增程式電動汽車新型外轉子發電機水道設計

王升平，郭美華，何佳兵

(中山職業技術學院，廣東中山 528404)

0 引言

純電動汽車，混合動力汽車及燃料電池電動汽車，作為新能源汽車的三大主體，各自有其優缺點。近幾年，一種新的純電動汽車的概念“增程式電動汽車”被推廣，其技術架構如圖1所示。通過配置由發動機和發電機構成的增程器，在動力電池荷電狀態下降至一定限度時及時給車輛提供能量，既能發揮純電動汽車的優勢，又能有效彌補續駛里程短的不足。它只有電動機一種動力源，主要是在行駛中通過發動機帶動發電機發電，產生的電能用來驅動電動機，多余的電能給動力電池充電，本質上仍然屬于純電驅動[1]。增程式電動汽車技術如今已被業內普遍認可，并將成為新能源汽車技術領域重要的發展方向[2]。《中國制造2025》明確提出了要開發增程器發電機技術，重點進行高效、高密度發電機的開發，研究高效發動機與發電機的集成核心關鍵技術。能否開發出性能優越、油耗低、排放好的增程式電動汽車，主要依賴于增程器技術。增程器用發電機作為系統中重要的供能設備，是增程式電動汽車技術發展中亟需解決和完善的關鍵技術之一，開發用于增程器的高效緊湊型發電機勢在必行。有廠家開發試制了試驗樣機，初步實驗表明：增程器用外轉子永磁同步發電機，性能良好、高效率工作區域占比高[3]。

圖1 增程式電動汽車技術架構

1 増程器內轉子、外轉子永磁同步發電機結構特征

國內一些企業已在開發公交車、輕型商務車上應用增程器發電機，但大多數是采用傳統的內轉子式發電機。內轉子永磁同步發電機與外轉子永磁同步發電機在工作原理上是一樣的，不同之處在于定子和轉子的位置結構改變了。內轉子式是定子在外側，轉子在內部旋轉,如圖2;而外轉子式是轉子在外側，定子在內部，轉子繞著定子轉,如圖3。

圖2 內轉子永磁同步發電機結構

圖3 外轉子永磁同步發電機結構

圖4為永磁外轉子發電機爆炸圖，內定子由硅鋼片疊成，其線圈槽開在鐵芯圓周的外側，與常見的外定子相反。外轉子如同一個桶套在定子外側，由導磁良好的鐵質材料制成，在“桶”的內壁固定有永久磁鐵做成的磁極，使永磁體貼于轉子內表面，“桶”就是轉子的磁軛。這種結構的優點之一是磁極固定較容易，不會因為離心力而脫落，外轉子通過轉子支架上的中間轉軸安裝在定子內機殼的大小兩個軸承上，軸承內圈與轉子軸配合，外圈與內機殼配合，軸承之間用軸套實施軸向定位，外轉子系統通過軸承實現旋轉運動。

圖4 外轉子發電機爆炸圖

傳統的內轉子設計具有內部空間小、不易實現多極、運行時熱量聚集在電機內部難以快速散出、從而影響永磁體性能等缺點，難以達到增程器技術緊湊、高功率密度、高效率的要求。而外轉子電機則具有軸向尺寸緊湊、可靠性高、轉動慣量大、運行平穩、散熱性能好、效率高等諸多優點。

2 増程器外轉子發電機冷卻水道設計

2.1 水道結構設計

高效冷卻系統設計是增程式電動汽車外轉子永磁同步發電機實現高功率密度、高可靠性等功能的關鍵技術之一。隨著電機功率密度增高、體積減小，電機單位體積的熱負荷越來越大，過高的溫升嚴重影響到電機的性能及可靠性。因此，對發電機溫升的控制成為了該電機設計的關鍵。強制水冷的散熱系統因散熱效果好成為了散熱的主要解決方案，圖5為其結構原理圖。

圖5 増程器外轉子發電機散熱系統結構

設計內機殼外表面與定子鐵芯通過過盈配合裝配在一起，可減小熱阻，內機殼內部的冷卻水道與基體后端蓋處的冷卻水出入口連接，因而內置的冷卻系統能夠有效地將發電機內部的熱量帶走，使電機處于低溫升的工作狀態。

目前，電機冷卻系統的水道結構主要有折返型和螺旋型兩種。折返型水道壓降大，水泵的效率低；螺旋型水道則較為平順、壓降小。但由于電機兩端分別布置冷卻水的入口和出口，使得入口處溫升低、出口處溫升高，不利于控制電機的均溫性能。同時，螺旋型水道結構對水擾動能力有限，水流的湍流強度不足，導致冷卻介質的強化散熱性能不佳，達不到好的散熱效果。

