随着2023年上海以“拥抱汽车行业新时代”为主题的车展落幕，本次车展最引人注目的莫过于新能源汽车的扁线电机的热管理系统的创新设计，其中不乏推陈出新的设计思路及构想，下文将以某一结构进行介绍。而作为2022年中国汽车市场的霸主-比亚迪汽车，自2021年第4季度放弃传统燃油车市场以来，其月销量呈线性比例爬升，已被众多国内外车企作为新能源的标杆对手对待。如图1所示。

而作为新能源汽车核心总成之一的“电驱动总成”正在以”三高一低”(高压、高速、高集成/紧凑、低成本）的设计思想影响众多企业的设计者。笔者认为紧凑性是新能源电动汽车的驱动电机的另一个重要性能要求。由于这些新能源汽车的驱动电机使用稀有金属材料：稀土与铜材料，而较小的驱动电机体积将导致材料使用率的降低。
降低驱动电机尺寸/体积的方式主要有两个方法：1.驱动电机的高速化；2.由于驱动电机输出功率是转矩与转速的乘积，转矩与驱动电机的尺寸成正比，因此通过提高转速可以在保持驱动电机输出不变的情况下减小驱动电机的尺寸。采用这种方法需要加强传动系统和转子组件结构的强化，这通常需要使用含有大量稀有金属的高强度材料。此外，传动系统的减速比增加，会导致摩擦损失增加，降低了驱动系统的整体效率。另一种方法是通过对驱动电机施加大电流来增加转矩密度和输出密度。考虑到单位面积产生的热量增加，这种方法需要更高的冷却性能。

驱动电机的冷却方式一般采用以下两种主要方法:1.乙二醇+水冷却，通过驱动电机水道冷却驱动电机的定子（由于采用热传导冷却驱动电机定子铁芯，对于线圈端部无法进行冷却）；2.润滑油强制冷却，通过润滑泵强制对需求的区域进行强制冷却（在润滑油强制系统中，线圈端部可以直接冷却，而中间部分的绕组只能通过热传导进行冷却）。这两种系统都依赖于热传导来冷却某些部位或区域，并且在减小驱动电机尺寸时需要处理单位面积热量的增加。如图2所示。

首先，为了保证驱动电机有足够的驱动功率，考虑到传动系统的减速比和摩擦平衡，假设开发的驱动电机的最大扭矩为280 Nm，最大功率为150 kW，最大转速为15000 rpm。如果冷却性能可以在现有水平的基础上翻一番，电流密度也将至少翻一番，从而使扭矩密度和输出密度至少是现有水平的1.7倍。如上所述，现有的驱动电机的体积可以减少40%。
为了提高冷却性能，使用传热式(1)减小加热元件或盘管与润滑油之间的热阻是很重要的。根据式(2)，热阻由传热面积和传热系数决定。换热系数可由式(3)用努塞尔数表示，努塞尔数是指示传热是对流还是传导的无因次量。努塞尔数与雷诺数正相关，雷诺数表示惯性力与粘性力的比值。由式(4)可知，雷诺数与流体的流速成正比。因此，可以通过提高流速来提高换热系数。基于上述，所提出的结构的目的是增加传热面积，并通过增加流速来增强传热。如图3所示。

式中：Q：排出的热量(W)R：热阻(K/W)Tcoil：线圈温度(K)TATF：ATF温度(K)A：传热面积(m2)h：换热系数(W/m^2k)Nu：努塞尔系数L：长度(m)k：导热系数(W/mK)Re:：雷诺数U：流速(m/s)v：:动粘度(m2/s)

通过CFD模拟进行热流体分析。分析模型是驱动电机定子中的单个槽的表现再现。ATF从一个线圈端流入，并通过槽内部从相反的线圈端排出。边界条件下，进口流速恒定，出口以大气释放方式排放，定子轭架和阀盖外表面热流密度设为零。为了模拟线圈的热量释放，线圈壁面的热流相当于传统冷却系统中电机产生的热量的两倍。如图4、图5所示。

此外，线圈的最高温度在ATF放电线圈端，而不是在传统系统中的槽内。通过采用密封冷却结构，使ATF直接冷却整个线圈，包括槽内的线圈，确定了线圈的最高温度位于与定子暴露的线圈端。

如图6所示。所述试件上装有供线圈通电加热的供电端子。该测试件既可以模拟传统的冷却结构，在盘管末端滴注润滑油，也可以模拟新的的密封冷却结构。采用从盘管两端盖上滴下润滑油的方法模拟了传统的冷却结构。有了它，润滑油可以通过部分打开盖子排出。密封冷却结构通过从入口供应润滑油，使其通过槽内线圈的间隙，并从出口侧排出来模拟。在槽内，传统的冷却结构由线圈、绝缘纸和清漆组成。相比之下，密封冷却结构由线圈和绝缘纸组成，不使用清漆。
在测试系统中，当线圈通电加热时，测量线圈的温度，以比较常规冷却结构和密封冷却结构。在试验条件下，两种冷却结构均采用相同的ATF温度和流量以及线圈输入功率。

