動電機需要經(jīng)常性的啟停、加速、減速，在上坡時需要高轉(zhuǎn)矩，而在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩，需要有較寬的變速范圍。因此通工業(yè)電機相比，電動汽車驅(qū)動電機在負載要求、設(shè)計方案等方面有著更為特殊的需求，其相對于普通工業(yè)電機體積更小、最高轉(zhuǎn)速更高、過載能力更強，同時所面對的運行工況更加復(fù)動汽車驅(qū)動電機在工作過程中，其內(nèi)部器件些損耗會以熱的形式體現(xiàn)，導(dǎo)致電機整體溫度升高。電機高會導(dǎo)致驅(qū)動電機繞組絕緣老化加快、定轉(zhuǎn)子發(fā)生形變、壽命降低等不良后果，大大降低了驅(qū)動電機的可靠性和安全性。因此，基于溫升預(yù)測求解的損耗計算和冷卻結(jié)構(gòu)在電動汽車驅(qū)動電機設(shè)計初期有著非常重要的現(xiàn)實意義。本文以電動汽車驅(qū)動電機“熱的來源－熱的處理－實際應(yīng)用”為主線，首先對電動汽車驅(qū)動電機溫升的來源－損耗原了簡述，進而對近年來國內(nèi)外電動汽車驅(qū)動電機冷卻設(shè)計按照自然冷卻、強迫風冷、液冷的分類方式對其研究現(xiàn)狀進行了闡述，并提供了相應(yīng)的實際案例，總結(jié)了近年來電動汽車驅(qū)動電機冷卻1、電動汽車驅(qū)動電機損耗計算電動汽車驅(qū)動電機溫升的熱源就是電機內(nèi)各部分所產(chǎn)生的每個部位的產(chǎn)熱原理有所不同。目前主流的損耗計[1-2][3-5],該方法就是將電機劃分為有限元模型，將連續(xù)的求解域剖分成若干個單元，使其離散化，將每個單元的解通過連續(xù)函數(shù)進行近似描述損耗主要包括電磁損耗和機械損耗，其中機械損耗主要包括通風損耗以及摩擦損耗，通常對于大型電機影響較大，然而要精準計算出這些損耗非常困難，因此在電動汽車驅(qū)動電機這類中小型電機溫度場的研究中，一般不考慮機械損耗這個因素。電繞組銅耗、鐵心損耗和永磁體渦流損耗組成。電磁場的損耗結(jié)果會以熱載荷的形式輸入到溫度場有限元分析或以熱源的形式[6-7]。根據(jù)第一電動研究院數(shù)據(jù)，2021年1月新[4]。從數(shù)據(jù)可以看出，永磁同步電機逐漸成為了電動汽車乘用車種類主力，因此本節(jié)主要介紹永磁同步電機內(nèi)各部分的損耗繞組銅耗在電動汽車驅(qū)動電機損耗中占比較大，為定[8]為PCu=mI2aveR0(1)式中：PCu為銅耗；m為電機相數(shù)；Iave繞組銅耗由歐姆損耗和渦流損耗兩部分構(gòu)成，其中渦膚效應(yīng)、內(nèi)部臨近效應(yīng)以及外部交變磁場的[9]。對于歐姆損耗來說，由于電動汽車驅(qū)動電機在運行時溫度不斷變化，繞組的電阻值也在不斷改變，繞組的歐姆損耗也隨之[10]。度效應(yīng)的繞組電阻模型為0[1+α(T-T0)]。(2)式中：Rp為溫度為T時的繞組電阻值；R0為溫度為T0時繞組的阻值；α為電阻溫度系數(shù)；T為電機環(huán)境溫度；T0為起始[11],e(3)式中：Pfe為單位重量的鐵心損耗；Ph為單位重量的磁滯損耗；c為單位重量的額外損耗；Pe為單位重量的渦流損耗。目前大量的文獻提出了許多不同的計算模型[12-15],其中被廣為使用的Bertotti鐵耗分離模型為(fBmax)1.5+Ke(fBmax)2（4）式中：PV為單位重量的總鐵心損耗；Kh為磁滯系數(shù)；Kc為額外損耗系數(shù)；Ke為渦流損耗系數(shù)；f為磁通密度的交變頻率；Bmax為對于永磁同步電機來說，相比于鐵心損耗和繞組銅耗，永磁體的渦流損耗數(shù)值較小，在一些情況下可以忽略其對電機溫升的影響。