油冷電機方案解析（三）上篇

1 背景

隨著電動汽車不斷發(fā)展，電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度不斷提高，大家逐漸認識到了油冷電驅(qū)動的優(yōu)勢，各家主機廠都開始積極布局油冷電驅(qū)動的研發(fā)。在去年的上海車展上可以看到各種油冷的解決方案的黑科技層出不窮。針對端部噴淋方案來說總體分為兩大類：以prius為代表的油管或殼體直接噴淋（如圖1.1-1.4）；還有一種就是以tesla為代表的鐵芯內(nèi)部走油，在端部噴淋（如圖1.5-1.8）。

圖1.1奇瑞鯤鵬 圖1.2領(lǐng)克EM-P

圖1.3 本田iMMD 圖1.4廣汽鉅浪

圖1.5 博格華納 圖1.6 小鵬

圖1.7 匯川 圖1.8 廣汽埃安

此篇文章整理了幾種鐵芯內(nèi)走油的冷卻方案技術(shù)專利給大家分享一下。

2 Tesla-US11125315B2

早期Tesla油冷系統(tǒng)應(yīng)用于圓線電機，后續(xù)該技術(shù)也通過迭代優(yōu)化成功應(yīng)用于大家熟知的10層扁線電機（如圖2.1、圖2.2)。

圖2.1 Tesla圓線電機 圖2.2Tesla扁線電機

該技術(shù)方案最大的特點就是在定子鐵芯表面開有162個方形油道，與機殼過盈形成油路。并在定子兩端各設(shè)置有噴油環(huán)，對繞組端部進行噴淋冷卻。

圖2.3冷卻截面

（如圖2.3）冷卻油從殼體310的進油孔303進入定子鐵芯116的環(huán)狀凹槽200，油流從定子表面的方形油道202、203沿軸向流入鐵芯前后端部，再通過前后噴油環(huán)120、121的噴油孔315、317噴淋在繞組端部

圖2.4 密封放大圖

（如圖2.4）顯示出了噴油環(huán)和密封件的裝配關(guān)系，密封圈500通過凸起506裝配在噴油環(huán)的凹槽504中，并與殼體擠壓形成密封腔體。密封圈502裝配在噴油環(huán)凹槽508中，使冷卻油從方形油道出來后可以全部通過噴油環(huán)噴射在繞組端部，避免油泄露到氣隙中。

小結(jié)：

Tesla通過定子鐵芯軛部方形油孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了鐵芯冷卻，避免了機殼的復(fù)雜油路設(shè)計降低壓鑄成本，并通過中間進油兩端出油的方式保證了前后冷卻流量和溫度的一致性。但鐵芯的冷卻路徑較短能帶走的熱量有限。從（圖2.2）可以看出Tesla在扁線電機的方案改為了從一側(cè)進油的冷卻方式，鐵芯改為錯疊壓裝，軸向水平的流道變?yōu)镾形流道，目的就是為了增加鐵芯與冷卻液的接觸面積，提高鐵芯內(nèi)部的散熱系數(shù)。同時也可以減掉中間段進口油的外徑偏小的沖片規(guī)格，降低鐵芯開模成本。

3 Lucid-US10128701B2、US20210351641A1

Lucid電機采用的是6極72槽8層連續(xù)波繞組方案也就是我們說的Wpin，（如圖3.1、圖3.2）將繞組進行單獨編制后再嵌入定子鐵芯中，端部繞組成型無焊點一致性非常好，只有與逆變器相連接的24個引出線焊點。且端部高度非常短。（如圖3.3）我們也可以從拆解視頻中看出該油路噴淋的效果一致性極高。

圖3.1 Luicd繞組裝配

圖3.2 Lucid繞組焊點 圖3.3 Lucid端部噴淋

我們來看下該方案的具體內(nèi)容，（如圖3.4、圖3.5、圖3.6）冷卻油1101從鐵芯1103的中間段進入鐵芯內(nèi)部，再沿著冷卻通道1105和冷卻通道1109軸向流兩端。最后1109排出的冷卻劑1101穿過由疊片1205形成的冷卻通道1207，和疊片1203形成的1211噴淋在定子端部1107。該定子鐵芯通過四種不同結(jié)構(gòu)的鐵芯沖片，按照一定規(guī)律疊壓，最終形成了內(nèi)部的軸向噴油油道。從中間到端部沖片類型分別為：沖片一、沖片二、沖片三、沖片四、沖片三

