油冷電機冷卻結構的案例
基于CFD軟件的油冷電機熱管理
引言
本文為2021年8月25日西莫電機論壇第46期在線研討會精華整理版。
主講老師：
顧俊（蘇州舜云工程軟件有限公司仿真技術經理，曾從事前艙熱管理仿真相關工作、動力系統CFD仿真及熱管理相關工作，負責舜云科技動力系統模塊的解決方案研發及推廣工作，完成汽車行業多個頭部企業的飛濺潤滑及熱管理分析技術移交工作；7年汽車工程領域仿真與設計經驗）
主要內容：
1.油冷電機冷卻結構的多樣性
2.不同CFD熱管理方法的對比分析
3.基于舜云仿真軟件的油冷熱管理
4.熱管理技術的難點
下面開始進入研討會正文：
1 油冷電機冷卻結構的多樣性
在以前風冷電機的那個時代，我們可能并不需要太過于關注他內部的一些發熱問題，這是很典型的一款西門子風冷電機，右邊這個圖片是風冷電機的一些散熱手法，他的軸上會帶一些擋板讓內部的風能夠高速的流動起來，然后外殼這一塊也會有一些加強筋或者說一些散熱筋能帶走更多的熱量，這大概已經是很早以前的那種電機設計。現在這個階段的話，用水冷電機就是新能源汽車應用還是比較多的，大部分路上跑的一些新能源汽車更多的還是用水冷電機的，油冷電機的話只不過是這兩年才開始火熱起來，實際上在路上跑的可能還并不怎么多。水冷電機的話有一個特點，它的冷卻型式非常非常單一，并且當初我們在做水冷電機的相關設計時，它的NVH
可能并不是那么的完善，所以它一般都會在表面包一層那個消音棉，就肯定會有類似的一些那種消音阻斷的一些結構，然后導致它整體的一個散熱是非常依賴水套的。那當初的話就是水套這一塊的散熱問題，對于主機廠怎樣去安排這么大的一個散熱需求，在前艙這一塊里面要合理的分配給他，而且要時時保證它能夠有足夠的散熱，這其實是一個比較頭疼的問題。
展開 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。
基于Simdroid-EC的油冷變壓器自然冷卻熱仿真
在電力系統中，油冷變壓器廣泛應用于變電站，其在運行過程中會產生熱量，如果變壓器溫度過高，會對其內部的絕緣材料及零部件性能造成損害。繞組是變壓器的核心部件之一，由銅或鋁等導電材料制成。高溫會使繞組的電阻增大，電阻增大又會進一步產生更多的熱量，形成惡性循環。過高的溫度可能會引起鐵芯的磁導率變化，影響變壓器的電磁性能，同時也可能導致鐵芯的機械結構發生變形，破壞變壓器的正常運行。另外，變壓器中的絕緣紙和絕緣油在高溫下會加速老化。
自然對流是油冷變壓器散熱的重要方式之一，通過合理的溫度控制，確保自然對流散熱的良好效果，可以降低變壓器的運行損耗，提高能源利用效率。
伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC，以下簡稱EC）是基于通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應用于通信設備、電力電子、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。
以下是基于Simdroid-EC對油冷變壓器進行自然冷卻仿真及對應的功能點和步驟說明。
1、CAD模型導入
通過EC導入接口，可以將變壓器模型導入；線圈、變壓器油箱外殼、油箱外側的翅片均可以使用EC提供的薄壁機箱模型來構建；鐵心部分使用EC的立方體塊來拼接搭建。
展開 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。
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.pdf
FEV—油冷電機概念
汽車供應商 FEV 開發了一種油冷式電動機，旨在優化電動汽車的最大功率。該公司表示，基于離心冷卻，油在轉子鐵芯和磁鐵下方流動到銅繞組上，可以將電機的連續輸出提高多達 50%。它一直在各種汽車技術活動中展示概念系統。