但是對于分數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的永磁電機來說，電樞反應(yīng)磁動勢的諧波磁動勢較大，同時永磁體的電導(dǎo)率較高，電機運行旋轉(zhuǎn)時，永磁體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生損耗進而導(dǎo)致永磁體溫度升高，溫升過高時可能還會造成永磁體不可逆退磁的后果[16-18]。目前在計算永磁體渦流損耗時，為了方便計算通常假設(shè)每一塊永磁體尺寸大小相等并且各相同性，電導(dǎo)率磁導(dǎo)率為定值，不受溫度或磁場等因素影響。永磁體渦流損耗公式[19]為式中：V為渦流損耗空間積分區(qū)域；σ為永磁體電導(dǎo)率；E為電場強度；Jw為渦流密度。電動汽車驅(qū)動電機計算多數(shù)采用有限元計算來保證計算效率及精度。電機在正常運行中其損耗不僅受各類電磁參數(shù)的影響，同時也受復(fù)雜物理場耦合因素的影響，如電磁場、流場和機械場，場與場之間相互作用，會對最終得到的計算結(jié)果造成影響。近年來隨著多物理場耦合研究的不斷發(fā)展，物理場的分布越來越精確，參數(shù)的變化規(guī)律也更加清晰，電機損耗計算的精度也在不斷提高[20-33]。2、電動汽車驅(qū)動電機冷卻結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀由式(2)可以發(fā)現(xiàn)電動汽車驅(qū)動電機繞組的溫度升高會增加繞組阻值，進而增大了繞組銅耗。另外，過高的溫升也會降鐵心、永磁體等磁性材料的性能，增大電機的鐵心損耗[34]冷卻結(jié)構(gòu)以降低其溫升，保證驅(qū)動電機的正常運行。高散熱系統(tǒng)能夠?qū)Ⅱ?qū)動電機運行中所產(chǎn)生的熱量快速傳遞至外部，避免熱量在電機內(nèi)部聚集，使驅(qū)動電機始終在合適的溫度下工作，2.1自然冷卻[35],適用于可靠性較高、工作環(huán)境通風良好的電機。機殼是將熱量從內(nèi)部傳導(dǎo)到周圍環(huán)境的主要路加傳熱系數(shù)、散熱片表面積，可以提高散熱片的傳熱速率。然而，自然對流換熱系數(shù)取決于環(huán)境條件，因此改善自然對流換熱的一種常用方法是擴大散熱片面積。但是增大散熱片面積會增加氣流[36][37-42]時使散熱片的重量和體積最小化。然而，自然冷卻方法只適用于低功率或具有足夠傳熱區(qū)域的大型電機，因此很少應(yīng)用在電動汽受限于電動汽車驅(qū)動電機復(fù)雜的工作環(huán)境，自然冷卻要求。強迫風冷結(jié)構(gòu)一般采用風扇系統(tǒng)提高電(m2·K)，而強迫風冷散熱系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)率可以達到/(m2·K)，顯著提高了電機的冷卻效率[43]。冷結(jié)構(gòu)，雖然強迫風冷比液冷效率要低得多，但是在總通過熱模擬研究了帶有空冷的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對徑向磁通永磁[46]實驗表明，轉(zhuǎn)子冷卻使高速運轉(zhuǎn)時的永磁體溫度地擴大了可能連續(xù)運行的區(qū)域以及可能的過載，電機的熱利用率按照電機內(nèi)部風路和外部風路的連通形式，可以將強系統(tǒng)分為開啟式和封閉式系統(tǒng)。內(nèi)－外風路相連通的為強迫風冷散熱系統(tǒng)，其特點是外部空氣可以進入電機內(nèi)部行熱交換，散熱效率較高；內(nèi)－外風路不相連通的為封迫風冷散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是借助電機內(nèi)部的同軸風扇，以[47]文獻［48］以一臺緊湊型電動汽車的20kW永磁電機為研究對象，提出了一種適用于開啟式強迫風冷散熱的定子鐵心內(nèi)部證了該方案的有效性，結(jié)果表明該方案可以有效的提高開啟式強迫風冷散熱系統(tǒng)雖然有著較高的散熱效程中空氣中的灰塵極易進入電機內(nèi)部，影響冷卻效果，所以需要對定性，因此無法保證開啟式強迫風冷散熱系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。