一、基本概述

目前主流驅動電機的冷卻，按照冷卻液來劃分：

1、基本是水冷（水50%+乙二醇），主要應用於純電驅動系統比較多，比如：純電乘用車，純電商用車，大巴車等等。

2、另外一種冷卻方式是油冷，主要是在混動系統，典型應用是與變速器集成，利用相同的冷卻油ATF，由油泵驅動油體流動，分別冷區繞組線圈，轉子磁鋼，軸承；同時冷卻齒輪系統；而控制器的冷卻分為幾種方式，可以油冷，更多的是水冷，采用油水分離系統，單獨冷卻。驅動視界有很多文章介紹這些方面的知識要點，請查閱。

3、這裡主要是介紹水冷驅動電機，以水冷為主介紹電機結構，冷卻系統結構，優勢，劣勢對比分析。

二、電機分類

• 水冷驅動電機按照電機類型分為：

1、水冷永磁驅動電機

可以說是主流之中的主流，特別是BYD，全部是永磁電機，特斯拉既有永磁電機也有異步電機，充分利用永磁電機與異步電機的組合輸出性能的多樣性組合策略，比如蔚來ES6也是永磁電機+異步電機的組合策略。歐洲各大車企策略不同，保時捷Taycan與寶馬I3，I5，I8等等青睞永磁電機。BMW I3圖片展示，冷卻螺旋水道結構。

2、水冷異步驅動電機

奔馳EQC與奧迪Etron采用水冷異步電機，上面提及到瞭有些車企采用異步電機+永磁電機組合式策略，無論怎麼講，根本還是考慮整車的控制策略，驅動性能在各個路況上的要求，整車能耗的分佈計算，從而考慮續航裡程一定前提下的經濟性需求，必定電池成本比重短期內很難攻克。特斯拉model S異步感應電機圖片。

• 按照電機定子繞組分類：

1、圓線分佈定子繞組

水冷電機的多數設計都是這樣。Nissan Leaf電機圓線水冷電機展示圖

2、扁線分佈定子繞組

保時捷Taycan就是每槽4層導體數的扁線永磁電機，普通水冷結構的設計，除瞭品牌效應，電機沒有新意的體現，唯一體現就是扁線設計采用水冷，而不是一般的扁線電機油冷系統設計。

三、電機結構組成

水冷電機基本結構組成介紹，下圖是奧迪Etron驅動系統，按照此圖說明水冷驅動系統結構構成。這是典型案例，有代表性。

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驅動系統包括電機IM，電控MCU，減速器三大組件。我們重點關註電機的組成結構，如下圖。

• 前驅動鋁蓋，後驅動端蓋，這裡集成瞭冷卻水道系統。
• 定子總成組件，包括三相繞組，槽絕緣，定子鐵心，絕緣漆等等。
• 轉子總成組件，包括空心軸（水冷系統），轉子鐵芯，鼠籠鋁導條。
• 軸承，前後2個。
• 旋變器定子，轉子。
• 溫度傳感器。
• 密封件，防水系統。

多數水冷驅動電機結構基本類似，大同小異，隻是各公司設計結構的形狀尺寸不同。

四、電機電磁設計

水冷驅動電機設計，電磁設計是基本的客戶技術要求：

a)客戶的關切內容：性能，成本，NVH，可靠性，安全性等等

b)電磁設計核心要素

c)電磁設計優化結果的驗證

根據客戶相同的技術要求，母線電壓336VDC，控制器最大電流一致前提下，設計三款電機“水冷扁線電機，水冷圓線電機。水冷異步電機”，進行對比優劣分析。

	扁線永磁電機	圓線永磁電機	圓線異步電機
鐵芯有效長度（mm）	172	150	150
有效長度+端部(mm)	232	232	232
定子鐵心外徑（mm）	205	220	254
定子銅重（kg）	7.1	7.32	5.53
定子矽鋼重（kg）	17.5	16.1	28.77
轉子矽鋼重（kg）	12.89	13.02	15.48
永磁體重（kg）	2.5	2.51	0
轉子銅（kg）	0	0	9.57
總重（kg）	40	38.9	59.35
槽極比	S48/8P	S48/8P	S60/74bar/4p
冷卻	水冷套定子	水冷套定子	水冷套定子與軸

扁線設計繞組與圓線設計繞組示意圖

扁線永磁電機與圓線永磁電機水冷示意圖

異步感應電機水冷示意圖

根據客戶相同的技術要求，母線電壓336VDC，控制器最大電流一致前提下，對比水冷扁線電機，水冷圓線電機。水冷異步電機的輸出性能區別：

1、峰值扭矩對比曲線，如圖，

低速區域：異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機

高速區域：扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機

2、峰值功率對比，如圖

低速區域：異步感應電機近似等於圓線永磁電機，扁線永磁電機略低

高速區域：扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機，感應電機衰減趨勢嚴重。

3、連續功率對比，在如下假設條件下對比：

a)永磁電機定子繞組溫度180度，磁鋼溫度160度，

b)異步感應電機，定子繞組溫度180度，轉子銅溫度220度。

通過“扭矩-轉速曲線”可以瞭解：

（1）低速區域：扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機，如果連續扭矩對比峰值扭矩，感應電機衰減趨勢嚴重；扁線永磁電機連續扭矩衰減幅度最小。

（2）高速區域：異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機，如果連續扭矩對比峰值扭矩，扁線永磁電機衰減趨勢嚴重；異步感應電機連續扭矩衰減幅度最小。