該公司指出，傳統電動機在運行期間只能短暫調出最大功率，因為這會導致高熱應力，但其特殊的冷卻解決方案旨在抵消這一限制。雖然水作為冷卻劑由于其導電性不能直接用于冷卻電動機中的銅繞組，但 FEV 使用一種特殊的非導電油，該油也可用作電動機的潤滑劑。
在系統內，油在電機運行期間通過軸通過離心力引導到導熱銅繞組，以有效地冷卻它們。這樣可以顯著提高電機的功率密度，并在更長的時間內調用增加的扭矩。或者，冷卻允許發動機小型化，同時保持相同的功率密度，從而在車輛中獲得安裝空間優勢。
正如主管 Andreas Sehr 在演講中所解釋的那樣，離心冷卻油流經轉子軸，通過轉子芯和磁鐵下方的 5 個徑向孔，然后油被引導到前側和后側，直接噴灑在 定子繞組。 油通過外部油泵泵入系統。 該系統利用離心力（旋轉時）在系統中分配油。
油通過外部連接流入前后側的兩個噴環。 對于每個線圈，噴嘴都安裝在噴射環中，并直接噴射到定子繞組的前部。 前、后殼體底部設計有兩個排油口。 油通過重力排出。
FEV 提出的緊湊型解決方案將永磁同步 (PSM) 電動機和逆變器組合在一個單元中。 經測試，該電機在峰值功率230kw持續30秒，連續功率100kw時，最大扭矩大于500Nm，最大轉速12000rpm，在測試循環中效率大于90%，大于 97% 的峰值。
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展開 【技研】油冷電機技術講解
電機的功率極限能力往往受電機的溫升極限限制，因此提高電機冷卻散熱能力能立竿見影的提高功率密度。另外一方面永磁電機存在短板——“永磁電機的性能隨著溫度上升而衰減”。因此為了防止永磁體可逆和不可逆退磁，保持低工作溫度是最佳策略。無論是從功率密度提升還是保障可靠性出發，電機熱管理技術都必不可缺。
電機較常見的冷卻方式可以分為三種：
第一種是開放式風冷結構
，空氣從風罩中吸入電機內部，從出風口排出，帶走內部熱量。但這種結構的防護等級不高，粉塵和水汽易進入，影響電機壽命。散熱形態為對流冷卻。
第二種形態是完全封閉的結構
，內外沒有空氣等其他流體交換，電機內部的熱量靠熱傳導從一個材料傳遞到下一個材料，最終到達機殼，和空氣發生熱交換。這種散熱方式結構簡單，但傳熱效果不佳，內部的熱量容易堆積，形成熱島。散熱形態為熱傳導。
第三種形態為前兩種方式的復合
，電機還是全封閉結構，內部的熱量靠熱傳導到達機殼后，機殼通過風扇強迫對流冷卻，帶走熱量，換熱效率介于第一種和第二種之間。
展開 高級培訓報名 | Particle Works 電機油冷仿真
Particle Works
電機油冷仿真培訓
10月13日
培訓結束后，您將獲得
由安世亞太頒發的官方培訓認證證書
適用行業及人群
【適用行業】
適用于涉及到電機、齒輪箱等電驅系統中的攪油、飛濺、潤滑等兩相流動問題以及后續散熱問題的行業。
【適用人群】
與以上行業相關的系統仿真工程師、技術研發人員等都可以參加。
課程優勢
本培訓以使用Particleworks軟件為出發，對電機油冷所遇到的基本仿真問題進行介紹，并以實際案例進行仿真演示。主要包含軟件基本使用、Particleworks的管內兩相流、管外兩相流等基本案例介紹、輕量化電機模型的噴淋、甩油仿真計算方式介紹。
軟件簡介與特色
【軟件簡介】
Particleworks 是一款模擬流體運動的領先軟件。其先進的基于粒子算法的求解器，可以輕松地對各類工業流體問題進行建模與分析——汽車行業中油箱的晃動及冷卻、制藥業和塑料行業物料的混合與攪拌等等。憑借直觀的界面、極快的求解器和強大的可視化工具，Particleworks將提供所有用戶所需的運動分析工具，來幫助工程師在設計過程中優化產品。
【軟件特色】
■ 無網格求解：Particleworks 可以直接導入CAD幾何進行計算，相比傳統的CFD軟件，可以避免繁雜、耗時的網格生成過程；
