輪轂電機散熱技術研究

章渝

摘 要 輪轂電機技術是現階段先進電動汽車技術研究的熱點之一，但在運行時會存在溫度過高的問題，如不能及時散熱會對輪轂電機的運行造成極大的影響。因此，對輪轂電機運行中產生的熱量進行散熱，是輪轂電機研究的一個主要方向，本文主要介紹輪轂電機散熱的研究發展。

關鍵詞 輪轂電機；散熱；空冷；液冷

中圖分類號 U4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）14-0050-01

隨著汽車保有量的增多，環境問題的日益嚴峻，要求電動車盡量做到“低碳、節能”，電動輪式驅動是電動車的發展趨勢[1]。輪轂電機技術又稱為車輪內裝式電機技術，是將電動機、傳動系統和制動系統融為一體的輪轂裝置技術，是現階段先進電動汽車技術研究的熱點之一。由于輪轂電機與車輪一起旋轉，并且緊靠制動器，會存在在運行時溫度過高的問題，如不能及時對電機進行散熱將會對電機安全性能和穩定性能造成嚴重威脅，甚至燒壞電機[2]。因此，需要采用適宜的冷卻方式對輪轂電機進行散熱，使輪轂電機處于合適的運行溫度范圍內，防止運行出現故障，保障安全可靠地運行。

1 輪轂電機冷卻方式

在1900年，德國保時捷公司研制了兩個前輪為輪轂電機的雙座電動車，首次出現輪轂電機的概念，時至今日國內外對輪轂電機冷卻問題的研究也逐漸成熟。

現階段輪轂電機散熱方式包括空氣冷卻、液體冷卻和混合冷卻[3]。空氣冷卻包括自然風冷和強制風冷。強制風冷分為開放式風冷和封閉式風冷，開放式風冷指電機內部和外部空氣形成循環進行熱交換，具有通風入口和出口，風沿通孔方向帶走熱量，既可以對定子直接散熱，又可以對轉子直接散熱；封閉式風冷指空氣在電機內部循環，通過機殼和外部進行熱交換，電機內部風扇把風往機殼風道入口吹，風沿機殼風道到達電機一端，然后通過轉子通風孔、定轉子間氣隙到達電機另一端，完成一個循環，機殼上帶有散熱片可以把熱量散出。如申請人SINELSHCHIKOV A V申請的專利SU477017，其發明了一種可操作的電力驅動輪，汽車的車輪內包含有輪轂電機，電機內包括冷卻空氣的進風口和出風口，通過冷卻空氣對流冷卻輪轂電機。

液體冷卻主要包括油冷和水冷，油冷按與冷卻液接觸形式分為直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻是電機定轉子直接散熱，間接冷卻是把密封好的電機浸在油箱里，通過機殼將熱量帶走。如TOYOTA MOTOR CO LTD申請的專利申請US2005045393A1中，提出采用油冷卻電機

定子。

水冷散熱設計有兩種形式，一種是采用水套形式，水路設計在機殼中；另一種是采用盤水管形式，水管設計在定子上。如MITSUBISHI MOTOR CORP申請的專利申請JP2005237176A中，提出采用水套形式來對電機進行冷卻。

混合冷卻方式一般是在電機內部采用液體冷卻同時也會采用空氣冷卻，相比于前兩種散熱方式，這種冷卻方式相比于空氣冷卻具有更好的散熱效果，相比于液體冷卻又更好地利用了空氣，使輪轂電機內部設備的熱交換更充分。如AISIN AW CO LTD申請的專利，其在電機內部采用油冷卻電機，同時也采用空氣冷卻該電機，提高了輪轂電機的散熱效率。

