第２０卷第３期 电 机 与 控 制 学 报 Ｅｌｅｃｔｒｉ ｅ ＭａｃｈｉｎｅＳ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｏ１．２０ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１６ ２０１６年３月 电动汽车用油内冷永磁轮毂电机三维温度场分析 王晓远， 高鹏 （天津大学电气与自动化工程学院，天津３０００７２） 摘要：根据外转子式轮毂电机的结构及变压器油的物理特性，提出油内冷轮毂电机冷却方式。以 实际样机为例，在传热学理论和有限元方法的基础上，对轮毂电机各部件间的导热系数和散热系数 进行了计算，并分别建立了采用自然冷却和油内冷冷却方式轮毂电机的３一Ｄ温度场有限元分析 模型。基于所建立的模型，计算并得到了不同冷却方式下轮毂电机各部件的温升曲线和温度场分 布。通过计算结果与实测数据的对比分析，验证了有限元分析的正确性和油内冷冷却方式的有效 性和实用性。 关键词：轮毂电机；油内冷；温度场；有限元法；自然冷却 ＤＯＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｅｍｅ．２０１６．０３．００６ 中图分类号：ＴＭ ３１５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１６）０３—００３６—０７ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３－Ｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｎ·ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｎｎｅｒ－ｏｉｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｙｕａｎ， ＧＡＯ Ｐｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｉｎｎｅｒ．ｏｉｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｏｕｔｅｒ ｒｏｔｏｒ ｉｎ—ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｌＴｌｅｒ ｏｉｌ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｉｎ．ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏ． ｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ３．Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎ． ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｎｅｒ－ｏｉｌ ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎ—ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌ— ｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｉｎｎｅｒ—ｏｉｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎ—ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ；ｉｎｎｅｒ—ｏｉｌ ｃｏｏｌｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ０引言 轮毂电机驱动系统是将轮毂电机安装于电动汽 车车轮内部驱动车轮同轴旋转，省却了机械离合器、 变速箱、减速器、传动轴等复杂装置，简化了汽车的 ２Ｏ１４一Ｏ９一Ｏ２ 收稿日期： 藿警 纂 蓍 率密度、高转矩密度和结构紧凑等要求。对于内定 子外转子式的轮毂电机结构，定子中的损耗所产生 的热量难以传递至机壳并散发出去，导致轮毂电机 基金项目： 国家８６３高技术基金（２０１１ＡＡ１１Ａ２５９） 作者简介： 王晓远（１９６２～），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机电磁场的分析与计算、电机电器设计与控制研究 高鹏（１９８５一），男，博士研究生，研究方向为电动汽车用轮毂电机设计。 通讯作者： 高 鹏 电机与控制学报 一 ．ｚｇ一＼ Ｐ 第２Ｏ卷 式中： 为努赛尔数；Ｒｅ为雷诺数； 为特征速度，，Ｊ 为特征长度，Ａ 为空气导热系数，Ｕａｉｒ为空气的运动 粘度。 ＿ｌｌ＿ 一一 ３）气隙散热系数 轮毂电机转子的旋转同时会带动气隙中空气的 流动，又由于轮毂电机的定子表面存在齿和槽，使得 定、转子及气隙间的换热情况非常复杂，难以准确计 算对流散热系数。借助文献［１５］中提出的对流链 理论来计算气隙的对流散热系数，对流链理论是用 一一一簿一／ 一 一 一＿＿ 一＿ 一 ０ ２０ ４０ ６Ｏ ８０ １Ｏ０ １２０ ｔ／ｒａｉｎ ＿ 来描述热量在不同边界间的对流理论，能够合理的 描述定、转子及气隙间的换热情况。根据轮毂电机 定、转子的直径、气隙长度和电机转速，计算的气隙 对流散热系数如图７所示。 ０ ５０ ｌｏ０ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００ ＂℃ 图７气隙对流散热系数 Ｆｉｇ．７ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｇ－ａｐ ４）定子铁心端面散热系数 转子的旋转造成轮毂电机内的空气流动，定子 铁心端面的空气流动速度与转子表面的线速度 有关，定子铁心端面的散热系数用下式计算¨６Ｊ ｈ ＝１５＋ ’。 （７） ３温度场分析及实验验证 ３．１温度场３一Ｄ有限元分析 根据上述的计算和所建立的模型，对不同冷却 方式轮毂电机的温度场进行３一Ｄ有限元计算。轮 毂电机工作于额定工况条件下，运行１２０ ｒａｉｎ后，轮 毂各部件的温升达到稳定状态。油内冷轮毂电机各 部件的温升曲线如图８所示。尽管在分数槽绕组电 机中，定子电流产生很强的谐波磁动势，会在永磁体 中产生涡流损耗，导致温升增加。但是，轮毂电机运 行于额定工况，转速较低，绕组铜耗仍为轮毂电机发 热的主要热源，通过有限元法计算的绕组损耗为 １７９．８ Ｗ，永磁体中的涡流损耗为１０７．４ Ｗ。因此， 定子绕组和铁心的温升较高，永磁体和转子套的温 升较低 图８轮毂电机各部件温升曲线 Ｆｉｇ．８ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｉｎ－ ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ 采用自然冷却和油内冷冷却方式轮毂电机各部 件的温升曲线变化趋势保持一致，但是各部件的稳 态温升值具有较大差别。轮毂电机的稳态温升对比 数据如表３所示。采用自然冷却方式的轮毂电机， 由于空气的导热系数很小，绕组铜耗及定子铁心铁 耗产生的热量难以传递至机壳并散发出去，绕组温 升为９３．４。ｃ，是电机温升最高的部件。采用油内冷 冷却方式的轮毂电机，槽内绕组的等效导热系数变 大，有利于绕组的热量向定子铁心传导，绕组温升为 ８６．７。Ｃ，低于自然冷却轮毂电机的绕组温升。轮毂 电机内部填充的变压器油有效的将电机内热量传递 至机壳，导致电机转子套和永磁体的温升增加。 表３轮毂电机温升 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｉｎｇ ｏｆ Ｉｎ－ｗｈｅｅｌ ｍｏｔｏｒ℃ 运行至１２０ ｒａｉｎ时，电机温升趋于稳定，轮毂电 机稳态温度场分布如图９所示。油内冷式轮毂电 机，电机内部温度分布较均匀，电机温度最高点温度 有效降低，图９也进一步验证了油内冷冷却方式的 冷却效果。 ３．２实验系统 所研究的样机如图１０（ａ）所示，通过注油孑Ｌ向 轮毂电机内填充满冷却用变压器油。建立轮毂电机 温升实验系统，如图１０（ｂ）所示。实验系统由轮毂 电机、测功机、电机控制器、功率分析仪、温度传感器 和红外温度测量仪等设备构成。将ＰＴＩＯ０温度传 感器嵌入到电机绕组中实时测量绕组温度，红外温 度测量仪用于测量转子套表面温度。 ４２ ２００８，５５（１０）：３６１９—３６２６． 电机与控制学报 第２０卷 ｌ４（４）：９９６—１００３． ［８］Ｄ ＳＴＡＴＯＮ，Ａ ＢＯＧＬＩＥＴＹＩ，Ａ ＣＡＶＡＧＮＩＮＯ．Ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｄｉｆｉｃｕｌｆｔ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｉｃ ｍｏｔｒｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅ— ［１２］ Ａ．ＥＩ．鲍里先科，Ｂ．ｒ．丹科．电机中的空气动力学与热传递 ［Ｍ］．魏书慈，邱建甫译．北京：机械工业出版社，１９８５：６２ ～ｄｉｕｍ ｓｉｚｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００５，２０（３）：６２０—６２８． Ｐ８０． ［１３］ 魏永田，孟大伟，温嘉斌．电机内热交换［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，１９９８：３０８—３４４． ［９］ ＢＯＧＬＩＥＴＨ Ａ，ＣＡＶＡＧＮＩＮＯ Ａ，ＳＴＡＴＯＮ Ｄ Ａ．ＴＥＦＣ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｍ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌｓ：ａ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，４１（３）：７５６—７６３． ［１４］ 赵伟铎，崔淑梅，刘庆，等．空心补偿脉冲发电机温度场计算 与分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３１（１７）：９５—１０１． ＺＨＡＯ Ｗｅｉｄｕｏ，ＣＵＩ Ｓｈｕｍｅｉ，ＬＩＵ Ｑｉｎｇ．ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ［１Ｏ］ 李伟力，陈婷婷，曲凤波，等．高压永磁同步电动机实心转子 ３Ｄ温度场分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３０（１８）：５５ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ａｉｒ—ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｕｌｓａｔｏｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ－ ｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＣＳＥＥ，２０１１，３１（１７）：９５—１０１． ６０． ＬＩ Ｗｅｉｌｉ，ＣＨＥＮ Ｔｉｎｇｔｉｎｇ，ＱＵ Ｆｅｎｇｂｏ．ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｓｏｌｉｄ ［１５］ 程志光，高桥则雄，博扎德．弗甘尼．电气工程电磁热场模拟 与计算［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９：４０—７２． ［１６］ 黄国治，付丰礼．中小型旋转电机设计手册［Ｍ］．北京：中 国电力出版社，２００７：１４１—１４９． ｒｏｔｏｒ ３Ｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｈｉ【ｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＰＭＳＭ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ－ ｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＣＳＥＥ，２０１１，３Ｏ（１８）：５５—６０． ［１ １］ Ｊ ＸＹＰＴＲＡＳ，Ｖ ＨＡＴＺＩＡＴＡＮＡＳＳＩＯＵ．Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｅ． １ｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｉｒｏｎ ｌｏｓｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｅｐ－ （编辑：刘素菊） ｂａｒ ｅｆｆｅｃｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９９９， ··＋··＋”＋ ”—＋一··—＋一··－＋－··＋“＋··＋· （上接第３５页） ［８］ＡＮＤＲＥＥＳＣＵ Ｇ Ｄ，ＰＩＴＩＣ Ｃ Ｉ，ＢＬＡＡＢＪＥＲＧ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｌｆｕｘ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｗｉｔｈ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ ｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｅｒ． ｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅ— ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９１，６（３）：４９１—４９７． ＢＯＬＯＧＮＡＮＩ Ｓ，ＯＢＯＥ Ｒ，ＺＩＧＬＩＯＴＴＯ Ｍ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｆａｌｌ—ｄｉｇｉｔ— ｌ ＰＭＳＭ ｄｒａｉｖｅ ｗｉｔｈ ＥＫＦ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｉｐｍｓｍ ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｙ Ｃｏｎｖｅｒｇｓｉｏｎ，２００８，２３（２）：３９３—４０２． ［９］ 尹忠刚，赵昌，钟彦儒，等．采用抗差扩展卡尔曼滤波器的感应 电机转速估计方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（１８）：１５２ —［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ，１９９９，４６（１）：１８４ 一１５９． ｌ９１． ＹＩＮ Ｚｈｏｎｇｇａｎｇ，ＺＨＡＯ Ｃｈａｎｇ，ＺＨＯＮＧ Ｙａｎｒｕ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｐｅｅｄ ｅｓｔｉ． ［１２］ ＢＯＬＯＧＮＡＮＩ Ｓ．ＴＵＢＩＡＮＡ Ｌ．ＺＩＧＬＩＯｒＩＴＩ１０ Ｍ．Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｋａｌｍａｎ ｍａｒｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔ ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａ１． ｉｆｌｔｅｒ ｔｕｎｉｎｇ ｉｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ＰＭＳＭ ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓ． ｔｙ Ａｐｐｌｒｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，３９（６）：１７４１—１７４７． ｍａｎｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＥＥ，２０１２，３２（１８）：１５２ —１５９． （编辑：贾志超） ［１Ｏ］ＤＨＡＯＵＡＤＩ Ｒ，ＭＯＨＡＮ Ｎ，ＮＯＲＵＭ Ｌ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ．
