電機冷卻系統的案例
某PHEV汽車電機冷卻系統熱管理策略優化
空調制冷系統回路是一個包含兩個并聯制冷支路的系統.其中，一個支路為熱力膨脹閥和蒸發器，提供乘員艙的降溫需求；另一個支路為電子膨脹閥和Chiller保證動力電池的降溫需求.由于要同時保證乘員艙與動力電池的降溫需求，空調制冷回路的壓縮機及冷凝器也提高了要求.均通過電磁截止閥控制兩個支路的聯通和斷開.
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.
展開 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
某電驅冷卻系統的一維及三維聯合仿真
圖4 電驅系統中不同元件的流阻曲線
3.3 計算結果
在高溫極限工況（環境溫度為45℃，總發熱功率為8 kW），電驅冷卻系統流量為12 L/min時，散熱器進、出水溫度及進、出空氣溫度隨時間的變化關系如圖5所示，可見電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為111℃。
圖5 12 L/min時溫度變化
電驅冷卻系統流量為14 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關系如圖6所示，可以看出電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為102℃。
圖6 14 L/min時溫度變化
電驅冷卻系統流量為16 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關系如圖7所示，可以看出電驅冷卻系統在平衡后的最高溫度為98℃，滿足系統最高溫度低于100℃的要求。因此，可以確認為滿足系統冷卻需求，流量最低應達到16 L/min。
圖7 16 L/min時溫度變化
4 總結
本機型設計開發之初，在僅有設計數模的情況下，首先利用三維仿真求解出相關零部件的性能曲線，這極大地縮減了項目開發周期，同時采用了一維仿真將發動機機艙熱管理簡化，可以進一步縮短仿真時間，最終確定了電機冷卻系統所需的最小流量，并對比了不同流量下對系統溫度的影響。
參考文獻
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展開 電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
“
小結
在入口處冷卻介質流量一定情況下，螺旋式冷卻通道截面參數，對永磁同步電機整體散熱能力具有重要影響，同時整車端冷卻系統沿程阻力損失、整車冷卻系統油泵的選擇也具有非常重要影響。
螺旋式冷卻結構殼體，在額定工況點下，永磁同步電機最高溫點位于機殼繞組端部，最高溫度為138.2℃，電機可以滿足長期150℃耐溫的使用要求。
【技術】新能源汽車電機熱管理
電機與控制器在電能與機械能的轉換過程中，部分電能會損耗成為熱能釋放。對于新能源汽車，驅動電機作為動力源，控制器提供能量轉換，缺一不可。兩者的熱管理系統則主要對其冷卻，使其能夠安全可靠運行。
電機熱管理3個方法
電機及其電控熱管理的主要任務是分析電機內部的產熱機理，設計冷卻系統對其進行降溫，保證電機及電控系統處于合適的溫度范圍內。目前電機冷卻系統主要有空冷、液冷及其他冷卻方式，液冷又分為水冷和油冷。
有研究者設計了一種新型的混合型電機冷卻系統，冷卻系統包括熱管、銅管水套、風扇，風扇可以加速帶走冷凝端的熱量，如下圖所示。這種被動式和主動式相結合的冷卻系統，可以設計有效的控制策略以優化冷卻系統的能耗。對電機冷卻系統的熱特性進行了試驗和數值研究。結果發現，對于250 VA的熱負荷，在保證運行工況的前提下，采用混合冷卻策略可節省33%的功耗。
