一种电动汽车电机的水冷设计-2011

摘要：新能源汽车作为节能、环保产品广泛应用于汽车工业，汽车驱动选用永磁无刷电机能有效地解决电机在实际应用中存在的低速起动、制动性能好、小电流消耗等问题，同时具有可靠、高效、节能等优点。电机的散热问题影响电机的安全运行，通过机壳水冷系统，采用周向水路设计，能够有效散失电机长时间运转产生的热量，达到良好的散热效果。

关键词：冷却方式 电动机 电动汽车 水冷

随着石油危机的出现，全球范围内能源问题成为关注的焦点，人们的环保意识越来越强，然而，公交车作为城市主要污染源之一却成为人们生活中不可缺少的交通工具，汽车工业环保、节能的呼声不断提高，电动汽车作为新能源汽车将是21世纪清洁、高效和节能的发展趋势。近几年来，电机技术、机械制造技术和自动控制技术的不断发展，推动了我国电机技术的发展进步，电机在汽车驱动的应用领域越来越广，直流电机、交流电机、无刷电机、异步电机和开关磁阻电机等作为驱动电机已取得了较好的应用效果。

一、电动汽车用电机类型的选择

电机是电动汽车的核心关键部件，它的性能要求功率体积比大，输出转矩大，使用电流小，过载能力强，适合频繁启动、加速、制动的工作状态。各种各样的汽车驱动用电机在不同的科研单位、院校、企业有着不同选型，主要从性能、价格、效率、重量等方面综合考虑。

（一）目前电动汽车用几种常用的电机

1、直流电机

直流电机具有转矩大，过载能力强和比较好的控制特性，可实现平滑而经济的调速，缺点是电流换向需要电刷，受机械换向的影响，电机只能在中低速下运行，电刷的维修和更换比较复杂，影响电机使用寿命，而且它的重量大，效率低。在电动汽车研发的初期阶段，多选用直流电机。

2、交流电机

交流电机的主要优点是可靠性高，价格较低，重量轻，但启动转矩小，起动电流大，效率低，能量回馈性能差，运行中消耗电能大，受电池因素制约大。

3、无刷电机

无刷电机用电子元器件代替了碳刷，使换向无机械接触，无火花换向，具有低速大转矩，噪音小，效率高，寿命长，过载能力强等优点，但是控制器的成本偏高，不适用高磁场的地方。

4、开关磁阻电机

开关磁阻电机具有低速大转矩、可靠性好、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流等优点，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大、低速振动大、效率偏低，能量回馈差。

（二）电动汽车电机的选型确定

随着电机技术的迅速发展，电子电力技术的不断更新，新技术、新材料、新工艺的应用，永磁无刷电机环保、节能、高效的特性用于汽车电机的优势越来越明显。永磁无刷电机采用高能永磁材料，转子无绕组，制动效果好；具有低速大扭矩，能够提供大的起动转矩，满足加速要求；电磁时间常数小，动态性能好，调速范围宽；过载能力强，电机发生堵转时防护能力强；体积小，重量轻，功率密度高等优点。电机设计参数为：额定功率150KW，额定转矩600NM，外径φ488cm。

二、电机散热问题的探讨

电机作为汽车驱动可实现极低排放或零排放，然而电机具有其运行特性，电机定子铁心，定子绕组在运动过程中都会产生损耗，这些损耗以热量的形式向外发散，需要有效的冷却介质及冷却方式来带走热量，保证电机在一个稳定的冷热循环平衡的通风系统中安全可靠运行。 电机冷却系统设计的好坏将直接影响电机的安全运行，下面针对电动汽车电机的散热问题进行研究探讨。

（一）、电机常用的冷却方式及其特点

电机在进行能量转换时，总是有一小部分损耗转变成热量，它必须通过电机外壳和周围介质不断将热量散发出去，这个散发热量的过程，我们就称为冷却。电动机主要冷却方式有自然冷却、风冷和水冷。

1、自然冷却

自然冷却依靠电机铁心自身的热传递，散去电机产生的热量，热量通过封闭的机壳表面传递给周围介质，其散热面积为机壳的表面，为增加散热面积，机壳表面可加冷却筋。

自然冷却具有结构简单，不需要辅助设施就能实现，但自然冷却效率差，仅适用于转速低，负载转矩小，电机发热量较小的小型电动机。

2、风冷

风冷是电机自带同轴风扇来形成内风路循环或外风路循环，通过风扇产生足够的风量，带走电机所产生的热量。介质为电机周围的空气，空气直接送入电机内，吸收热量后向周围环境排出。

风冷具有冷却效果好；可使用风冷却器，采用循环空气冷却器避免腐蚀物和磨粒，有利于提高电动机的使用寿命；结构相对简单，电动机冷却成本较低。但受环境因素的制约，在恶劣的工业环境中，例如高温、粉尘、污垢和恶劣的天气下无法使用风冷。风冷适用于常用于一般清洁、无腐蚀、无爆炸环境下的电机。

