前言

電機的功率極限能力往往受電機的溫升極限限制，且永磁電機的性能隨著溫度升高而降低，因此提高電機冷卻散熱能力能立竿見影的提高功率密度?，F(xiàn)有新能源汽車電機冷卻方式主要為水冷，但其存在無法直接冷卻熱源的問題，散熱效率不甚理想，而且隨著電動汽車不斷發(fā)展，要求電機功率密度不斷提高，因此散熱效率更高的油冷技術(shù)將成為趨勢。

1、電機熱管理系統(tǒng)概述

高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度是電機發(fā)展長期的趨勢。提高功率密度存在三種技術(shù)手段，包括：更新的電磁設(shè)計、更好的電磁材料、更好的熱管理。

電機的功率極限能力往往受電機的溫升極限限制，因此提高電機冷卻散熱能力能立竿見影的提高功率密度。另外一方面永磁電機存在短板——“永磁電機的性能隨著溫度上升而衰減”。因此為了防止永磁體可逆和不可逆退磁，保持低工作溫度是最佳策略。無論是從功率密度提升還是保障可靠性出發(fā)，電機熱管理技術(shù)都必不可缺。

電機較常見的冷卻方式可以分為三種：第一種是開放式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，空氣從風(fēng)罩中吸入電機內(nèi)部，從出風(fēng)口排出，帶走內(nèi)部熱量。但這種結(jié)構(gòu)的防護等級不高，粉塵和水汽易進入，影響電機壽命。散熱形態(tài)為對流冷卻。第二種形態(tài)是完全封閉的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外沒有空氣等其他流體交換，電機內(nèi)部的熱量靠熱傳導(dǎo)從一個材料傳遞到下一個材料，最終到達機殼，和空氣發(fā)生熱交換。這種散熱方式結(jié)構(gòu)簡單，但傳熱效果不佳，內(nèi)部的熱量容易堆積，形成熱島。散熱形態(tài)為熱傳導(dǎo)。第三種形態(tài)為前兩種方式的復(fù)合，電機還是全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的熱量靠熱傳導(dǎo)到達機殼后，機殼通過風(fēng)扇強迫對流冷卻，帶走熱量，換熱效率介于第一種和第二種之間。散熱形態(tài)為內(nèi)部熱傳導(dǎo)、外部對流冷卻。

新能源汽車對電機功率密度要求呈直線式上升，這意味著風(fēng)冷無法滿足要求，必須采用水冷或者其它更高散熱效率的系統(tǒng)。

水冷系統(tǒng)一般由水冷機殼、水泵、散熱器、管道等部件組成。其工作原理是，在水泵的推動下，水流通過電機外殼，在吸收了電機的熱量后，再回到散熱器將熱量散發(fā)到大氣中。相當(dāng)于將原來由電機表面散發(fā)的熱量，帶到專用散熱器上耗散掉。這樣帶來兩個好處，第一個散熱效率更高，散熱器+水的散熱效率遠(yuǎn)高于電機本身散熱的效率。第二個好處，就是電機可以做的很小，滿足緊湊安裝的需求，而散熱器可安裝在遠(yuǎn)離電機通風(fēng)良好的地方。正因為如此，行業(yè)主流新能源汽車（如逸動EV460）已采用電機水冷系統(tǒng)。

水冷電機的散熱效率涉及到熱傳導(dǎo)和熱對流兩種原理。電機內(nèi)部發(fā)出的熱量，首先通過熱傳導(dǎo)到達定子軛部，然后從軛部到達機殼內(nèi)層。這一部分歸屬于熱傳導(dǎo)；而從流道璧到流體的散熱歸屬為對流。

2油冷系統(tǒng)

a)概述電機水冷系統(tǒng)散熱效率較高，技術(shù)難度較低，雖已能滿足絕大部分的需求，但其存在兩個缺陷：其中一個是機殼液冷的缺陷。這種冷卻方式需要電機內(nèi)部的熱源（如電機線圈內(nèi)部的繞組）通過層層材料傳遞到外部，再被水道帶走。因為熱阻的存在，從繞組到水冷機殼，存在溫度梯度。繞組無法直接冷卻，導(dǎo)致溫度堆積，形成局部熱點，導(dǎo)致冷卻效率不太理想，因此需要直接冷卻熱源來提升冷卻效率。而油本身因為不導(dǎo)磁不導(dǎo)電的特性，對電機磁路無影響，因此選擇油來作為內(nèi)部直接冷卻的介質(zhì)。另外一個原因，是因為新能源汽車對電機的功率密度越來越苛刻，比如《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中明確提到2025年電機功率密度要達到50kw/L，而提高冷卻效率可明顯提升功率密度，因此選擇冷卻效率比水冷更高的油冷進行直接冷卻。

b)工作原理電機內(nèi)油冷屬于直接冷卻技術(shù)，按定子冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻分為兩大類。