展開 電機快速數字設計方案
2） 電機電磁-結構耦合分析
? 分析電磁力作用下的振動響應
4、電機散熱性能數字模擬分析模塊
1） 有限體積流域求解
? 穩態、瞬態分析
? 強制/自然對流、共軛傳熱、輻射傳熱
? 單相流、多相流等
2） 電機溫度分布計算
? 電機冷卻系統的穩態熱流分析，獲取局部熱點位置。
3） 電機冷卻介質流動分析
? 風冷、水冷、油冷等；
? 為冷卻系統設計提供參考。
4） 電機溫升計算
? 電機總成在不同工況下的瞬態溫升仿真。
5） 電機電磁-熱-流耦合分析
? 單向、雙向耦合迭代。
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展開 【技術貼】AVL電動車能量管理仿真解決方案
圖4 基于CRUISE M搭建電動車能量管理模型圖
電機冷卻系統如圖5所示，考慮了對充電機、電機控制器和驅動電機的冷卻，冷卻方式包含：小循環冷卻、電機余熱回收用于電池加熱模式以及電機散熱器模式。
圖5 電機冷卻系統模型圖
空調與電池熱管理系統模型如圖6所示。在常規的空調系統回路基礎上，并聯了一路Chiller支路用于電池包冷卻。電池熱管理系統包含了冷卻和加熱兩種方式，電池包冷卻通過電池冷卻液與Chiller換熱實現，電池包加熱通過電機余熱回收和PTC加熱實現。
圖6 空調與電池熱管理系統模型圖
根據以上模型，可以對電動車輛的熱管理性能及續駛里程等結果進行分析。
圖7展示了38℃環境下車速，電機進、出水溫，電池進出水溫隨時間的變化。車速變化導致電機需求功率以及電機散熱器的風量變化，模型可以計算出電機冷卻水溫，從圖中可以看到部分區域電機冷卻水溫超過80℃，可能會引起電機的功率保護，相應地需要對電機冷卻系統進行優化。另外，模型中定義了Chiller的工作區間為水溫超過50℃開始工作，水溫低于30℃停止工作。從仿真結果可以看到，由于電池冷卻系統只有Chiller一種冷卻形式，開始階段進出水溫均逐漸升高，一旦水溫到達50℃，Chiller開始工作，水溫迅速下降，當水溫低于30℃以后，Chiller停止工作，水溫又開始繼續逐漸上升。在本案例中，兩組US06循環下，Chiller工作兩次。
圖7 車速，電機進、出水溫（左），電池進、出水溫（右）隨時間的變化
由于Chiller支路的工作會影響蒸發器支路冷媒的流量，因此必然會對乘客艙降溫性能產生影響。圖8左展示了該工況下電池冷卻液溫度和乘客艙平均溫度隨時間的變化。
展開 奧迪e-tron純電動汽車的動力總成解析(上)
三、驅動電機冷卻系統
1.前后橋電機冷卻
奧迪e-tron電機冷卻系統采用了熱泵技術，熱泵系統包含車內空調和熱交換系統、壓縮機、冷卻裝置(chiller)和動力電機廢熱回收裝置。如圖10所示，前橋和后橋上的電驅裝置通過低溫循環管路水冷，定子和轉子上都有冷卻液流過。尤其是附帶的轉子內部冷卻，在持續功率輸出和峰值功率方面具有重要意義。在前橋上，功率電子控制器和電機彼此串聯在冷卻環路中。冷卻液首先流經功率電子控制器，然后流經前橋電機內部的“水q”對轉子內部冷卻，之后流經定子水套返回循環管路中。在后橋上，冷卻液首先流經功率電子控制器，隨后流經定子冷卻水套之后流經轉子內的“水q”，最后返回循環管路。
圖10 前橋和后橋電機冷卻系統
(未完待續)
展開 新能源汽車電機的風冷和水冷有何區別？
新能源汽車水冷散熱和風冷散熱對比：
新能源汽車水冷散熱原理：
動力電池和驅動電機系統在設計時預留了水路管道。驅動電機工作時產生熱量，冷卻液經水套流動帶走熱量進入水箱散熱器。散熱器與電子風扇集成，電子風扇加速水箱散熱，使冷卻液降溫，達到驅動電機要求的正常工作溫度。經過散熱的冷卻液再次流經驅動電機，循環往復。
新能源汽車水冷散熱系統組成部分：
