电动汽车用油内冷永磁轮毂电机三维温度场分析

王晓远， 高鹏

（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

电动汽车用油内冷永磁轮毂电机三维温度场分析

王晓远， 高鹏

（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

根据外转子式轮毂电机的结构及变压器油的物理特性，提出油内冷轮毂电机冷却方式。以实际样机为例，在传热学理论和有限元方法的基础上，对轮毂电机各部件间的导热系数和散热系数进行了计算，并分别建立了采用自然冷却和油内冷冷却方式轮毂电机的3-D温度场有限元分析模型。基于所建立的模型，计算并得到了不同冷却方式下轮毂电机各部件的温升曲线和温度场分布。通过计算结果与实测数据的对比分析，验证了有限元分析的正确性和油内冷冷却方式的有效性和实用性。

轮毂电机；油内冷；温度场；有限元法；自然冷却

0　引言

轮毂电机驱动系统是将轮毂电机安装于电动汽车车轮内部驱动车轮同轴旋转，省却了机械离合器、变速箱、减速器、传动轴等复杂装置，简化了汽车的结构，提升了驱动系统的动力传动效率［1］。为了满足电动汽车运行的实际需求，轮毂电机需满足高功率密度、高转矩密度和结构紧凑等要求。对于内定子外转子式的轮毂电机结构，定子中的损耗所产生的热量难以传递至机壳并散发出去，导致轮毂电机的内部温升变高。过高的温升会影响电机性能，电机过热易引起运行故障，影响电机的使用寿命［2］，因此采用合理的电机冷却方式对于轮毂电机驱动系统至关重要。

目前，常用的电机冷却方式包括强迫风冷［3-6］、循环水冷［2、7-8］和油内冷等。强迫风冷，成本较低，但是相对冷却效果较差。循环水冷，以净化水为冷却介质，一种方式是在定子绕组中嵌入导水管，通过导水管内水的循环流动实现冷却电机绕组的目的。另一种方式是在电机定子机壳中设计冷却水道，通过冷却水道内水的循环流动实现电机冷却的目的。对于外转子式的轮毂电机，强迫风冷方式难以降低电机内部的温升，循序水冷方式会提高电机的结构要求和设计难度。相对于强迫风冷和循环水冷，油内冷电机冷却方式更加适合外转子式轮毂电机的结构。此外，利用变压器油的导热系数大、绝缘强度高、粘滞系数低等特点，以变压器油为冷却介质填充到轮毂电机内部，将电机内部热量传递至机壳并散发出去，可实现降低电机温升的目的。目前，对油内冷轮毂电机冷却方式进行研究分析的文献还鲜见报道。

本文根据外转子式轮毂电机的结构及变压器油的物理特性，提出了油内冷轮毂电机冷却方式。以实际轮毂电机样机为例，分别建立了采用自然冷却和油内冷冷却方式的轮毂电机3-D温度场有限元分析模型。对额定工况条件下运行的轮毂电机进行了温度场分析和实验验证。根据有限元分析结果和实验测量数据，对比了自然冷却和油内冷冷却方式的冷却效果，验证了有限元分析的正确性和油内冷冷却方式的实用性。

1　轮毂电机模型

1.1轮毂电机分析模型

以一台电动汽车用外转子式轮毂电机为研究对象，主要包括采用分数槽集中绕组的内定子和与两端盖相连接的外转子两部分。电机的内定子通过定子支架与电机轴相连接，轴内通出电源线。外转子与两端盖固定连接，其中电机的一侧端盖与电动汽车的轮辋相连，转子与车轮同轴转动。轮毂电机参数如表1所示。

电机是一种机电能量转换机构，电机各部分损耗成为电机内发热的热源。永磁体表贴式分数槽绕组轮毂电机的损耗主要包括铁心损耗、绕组损耗、永磁体涡流损耗和机械损耗。根据电机内发热热源分布及传热学理论，绘制自然冷却轮毂电机的简化热流动模型，如图1所示。在轮毂电机内部，槽内绕组产生的热量传递至定子铁心，端部绕组产生的热量散发到电机内部空气。定子铁心内的热量一部分通过热传导传递至定子支架，一部分热量通过定子铁心端面散发到电机内部空气，此外，定、转子铁心表面通过气隙空气发生对流换热。永磁体内的热量通过热传导传递至转子套，转子套外表面与周围空气发生对流换热。图1中，红色箭头方向表示为热流动方向。

