常九健，王 晨，鄭昕昕，方建平，王曉林，康 鵬

（1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與工程技術(shù)研究院，合肥230000；2.寧波菲仕運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有限公司，寧波315000）

前言

近些年，隨著各種高性能電機(jī)材料的迅速發(fā)展和工藝水平的不斷進(jìn)步，許多新電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才得以實(shí)現(xiàn)［1-3］。在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，軸向磁通電機(jī)軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，適合輪轂驅(qū)動(dòng)這種對(duì)軸向空間要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，尤其是軸向磁通分塊鐵心無磁軛電機(jī)（the yokeless and segmented armature axial flux machine，YASA）。該種電機(jī)不存在定子磁軛，電機(jī)整體質(zhì)量和鐵耗進(jìn)一步降低，電機(jī)采用集中式短距繞組，可有效提高定子槽滿率，降低電機(jī)銅耗，提高電機(jī)效率［4-6］。

YASA輪轂電機(jī)定子鐵心為獨(dú)立的單元，定位難度大，易導(dǎo)致氣隙不均，并且難以集成冷卻系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)散熱提出一定的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［7］中研制的YASA自然冷卻電機(jī)，電機(jī)外殼上伸出翅片，通過翅片將繞組熱量傳導(dǎo)到外殼進(jìn)行散熱。該種結(jié)構(gòu)既可以對(duì)定子單元進(jìn)行軸向定位，又可以對(duì)定子進(jìn)行有效散熱，但是自然冷卻電機(jī)功率密度低，并不適用于車用輪轂驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)［8］中采用多路銅管并聯(lián)的方式作為冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)繞組背部進(jìn)行冷卻，但是冷卻銅管和繞組之間接觸面積小，冷卻效率低。

本文中針對(duì)現(xiàn)有YASA輪轂電機(jī)傳熱效率低的問題提出一種新型冷卻系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是在液冷殼體上伸出翅片，翅片上開有U型水道，YASA電機(jī)繞組直接和翅片貼合，繞組上產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到翅片上，再通過翅片內(nèi)部液冷管道中液體將熱量帶走從而達(dá)到散熱目的。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)和本項(xiàng)目提出的新型冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 YASA電機(jī)冷卻系統(tǒng)

但是該YASA電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)復(fù)雜，暴露于變化磁場(chǎng)中的金屬冷卻系統(tǒng)部件會(huì)產(chǎn)生額外的渦流損耗。文獻(xiàn)［9］~文獻(xiàn)［11］中采用二維有限元方法分別對(duì)不同類型的軸向磁通電機(jī)進(jìn)行分析，探究其內(nèi)部磁場(chǎng)，驗(yàn)證了2D?FEM方法的有效性。文獻(xiàn)［12］中對(duì)渦流損耗進(jìn)行了研究，建立了三維解析模型，并與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其方法的可行性；文獻(xiàn)［13］中對(duì)大型雙屏蔽感應(yīng)電機(jī)中端部金屬件渦流損耗進(jìn)行了研究，并通過切斷渦流路徑來降低渦流損耗；文獻(xiàn)［14］中對(duì)大容量汽輪發(fā)電機(jī)的鐵心端部漏磁導(dǎo)致的金屬結(jié)構(gòu)渦流損耗進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［15］中針對(duì)大型同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)壓圈渦流損耗大的問題，提出一種新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［16］中通過分段方法對(duì)軸向磁通電機(jī)永磁體損耗進(jìn)行優(yōu)化。但是對(duì)于新型YASA電機(jī)冷卻部件渦流損耗并沒有相關(guān)的研究。

本文中首先對(duì)定子無軛盤式電機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模；然后分析該冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生損耗的主要因素，通過建立有限元2D等效模型加以驗(yàn)證；根據(jù)渦流損耗產(chǎn)生機(jī)理，分別從降低翅片所處位置磁場(chǎng)大小與增大翅片電渦流環(huán)路電阻角度出發(fā)，分別優(yōu)化了分塊定子鐵心端部長度、翅片高度以及翅片開槽數(shù)，在保證傳熱效率的前提下，盡可能降低翅片渦流損耗，提高電機(jī)效率。最后，通過對(duì)優(yōu)化前后的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)了該優(yōu)化方案的可行性。

1 YASA輪轂電機(jī)的建模

軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣，其中YASA電機(jī)有功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。本文所研究的電機(jī)為一臺(tái)額定功率為30 kW、2極18槽雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁通電機(jī)，如圖2所示。該電機(jī)用于電動(dòng)汽車輪內(nèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 改進(jìn)前YASA電機(jī)參數(shù)