1、水箱散熱器，主要作用是冷卻進入芯片的冷卻液。從材質上，分為銅水箱和鋁水箱。從內部結構上，分為板翅式、管帶式、管片式。
2、電子風扇。不同發動機冷卻系統，新能源汽車冷卻風扇都是采用電子風扇散熱。不同的冷卻系統電子風扇不同。電機冷卻系統根據驅動電機的功率可以匹配一個風扇版本、兩個風扇版本。一般情況下，兩個電子風扇散熱量足以滿足市場上常見的所有純電動汽車。混合動力汽車由于還有發動機、渦輪增壓器裝置，所需電子風扇比較多，一般也不超過6個。
3、電控系統。電控系統主要包括風扇控制器、線束、傳感器、顯示器等。但從市場整體看，并不是所有新能源汽車散熱系統都有電控系統。
4、電動水泵。水泵是不可缺少的一個組件，主要作用就是提供冷卻液循環的動力。冷卻液在驅動電機及電控和水箱散熱器之間的循環就需要電動水泵。
展開 【干貨】新能源汽車電機風冷和水冷有何區別？
新能源汽車的散熱單元主要有動力電池和驅動電機及電控系統。從傳統發動機散熱技術和新能源汽車散熱實際應用效果看，水冷和風冷是新能源汽車散熱最主要的兩種方式。
電機作為純電動新能源汽車的驅動，可實現極低排放或零排放。純電動汽車在驅動與回收能量的工作過程中，電機的定子鐵芯、定子繞組在運動過程中都會產生損耗，這些損耗以熱量的形式向外發散，因此就需要有效的冷卻介質及冷卻方式來帶走熱量，保證電機在一個穩定的冷熱循環平衡的通風系統中安全可靠的運行。而電機冷卻系統設計的好壞，將直接影響電機的安全運行和使用壽命。
采用了風冷這種散熱方式的電機，自帶同軸風扇來形成內風路循環或外風路循環，通過風扇產生足夠的風量，以帶走電動機所產生的熱量。其介質為電機周圍的空氣，空氣直接送入電機內，吸收熱量后向周圍環境排除。風冷的特點是結構相對簡單，電機冷卻成本較低，但是散熱效果和效率都不太好，工作可靠性差，并且對天氣和環境的要求也比較高。
采用了水冷這種散熱方式的電機，會將冷卻液通過管道和通路引入定子或轉子空心導體內部，通過循環的冷卻液不斷的流動，帶走電機轉子和定子產生的熱量，達到對電機冷卻的目的。雖然水冷的成本比風冷略高，但它的冷卻效果卻比風冷更加顯著，而且散熱均勻、效率高，工作可靠性強，噪音也更小。只要保證了整個裝置能擁有良好的機械密封性，就可以在各種環境下使用。
展開 Motor-CAD— 新能源驅動電機快速設計與優化工具
Motor-CAD在同一軟件平臺下統領實現了電機的快速設計、多學科性能仿真評估、參數優化，減少了不同軟件工具進行模型和數據傳遞的問題，有效提升設計效率。
- 電機匹配整車循環工況效率分析
Motor-CAD Lab中電機飽和參數模型和損耗模型，可快速計算包括效率在內的各種Map圖，針對整車路譜工況點進行校核，同時繪制扭矩/速度特性，進一步分析在標準循環工況下電機性能的匹配情況，以及工況中瞬態溫升的校核分析。
- 電驅動系統潤滑冷卻詳細設計與驗證
Motor-CAD具有豐富的CAE接口，可結合其他專業軟件，構建電驅動系統的虛擬仿真環境，共同實現電驅動系統潤滑冷卻的詳細設計與性能評估。
聯合傳動系統軟件Romax，完成電機及傳動機構的各自潤滑冷卻系統的解耦設計，并進行電驅動潤滑冷卻系統損耗和溫升特性等指標仿真模擬。
耦合各專業三維有限元分析軟件，實現電驅動潤滑冷卻方案的精細化評估。無縫集成電磁模塊Maxwell、熱模塊AEDT Thermal，流體模塊Fluent，進一步實現電機冷卻系統的溫度場三維仿真和精確量化。
基于臺架測試數據，對上述模型精度進行評估和標定。基于標定后的模型，開展參數靈敏度分析和魯棒性分析，充分考慮各類加工、裝配誤差等產生的影響，確保潤滑冷卻方案的可靠性
展開 
Moldex3D仿真分析之運用冷卻水路回路精靈有效建構模具冷卻系統
