芝能智芯出品
FEV Europe GmbH做了一份材料介绍了电动车辆中高速牵引电机的热集成问题，并提出了一些未来趋势和解决方案。
● 电机热管理
近年来，电动汽车技术取得了长足的进步，但电机热管理问题一直是电动车辆领域的挑战之一。纯电动汽车中电机已经表现出高效的特点，但在传动系统中仍然导致能量损失。未来的能源消耗目标要求进一步提高电机效率，以减少能源消耗并增加续航里程。电机的热管理被认为是实现这一目标的关键因素之一。
● 温度对电机效率的影响
研究发现，电机的温度对其效率有着显著的影响。特定操作点下，更高的温度可以提高电机的效率，因此在日常驾驶中，“温度更高更好！”通过主动控制电机的温度，可以有效提高效率。
当电机温度从60°C升至140°C时，电动汽车的效率出现了明显的差异，针对一款紧凑型电动汽车，由单电轴驱动，搭载了峰值功率为150千瓦的传动系统。研究使用了最先进的永磁同步电机（PMSM）进行模拟，电机设计采用了三角形极性形状和夹板绕组。当电机温度达到140°C时，正数（绿色）表示电机的效率明显提高，特别是在低扭矩区域。在这个区域，电机需要较少的过度励磁，减少了磁场削弱电流的需求，但也需要具备热动力学行为。
但是在高负载区域，电机的效率下降，主要原因是铜损耗增加，因此需要更好的冷却系统来维持性能。
对于日常驾驶来说，“温度更高就更好！”。在正常驾驶条件下，较高的电机温度可以提高效率。通过积极控制电机的温度，可以实现主动的热场减弱，从而进一步提高效率。这种技术特别适用于高速和轻量化设计的电机，因为它们具有更高的功率密度、更高的损耗密度和更短的热升温时间。在WLTC测试中，通过优化电机温度可以实现更高的性能和效率。
● 增加电机功率密度
提高电机的功率密度是提高电机性能的一种方法，可以通过增加电机的运行速度来实现。这也需要权衡功率密度和转速之间的关系，以确保电机的可靠性和性能。
高速电机设计是提高功率密度的有效途径，通常包括改进的气隙半径、更高的材料密度以及高效的冷却方法，可以实现更高的功率密度、更少的材料消耗和更高的效率。
● 电机的冷却概念
不同的电机冷却概念，包括直接冷却定子、直接冷却转子和定子层叠冷却。
1）电机定子外壳冷却方案具有以下特点：
2）电机定子层叠片冷却方案则有以下特点：
热阻较低
绕组、绝缘和冷却介质之间无接触
可能对电机的磁性能产生影响
钢片之间可能存在泄漏
可能导致扭矩支撑表面的损失（采用压配方式）
3）直接定子绕组冷却方案则包括以下特点：
可以直接将热量散发到热源处，非常有效地冷却绕组，为绕组提供了最高的冷却潜力
绕组、绝缘和冷却液之间有接触
可能对绝缘系统产生影响
钢片之间可能存在泄漏
这些不同的定子冷却方案各有利弊，选择合适的方案需要根据具体应用和性能需求进行权衡。
4）转子轴冷却方案包括以下特点：
使用中空轴时，附加工作量较低，易于设计实施。
在热源（磁铁、转子棒或励磁绕组）和冷却介质之间存在较长的热传递路径。
5）转子层叠片冷却方案则有以下特点：
更靠近磁铁激励源。
不与磁铁接触，利用转子孔。
钢片之间可能存在泄漏。
在磁通区域设置冷却通道。
不同通道中冷却液的供应可能不均匀，可能导致不平衡（例如，由于压力差异）。
6）直接转子激励冷却方案则包括以下特点：
可以将热量迅速散发到热源附近，具有较高的热动态响应能力。
具有挑战性的机械设计。
可能损失磁性活性材料。
冷却液的路由较为复杂。
这些不同的转子冷却方案各有其优势和限制，选择适合特定应用需求的方案需要进行综合考虑。
● 电机热建模方法
为了解决电机热管理问题，研究人员采用了多种热建模方法，包括电磁有限元分析和计算流体力学模拟。这些方法的结合可以更准确地评估电机的热特性，有助于优化冷却方案。
● 冷却对电机性能的影响
不同的冷却方法对电机性能产生了不同的影响，包括温度上升速率和功率密度，设计良好的冷却方法可以显著提高电机的持续扭矩，从而增加了电动汽车在高负载条件下的性能。
● 结论和展望
电机热管理是电动汽车技术发展的关键因素之一，制造下一代电动驱动单元所面临的新挑战，冷却剂的选择和开发，以及通过模型预测控制来优化整个热系统，以提高电动汽车的效率和性能。
电机热管理问题将继续引领电动车辆技术的发展方向。通过更高效的电机设计和创新的热管理方法，有望在未来看到更具竞争力的电动汽车，将提供更长的续航里程和更卓越的性能。
