隨著環(huán)境的不斷惡化，當(dāng)前社會(huì)越來(lái)越重視新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，作為新能源汽車關(guān)鍵零部件(電動(dòng)機(jī)及變速器)的技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越受到重視。電動(dòng)機(jī)作為其主要驅(qū)動(dòng)源，變速器則作為動(dòng)力傳輸與分配機(jī)構(gòu)，兩者的性能設(shè)計(jì)與相互配合集成研究很大程度上決定了整車的性能。如果電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高未得到及時(shí)散熱，則電動(dòng)機(jī)性能就無(wú)法得到體現(xiàn)且安全性也會(huì)大打折扣，而變速器內(nèi)部含有被動(dòng)冷卻系統(tǒng)(如AT中的ATF、電驅(qū)系統(tǒng)單檔減速器中的Mobil等)，根據(jù)本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)完成熱管理方案。如在總成結(jié)構(gòu)中能夠利用變速器被動(dòng)冷卻系統(tǒng)給予電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子或軸心散熱，這將是對(duì)電動(dòng)機(jī)是兩種不同的熱管理方案。本文將針對(duì)這兩種熱管理方案利用等效熱阻網(wǎng)絡(luò)法對(duì)總成結(jié)構(gòu)(主要針對(duì)電動(dòng)機(jī))的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行分析及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析。

冷卻系統(tǒng)研究分析

通常主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與變速器在新能源整車中作為兩個(gè)單獨(dú)的部件安裝，冷卻方式也是分開單獨(dú)考慮。電動(dòng)機(jī)冷卻方式主要是靠水冷套外殼冷卻，而變速器則靠箱體內(nèi)的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻，而如果電動(dòng)機(jī)與變速器集成總成結(jié)構(gòu)，需要統(tǒng)籌考慮兩者的冷卻方式，這樣就解決了很多以往存在的不足，例如整車安裝得分別考慮電動(dòng)機(jī)與變速器的安裝點(diǎn)位置、兩者鏈接處考慮密封等級(jí)要求等。電動(dòng)機(jī)與變速器集成總成結(jié)構(gòu)還能更好的發(fā)揮出電動(dòng)機(jī)性能和更加完善的利用變速器內(nèi)部被動(dòng)冷卻系統(tǒng)的利用率，但是其中也有劣勢(shì)存在。本文將主要針對(duì)電動(dòng)機(jī)與變速器的集成總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱管理分析，鑒于變速器自身被動(dòng)冷卻系統(tǒng)散熱效果及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，將主要對(duì)電動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行熱管理溫度分析研究。

總成集成結(jié)構(gòu)中，主要的熱傳遞途徑是由熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩部分組成，由于熱傳導(dǎo)途徑的傳導(dǎo)效率與部件本身的材料屬性及接觸性能相關(guān)性較大，且總成結(jié)構(gòu)在材料屬性及結(jié)構(gòu)熱屬性參數(shù)上來(lái)說(shuō)是相對(duì)的，故對(duì)于分析研究總成結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布情況來(lái)說(shuō)，其主要是對(duì)其結(jié)構(gòu)的熱對(duì)流分析(由于總成結(jié)構(gòu)的許用溫度始終保持在200°C以下，所以忽略了熱輻射的產(chǎn)生)。

1. 發(fā)熱源及邊界條件分析

隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展與改革，對(duì)總成結(jié)構(gòu)的集成度及功率密度也要求越來(lái)越高?？偝刹考谶\(yùn)行時(shí)其電動(dòng)機(jī)零部件同時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子損耗、定子損耗和繞組損耗等，而變速器部件也會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗等，這些損耗最終都將轉(zhuǎn)換成熱能，促使總成內(nèi)部各個(gè)零部件發(fā)熱，其邊界條件的限制主要是熱源的傳遞影響分析。總成結(jié)構(gòu)中變速器的發(fā)熱源主要是由齒輪之間摩擦及油與殼體間的摩擦等產(chǎn)生;它們自身的冷卻主要是靠被動(dòng)冷卻系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，都能得到較好的散熱管理。而電動(dòng)機(jī)中的發(fā)熱源則集中在定子、轉(zhuǎn)子和繞組等(包括銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗及雜散損耗)，針對(duì)散熱方案可多方面考慮，本文主要對(duì)總成結(jié)構(gòu)中的電動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行溫度場(chǎng)熱分析，通用的冷卻方案是主要對(duì)定子外圍設(shè)計(jì)冷卻水套，使之與整車熱管理系統(tǒng)相連，在滿足整車熱管理的情況下，主動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行散熱冷卻。而在集成結(jié)構(gòu)中如能充分考慮箱體內(nèi)油的冷卻作用，將其引入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心處冷卻，將是不同模式的熱管理方案。