圖3.4 Luicd冷卻系統(tǒng)

圖3.5 Lucid定子鐵芯圖3.6 Lucid定子沖片疊壓

（如圖3.7）第一類疊片1400為最中間段鐵芯，其鐵芯外徑小于其余類型鐵芯外徑，通過鍵槽1313形成圓周方向6個進油槽，鍵槽1313提高了整個疊片剛度的同時使定子疊片更容易組裝，且方便用于疊片的焊接。

（如圖3.8、圖3.9）第二類疊片1600為過渡段鐵芯，導(dǎo)油孔1603，使第一疊片1400的圓周方向6個進油槽相鄰之間可以相互導(dǎo)通，并通過導(dǎo)油孔1601，使靠近鐵芯外徑軛部的冷卻油引入靠近齒部的位置。

圖3.7第一類沖片 圖3.8第二類沖片



圖3.9第一、二類沖片裝配

（如圖3.10）第三類疊片300為主要導(dǎo)油段鐵芯和端面噴淋端鐵芯，冷卻液經(jīng)過第二類疊片從導(dǎo)油孔301進入鐵芯靠近齒部的位置形成軸向主油道。當然這種做法會使鐵芯的齒部磁密提前飽和，Luicd的電磁結(jié)構(gòu)上設(shè)計得很巧妙。（如圖3.11）定子為平行槽結(jié)構(gòu)，這意味著正常情況齒根比齒頂有效寬度要寬一點，通過齒部靠近根部的位置開槽使齒根和齒頂?shù)挠行挾然疽恢拢@樣就可以盡量避免對磁路造成影響。當然從圖片我們也可以發(fā)現(xiàn)該磁路設(shè)計，槽寬較小，必然導(dǎo)致銅的有效面積減小電阻增大，所以要通過靠近槽內(nèi)的鐵芯軸向冷卻，使銅線保持較低的溫度來減小電阻。

圖3.10第三類沖片 圖3.11第四類沖片

?

圖3.12第三、四類沖片裝配

（如圖3.12）第四類疊片800為過渡段鐵芯，從端部看該規(guī)格沖片只有幾片，通過導(dǎo)油孔803與第三類疊片的導(dǎo)油孔805配合構(gòu)成噴油孔807，通過減小噴油孔徑大小來使冷卻液有較高的流速從噴油孔噴出形成油柱。

小結(jié)：

Lucid電機定子采用了端部極為緊湊規(guī)整的W-PIN，可以使前后兩端繞組浸潤效果統(tǒng)一，冷卻更加均勻。更貼近槽口的冷卻通道使鐵芯內(nèi)部的繞組有更好的冷卻效果，但這也同時犧牲了一定的電磁性能，增加齒寬后減小槽寬使繞組的截面積降低,電阻值升高。如何做到冷卻性能和電磁性能相互平衡是最重要的一點。同時Lucid大膽的設(shè)計設(shè)計理念是值得我們學(xué)習的。

4 博格華納（天津）-CN113612322B、CN114337106B

（如圖4.1、圖4.2）在上海車展中大放異彩的博格華納向心冷卻系統(tǒng)，其定子鐵芯端部具有階梯型噴油結(jié)構(gòu)，并可以與開口鐵芯或閉口鐵芯進行油路匹配，在專利CN113612322B中主要介紹了開口鐵芯的方案，在專利CN114337106B中介紹了閉口鐵芯冷卻方案。

圖4.1閉口鐵芯 圖4.2開口鐵芯

（如圖4.3、圖4.4）冷卻液從進油口7進入定子中間段，并沿著定子鐵芯2的外表面冷卻通道5流通，實現(xiàn)對定子鐵芯2表面降溫，再通過第二類沖片旋轉(zhuǎn)疊壓構(gòu)成的噴油部件3，形成階梯型噴油通道4，使冷卻液可以傾斜噴射在繞組端部。并在重力作用下，冷卻液流經(jīng)下半部分定子繞組6和繞組內(nèi)表面，對定子繞組進行降溫。其噴油通道4與定子鐵芯軸線夾角α滿足0<α

