高效的電機(jī)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的熱管理方法，有望在未來(lái)看到更具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車，將提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更卓越的性能。

審核編輯：湯梓紅