2. 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

電動(dòng)機(jī)殼體-水冷套

變速器齒輪組合

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸

變速器殼體

在進(jìn)行熱分析前，首先需觀察分析其結(jié)構(gòu)組成形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)包括定轉(zhuǎn)子、水冷套前后端蓋、變速器殼體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部齒輪組合等構(gòu)成。

其總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示的電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子及變速器齒輪等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

3. 電動(dòng)機(jī)冷卻方案分析

由于本文所述的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)是與變速器集成一體化集成設(shè)計(jì)，所以冷卻方式除了傳統(tǒng)的定子增加水冷套冷卻外，還可以考慮利用變速器內(nèi)部本身的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)的油液體對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心進(jìn)行冷卻，但是該種方案就面臨很多問(wèn)題，例如變速器內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑油的流量與壓力是否足夠，是否能使之在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)流動(dòng)起來(lái)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行油冷卻是否效果明顯等。而接下來(lái)將對(duì)該兩種方案進(jìn)行具體溫度場(chǎng)分析和可行性分析。

電動(dòng)機(jī)熱管理分析

根據(jù)上文所提到的，本總成結(jié)構(gòu)熱分析主要針對(duì)于電動(dòng)機(jī)的兩種不同的熱管理方案分析，通過(guò)對(duì)比分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部各零部件溫度場(chǎng)分布，從而得出兩種方案的差異性和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的可行性。下圖3為電動(dòng)機(jī)徑向剖面示意圖(包括熱傳遞途徑)。

在開始分析兩種熱管理方案的溫度場(chǎng)分布時(shí)，假設(shè)電動(dòng)機(jī)的熱損耗均以熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的方式被電動(dòng)機(jī)水套及轉(zhuǎn)子內(nèi)部油冷給吸收，并轉(zhuǎn)化成為電動(dòng)機(jī)的溫升。電動(dòng)機(jī)殼體及端蓋、變速器殼體等均處于室溫狀態(tài)，無(wú)風(fēng)條件下，開展此前提下的散熱仿真分析。

其各個(gè)零部件的材料屬性及加載的邊界條件等設(shè)置均為相同的情況下進(jìn)行分析，且為了簡(jiǎn)便其前處理、運(yùn)算過(guò)程，對(duì)其總成結(jié)構(gòu)的溫升模型及導(dǎo)熱/散熱問(wèn)題進(jìn)行如下歸納假設(shè)：

(1)總成結(jié)構(gòu)中損耗均轉(zhuǎn)化為熱量，且通過(guò)散熱介質(zhì)傳遞;

(2)總成機(jī)殼表面的風(fēng)散熱問(wèn)題暫不考慮;

(3)不考慮材料隨溫度的變化影響;

(4)不考慮熱輻射的影響;

(5)不考慮集膚效應(yīng)的影響。

1. 熱管理方案一(僅電動(dòng)機(jī)定子水冷套的熱管理方案)

本節(jié)主要是在總成結(jié)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)冷卻熱管理只采用電動(dòng)機(jī)定子水冷的情況下，針對(duì)電動(dòng)機(jī)各零部件的溫度場(chǎng)分析。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的熱傳遞則主要是先通過(guò)轉(zhuǎn)子本身材質(zhì)的熱傳導(dǎo)方式到轉(zhuǎn)子表面，然后通過(guò)定轉(zhuǎn)子之間氣隙空氣的熱對(duì)流傳熱傳輸?shù)蕉ㄗ硬考?，然后通過(guò)定子本身的熱傳導(dǎo)和水冷套的熱對(duì)流方式，最終把熱量傳遞散熱出去。根據(jù)等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的溫度場(chǎng)分布，需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子及氣隙的材料熱性能參數(shù)、熱對(duì)流換熱系數(shù)等。圖4為電動(dòng)機(jī)水冷套的結(jié)構(gòu)示意圖。

針對(duì)電動(dòng)機(jī)本體熱管理分析利用等效熱阻網(wǎng)絡(luò)法模型計(jì)算;首先需要查出電動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的材料熱性能參數(shù)，其次需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)零部件之間存在熱對(duì)流時(shí)的等效換熱系數(shù)等，例如定子水冷套與水的等效換熱系數(shù)和定轉(zhuǎn)子之間氣隙的等效散熱系數(shù)的計(jì)算等。通過(guò)流體力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算得出各熱傳導(dǎo)熱對(duì)流等需要的參數(shù)，最終把各參數(shù)帶入到等效熱阻網(wǎng)絡(luò)法的數(shù)學(xué)矩陣模型中，將很簡(jiǎn)便的得出各零部件的溫度場(chǎng)變化情況。

通過(guò)電動(dòng)機(jī)水冷套的熱管理輸入條件和水冷仿真的初始條件，對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的熱傳遞途徑分析，可得出等效模型中所需的熱性能參數(shù)，并利用仿真軟件可得出電動(dòng)機(jī)中水冷模型和定轉(zhuǎn)子之間氣隙的等效換熱系數(shù)h。