圖4.3博格華納冷卻系統(tǒng) 圖4.4端部噴油口

（如圖4.5-4.8）中間段定子鐵芯通過在鐵芯外表面設(shè)置凸臺結(jié)構(gòu)來形成外表面流道5，鐵芯通過1至兩種沖片規(guī)格，分組旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)的壓裝組合，來使鐵芯外表面形成圖示中的8字形、S形、X形等流道，在實際產(chǎn)品中博格華納采用圖4.8中的方案，通過鐵芯正反面翻轉(zhuǎn)組合，形成冷卻面積較大的鐵芯流道。其中相鄰?fù)古_的夾角為相鄰兩槽夾角β的整數(shù)倍（例如48槽定子兩槽夾角為7.5°，凸臺夾角為nβ，n為正整數(shù)）

圖4.5鐵芯表面流道圖4.6鐵芯表面流道

圖4.7鐵芯表面流道圖4.8鐵芯表面流道

（如圖4.9-4.11）端部噴油部件由第二類沖片旋轉(zhuǎn)疊壓構(gòu)成，第二類沖片在靠近外徑的部位設(shè)置有距圓心不同高度的噴油孔300。相鄰沖片分別旋轉(zhuǎn)β角，使多個噴油孔40至圓心的距離依次增大，形成階梯狀的噴油通道，并把中間段鐵芯槽表面的冷卻油引入噴油孔40。

圖4.9第二類沖片圖4.10第二類沖片局部放大圖

?

圖4.11端部噴油圖

（如圖4.12-4.13）當然噴油孔可以成多組設(shè)計，可以增大冷卻油的噴淋面積。（如圖4.14）沖片旋轉(zhuǎn)疊壓并不能使每個油道形成階梯形結(jié)構(gòu)，沖片的數(shù)量和旋轉(zhuǎn)角度會導(dǎo)致有些油孔被阻擋，無法形成流道。為了避免端部可以導(dǎo)通的噴油孔數(shù)量過少，在專利CN114337106B中進行了優(yōu)化。

圖4.12第二類沖片

?

圖4.13端部噴油圖 圖4.14端部開孔示意圖

（如圖4.15、圖4.16）沖片靠近外徑端的一側(cè)均設(shè)置有第一類噴油孔200和第二類噴油孔210，第一類噴油孔200位于槽的正上方，第二類噴油孔210均位于齒的正上方。第一類和第二類噴油孔又分別有4組沿圓周排布的雙孔結(jié)構(gòu)，且每組雙孔距圓心距離依次減小。第二類油孔210的第一組油孔設(shè)置于第一類油孔200的第三、四組油孔之間。上述軸向相鄰的硅鋼片之間分別旋轉(zhuǎn)nβ角進行裝配，最終形成16組32個可以導(dǎo)通的噴油孔?？梢园l(fā)現(xiàn)只有第一類和第二類的第四組噴油孔也就是最靠近圓心的一組孔可以噴油，且在圓周方向交替布置，其他油孔均無法形成導(dǎo)通油路。

圖4.15第一、二類油孔圖4.16端部導(dǎo)通油孔

（如圖4.17）可以通過改變每組噴油孔的數(shù)量來改變流量分布。設(shè)置于電機上方的噴油孔的數(shù)量大于電機下方的噴油孔數(shù)量。電機上方的冷卻介質(zhì)會在重力的作用下流淌到電機下方對繞組進行散熱，彌補減少油孔帶來的影響。

圖4.17端部導(dǎo)通油孔

小結(jié)：

博格華納的向心油路系統(tǒng)無需油管、噴油環(huán)、密封圈等其他油路零部件，裝配簡單，能夠有效降低系統(tǒng)成本。并且利用定子外表面的凸臺結(jié)構(gòu)形成較大的散熱面積，并可以將冷卻油由層流變?yōu)橥牧?，提高了散熱系?shù)。油路開槽開孔均在鐵芯軛部位置，對電機的電磁性能影響較小。冷卻采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷卻油對鐵芯進行冷卻后全部噴淋到繞組端部，冷卻流量相比油管并聯(lián)噴淋方式需要的冷卻流量更小。當然該冷卻系統(tǒng)需要在定子外圈增加數(shù)量較多的小孔，來保證形成可以流通的梯形通道，這可能導(dǎo)致定子在滴漆時油孔被浸漬漆堵住。（未完待續(xù)）