




























摘 要:近年來環境保護、能源危機和溫室效應等問題促使電動汽車行業迅猛發展。電機作為電動汽車的關鍵部件,其性能直接影響電動汽車的電驅系統。隨著電驅系統永磁化、高速化、集成化的不斷發展,驅動電機在結構設計、冷卻散熱等方面面臨諸多挑戰。梳理了目前車用驅動電機類型、典型拓撲結構及其應用案例并分析了各自優缺點。綜述了驅動電機熱分析和冷卻結構設計的研究現狀,總結了驅動電機所亟須解決的技術問題,并展望了未來發展方向,可為電動汽車用驅動電機的理論研究和工程應用提供一定參考。
關 鍵 詞:電動汽車;集中驅動;驅動電機;拓撲結構;永磁化;冷卻結構;能源危機;溫室效應
中圖分類號:TM351 文獻標志碼:A 文章編號:1000-1646(2024)05-0526-15
綠色低碳發展已經成為全球發展潮流,“十四五”期間我國提出了“碳達峰、碳中和”雙碳目標,對節能減排提出了更高要求。國務院辦公廳發布的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》指出,到2035年中國新能源汽車銷量占比需要達到新車銷量的50%以上,且明確提出到2035年95%以上的新能源汽車為純電動汽車[1],因而對作為新能源汽車動力系統核心部件主驅電機的關鍵性能參數與經濟參數提出了更高要求。此外,美國能源部2025計劃指出驅動電機的功率密度將提高至5.7kW/kg[2]。可見,發展高性能驅動電機已成為電動汽車的重點關注方向。2023年新能源乘用車銷量為724.95萬臺,同比增長38.5%,驅動電機搭載量為833萬臺,同比增長44%,新能源汽車市場需求量大,發展迅速[3]。目前,我國主要電動汽車車企包括特斯拉、寶馬、大眾、比亞迪、上汽通用五菱、廣汽埃安、理想、長安、吉利等。電機配套企業主要包括弗迪動力、特斯拉、聯合電子、蜂巢電驅動、蔚來驅動科技、匯川聯合動力等。
新能源汽車的驅動方式主要分為集中驅動、分布驅動兩種。集中驅動通常選用一臺主驅電機代替傳統燃油車中的內燃機,通過傳動軸、差速器等機械結構將動力傳遞到車輪上,安裝工藝成熟,可靠性高,其缺點是傳動效率低,車內有效空間有限。分布驅動又可分為輪邊電機驅動和輪轂電機驅動,輪邊電機驅動是指每個驅動車輪由單獨電機驅動,但不集成在車輪內,而是通過傳動裝置連接到車輪。輪轂電機驅動是指電機安裝在車輪內。相比于集中驅動,分布驅動省去機械差速器,具有控制精確、傳動效率高等優點,被認為是下一代新能源汽車的重要發展方向,但還需解決簧下質量大、動密封、熱管理、電機同步協調控制等關鍵問題[4]。目前,電動汽車驅動方式還是以集中驅動為主。
中國汽車工程學會指出乘用車驅動電機的最高轉速將突破18000r/min[5]。提高電機轉速的目的是進一步提高功率密度,功率密度已經成為衡量電機性能優劣的重要指標之一。目前,ModelSPlaid、LucidAir、小米汽車V8s、極氪汽車001FR等車型的驅動電機轉速已經達到20000r/min以上。驅動電機高速化帶來了交流損耗、轉子強度降低、散熱等問題。針對這些問題,國內外學者對電機轉子拓撲結構、繞組拓撲結構、冷卻技術、Hair-pin繞組排列方式、諧波損耗計算等方面進行了深入研究,通過開發新結構、新材料、新工藝全面提升驅動電機性能。本文將對電動汽車用集中驅動電機的典型拓撲結構及應用、熱分析和冷卻結構設計等方面的國內研究現狀進行梳理和總結,并展望電動汽車驅動電機未來發展趨勢及前景。
1 驅動電機應用
目前,大多數電動汽車采用集中驅動方式,驅動電機主要分為直流電機、感應電機、開關磁阻電機、永磁同步電機和電勵磁同步電機,其特點如表1[6-7]所示。
直流電機具有結構簡單、易于平滑調速、控制技術成熟等優點,在早期開發的電動汽車中應用較多。但隨著電動汽車的快速發展,對驅動電機性能要求越來越高,直流電機噪聲大、故障多的缺點逐漸顯現,市場占有率越來越小。
