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从空冷到油冷·电机冷却技术的概念性认知(三)油冷篇

时间: 2018年12月07日 来源: 电机产品技术前哨 张铮 关键词: 电机冷却技术

核心提示:水平不行,写不出来这么棒的文章,就只能转转转!!!上次去杭州和小编本人当面聊过,水平真的很棒,国内其实最缺的就是像洪总这样踏踏实实做事的人。但是随着Powertrain电气化,电机和变速器耦合程度一定会越来越高(eDCT,电桥以及普锐斯的箱子等),油冷电机必...

水平不行,写不出来这么棒的文章,就只能转转转!!!上次去杭州和小编本人当面聊过,水平真的很棒,国内其实最缺的就是像洪总这样踏踏实实做事的人。但是随着Powertrain电气化,电机和变速器耦合程度一定会越来越高(eDCT,电桥以及普锐斯的箱子等),油冷电机必然是绕不过的坎儿。 

为什么选择油冷

按理说电机机壳水冷冷却已经能够满足绝大部分的需求,但为什么还是不断有油冷技术推陈出新呢。这是因为两个原因:其中一个是机壳液冷的缺陷。因为这种冷却方式需要电机内部的热源通过层层材料传递到外部,再被水道带走。比如说电机线圈内部的绕组。因为有热阻的存在,从绕组到水冷机壳,存在温度梯度。绕组无法直接冷却,导致温度堆积,形成局部热点。因此需要直接冷却热源来提升冷却效率。而油本身因为局部不导磁不导电的特性,对电机磁路无影响,因此选择油来作为内部直接冷却的介质。

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另外一个原因,是因为新能源汽车等应用对电机的功率密度越来越苛刻,比如DOE2025路线图中明确要求电机密度要达到50kw/L,必然要提高冷却效率。因此选择油冷直接冷却,或者选择直接冷却和外壳冷却等复合冷却方式是倒逼之下的选择。

转子直接冷却技术

电机内油冷属于直接冷却技术,分类方法有很多,我这里按定子冷却和转子冷却分为两大类。先说转子冷却技术:其中常用的一种为油冷轴技术。

先从Tesla的专利开始说起,在EV领域,Tesla刚开始采用了感应电机技术路线,因此其转子发热较大,需要对其进行额外的冷却。Tesla采用了一种复合空心轴套。这个轴有内外两层环腔,内腔为空心结构,外腔带有辐条。油先从内腔进入,走到头后,遇到封闭墙,改变转向流入外腔。外腔外圆直接和转子接触,因此油在流过外腔时会带走转子的热量。

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油冷轴技术散热功率有限一般是作为一种补充冷却方式。Tesla将轴冷技术和油冷机壳技术混用,构成了一套复合冷却系统。冷却油在离心泵的作用下先冷却转子,然后通过管道流向机壳,既冷却定子又和大气交换热量。

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下图为Tesla的具体实施案例,冷却油在电机尾端进入,兵分两路,20%流向轴,80%流向机壳,然后继续冷却逆变器,最后和齿轮箱油路汇合,流回油箱。

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一般这种复合冷却结构需要外设泵作为驱动源,也可以采用内置的离心泵、齿轮泵、摆线泵。在专利中Tesla介绍了一种离心泵结构,泵设置在轴内。但这种泵在高速时机械损耗很大。为了克服这个缺点,采用了弹性较好的材料作为泵叶。在转速高时,叶片发生自然变形,减小旋转阻力。

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转子油冷技术也可以和散热片相结合应用,如下图所示,油在转子轴内封闭内循环,热量从转子中带出后在散热片中冷却后,重新回到轴内侧。

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此外Prius2017版本的电机中也利用到了转子直接冷却技术,通过齿轮泵将油由轴内向靠近转子外圆的铁芯散热孔中引导,从而直接带走转子的热量。可见在转子损耗较大的情况或者要求对永磁体温升加强保护的场合,适用于转子直接冷却技术。

