不同冷源轮毂电机多模式切换温度场研究

周志刚，杨文豪，孟祥明

（1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.宁波圣龙（集团）有限公司，浙江 宁波 315100）

轮毂电机驱动技术是将电机安装于车轮内部，利用车轮内部电机带动电动汽车运行[1].由于轮毂电机驱动技术将传统汽车的动力装置、传动装置及制动装置集成于车轮内，具有转向灵活性较好、传动效率高以及高度集成性等优势，但是较高的集成性使电机运行空间小，空气流通困难，造成电机散热条件差[2-4].过高的温升会对电机的功率、使用寿命和安全性造成一定影响[5].因此，为保证电动汽车长时间安全运行有必要采取与轮毂电机相适应的冷却系统.

目前，国内外学者对电机风冷[6-9]、水冷[10-12]以及油冷[13-14]等冷却技术进行了大量研究.陈进华等[15]提出一种丁胞水冷结构的散热方案，并对相同条件下多种冷却方案的流体场进行了分析.吴柏禧等[16]依据水道中流体的流动特性分析，建立了水道圆角半径、入水口水道宽度和水道压强的关系.赵兰萍等[17]根据整车环境下对外转子轮毂电机进行温度特性研究，并对比自然风冷与油冷两种冷却方式的温度场.Lim等[18]通过对两种轮毂电机在额定工况下进行热性能分析，设计了一种轮毂电机的喷油冷却模式通道，并对其热性能进行了分析.王晓远等[19]提出油内冷轮毂电机冷却方式，根据自然风冷和油内冷轮毂电机有限元模型，对轮毂电机的不同冷却方式进行温升和温度场分析.

本文根据轮毂电机结构，设计了不同冷源冷却结构及多模式切换方式.首先，通过磁热耦合分析，对轮毂电机在自然风冷条件下进行温度场分析，同时，对比了自然风冷、水冷、油内冷以及多冷源冷却方式温度场分布情况.最后，分析两种不同工况对自然风冷、水冷、油内冷和多冷源冷却方式温度场的影响.通过对多冷源冷却方式进行试验分析，并与有限元计算数据相对比，对多冷源冷却结构与方式的正确性进行验证.

1 不同冷源结构及多模式切换方式

按照某款轮毂电机电动车尺寸进行建模分析，其结构主要包含永磁体、定子、绕组和转子等.表1给出轮毂电机的主要参数.

表1 轮毂电机主要参数Tab.1 Main parameters of the in-wheel motor

由于研究的轮毂电机采用不同冷源冷却结构与多模切换冷却方式，该方式根据电机温度，使冷却水和冷却油按照不同顺序进入电机内部，并且电机内部冷源与外部冷源持续进行交换，使电机内部冷源保持较低温度，从而达到更好的冷却效果，所以该方式必须采用一种相匹配的冷却结构.对于外转子轮毂电机，车轴始终处于静止状态，所以电机出油道在车轴内部.由于出水道在电机机壳内部设置，为保证机壳与车轴连接处冷却水可以正常通过，在连接处安装内部旋转接头.电动汽车在运行过程中，车轮受到电机内部转子的作用，带动电动汽车运转，外转子轮毂电机机壳与车轮同时进行转动，为了与外部冷源进行连接，必须在电机进油道和进水道处增加外部旋转接头，使电机进水道和进油道可以保持一边旋转一边静止的状态.考虑到进入电机内部的冷源温度不受出口通道冷源温度的传热影响，将电机两个进出通道分开设置.该冷却结构如图1 所示.

图1 不同冷源冷却结构Fig.1 Different cooling source cooling structure

图2 为不同冷源冷却系统简图.该系统主要由冷却系统控制器、温度传感器、循环泵、冷却油箱及电磁阀组成.为了使轮毂电机部件温度保持在合理范围之内，需要对多个冷却油箱的电磁阀进行相应的控制，使电机内部冷源进行切换.对冷源切换标准定义为T1和T2，根据电机内部温度的需要，将电机冷却方式分为水冷、油冷和混合冷却，并依次进行切换使电机达到较好的冷却目的.不同冷源多模式切换过程如图3 所示.多冷源协调控制方式阀门工作状态如表2 所示.

图2 不同冷源冷却系统简图Fig.2 Schematic diagram of different cold source cooling systems

图3 不同冷源冷却方式切换过程（工作原理）Fig.3 Switching process of different cold source cooling methods（working principle）

表2 不同冷源冷却方式阀门工作状态Tab.2 Valve working status of different cold source cooling methods

2 轮毂电机热磁耦合温度场模型建立

2.1 电磁场数学模型

电动汽车在运行过程中，热量主要来源于轮毂电机内部各种损耗.电机内部损耗主要包含铁芯损耗、绕组损耗以及永磁体损耗等.

