新能源汽车驱动电机冷却技术的发展现状研究

摘要：长期以来，在我国汽车领域内驱动电机都被视为电机业中的小分支，随着我国新能源汽车相关政策的实施，如今已经成为了各大资本争先涉足的领域。作为新能源汽车的动力驱动装置，对驱动电机的综合技术性能及使用要求更为严苛，然而我国的电机驱动系统制造水平与国际水平本月相比较还有一定差距。本文基于专利分析，研究了新能源汽车驱动电机冷却技术的发展现状。通过对近几十年内国内外的驱动电机冷却相关专利进行阐述，从不同角度分析了驱动电机冷却技术的发展前景，并对其发展现状进行了探讨。

关键词：新能源汽车;专利分析;驱动电机;冷却技术;发展现状

0  引言

新能源汽车的快速发展给驱动电机带来了巨大的发展机遇，电机技术的发展成为行业关注的热点[2]。发电电机是指汽车制动时，车轮损失的动能通过控制器反馈给电池，使电机处于发电状态，产生的电能传递给电池，以节省动力电池的能量损失，延长续航里程。新能源汽车常用的电机主要以直接驱动式为主，在直接驱动式下又以成本低、可靠性强和成本低的永磁同步和交流异步为主[4]。而开关磁阻电机作为最新技术，已在研究当中，在未来很有可能成为新能源车辆应用中的主流技术。在电机中冷却系统对电机的整体运行性能有着极其重要的作用，目前常用到的有导热树脂、非封闭风冷、封闭风冷、水套冷却（液冷）、空心轴转子冷却、空心轴转子冷却、外壳定子水套冷却相结合和油冷。本文通过对常用电机类型和冷却技术进行分析，并以技术专利角度对冷却技术的发展现状及未来应用进行探讨。

1  常用电机类型与冷却技术分析

1.1 常用电机类型

永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成。根据转子上安放永磁体的位置不同，永磁同步电机通常会被分为内嵌式、面贴式以及插入式三种类型。永磁同步电机最大的优势在于低速区有大转矩的输出，且其结构稳定、功率密度大，具有很高的运行效率，在目前汽车制造行业中很受欢迎。

另一种常用到的异步电机，也称为感应电机，是一种交流电机，主要作电动机使用。异步电机定子相数有单相、三相两类。其中，三相异步电机转子结构有鼠笼式和绕线式两种，单相异步电机转子都是鼠笼式，是应用最为广泛的异步电动机。绕线式电机结构复杂，一般用于对起动和调速性能要求较高的场合。而交流异步电机的优点同样在于其转子结构的简单和可靠性强，低速区有大转矩的输出，同时因其材料成本低，也有广泛的应用市场。

1.2 电机冷却技术

目前采用的电机冷却通常采用美国技术为主，主要有以下几种：

①导热树脂技术。美国专利6201321 B1，其应用原理为：用导热树脂封装定子线圈端部，通过箱体消散热量，树脂固化之后，形成热桥。为了消除制造误差，弹性导热垫插在热桥和箱体之间确保热传递;②非封闭风冷技术。美国专利6011331 A，由艾默生电气公司研发设计。其应用原理为：通过转子上三个叶片风扇转动，产生流动气流散热。但有非封闭的缺点，需要在应用中通过加过滤器，防止空气中灰尘或其他固体颗粒吸入、控制湿度水平;③封闭风冷技术。美国专利20040036367 A1。其应用原理为：通过转子旋转、箱体中加工的专用空气管道，使空气流动，从而产生制冷效果;④水套冷却技术。也指液冷，美国专利7009317 B2，其应用原理为：由定子和冷却套管形成的冷却管道，对定子冷却。缺点是转子冷却不良。需要冷却液泵送系统，并且使用冷却器在电机外面将液体冷却;⑤空心轴转子冷却。 美国专利7579725 B2。由特斯拉公司生产制造，通过两个同轴的空心轴，两轴使用辐条连接进行制冷;⑥空心轴转子冷却、外壳定子水套冷却相结合。美国专利6191511 B1。通过固定在外轴的内表面上的叶片随着转子运动而旋转，冷却剂通过管道流向外壳水套;⑦油冷。美国专利号8169110 B2。由GM公司研发，可冷却轴承。通过润滑油作为冷却剂注入，冷却定子线圈端绕组。其优点是实现了油液在底部的收集、冷却和循环利用。