圖2 YASA電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

YASA電機(jī)對(duì)于對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都有一定的要求，如何更好地固定各鐵心模塊又能保證良好的散熱性能是YASA電機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。針對(duì)以上要求，本文中介紹了一種用于固定定子單元并起散熱作用的水冷殼體，如圖3所示。水冷殼體內(nèi)壁上設(shè)有若干個(gè)翅片，繞組纏繞在定子鐵心上并嵌在水冷殼體內(nèi)壁上相鄰的翅片之間，由環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封，如圖4所示。殼體翅片內(nèi)部布有水道，定子熱量由翅片通過冷卻液帶出。

圖3 水冷殼體

圖4 電機(jī)定子實(shí)物圖

由于需要考慮散熱、加工、機(jī)械強(qiáng)度和輕量化，選擇鋁合金作為水冷殼體材料。鋁合金AL6061?T6相關(guān)性能見表2。

表2 AL6061?T6相關(guān)物理參數(shù)

2 水冷殼體渦流損耗產(chǎn)生原因分析

2.1 渦流損耗仿真

本文中以電機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min 、電流120 A進(jìn)行仿真。圖5為通過三維有限元分析得出的電機(jī)水冷殼體上的損耗分布。由圖可知，殼體損耗主要分布在翅片上，外殼只有少量損耗。翅片軸向兩端損耗大，且主要集中在兩端的某一側(cè)，最大單位體積損耗可高達(dá)1.0×108W/m3。從圖6可以看出，水冷殼體總渦流損耗高達(dá)1 105 W。

圖5 水冷外殼渦流損耗分布

圖6 水冷殼體渦流損耗曲線

2.2 翅片渦流損耗產(chǎn)生原因分析

有限元分析（FEA）中計(jì)算某一構(gòu)件的渦流損耗所采用的算法為

式中：Pe為渦流損耗；σ為材料電導(dǎo)率；V為構(gòu)件的體積；J為渦流密度。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，水冷殼體渦流損耗主要產(chǎn)生于各翅片上。由于軸向磁通電機(jī)不同徑向截面磁密變化規(guī)律相似，為了解電機(jī)磁力線走向，取電機(jī)平均半徑處將其展開，并添加激勵(lì)，進(jìn)行二維有限元分析，得到磁力線分布。圖7為電機(jī)平均半徑處等效展開為二維直線電機(jī)進(jìn)行仿真得到的磁力線圖。

圖7 電機(jī)平均半徑處磁力線分布

定子鐵心是由一種各向同性的軟磁復(fù)合材料（SMC）制成的。磁通在電機(jī)內(nèi)部可沿不同方向通過定子。圖7和圖8分別顯示為3種不同磁力線穿過翅片的仿真圖與示意圖。標(biāo)記1處，由永磁體進(jìn)入定子鐵心的部分主磁通由于永磁體進(jìn)入定子鐵心的這段磁路磁阻較大，呈現(xiàn)一定的發(fā)散性；標(biāo)記2處為齒間漏磁，磁力線直接由定子鐵心穿過翅片直接進(jìn)入相鄰鐵心；標(biāo)記3處為極間漏磁，磁力線由永磁體N極出發(fā)穿過翅片進(jìn)入相鄰永磁體S極。

圖8 穿過翅片的3種不同磁力線示意圖

在3種不同磁通中，標(biāo)記1磁通對(duì)渦流損耗起了主要作用，齒間漏磁與極間漏磁相對(duì)較少。由于一些磁通發(fā)散式地進(jìn)入定子鐵心，從而導(dǎo)致翅片端部處于較大磁場(chǎng)中，翅片軸向兩端渦流損耗大，且集中在兩端的某一側(cè)，如圖9所示。

圖9 翅片處磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

3 翅片渦流損耗優(yōu)化

3.1 定子齒形優(yōu)化

伸出的定子鐵心端部長度在一定程度上有聚磁作用，可以將由永磁體發(fā)出的磁力線通過鐵心端部伸出部分再進(jìn)入定子鐵心，從而將各磁力線收攏，減小翅片端部磁場(chǎng)強(qiáng)度，增大與繞組匝鏈的磁通量，如圖10所示。但是伸出部分過長可能會(huì)導(dǎo)致極間漏磁與齒間漏磁加劇，從而影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。