感應電機具有可靠性高、成本低等優勢,但其功率因數較小,多在美國和部分歐洲車企使用,如特斯拉、福特、雪佛蘭等[8-9]。選擇交流感應電機作為驅動電機的主要原因為:一方面,與車企技術路線選擇有關,更主要的原因是稀土材料屬于戰略資源且價格較高,而交流感應電機價格低廉且無退磁風險;另一方面,國外高速路網發達,交流感應電機效率在高速路網區間具有明顯優勢。
開關磁阻電機因其轉子無須裝置線圈和永磁體,具有結構簡單、可靠性高等優勢,且轉速-轉矩特性可以很好滿足電動汽車工況要求,但其輸出轉矩脈動和噪聲較大,導致駕駛舒適性降低,因而在電動汽車領域應用較少[10]。
永磁同步電機按照轉子結構可分為內置式和表貼式。表貼式永磁同步電機設計簡單,而內置式永磁同步電機可以利用磁阻轉矩減少永磁體用量并降低成本。永磁同步電機因其高效率、高轉速等優點,在電動汽車領域中占據主導地位。目前,電動汽車中一般采用內置式,內置式永磁同步電機在豐田、本田、現代、大眾、寶馬等世界知名品牌的電動汽車中得到了廣泛應用。
電勵磁同步電機因其勵磁可調、效率高等優點,得到了車企的廣泛關注。寶馬iX3電驅系統采用的是電勵磁同步電機方案,采用電刷模塊對轉子繞組進行供電[11]。德國采埃孚集團研發出一種感應勵磁同步電機,可通過轉子軸內感應勵磁機傳遞磁場能量,取消電刷結構,提高電機可靠性。此外,法雷奧、雷諾等廠商也在研發電勵磁同步電機產品。但電勵磁同步電機存在一些無法回避的技術問題,如轉子繞組需要額外供電、存在勵磁損耗等。
此外,為了減少永磁材料的使用,少/無稀土永磁電機成為電機技術攻關的熱點。少/無稀土永磁電機設計思路主要分為3種:1)增加磁阻轉矩,通過轉子多層磁障設計,減少稀土永磁體用量;2)減少重稀土的使用,增大輕稀土的用量;3)利用鐵氧體等材料代替釹鐵硼永磁體[12]。與永磁同步電機相比,少/無稀土永磁電機和電勵磁同步電機在效率和轉矩密度等方面仍存在不足,需進行進一步技術攻關。
不同類型電機應用情況如表2所示。為了拓寬電機高效區范圍并提高整車續航能力,部分車企結合不同類型電機優勢,推出了雙電機驅動方式。
2 驅動電機拓撲結構
隨著科學技術的不斷進步,對電動汽車驅動電機性能提出了越來越高的要求,國內外學者圍繞電機轉子、定子進行了大量研究,并提出了多種電機轉子和定子拓撲結構,以期提高電機性能。
2.1 轉子拓撲結構
內置式永磁同步電機因其轉子強度高、調速范圍寬等優點,已經成為電動汽車驅動電機的主流形式。按轉子拓撲結構可分為一字型、雙一字型、單V型、雙V型、▽型、U型等。豐田公司為提高其電機驅動系統功率密度,對Prius系列電機驅動系統進行了一系列優化,其性能參數如表3所示。由表3可見,從PriusⅠ到PriusⅣ驅動電機向高功率密度、高轉速化發展,轉速從最初的6000r/min增加到17000r/min,對電機設計提出了更高要求。PriusⅠ、PriusⅡ、PriusⅢ、PriusⅣ電機轉子拓撲結構如圖1[13-14]所示。由于電機轉速不高,PriusⅠ電機轉子采用一字型結構,最大轉矩為350N·m;PriusⅡ電機轉子采用V型結構以獲得更大磁阻轉矩,進而提高電機轉矩;PriusⅢ電機最高轉速可達13500r/min,在上一代轉子基礎上增設中心磁橋,增大轉子強度,通過開設減重孔進行輕量化設計,并在轉子表面開設輔助槽,使得氣隙磁通密度得到優化;PriusⅣ電機最高轉速為17000r/min,轉子采用型磁極結構,減少了永磁體用量,同時提高了電機磁阻轉矩,通過電機高速化設計,功率密度得到進一步提升,此外,定子繞組采用扁線結構,不但可以提高槽滿率和電機效率,還可使高效區進一步擴大。
Accord2014主驅電機的轉子結構如圖2[15]所示。采用48槽8極配合,在V型轉子上開設輔助槽,以降低電機轉矩脈動并改善電磁力。同時在兩極直接開設橢圓形孔,可以減少漏磁和應力集中并提高電機凸極率。在靠近軸側開設大量減重孔以實現電機輕量化,系統最大效率超過94%[15]。
