新能源汽车驱动电机油冷系统设计研究

摘要：为延长电机使用寿命，应加强新能源汽车驱动电机散热系统技术研究，通过高压扁线油冷电驱动可有效提升电机散热稳定性，促进电机传热效率的提升。据此，对新能源汽车扁线电机技术、扁线发卡结构以及油冷技术进行分析，在扁线电机基础上构建新能源汽车驱动电机油冷系统，提出相应的油冷系统设计方案，对电机各部分损耗展开计算，并就机壳冷却油道及喷淋油道进行结构设计，促进电机散热性能及结构可靠性的提升。

关键词：新能源汽车；驱动电机；油冷系统

中图分类号：U469  收稿日期：2023-12-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.010

1 前言

近年来，新能源汽车产业得到长足发展，为满足电动汽车运行需求，应不断提高电机性能与效率，因此应针对更高功率密度电机展开深入研究，以乘用车功率度达到4 kW/kg以上为目标，推动电驱系统朝向高效化、轻量化、低成本方向发展。

作为其中的关键技术，油冷技术在扁线发卡结构中得到十分广泛的应用，在实践中应做好定子铁芯通油、油环喷淋、转子铁芯通油及甩油等测试工作，确保满足大扭矩、高转速、高可靠性的油冷系统设计要求。

2 新能源汽车扁线电机技术的应用

2.1 扁线电机技术

扁线电机即为条形绕组电机（Bar-wound motor），采用扁铜线绕组电机定子替代原本的圆铜线绕组，配套相应的定转子结构及冷却方案，以实现技术优化。当前，扁线电机在新能源汽车领域应用广泛，具有功率密度大、散热性能强等突出优势。电机能量损耗类型包括电机铜耗、电机铁耗以及杂散损耗等，其中电机铜耗占据整体损耗的70%以上，因此降低电机铜耗也成为降低总体电机能量损耗的关键[1]。

扁线电机由于采用扁铜线绕组，相较于其他绕组形式，可通过调整铜线截面积的方式降低铜耗；相比于传统的细圆导线绕组，扁铜线绕组可通过减小扁线间隙达到增加绕组铜线容量的作用，槽填充率进一步提升，最高可达70%。经测试，在相同电机功率下，扁线电机定子铁芯及端部尺寸可有效缩减，不仅可以减少材料消耗，还可以促进电机功率密度的提升[2]。

在此基础上，相较于圆线电机，扁线电机的优势还体现在以下几方面：

a.槽口尺寸更小，对电磁噪声及电枢噪音有着良好的抑制作用，通过配合转子磁极以呈现出更良好的NVH性能。

b.扁线电机绕组端部形状多样电机小型化、轻量化发展提供便利条件。

c.导体内部空隙缩减导致导体与铁芯槽之间的接触面积扩大，促进电机热传导性能与散热性能的优化。

d.绕组端部间隙的留出可为系统散热系统条件，并在端部喷油冷却技术的配合下，优化扁线电机散热性能，为新能源汽车动力性能的提升奠定基础[3]。

2.2 扁線发卡结构

扁线电机按绕组类型划分包括集中绕组、波绕组以及Hairpin（发卡）扁线电机，而发卡结构是当前扁线电机中的主流结构。扁线发卡结构按工艺可分为U-PIN和I-PIN两种类型，前者是在将扁铜线一端制成U形的基础上插入定子铁心槽，再将另一端扭转共同组成波浪型绕组；后者是直接将直铜线插入定子铁芯槽，两端同时扭转组成波浪型绕组。

对于U-PIN和I-PIN工艺来说，二者均属于轴向嵌装绕组结构，在运行效率、峰值扭矩上并没有明显差异，但相较于U-PIN，I-PIN在持续扭矩以及持续功率上更具优势，但同时由于焊点增加，也面临更高的焊点失效风险。

2.3 油冷技术

传统水冷散热方式在进行绕组热量散热处理的过程中，往往需要经过绝缘层，经由定子铁芯再达到机壳。运行过程中，若在路径中出现局部热点，会在一定程度上对水冷散热效率造成不利影响。

基于此，可通过油冷技术针对这一问题提出解决方案，既可以实现与热源的直接接触，又可以规避对电机磁路的影响。同时，将油冷技术应用于扁线电机领域还有助于达到更高的散热效率。