轮毂电机损耗可以表达为：

也可以写为：

式中：P 为电机总损耗；PFe为轮毂电机铁芯损耗；kh、ke和kex分别表示为铁芯磁滞损耗系数、铁芯涡流损耗系数和铁芯附加损耗系数；f 为交变频率；Bm为磁通密度的赋值；PCu为绕组损耗；I 为电机绕组相电流；R 为电机绕组电阻；Pe为轮毂电机永磁体涡流损耗；Vm为永磁体体积；J 为电流密度赋值；σ 为永磁体的电导率.

2.2 温度场数学模型

依据传热原理，轮毂电机的瞬态温度场可以表达为：

式中：Kx、Ky和Kz为在x、y、z 方向上的导热系数；T为电机温度；si和sj分别为电机第二类边界条件和第三类边界条件；h 为轮毂电机对流散热系数；Ti和Tj分别为给定边界面和周围介质的温度（介质温度随时间发生变化）；q 为热流密度；n 为边界面si、sj上的法向矢量；cp为比热容；ρ 为介质密度；K 为边界面si、sj的法向热传导系数.在进行温度场计算时，轮毂电机的温升与材料导热系数密切相关，轮毂电机材料的导热系数如表3 所示.

表3 轮毂电机不同材料导热系数Tab.3 Thermal conductivity of different materials for in-wheel motors W·（m·K-1）

考虑到流体的黏性以及管道的扰动和阻滞作用，流体在轮毂电机内部流动过程中，会损失一定压力.流体的能量损失可以表示为：

式中：h1为流体能量损失；hf为管道内流体沿程能量损失；hm为局部能量损失.

式中：λr为阻力系数；g 为重力加速度；ζ 为油道总长度；d 水力直径；vo流体流速；φ 为局部阻力系数.

3 温度场仿真分析及试验验证

3.1 不同工况下轮毂电机磁热耦合仿真分析

为了全面考虑不同冷源冷却结构及多模式切换方式对轮毂电机温度的影响，选取两种不同运行工况，如表4 所示.将两种不同转速的运行工况定义为工况1 和工况2.

表4 轮毂电机不同运行工况Tab.4 Different operating conditions of in-wheel motors

考虑到轮毂电机温升受其内部损耗影响以及磁热耦合方法计算的准确性，采用磁热耦合方法对轮毂电机温度场进行仿真计算，通过将电磁场仿真得到的各种损耗加载到温度场中得到电机温度场分布情况.由于篇幅限制，本文仅列出工况2 时轮毂电机温度场分布情况如图4 及图5 所示.

图4 电机整体温度分布图Fig.4 Overall temperature distribution diagram of the motor

图5 电机各部件温度分布图Fig.5 Temperature distribution diagram of each part of the motor

由图4 可以看出电机采用自然风冷冷却方式时，温度场分布极不均匀，热量主要集中在绕组以及定子齿部，转子和永磁体热量分布较少.由图5 可以得出，绕组与定子为最高温度部件，其中定子齿部与定子轭部温度差别较大.永磁体与转子温度较低，但是热量分布较均匀.

对轮毂电机在不同运行工况下进行仿真分析，运行时间为150 min，冷却方式为自然风冷，不同运行工况下电机各部件温升如图6 所示.由图6 可以得出，电机的绕组与定子的温升受不同运行工况影响较大，而永磁体与转子受到的影响相对较小.两种电机的运行工况的温度上升趋势相同，先快速上升而后逐渐趋于平缓，电机的最高温度为绕组的168℃，影响电动汽车的长时间安全运行，因此为保证电动汽车的安全性，需要采用相应的冷却方式.

图6 不同工况电机各部件最高温升曲线Fig.6 The maximum temperature rise curve of each part of the motor under different working conditions

3.2 冷却方式对电机温升影响

为降低轮毂电机的温度，保证电动汽车的安全运行，研究不同冷源轮毂电机多模式切换对温度场的影响，并对比分析水冷、油内冷及不同冷源冷却方式对电机温升的影响.

图7 为不同工况下水冷和油内冷对电机各部件温升的影响.由图7（a）（b）可以看出两种运行工况下水冷冷却方式对电机的高温部件绕组和定子具有较好的降温效果，但对永磁体和转子温升影响较小.由图7（c）（d）可以看出油内冷冷却方式相对于水冷对电机的绕组和定子影响较小，且永磁体与转子温度相对于自然风冷反而上升，这是因为冷却油在电机内部流动，具有均温效果，使永磁体及转子温度上升.两种冷却方式中，水冷冷却方式对电机绕组和定子具有较好冷却效果，但是电机内部温差较大.油内冷冷却方式对电机绕组和定子冷却作用较小，但是电机内部温差减小，有利于电机整体冷却.两种冷却方式对电机短时间运行都有较好的冷却效果，但是随着电机运行时间增加，温度持续上升，最高温度达到139 ℃，使电动汽车的安全运行存在一定隐患.

