不同冷源輪轂電機多模式切換溫度場研究

周志剛 楊文豪 孟祥明

摘 ? 要：針對輪轂電機電動汽車長時間運行時出現的散熱困難問題，設計一種與之匹配的冷卻機構和冷卻方式. 在此基礎上，建立輪轂電機熱磁耦合溫度場仿真模型. 對電動汽車的2種運行工況，開展基于不同冷源多模式方式下的輪轂電機熱磁耦合溫升研究及分析，并對仿真結果進行試驗驗證. 結果表明：電動汽車在長時間運行過程中電機高溫問題得到明顯改善;2種運行工況對電機溫升有不同的影響. 仿真結果與試驗結果吻合度較高，工況1中繞組最大誤差為5.1%，轉子最大誤差為4.9%，工況2中繞組最大誤差為4.8%，轉子最大誤差為4.5%，為輪轂電機電動汽車長時間運行過程中高溫問題的研究提供一定參考.

關鍵詞：不同冷源;多模式切換;輪轂電機;電動汽車;溫度場

中圖分類號：TM35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Research on Temperature Field of In-wheel Motors

with Different Cold Sources in Multi-mode Switching

ZHOU Zhigang1，2，YANG Wenhao1，MENG Xiangming1

（1. College of Vehicle and Traffic Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China;

2. Ningbo Shenglong（Group） Co Ltd，Ningbo 315100，China）

Abstract：Aiming at the difficulty of heat dissipation during long-term operation of in-wheel motor electric vehicles，a matching cooling mechanism and cooling method are designed. On this basis，a thermal and magnetic coupling temperature field simulation model of the in-wheel motor is established. Under the two operating conditions，the thermal and magnetic coupling temperature rise of in-wheel motors based on different cooling sources and multi-mode modes are carried out，and the simulation results are verified by experiments. The results show that the motor high-temperature problem is significantly improved during the long-term operation of electric vehicles; the two operating conditions have different effects on the motor temperature rise. The simulation results are in good agreement with the test results. The maximum winding error in working condition 1 is 5.1%，the maximum rotor error is 4.9%，the maximum winding error in working condition 2 is 4.8%，and the maximum error of the rotor is 4.5%. The study of high-temperature problems during long-term automobile operation provides a certain reference.

Key words：different cold source;multimode switching;in-wheel motor;electric vehicle;temperature field

輪轂電機驅動技術是將電機安裝于車輪內部，利用車輪內部電機帶動電動汽車運行[1]. 由于輪轂電機驅動技術將傳統汽車的動力裝置、傳動裝置及制動裝置集成于車輪內，具有轉向靈活性較好、傳動效率高以及高度集成性等優勢，但是較高的集成性使電機運行空間小，空氣流通困難，造成電機散熱條件差[2-4]. 過高的溫升會對電機的功率、使用壽命和安全性造成一定影響[5]. 因此，為保證電動汽車長時間安全運行有必要采取與輪轂電機相適應的冷卻系統.

目前，國內外學者對電機風冷[6-9]、水冷[10-12]以及油冷[13-14]等冷卻技術進行了大量研究. 陳進華等[15]提出一種丁胞水冷結構的散熱方案，并對相同條件下多種冷卻方案的流體場進行了分析. 吳柏禧等[16]依據水道中流體的流動特性分析，建立了水道圓角半徑、入水口水道寬度和水道壓強的關系. 趙蘭萍等[17]根據整車環境下對外轉子輪轂電機進行溫度特性研究，并對比自然風冷與油冷兩種冷卻方式的溫度場. Lim等[18]通過對兩種輪轂電機在額定工況下進行熱性能分析，設計了一種輪轂電機的噴油冷卻模式通道，并對其熱性能進行了分析. 王曉遠等[19]提出油內冷輪轂電機冷卻方式，根據自然風冷和油內冷輪轂電機有限元模型，對輪轂電機的不同冷卻方式進行溫升和溫度場分析.

本文根據輪轂電機結構，設計了不同冷源冷卻結構及多模式切換方式. 首先，通過磁熱耦合分析，對輪轂電機在自然風冷條件下進行溫度場分析，同時，對比了自然風冷、水冷、油內冷以及多冷源冷卻方式溫度場分布情況. 最后，分析兩種不同工況對自然風冷、水冷、油內冷和多冷源冷卻方式溫度場的影響. 通過對多冷源冷卻方式進行試驗分析，并與有限元計算數據相對比，對多冷源冷卻結構與方式的正確性進行驗證.

