電機冷卻結構的案例
計算流體動力學(CFD)方法在電機通風冷卻結構優化中的應用
通風冷卻技術是大型電機設計的關鍵技術之一，對電機的尺寸和性能有著重要的影響。由于
大型水輪發電機的試驗數據很難獲得，因此，可綜合應用比例模型試驗、網絡法和三維計算流體動力學
(CFD)改善電機中風量分布的均勻性，以控制溫度，避免溫度過高縮短電機壽命。
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電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
驅動電機殼體冷卻通道結構設計
針對熱量在電機內部的傳遞方式，本文設計了一款螺旋式冷卻結構的電機殼體，其結構如圖2所示。
常用電機冷卻方式匯總
眾所周知，電機的運行過程，其實就是一個電能和機械能相互轉換的過程，在這個過程中同時也不可避免地將產生一些損耗。這些損耗絕大部分會轉化為熱量，從而導致電動機繞組，鐵芯及其他部件的工作溫度升高。
電機發熱問題在研發生產新品過程中較常見，Ms.參也接觸過不少型式試驗時電機溫度階梯式升高溫升難以穩定的案例。結合該問題，Ms.參今天與大伙簡單談談電機的冷卻方法和通風散熱，解析各類電機通風冷卻結構，企圖能發掘一些避免電機過熱的設計技巧。
由于電動機使用的絕緣材料有對溫度的限制，故電機冷卻的任務是將電機內部損耗產生的熱量散發掉，使電機各個部位的溫升維持在標準規定的范圍之內，并力求內部溫度均勻化。
電機通常采用氣體或者液體作為冷卻介質，常見的有空氣和水，對應的我們稱之為空冷或者水冷。 空冷常見的有全封閉空氣冷卻和開啟式空氣冷卻；水冷常見的有水套式冷卻和熱交換器冷卻。
交流電機標準IEC60034-6規定和解釋了電機的冷卻方式，采用IC代碼來表示：
冷卻方式代碼 = IC+ 回路布置代號 + 冷卻介質代號 + 推動方法代號
一、常見的冷卻方式
1、IC01 自然冷卻 （表面冷卻）
例如西門子緊湊型1FK7/1FT7伺服電機。注意：此類電機運行時表面溫度較高，可能對周邊設備和物料產生影響。故在某些行業應用時，應考慮通過電機的安裝和適度的降容來規避電機溫度的負面影響。
2、IC411 自扇冷卻 （自冷）
IC411是通過電機自身的旋轉來移動空氣從而實現冷卻的，空氣的移動速度與電機速度相關。
3、IC416 強迫風扇冷卻（強冷或獨立風扇冷卻）
IC416則含有獨立驅動的風機，保證了風量的恒定而與電機的轉速無關。
IC411和IC416是低壓交流異步電機經常采用的冷卻方式，是通過風扇吹電機表面散熱筋來實現散熱的。
展開 考慮溫度場和流場的永磁同步電機折返型冷卻水道設計
0 引言
永磁同步電機因具有功率密度高、效率高、結構緊湊等優點，成為新能源汽車驅動電機的首選。隨著電機容量的不斷增加及其小型化和輕量化的發展，再加上新能源汽車用永磁同步電機的密閉式結構，導致電機運行時散熱環境惡劣，電機溫升過高，成為制約新能源汽車用永磁同步電機向高功率密度、高效率發展的重要因素。
新能源汽車用永磁同步電機大都采用水冷方式對電機進行冷卻，冷卻水道布置在機殼內部，通過機殼內部水道中的循環冷卻介質帶走熱量，從而控制電機溫升。目前，新能源汽車用永磁同步電機冷卻水道的結構主要有折返型和軸向螺旋型兩種。軸向螺旋型水道的水路平順，水道壓降小，但由于冷卻介質從電機一端流入另一端流出，電機兩端的溫度梯度較大，不利于對電機整體的溫升控制。折返型水道的水路呈迷宮狀，不會在電機兩端產生溫度梯度，同時入水口與出水口可布置在電機同一端，方便水冷系統的布置，因而被廣泛應用。