圖10 有無槽楔時(shí)磁力線分布

圖11為定子齒形示意圖，對(duì)端部伸出長度L進(jìn)行優(yōu)化分析。從圖12可以看出，隨著端部伸出長度增加，翅片渦流損耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最低可降為852 W；但是，由于鐵心端部伸出長度與電機(jī)漏磁有相關(guān)性，過長可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)齒間漏磁、齒頂漏磁加劇，過短則會(huì)減少與繞組匝鏈的磁通量，均會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出；為了保證轉(zhuǎn)矩輸出盡可能大、翅片渦流損耗較小，綜合考慮，鐵心端部伸出長度選擇5 mm，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大，又保證了相對(duì)較小的渦流損耗（955 W）。

圖11 定子鐵心截面示意圖

圖12 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、翅片渦流損耗隨槽楔伸出長度變化

3.2 電磁熱耦合—優(yōu)化翅片高度

3.2.1 電磁分析

翅片軸向端面越接近永磁體，該端面所處變化磁場(chǎng)幅值越大，產(chǎn)生渦流損耗越大。圖13所示為翅片示意圖，考慮實(shí)際情況，為了不影響翅片中水道的布置，將翅片的高度從39.6降到27.6 mm進(jìn)行優(yōu)化（可加工的最小高度）。

圖13 翅片示意圖

圖14為不同高度下冷卻殼體損耗分布圖。翅片高度與損耗之間的關(guān)系如圖15所示?？梢缘贸?，渦流損耗隨翅片高度呈指數(shù)增長，當(dāng)翅片高度降至27.6 mm時(shí)，損耗僅為330 W，是原始損耗的29.9%。

圖14 翅片不同軸向高度下對(duì)應(yīng)的渦流損耗云圖

圖15 翅片軸向切除高度與渦流損耗的關(guān)系

3.2.2 磁熱耦合

降低翅片的高度可以提高電機(jī)的效率，但同時(shí)也減小了繞組與翅片之間的散熱面積，限制了電機(jī)的輸出功率。除翅片外，電機(jī)的主要熱源來自定子鐵心和繞組，翅片對(duì)電機(jī)的散熱起著重要的作用。為了降低電機(jī)內(nèi)部溫度，提高電機(jī)的輸出功率，必須綜合考慮電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)，優(yōu)化翅片的高度。

本文對(duì)電機(jī)進(jìn)行流體和熱分析。由于定子槽內(nèi)包括銅線、槽絕緣、導(dǎo)線漆膜、環(huán)氧樹脂等，需要采用等效材料法進(jìn)行建模。等效過程如圖16所示，首先計(jì)算槽內(nèi)各材料在同一截面所占面積，根據(jù)面積大小等效為等高不等寬的矩形；根據(jù)等效原理最終將不規(guī)則多種材料替換成一種材料。

圖16 定子槽內(nèi)結(jié)構(gòu)等效步驟圖

等效材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和質(zhì)量密度可通過以下公式計(jì)算。

式中：λi、δi、ci、ρi、Vi為槽內(nèi)每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、等效厚度、比熱容、質(zhì)量密度和體積。槽內(nèi)材料等效厚度與導(dǎo)熱系數(shù)見表3。槽內(nèi)材料等效后，F(xiàn)luent軟件中電機(jī)模型的部件材料與導(dǎo)熱系數(shù)在表4中列出。

表3 槽內(nèi)材料等效厚度與導(dǎo)熱系數(shù)

表4 CFD模擬中使用的材料與導(dǎo)熱系數(shù)

設(shè)置電機(jī)仿真參數(shù)如下：

（1）保證電機(jī)其他參數(shù)不變，只改變翅片高度；

（2）進(jìn)水溫度為27°C，進(jìn)水口流量為8 L/min；

（3）假設(shè)除翅片渦流損耗外，其他損耗不隨翅片高度變化而變化，其值為4 000 r·min-1、120 A工況下Maxwell軟件仿真得到（不考慮空氣摩擦損失和其他額外損失），見表5。