图7 不同工况轮毂电机水冷及油内冷最高温升曲线Fig.7 The maximum temperature rise curve of water cooling and oil cooling of in-wheel motors under different working conditions

3.3 不同冷源多模式切换方式对电机温升影响

图8 为不同冷源多模式切换方式温升仿真结果.考虑到轮毂电机采用自然风冷温升较高，造成电机的切换次数增加，为降低轮毂电机温度上升速度及减少冷源切换次数，在电机温度上升至A 点时采用第一阶段水冷冷却方式进行温升分析.图8（a）由于工况1 温升较慢，所以在冷却方式切换过程中只进行了一次冷源的切换，冷源切换后温度在短时间内下降，之后温度持续上升，但电机运行到150 min 时最高温度在合理范围内，没有进行下一次的冷源切换；由图8（b）可以看出，电机在冷却方式切换中一共切换了三次冷源，依次使电机最高温度下降了7 ℃、9 ℃和5 ℃，使电机最高温度保持在合理范围内.由于油冷冷源切换时，电机温度上升较快，所以对电机的冷却效果相对下降；而混合冷却中油冷冷源切换速度较快，导致水冷冷源温度较高，使混合冷却对电机冷却效果降低.不同冷源多模式切换方式中冷源切换次数受不同的电机工况影响较大，对电动汽车的长时间运行冷却效果较好.

图8 不同冷源多模式切换方式轮毂电机最高温升曲线Fig.8 The maximum temperature rise curve of the in-wheel motor with different cooling sources and multi-mode switching methods

3.4 试验验证

轮毂电机试验测试平台如图9 所示，主要包括：轮毂电机、测功机、电机控制器、温度传感器以及红外线测温仪.通过安装在绕组中的温度传感器及测温仪的作用，对电机的绕组和转子部件进行温度测量.轮毂电机样机如图10 所示，通过相应的管路使冷却油进入电机内部，达到相应的冷却效果.

图9 轮毂电机试验测试系统Fig.9 In-wheel motor test test system

图10 轮毂电机试验样机Fig.10 In-wheel motor test prototype

图11 为工况1 计算结果与试验测量温度曲线.由图11 可以得出，轮毂电机的绕组和转子试验结果与仿真计算结果温升变化趋势一致，在温升过程中进行了一次冷源切换；相较于工况2 少进行两次冷源切换，这是由于受到不同转速的影响，说明多冷源冷却结构及方式受冷源流速影响较大.随着电机运行时间的增加，试验测量结果与计算结果误差加大，绕组最大误差为5.1%，转子最大误差为4.9%，这是由于长时间的试验测量计算，计算精度下降，从而导致结果出现一定误差.

图11 工况1 计算结果与试验测量温度曲线Fig.11 Working condition 1 calculation results and experimental measurement temperature curve

图12 为工况2 计算结果与试验测量温度曲线.由图12 可以看出，试验结果与仿真计算结果都进行了三次冷源切换，且每次冷源切换后都使电机温度得到一定程度的下降；在第三次冷源切换后温度下降相对较少，一方面是由于电机的持续运行使电机温度较高，另一方面是由于冷却液本身带有一定热量，使电机冷却效果下降；工况2 中试验测量结果与计算结果吻合度较高，但是存在一定误差，绕组最大误差为4.8%，转子最大误差为4.5%.这是受到试验环境、试验测量手段以及测量工具的精度影响，从而产生一定误差.

图12 工况2 计算结果与试验测量温度曲线Fig.12 Working condition 2 calculation results and experimental measurement temperature curve

通过对轮毂电机多冷源冷却方式的试验验证可得，计算结果与试验测量结果吻合度较高，可验证该冷却方式的正确性.

4 结论

本文针对轮毂电机电动汽车长时间运行产生较高温升问题，提出一种不同冷源多模式切换冷却方式.首先，采用磁热耦合方法对自然水冷方式的轮毂电机进行温度场仿真分析.其次，对采用水冷和油内冷的轮毂电机进行温升仿真分析.最后，通过对不同冷源多模式切换冷却方式进行温升仿真分析，从而进行水冷、油内冷和不同冷源多模式切换方式之间的温升对比分析.

对不同冷源多模式切换冷却方式的仿真结果分析表明，该方式通过对不同冷源的模式切换，可以有效减少电动汽车在长时间运行带来的高温问题；电机的不同运行工况对多冷源冷却方式的冷却效果影响较大；仿真与试验结果的对比分析，进一步验证了该冷却方式对电机降温效果的有效性，为轮毂电机电动汽车长时间带来的温升问题的研究提供一定参考.