現有研究多采用基于積分形式守恒方程的有限體積法對電機的溫度場、流場進行仿真，從而研究電機的溫升，但并未對永磁同步電機常用的折返型水道的結構參數進行細化研究，對折返型水道結構參數對流體流動特性、水道壓降以及電機溫升變化的影響的研究也還不夠深入。
本文對一臺額定功率68 kW的永磁同步電機的折返型水道結構參數進行設計。建立電機流-固耦合有限元模型，對電機溫度場、水道流場進行仿真分析，并通過電機臺架實驗驗證了仿真模型的正確性。進而通過仿真模型分析了水道內冷卻水的流動特性，綜合考慮分析入水口水道寬度與水道圓角半徑對水道壓降的影響，據此得到水道結構幾何參數，實現了電機低溫升的設計目標，最后進行電機溫升與水道壓降實驗驗證。
展開 
電動汽車電機"冷卻"技術
換言之，傳統電機的磁鐵是分布在壓片上，所以無法接近冷卻液；而輪輻電機磁鐵的一端是在鋁制中心轂上，所以我們可以讓冷卻液足夠靠近磁鐵，達到散熱的目的。盡管和傳統電機相比，輪輻電機的生產難度更高，但是我們設計的電機已經可以量產，對此我們很有信心。”
Foley表示，實現電機量產的關鍵在于落實設計細節，比如找到將壓片安裝在中心轂上的方法，“中心轂基本上是鍛造件。我們的冷卻非常高效，所以能獲得所需的高強度。鋁制中心轂的溫度控制在100℃以下，因此我們可以使用成本低但性能、可靠性、壽命都毫不遜色的磁鐵。熱能工程是讓一款電動汽車電機脫穎而出的一大關鍵。”
據Foley介紹，雖然輪輻結構在汽車行業的知名度還不高，但事實上其拓撲結構早已廣為人知。Equipmake輪輻電機的結構還要追溯到公司此前參加的一個名為“HIPERCAR”（高性能減碳）的英國研究項目，一同參與的還有Delta Motorsport公司和Ariel公司，項目的目標是在2020年前推出量產超高性能減排跑車。正是這個項目催生了被Foley稱為“目前扭矩密度最高”的Equipmake輪輻電機，Foley還表示，“該款電機的性能已經得到了充分驗證，未來還會繼續改進。”
APM200輪輻電機的研發耗時大約三年，Foley說，“我們成功解決了設計、冷卻和制造的挑戰。除了HIPERCAR項目之外，我們和一家阿根廷公司合作開展的客車應用項目也采用了APM200。我們在每輛客車上搭載了兩臺APM200電機、賽米控的SKA1逆變器和AESC電池。我們的目標是電機的年產量在2020年前能達到2,000臺，然后再節節攀升。”
Equipmake的輪輻電機采用了鋁制中心轂和鋼鐵壓片，鋁具有抗疲勞、經久耐用的性能優點，滿足了產品使用壽命的要求。
至于電機定子，據介紹，APM200采用了“非常傳統”的定子。
展開 電機怎么冷卻的?解剖給你看！
————————————新能源汽車的電機水冷系統通常不是獨立的，而是和電池包，以及電控系統的冷卻，形成一個完整的熱管理系統。在電機殼體的內部，也有類似于內燃機缸體內部那樣的水道，冷卻液通過水泵的驅動在中間流動，從而達到散熱效果。
當然，水冷系統要兼顧電池包和驅動電機兩方面的冷卻，有的熱管理系統還和空調、電控系統等相連，這樣涉及到多個子系統，在設計方面就比較復雜了。
但是，由于水冷的使用效果確實很好，所以現在相當多的主流電動車，無論是幾十馬力的代步車，還是使用大功率驅動電機的車型，基本上都采用水冷系統來為驅動電機散熱。
水冷系統還有個好處就是可以統籌使用車上的熱量，實現更好的熱管理。比如有些車型的設計就將電機散發的熱量為電池組保溫。在冬季對于新能源車型來說，還是非常有用的——畢竟靠電池組自己的加溫，損耗非常大。