封[49]冷散熱系統(tǒng)，如圖4[49]入了轉(zhuǎn)子通風道。電機軸端的扇葉驅(qū)動氣流在電機定、轉(zhuǎn)子間隙及轉(zhuǎn)子通風道中流動，再通過機殼表面的散熱翅片與外界進交換，冷卻后的氣流再進入電機內(nèi)部進行下一次循環(huán)。經(jīng)測得該系統(tǒng)額定負載下電機各部件的溫升，結(jié)果表明該系統(tǒng)性高等優(yōu)點，其冷卻效率主要由散熱翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體通道的分布位置、流體流量以及機殼表面的散熱系數(shù)等因素決液冷散熱結(jié)構(gòu)是在電機機殼內(nèi)部或電機內(nèi)部設(shè)計密封的循環(huán)流道，冷卻介質(zhì)通過機殼水套、定子通道、轉(zhuǎn)子通道等冷卻結(jié)交換的一種電機冷卻方案。按照冷卻介質(zhì)可以將液冷散為水冷散熱和油冷散熱兩類。液體冷卻方案適用于大功率通過自然散熱無法達到冷卻要求的應(yīng)用情況。液體冷用較多的高熱容液體冷卻介質(zhì)為水、乙二醇和變壓器油之外水還具有無污染、成本低等特點，因此得到了廣泛了改善水介質(zhì)凝固點較高、沸點較低的缺點，在使用過程中會采用水－乙二醇混合溶液，以降低介質(zhì)的凝固點，提散熱系統(tǒng)整體的環(huán)境適應(yīng)性。另外，水冷散熱系統(tǒng)在長時間工作過程中易產(chǎn)生水垢腐蝕機殼，因此在使用時還應(yīng)該添加抗腐[50]。水冷散熱系統(tǒng)主要是通過在機殼內(nèi)部、定子鐵心等部環(huán)流道以達到散熱的目的。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對電電機冷卻水套流體分析進行了深入探索，并取得了較[55][55]所示。實驗結(jié)果表明，增加通路數(shù)或提高流速會降低電機的最高溫度，同時所需的泵功率也會增加。此外，研究發(fā)現(xiàn)多端口系統(tǒng)對于降低電機的最高溫度并沒有什么實質(zhì)性用處。與相同操作[56]利用二維有限元法生成的損耗圖和熱集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其中一部分是波浪形、螺旋形水套式冷卻結(jié)構(gòu)，另一種[56]利用三維共軛傳熱模擬軟件對冷卻液對流換熱進行表明，兩種類型水套的性能非常相似，其中螺旋形水套和損耗略低。當使用彎曲冷卻方案時，低速連續(xù)扭矩比冷卻的方案高出27N·m,在高速水平下略低于波浪形水套。與波形通道和螺旋通道相比，彎曲式冷卻結(jié)構(gòu)還內(nèi)保持較高的扭矩水平，并且驅(qū)動循環(huán)能量損失和繞組溫度都較文獻[57]以小型電動汽車用水冷感應(yīng)電機為例，推導(dǎo)了冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻面積、對流換熱系數(shù)和流體流動阻力關(guān)系。建立了水冷電機流場和溫度場的耦合數(shù)學(xué)求解模型，了水套數(shù)對電機內(nèi)部溫度和流體流動阻力的影響。根和仿真結(jié)果，提出了水冷電機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，于熱源和冷卻介質(zhì)之間的高熱阻，通常不足以針對此類電機，可以對其發(fā)熱嚴重部分設(shè)計專用冷卻結(jié)[58][58]者建立了詳細結(jié)構(gòu)的熱模型，細述考慮電動汽車主要條件的熱分析程序，并對冷卻系統(tǒng)的尺寸、冷卻液入口溫度和流量等參數(shù)進[59]以新型無磁軛分段電樞軸向磁通輪轂電機為研究對象，[59]的內(nèi)表面，繞組固定在靠近翅片的地方，另一個特點是U型水冷卻管道集成在散熱片內(nèi)。