电机运行期间，热量主要集中在绕组端部，在喷油冷却技术作用下，端部可呈现出更为良好的散热作用，除了喷油冷却技术，轴心甩油冷却技术等也得到十分广泛的关注[4]。

3 基于扁线电机的新能源汽车驱动电机油冷系统设计

3.1 油冷系统设计方案

扁线电机油冷系统运行期间，冷却油在与电机绕组、定子铁芯直接接触时可呈现良好的散热效果，同时具备较强的导热性能。扁线电机油冷系统结构设计方案如图1所示。

定子铁芯和电机绕组为扁线电机的两大热源，特别是在运行期间，定子铁芯较绕组的发热功率更高。传统水冷散热系统采用内置式流道，其散热效果很大程度上会受到内壁粗糙度和形位公差的影响，加上铁芯和机壳之间存在空气间隙，从而导致冷却水带走热量的过程更易受热阻限制，散热质量及效率不高。基于此，本项目提出通过机壳内壁油槽替换内置式油道的方案，通过油冷散热系统增加冷却油与定子铁芯的接触面积，减少定子铁芯冷却受气隙热阻的影响。

而对于扁线电机端部绕组来说，传统水冷散热系统下，端部绕组散热条件较定子铁芯更差，随着接触面的增加，其接触的热阻也大大增加，导致端部绕组散热效果不佳，同时电机内部也出现较大的温度梯度。

针对这一情况，本项目提出预埋热传感器的方式获取端部绕组温度数据，结合电机最大温升加强对端部绕组温度的把控。在此基础上，本项目进一步将喷淋油道调整至机壳处，实现冷却油与端部绕组的直接接触，确保可在短时间内实现良好的散热效果，同时规避空气参与到接触面中，避免接触热阻对冷却油散热效果的影响。

3.2 电机损耗计算

本项目为高压（800 V）扁线油冷电驱动系统，最高转速可达20 000 r/min。扁线电机运行期间所产生的损耗包括电机铜耗、电机铁耗、杂散损耗等，因此本项目也需要针对绕组线圈、铁芯等位置产生的损耗进行计算[4]。本项目基于扁线电机电磁仿真对电机损耗进行分析与计算，探讨电机温度升高受各部分损耗的影响，进而根据计算结果对电机运行温度分布提供参考。

3.2.1 绕组铜耗计算

扁线电机铜耗是指电机运行期间，铜线绕组会出现一定程度上的发热，并形成相应的能量损耗。通常情况下，扁线电机铜耗包括直流铜耗、交流铜耗，其中直流铜耗以电流热效应为主要影响因素，因此在计算过程中需考虑热效应影响，进而引入焦耳公式，其公式表示为：

[PCu=mI2R]                                 （1）

式中，[PCu]为绕组铜耗，W；[m]为电机绕组相数；[I]为绕组相电流有效值，A；[R]为绕组相电阻阻值，Ω。

扁线电机运转过程中，电机内部温度会受到各部分损耗影响而升高，考虑到本项目中的电机机组功率与铜耗较大，其定子绕组阻值势必会存在较大范围的温度变化，其温度变化计算公式表示为：

[R=R01+α0T?T0]                      （2）

式中，[R]为温度[T]时的绕组相电阻阻值，Ω；[R0]为温度[T0]时的绕组相电阻阻值，Ω；[α0]为电阻温度系数；[T]和[T0]分别为绕组温度与起始环境温度，℃，本项目在计算过程中，[T0]取值为20℃，而[R0]的公式则表示为：

[R0=PCu2LhNnπad22]                               （3）

式中，[PCu]为温度[T0]时的铜线电阻率，Ω?m；[Lh]为绕组线圈半匝长，m；[N]为绕组串联匝数；[n]为并联支路数；[a]为并绕根数；[d]为绕组铜线直径，m。

由于本项目采用的是扁线绕组，在电机高转速工况下，受到集肤效应、临近效应的影响也会产生交流铜耗，其计算公式为：

[PAC=PDC+Pstrand+Pbundle]                  （4）

式中，[PAC]为导体总铜耗；[PDC]为直流铜耗；[Pstrand]为基于单根导体的交流铜耗；[Pbundle]为基于成束导体的交流铜耗。

3.2.2 定子铁耗计算

扁线电机运行过程中还会产生一定的铁芯损耗，可以分为磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗，电机绕组在接入电流后可形成电力磁效应，进而引发电机磁场的改变，在此基础上受到磁滞效应影响而产生相应的磁滞损耗；电机铁芯磁通工况下则会产生相应的涡流效应，造成一定的涡流损耗，此外定子铁耗还包括一定的异常损耗。对扁线电机定子铁耗进行计算，其公式表示为：