1 ? 不同冷源結構及多模式切換方式

按照某款輪轂電機電動車尺寸進行建模分析，其結構主要包含永磁體、定子、繞組和轉子等. 表1給出輪轂電機的主要參數.

由于研究的輪轂電機采用不同冷源冷卻結構與多模切換冷卻方式，該方式根據電機溫度，使冷卻水和冷卻油按照不同順序進入電機內部，并且電機內部冷源與外部冷源持續進行交換，使電機內部冷源保持較低溫度，從而達到更好的冷卻效果，所以該方式必須采用一種相匹配的冷卻結構. 對于外轉子輪轂電機，車軸始終處于靜止狀態，所以電機出油道在車軸內部. 由于出水道在電機機殼內部設置，為保證機殼與車軸連接處冷卻水可以正常通過，在連接處安裝內部旋轉接頭. 電動汽車在運行過程中，車輪受到電機內部轉子的作用，帶動電動汽車運轉，外轉子輪轂電機機殼與車輪同時進行轉動，為了與外部冷源進行連接，必須在電機進油道和進水道處增加外部旋轉接頭，使電機進水道和進油道可以保持一邊旋轉一邊靜止的狀態. 考慮到進入電機內部的冷源溫度不受出口通道冷源溫度的傳熱影響，將電機兩個進出通道分開設置. 該冷卻結構如圖1所示.

圖2為不同冷源冷卻系統簡圖. 該系統主要由冷卻系統控制器、溫度傳感器、循環泵、冷卻油箱及電磁閥組成. 為了使輪轂電機部件溫度保持在合理范圍之內，需要對多個冷卻油箱的電磁閥進行相應的控制，使電機內部冷源進行切換. 對冷源切換標準定義為T1和T2，根據電機內部溫度的需要，將電機冷卻方式分為水冷、油冷和混合冷卻，并依次進行切換使電機達到較好的冷卻目的. 不同冷源多模式切換過程如圖3所示. 多冷源協調控制方式閥門工作狀態如表2所示.

2 ? 輪轂電機熱磁耦合溫度場模型建立

2.1 ? 電磁場數學模型

電動汽車在運行過程中，熱量主要來源于輪轂電機內部各種損耗. 電機內部損耗主要包含鐵芯損耗、繞組損耗以及永磁體損耗等.

輪轂電機損耗可以表達為：

P = PFe + PCu + Pe ? ? ? ? ?（1）

也可以寫為：

P=kh ?fB2m+ke ?f ?2B2m+kex（ f Bm）

（2）

式中：P為電機總損耗;PFe為輪轂電機鐵芯損耗;kh、ke和kex分別表示為鐵芯磁滯損耗系數、鐵芯渦流損耗系數和鐵芯附加損耗系數;f為交變頻率;Bm為磁通密度的賦值;PCu為繞組損耗;I為電機繞組相電流;R為電機繞組電阻;Pe為輪轂電機永磁體渦流損耗;Vm為永磁體體積;J為電流密度賦值;σ為永磁體的電導率.

2.2 ? 溫度場數學模型

依據傳熱原理，輪轂電機的瞬態溫度場可以表達為：

式中：Kx、Ky和Kz為在x、y、z方向上的導熱系數;T為電機溫度;si和sj分別為電機第二類邊界條件和第三類邊界條件;h為輪轂電機對流散熱系數;Ti和Tj分別為給定邊界面和周圍介質的溫度（介質溫度隨時間發生變化）;q為熱流密度;n為邊界面si、sj上的法向矢量;cp為比熱容;ρ為介質密度;K為邊界面si、sj的法向熱傳導系數. 在進行溫度場計算時，輪轂電機的溫升與材料導熱系數密切相關，輪轂電機材料的導熱系數如表3所示.

考慮到流體的黏性以及管道的擾動和阻滯作用，流體在輪轂電機內部流動過程中，會損失一定壓力. 流體的能量損失可以表示為：

式中：h1為流體能量損失;hf為管道內流體沿程能量損失;hm為局部能量損失.

式中：λr為阻力系數;g為重力加速度;ζ為油道總長度;d水力直徑;vo流體流速;為局部阻力系數.

3 ? 溫度場仿真分析及試驗驗證

3.1 ? 不同工況下輪轂電機磁熱耦合仿真分析

為了全面考慮不同冷源冷卻結構及多模式切換方式對輪轂電機溫度的影響，選取兩種不同運行工況，如表4所示. 將兩種不同轉速的運行工況定義為工況1和工況2.

