芝能智芯出品

FEV Europe GmbH做了一份材料介紹了電動車輛中高速牽引電機的熱集成問題，并提出了一些未來趨勢和解決方案。

●??電機熱管理?

近年來，電動汽車技術取得了長足的進步，但電機熱管理問題一直是電動車輛領域的挑戰(zhàn)之一。純電動汽車中電機已經(jīng)表現(xiàn)出高效的特點，但在傳動系統(tǒng)中仍然導致能量損失。未來的能源消耗目標要求進一步提高電機效率，以減少能源消耗并增加續(xù)航里程。電機的熱管理被認為是實現(xiàn)這一目標的關鍵因素之一。?

●?溫度對電機效率的影響?

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

當電機溫度從60°C升至140°C時，電動汽車的效率出現(xiàn)了明顯的差異，針對一款緊湊型電動汽車，由單電軸驅(qū)動，搭載了峰值功率為150千瓦的傳動系統(tǒng)。研究使用了最先進的永磁同步電機（PMSM）進行模擬，電機設計采用了三角形極性形狀和夾板繞組。當電機溫度達到140°C時，正數(shù)（綠色）表示電機的效率明顯提高，特別是在低扭矩區(qū)域。在這個區(qū)域，電機需要較少的過度勵磁，減少了磁場削弱電流的需求，但也需要具備熱動力學行為。

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

對于日常駕駛來說，“溫度更高就更好！”。在正常駕駛條件下，較高的電機溫度可以提高效率。通過積極控制電機的溫度，可以實現(xiàn)主動的熱場減弱，從而進一步提高效率。這種技術特別適用于高速和輕量化設計的電機，因為它們具有更高的功率密度、更高的損耗密度和更短的熱升溫時間。在WLTC測試中，通過優(yōu)化電機溫度可以實現(xiàn)更高的性能和效率。

●?增加電機功率密度

提高電機的功率密度是提高電機性能的一種方法，可以通過增加電機的運行速度來實現(xiàn)。這也需要權衡功率密度和轉(zhuǎn)速之間的關系，以確保電機的可靠性和性能。?

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

● 電機的冷卻概念?

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

1）電機定子外殼冷卻方案具有以下特點：

附加工作量較低

冷卻液、繞組和絕緣層之間無接觸

不會對電機的磁性能產(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

密封和制造較為復雜 ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2）電機定子層疊片冷卻方案則有以下特點：

熱阻較低

繞組、絕緣和冷卻介質(zhì)之間無接觸

可能對電機的磁性能產(chǎn)生影響

鋼片之間可能存在泄漏

可能導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：

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)具體應用和性能需求進行權衡。

4）轉(zhuǎn)子軸冷卻方案包括以下特點：

使用中空軸時，附加工作量較低，易于設計實施。

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

5）轉(zhuǎn)子層疊片冷卻方案則有以下特點：

更靠近磁鐵激勵源。

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)域設置冷卻通道。

不同通道中冷卻液的供應可能不均勻，可能導致不平衡（例如，由于壓力差異）。

6）直接轉(zhuǎn)子激勵冷卻方案則包括以下特點：

可以將熱量迅速散發(fā)到熱源附近，具有較高的熱動態(tài)響應能力。

具有挑戰(zhàn)性的機械設計。

可能損失磁性活性材料。

冷卻液的路由較為復雜。

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

●?電機熱建模方法?

為了解決電機熱管理問題，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算流體力學模擬。這些方法的結合可以更準確地評估電機的熱特性，有助于優(yōu)化冷卻方案。?

●?冷卻對電機性能的影響?

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

●?結論和展望?

電機熱管理是電動汽車技術發(fā)展的關鍵因素之一，制造下一代電動驅(qū)動單元所面臨的新挑戰(zhàn)，冷卻劑的選擇和開發(fā)，以及通過模型預測控制來優(yōu)化整個熱系統(tǒng)，以提高電動汽車的效率和性能。?

電機熱管理問題將繼續(xù)引領電動車輛技術的發(fā)展方向。通過更高效的電機設計和創(chuàng)新的熱管理方法，有望在未來看到更具競爭力的電動汽車，將提供更長的續(xù)航里程和更卓越的性能。

審核編輯：湯梓紅