2016款寶馬i3主驅電機轉子結構如圖3[16]所示。采用72槽12極配合,其定子繞組采用圓線結構,轉子采用雙層一字型結構并增設隔磁橋,進而提高輸出轉矩的同時降低應力,最高電機效率超過94%,最高轉速可達11400r/min,電機功率密度為3.81kW/kg[16]。
特斯拉Model3驅動電機轉子結構如圖4[17]所示。轉子采用V型磁極結構,并在轉子外圓靠近氣隙處設置輔助槽用以優化其性能。為了提高電機散熱能力,電機采用油冷冷卻方式。電機最高轉速為17900r/min,峰值功率為192kW,系統功率密度可達2.4kW/kg[17]。
大眾ID.4系列所搭載的發卡繞組永磁同步電機轉子結構如圖5[18]所示。電機采用了8極48槽6層導體結構,轉子磁極為型并采用了4段式分段錯極,以改良電機的振動噪聲特性,冷卻方式為水冷,水道采用軸向Z字型結構。該電機峰值功率為150kW,峰值轉矩為310N·m,峰值轉速為16000r/min[18]。
驅動電機高速化導致轉子所受離心力變大,對電機穩定性和安全性帶來挑戰。為保證高速電機的安全穩定運行,需對轉子加以保護。與金屬護套相比,碳纖維復合材料護套具有質量輕、強度高、導電率低等優點,可以更好地匹配電機高速化需求,進而提高電機性能。此外,碳纖維護套可與高強度硅鋼片同時使用,進一步提高轉子力學性能。特斯拉ModelSPlaid采用碳纖維包裹轉子,其最高轉速可以超過20000r/min,車輛百公里加速時間可以降至2.4s,最高速度可以達到322km/h。隨后國內外主機廠及電機生產商開始開展相關技術研究并研發出多種高速電機產品,如博格華納電機、東風汽車電機、紅旗汽車電機、廣汽埃安電機、極氪汽車電機、小米汽車電機、威睿電機等。其中,極氪汽車001FR后驅動電機碳纖維轉子結構如圖6所示,電機最高轉速可以達到20620r/min,功率密度為4.4kW/kg[17-19]。小米汽車研制的驅動電機V8s最高轉速為27200r/min,峰值功率為425kW,最高電機效率為98.11%,功率密度為10.14kW/kg[19]。雖然采用碳纖維保證了轉子在高轉速運行時的機械強度,但不利于轉子散熱,存在高溫失磁風險。研發同時滿足強度和散熱需求的高性能永磁轉子成為車用驅動電機的研究熱點之一。
不同于前述車企采用永磁電機方案,特斯拉ModelS、ModelX搭載感應電機。為了提高電機效率,轉子采用銅導條材料。由于銅熔點較高且不能采用鑄造方式制造,傳統工藝需要先將銅導條插入轉子槽中,再在兩側焊上端環,一般采用感應釬焊方式,但該方法成本較高。為了降低成本,特斯拉設計了一組表面鍍銀的銅質楔子,將這些楔子插入銅導條端部間隙中,在楔子和銅導條之間進行焊接,焊接完成后,再在兩端箍上禁錮環,增強機械強度防止解體,其結構如圖7所示[20]。該方法具有連接緊固、成本低、制造難度低等優點。奧迪e-tron驅動電機采用鑄鋁轉子感應電機,轉子兩端面設置散熱葉片,制造過程較為簡單,其結構如圖8[20]所示。
寶馬iX3第五代eDrive動力系統中的電機采用電勵磁同步電機,電機最高轉速為17000r/min,最高電機效率大于97%,轉子繞組通入勵磁電流代替永磁體進行激勵,轉子結構如圖9[12]所示。采用有刷集電環方案為轉子勵磁繞組供電,為了解決電刷磨損問題,寶馬研發出一種強耐久、高性能電刷模塊。通過采用獨特的加工技術滿足電刷高轉速和長壽命要求。此外,馬勒新一代電驅系統采用無線傳輸技術,無須電刷,其高頻逆變器和發送諧振器盤均放置在發電機末端的固定組件中,接收諧振器盤和整流器放置在轉子軸上并隨轉子旋轉,發送諧振器盤和接收諧振器盤之間無機械接觸[12]。
2.2 定子拓撲結構
2.2.1 繞組拓撲結構