鑒于此，設計了一種具有擾流作用的變截面電機內機殼水道，其結構如圖6所示。電機水冷內機殼由鋁合金制成，通過內機殼內表面與外表面裝配焊接而成。內機殼內、外表面之間形成的空腔即為水冷機殼的水道。與內機殼內表面一體成型的隔水板將水道分隔為螺旋型結構。水道底部設計有“Y”形擾流物，入水口處的槽寬最大，隨后槽寬逐漸變小，出水口處槽寬最小。

圖6 電機內機殼結構示意(機殼局部剖開)

其工作原理為：冷卻介質從水道的入水口流入，經過螺旋型水道與機殼發生充分的強制對流換熱，后冷卻介質從水道的出水口流出并流回冷卻裝置。冷卻系統通過冷卻介質的循環流動來帶走電機產生的熱量，達到降低電機溫升的作用。

2.2 水道尺寸參數確定

內機殼內表面的凹槽結構為水冷電機機殼的主體。如圖7所示，水道為螺旋型，水道隔板的高度h、寬度d保持不變。隔板的存在將水道分層，并使冷卻介質順著隔板流動。靠近入水口處的槽寬最大為l1，隨后槽寬逐漸減小，到出水口處達到最小槽寬l6。水道參數不僅影響冷卻性能，而且影響壓力損失。有研究表明：螺旋圈數對電機溫升和水道壓降的影響都很大，而水道寬度和高度對電機溫升的影響較小，對壓降影響卻很大[4]。在進行水道尺寸確定時必須考慮和優化螺旋圈數、高度和寬度這幾個參數。在后續樣機試制和實驗中，根據計算和仿真分析，選定了螺旋圈數為4圈、寬度為50 mm、高度為10 mm的一款電機水道進行溫升實驗。

圖7 電機水道結構示意

特別地，在水道底部同時設計有“Y”形擾流物，如圖8所示，冷卻介質在水道中流動，當遇到擾流物時擾流物的三叉部分干擾了液體的向前流動，液體向兩側散開，增大了流動速度并擾亂了原有的流動軌跡，大大增強了冷卻介質的湍流強度。為降低制造成本，設計隔水板和擾流物與內機殼為一體，一次鑄造成型。

圖8 電機水道冷卻液流動示意

3 樣機溫升試驗

為了驗證設計的有效性，制作了一臺外轉子內置水道試驗樣機，如圖9所示，與某專業電機公司生產的發電機產品進行了對比實驗。實驗在電機溫升試驗平臺上進行，該平臺主要由測功機、待測發電機、控制器、恒溫水池、水泵、熱電偶、溫度采集卡、控制操作臺、電腦及軟件系統等組成，如圖10。設置電機功率為 60 kW，轉速 3 000 r/min，冷卻介質在水道中流速為 13.6 L/min，保持60 ℃恒溫狀態。樣機制作時，電機水道出入口兩端處定子繞組分別預埋熱電偶，試驗時作為兩個測溫點，電機的溫度通過熱電偶來采集，每隔 5 min溫度采集儀自動記錄一次熱電偶傳來的溫度數據。

圖9 發電機樣機

圖10 電機溫升試驗臺

兩種發電機分別在同等工況下運行，約60～70 min后繞組溫度趨向平穩，直到1.5 h后溫度保持穩定，此時停止實驗。實驗數據經整理后，匯集于表1。通過對比，可看出樣機溫升最高點下降了15.41 ℃，出入口處溫差僅1.52 ℃，說明采用變截面具有Y形擾流物的水道結構，可有效降低溫升和保障均溫性能。

表1 溫升試驗測試結果 ℃

基于此種設計，電機水道呈現的優勢特征如下：

(1)采用內外機殼焊接的結構，大大降低了機殼內置水道的制造難度，實現了水道的擾流物與內機殼一體成型，降低了機殼的制造成本。

(2)水道底部的“Y”形擾流物能有效地擾動冷卻介質，增大冷卻介質的湍流強度，從而增大水道的對流換熱能力，降低電機溫升。

(3)水道主體為螺旋型結構，降低了水道壓降。設計水道截面大小為漸變形式，入口處水道寬，出口處水道窄。增大了水道出口處冷卻介質的對流換熱能力，保證了電機的均溫性。

4 結論

為滿足增程式電動汽車高效緊湊型發電機輕量化、高功率密度的發展要求，本文作者提出了一種具有擾流作用的變截面電機水道結構，為發電機的冷卻系統設計提供了新的思路。通過水道內的擾流物增強了冷卻介質的湍流強度，有效地提高了水冷電機機殼的散熱性能，同時變截面的水道結構保證了電機具有良好的均溫性能。