在射出成型領域中，冷卻系統至關重要。塑件必須冷卻固化至特定溫度，脫模頂出時才能具備足夠的剛性，以避免塑件因外力產生變形，并可保持尺寸穩定性。此外，冷卻時間占整個成型周期70%-80%的時間，因此良好的冷卻系統可以大幅縮減成型周期、提升產能。
然而對許多大型產品的模具而言，水路數量多且復雜，這導致在分析之前，須耗費大量時間整理模具中各群水路的進出途徑。Moldex3D Studio的冷卻水路回路精靈提供可整理、編輯水路線條的便利工具，能有效、快速整理復雜的水路路線，加速前處理進程；并以線條代替3D實體水路，減少網格生成的失敗率，提升仿真分析速度。
冷卻水路回路精靈能自動生成最長的適當水路曲線，并標示進出口。在擁有實體3D水路以及水路進出口位置的前提下，該功能可協助用戶快速建立水路回路曲線。本文將示范使用工具頁的中心線、連接信道曲線，再透過冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定*。
*注：本文所介紹的功能僅供演示目的，冷卻水路回路精靈支持更多樣的建立水路曲線功能。
操作流程
步驟1：萃取水路的中心線條
匯入幾何后，在建立水路前，先使用工具欄的中心線來萃取模型中的3D實體水路幾何面，擷取所需的水路幾何線條。點選中心線并進入建構中心線的接口后，框選要萃取中心線的實體水路曲面群，也可以一次框選多個實體水路曲面群，框選好之后點選確認，即完成中心線萃?。ㄓ蚁路綀D中的黃色中心線條）。
步驟2：整理連接不完整的水路線條
由工具欄點選連接信道曲線，并框選之前產生的中心線條，點選打勾完成，就會發現之前未連接的線條已自動連接。
步驟3：用冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定
在模型頁面點選回路精靈中的冷卻水路回路精靈，框選連接好的水路線條，再一次點選抓取完成選取。
展開 冷卻棒，導熱管在模具冷卻系統中的應用
一、冷卻導熱管的特點介紹
冷卻棒又名導熱管適合細長型芯和普通冷卻水無法到達的狹窄位置，它有很好的熱傳遞性能，可以將一端的熱量迅速傳遞到另一端，安裝冷卻棒后，在合適位置上接通冷卻水，就實現了一個最佳的熱轉換過程。這個轉換過程不僅僅是通過金屬傳遞熱量，而是利用銅管內的制冷液作為熱交換媒介，熱傳導性是銅的200倍左右。不生銹，不產生水垢，溫度范圍-50°C～200°C。
二、冷卻棒導熱管的安裝注意事項
1.安裝孔徑加工要比?D大0.1m/m～0.2m/m。
2.安裝深度需達到管總長L的1/3～2/3的長度，其余部分為冷卻水浸泡面積。
3.導熱管裝入時，如果涂抹傳熱潤滑膏效果會很好些，增加熱傳導性能的同時還可以起到穩固作用。
4.冷卻水道孔徑應D1.5mm以上直徑，以便冷卻水可以帶走足夠的熱量與方便溫度調節。
5.導熱管不可切斷和拆卸，也不可彎曲和壓扁，這點在設計時要充分考慮到這一點。
三、安裝示意圖：
四、冷卻棒的工作原理介紹
1、冷卻棒具有很好的熱響應性，利用其優良的熱傳導性，可以把模具微小但突出部分因注塑帶來的熱量（不容易用普通的冷卻方法冷卻）從一端迅速傳遞到另一端，由裝有冷卻水的部份進行冷卻，再把低溫傳遞到頂端，周而復始。
2、冷卻棒是由特制的紫銅管加入網狀管芯后，再加入一定量的制冷劑精制而成。制冷劑在封閉的管內吸收外部熱量而揮發，揮發的制冷劑因氣壓差向低溫端移動，在低溫端釋放熱量而液化，液態的制冷劑因網狀管芯的吸力作用返回頂端。
3、在安裝前一定要做熱響應性測試：在80℃或者100℃熱水或開水中，將的冷卻棒浸入1/2長度，在 5秒鐘或者稍長衣點時間內，冷卻棒上端部溫度達到70℃左右或者更高些為優良品，反之則效果會差些。
展開 電動汽車電機"冷卻"技術
電力牽引電機的拓撲 (Equipmake)
在電動汽車的新大陸上，有一場爭論的硝煙從未散去——到底哪種電機是最好的？
