新能源汽車驅動電機油冷系統設計研究

摘要：為延長電機使用壽命，應加強新能源汽車驅動電機散熱系統技術研究，通過高壓扁線油冷電驅動可有效提升電機散熱穩定性，促進電機傳熱效率的提升。據此，對新能源汽車扁線電機技術、扁線發卡結構以及油冷技術進行分析，在扁線電機基礎上構建新能源汽車驅動電機油冷系統，提出相應的油冷系統設計方案，對電機各部分損耗展開計算，并就機殼冷卻油道及噴淋油道進行結構設計，促進電機散熱性能及結構可靠性的提升。

關鍵詞：新能源汽車；驅動電機；油冷系統

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-12-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.010

1 前言

近年來，新能源汽車產業得到長足發展，為滿足電動汽車運行需求，應不斷提高電機性能與效率，因此應針對更高功率密度電機展開深入研究，以乘用車功率度達到4 kW/kg以上為目標，推動電驅系統朝向高效化、輕量化、低成本方向發展。

作為其中的關鍵技術，油冷技術在扁線發卡結構中得到十分廣泛的應用，在實踐中應做好定子鐵芯通油、油環噴淋、轉子鐵芯通油及甩油等測試工作，確保滿足大扭矩、高轉速、高可靠性的油冷系統設計要求。

2 新能源汽車扁線電機技術的應用

2.1 扁線電機技術

扁線電機即為條形繞組電機（Bar-wound motor），采用扁銅線繞組電機定子替代原本的圓銅線繞組，配套相應的定轉子結構及冷卻方案，以實現技術優化。當前，扁線電機在新能源汽車領域應用廣泛，具有功率密度大、散熱性能強等突出優勢。電機能量損耗類型包括電機銅耗、電機鐵耗以及雜散損耗等，其中電機銅耗占據整體損耗的70%以上，因此降低電機銅耗也成為降低總體電機能量損耗的關鍵[1]。

扁線電機由于采用扁銅線繞組，相較于其他繞組形式，可通過調整銅線截面積的方式降低銅耗；相比于傳統的細圓導線繞組，扁銅線繞組可通過減小扁線間隙達到增加繞組銅線容量的作用，槽填充率進一步提升，最高可達70%。經測試，在相同電機功率下，扁線電機定子鐵芯及端部尺寸可有效縮減，不僅可以減少材料消耗，還可以促進電機功率密度的提升[2]。

在此基礎上，相較于圓線電機，扁線電機的優勢還體現在以下幾方面：

a.槽口尺寸更小，對電磁噪聲及電樞噪音有著良好的抑制作用，通過配合轉子磁極以呈現出更良好的NVH性能。

b.扁線電機繞組端部形狀多樣電機小型化、輕量化發展提供便利條件。

c.導體內部空隙縮減導致導體與鐵芯槽之間的接觸面積擴大，促進電機熱傳導性能與散熱性能的優化。

d.繞組端部間隙的留出可為系統散熱系統條件，并在端部噴油冷卻技術的配合下，優化扁線電機散熱性能，為新能源汽車動力性能的提升奠定基礎[3]。

2.2 扁線發卡結構

扁線電機按繞組類型劃分包括集中繞組、波繞組以及Hairpin（發卡）扁線電機，而發卡結構是當前扁線電機中的主流結構。扁線發卡結構按工藝可分為U-PIN和I-PIN兩種類型，前者是在將扁銅線一端制成U形的基礎上插入定子鐵心槽，再將另一端扭轉共同組成波浪型繞組；后者是直接將直銅線插入定子鐵芯槽，兩端同時扭轉組成波浪型繞組。

對于U-PIN和I-PIN工藝來說，二者均屬于軸向嵌裝繞組結構，在運行效率、峰值扭矩上并沒有明顯差異，但相較于U-PIN，I-PIN在持續扭矩以及持續功率上更具優勢，但同時由于焊點增加，也面臨更高的焊點失效風險。

2.3 油冷技術

傳統水冷散熱方式在進行繞組熱量散熱處理的過程中，往往需要經過絕緣層，經由定子鐵芯再達到機殼。運行過程中，若在路徑中出現局部熱點，會在一定程度上對水冷散熱效率造成不利影響。