而電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙等效散熱系數(shù)計(jì)算稍加復(fù)雜，本文采用等效靜止空氣來(lái)計(jì)算其換熱系數(shù)。通過(guò)等效定轉(zhuǎn)子之間的氣隙模型，查詢材料物性參數(shù)如普蘭特?cái)?shù)、熱導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)粘度和平均比熱容等參數(shù)，根據(jù)流體理論計(jì)算公式可得出該氣隙的雷諾數(shù)、努塞爾特?cái)?shù)等參數(shù)，最終可得出等效氣體的換熱系數(shù)。

通過(guò)上述計(jì)算得等效換熱系數(shù)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)中存在的熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流模型，可分別計(jì)算出各個(gè)零部件的熱阻、熱容等參數(shù)，有了熱源、熱阻等參數(shù)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)中熱分析傳遞途徑可建立等效出熱阻網(wǎng)絡(luò)模型(見圖5)，由模型可等效出基本數(shù)學(xué)矩陣模型最后可得出各部件的溫度場(chǎng)變化情況，即可作為完整的邊界條件計(jì)算出有效解，最后可得出總成結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)熱管理方案僅用定子水冷套的情況下，針對(duì)電動(dòng)機(jī)在額定工況與峰值工況下電動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場(chǎng)變化。

2. 熱管理方案二(電動(dòng)機(jī)定子冷卻加轉(zhuǎn)子油冷方案)

作為整車驅(qū)動(dòng)單元和動(dòng)力傳輸單元的集成結(jié)構(gòu)，其有效地控制總成結(jié)構(gòu)的溫度變化和溫差將是提高整車性能指標(biāo)的有效手段之一，所以需盡可能地利用總成結(jié)構(gòu)中能夠利用的冷卻資源。而在總成結(jié)構(gòu)中，變速器或差速器本身的運(yùn)轉(zhuǎn)將自供冷卻模式即被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，在集成結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)與之主要匹配界面為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如能把被動(dòng)冷卻系統(tǒng)中的油冷系統(tǒng)引入到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件中即轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)軸中，這將會(huì)大大降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸的溫差，從而達(dá)到減輕電動(dòng)機(jī)定子的水冷要求，即可有效的整體降低電動(dòng)機(jī)溫升，最終可達(dá)到電動(dòng)機(jī)效率提高和功率密度的提高等性能指標(biāo)。本節(jié)將針對(duì)在電動(dòng)機(jī)定子水冷的基礎(chǔ)上，增加引入變速器或差速器油冷系統(tǒng)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心的熱管理冷卻方案，利用熱阻網(wǎng)絡(luò)法等效模型計(jì)算分析出電動(dòng)機(jī)各零部件的溫度場(chǎng)變化情況。

由于針對(duì)同一總成集成結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，其中熱分析仿真計(jì)算中所需的熱源、熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)及換熱系數(shù)等熱屬性參數(shù)，均可根據(jù)上節(jié)內(nèi)容所得。不同在于額外增加了轉(zhuǎn)子軸心處的熱傳遞途徑。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子引入了變速器內(nèi)部提供的油冷系統(tǒng)，且在這部分油冷系統(tǒng)中油冷的流量及流阻將隨差速器轉(zhuǎn)速的不同而變化。所以在不同工況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻效果乃至整個(gè)電動(dòng)機(jī)的冷卻效果將隨之變化，鑒于工況的復(fù)雜程度，在此僅針對(duì)電動(dòng)機(jī)在額定和峰值工況下的冷卻效果進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子即電主軸引入了冷卻流道，從而在該節(jié)點(diǎn)上增加了熱對(duì)流的傳遞途徑，即轉(zhuǎn)子熱源傳遞路線使之由原來(lái)只向定子側(cè)傳遞途徑增加為既向定子側(cè)傳遞，又能通過(guò)轉(zhuǎn)子軸心油道的熱對(duì)流傳遞。在此鑒于引入變速器或差速器的油冷系統(tǒng)的復(fù)雜性(涉及到冷卻油道、擋油環(huán)等一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì))，暫不對(duì)引入油冷系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。僅假設(shè)在整車處于電動(dòng)機(jī)額定工況與峰值工況下時(shí)，等效變速器或差速器的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)為油泵處理(在油道及擋油環(huán)等影響油流動(dòng)的結(jié)構(gòu)一定的情況下)，得出油道引入到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心處的壓力P與流量q數(shù)值?？傻贸鲭妱?dòng)機(jī)的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型(見圖6)。由上述所述方法計(jì)算出轉(zhuǎn)軸油道中的對(duì)流等效換熱系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)等效數(shù)學(xué)矩陣模型得出電動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)額定工況與峰值工況下的溫度場(chǎng)變化情況。

