摘要：近几十年来，随着世界经济的蓬勃发展，汽车作为主要交通工具的数量已达到相当大的规模，其中大部分是传统燃料汽车，给化石资源和大气环境带来了巨大的压力。随着全球能源危机和空气污染的日益严重，与传统能源汽车相比，越来越多的绿色、清洁、零排放电动汽车受到越来越多的关注。在我国，电动汽车产业已经成为政策支持的新兴产业，并取得了快速发展。
关键词：电动汽车；电机冷却系统；设计
1电动汽车用电机的热源及温升危害
电动汽车利用电动机将车载蓄电池的能量转化为机械能，是为汽车和电动汽车心脏提供动力的重要装置。为了满足各种复杂条件下频繁启停、爬升和稳定高效的动力输出的要求，车辆所用电机需要满足体积小、重量轻、转速低、扭矩大、速度范围宽、过载能力强、适应恶劣条件的要求。与传统电机相比，汽车用电机具有高速、高频的特点。目前，永磁电机以其良好的性能在电动汽车领域得到了广泛的应用。
电机的主要热源是铁、铜、机械等的内部损耗。为了实现电机转子的高速化，与传统电机相比，电动汽车电机具有更高的供电频率，通常高达几百甚至几千赫兹，这会带来更高的基波和谐波频率，磁芯损耗、铜损耗和涡流损耗会迅速增加。高速旋转也会导致较大的机械损失，其中主要损失是定子铁损和转子铜损。这些损失最终转化为热能，以热能的形式向外散发。
如果散热不能及时有效地进行，长期高温的工作环境会导致绝缘材料老化、转子退磁、损耗增大、机械强度降低等一系列问题，严重影响电机的性能和使用寿命。同时又存在安装空间有限、工作环境恶劣等问题,导致散热条件很差,研究合理有效的冷却系统尤为重要。
在工作过程中，电机绕组是主要的热源。绕组产生的热量通过绝缘层到达电机的磁芯，然后到达电机的表面。为了降低电动机的温升，一是提高电动机内部的传热能力，如采用导热性好的绝缘材料；二是增加电机对外的散热能力,可以采用增大散热面积和利用冷却介质等措施。
2电动汽车驱动电机冷却系统的发展现状
2.1风冷系统
风冷系统一般适用于功率较小的小型电机,对小功率电动汽车来说,由于其不需要额外冷却装置,结构简单可靠,成本低廉,所以存在一定的应用价值。
风冷系统按是否添加额外的增强空气流动装置,可分为自然风冷和强迫风冷。自然风冷不额外添加冷却装置,通过电机运行中自然的空气流动冷却电机,一般需要在机壳表面增设散热筋、散热片等增强散热,冷却成本低廉。轮毂电机是一种在车辆车轮上集成驱动、制动系统的电机,安装空间十分紧张,且对可靠性要求高,所以采用自然风冷较多。设计了一款10kW的电动汽车用内置式永磁同步轮毂电机,采用自然冷却方式,在机壳上装有扩展散热筋以加强散热效果。以一台2kW的直驱外转子式无刷轮毂电机进行了研究,采用了自然风冷式进行冷却。这种结构简单可靠,比较适合于工作中有较多自然空气流动,并且功率较小的电机。
除了通过在机壳设散热片增大散热面积外,还可以通过设计辅助的散热装置增强散热。通过设计制冷涡流管来增强电机散热,空气流入布置于电机定子内的冷却涡管风道内,达到了较好的冷却效果。
强迫风冷的基本结构是在电机上设置风扇,利用风扇带动空气流动,增强风冷效果。根据空气不同的流通路径,可分为内部风冷和外部风冷两类。
外通风即通过在电机外部非轴伸端装设风扇,通过风扇旋转增压后形成气流,对电机机壳外表面进行冷却,通常在机壳表面设计扩展散热筋来增大散热面积,这种结构具有构造简单,成本低的优点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
内通风即在电机内部设置风路,并通过风扇带动气流通过风路进行散热。相比外通风,内通风拥有较好的冷却效果。
内通风根据风路的不同有径向式结构、轴向式结构和径向轴向混合通风结构,微型电动汽车体积较小,采用轴向式风冷较多。空气被风扇驱动流入电机,沿电机铁心上的通风孔及气隙构成的轴向通风道进行冷却换热。