表1　轮毂电机参数Table 1　Parameters of in-wheel motor

图1　自然冷却轮毂电机热流动图Fig.1　Heat flow diagram in in-wheel motor with nature cooling

由于对轮毂电机功率密度、转矩密度等要求较高，且轮毂电机工作环境较为恶略，采用自然冷却方式的轮毂电机会存在以下问题：（1）槽内绕组导线之间、绕组与绝缘材料之间及绝缘材料与定子槽之间存在导热系数很低的空气，导致绕组热量向外传递效率低；（2）处于密闭轮毂电机内的空气难以将电机内部大部分热量散发至机壳；（3）轮毂电机运行转速相对较低，定、转子间的对流散热能力有限。以上问题会造成高负荷下轮毂电机绕组温升急剧增加，整体温度场分布不均匀。

为了提高轮毂电机的电磁负荷和材料利用率，降低电机内温度最高点温度，改善温度场分布，必须采用合理的冷却方式和冷却介质。充分考虑轮毂电机的安装形式、外转子结构及变压器油的物理特性，提出油内冷轮毂电机冷却方式，即将轮毂电机内部填充满变压器油，利用变压器油将电机内热量传递至机壳，采用油内冷冷却方式的轮毂电机示意图如图2所示，轮毂电机各部件材料导热系数如表2所示。

图2　油内冷轮毂电机示意Fig.2　Sketch of in-wheel motor with inner-oil cooling

表2　轮毂电机材料导热系数Table 2　Thermal conductivity of the materials of in-wheel motor

1.2轮毂电机数学模型

为了节省3-D有限元计算时间，根据分数槽绕组电机的单元电机理论取轮毂电机周向的1/3，取轴向1/2，建立轮毂电机1/6模型，轮毂电机模型如图3所示。

图3　轮毂电机3-D物理模型Fig.3　3-D physical model of in-wheel motor

在直角坐标系下，轮毂电机计算单元的温度场求解可归结为如下的边值问题［3、9-10］：

式中：T为温度；Kx、Ky、Kz为沿x、y、z方向的导热系数；T1为边界面S1上的给定温度；n为边界面（S1、S2）上的法向矢量；h为S2表面的散热系数；T0为S2周围介质的温度。

相应边界条件设定：

1）绝热边界条件，即在此类边界面上无热传导。

式中：SJ为模型中的绝热边界面，包括：铁心轴向中心面、永磁体轴向中心面、转子轭轴向中心面及周向对称面和槽内绕组轴向中心面；λn为垂直于物体表面的导热系数。

2）环境温度边界条件，加载面包括：定子铁心轴向端面、永磁体轴向端面、转子轭轴向端面、绕组表面，边界面上的热传递通过下式计算

式中，qt和Tp分别为通过边界上一点的热量和温度；hc和hr分别为对流换热系数和辐射换热系数；Te为外部环境温度。

2　与温度场相关的系数计算

在轮毂电机的3-D温度场计算中，各部件间导热系数和散热系数是受多变量控制的复杂函数关系，根据传热学理论和轮毂电机结构对相应的导热系数和散热系数进行分析和等效计算。

2.1油内冷轮毂电机

1）槽内绕组等效导热系数

槽内绕组热量由横向散到定子铁心的齿部和轭部，在热量传递的过程中分别有槽绝缘材料、变压器油、导线绝缘漆等产生的热阻。定子槽内绕组与定子铁心间的绝缘包括：槽绝缘材料、槽绝缘材料与定子铁心间的变压器油和绕组铜线的绝缘漆和绕组铜线间变压器油。引入绝缘层等效导热系数λeff，槽内绕组等效模型如图4所示。由于绝缘物质的存在，定子槽内绕组外表面的等效导热系数［11-12］表示为