2 技術發展狀況分析

2.1 申請趨勢分析

通過在專業數據庫中檢索，分析輪轂電機散熱專利申請量在中國國內以及全球范圍內的趨勢，專利申請總體呈現增長趨勢。在全球范圍內，輪轂電機散熱技術的發展大致分為4個階段。輪轂電機散熱專利申請開始于20世紀70年代，到20世紀90年代申請量都較低，這一階段屬于輪轂電機散熱技術的起步階段。1995年—2003年為技術穩定期，在此期間，汽車進行了大力研發，輪轂電機電動汽車再次成為研究的熱點，輪轂電機的散熱技術研究也成為熱點。2003年開始，輪轂電機散熱技術專利申請量開始快速增長，到2004年達到一個小高峰，在經歷一個小低谷后再次攀升，于2007年達到第二小高峰，之后持續增長，直到2011年達到一個高峰，這屬于快速發展階段。這是由于能源危機和新能源概念的普及，越來越多的公司開始加大對輪轂電機散熱技術的研發力度，使得在該階段內的專利申請量呈現出高速增長的態勢。而2011年后專利申請量有所下降，這也說明了散熱技術方面的發展進入了成熟期，從上述可知輪轂電機散熱技術的發展側面反映了輪轂電機領域整體的發展情況，因為隨著輪轂電機效能的提高，其電機內部的溫度也會隨之提高，從而解決電機內部溫度過高問題便會成為關注重點。

國內輪轂電機的發展較晚，隨著各科研單位對該技術的研究不斷加強，散熱冷卻問題也越來越受關注。對于在中國國內的輪轂電機專利申請，在2005年以前申請數量極低，隨后呈現上升趨勢，這說明我國最初相比于整個輪轂電機散熱領域技術還具有一定的差距，但隨著國內輪轂電機技術的快速發展，相應的使輪轂電機較好地進行散熱也成為了比較關注的方面。在2005年到2010年的發展速度進入了平穩增長期，這說明我國的輪轂電機散熱方面的技術得到了快速發展。在2010年以后，國內輪轂電機散熱技術整體達到了較高的水平，與全球趨勢基本一致，這可能是由于中國汽車市場越來越受到重視，以及環境保護及能源節約觀念普及，同時國外企業重視在中國市場的專利布局，這為輪轂電機散熱技術發展提供了有利條件。

2.2 重要申請人分析

根據全球范圍內的專利申請，對輪轂電機散熱技術重要申請人進行統計，輪轂電機散熱技術方面還是日本的申請量為主，尤其是豐田，其申請量已經遠超后幾名申請人的申請量，其占據這該領域的領先地位，其對輪轂電機散熱技術進行了系統地研發、保護和應用。

在90年代末，豐田公司開始進行了四輪輪轂電機純電動汽車的研發工作，隨著輪轂電機的發展，電機冷卻散熱問題也逐步受到重視。通過梳理和分析，豐田公司的輪轂電機散熱技術研究總體大致可以分為4個階段：在2003年前豐田的技術方案主要集中在“自然風冷”方面；在2003年—2005年期間，散熱技術專利快速增長，技術方案主要涉及內外空氣對流等強制風冷方面，同時也存在“油冷、油和空氣同時冷卻”的技術方案；在2006年—2008年期間，技術方案主要涉及“電機內部提供冷卻油通道、電機外接冷卻油管道”等液體冷卻方面；2009年以后，輪轂電機散熱技術發展進入了成熟期，根據電機效能情況，擇優選擇空氣冷卻、液體冷卻、混合冷卻。綜上可知，豐田輪轂電機散熱技術的發展整體呈現“自然風冷→強制風冷→冷卻油或冷卻劑液體冷卻→擇優冷卻”的研究過程。

3 結論

本文從輪轂電機散熱領域的專利申請態勢著手，介紹了輪轂電機散熱方式種類，同時重點對該領域的重點申請人的技術發展進行說明，有助于全面了解輪轂電機散熱技術的基本發展態勢，對涉及輪轂電機散熱領域的研究工作有較大幫助。

參考文獻

[1]Byeong-Hwa Lee， Jeong-Jong Lee， Sung-IIKim， Soon-O Kwon. Development of an IPMSM for In-Wheel type Electric Vehicles[C].Conference of INTELEC，2009：1-4.

[2]彭維娜.電機冷卻技術的專利發展[J].南方農機，2015（3）：87-89.

[3]梁培鑫.永磁同步輪轂電機發熱及散熱問題的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.