表5 4 000 r·min-1、120 A工況下電機(jī)其他損耗

翅片不同高度時(shí)定子溫度分布如圖17所示，定子最高溫度、效率與翅片長度的關(guān)系如圖18所示。結(jié)果表明，隨著翅片高度增加，翅片的渦流損耗增大，電機(jī)效率降低；同時(shí)，翅片與繞組之間的接觸面積也相應(yīng)減小，電機(jī)最高溫度呈現(xiàn)先降低再升高。優(yōu)化前，翅片高度為39.6 mm，此時(shí)定子最高溫度為107.5°C；翅片高度降至33.6 mm時(shí)，溫度為106.1°C，雖然比最低溫度高出0.3 °C，但是損耗卻降低了110 W，效率得到了較大的提升，因此以h=33.6 mm為優(yōu)化后高度，此時(shí)電機(jī)最高溫度為106.1°C，翅片渦流損耗為573 W，電機(jī)效率為93.2%。需要指出的是，從圖中可以看出，翅片高度減小過多，可能會(huì)對(duì)電機(jī)散熱產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖17 不同翅片高度下電機(jī)定子溫度場(chǎng)對(duì)比

圖18 翅片不同切除高度與定子最高溫度、效率的關(guān)系

3.3 渦流損耗優(yōu)化—翅片開槽

從磁熱耦合優(yōu)化后的結(jié)果看，翅片渦流損耗在電機(jī)總損耗中仍然占據(jù)著較大的比重，還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。為了盡可能不改變翅片散熱面積，通過增大電渦流環(huán)路電阻來降低渦流損耗。圖19所示的是通過分段來降低渦流損耗的原理圖，計(jì)算公式如式（5）所示。

圖19 未開槽與開一個(gè)槽等效電阻

利用該原理在翅片兩端開槽。當(dāng)然開槽越深對(duì)減損越有利，由于翅片內(nèi)布有水道，為了保證一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加工時(shí)出現(xiàn)的誤差，槽底需離水道至少2 mm，故設(shè)開槽深度為5 mm。渦流損耗隨開槽數(shù)目變化曲線如圖20所示。

圖20 翅片渦流損耗隨開槽數(shù)變化

從圖中可以看出，翅片開槽對(duì)降低渦流損耗有顯著效果，開1個(gè)槽相較于不開槽降損效果最為明顯，而隨著開槽數(shù)變多，雖然渦流損耗也有所降低，但是降損效果越來越不明顯。開槽數(shù)量增加對(duì)降損意義不大，反而會(huì)增加加工難度，另外開槽過多，減少的散熱面積也變得不可忽略，所以開3、4個(gè)槽較好。該電機(jī)翅片最終以3槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，渦流損耗降至362 W。

通過以上3種角度優(yōu)化，電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的渦流損耗從1 105降至362 W，為原來的32.7%，提高了電機(jī)的工作效率，同時(shí)也保證了較好地散熱性能。

4 樣機(jī)測(cè)試

為驗(yàn)證改進(jìn)方法的合理性，對(duì)優(yōu)化后的輪轂電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，如圖21和圖22所示。測(cè)試時(shí)，冷卻水為清水加防凍劑，進(jìn)水口溫度為25°C。保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩為60 N·m不變，采用id=0控制，對(duì)比優(yōu)化前后電機(jī)轉(zhuǎn)速由500~4 000 r/min（未經(jīng)過減速器）時(shí)的效率變化，見表6。

圖21 優(yōu)化前后電機(jī)實(shí)物圖

圖22 輪轂電機(jī)測(cè)試圖

從表6可以得出，當(dāng)翅片未優(yōu)化時(shí)，電機(jī)效率比優(yōu)化后低，且隨著轉(zhuǎn)速增大，兩者差距也越來越大，這是由于未優(yōu)化的翅片隨著轉(zhuǎn)速增大，渦流損耗呈二次方急劇升高。優(yōu)化后的電機(jī)效率有較大提高，測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)。

表6 輪轂電機(jī)優(yōu)化前后的效率

YASA電機(jī)優(yōu)化前后峰值功率與功率密度的變化情況如表7所示，優(yōu)化前的冷卻水套，由于渦流損耗隨轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速增大而急劇增大，溫升嚴(yán)重影響了電機(jī)功率輸出。優(yōu)化后電機(jī)溫度降低，從而可以加載更高的電流，因此電機(jī)可以輸出更高的功率。

表7 輪轂電機(jī)優(yōu)化前后峰值功率與功率密度

5 結(jié)論

本文中介紹了一種用于YASA電機(jī)的直接冷卻系統(tǒng)，分析了冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生渦流損耗的原因，通過優(yōu)化槽楔長度以降低翅片端部位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度；通過磁熱耦合優(yōu)化翅片高度，在保證電機(jī)良好散熱前提下降低翅片渦流損耗；以及在翅片端部開槽，用來增大等效電阻，進(jìn)而降低損耗。實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的電機(jī)效率有較大程度的提升，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，優(yōu)化效果更加明顯。