電動汽車用驅動電機一般采用48槽8極、54槽6極等極槽配合,相應繞組采用整數槽分布繞組結構,如Accord2014、寶馬i3等車型驅動電機定子均采用圓線繞組,電機定子結構如圖10[21]所示,電機最高效率超過96%。由于圓線繞組線徑小,通常利用綁扎帶對繞組端部進行整形,以降低繞組端部高度。
隨著整車對驅動電機效率和功率密度要求的不斷升高,扁線繞組得到了廣泛應用。扁線永磁同步電機最早發布于美國,其扁線技術和工藝不斷更新。扁線繞組使得槽內排列非常規整,從而大大提高了槽滿率,同時繞組端部高度較低,可使直流電阻下降30% ~40%,大大降低電機直流銅耗,進而提高電機功率密度和效率。電機扁線繞組一般分為疊繞組、Hair-pin、I-pin、X-pin、連續波繞組等5種形式[21-24]。Hair-pin繞組是目前應用最為廣泛、制造工藝最為成熟的繞組形式之一,又因其外形類似“發卡”,又稱為“發卡繞組”,其結構如圖11[22]所示。現有生產線成型設備、扭頭設備、焊接設備可以滿足批量化生產需求,但生產線成本較高,一般適用于量產電機。目前,寶馬i7、特斯拉ModelY等車型的驅動電機采用Hair-pin繞組。為了進一步降低繞組端部高度,日本電裝Denso公司采用階梯式端部設計,減少繞組的轉彎半徑,進而降低繞組端部高度,其結構如圖12[23]所示。此外,在扁線基礎絕緣的基礎上,額外加入高分子聚合物絕緣材料可使線圈接觸后仍能滿足絕緣要求。
I-pin和X-pin繞組不需要進行線成型,扁銅線直接沿著軸向插入定子槽中,具有更高槽滿率,其拓撲結構如圖13[24]所示。對I-pin電機技術進行進一步升級開發得到X-pin電機技術,X-pin技術的目標重點是在保證高槽滿率的前提下,降低I-pin技術端部直線段高度,進而降低電機整體長度,節省銅線用量,在提升電機效率的同時實現小型化目標,從而將I-pin技術優勢發揮到最大。由于X-pin工藝無切平工藝,因而對成型后pin角一致性要求較高。此外,I-pin和X-pin繞組結構兩側都需要進行焊接,焊點多導致工藝較為復雜,同時降低了可靠性。目前,廣汽埃安夸克電驅、聯合電子等廠商多采用X-pin繞組結構。
疊繞組和連續波繞組具有繞組端部高度低、焊點少等優點,特別適用于油冷冷卻結構,可有效減少焊接過程中絕緣碎屑進入冷卻油中的可能性,但由于工藝復雜,應用較少,其結構如圖14[24]所示。本田IMMD電機采用兩層短節距疊繞組,在確保線圈之間絕緣距離相同的基礎上,不僅縮短了線圈端部的槽距,而且將線圈端部高度降低了10%。博格華納、LucidAir等電機采用連續波繞組,該繞組方式尤其適用于對軸向空間要求嚴格的場合。
由于導體通入交變電流或處在交變磁場中時會產生集膚效應和臨近效應,進而增加繞組銅耗[25]。車用驅動電機高速高頻化的發展趨勢使得繞組交流損耗問題日趨嚴重。為了降低繞組銅耗,學者們提出了多種繞組拓撲結構,如分割繞組[26]、不等截面面積繞組[27]、股間換位扁線繞組[28-29]、混合換位繞組[30]等,不同繞組結構示意圖如圖15所示。降低交流銅耗的方法可分為兩種:一種方法是將扁線布置在遠離槽口的位置,以減少漏磁場的影響,但該種方法犧牲了槽滿率;另一種方法是增加靠近槽口處的導體層數并減小導體面積。不等截面面積繞組和分割繞組可以優化導體厚度以減少交流銅耗,但增加了導線間的環流損耗。股間換位扁線繞組可對高頻損耗起到明顯抑制作用,但增加了工藝難度且降低了槽滿率。混合換位繞組在兼顧較高槽滿率的前提下,在槽口采用股間換位利茲扁線,而在其他層仍采用傳統實心扁線,具有寬頻域、低損耗的特點,但制造工藝難度較大且制造成本較高[31]。
2.2.2 定子鐵心材質
隨著車用驅動電機向小型化、高功率密度、高效率發展,人們對電機導磁材料提出了更高要求,即電機材料需要具備高飽和磁通密度、低損耗、優異力學性能、良好加工性能與較高性價比。
