散文精选网油冷机工作原理
前言
随着新能源汽车等应用对电机功率密度要求越来越高，工信部和发改委提出规划在2025年乘用车电机的功率密度要达到>4kW/kg，商用车转矩密度要达到>19N·m/kg，在高功率密度和高转矩密度的指标下，电机温升是最难攻克的环节，且伴随着驱动集成化的发展趋势，如今的二合一、三合一、多合一、集成式混动系统、轮毂电机这些也对系统的散热能力提出了更高的要求。水冷技术是目前的主流的散热方式，但其无法直接冷却热源，绕组处的热量需经过槽内绝缘层、电机定子才能传递至外壳被水带走，传递路径长，散热效率低，且各部件之间的配合公差更是影响了传递路径的热阻大小。
散热效率更高的油冷技术成为研究热点。油冷和水冷的优势在于，绝缘性能良好，油的沸点和凝点比水要高，使冷却液在低温下不易结冰，高温下不易沸腾。按照冷却油与定子轭部的接触形式主要分为直接油冷和间接油冷方式。直接油冷又包括浸油式和喷油式两类。浸油冷却方式，是将电机的定、转子均浸没在冷却油里进行冷却。喷油式油冷的冷却方式，是油通过油泵等装置喷到定子端部或其他发热处进行冷却。本文主要从结构方面介绍国内外厂家的油冷技术方案，供大家学习参考。
一、间接油冷：
1.1 Tesla-空心轴套（专利号：US7579725）
此专利是由Tesla 2007年申请的一种用于电动汽车驱动电机转子的冷却方法和装置。特斯拉早期的采用的是感应电机技术路线。由于电机高转速高功率的需要，转子发热量大，所以采用一种空心轴套的方法来使转子和转轴部分可以有效的散热。
如图一，驱动轴103是一根较粗的驱动轴，在105端封闭，在107端打开。空心冷却剂进油管109通过多个辐条支架111，刚性地连接到轴103上。在运行过程中，冷却剂通过从113端进入进油管109，直到流到闭合端105的内表面，冷却剂将重新沿115方向重新流回，从而冷却传动轴和所驱动的转子。其中闭合端105的内表面设计成凸出式结构701，可以有效的减小管路的压头损失。在此方案中需要两个密封圈117和113，防止冷却液泄露。
空心轴套的难点在于空心轴103和进油管109同时旋转需要他们之间刚性连接。特斯拉做了五种方案的连接支架，如下图
图三采用多个辐条201将进油管刚性耦合到驱动轴103上，而图四的辐条301是耦合在一对同心圆的圆环303和305上，再进行装配。
图五和图六分别采用的是一种环形圆孔和环形方孔的支架，这种形式可以通过控制孔径的大小和开孔位置开控制115通道内的冷却剂流量和流向。
图七采用的是连续支撑件601，它由一个连续的支撑杆组成，该支撑杆呈螺旋状的缠绕着109进油管上，并将其与103轴连接，这种设计使冷却油113到115的顺利分离，从而保证了持续稳定的冷却剂流入流出。
1.2 Tesla-空心轴套+机壳冷却（专利号：US6191511）
在Tesla2007的基础上，特斯拉在2009年做了改进。用机械离心泵代替了外置油泵，也不需要外置的散热器，并且在机壳上做了冷却流道来使定子部分充分冷却。冷却液通过定子和转子之间循环保证了良好的温度循环，也减少了温差引起的热膨胀量不同造成轴承的磨损。具体方案如下：
异步电机的空心轴11通过轴承6和7固定在在定子法兰4和法兰5上，轴上的中心孔12延伸长度覆盖到整个电枢10和前后轴承6、7，这样不仅可以冷却到转子温度还能有效的冷却轴承的发热。离心泵20固定于进油管16上，其工作原理如下图所示利用叶轮的高速转动产生离心力来抽取液体。
进油管16的外表面有螺旋肋17，同时驱动轴上也安装有2个纵向的叶片21。螺旋肋17和叶片21的配合可以产生额外的泵压，同时也有效的增大了热交换的表面积。