式中：d1为槽绝缘材料厚度；d2为槽绝缘材料与定子铁心间油的厚度；d3为铜线绝缘漆和绕组铜导线间油的等效厚度；λ1、λ2、λ3分别为对应的导热系数。

图4　油内冷轮毂电机绕组等效模型Fig.4　Equivalent model of the winding of in-wheel motor with inner-oil cooling

2）定转子油间等效散热系数

根据雷诺实验所得出的理论，油会在定转子油的分界面产生层流和湍流两种流动状态，定、转子油间发生对流散热。由于轮毂电机转速相对较低，并且为了简化分析模型，假定定、转子油在气隙径向中心处分为静止层和运动层。定转子油间的等效散热系数hairgap_oil可通过下式进行简化计算［13］

式中：η为定子外径与转子内径之比；k为与气隙内物质导热系数相关的修正系数；r为转子外径；ω为转子旋转角速度；δ为气隙长度；υoil为油的运动粘度系数。

3）转子套外表面散热系数

当电机旋转时，转子套的旋转运动带动周围空气流动。由旋转体表面散热系数的计算准则，计算转子套外表面的对流传热系数［13］

式中：hk为旋转柱表面的对流散热系数；vair为大气压下空气的运动速度，按照电机旋转速度的75%取值［13］。不同转速下，转子套外表面的散热系数如图5所示。

图5　转子套外表面对流散热系数Fig.5　Convective heat transfer coefficient of outside surface of the rotor core

2.2自然冷却轮毂电机

1）槽内绕组等效导热系数

定子槽内绕组与定子铁心间的绝缘包括：槽绝缘材料、槽绝缘材料与定子铁心间的空气和绕组铜线的绝缘漆和绕组铜线间空气，如图6所示。根据式（4），自然冷却轮毂电机槽内绕组等效导热系数可表示为

式中：d2'为槽绝缘材料与定子铁心间空气的厚度；d3'为铜线绝缘漆和绕组铜导线间空气的等效厚度；λ2'、λ3'分别为对应的导热系数。

图6　自然冷却轮毂绕组等效模型Fig.6　Equivalent model of the winding in-wheel motor with natural cooling

2）端部绕组散热系数

轮毂电机旋转时，端部绕组受机壳旋转的影响，处于强制对流换热状态，绕组端部的散热系数hwinding可以通过下式进行计算［14］：

式中：Nu为努赛尔数；Re为雷诺数；v为特征速度，L为特征长度，λα为空气导热系数，υair为空气的运动粘度。

3）气隙散热系数

轮毂电机转子的旋转同时会带动气隙中空气的流动，又由于轮毂电机的定子表面存在齿和槽，使得定、转子及气隙间的换热情况非常复杂，难以准确计算对流散热系数。借助文献［15］中提出的对流链理论来计算气隙的对流散热系数，对流链理论是用来描述热量在不同边界间的对流理论，能够合理的描述定、转子及气隙间的换热情况。根据轮毂电机定、转子的直径、气隙长度和电机转速，计算的气隙对流散热系数如图7所示。

图7　气隙对流散热系数Fig.7　Convective heat transfer coefficient of the air g-ap

4）定子铁心端面散热系数

转子的旋转造成轮毂电机内的空气流动，定子铁心端面的空气流动速度与转子表面的线速度Vrl有关，定子铁心端面的散热系数用下式计算［16］

3　温度场分析及实验验证

3.1温度场3-D有限元分析

根据上述的计算和所建立的模型，对不同冷却方式轮毂电机的温度场进行3-D有限元计算。轮毂电机工作于额定工况条件下，运行120 min后，轮毂各部件的温升达到稳定状态。油内冷轮毂电机各部件的温升曲线如图8所示。尽管在分数槽绕组电机中，定子电流产生很强的谐波磁动势，会在永磁体中产生涡流损耗，导致温升增加。但是，轮毂电机运行于额定工况，转速较低，绕组铜耗仍为轮毂电机发热的主要热源，通过有限元法计算的绕组损耗为179.8 W，永磁体中的涡流损耗为107.4 W。因此，定子绕组和铁心的温升较高，永磁体和转子套的温升较低。