图7所示，每个冷却结构在线圈加热过程中电流密度与线圈温度的关系。使用五个热电偶在线圈纵向上以相等的间隔测量线圈温度，绘制这些测量的最高温度。与传统冷却结构相比，密封冷却结构的盘管温度较低。即使电流密度是传统结构的两倍，即电机的输入功率减小到传统体积尺寸的40%，最高温度也确认低于线圈的耐热温度。在传统的冷却结构中，只有线圈的外露部分直接由ATF冷却。因此，线圈的两端直接冷却，但中间的线圈在槽是相对难以冷却。相比之下，由于密封的冷却结构可以直接用ATF冷却整个盘管，包括槽内的空间，这大大增加了传热面积，应该会提高冷却效果。在用试件进行的试验中，成功地再现了密封冷却结构的概念。

在密封冷却结构中，整个盘管浸泡在ATF中，并在整个系统中循环。为了将该结构应用于实际电机，在绝缘系统后，需要解决以下三个技术问题:

(1）将线圈和定子轭架固定在槽内；
(2）在槽内开油通道；
(3）用盖子密封线圈两端，使其油密;(2)详细密封。

图8所示，为传统电机定子槽的剖面图。线圈和定子的轭架是用绝缘纸包裹起来的首先，将使用数字来解释技术问题(1)线圈在槽内。当建议的冷却系统应用于该结构时，ATF将需要在绝缘纸和线圈之间流动，这意味着ATF将通过绝缘纸重叠的地方泄漏。在传统的电机中，槽线圈、绝缘纸和定子线圈之间的间隙都浸渍在清漆中，以固定每个部件，从而阻塞了作为拟议冷却方法所需的ATF流动路径的空间。

为解决问题而设计的结构概述，如图9所示。在新开发的绝缘纸表面涂上泡沫胶粘剂层，修改绝缘纸重叠处的密封，并在不使用清漆的情况下充分固定线圈。线圈在槽内的固定力和ATF通道均得到保证，线圈形状面向定子磁链，接触面积大，采用直边，线圈两侧空间大，采用圆角。特殊的截面形状，多个圆弧形成其角落，周围的绝缘纸与热附泡沫胶。线圈角在线圈附近形成双弧，为导体之间的ATF通道创造空间，并且直线部分在接触绝缘纸的侧面比接触相邻线圈的侧面更长，以提供与绝缘纸的广泛粘附表面积。

最后，对技术问题(3)进行说明。在传统结构中，润滑油滴注到线圈端部，因此不需要线圈端部密封。然而，在形成本文所述的密封冷却结构时，不允许润滑油从线圈端泄漏。如图10所示。为了密封这些齿，在定子的端面上放置一个树脂袖箍支撑。袖带支撑和绝缘纸之间的空隙用泡沫胶粘剂填充，以帮助确保良好的密封。密封结构是通过在线圈盖和袖带支撑之间应用o形环形成的。

图11为流量与压力损失的关系，以及电动油泵的额定输出曲线。该电动油泵的输出功率为40 W，容积效率为50%，符合汽车应用的标准。各目标流量下的压力损失均低于油泵输出曲线，证实该冷却结构可以采用典型的汽车用电动油泵供油。

考虑到传统冷却结构与密封冷却结构(包括驱动电机结构)之间的许多差异，采用了一种能够比较冷却性能的评估方法。在测试条件下，将润滑油ATF的温度和流量设置为相等，冷却量以施加功率的铜损失来评估，直到线圈温度在控制温度下达到平衡。因此，更大的铜损失意味着更高的冷却性能。图12显示了实际线圈温度和铜损耗测量的样本时间序列数据。

图13显示了冷却性能和润滑油流量之间的关系。结果证实，所提出的冷却方法的冷却性能是传统方法的两倍以上。冷却量相对于润滑油流量的增加与传统冷却方法不同。使用常规方法，冷却量相对于润滑油流量趋于饱和。据推测，这可能是由于润滑油滴在线圈末端被反射和以增加的流速分散，这意味着添加的润滑油对冷却没有贡献。同时，在所提出的冷却结构中，冷却量随润滑油流量呈线性增加的趋势。由于结构是ATF浸入式的，润滑油流量的增加应该会增加流速，从而导致传热系数的增加。在此试验中，最大冷却性能被证实是传统电机的四倍。