考慮到輪轂電機溫升受其內部損耗影響以及磁熱耦合方法計算的準確性，采用磁熱耦合方法對輪轂電機溫度場進行仿真計算，通過將電磁場仿真得到的各種損耗加載到溫度場中得到電機溫度場分布情況. 由于篇幅限制，本文僅列出工況2時輪轂電機溫度場分布情況如圖4及圖5所示.

由圖4可以看出電機采用自然風冷冷卻方式時，溫度場分布極不均勻，熱量主要集中在繞組以及定子齒部，轉子和永磁體熱量分布較少. 由圖5可以得出，繞組與定子為最高溫度部件，其中定子齒部與定子軛部溫度差別較大. 永磁體與轉子溫度較低，但是熱量分布較均勻.

對輪轂電機在不同運行工況下進行仿真分析，運行時間為150 min，冷卻方式為自然風冷，不同運行工況下電機各部件溫升如圖6所示. 由圖6可以得出，電機的繞組與定子的溫升受不同運行工況影響較大，而永磁體與轉子受到的影響相對較小. 兩種電機的運行工況的溫度上升趨勢相同，先快速上升而后逐漸趨于平緩，電機的最高溫度為繞組的168 ℃，影響電動汽車的長時間安全運行，因此為保證電動汽車的安全性，需要采用相應的冷卻方式.

3.2 ? 冷卻方式對電機溫升影響

為降低輪轂電機的溫度，保證電動汽車的安全運行，研究不同冷源輪轂電機多模式切換對溫度場的影響，并對比分析水冷、油內冷及不同冷源冷卻方式對電機溫升的影響.

圖7為不同工況下水冷和油內冷對電機各部件溫升的影響. 由圖7（a）（b）可以看出兩種運行工況下水冷冷卻方式對電機的高溫部件繞組和定子具有較好的降溫效果，但對永磁體和轉子溫升影響較小. 由圖7（c）（d）可以看出油內冷冷卻方式相對于水冷對電機的繞組和定子影響較小，且永磁體與轉子溫度相對于自然風冷反而上升，這是因為冷卻油在電機內部流動，具有均溫效果，使永磁體及轉子溫度上升. 兩種冷卻方式中，水冷冷卻方式對電機繞組和定子具有較好冷卻效果，但是電機內部溫差較大. 油內冷冷卻方式對電機繞組和定子冷卻作用較小，但是電機內部溫差減小，有利于電機整體冷卻. 兩種冷卻方式對電機短時間運行都有較好的冷卻效果，但是隨著電機運行時間增加，溫度持續上升，最高溫度達到139 ℃，使電動汽車的安全運行存在一定隱患.

3.3 ? 不同冷源多模式切換方式對電機溫升影響

圖8為不同冷源多模式切換方式溫升仿真結果. 考慮到輪轂電機采用自然風冷溫升較高，造成電機的切換次數增加，為降低輪轂電機溫度上升速度及減少冷源切換次數，在電機溫度上升至A點時采用第一階段水冷冷卻方式進行溫升分析. 圖8（a）由于工況1溫升較慢，所以在冷卻方式切換過程中只進行了一次冷源的切換，冷源切換后溫度在短時間內下降，之后溫度持續上升，但電機運行到150 min時最高溫度在合理范圍內，沒有進行下一次的冷源切換;由圖8（b）可以看出，電機在冷卻方式切換中一共切換了三次冷源，依次使電機最高溫度下降了7 ℃、9 ℃和5 ℃，使電機最高溫度保持在合理范圍內. 由于油冷冷源切換時，電機溫度上升較快，所以對電機的冷卻效果相對下降;而混合冷卻中油冷冷源切換速度較快，導致水冷冷源溫度較高，使混合冷卻對電機冷卻效果降低. 不同冷源多模式切換方式中冷源切換次數受不同的電機工況影響較大，對電動汽車的長時間運行冷卻效果較好.

3.4 ? 試驗驗證

輪轂電機試驗測試平臺如圖9所示，主要包括：輪轂電機、測功機、電機控制器、溫度傳感器以及紅外線測溫儀. 通過安裝在繞組中的溫度傳感器及測溫儀的作用，對電機的繞組和轉子部件進行溫度測量. 輪轂電機樣機如圖10所示，通過相應的管路使冷卻油進入電機內部，達到相應的冷卻效果.