■ 飛濺、自由液面流動：Particleworks 通過將流體分解成一系列的離散單元或者粒子來分析其運動，這些粒子可以自由運動。這種方法可以允許用戶模擬流體的大變形、聚合、分裂以及快速變化流動等；
■ 支持當下最新的GPU硬件進行GPU并行計算，能夠獲得前所未有的高性能并行計算能力。
展開 輪邊電驅橋油冷電機3D模型 ￥20
附件包含某款輪邊電機（油冷電機）3D模型STP格式
活動回顧 | 油冷電機、變速箱仿真技術專題研討會圓滿落幕！
展示了如何在物聯網平臺上部署數字孿生，并分享了油冷電機數字的孿生應用案例。
PART3
油冷電機、變速箱NVH仿真解決方案
驅動電機系統NVH是新能源車NVH性能的重要影響因素，電驅系統NVH分析目前面臨著高效模擬振動、辨別噪聲源等難題和挑戰，可以從電磁力計算、振動模態分析、振動仿真計算、噪聲仿真計算等方面進行NVH仿真。
安世亞太資深結構工程師李桂花從電機角度和變速箱角度分享整體設計思路，并介紹了ANSYS電驅系統多物理場NVH分析流程，涉及ANSYS Maxwell、Motion、Mechanical、VRX Sound等軟件的運用。其中ANSYS Motion Drivetrain是一款齒輪系統定制模塊，可用于齒輪建模、汽車同步器、振動噪聲分析等場景。
互動答疑
本次研討會在參會來賓和分享專家的熱情交流中圓滿結束，更多精彩活動正在籌備中，歡迎關注我們官網、官微的信息發布。
安世亞太將繼續為各位研發人才帶來更多主題、更多形式的活動，期待與您的下一次相聚。
END
展開 國內外新能源汽車油冷電機盤點和關鍵技術解析
一、油冷電機的優勢
在新能源汽車電驅動總成的技術發展過程中，體積更小、重量更輕的驅動電機，一直是工程師們孜孜以求的目標，而相對于水冷電機，油冷電機具有如下優勢：
冷卻效率高，最大程度發揮電機的潛在效能，能夠提高電機的功率密度以及轉矩密度。
絕緣性能好，可以與繞組以及磁性材料接觸，直接冷卻熱源、消除熱點，冷卻方式直接、干脆，且不導磁、不導電，不影響電機的電磁場特性。
相較于水，油的沸點高、凝點低、高溫不易沸騰、低溫不易凝結，適用范圍更廣闊，且不易相變。
對于噴油式冷卻的電機，外殼不需要設計水道，也不需要風扇及風道，能夠減小體積。
二、純電動汽車油冷電機盤點
1、Tesla model 3
特斯拉之前的車型，比如model s和x，采用異步感應電機，線圈結構不像永磁鐵很容易在高溫的時候有退磁的問題，但是因為有了額外一部分的通電線圈，所以感應電機的轉子部分在同樣的轉速和功率輸出下熱得也更快。
而線圈轉子的功率損失大都用在了電阻發熱上，所以感應電機的轉子需要更高效的冷卻回路。
更高功率的冷卻回路意味著更高成本的冷卻系統，為了更高效的冷卻，轉子線圈大多用油液直噴來冷卻，而冷卻油液常常是和其他機械結構共用的。而如果電機發熱過快的話，油液來不及冷卻或者油液溫度持續比較高，會直接影響其他機械結構的冷卻潤滑效果。
這是電機發熱對整個傳統系統冷卻的影響，是系統級別的問題，而model 3的永磁轉子的功率損失大概只有感應電機線圈轉子的十分之一甚至更少。
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 
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 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。
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。
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。
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