电机讲解丨油冷电机

前言

电机的功率极限能力往往受电机的温升极限限制，且永磁电机的性能随着温度升高而降低，因此提高电机冷却散热能力能立竿见影的提高功率密度。现有新能源汽车电机冷却方式主要为水冷，但其存在无法直接冷却热源的问题，散热效率不甚理想，而且随着电动汽车不断发展，要求电机功率密度不断提高，因此散热效率更高的油冷技术将成为趋势。

1、电机热管理系统概述

高功率密度和高转矩密度是电机发展长期的趋势。提高功率密度存在三种技术手段，包括：更新的电磁设计、更好的电磁材料、更好的热管理。

电机的功率极限能力往往受电机的温升极限限制，因此提高电机冷却散热能力能立竿见影的提高功率密度。另外一方面永磁电机存在短板——“永磁电机的性能随着温度上升而衰减”。因此为了防止永磁体可逆和不可逆退磁，保持低工作温度是最佳策略。无论是从功率密度提升还是保障可靠性出发，电机热管理技术都必不可缺。

电机较常见的冷却方式可以分为三种：第一种是开放式风冷结构，空气从风罩中吸入电机内部，从出风口排出，带走内部热量。但这种结构的防护等级不高，粉尘和水汽易进入，影响电机寿命。散热形态为对流冷却。第二种形态是完全封闭的结构，内外没有空气等其他流体交换，电机内部的热量靠热传导从一个材料传递到下一个材料，最终到达机壳，和空气发生热交换。这种散热方式结构简单，但传热效果不佳，内部的热量容易堆积，形成热岛。散热形态为热传导。第三种形态为前两种方式的复合，电机还是全封闭结构，内部的热量靠热传导到达机壳后，机壳通过风扇强迫对流冷却，带走热量，换热效率介于第一种和第二种之间。散热形态为内部热传导、外部对流冷却。

新能源汽车对电机功率密度要求呈直线式上升，这意味着风冷无法满足要求，必须采用水冷或者其它更高散热效率的系统。

水冷系统一般由水冷机壳、水泵、散热器、管道等部件组成。其工作原理是，在水泵的推动下，水流通过电机外壳，在吸收了电机的热量后，再回到散热器将热量散发到大气中。相当于将原来由电机表面散发的热量，带到专用散热器上耗散掉。这样带来两个好处，第一个散热效率更高，散热器+水的散热效率远高于电机本身散热的效率。第二个好处，就是电机可以做的很小，满足紧凑安装的需求，而散热器可安装在远离电机通风良好的地方。正因为如此，行业主流新能源汽车（如逸动EV460）已采用电机水冷系统。

水冷电机的散热效率涉及到热传导和热对流两种原理。电机内部发出的热量，首先通过热传导到达定子轭部，然后从轭部到达机壳内层。这一部分归属于热传导；而从流道璧到流体的散热归属为对流。

2油冷系统

a)概述电机水冷系统散热效率较高，技术难度较低，虽已能满足绝大部分的需求，但其存在两个缺陷：其中一个是机壳液冷的缺陷。这种冷却方式需要电机内部的热源（如电机线圈内部的绕组）通过层层材料传递到外部，再被水道带走。因为热阻的存在，从绕组到水冷机壳，存在温度梯度。绕组无法直接冷却，导致温度堆积，形成局部热点，导致冷却效率不太理想，因此需要直接冷却热源来提升冷却效率。而油本身因为不导磁不导电的特性，对电机磁路无影响，因此选择油来作为内部直接冷却的介质。另外一个原因，是因为新能源汽车对电机的功率密度越来越苛刻，比如《节能与新能源汽车技术路线图》中明确提到2025年电机功率密度要达到50kw/L，而提高冷却效率可明显提升功率密度，因此选择冷却效率比水冷更高的油冷进行直接冷却。

b)工作原理电机内油冷属于直接冷却技术，按定子冷却和转子冷却分为两大类。

转子冷却适用于转子损耗较大的情况或者要求对永磁体温升加强保护的场合，其中常用的一种为油冷轴技术。

Tesla刚开始采用了感应电机技术路线，因此其转子发热较大，需要对其进行额外的冷却。Tesla采用了一种复合空心轴套。这个轴有内外两层环腔，内腔为空心结构，外腔带有辐条。油先从内腔进入，走到头后，遇到封闭墙，改变转向流入外腔。外腔外圆直接和转子接触，因此油在流过外腔时会带走转子的热量。

特斯拉空心轴套转子油冷技术
油冷轴技术散热功率有限，通常作为一种补充冷却方式。Tesla将油冷轴技术和油冷机壳技术混用，构成了一套复合冷却系统。冷却油在离心泵的作用下先冷却转子，然后通过管道流向机壳，既冷却定子又和大气交换热量。

特斯拉油冷轴技术与油冷机壳复合冷却技术
定子冷却形式较多，以喷淋冷却技术为例，在绕组附近设计喷头口，冷却油液直接通过喷头喷淋到绕组端部，在重力作用下油液分布到其他位置，瞬间带走大量热量，最后冷却油液在底部被收集。

通用绕组喷淋定子油冷技术
这种冷却方式受重力和转子旋转的影响很大，容易导致冷却不均匀，不同位置绕组的温度差别很大，影响整体冷却效果。但即便是以最苛刻的算法计算，喷淋的冷却功率是空气冷却的2.5倍到5倍，因此在许多产品中得以应用。
另外一种冷却效率很高的技术为定子槽内冷却技术。一般电机最大的热源为绕组，因此设计了一系列轴向冷却油道直接带走绕组的热量。通过槽口和绕组接触，绕组中热通过热传递到冷却管道，最后被冷却剂带走。为了加强绕组的热传导，需要在槽内灌胶降低绕组到冷却道的热阻。这种方式能够大幅度改善定子的散热情况。

槽内冷却定子油冷技术

3优点与挑战

1)    优点散热能力好、提高功率密度。国内新能源汽车电机冷却技术路线主要采用水冷的方式，其散热效率较高，技术难度较低，但由于电机高温部分主要集中在绕组端部，采用水冷方式无法直接对其冷却，因此为了进一步提高电机的散热能力，也为了进一步提高电机功率密度，采用通过油冷系统直接冷却热源（绕组）的冷却方式，其散热效率高，并可显著提升功率密度，是下一代电机冷却系统的趋势。
2)    挑战复杂的油路系统设计以及较高的工艺水平，限制了油冷技术的发展。

4结论和展望

由于油冷电机的优势，很多企业已经开始对其进行研究，企图占领技术制高点，如特斯拉、本田、丰田、通用、日产等先进车企，代表车型为丰田普锐斯2017款、宝马i3、雪佛兰Volt等。由于其工艺及设计较复杂，国内主流车型暂未运用油冷技术，其较高散热能力以及可提高功率密度的优势，值得持续跟踪。