目前,車用電機定轉子大多數采用無取向硅鋼材料,其性能將直接影響驅動電機的功率、效率和壽命。日本是較早開始研究電動汽車用高強度無取向硅鋼的國家之一,其代表廠家JFE和新日鐵生產的高強度無取向硅鋼系列產品品質處于國際領先水平。我國對高強度無取向硅鋼研究起步較晚,對高強度低損耗無取向硅鋼中的研究水平與國外還存在一定差距,目前,國內主要無取向硅鋼生產企業有寶鋼、武鋼、首鋼、馬鋼等[32]。小米V8s超級電機最高轉速為27200r/min,為了滿足轉子機械性能要求,采用了屈服強度為960MPa的特種硅鋼[33]。此外,為了減少鐵耗,硅鋼片厚度由傳統的0.35mm、0.50mm減薄至0.25mm、0.27mm。例如,2016款寶馬i3驅動電機鐵心由厚度為0.27mm的硅鋼片疊壓而成,轉子鐵心存在大量減重孔,以提升電機功率密度。NissanLeafⅡ驅動電機鐵心由厚度為0.25mm的硅鋼片疊壓而成,不但可以降低鐵耗,還可以進一步提升電機效率[34]。
定子鐵心損耗是影響電機運行效率的重要因素,利用新型合金材料替代原有硅鋼材料提高電機效率已經成為一個重要研究方向。非晶合金材料具有低損耗、高導磁率等特性,具有廣闊應用前景,備受國內外學者關注。顏昌昊等[35]對非晶和硅鋼材料磁性能進行了測試,結果表明,非晶合金的飽和磁通密度約為1.6T,而硅鋼材料的飽和磁通密度約為2T,遠高于非晶合金材料。當磁通密度為1.5T、頻率為600Hz時,非晶合金材料鐵心損耗僅為硅鋼材料的19.2%。廣汽埃安夸克電驅采用納米晶-非晶合金材料制造電機鐵心,鐵心損耗降低了50%,電機工況效率提升至97.5%,電機最高效率達到98.5%,電機功率密度達到12kW/kg。目前,比亞迪、蔚來、長安等車企已經開始進行相關研發工作[36]。需要注意的是,非晶合金材料具有硬度高、脆性強、極薄等特性,其加工和應用較為困難,難以大規模使用,目前在車用驅動電機上應用較少[37]。
3 驅動電機熱分析和冷卻結構設計
3.1 驅動電機熱分析
車用驅動電機功率密度較高,長時間或過載運行容易導致電機的溫度過高,進而導致永磁體不可逆退磁、絕緣材料壽命降低或失效等。電機的冷卻與散熱直接制約著電機的極限輸出能力,一方面在設計過程中需要減少各部分損耗的產生,另一方面需對電機進行冷卻結構設計,計算和分析電機不同部分溫升。目前,電機溫升常用計算方法主要有簡化公式法、集總參數熱網絡法、數值仿真方法等。
簡化公式法是在假定一些條件的基礎上,對牛頓散熱公式進行簡化處理,然后再對電機發熱部位進行計算,其優勢在于計算比較簡單,缺點為誤差較大,因此,簡化公式法只適用于電機初始設計溫升的粗略計算。
集總參數熱網絡法(lumpedparameterthermalnetwork,LPTN)是一種基于網絡拓撲理論的溫度場計算方法,具有計算量小、計算速度快的優點。該方法基于集中參數假設,忽略物體內部的導熱熱阻,根據電機結構特征簡化計算模型并進行網絡劃分,將物體在空間連續分布的質量和熱容量匯聚到一點,用該點溫度代表物體平均溫度,節點之間通過熱阻進行連接,熱量通過熱阻以能量傳導方式傳遞[38-39]。LPTN模型的溫度計算精度取決于網絡節點劃分數量,計算精度越高,相應節點數量越多,計算速度越低。節點數量的選擇需要綜合考慮計算速度和計算精度兩方面因素。根據節點數量的不同,可將LPTN模型分為兩類[40]:灰箱熱網絡模型和白箱熱網絡模型。兩種模型的對比分析如表4[41-44]所示。此外,LPTN模型只適用于結構確定的電機溫度場計算,不適用于結構參數的優化設計。