圖11為工況1計算結果與試驗測量溫度曲線. 由圖11可以得出，輪轂電機的繞組和轉子試驗結果與仿真計算結果溫升變化趨勢一致，在溫升過程中進行了一次冷源切換;相較于工況2少進行兩次冷源切換，這是由于受到不同轉速的影響，說明多冷源冷卻結構及方式受冷源流速影響較大. 隨著電機運行時間的增加，試驗測量結果與計算結果誤差加大，繞組最大誤差為5.1%，轉子最大誤差為4.9%，這是由于長時間的試驗測量計算，計算精度下降，從而導致結果出現一定誤差.

圖12為工況2計算結果與試驗測量溫度曲線. 由圖12可以看出，試驗結果與仿真計算結果都進行了三次冷源切換，且每次冷源切換后都使電機溫度得到一定程度的下降;在第三次冷源切換后溫度下降相對較少，一方面是由于電機的持續運行使電機溫度較高，另一方面是由于冷卻液本身帶有一定熱量，使電機冷卻效果下降;工況2中試驗測量結果與計算結果吻合度較高，但是存在一定誤差，繞組最大誤差為4.8%，轉子最大誤差為4.5%. 這是受到試驗環境、試驗測量手段以及測量工具的精度影響，從而產生一定誤差.

通過對輪轂電機多冷源冷卻方式的試驗驗證可得，計算結果與試驗測量結果吻合度較高，可驗證該冷卻方式的正確性.

4 ? 結 ? 論

本文針對輪轂電機電動汽車長時間運行產生較高溫升問題，提出一種不同冷源多模式切換冷卻方式. 首先，采用磁熱耦合方法對自然水冷方式的輪轂電機進行溫度場仿真分析. 其次，對采用水冷和油內冷的輪轂電機進行溫升仿真分析. 最后，通過對不同冷源多模式切換冷卻方式進行溫升仿真分析，從而進行水冷、油內冷和不同冷源多模式切換方式之間的溫升對比分析.

對不同冷源多模式切換冷卻方式的仿真結果分析表明，該方式通過對不同冷源的模式切換，可以有效減少電動汽車在長時間運行帶來的高溫問題;電機的不同運行工況對多冷源冷卻方式的冷卻效果影響較大;仿真與試驗結果的對比分析，進一步驗證了該冷卻方式對電機降溫效果的有效性，為輪轂電機電動汽車長時間帶來的溫升問題的研究提供一定參考.

參考文獻

[1] ? ?應紅亮，黃蘇融，張琪，等. 電動汽車用高性能直驅輪轂電機研制[J]. 機械工程學報，2019，55（22）：5—10.

YING H L，HUANG S R，ZHANG Q，et al. Develop of high performance direct-driven in-wheel motor for electric vehicle[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55（22）：5—10. （In Chinese）

[2] ? ?曹小華，魏恒，王鑫. 考慮溫度影響的永磁同步電機參數辨識方法[J]. 華南理工大學學報（自然科學版），2018，46（8）：64—71.

CAO X H，WEI H，WANG X. Parameter identification method of permanent magnet synchronous motor considering temperature influence[J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2018，46（8）：64—71. （In Chinese）

[3] ? ?SONG F，TAN D. The advances on the study of heating and cooling issues for in-wheel-motor-driven systems[J]. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles，2017，9（2）：121.

[4] ? ?REN J W，HUANG J L，CHEN Q P，et al. Analysis and research of in-wheel motor temperature field for electric vehicles[J]. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles，2018，10（4）：319.

[5] ? ?張立軍，徐杰，孟德建. 基于Preisach模型的永磁同步輪轂電機損耗及溫度場建模與分析[J]. 機械工程學報，2019，55（22）：33—40.

ZHANG L J，XU J，MENG D J. Modeling and analysis of loss and temperature field in permanent magnet synchronous in-wheel motor based on Preisach theory[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55（22）：33—40. （In Chinese）

[6] ? ?賀景運，邊旭，梁艷萍. 空冷水輪發電機定子冷卻結構設計與分析[J]. 西安交通大學學報，2019，53（12）：111—119.

HE J Y，BIAN X，LIANG Y P. Design and analysis for stator cooling structure of air-cooled hydrogenerator[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University，2019，53（12）：111—119. （In Chinese）

[7] ? ?朱高嘉，劉曉明，李龍女，等. 永磁風力發電機風冷結構設計與分析[J]. 電工技術學報，2019，34（5）：946—953.