图8　轮毂电机各部件温升曲线Fig.8　Temperature rise curves of different parts of inwheel motor

采用自然冷却和油内冷冷却方式轮毂电机各部件的温升曲线变化趋势保持一致，但是各部件的稳态温升值具有较大差别。轮毂电机的稳态温升对比数据如表3所示。采用自然冷却方式的轮毂电机，由于空气的导热系数很小，绕组铜耗及定子铁心铁耗产生的热量难以传递至机壳并散发出去，绕组温升为93.4°C，是电机温升最高的部件。采用油内冷冷却方式的轮毂电机，槽内绕组的等效导热系数变大，有利于绕组的热量向定子铁心传导，绕组温升为86.7°C，低于自然冷却轮毂电机的绕组温升。轮毂电机内部填充的变压器油有效的将电机内热量传递至机壳，导致电机转子套和永磁体的温升增加。

表3　轮毂电机温升Table 3　Temperature rising of In-wheel motor℃

运行至120 min时，电机温升趋于稳定，轮毂电机稳态温度场分布如图9所示。油内冷式轮毂电机，电机内部温度分布较均匀，电机温度最高点温度有效降低，图9也进一步验证了油内冷冷却方式的冷却效果。

3.2实验系统

所研究的样机如图10（a）所示，通过注油孔向轮毂电机内填充满冷却用变压器油。建立轮毂电机温升实验系统，如图10（b）所示。实验系统由轮毂电机、测功机、电机控制器、功率分析仪、温度传感器和红外温度测量仪等设备构成。将PT100温度传感器嵌入到电机绕组中实时测量绕组温度，红外温度测量仪用于测量转子套表面温度。

图9　轮毂电机温度场分布Fig.9　Temperature field distribution of in-wheel motor

图10　轮毂电机样机及实验系统Fig.10　In-wheel motor and experimental system

在轮毂电机温升实验中，每间隔5min分别测量定子绕组温度和转子套温度，并与有限元计算结果对比，温升曲线对比结果如图11所示。计算数据与实验测量数据存在较小的差异，验证了文中所建立的轮毂有限元分析模型的正确性。

图11　有限元计算与实验测量温升曲线Fig.11　Temperature rise curves for FEA and measured values

4　结论

本文考虑电动汽车用轮毂电机的安装结构和工作环境，提出了轮毂电机的油内冷冷却方式。基于3-D温度场有限元法，分别建立了采用自然冷却和油内冷冷却方式的轮毂电机模型。通过有限元计算和温升实验对比，验证了所建立模型的正确性，为研究轮毂电机复杂运行工况下的温升情况和温度场分布奠定了基础。同时，证实了油内冷冷却方式对降低轮毂电机温升和均衡轮毂电机内温度场分布的有效性，为进一步提高轮毂电机功率密度和转矩密度提供了理论依据。

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（编辑：刘素菊）

Analysis of 3-D temperature field of in-wheel motor with inner-oil cooling for electric vehicle

WANG Xiao-yuan， GAO Peng
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A inner-oil cooling method based the structure of outer rotor in-wheel motor and the physical characteristics of transformer oil was presented for in-wheel motor.According to the theory of heat transfer and the finite element method，the thermal conductivity and the coefficient of heat transfer for the components of the prototype were calculated.The 3-D finite element analysis models were established for the inwheel motor with natural cooling and inner-oil cooling.The temperature rise curves and temperature field distribution were calculated for the in-wheel motors with different cooling methods.By comparing the calculation results with measurement results，the correctness of the finite element analysis and the validity of inner-oil cooling method were verified.

in-wheel motor；inner-oil cooling；temperature field；finite element method；natural cooling

10.15938/j.emc.2016.03.006

TM 315

A

1007-449X（2016）03-0036-07

2014-09-02

国家863高技术基金（2011AA11A259）

王晓远（1962—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机电磁场的分析与计算、电机电器设计与控制研究；

高鹏（1985—），男，博士研究生，研究方向为电动汽车用轮毂电机设计。

高鹏