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深度解讀電動汽車轉(zhuǎn)子油冷電機
2021-04-01 23:21:03· 來源：EDC電驅(qū)未來
今天給大家?guī)硪黄P(guān)于電動汽車轉(zhuǎn)子油冷電機方案的文獻(xiàn)解讀，文章詳細(xì)介紹了油路設(shè)計中各個變量的優(yōu)化過程并對各個方案進(jìn)行了對比分析。本文對其設(shè)計過程進(jìn)行解
今天給大家?guī)硪黄P(guān)于電動汽車轉(zhuǎn)子油冷電機方案的文獻(xiàn)解讀，文章詳細(xì)介紹了油路設(shè)計中各個變量的優(yōu)化過程并對各個方案進(jìn)行了對比分析。本文對其設(shè)計過程進(jìn)行解讀，希望對大家解決實際問題有所幫助。
一、油路走向
首先，來看一下我們要探討的電機油冷的整體方案，其油路的走向如下圖所示：
這個方案與傳統(tǒng)方案相對，特殊的地方在于，在一般的定子水冷方案的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)子的冷卻油路。冷卻油從前蓋流進(jìn)機殼，在定子鐵芯形成環(huán)形油路，由后蓋匯集到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，從轉(zhuǎn)子內(nèi)部到達(dá)前蓋的出口。
二、電機油冷結(jié)構(gòu)
為實現(xiàn)以上油路，電機前后蓋和機殼的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
值得一提的是電機機殼的軸向油道采用了多個進(jìn)出口的方式，這樣油道的流阻比較小。
另外，對轉(zhuǎn)子來說，采用了分兩段加工后再焊接的形式（這個加工工藝可參考另一篇外文，介紹的是軸的摩擦焊工藝，需要的朋友可以加文末我的微信），轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如下圖：
三、仿真迭代過程
仿真基本過程如下圖所示：
仿真的過程就基于溫度場和電磁場的雙向耦合分析，首先給出初始溫度，再通過電磁仿真計算在這一溫度下的損耗，再將損耗傳遞給溫度場分析。如此反復(fù)迭代，直到穩(wěn)態(tài)。為縮短仿真時間，電磁場仿真采用2D數(shù)模，溫度場仿真采用3D數(shù)模，關(guān)于轉(zhuǎn)子和定子相對空氣間隙的換熱系數(shù)參考經(jīng)驗值。
四、實際測量驗證
測量電機不同位置和實際溫度值，與仿真值進(jìn)行了對比分析。以2300rpm，7.38Nm工作狀態(tài)為例，可以得到仿真誤差在10%以內(nèi)。具體的數(shù)值見下圖：
五、電機的優(yōu)化
1、機殼冷卻油道
三種不同形式下的油道如下圖：
分析在不同流量的條件下，三種結(jié)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子溫度如下圖：
由圖表可知，我們可以根據(jù)系統(tǒng)流量和溫度要求，綜合考慮后，確定機殼油道結(jié)構(gòu)。顯而易見的是，從a到b，在冷卻油流量較低時， 繞組的冷卻效果得到了明顯提高，而c相對于b，冷卻效果提高不明顯；在冷卻油流量較高時，c的冷卻效果無論是繞組還是轉(zhuǎn)子都不如b，即使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這表明在我們設(shè)計機殼油道時，需要結(jié)合冷卻油的流量來設(shè)計，從而找到一個流量和通道設(shè)計相匹配的最佳冷卻方案。
2、轉(zhuǎn)子進(jìn)出油口
轉(zhuǎn)子的進(jìn)油口和出油口的角度是可選的變量，其變量可設(shè)置為如下圖所示角度。
通過對幾組特定角度值進(jìn)行仿真，可得出如下圖所示結(jié)果。
對比可知，第三組組合為最優(yōu)解。
六、測試方法
實際樣機在定子機殼上開了六個油冷通道。如下圖：
測量定轉(zhuǎn)子溫度，在定子線包、鐵芯、機殼上分別放置熱敏電阻，轉(zhuǎn)子上無法直接測量，采用標(biāo)簽紙來測定。測量點如下：
試驗系統(tǒng)：
七、試驗結(jié)果
三種條件：風(fēng)冷、單殼體油冷和殼體加軸油冷
結(jié)果：
風(fēng)冷在80分鐘后電機溫度130℃，而且未達(dá)到平衡
單殼體油冷在80分鐘后電機溫度110℃，達(dá)到平衡
殼體加軸油冷在30分鐘后電機溫度80℃，達(dá)到平衡
另外，從時間軸上比較，單殼體油冷與殼體加軸油冷在10分鐘之前，冷卻效果大體相同，30分鐘之后，兩者冷卻效果有明顯區(qū)別，并且這種區(qū)別的趨勢在擴大。