隨著技術的進步，不但電機外側的定子可以冷卻，內部的轉子也可以增加水套進行冷卻，進一步提升了熱管理的效率。
變速箱的電機，也可以用油冷優勢：結構緊湊，和變速箱等通盤設計，散熱效率高不足：不方便回收利用熱量油冷就和傳統燃油車的發動機、變速箱的冷卻方式差不多了，通常來說，這種方式的冷卻效率還是比較高的。而且這個時候，電機冷卻和變速箱的冷卻在一起，也有利于結構的緊湊化，不用單獨設計布置機油泵等零部件。目前，這種冷卻方式一般應用于插電式混合動力車型，特別是P2和P2.5結構。
但是油冷和風冷一樣，它們最后需要把熱量散發掉。所以電機產生的熱量，是不能回收利用的。不過考慮到油冷系統中一般的電機尺寸和功率都不那么大，這部分的損耗還是可以接受的。
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————————————新能源汽車的電機水冷系統通常不是獨立的，而是和電池包，以及電控系統的冷卻，形成一個完整的熱管理系統。在電機殼體的內部，也有類似于內燃機缸體內部那樣的水道，冷卻液通過水泵的驅動在中間流動，從而達到散熱效果。
當然，水冷系統要兼顧電池包和驅動電機兩方面的冷卻，有的熱管理系統還和空調、電控系統等相連，這樣涉及到多個子系統，在設計方面就比較復雜了。
但是，由于水冷的使用效果確實很好，所以現在相當多的主流電動車，無論是幾十馬力的代步車，還是使用大功率驅動電機的車型，基本上都采用水冷系統來為驅動電機散熱。
水冷系統還有個好處就是可以統籌使用車上的熱量，實現更好的熱管理。比如有些車型的設計就將電機散發的熱量為電池組保溫。在冬季對于新能源車型來說，還是非常有用的——畢竟靠電池組自己的加溫，損耗非常大。
隨著技術的進步，不但電機外側的定子可以冷卻，內部的轉子也可以增加水套進行冷卻，進一步提升了熱管理的效率。
變速箱的電機，也可以用油冷優勢：結構緊湊，和變速箱等通盤設計，散熱效率高不足：不方便回收利用熱量油冷就和傳統燃油車的發動機、變速箱的冷卻方式差不多了，通常來說，這種方式的冷卻效率還是比較高的。而且這個時候，電機冷卻和變速箱的冷卻在一起，也有利于結構的緊湊化，不用單獨設計布置機油泵等零部件。目前，這種冷卻方式一般應用于插電式混合動力車型，特別是P2和P2.5結構。
但是油冷和風冷一樣，它們最后需要把熱量散發掉。所以電機產生的熱量，是不能回收利用的。不過考慮到油冷系統中一般的電機尺寸和功率都不那么大，這部分的損耗還是可以接受的。
展開 如何看待奔馳EQC的電機冷卻液泄漏召回？
召回原因如下：
由于制造偏差，電動驅動模塊的冷卻系統可能存在密封不足，導致冷卻液滲漏
。
如果冷卻液微滲到電機內，長期使用后可能降低高壓系統的絕緣電阻值，極端情況下車輛可能無法啟動。冷卻液滲漏不滿足國家相關強制性標準中關于冷卻系統密封的要求，極端條件下，車輛的電動驅動模塊輸出功率會降低，存在安全隱患。
▲圖1. 奔馳EQC的召回（市場監督總局的通告）
Part 1 傳統汽車企業在電動汽車上的創新和迭代
EQC是奔馳在純電領域的第一代的產品設計，電驅系統也是從行業里面找資源聯合開發的，主要和ZF與奔馳聯合設計。如下圖1所示，這里主要考慮的問題是能否提供足夠的功率，前后軸各配備一臺動力電機，總功率達到了300kW，總扭矩為760Nm。
從結構上來看，這套電驅動系統采用電機減速器左右+逆變器上方的布置形式，減速器平行軸結構，電機與減速器共用殼體。在這里，電機軸與減速器輸入齒輪為一體式結構，三球軸承支撐，這樣的設計對電機后端蓋、電機殼體和減速器后殼體，連接部件的同軸度要求較高。