定子直接冷却技术

定子直接冷却形式较多,先介绍一种定转子独立浸油冷却方式。这种冷却方式是Honda在F1电动赛车上使用的冷却技术。它的原理是定转子完全隔离,定子全部浸油,直接带走绕组和铁芯的热量。定子油通过特殊设计的管道进入轴孔中,在轴内形成冷却环境带走转子的热量。这种冷却方式好处有两个,一个是定子和转子都处于冷却油中,散热快;第二个是转子外圆没油,因此不存在搅油损耗。但这种冷却方式需要复杂的密封设计,成本也较高,因此应用不多。

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定子绕组喷油(淋)冷却是最近几年兴起的一种冷却技术,具体实现方式有很多,如下图GM采用的喷油环,将油引入喷油环后,从六个油孔中喷出到定子绕组表面,冷却绕组。

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我们作了动画视频,方便你理解。

下图是另外一种喷淋结构,油从端部从沿轴向喷向绕组,进行冷却。

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这种冷却方式受重力和转子旋转的影响很大,容易导致冷却不均匀,不同位置绕组的温度差别很大,影响整体冷却效果。但即便是以最苛刻的算法计算,喷淋的冷却功率是空气冷却的2.5倍到5倍,因此在许多产品中得以应用。

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不同的喷头设计、位置设计对散热效果影响非常明显,关于参数对冷却效果的影响NREL工作做的非常细致(文末给出了链接)。总得来说喷淋的速度越快,冷却效果越好,但管道的功率损耗也最大,在设计时需要取得平衡。

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值得注意的是,绕组端部喷淋技术对绕组的冷却针对性很好,但其总体冷却功率不够,需要和其它冷却方式相配合。如喷淋+水冷机壳,喷淋+浸油冷却等等。

另外一种冷却效率很高的技术为定子槽内冷却技术。一般电机最大的热源为绕组,因此设计了一系列轴向冷却油道直接带走绕组的热量。通过槽口和绕组接触,绕组中热通过热传递到冷却管道,最后被冷却剂带走。为了加强绕组的热传导,需要在槽内灌胶降低绕组到冷却道的热阻。这种方式被证明能够大幅度改善定子的散热情况。如下图所示,应用了槽内冷却后定子的平均温升从160℃下降到了94℃。铜线的温度从220.3℃降低到了130.9℃。

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KIT的槽内冷却技术更加成熟,已经在Audi race 车型上成功应用,其采用的技术路线为扁线+槽内冷却,冷却管道在槽中心和槽口都有设置。这款电机是8极12槽集中绕组,70kw@15000rpm,受益于冷技术电机的功率密度达到9.9kw/L。

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槽内冷却技术虽然冷却效果好,但成本较高,冷却管道的布置和紧固也不容易设计,因此仅有少数对成本不敏感的产品中应用。

总结

电机的内油冷技术细分种类还有很多,这里罗列的都是一些已经在EV上应用的成熟技术。下表是各种车型采用的冷却技术方案。

从空冷到油冷·电机冷却技术的概念性认知(三)油冷篇

需要注意的是采用一种冷却技术是相对容易的,因为这只是一个“空架势”。但吃透和没有吃透差距很大。同一样的油冷方式,不同参数设计和材料选型能够差出2倍以上冷却效率,因此这里面考究的是“基本功”,需要我们静下心来,及其专注的去做好每一点。

最后和大家说一声道歉,蜗牛有三期没有更新了。这段时间蜗牛在筹备工作室,就叫“核动力蜗牛工作室”。工作室的业务是为电机界的朋友们提供技术咨询顾问、项目设计服务,同时也向工程师们提供电机设计培训。其实这些事情蜗牛早已经在做,成立了工作室后更加正规化了。工作室将延续公众号的风格,做少不做多,做精不做全, 就把眼前的一个点做好,做小而美的蜗牛。能走出这一步,是大家在后面默默的支持,蜗牛感恩在心。

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责任编辑:huangsilin

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