通過“功率-轉速曲線”可以瞭解：

（1）低速區域：扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機，如果連續功率對比峰值功率，感應電機衰減趨勢嚴重；圓線永磁電機連續功率衰減幅度最小。

（2）高速區域：異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機，如果連續功率對比峰值功率，感應電機衰減趨勢最小；扁線永磁電機連續功率衰減幅度最大。

通過以上對比，我們總結一下，匯總成表格：*越多代表越有優勢

	扁線永磁電機	圓線永磁電機	圓線異步電機
峰值扭矩（低速區域）	*	**	***
連續扭矩（低速區域）	***	**	*
峰值扭矩（高速區域）	***	**	*
連續扭矩（高速區域）	*	**	***
峰值功率（低速區域）	*	**	***
連續功率（低速區域）	***	**	*
峰值功率（高速區域）	***	**	*
連續功率（高速區域）	*	**	***

簡單講：異步電機在高速區域的連續輸出扭矩與功率方面在優勢。而永磁電機在低速區域的連續輸出扭矩與功率在優勢。

原因分析：扁線電機，極數8多於異步電機4極，高速區頻率高，造成鐵損增加。另外，高速區AC銅損耗大於異步圓線電機，這樣，造成瞭高速區異步電機優勢。所以目前蔚來、特斯拉的永磁電機+異步電機組合形式，是比較合理的組合，根據上面表格，車載VCU與電機控制器MCU可以根據工況（如下圖）制定不同的電機組合，提高綜合效率，在蓄電池容量一定條件下延長續航裡程。

最後，再次強調，電機設計沒有最好，隻有最適合最優化的解，任何電機設計方案都是折中取優的結果。

五、冷卻系統設計

先說一下冷卻系統的意義，就是在峰值功率和扭矩一定前提下，如何通過冷卻系統的效率提高連續扭矩與連續功率，降低熱損耗，提高系統綜合效率，這是為什麼冷卻系統設計非常重要的意義。

下面圖示，展示瞭，峰值性能曲線，連續性能曲線，在其中間的部分就是熱損耗浪費的能量的部分，也即是我們可以通過提高散熱能力提高連續性能的部分。

水冷驅動電機強調的是水冷系統，所以，我們重點討論水冷的相關結構，設計趨勢。

1、水道設計結構，常見類型，軸向式，圓周式，螺旋式。半螺旋式。

2、不同結構類型性能參數對比。紅色最差，藍色最佳。

水道結構	圓周	全螺旋	半螺旋	軸向
計算傳熱接觸面積（m^2）	1.722	1.623	1.637	1.713
平均熱傳遞系數（W/m^2.K）	2878.3	2736.27	2797.6	3101

3、進出口水壓比較,軸向式壓力最大，螺旋式最小

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4、軸向水道數量的選擇，一般是冷卻水道數目多，效果越明顯，但是，流阻增加，進出水管的壓差加大，也會增加水道內部損耗。需要綜合平衡。

5、一般螺旋形水道，4-6個效果較好。當然需要流體熱學仿真驗證。

6、典型水道設計案例。

（1）Nissan Leaf。上市較早電動車型，也是經典案例。螺旋式水道。

電機采用48槽8極，圓線分佈繞組，鋁殼與定子鐵芯熱套工藝。3個水道連續螺旋設計結構。

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模擬仿真結果：最高溫度在繞組端部143度，磁鋼溫度120度。

不同負載功率情況下，模擬繞組溫度，80kW運行1h，140度。

（2）特斯拉 Model S，冷卻系統分析。

轉子軸冷卻，有利於軸承散熱，轉子銅導體散熱。

模擬仿真結果

（3）奧迪 E-tron 非常復雜，設計很有特點並且效果明顯。

水道路線：控制器MCU->空心軸->後軸承->定子繞組->前軸承->水出口，右側圖展示瞭水流向，根據顏色冷熱就可以追蹤出水流方向。

兩臺電機的冷卻流道並聯。

進水口→控制器→轉子軸→後軸承座→定子→前軸座→進水口

下左側圖展示瞭水流進入空心軸過程，下右側視圖展示水流出空心軸過程。

下圖是熱分析結果。可以看見空心軸內溫度很低，最高溫度在繞組端部和轉子鼠籠鋁條部分。軸承位置溫度很低，延長瞭軸承壽命與可靠性。

六、電機試驗驗證

可以參考國傢標準：

GB/T 18488.1-2015 電動汽車用驅動電機系統 第1部分-技術條件

GB/T 18488.2-2015 電動汽車用驅動電機系統 第2部分-試驗方法

GB/T 36282-2018 電動汽車用驅動電機系統電磁兼容性要求和試驗方法

GB/T 18386-2005-電動汽車能量消耗率和續駛裡程試驗方法

GB/T 29307-2012 電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法

最重要的根據客戶的技術要求規范，目前每個公司標準都不相同，在產品開發時，第一時間就是研究透徹客戶的技術要求，DV/PV標準。

這裡列舉瞭幾項常規測試項目，並沒有陳述具體的要求，試驗方法，試驗設備，設備精度，合格判斷標準，隻是單純讓我們瞭解會有這些項目，或者更多測試項目。

1) 高溫試驗

2) 低溫試驗

3) 超速試驗：1.2倍最高速，2mins

4) 振動試驗，隨機振動，定頻振動。

5) 濕熱試驗

6) 溫度沖擊

7) IP67防護試驗

8) 高溫高速振動，綜合耐久試驗

9) 鹽霧試驗

10) 壽命試驗

11) 耐油，化學液體試驗。

12) 路試試驗（與客戶一起）