叶片21选用柔性的材料，可以简单的横向变形。当电机低速旋转或静止时（如图三左边所示），叶片21和螺旋肋17保持较小的间距，这样可以确保电机在转速较慢时，冷却液也能有足够的流量。当电机高速旋转（如图三右边所示），叶片21发生横向的形变，相当于减少了水和叶片21冲击面积，这样相对于刚性不会形变的叶片减少减少高速旋转下流体损耗和机械损耗。
冷却液如图一箭头所示，从进油管16流经空心轴13的通道15，再通过法兰5的环腔30流入机壳，通过机壳的散热通道流出法兰5的通道28内回到进油管，形成内部的油路循环。在整个回路中法兰5和轴承7之间安装油密封垫片32，防止漏油现象。
此发明最大亮点就在与油路完全内循环，通过机械离心泵来给油路提供动力，同时叶片的设计让电机在低转速有较大的冷却液流量输出，在高转速又平减少了甩油损失，让电机在各个部位各个状态都可以得到充分冷却，减少轴承的轴向间隙，使电机寿命大大延长。
1.3 宇通客车-机壳冷却+端部灌封（专利号：CN201720950781）
上图为宇通客车的电机油冷技术专利，该专利中的电机是于变速箱集成的，变速箱油经外油路对电机进行冷却。如图一，变速箱油从电机壳体的进油口（3）进入通过壳体油路（21），流入电机的前端盖油路（6）。其中油路（6）和轴承室（8）连通，冷却油对定子和轴承室进行冷却后，最后从后端盖（5）流回壳体（1）的出油口（4）。整个回路中，壳体油路（21）与端盖油路（6）之间的对接处设有密封圈（15），防止冷却油的外泄。如图二，电机前后端盖的端面上设有用于将定子（14）的热量传递至前后端盖（5）的导热绝缘材料——灌封胶或导热硅胶（16）
如图三、图四油路的展开图的两种方案。方案一（如图三）是以轴承室为中心，沿端盖径向辐射两条以上的油路支路，壳体油路呈轴向多通道散热。这种方案沿径向延伸的端盖油路支路加工简单。而方案二（如图四）是以轴承室为中心，螺旋向外辐射的端盖油路，这种螺旋分布的支路使油路分布更加均匀，散热也更加均匀。壳体油路呈轴向S型散热，这种散热面积更大，但加工也更为复杂。
二、直接油冷：
2.1 长城汽车-转子支架+甩油冷却（专利号：CN201620387763）
上图为长城汽车的一款电机油冷专利，此电机冷却方式（如图一）主要通过端盖（11）进油，通过转子支架（2）的转动，将油甩至转子和定子进行散热。
图三为前端盖（11），其内表面设有凸台（13），冷却油从凸台外圈的进油口流入道其内部的油道（6），并从出油口（12）流入到转子支架（2）上。
图二为电机的转子支架（2），冷却油从端盖侧流入进油槽口（28），并在槽口旁设置有安装环形密封圈的密封槽（29），冷却油通过油道（24），在转子支架的旋转作用下，冷却油受离心力的作用经内圈油孔（25），径向甩出到外油孔（26），进入外圈油道（27）并与转子（3）和定子（4）进行冷却，其中外油孔（26）、外圈油道（27）朝向各自接近的转子油道（7）倾斜，实现导向作用，将外圈油道（27）的冷却油在离心力的作用下进入平衡端板（5）上的油道（7）（如图四），在对转子（3）冷却的同时会同时冷却定子（4）的绕线端部，提升冷却效率，还能使转子受力均匀。
上述为此电机的冷却方案，其特点是在间接油冷的基础上，加入了转子支架的甩油冷却。
2.2 北京牟特科技-平衡板+甩油冷却（专利号CN208078826U）
此专利为北京牟特科技的一种油冷电机。如图一所示，其结构包括主机壳（100）、第一管路（101）、第二管路（102）、后端盖（200）、后端盖管路（201）、前端盖（300）、进油口（301）、出油口（302）。