此方案與常見的單殼體冷卻和噴油方案的冷卻效果對比，如下表：
八、總結(jié)
此方案與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，線圈溫度下降了50%，與單殼體油冷方案相比，線圈溫度下降了38%，故是一種有效的提高電機冷卻能力的方案。
一、油路走向
首先，來看一下我們要探討的電機油冷的整體方案，其油路的走向如下圖所示：
這個方案與傳統(tǒng)方案相對，特殊的地方在于，在一般的定子水冷方案的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)子的冷卻油路。冷卻油從前蓋流進(jìn)機殼，在定子鐵芯形成環(huán)形油路，由后蓋匯集到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，從轉(zhuǎn)子內(nèi)部到達(dá)前蓋的出口。
二、電機油冷結(jié)構(gòu)
為實現(xiàn)以上油路，電機前后蓋和機殼的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
值得一提的是電機機殼的軸向油道采用了多個進(jìn)出口的方式，這樣油道的流阻比較小。
另外，對轉(zhuǎn)子來說，采用了分兩段加工后再焊接的形式（這個加工工藝可參考另一篇外文，介紹的是軸的摩擦焊工藝，需要的朋友可以加文末我的微信），轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如下圖：
三、仿真迭代過程
仿真基本過程如下圖所示：
仿真的過程就基于溫度場和電磁場的雙向耦合分析，首先給出初始溫度，再通過電磁仿真計算在這一溫度下的損耗，再將損耗傳遞給溫度場分析。如此反復(fù)迭代，直到穩(wěn)態(tài)。為縮短仿真時間，電磁場仿真采用2D數(shù)模，溫度場仿真采用3D數(shù)模，關(guān)于轉(zhuǎn)子和定子相對空氣間隙的換熱系數(shù)參考經(jīng)驗值。
四、實際測量驗證
測量電機不同位置和實際溫度值，與仿真值進(jìn)行了對比分析。以2300rpm，7.38Nm工作狀態(tài)為例，可以得到仿真誤差在10%以內(nèi)。具體的數(shù)值見下圖：
五、電機的優(yōu)化
1、機殼冷卻油道
三種不同形式下的油道如下圖：
分析在不同流量的條件下，三種結(jié)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子溫度如下圖：
由圖表可知，我們可以根據(jù)系統(tǒng)流量和溫度要求，綜合考慮后，確定機殼油道結(jié)構(gòu)。顯而易見的是，從a到b，在冷卻油流量較低時， 繞組的冷卻效果得到了明顯提高，而c相對于b，冷卻效果提高不明顯；在冷卻油流量較高時，c的冷卻效果無論是繞組還是轉(zhuǎn)子都不如b，即使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這表明在我們設(shè)計機殼油道時，需要結(jié)合冷卻油的流量來設(shè)計，從而找到一個流量和通道設(shè)計相匹配的最佳冷卻方案。
2、轉(zhuǎn)子進(jìn)出油口
轉(zhuǎn)子的進(jìn)油口和出油口的角度是可選的變量，其變量可設(shè)置為如下圖所示角度。
通過對幾組特定角度值進(jìn)行仿真，可得出如下圖所示結(jié)果。
對比可知，第三組組合為最優(yōu)解。
六、測試方法
實際樣機在定子機殼上開了六個油冷通道。如下圖：
測量定轉(zhuǎn)子溫度，在定子線包、鐵芯、機殼上分別放置熱敏電阻，轉(zhuǎn)子上無法直接測量，采用標(biāo)簽紙來測定。測量點如下：
試驗系統(tǒng)：
七、試驗結(jié)果
三種條件：風(fēng)冷、單殼體油冷和殼體加軸油冷
結(jié)果：
風(fēng)冷在80分鐘后電機溫度130℃，而且未達(dá)到平衡
單殼體油冷在80分鐘后電機溫度110℃，達(dá)到平衡
殼體加軸油冷在30分鐘后電機溫度80℃，達(dá)到平衡
另外，從時間軸上比較，單殼體油冷與殼體加軸油冷在10分鐘之前，冷卻效果大體相同，30分鐘之后，兩者冷卻效果有明顯區(qū)別，并且這種區(qū)別的趨勢在擴大。
此方案與常見的單殼體冷卻和噴油方案的冷卻效果對比，如下表：
八、總結(jié)
此方案與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，線圈溫度下降了50%，與單殼體油冷方案相比，線圈溫度下降了38%，故是一種有效的提高電機冷卻能力的方案。
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