2.2液冷系统
液冷根据冷却液的不同可分为水冷,油冷。水的热容量和导热系数较高,冷却效果好,无污染,成本低,是一种应用十分广泛的冷却剂。但由于水还存在凝固点较高,沸点较低,易产生水垢和腐蚀电机的问题,所以在实际应用中,考虑到环境适应性,可以根据需要使用混合溶液代替水来适应不同的工作环境。目前应用较多的冷却剂是由水、乙二醇、抗腐蚀与抗泡沫添加剂配比组成的混合溶液,大大降低了冷却液的凝固点,可使电机有效地防冻,还具有防腐防水垢的功能。
在中小型电机中,一般采用定子外水冷技术,即在机壳外壁设置水套,通过冷却水流过其中的水道循环换热冷却电机。冷却水道在电机外壳的分布主要有三种结构,环形、轴向及螺旋结构,对这三种结构进行建模分析。综合比较各种结构的冷却效果,其中环形水套冷却效果较好,螺旋水套流阻低,而轴向水套没有轴向温度梯度,适用于轴向结构较长的电机。
从机械加工、结构性能、冷却效果等多方面考虑,对轴向Z字形水道进行了研究,这种结构具有结构简单,散热均匀,易于加工生产的特点。
水道中冷却水的流速及温度是影响散热效果的直接因素,基于传热学及流体力学分析冷却水流速对电机散热的影响,可以得到合理冷却水流速的计算方法。水道结构也对冷却水的流动状态有着至关重要的影响,其中包括水道数量、宽度等因素,通过采取控制变量法可以定量研究每种结构参数对电机温升的影响。
为了达到更好的冷却效果,还可以在冷却水道中加入扰流片或肋片以增加换热面积。扰流片是设置在水道中呈一定规则排列的散热片,可以增大换热面积和冷却液湍流度,从而达到增强散热的目的。对扰流片的结构进行了设计,得出排列方式,选用叉排,扰流片与冷却液流向夹角30°时效果最好。肋片是沿水道设置的附加散热片,通过对直肋的厚度、高度、侧面倾斜角度三方面展开研究分析,可以得到最为优化的肋片结构参数值。
综合风冷和水冷的特点,可以将两者整合到一个冷却系统中。文献提出了一种水冷换热系统,在水套内外环间布置若干通风管道,电机内高温热风经风扇送入水套间的通风管道与冷却水换热,冷却后流回电机内,实现了良好的冷却效果。
除了定子外水冷技术,国内外针对定子铁心的直接冷却技术也进行了一系列探索,并取得了一定的研究成果。如在定子叠片上开孔形成冷却流道,采用密封剂密封相邻定子叠片间缝隙；将冷却水管直接嵌入定子铁心轭部的槽中对电机进行冷却;在轮毂电机设置环形定子支撑件,内部中空,灌注高导热的环氧树脂,散热效果良好。油冷即采用油作为冷却剂,油与水相比具有介电常数高、绝缘性能好的特点,通常在电机外壳及定转子等位置设置冷却通道,通入冷却油进行冷却,这种方式称为间接油冷,也可直接将油通入电机内部对绕组等部位散热,称为直接油冷。
结论
随着能源结构的改变,未来新能源汽车将迎来快速发展期,对电动汽车用驱动电机冷却系统的研究具有重要的现实意义。本文介绍了电动汽车用高功率密度电机的特点、电机主要热源,系统梳理了国内外车用电机冷却系统的研究现状,综述风冷系统和液冷系统的基本结构、特点和研究动态,并对两者优缺点进行了比较,给出其适用条件,为今后车用高功率密度电机冷却系统的研究和设计提供了一定的参考价值。
参考文献
[1]晋社民,吴卓琦,杨瑞.感应交流电机冷却系统模拟及冷却风扇优化[J].机械设计与制造,2018(S2):181-184.
[2]代续续,陈月忠.变频电机冷却方式改进[J].中国设备工程,2018(16):55.
论文作者:范浩,王开琅,姚浩
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：电机论文; 结构论文; 定子论文; 系统论文; 电动汽车论文; 冷却水论文; 冷却液论文; 《电力设备》2019年第5期论文;