數值仿真方法可分為兩類:有限元法(finiteelementmethod,FEM)和計算流體動力學(com-putationalfluiddynamics,CFD)法。FEM 對電機幾何進行離散化,在每個節點建立熱平衡方程,設置不同邊界條件(如等溫、絕熱、對流換熱等),通過對離散方程組進行求解進而得到各點溫度和電機溫度場分布。FEM 有利于技術人員對電機進行優化設計,同時在永磁體退磁、絕緣等方面研究中具有重要作用[45]。為了降低計算量,一般根據對稱性選取部分模型進行計算。FEM 只能分析固體間的熱傳導,而固體與液體間的對流換熱系數只能通過公式或實驗獲得。CFD法將溫度場和流體場進行耦合,不僅可以分析外接冷卻流體對電機溫度場的影響并計算流固界面的換熱系數,還可以通過設置流固耦合邊界條件獲得準確的電機溫度場和流場分布,優化電機冷卻結構(風/水道排布),控制冷卻劑流量、流速等[46-47]。CFD建模工作量較大,需要對模型進行合理簡化,且無法考慮電機裝配間隙對導熱的影響,計算時間長于FEM,常用于散熱結構復雜、換熱系數難以獲得的電機溫度場分析中。
近年來,部分學者綜合上述3種方法的優點對電機進行溫度場分析。NATEGH等[48]利用CFD法計算出電機的對流換熱系數并將其代入LPTN模型中進行求解,大大提高了計算效率與計算精度。此外,還可以將有限元法和熱網絡法相結合,充分發揮各自優點,在保證精度的同時提高計算速度。例如,朱灑[49]提出了一種考慮材料各向異性導熱和接觸熱阻的有限元計算方法,并將其與LPTN模型進行耦合,采用有限元法對電機定子部分進行建模,并采用LPTN模型對電機其余部分進行建模,可在提高計算速度的同時準確計算定子部分的溫度場和熱點分布。
3.2 驅動電機冷卻結構
目前,電機冷卻系統主要分為風冷和液冷兩種方式。風冷冷卻方式采用空氣作為冷卻介質,利用空氣對流進行散熱,具有結構簡單、維護方便等優點,但冷卻效果不太理想,一般適用于中小功率電機。液冷冷卻方式是一種比較高效的冷卻方式,采用液體作為導熱介質,常用冷卻劑有水和油,具有散熱效果良好的優點,但存在成本略高、結構復雜、冷卻介質易對電機造成腐蝕等缺點。目前,電動汽車驅動電機中常采用液冷冷卻方式,若采用水冷冷卻方式,電機繞組電流密度取值約為7~20A/mm2,而采用直接冷卻時繞組電流密度取值范圍可達10~30A/mm2[50]。為了提升電機冷卻效率,可采用兩種或多種冷卻方式相結合的冷卻方案。
3.2.1 水冷冷卻結構
水冷冷卻方式一般在電機機殼或內部設置冷卻水道,通過水泵驅動冷卻液循環流動帶走熱量,并不影響電機內部磁路,因而成為電動汽車驅動電機進行結構冷卻的首選方式。常用冷卻劑為由水、乙二醇、抗腐蝕與抗泡沫添加劑按照一定配比組成的混合溶液,大大降低了冷卻液的凝固點,可使電機有效防凍,還具有防腐、防水垢的功能。冷卻水道在電機外殼的分布主要分為螺旋型、整環型、半環型和軸向型,相應結構示意圖如圖16[51]所示。
為了提升電機散熱能力,國內外學者研究了不同冷卻結構、水道結構參數、冷卻液流速等對冷卻效果的影響[52-55]。螺旋形管道散熱面積較大,管道內阻力變化較小,進出口壓降較小,對進口壓力的要求較低。軸向型管道出口壓降較大,消耗能量較多。環型管道是對軸向型管道的改進,有效解決了溫差較高的問題,但設計較為復雜,彎折結構較多,容易出現高溫聚集區。
除了以上傳統冷卻結構外,NOLLAU等[56]提出了一種定子鐵心帶磁障機殼水冷結構,其結構示意圖如圖17a所示,磁障與機殼水道相連接,峰值工況運行時電機定子槽區域溫升可以減小20K。陳進華等[57]提出了一種丁胞結構管路水冷結構,在冷卻管道中布置數個凸起丁胞結構,可增大表面傳熱系數,其結構示意圖如圖17b所示。HUANG等[58]研究了一種結合機殼水冷和熱管的冷卻技術,在確保電機在合理溫度范圍內運行的同時,可以降低50%的冷卻系統能量消耗。