由此可知，由于減小了轉(zhuǎn)子部件之間的熱阻，均勻的剖分了轉(zhuǎn)子軸心的熱損耗，顯而易見的降低了轉(zhuǎn)子的溫升，也間接的降低了定子水冷套的散熱壓力，從圖可知不同工況電動(dòng)機(jī)零部件降低的溫升也不同，但整體溫升均有降低，即降低電動(dòng)機(jī)定子水冷套的冷卻要求或使電動(dòng)機(jī)整體散熱更加均勻有效，對(duì)整車熱管理要求也隨之降低。

電動(dòng)機(jī)熱管理可行性方案分析

通過(guò)上文介紹，對(duì)總成結(jié)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)兩種不同熱管理方案的溫度場(chǎng)變化對(duì)比(見圖7、圖8)可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心處引入被動(dòng)冷卻系統(tǒng)的油冷系統(tǒng)的散熱效果將有效的降低了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫差，特別對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。但如能在滿足電動(dòng)機(jī)本身的散熱要求情況下，只用定子水冷套熱管理方案，將大大減少了一系列問(wèn)題，例如可減少電動(dòng)機(jī)制造成本，加工工藝，及可不用考慮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的密封及強(qiáng)度等問(wèn)題。而如在強(qiáng)調(diào)電動(dòng)機(jī)性能效率和功率密度的前提下，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心引入該熱管理方案將十分有效，雖其中也將面臨一系列問(wèn)題，但在強(qiáng)調(diào)集成度及功率密度比的前提下，這將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電動(dòng)機(jī)定子水冷套的前提下增加轉(zhuǎn)子軸心油冷(來(lái)自變速器或差速器被動(dòng)冷卻系統(tǒng))，具體可行性方案及存在的問(wèn)題分析是：

1. 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻來(lái)自差速器

(1)取決于變速器的排列方式，在變速器內(nèi)需設(shè)計(jì)特殊的擋油環(huán)及冷卻油道，差速器轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了被動(dòng)冷卻系統(tǒng)油飛濺能力，是否能夠使油飛濺到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸心油道里，然后再返回變速器油道中;

(2)由于變速器用電磁閥或分離泵使冷卻循環(huán)起來(lái)的油的流量將不受控制。油流量將受到差速器轉(zhuǎn)速的影響，冷卻流量或者冷卻能力是否滿足，通常需要一系列測(cè)試確定其冷卻能力，后續(xù)再優(yōu)化油道或擋油環(huán)(通過(guò)CFD仿真計(jì)算出合理的流量流速)。

(3)冷卻油循環(huán)系統(tǒng)中油壓非常低，接近大氣壓，約0.2～0.3MPa，如何得到進(jìn)出口的油壓差。

2. 冷卻油來(lái)自變速器(來(lái)自變速器冷卻循環(huán))，需考慮單獨(dú)增加的冷卻泵或電磁閥控制。

(1)冷卻油壓是否足夠(大約0.3～0.5 MPa，最高不超過(guò)0.8 MPa);

(2)冷卻流量：取決于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻要求-進(jìn)出口溫差和系統(tǒng)中冷卻液的冷卻能力等。

另外，油的熱容量較大，且具有較好的介電能力，是一種比較理想的直接的冷卻介質(zhì)，但油本身存在粘性，攪動(dòng)過(guò)程中多流層會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)冷卻油道設(shè)計(jì)不合理，會(huì)出現(xiàn)油和發(fā)熱器件接觸不充分不能有效帶走器件熱量，或加劇冷卻油的內(nèi)摩擦，電動(dòng)機(jī)的冷卻效果較差，甚至?xí)霈F(xiàn)溫度不降反升，因此，油冷電動(dòng)機(jī)中冷卻油道的設(shè)計(jì)合理性對(duì)冷卻至關(guān)重要。

綜上所述，從穩(wěn)態(tài)角度開展電動(dòng)機(jī)不同冷卻熱管理方案的溫度場(chǎng)分析可知;如從總成結(jié)構(gòu)的制造成本及運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)等評(píng)估，在滿足熱管理方案要求下，僅用電動(dòng)機(jī)定子水冷套形式是最為妥當(dāng)。但在強(qiáng)調(diào)總成電動(dòng)機(jī)的功率密度、有效輸出率和結(jié)構(gòu)體積等性能參數(shù)時(shí)，則需要盡可能降低其溫升，即盡量減少零部件的節(jié)點(diǎn)溫度。通常電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的溫升相對(duì)比較高難以散熱，轉(zhuǎn)子引入油道冷卻就顯得尤為必要。且從上述分析可知，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有可行性。這也是在未來(lái)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)集成度及功率密度等參數(shù)的前提下，勢(shì)不可擋的一個(gè)研究趨勢(shì)。

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