2  通过专利分析电机冷却技术的发展状况

2.1 冷却技术专利申请趋势

通过收集近20年的驱动电机冷却技术相关专利申请数据进行分析，对比其在世界范围内和我国范围内的申请量分布情况。其中，世界范围内共占2451件，其中我国申请占1078件[1]，申请量趋势如图1所示。

从图1中可以看出，从2000年开始，世界范围内和我国范围内的专利申请量均呈稳步上升趋势，在2017年达到了顶峰，全球范围内达到了近300件，而我国虽然起步较晚，但发展迅速，到2017年也达到了160件左右。2017年之后，受专利18个月公开期的影响致使有些专利数据被隐藏起来，申请量大幅度下降。另外，从图1中我国专利申请量的发展趋势可以看出，其在全球申请总量中的占比越来越高，已经超过了全球申请量的一半以上，具有很好的发展势头。

2.2 驱动电机冷却技术专利申请地域分布

通过专利的目标申请入口分析，驱动电机冷却技术申请地的地域分布主要以中、美、德、日、欧洲专利局等为主。具体分布情况如表1所示。

通过表1数据，我国驱动电机冷却技术专利申请量比例最高，约为47%，总数量达到869件，其次是美国德国和日本，但比例均在10%以下。由此可知，随着知识产权保护体系的不断完善和市场环境的自由化和开放程度的提升，为各国企业进行驱动电机冷却技术的研发和专利申请提供了很好的平台，而我国在这方面尤其突出，在专利申请量上独占鳌头。

2.3 驱动电机冷却技术分布分析

通过前文对驱动电机冷却技术类型和制冷原理进行分析，大概可以分为自然冷却、风冷、水冷和油冷这4大类，其各有优势及缺点。因其均属于不同的冷却技术领域，相互之间冲突较小。为有效提升制冷效果，并以节省成本为主要考虑因素，在实际应用中通常采用2种或2种以上冷却方法组合的方式来提高驱动电机的冷却效率。

本研究从驱动电机冷却技术的研发难点为研究内核，并综合分析驱动电机结构、检索可行性、行业分类习惯因素，只关注结构相对复杂且研发关注高的部分，最终确定驱动电机冷却技术的技术分解并对其分布进行统计，如表2所示。

通过表2可知，在上述技術分解中，风冷技术因其技术较为成熟，改进空间较小，因此专利申请量占比只占了15%;而占比最高的为水冷技术，达到了60%，主要因为其冷却效果和成本上具有较好的综合优势，拥有较大的应用市场，因此其专利研发方向也较为广泛;作为近年来的新技术，油冷占比24%，其可以用油作为冷却剂，通过对驱动电机内部进行冷却，提高冷却效率和驱动电机的功率密度，具有广阔的发展前景。

3  结论

本文介绍了新能源汽车常用电机和电机冷却技术，并通过对目前驱动电机冷却技术专利申请量趋势分析可知，驱动电机冷却技术已经成为驱动电机各技术领域中专利申请量增长最快的技术领域。结合驱动电机冷却技术专利申请地域分布可知，我国已经成为驱动电机冷却技术最大的专利申请目标国。最后，通过对冷却技术类型的分析和冷却技术分布状况来看，风冷、水冷和油冷技术已成为当前的研发热点，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]郭少杰，王军雷，夏天，吕惠.基于专利分析的新能源汽车驱动电机冷却技术发展现状分析[J].汽车文摘，2020（05）：8-12.

[2]张军，肖倩，孟庆阔.新能源汽车驱动电机发展现状及趋势分析[J].汽车工业研究，2018（06）：43-47.

[3]田振芳.浅析纯电动汽车驱动电机控制系统的控制过程[J].内燃机与配件，2020（06）：84-85.

作者简介：高银桥（1965-），男，广东东莞人，本科，高级工程师，主要研究方向为汽车运用技术、职业技术教育。