[PFe=Ph+Pc+Pe=khfB2+kCf2B2+kef1.5B1.5]   （5）

式中，[PFe]为定子铁耗，[Ph]、[Pc]、[Pe]分别为磁滞损耗、涡流损耗以及异常损耗；[kh]、[kC]、[ke]分别为磁滞损耗、涡流损耗与异常损耗系数；[f]为交变电流频率，Hz；[B]为磁密幅值，T。

根据式（5）可以进一步看出，扁线电机铁耗与电流频率有着十分密切的关系，铁芯涡流损耗会随着电流频率增加而增加，其增长速率也呈现出快速增加的趋势。当处于特定工况时，电机铁耗往往会比铜耗更大。

3.2.3 杂散损耗计算

扁线电机杂散损耗往往会受到多方面因素的影响，包括线圈绕组电流、定子铁芯开槽等，这也给扁线电机杂散损耗的精确计算带来一定难度。在这样的情况下，本项目通过测试得到在电机驱动电流持续增大的过程中，杂散损耗会随着电流平方的增加而增加，因此可通过近似公式完成杂散损耗的计算，其公式表示为：

[Ps=IIr2KsPN]                             （6）

式中，[I]为电机线电流，A；[Ir]为电机额定电流，A；[Ks]为电机杂散损耗系数；[PN]为电机额定功率，W。

4 油冷系统参数设计

4.1 机壳冷却油道设计

在进行机壳冷却油道设计过程中，其主要目的是提升电机油道冷却效果，因此应对油道进行合理选型。现阶段，常见的油道类型有螺旋型、折返型、周向型等，通过对散热系数、压力损失等参数进行衡量，同时考虑到本项目采用的扁线电机功率密度较高，经过综合考量选定轴向折返型油道结构，同时将油道直角通道调整为圆角，以实现油道压阻条件的优化，使冷却油呈现出更顺畅的流动状态，从而起到降低油道压力损失的作用。基于此，本项目结合圆角过渡设计思路提出优化油道设计方案，图2为S形轴向折返油道示意图。

结合图2信息可以看出，本项目的油道方案采用矩形截面，进油口设置在机壳油道中间处，确保电机前后机油道长度保持一致。在此基础上，又对油道宽度、高度以及折返半径等系统参数进行优化，进而呈现出最优的流阻和换热能力效果。经测试，在油道高度为8.5 mm、油道宽度为18 mm、折返次数为16次、油道轴向整长为83 mm的情况下，直角折返、圆角折返以及本项目采用的S形折返的油道换热面积分别为30 928 mm2、28 314 mm2以及26 343 mm2。

4.2 喷淋油道结构设计

扁线电机运行过程中，为达到良好的冷却效果，需要使得冷却油在重力作用下自上而下流动并与端部绕组直接接触，从而保证电机冷却的均匀性与全面性。在此过程中，为尽可能减少喷淋油道压力损失，往往不会在电机底部布置喷嘴。本项目在进行电机喷淋油道设计及其与机壳油道连接设计的过程中，基于冷却油流动特点提出环绕电机上方240°、180°、120°三种布置方案（图3、图4、图5），分别对应的喷嘴数量为17个、13个、9个，喷淋油路尺寸均为5/18 mm，喷嘴直径均为1.5 mm。在对三种方案进行对比的过程中，考虑到为使冷却油顺利流出，需要设置額外的抽油泵与进油泵，因此240°喷嘴布置方案具有更强的适用性。

5 结语

扁线电机凭借其独特优势在新能源汽车领域得到广泛应用，同时引入扁线发卡绕组工艺，更好地满足新能源汽车电机高效能、轻量化、高功率密度的发展要求。为提高电机散热效率，本项目将传统水冷散热系统替换为油冷系统，实现电机各部分损耗精确计算的同时，强化了油冷系统的参数设计，从而确保扁线电机可以长时间处于高效的散热状态，为电机持续功率和持续扭矩的提高提供技术支持。

参考文献：

[1]曲亚飞，毛红生.新能源汽车电驱动系统关键技术及其发展趋势[J].时代汽车，2023（15）：80-82.

[2]高银桥.新能源汽车驱动电机冷却技术的发展现状研究[J].内燃机与配件，2020（12）：249-250.

[3]郭少杰，王军雷，夏天，等.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（5）：8-12.

[4]陈广林，周文，陈寄贵，等.纯电动汽车集成电驱系统油冷方案的研究与应用[J].汽车实用技术，2020（15）：8-9+28.

作者简介：

杨悦思，男，1987年生，工程师，研究方向为新能源汽车新能源电机、扁线定子、电驱动油冷。