對此，Equipmake的經營主管、創新型電力傳動系統設計研發專家Ian Foley表示，“這就像80年代早期的計算機之爭。直到IBM的PC成為業界標準，這場爭論才得以平息?，F在我們有各種類型的電機，不同的電機的制造理念也不一樣。我們不應只著眼于電機，而是要考察包括電機、電池、逆變器、齒輪箱和控制器在內的整體系統解決方案。最后，哪個解決方案成本最低，哪個就是贏家?！?Foley希望，最后的勝利屬于自己公司的APM200輪輻電機。他表示，APM200效率卓越，是目前扭矩和功率密度（kW/kg）最高的電動汽車永磁電機，而且它還有成本低、重量輕等優點。
APM200電機的重量約為49kg （108 lb），最高轉速為10,000rpm，最大功率和最大扭矩分別為220kW（295 hp） and 450 N·m （332 lb·ft），采用了成本更低的釹鐵硼磁鐵（NdFeB），降低了電機整體造價，并搭載了5.5:1整體行星齒輪箱，齒輪箱的輸出軸和輪轂直接相連。此外，Equipmake還為APM200研發了專用逆變器，采用了結合碳化硅二極管和IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的動力電子技術，使得電機能在高變頻下保持大功率運轉。
輪輻電機系統剖析圖(Equipmake)
一冷再冷
冷卻是決定電機性能的關鍵。電機磁鐵的溫度越低，電機輸出峰值功率的時間就越長。但是，光做到冷卻還不夠，必須要保證冷卻的成本適中、質量可靠、量產效率高。
Foley表示，“輪輻電機的結構能夠滿足以上這些要求。傳統的永磁電機的磁鐵呈V型，被壓在轉子四周的壓片上，壓入深度很淺，而輪輻電機的磁鐵則像輻條一樣垂直于鋁制轉子的表面，使得磁鐵得以非常接近冷卻液（60℃水/乙二醇）。
展開 電機散熱系統的研究現狀與發展趨勢
通過以上研究可以發現：高效化是電機散熱系統的長期發展趨勢；通過優化循環水道結構、調整水道截面形狀和增加擾流結構等方式可以在一定程度上提高水冷散熱系統的效率；在電機高發熱部件與機殼之間搭建額外熱路、縮短冷卻介質與電機關鍵發熱部件之間的傳熱路徑是提高水冷散熱系統效率的有效方案與新方向。
2.3 蒸發冷卻散熱系統
蒸發冷卻散熱系統利用低沸點冷卻介質的相變循環實現對電機的高效冷卻。當低沸點、高絕緣系數的冷卻介質與電機內的發熱部件接觸時，冷卻介質吸收大量的熱量并發生氣化，氣態的冷卻介質在冷凝器遇冷轉化為液態，利用冷卻介質的氣液相變循環實現電機的高效散熱。根據冷卻介質沸騰溫度的高低，可以將蒸發冷卻分為低溫制冷式蒸發冷卻和常溫制冷式蒸發冷卻；根據冷卻系統的結構可以將蒸發冷卻分為管內冷卻和浸沒式冷卻；還可以根據冷卻介質的循環系統是否采用驅動泵，將蒸發冷卻分為自循環蒸發冷卻和強迫循環蒸發冷卻兩大類。
張學禮驗證了蒸發冷卻散熱系統的效率顯著高于油冷和水外冷，并研究了冷卻介質液面高度對冷卻效果的影響。蔡靜將全封閉無泵自循環蒸發冷卻系統應用于立式電機，證明了回液管為非滿液位時，冷卻介質的循環動力由回液管內液柱高度產生的靜壓差和循環介質具有的壓頭兩部分組成。劉長紅等建立了自循環蒸發冷卻電機的熱網絡模型，并對比驗證了模型的準確性。國建鴻等對采用強迫循環蒸發冷卻系統的300 MW汽輪發電機的繞組溫升性能進行研究，采用分相模型計算了兩相流動的阻力，提出了通過流量調節控制蒸發點位置、防止兩相流動阻力過大引起氣阻的方法。溫志偉等首次提出了鐵芯浸潤式冷卻與繞組強迫循環冷卻相結合的蒸發冷卻電機散熱方案，分析了負荷變化對電機溫度場的影響。研究結果表明蒸發冷卻方式與強迫循環內冷方式結合可以有效抑制電機溫升，提高了電機長期運行的穩定性。
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