雖然冷卻水套可為定子繞組的直線部分提供足夠熱傳遞,但機殼水路距離繞組熱源較遠,兩者之間存在較高熱阻,通常不能很好地帶走繞組端部和轉子的熱量。因此,該類冷卻結構并不適用于具有長端繞組的電機。MADONNA等[59]提出了一種新型繞組端部分裂散熱結構,其結構示意圖如圖18所示。冷卻管道為繞組端部提供了一個附加散熱路徑,可使繞組端部溫度下降25%。為了更好地對繞組進行散熱,部分學者提出了槽內冷卻方案[60-63]。RHEBERGEN等[64]利用槽口空間,提出了一種槽口冷卻結構,如圖19所示。槽口處的冷卻管道更接近熱源,散熱效率較高。冷卻管道材料需要同時具備高導熱、低電導率等特性。利用高導熱材料對槽內進行填充,可以提高槽內導熱系數,進一步提高電機散熱能力。為了進一步提升電機性能,定子繞組采用扁銅線,并在槽中形成一個類三角形空間。SCHIEFER等[62]充分利用槽內空間,在其內部設置了一個三角形冷卻管道,水道結構為軸向“Z”字型,如圖20所示。采用該種冷卻結構后,電機最高溫度可從202℃降到85℃,繞組持續運行電流密度可從8.24A/mm2提高到24.7A/mm2,電機性能得到大幅度提升,但該種冷卻結構對冷卻管道材料選取要求較高。
以上繞組冷卻方案適用于集中繞組電機,而分布式繞組槽滿率較高,且槽內無多余空間布置冷卻通道。隨著3D打印技術的發展,KUMAR等[65]提出了空心導體方案,其結構如圖21所示。在導體空心處可以插入熱管或通入冷卻介質,進而提高散熱能力。若繞組空心處通入冷卻介質,端部焊接是需要攻克的技術難題。WOHLERS等[66]提出了凹槽式扁線繞組方案,在繞組表面設置凹槽形成冷卻通道,冷卻介質直接與銅導線相接觸,散熱效果較好,但仍然存在焊接難和絕緣性能要求高等問題。盡管空心導體具有較好的散熱能力,但還存在很多技術問題需要解決。首先,為了保證一定的抗壓能力和空心空間,空心導體的壁厚不能太薄,造成導體截面積較大,使得每槽導體數量受限,可能滿足不了反電動勢要求。其次,空心導體填充系數不大,需要合理設置銅線和冷卻面積的比例。再次,空心導體制造工藝復雜,在彎折處容易堵塞,所設計的繞組結構需要同時滿足靈活性、冷卻液流動性、可靠性等要求。
3.2.2 油冷冷卻結構
隨著電動汽車對驅動電機功率密度的要求越來越高,電機散熱面臨新的挑戰。對于高功率密度電機而言,機殼冷卻不足以達到良好散熱效果,需要直接冷卻熱源來提升冷卻效率。油具有不導電、不導磁的特性,對電機磁路無影響,可作為電機直接冷卻介質,多應用于混合動力系統中。油冷系統可以直接冷卻熱源(繞組),其散熱效率較高,并可顯著提升功率密度。油冷可分為間接油冷和直接油冷。油介質在機殼內部流道中循環流動的冷卻方式為間接油冷,主要通過定轉子內部油道對電機進行冷卻。直接油冷又可以分為浸油式和噴油式。通常油冷冷卻方式并不只采用一種方式,而是采用組合式冷卻方式對電機發熱部分進行定點冷卻,從而進一步提高電機散熱能力[67]。浸油式油冷是指將電機的定轉子都浸沒在冷卻油中,該方案具有較好冷卻效果的同時可以降低電機工作噪聲。噴油式油冷是將冷卻油噴淋到定子繞組端部,從而對電機進行高效散熱。相關研究[68-71]表明,噴油方式、噴油嘴數量、噴射位置可對繞組端部的冷卻起到重要作用,從而研發了定子繞組端部噴油+轉軸油冷、轉子甩油等冷卻結構。
目前,電機油冷技術成為了各大車企競相研發的焦點,電機采用冷油冷卻方式的電機有豐田Prius、特斯拉Model3、比亞迪DMI、華為DriveONE等,具體冷卻方案如表5[72]所示。LucidAir驅動電機為了提升冷卻效果,在齒部設置更接近繞組的冷卻通道,其結構如圖22[72]所示。該結構損失了一定的電磁性能,增加齒寬后減小槽寬使得繞組的截面積降低,電阻值升高,因而需要解決冷卻性能和電磁性能相互平衡的技術難題。