3、水冷

水冷是将水通过管道和通路引入定子或转子空心导体内部，通过循环水不断的流动，带走电机转子和定子产生的热量，达到对电机的冷却功能。 

水冷的冷却效果比风冷更显著，无热量散发到环境中。但是，需要良好的机械密封装置，水循环系统结构复杂，存在渗漏隐患，如果发生水渗漏，会造成电机绝缘破坏，可能烧毁电动机；水质需要处理，其电导率、硬度和PH值都有一定的要求。

水冷电机主要应用于大型机组和高温、粉尘、污垢等恶劣的无法使用自然冷却、风冷型电机的场合，例如：纺织、冶金、造纸等行业使用的电动机。

（二）电动汽车用电机水冷方法的设计

1、冷却方式的选择

永磁无刷电机具有结构紧凑、功率大、热量散发大等特点，电机安装空间较小，空间比较密闭，密闭环境容易造成通风不畅，环境温度高，采用自然冷却和风冷的方式，使电动机在高于正常的工作温度下连续运行，影响电机的使用寿命。选择水冷的方式可进一步改善电机的冷却条件，增大电机的散热能力，保障电机使用安全；同时满足电机安装空间狭小的。

2、水冷设计理念

电机采用机壳水冷散热系统，机壳和散热系统采用不锈钢和A3钢组合焊接，保障机壳的强度，水冷机壳采用周向水路，有多条螺旋状水道，水道高度根据定子铁心的长度调节，针对性地解决散热问题。从体积、重量、强度等方面优化设计，既保障水冷机壳的安全可靠性，又提高水冷系统的散热效果。

3、水冷机壳设计方案

传统的水冷电机采用铸造机壳，铸铁材料抗拉强度不够，易发生断裂，且铸铁机壳体积大，重量大。由于电动汽车对节能有较高的要求，希望每个零部件都向轻便、高效方向优化，对电机提出的要求也越来越高，同样功率的电机，期望质量更轻、体积更小，消耗的能量也会变小。电机机壳采用A3钢和不锈钢组合及特殊的水循环设计，既要达到以上要求，又解决机械强度的问题，同时满足散热良好的要求。

水冷系统由机壳和不锈钢水冷部分组成，不锈钢水冷部分包括不锈钢内胆、不锈钢外胆、水道隔板及进水口、出水口构成。机壳采用A3钢，卷制焊接，机械强度增加，抗拉强度和抗冲击力均能满足电机机壳的要求。水冷系统内胆、外胆和隔板均选用不锈钢，在塑性、韧性和抗腐蚀能力满足设计要求，能承受大的冲击力作用，同时减轻机壳质量。电机机壳外径φ488 ，机壳长度500cm。

机壳采用A3钢卷成圆筒状并焊接严密，不锈钢内胆紧贴机壳，在连接处焊接牢固，外胆也卷成圆筒状紧贴在隔板在，外胆内径大于内胆外径10～15毫米，中缝严密焊接，两端和机壳表面采取圆弧和平面的焊接方式牢固焊接在机壳表面，在水冷部分外侧相应的位置焊接进水口和出水口接头与外部冷却水路相连接。

冷却循环水采用周向水路设计，水流方向环绕电机外壳，沿圆周方向呈螺旋状流动。实现环状水流采用隔板焊接，在机壳的外侧沿圆周方向焊接隔板，隔板呈螺旋状环绕机壳，隔板高12mm，厚2mm，采用点焊的方式使隔板牢固地缠绕在机壳内胆上，以此将内腔隔成多路水道，隔板与外胆焊接，组装成封闭式螺旋状的水道，冷却水可沿着机壳的圆周方向呈螺旋前进方向流动。

出水口置于机壳顶部，这样保证循环水在流出之前充满整个内腔，使水冷系统内腔的水处于饱满状态，循环水全部充满水冷系统的内腔还可以最大限度地减少水道里的空气，使定子充分散热，全面冷却。如果出水口不置于顶端，会造成水未充满整个内腔水就已流出，机壳没水部位局部温度会很高，影响散热效果。

一般水冷电机的水冷部分为电机整个机身，制作工艺简单，外形美观大方。由于充分考虑电动汽车用电机的节能性和轻便性，对水冷部分的长度做了重新设计，既能达到散热要求，又能减轻电机质量，同时满足吊装的要求。经计算和测试，确定水冷系统内腔轴向长度比定子铁心长度略长，即可达到定子散热良好，水冷系统位于机壳的中部，在定子铁心外侧，长度仅比铁心两端各长8毫米，在机壳两端盈余大量的位置，可以安装吊环，较好地解决电机的吊运问题。

三、结论

电动汽车用永磁无刷电机采用机壳水冷，水冷部分与机壳紧密焊接，接触面大，热量传递直接、迅速，散热效果明显；水冷部分设计为周向水路，螺旋状水流，水路平滑，阻力小，能量损失少；水冷部分略长于定子铁心，能够有效散失电机长时间运转产生的热量。

参考文献：

【1】陈万庆，《变频调速电机冷却方式的选择》，兰州电机有限责任公司，2010。

【2】诸，辜承林，《电动汽车用轮毂电机现状研究与发展趋势》 华中科技大学，电气与电子工程学院，2009。

作者简介：廖文靖，女，汉族，1979年出生，工程师，现工作于桂林电器科学研究院。