ZHU G J，LIU X M，LI ?L N，et al. Design and analysis of the ventilation structure for a permanent magnet wind generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34（5）：946—953. （In Chinese）

[8] ? ?CHAI F，TANG Y，PEI Y L，et al. Temperature field accurate modeling and cooling performance evaluation of direct-drive outer-rotor air-cooling in-wheel motor[J]. Energies，2016，9（10）：818.

[9] ? ?GALLONI E，PARISI P，MARIGNETTI F，et al. CFD analyses of a radial fan for electric motor cooling[J]. Thermal Science and Engineering Progress，2018，8：470—476.

[10] ?ZHU G J，ZHU Y H，TONG W M，et al. Double-circulatory thermal analyses of a water-cooled permanent magnet motor based on a modified model[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2018，54（3）：1—4.

[11] ?王小飛，代穎，羅建. 基于流固耦合的車用永磁同步電機水道設計與溫度場分析[J]. 電工技術學報，2019，34（s1）：22—29.

WANG X F，DAI Y，LUO J. Waterway design and temperature field analysis of vehicle permanent magnet synchronous motor based on fluid-solid coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34（s1）：22—29. （In Chinese）

[12] ?張鳳閣，蔣曉東，李應光. 籠障轉子無刷雙饋電機水冷系統設計[J]. 電機與控制學報，2018，22（6）：70—76.

ZHANG F G，JIANG X D，LI Y G. Design of water cooling system of brushless doubly-fed machine with cage-barrier rotor[J]. Electric Machines and Control，2018，22（6）：70—76. （In Chinese）

[13] ?楊文豪，周志剛，李爭爭. 油冷溫度與流速對輪轂電機溫度場研究[J]. 微電機，2020，53（1）：31—34.

YANG W H，ZHOU Z G，LI Z Z. Research on temperature field of hub motor with oil cooling temperature and flow velocity[J]. Micromotors，2020，53（1）：31—34. （In Chinese）

[14] ?LIM D，LEE M Y，LEE H S，et al. Performance evaluation of an in-wheel motor cooling system in an electric vehicle/hybrid electric vehicle[J]. Energies，2014，7（2）：961—971.

[15] ?陳進華，劉威，張馳，等. 基于丁胞水冷結構的高速永磁電機溫度場分析[J]. 電機與控制學報，2019，23（9）：35—42.

CHEN J H，LIU W，ZHANG C，et al. Temperature field analysis of high-speed permanent magnet machine based on dimpled water-cooling structure[J]. Electric Machines and Control，2019，23（9）：35—42. （In Chinese）

[16] ?吳柏禧，萬珍平，張昆，等. 考慮溫度場和流場的永磁同步電機折返型冷卻水道設計[J]. 電工技術學報，2019，34（11）：2306—2314.

WU B X，WAN Z P，ZHANG K，et al. Design of reentrant cooling channel in permanent magnet synchronous motor considering temperature field and flow field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34（11）：2306—2314. （In Chinese）

[17] ?趙蘭萍，江從喜，徐鑫，等. 整車運行環境下油冷對外轉子輪轂電機溫度特性的影響[J]. 汽車工程，2019，41（4）：373—380.

ZHAO L P，JIANG C X，XU X，et al. The effects of oil cooling on the temperature field of out-rotor in-wheel motor under vehicle operation environment[J]. Automotive Engineering，2019，41（4）：373—380. （In Chinese）

[18] ?LIM D H，KIM S C. Thermal performance of oil spray cooling system for in-wheel motor in electric vehicles[J]. Applied Thermal Engineering，2014，63（2）：577—587.

[19] ?王曉遠，高鵬. 電動汽車用油內冷永磁輪轂電機三維溫度場分析[J]. 電機與控制學報，2016，20（3）：36—42.

WANG X Y，GAO P. Analysis of 3-D temperature field of in-wheel motor with inner-oil cooling for electric vehicle[J]. Electric Machines and Control，2016，20（3）：36—42. （In Chinese）

收稿日期：2020-09-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51305126），National Natural Science Foundation of China（51305126）;河南省高等學校青年骨干教師培養計劃項目（2017GGJS063），Henan Province Colleges and Universities Youth Key Teacher Training Project（2017GGJS063）

作者簡介：周志剛（1978—），男，河南澠池人，河南科技大學副教授，博士

通信聯系人，E-mail：hnmczzg@163.com