博格華納提出了一種向心冷卻系統,冷卻油從進油口進入定子,并沿著定子表面凸起形成的油道對定子鐵心表面進行降溫,再通過定子端面的噴油通道噴射在繞組端部,其冷卻結構如圖23[73]所示。向心冷卻系統旨在解決油液在重力作用下不能覆蓋定子鐵心外表面全部區域且流淌速度較低的問題。為了解決轉子散熱難的問題,LEE等[74]提出了一種機殼+軸冷卻結構,如圖24所示。由圖24可見,冷卻油從前端蓋流進機殼,在定子鐵心處形成環形油路,由后蓋匯集到轉子內部,從轉子內部到達前端蓋出口。該種冷卻方式可以有效降低轉子溫升,其冷卻效果甚至優于噴油冷卻方式。特斯拉電機定子鐵心軛部開有162個方形油道,與機殼過盈形成油路,并在定子端部設有噴油環,從而對繞組端部進行噴淋冷卻。由于該方案冷卻路徑較短,帶走熱量有限。扁線電機改進方案更改為從一側進油,錯疊壓裝鐵心,使得軸向油道變為S形,其目的是增加鐵心與冷卻液的接觸面積,提高鐵心內部的散熱系數,同時還能取消中間環形油路鐵心,降低開模成本。
雖然油冷冷卻散熱效率較高,但由于驅動電機的冷卻油通常與齒輪箱油共用并與齒輪箱形成驅動一體化油冷冷卻系統,因而對冷卻油品質具有更高要求。電機容易引起油污染,如扁線電機繞組焊接易產生碎屑等。此外,油本身存在黏性,攪動過程中會產生內摩擦發熱和阻尼作用,導熱系數僅為水的20%。上述問題是油冷電機需要解決的又一技術難題。
除了以上針對冷卻系統研究工作外,近年來國內外學者還圍繞散熱材料開展了研究。文獻[75-76]中采用導熱膠或陶瓷等具有較高傳熱效率的絕緣材料布置在電機機殼和繞組之間,增加繞組端部散熱。文獻[77-78]中采用導熱率高的金屬材料或相變材料制成導熱翅片、導熱管等,將電機內部熱量傳遞到機殼外,然后利用風冷、液冷等方式帶走熱量,該種方法降低了傳遞到路徑上的熱阻,大大降低了繞組溫升,但對導熱體和繞組絕緣要求較高。以上方法對解決局部溫升過高的問題具有不錯效果,同時對高功率密度電機散熱系統提供了新思路。
4 總結與展望
本文詳細闡述了電動汽車驅動電機技術發展現狀,從驅動電機類型及應用、電機拓撲結構、熱分析和冷卻結構設計等方面進行分析與歸納,對電動汽車用驅動電機現有研究成果進行梳理、總結,并對電動汽車驅動電機技術發展進行了如下展望:
1)目前,永磁同步電機因其優異性能在電動汽車領域中占據主導地位。為了減少對稀土資源的依賴并降低成本,少/無稀土永磁電機成為電機技術攻關的熱點,寶馬、博格華納等企業研制出了電勵磁同步電機、少重稀土永磁電機等產品。隨著技術的不斷創新,低成本磁鋼材料將成為研究熱點。
2)國內外學者圍繞車用電機效率、功率密度、散熱等方面開展研究,提出了多種電機拓撲結構和散熱結構。電機高速化發展帶來了電機損耗和轉子強度降低等問題,亟須研發出具有寬頻域、低損耗、高過載特性的新型拓撲結構電機。
3)通過材料技術革新突破電動汽車用電機電磁負荷極限,如研發高導熱絕緣材料、高強度硅鋼材料、低電阻率導體材料等。通過降低損耗和提高散熱性能,不斷提高電機性能指標。此外,可以結合3D打印等先進制造技術,實現高性能、復雜結構的零部件制造。
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(責任編輯:尹淑英 英文審校:尹淑英)
特邀專家 張鳳閣,博士生導師,二級教授。1984年,沈陽工業大學電機專業畢業,獲學士學位,并留校任教;1990年,沈陽工業大學電機與電器專業畢業,獲碩士學位;1999年,沈陽工業大學電機與電機專業畢業,獲博士學位。國家新世紀百千萬人才工程人選、享受國務院政府特殊津貼,現任沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心主任。“興遼英才計劃”領軍人才、遼寧特聘教授、遼寧省教學名師和學術頭雁、教育部創新團隊帶頭人和全國高校黃大年式教師團隊負責人。長期從事電機及其控制等方面的研究工作,主持國家自然科學基金重點項目3項、面上項目4項,歐盟國際合作項目1項。授權國家發明專利37項;發表學術論文200余篇;出版學術專著1部。獲得省部級科技獎勵一等獎4項、二等獎3項。
基金項目:遼寧省科技計劃聯合計劃項目(2023JH2/101700271);遼寧省教育廳面上項目(JYTMS20231231)。