新能源汽车驱动电机水道优化设计

【摘 要】新能源汽车水冷驱动电机功率密度受冷却效果影响较大，通过电机冷却水道优化，分析电机全域温度场，可以显著降低电机温升，从而提升电机竞争力。

【关键词】电机温升;水道优化;冷却;螺旋形水道;轴向水道

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0011-02

New Energy Vehicle Drive Motor Waterway Optimization Design

【Abstract】The power density of water-cooled drive motor of new energy vehicles is greatly affected by the cooling effect. Through the optimization of the cooling water channel of the motor and the analysis of the overall temperature field of the motor， the temperature rise of the motor can be significantly reduced， so as to improve the competitiveness of the motor.

【Key words】motor temperature rise;waterway optimization;to cool;spiral channel;axial channel

新能源汽车驱动电机冷却形式较多，主要有风冷、水冷及油冷等形式。其中风冷主要用于A0及A00级车型，电机输出功率较低，发热量相对较小。对于B级及C级车，整车加速性要求高，电驱需要更强劲的动力输出，因此电机体积做得更大，整车需要布置的空间更大，必须采用水冷或者油冷等高效率冷却形式，从而降低电机体积。

伴随电机原材料成本不断攀升，改善电机温升，提升电机功率密度至关重要。较多文献介绍基于电机壳体水道与冷却液热交换效率设计优化水道，评价手段较为简单、直接，但无法有效了解电机内部温升，尤其是磁钢、绕组等关键核心零部件的温升表现，设计较为粗放，可能因磁钢、绕组端部因局部过热，形成“孤岛效应”，最终导致电机高温失效。本文分析不同类型电机水道，考察电机全域温度场，重点关注磁钢、绕组等核心零部件温升情况，更加精细化eTxJFjHnJ4ctLqoxVR/pOQ==设计电机温升。

1 电机水道类型

对某款新能源汽车强制水冷电机设计3种类型电机冷却水道，如图1所示，分别为轴向水道、螺旋5层水道和螺旋6层水道。水道均可使用铸造一体成型，厚度、轴向长度及内径均相同。

1）轴向水道。优势是制造成本低，一般通过热压成型。模具简单，费用低，只需要调整热压行程，就可以匹配不同长度的电机，比较容易实现电机平台化。

2）螺旋形水道。优势是水阻小，缺点是制造成本高，一般采用铸造成型。模具复杂，维护保养成本高，非常不利于电机轴向长度增加拓展。

具体选择哪种水道，需要结合制造、冷却效果及产品系列规划综合考虑。

2 电机水道仿真分析

建立电机定转子、绕组、磁钢、壳体、水道流体域及空气域分析模型，基于主要热传递路径，将模型进行简化。电机热仿真分析模型如图2所示。

热传递路径分3步：①磁钢发热通过磁钢胶传递给转子铁心，转子铁心自身损耗发热，通过空气及热辐射将定子铁心热量传递给电机壳体;②绕组发热通过绝缘纸传递给定子铁心，定子铁心自身损耗发热，定子铁心直接将热量传递给电机壳体;③电机壳体与冷却液热量交换带走热量。考虑通过转子轴承传递的热量较少，忽略通过转子轴承传递的热量，以及忽略电机壳体通过热辐射向外传递的热量。

在电机起始温度相同的情况下，需考虑电机的绕组铜耗、定子铁心铁耗、转子铁心铁耗以及磁钢的涡流损耗所产生的热量。这些热量通过热传递路径最终汇聚于电机壳体，随后通过热交换被水道冷却液带走。最后，对电机定转子铁心、绕组以及磁钢的剩余温升进行考察。当起始温度和发热量相同时，剩余温升越低的水道，表明其冷却效果更为优良。

电机关键材料及材料性能参数见表1。水道冷却液入口流速为8L/min，入水口温度为65℃，初始温度为65℃，环境温度为85℃。

经过电机电磁仿真可得到电机在额定运行工况（4000 r/min，120N·m）下的铜耗、铁耗及磁钢涡流损耗，具体内容见表2。

3 仿真分析结果说明

额定工况下电机关键核心零部件温升结果见表3。

依据表3数据，分别从电机绕组、定子铁心、转子铁心、磁钢4方面进行对比分析，分析结果如下所述。

1）电机绕组温升对比：5层螺旋水道温升比轴向水道温升低1.5℃，6层螺旋水道温升比5层螺旋水道温升低6.5℃，即对比绕组散热效果，3种水道中6层螺旋水道冷却效果最好。

2）电机定子铁心温升对比：5层螺旋水道温升比轴向水道温升低2.2℃，6层螺旋水道温升比5层螺旋水道温升低1.2℃，即对比定子铁心散热效果，3种水道中6层螺旋水道冷却效果最好。

3）电机转子铁心温升对比：5层螺旋水道温升比轴向水道温升低5.3℃，6层螺旋水道温升比5层螺旋水道温升低3.5℃，即对比转子铁心散热效果，3种水道中6层螺旋水道冷却效果最好。

4）电机磁钢温升对比：5层螺旋水道温升比轴向水道温升低5.3℃，6层螺旋水道温升比5层螺旋水道温升低3.7℃，即对比磁钢散热效果，3种水道中6层螺旋水道冷却效果最好。

综合来看，6层螺旋水道冷却效果优于5层螺旋水道，5层螺旋水道冷却效果优于轴向水道。

如图3～图6所示，电机稳定运行工况（4000r/min、120N·m）时，电机最高温度出现在绕组位置。电机绕组温升差异约10℃，最高温度出现在绕组端部处，达到140.7℃，因为绕组端部热量需要通过绕组中部传递到壳体及铁心上，热传递路径较长，绕组端部形成“热量孤岛”效应，热量累积较高;电机定子铁心温升差异约30℃，最高温度为112.9℃，出现在贴心内径位置，此处发热量较高却又处于热量传递路径前端，热量累积较多;转子铁心温升差异约为30℃，最高温度117.56℃，磁钢最高温度117.52℃，定子贴心和磁钢的最高温度均出现在轴向中间区域，主要是因为转子热量主要通过定转子间气隙内的空气传递和热辐射传递，转子中间区域热交换效果较转子两侧区域效果差，热量积累较多。因此重点考察这3个位置的温升是否满足设计要求。

绕组端部的温升最高，如果可以解决此处温升，可以大幅度改善电机的温升。如果绕组端部的温升降低30℃，则整个电机的温升将更加平衡，电机的峰值及额定功率也会相应提升。电机绕组端部通过导热材料注塑处理，绕组端部的热量通过导热材料传递到壳体，缩短热传递路径，是一种非常好的解决方案。部分油冷电机通过对定子绕组端部直接喷油冷却，也是基于对绕组端部“热量孤岛”的温升改善，来提升电机的输出能力。

4 结论

在水冷电机中，螺旋形水道的冷却效果优于轴向水道。通过合理设计水道层数，冷却效果能够得到较大幅度的改善。此外，电机绕组端部是水冷电机的“热量孤岛”，也是电机温度的最高点，此处的温升需要重点进行校核与优化。通过缩短绕组端部的热传递路径，可以大幅度提升电机的输出能力。

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