轉(zhuǎn)子冷卻適用于轉(zhuǎn)子損耗較大的情況或者要求對永磁體溫升加強保護的場合，其中常用的一種為油冷軸技術(shù)。

Tesla剛開始采用了感應(yīng)電機技術(shù)路線，因此其轉(zhuǎn)子發(fā)熱較大，需要對其進行額外的冷卻。Tesla采用了一種復(fù)合空心軸套。這個軸有內(nèi)外兩層環(huán)腔，內(nèi)腔為空心結(jié)構(gòu)，外腔帶有輻條。油先從內(nèi)腔進入，走到頭后，遇到封閉墻，改變轉(zhuǎn)向流入外腔。外腔外圓直接和轉(zhuǎn)子接觸，因此油在流過外腔時會帶走轉(zhuǎn)子的熱量。

特斯拉空心軸套轉(zhuǎn)子油冷技術(shù)
油冷軸技術(shù)散熱功率有限，通常作為一種補充冷卻方式。Tesla將油冷軸技術(shù)和油冷機殼技術(shù)混用，構(gòu)成了一套復(fù)合冷卻系統(tǒng)。冷卻油在離心泵的作用下先冷卻轉(zhuǎn)子，然后通過管道流向機殼，既冷卻定子又和大氣交換熱量。

特斯拉油冷軸技術(shù)與油冷機殼復(fù)合冷卻技術(shù)
定子冷卻形式較多，以噴淋冷卻技術(shù)為例，在繞組附近設(shè)計噴頭口，冷卻油液直接通過噴頭噴淋到繞組端部，在重力作用下油液分布到其他位置，瞬間帶走大量熱量，最后冷卻油液在底部被收集。

通用繞組噴淋定子油冷技術(shù)
這種冷卻方式受重力和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響很大，容易導(dǎo)致冷卻不均勻，不同位置繞組的溫度差別很大，影響整體冷卻效果。但即便是以最苛刻的算法計算，噴淋的冷卻功率是空氣冷卻的2.5倍到5倍，因此在許多產(chǎn)品中得以應(yīng)用。
另外一種冷卻效率很高的技術(shù)為定子槽內(nèi)冷卻技術(shù)。一般電機最大的熱源為繞組，因此設(shè)計了一系列軸向冷卻油道直接帶走繞組的熱量。通過槽口和繞組接觸，繞組中熱通過熱傳遞到冷卻管道，最后被冷卻劑帶走。為了加強繞組的熱傳導(dǎo)，需要在槽內(nèi)灌膠降低繞組到冷卻道的熱阻。這種方式能夠大幅度改善定子的散熱情況。

槽內(nèi)冷卻定子油冷技術(shù)

3優(yōu)點與挑戰(zhàn)

1)    優(yōu)點散熱能力好、提高功率密度。國內(nèi)新能源汽車電機冷卻技術(shù)路線主要采用水冷的方式，其散熱效率較高，技術(shù)難度較低，但由于電機高溫部分主要集中在繞組端部，采用水冷方式無法直接對其冷卻，因此為了進一步提高電機的散熱能力，也為了進一步提高電機功率密度，采用通過油冷系統(tǒng)直接冷卻熱源（繞組）的冷卻方式，其散熱效率高，并可顯著提升功率密度，是下一代電機冷卻系統(tǒng)的趨勢。
2)    挑戰(zhàn)復(fù)雜的油路系統(tǒng)設(shè)計以及較高的工藝水平，限制了油冷技術(shù)的發(fā)展。

4結(jié)論和展望

由于油冷電機的優(yōu)勢，很多企業(yè)已經(jīng)開始對其進行研究，企圖占領(lǐng)技術(shù)制高點，如特斯拉、本田、豐田、通用、日產(chǎn)等先進車企，代表車型為豐田普銳斯2017款、寶馬i3、雪佛蘭Volt等。由于其工藝及設(shè)計較復(fù)雜，國內(nèi)主流車型暫未運用油冷技術(shù)，其較高散熱能力以及可提高功率密度的優(yōu)勢，值得持續(xù)跟蹤。