基于此，可通過油冷技術針對這一問題提出解決方案，既可以實現與熱源的直接接觸，又可以規避對電機磁路的影響。同時，將油冷技術應用于扁線電機領域還有助于達到更高的散熱效率。

電機運行期間，熱量主要集中在繞組端部，在噴油冷卻技術作用下，端部可呈現出更為良好的散熱作用，除了噴油冷卻技術，軸心甩油冷卻技術等也得到十分廣泛的關注[4]。

3 基于扁線電機的新能源汽車驅動電機油冷系統設計

3.1 油冷系統設計方案

扁線電機油冷系統運行期間，冷卻油在與電機繞組、定子鐵芯直接接觸時可呈現良好的散熱效果，同時具備較強的導熱性能。扁線電機油冷系統結構設計方案如圖1所示。

定子鐵芯和電機繞組為扁線電機的兩大熱源，特別是在運行期間，定子鐵芯較繞組的發熱功率更高。傳統水冷散熱系統采用內置式流道，其散熱效果很大程度上會受到內壁粗糙度和形位公差的影響，加上鐵芯和機殼之間存在空氣間隙，從而導致冷卻水帶走熱量的過程更易受熱阻限制，散熱質量及效率不高?；诖?，本項目提出通過機殼內壁油槽替換內置式油道的方案，通過油冷散熱系統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。

而對于扁線電機端部繞組來說，傳統水冷散熱系統下，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，導致端部繞組散熱效果不佳，同時電機內部也出現較大的溫度梯度。

針對這一情況，本項目提出預埋熱傳感器的方式獲取端部繞組溫度數據，結合電機最大溫升加強對端部繞組溫度的把控。在此基礎上，本項目進一步將噴淋油道調整至機殼處，實現冷卻油與端部繞組的直接接觸，確?？稍诙虝r間內實現良好的散熱效果，同時規避空氣參與到接觸面中，避免接觸熱阻對冷卻油散熱效果的影響。

3.2 電機損耗計算

本項目為高壓（800 V）扁線油冷電驅動系統，最高轉速可達20 000 r/min。扁線電機運行期間所產生的損耗包括電機銅耗、電機鐵耗、雜散損耗等，因此本項目也需要針對繞組線圈、鐵芯等位置產生的損耗進行計算[4]。本項目基于扁線電機電磁仿真對電機損耗進行分析與計算，探討電機溫度升高受各部分損耗的影響，進而根據計算結果對電機運行溫度分布提供參考。

3.2.1 繞組銅耗計算

扁線電機銅耗是指電機運行期間，銅線繞組會出現一定程度上的發熱，并形成相應的能量損耗。通常情況下，扁線電機銅耗包括直流銅耗、交流銅耗，其中直流銅耗以電流熱效應為主要影響因素，因此在計算過程中需考慮熱效應影響，進而引入焦耳公式，其公式表示為：

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

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

扁線電機運轉過程中，電機內部溫度會受到各部分損耗影響而升高，考慮到本項目中的電機機組功率與銅耗較大，其定子繞組阻值勢必會存在較大范圍的溫度變化，其溫度變化計算公式表示為：

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

式中，[R]為溫度[T]時的繞組相電阻阻值，Ω；[R0]為溫度[T0]時的繞組相電阻阻值，Ω；[α0]為電阻溫度系數；[T]和[T0]分別為繞組溫度與起始環境溫度，℃，本項目在計算過程中，[T0]取值為20℃，而[R0]的公式則表示為：

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

式中，[PCu]為溫度[T0]時的銅線電阻率，Ω?m；[Lh]為繞組線圈半匝長，m；[N]為繞組串聯匝數；[n]為并聯支路數；[a]為并繞根數；[d]為繞組銅線直徑，m。

由于本項目采用的是扁線繞組，在電機高轉速工況下，受到集膚效應、臨近效應的影響也會產生交流銅耗，其計算公式為：

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

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

3.2.2 定子鐵耗計算

扁線電機運行過程中還會產生一定的鐵芯損耗，可以分為磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗，電機繞組在接入電流后可形成電力磁效應，進而引發電機磁場的改變，在此基礎上受到磁滯效應影響而產生相應的磁滯損耗；電機鐵芯磁通工況下則會產生相應的渦流效應，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。對扁線電機定子鐵耗進行計算，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；[f]為交變電流頻率，Hz；[B]為磁密幅值，T。