冷卻系統(tǒng)中從繞組中產(chǎn)生的熱量可以直接傳遞到散熱片上，然后被散熱片內(nèi)的水冷卻管中的液體帶走，以達到散熱的目的，從而有效降低定子繞組與水冷卻文獻[60]提出了一種改進的非接觸引入式(non-cont actlead-in,NCLI)冷卻結(jié)構(gòu)，如9[60]該結(jié)構(gòu)采用孔板分隔水道，通過向安裝在定子兩側(cè)的水提供冷卻水來散熱。從流－熱耦合計算結(jié)果可以非接觸式引入冷卻結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對該輪轂電機定子部件文獻[61]基于電動汽車用軸向磁通永磁同步電機設(shè)計了410[61]所示。實驗結(jié)果表明，在考慮的最佳選擇。通過優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)的通道數(shù)、徑向長得出了提高冷卻效率的最佳參數(shù)。為提高軸向磁通電機熱分析計算效率，推導(dǎo)了冷卻水最佳進口速度的計算公式，并通過有限元仿真驗證了該方法的準確性，為改進永磁同步電機熱管理提供了電機來說，水冷結(jié)構(gòu)存在兩大難點：一是管道連接復(fù)雜，二封結(jié)構(gòu)存在絕緣安全問題。油介質(zhì)具有較好的絕緣特性，沸機內(nèi)部與電機繞組、定子鐵心等發(fā)熱嚴重部件直接進行熱交換，稱作直接油冷。另外，油介質(zhì)也可以在機殼內(nèi)部的流道中循環(huán)流動達到散熱的目的，稱作間接油冷。其中直接油冷可以分為式和噴油式兩種形式。浸油式油冷是指將電機的定轉(zhuǎn)子都浸冷卻油中，該方案有著較好的冷卻效果同時可以降低電機工聲[62]量損耗；噴油式油冷是將冷卻油噴淋到機殼內(nèi)表面及定子端部，[63]。文獻[64]以電動汽車用發(fā)夾繞組式電機為研究對象，研究了噴油方式對電機冷卻性能的影響。采用油冷卻方法電性能與油和線圈的接觸面積成正比。研究結(jié)果表明滴水圈上形成油膜越厚，其對發(fā)夾式電機的冷卻越有效，如圖11[64]所示。文獻提出了采用端部繞組浸油冷卻結(jié)構(gòu)和定12[65]所示。根據(jù)油冷電動汽車用永磁同步電機在額定工況下的試驗結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的油冷電機的溫升低于水冷電機，電機前后溫差在降低18℃。目前，水冷散熱系統(tǒng)在電動汽車驅(qū)動電機領(lǐng)域仍占領(lǐng)著主導(dǎo)地位。但是水冷散熱系統(tǒng)目前存在也許多缺點，如管道內(nèi)污漬、腐蝕、泄漏以及污染。冷卻通道內(nèi)殘留的污漬可能導(dǎo)致流動阻力顯著上升，導(dǎo)致冷卻效率下降。因此為了驅(qū)動電機運行的安全性和穩(wěn)定性，需要對水冷散熱系統(tǒng)的循環(huán)管路進行更可靠的密封。直接油冷散熱系統(tǒng)的散熱效率要遠高于水冷散熱系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)需要非常嚴格的過濾系統(tǒng)對油介質(zhì)進行過濾，防止油中的雜質(zhì)對電機內(nèi)部的絕緣造成損害。這就導(dǎo)致油冷散熱系統(tǒng)成本要高于水冷散熱系統(tǒng)，因此其應(yīng)用規(guī)模目前不如3電動汽車冷卻系統(tǒng)應(yīng)用實例尼桑日產(chǎn)LEAF電動汽車配備了一臺永磁電機，設(shè)計了水套冷卻散熱系統(tǒng)，其驅(qū)動電機及冷卻結(jié)構(gòu)分布如圖13[36]所示。該冷卻結(jié)構(gòu)架設(shè)于定子上方，同時為了保證冷卻性能，該散熱系統(tǒng)采用了EGW50/50Zytek所制造的電動汽車用永磁同步電機采用了雙冷卻散熱系統(tǒng)，如圖14[36]組成，風扇驅(qū)動流體循