▲圖2. 奔馳EQC的動力系統
從冷卻來看，這里采用系統一體化冷卻的方式：
●
逆變器與電機采用直連式水管，O型圈密封;
●
電機定子、轉子軸都采用水冷，定子水套兩端O型圈密封，通過螺栓固定到機殼上，轉子軸水冷密封結構復雜(機械密封);
目前的主要問題，可能出在了轉子水冷技術上，這在電機冷卻技術屬于前沿的冷卻技術，從市場來看大部分電動機使用水去冷卻定子，或者采取油冷的辦法。
▲圖3. 奔馳后驅系統的爆炸圖和主要概覽
從這個意義上，我們可以看一下德國工程師在電驅動技術方面的考慮。
展開 基于Fluent輪轂電機自然冷卻仿真 ￥220
Fluent輪轂電機自然冷卻仿真
源文件加制作過程錄屏，源文件是workbench，包括幾何，網格，設置跟結果。錄屏是全過程錄屏，包括幾何處理，網格劃分，計算設置跟后處理，錄屏沒有聲音，關鍵步驟錄屏中有文字
平臺軟件：
Ansys 2020版本
基于不同冷卻方式的電機散熱分析
在近期打算錄風冷，水冷，油冷電機的散熱視頻，大家有興趣看嗎??
利用AMEsim建立電機或發動機冷卻系統模型
系統原理圖如下，建立電機冷卻系統仿真模型，進行大循環和小循環仿真
電機散熱量21.7kw，運行環境溫度45度,冷卻流量小于25L/min
電機出水口溫度小于65度時，節溫器關閉，冷卻液不經過散熱器，進行小循環；
電機出水口溫度大于65度時，節溫器開啟，進行大循環，
保證電機出水口溫度在85度以下
QQ：315673349
豐田新型電驅動力總成（P810）技術解析
傳統的HV變速驅動橋(P313)中，發電機與電機為同軸配置，且電機減速機構為行星式，而新型HV變速驅動橋(P810)則與第4代HV系列相同，采取電機與發電機配置于平行軸的結構。驅動電機的減速機構也是采用平行齒輪方式的多軸機構，電機與發電機配置于不同的軸，縮短了變速驅動橋的軸長。此外，采取平行齒輪式后，還擴大了減速比范圍，將減速比從2.478擴大至2.882，而電機的最高轉速從12300rpm擴大至17500rpm。最大扭矩從335Nm減少至270Nm，實現電機的小型化，同時EV行駛時的輸出扭矩提高了10%。
在電機和發電機方面，相比第4代HV系列，改善了定子結構、磁路、冷卻結構等，實現大扭矩和大功率的同時，在5cycle模式下，還減少了21%以上的損耗，電機尺寸也縮小了27%，使得輸出功率密度提高49%。分段導線的繞組線(SC分布繞組)與第4代HV系列的其他電機相同，但為了提高輸出功率，首次將繞組線的連接從串聯更改為并聯，同時冷卻方式也采取雙系統，滿足大扭矩、大功率的需求。此外，發電機方面，不是第3代、第4代HV系列采用的集中繞組，而是SC分布繞組。
展開 某PHEV汽車電機冷卻系統熱管理策略優化
電機冷卻系統回路是一個單獨的冷卻回路，包括了低溫散熱器、電子水泵、充電機、電機控制器、電機等.電子水泵驅動回路冷卻液流動，將各發熱件的熱量通過低溫散熱器與環境空氣換熱帶走.
整個熱管理系統的前端模塊 （散熱器、冷凝器、中冷器、低溫散熱器、電子風扇）通過分層布置在汽車前保險桿格柵之后.通過正常行駛及風扇驅動環境空氣強制對流換熱，將熱管理系統各回路的熱量帶走，使熱管理系統內各部件在許用或需求溫度范圍內工作.
2 電機冷卻系統匹配分析
電機冷卻系統是一個單獨的冷卻回路，且低溫散熱器布置在前端模塊的最前面.在前端模塊密封較好的前提下，低溫散熱器的進風溫度與環境溫度大致相當.電機冷卻系統的換熱基本不受其他3個換熱系統的影響，所以，可以單獨評估電機冷卻系統的設計是否滿足整車需求.