根據式（5）可以進一步看出，扁線電機鐵耗與電流頻率有著十分密切的關系，鐵芯渦流損耗會隨著電流頻率增加而增加，其增長速率也呈現出快速增加的趨勢。當處于特定工況時，電機鐵耗往往會比銅耗更大。

3.2.3 雜散損耗計算

扁線電機雜散損耗往往會受到多方面因素的影響，包括線圈繞組電流、定子鐵芯開槽等，這也給扁線電機雜散損耗的精確計算帶來一定難度。在這樣的情況下，本項目通過測試得到在電機驅動電流持續增大的過程中，雜散損耗會隨著電流平方的增加而增加，因此可通過近似公式完成雜散損耗的計算，其公式表示為：

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

式中，[I]為電機線電流，A；[Ir]為電機額定電流，A；[Ks]為電機雜散損耗系數；[PN]為電機額定功率，W。

4 油冷系統參數設計

4.1 機殼冷卻油道設計

在進行機殼冷卻油道設計過程中，其主要目的是提升電機油道冷卻效果，因此應對油道進行合理選型?，F階段，常見的油道類型有螺旋型、折返型、周向型等，通過對散熱系數、壓力損失等參數進行衡量，同時考慮到本項目采用的扁線電機功率密度較高，經過綜合考量選定軸向折返型油道結構，同時將油道直角通道調整為圓角，以實現油道壓阻條件的優化，使冷卻油呈現出更順暢的流動狀態，從而起到降低油道壓力損失的作用?；诖?，本項目結合圓角過渡設計思路提出優化油道設計方案，圖2為S形軸向折返油道示意圖。

結合圖2信息可以看出，本項目的油道方案采用矩形截面，進油口設置在機殼油道中間處，確保電機前后機油道長度保持一致。在此基礎上，又對油道寬度、高度以及折返半徑等系統參數進行優化，進而呈現出最優的流阻和換熱能力效果。經測試，在油道高度為8.5 mm、油道寬度為18 mm、折返次數為16次、油道軸向整長為83 mm的情況下，直角折返、圓角折返以及本項目采用的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 噴淋油道結構設計

扁線電機運行過程中，為達到良好的冷卻效果，需要使得冷卻油在重力作用下自上而下流動并與端部繞組直接接觸，從而保證電機冷卻的均勻性與全面性。在此過程中，為盡可能減少噴淋油道壓力損失，往往不會在電機底部布置噴嘴。本項目在進行電機噴淋油道設計及其與機殼油道連接設計的過程中，基于冷卻油流動特點提出環繞電機上方240°、180°、120°三種布置方案（圖3、圖4、圖5），分別對應的噴嘴數量為17個、13個、9個，噴淋油路尺寸均為5/18 mm，噴嘴直徑均為1.5 mm。在對三種方案進行對比的過程中，考慮到為使冷卻油順利流出，需要設置額外的抽油泵與進油泵，因此240°噴嘴布置方案具有更強的適用性。

5 結語

扁線電機憑借其獨特優勢在新能源汽車領域得到廣泛應用，同時引入扁線發卡繞組工藝，更好地滿足新能源汽車電機高效能、輕量化、高功率密度的發展要求。為提高電機散熱效率，本項目將傳統水冷散熱系統替換為油冷系統，實現電機各部分損耗精確計算的同時，強化了油冷系統的參數設計，從而確保扁線電機可以長時間處于高效的散熱狀態，為電機持續功率和持續扭矩的提高提供技術支持。

參考文獻：

[1]曲亞飛，毛紅生.新能源汽車電驅動系統關鍵技術及其發展趨勢[J].時代汽車，2023（15）：80-82.

[2]高銀橋.新能源汽車驅動電機冷卻技術的發展現狀研究[J].內燃機與配件，2020（12）：249-250.

[3]郭少杰，王軍雷，夏天，等.基于專利分析的新能源汽車驅動電機冷卻技術發展現狀分析[J].汽車文摘，2020（5）：8-12.

[4]陳廣林，周文，陳寄貴，等.純電動汽車集成電驅系統油冷方案的研究與應用[J].汽車實用技術，2020（15）：8-9+28.

作者簡介：

楊悅思，男，1987年生，工程師，研究方向為新能源汽車新能源電機、扁線定子、電驅動油冷。