根據企業內部標準以及整車熱平衡試驗經驗，60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，整車負荷較大，對應的電機、電機控制器散熱量也會比較大；同時這一工況下，車速不太高，低溫散熱器進風量不會太大，對于電機冷卻系統挑戰較大.另外，蠕行工況 （設定蠕行車速6 km/h）下，雖然整車負荷不大，但是低溫散熱器進風主要靠風扇驅動，進風來自貼近地面空氣或部分熱回流空氣，進風溫度較高；同時，單靠風扇驅動進風，進風量相對較小，電機冷卻系統也可能存在風險.綜合以上，選定低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況，評估電機冷卻系統設計可行性.
本文采用三維CFD仿真分析與一維系統仿真分析相結合的方法，計算電機冷卻系統在純電動模式、典型工況下系統的溫度和流量，評估系統設計的可行性.
通過機艙三維CFD仿真分析，計算低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，低溫散熱器的進風量和進風溫度，作為電機冷卻系統一維仿真分析的邊界輸入.機艙三維CFD仿真分析模型，如圖2所示.
展開 豐田新型電驅動力總成（P810）技術解析
新型混合動力變速驅動橋簡介
新款Hilander搭載的用于中型SUV的新型混合動力變速驅動橋(P810)采用多軸配置電機的平行齒輪式減速機構及用于加強冷卻性能的雙冷卻系統等，相對于2015年上市的Hilander搭載的HV變速驅動橋(P313)，機械損失減少25%，長度減少8%，重量減少6%，實現小型輕量化。
傳統的HV變速驅動橋(P313)中，發電機與電機為同軸配置，且電機減速機構為行星式，而新型HV變速驅動橋(P810)則與第4代HV系列相同，采取電機與發電機配置于平行軸的結構。驅動電機的減速機構也是采用平行齒輪方式的多軸機構，電機與發電機配置于不同的軸，縮短了變速驅動橋的軸長。此外，采取平行齒輪式后，還擴大了減速比范圍，將減速比從2.478擴大至2.882，而電機的最高轉速從12300rpm擴大至17500rpm。最大扭矩從335Nm減少至270Nm，實現電機的小型化，同時EV行駛時的輸出扭矩提高了10%。
在電機和發電機方面，相比第4代HV系列，改善了定子結構、磁路、冷卻結構等，實現大扭矩和大功率的同時，在5cycle模式下，還減少了21%以上的損耗，電機尺寸也縮小了27%，使得輸出功率密度提高49%。分段導線的繞組線(SC分布繞組)與第4代HV系列的其他電機相同，但為了提高輸出功率，首次將繞組線的連接從串聯更改為并聯，同時冷卻方式也采取雙系統，滿足大扭矩、大功率的需求。
展開 豐田新型電驅動力總成（P810）技術解析
傳統的HV變速驅動橋(P313)中，發電機與電機為同軸配置，且電機減速機構為行星式，而新型HV變速驅動橋(P810)則與第4代HV系列相同，采取電機與發電機配置于平行軸的結構。驅動電機的減速機構也是采用平行齒輪方式的多軸機構，電機與發電機配置于不同的軸，縮短了變速驅動橋的軸長。此外，采取平行齒輪式后，還擴大了減速比范圍，將減速比從2.478擴大至2.882，而電機的最高轉速從12300rpm擴大至17500rpm。最大扭矩從335Nm減少至270Nm，實現電機的小型化，同時EV行駛時的輸出扭矩提高了10%。
在電機和發電機方面，相比第4代HV系列，改善了定子結構、磁路、冷卻結構等，實現大扭矩和大功率的同時，在5cycle模式下，還減少了21%以上的損耗，電機尺寸也縮小了27%，使得輸出功率密度提高49%。分段導線的繞組線(SC分布繞組)與第4代HV系列的其他電機相同，但為了提高輸出功率，首次將繞組線的連接從串聯更改為并聯，同時冷卻方式也采取雙系統，滿足大扭矩、大功率的需求。此外，發電機方面，不是第3代、第4代HV系列采用的集中繞組，而是SC分布繞組。
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