先看主机壳（100）的截面图（如图二），冷却油从电机壳体第一管路（101）的左侧进入，并通过后端盖的油道，从右侧进入壳体上部的第二管路（102）。其中第二管路（102）上依次设有多个出孔（105）、（104）、（103），出孔连接壳体周向管路，最终冷却油通过周向管路进入储油腔（106），并从储油腔左侧连通的电机前端盖（300）上的出油孔（302）出油。其设计亮点在于1、为保证第二管路（102）中的油顺利流通，通常使管路（102）从原理后端盖的方向水平高度依次下降，且孔径（103）、（104）、（105）依次减小，这样可以保证最远端冷却位置的输入，然后再将油依次送入（104）、（103）上，实现三个出孔相对平均的出油量。2、为保证第二管路（102）的油压，第一管路（101）的内半径略大于第二管路（102）的内径。3、第一管路（101）的水平位置不高于第二管路（102）的水平直径位置，从而保证第一管路（101）的出油量。再看整体结构的剖视图（如图三），后端盖（200）纵向方向上开有后端盖油路（201），且设有后轴承座（202），其中后轴承座（202）内设置有与后端盖管路（201）相连的轴承座管路（203），油路（201）中有部分油通过油路（203）流至电机的主轴（400），通过主轴的油路，一部分从前轴承位置处的出孔（403）流出对前轴承进行冷却，一部分端板冷却出孔（401）、（402）将油送至端板（700）内部，再从端板（700）末端甩处对定子绕阻进行冷却。
如图四电机主轴（400）为空心轴，其上开有键槽（404）来安装转子。其中前轴承冷却出孔（403）为倾斜布置，位于电机主轴（400）内壁的一端相较位于电机主轴（400）外壁的另一端，更靠近电机主轴（400）的中心，在主轴（400）的离心力作用下，冷却油可以以更好的速度抛向轴承。另外冷却出孔（401）、（402）沿圆周方向均匀布置3个以上，保证甩油的均匀性。
图五平衡端板（700）是此方案设计亮点，端板上设置有端板油道（701）、端板抛油孔（702）。从轴上冷却出口（401）、（402）流出的冷却油从相对应的进油部流入端板油道（701），再抛油孔（702）甩出到绕阻端部。其中抛油孔（702）沿中心孔至远离中心孔的方向为倾斜，角度为30°~60°，这样可以使抛出的油更加顺畅，有较大的抛飞速度。油道（701）方向也可做成弧形方向（如图五右侧），其油道中心线满足渐开线方程，r为中心孔半径，这种设计也是让抛油更加顺畅，抛出的冷却油得到更大的抛飞速度。
2.3 通用-喷油环+甩油冷却(专利号:US8169110）
端部喷油最为典型的就是通用的绕组喷淋技术方案，冷却油从机壳右上端A侧进入，经过喷油环（100）。其中一部分油经过喷油环（100）流入绕阻端部，另一部分顺着机壳冷却通道A流入后端盖C通道。其中C通道的油，一部分通过后端盖的弧面设计，使油甩在绕阻端部的内表面；一部沿着E方向通过平衡端板弧形槽，把油带入下侧，实现对下侧绕阻的甩油；还有一部分油经过D和F通道，把油送入轴承室，对轴承进行冷却，以降低轴承温度减少转动损失。最终油都落入储油腔，经H通道流出，此设计的亮点在于，通过端板、端盖、喷油环的设计让电机各部件都可以冷却到，尤其是对绕阻端部内外表面都有喷油的冷却效果，大大增加了冷却的均匀性。保持电机各部件温度的一致性。
2.4 北京牟特科技-外置油路+甩油冷却（专利号CN201810168100）
上述图片为北京牟特的外置油路的油冷电机专利方案，如图一、图二所示，电机工作时，进油管（4）输入冷却油，一部分冷却油流入机壳内部的管路（11），其中管路（11）在绕阻端部上册开有径向方向的出油孔，实现绕阻端部的喷油，最终落入电机底部的储油腔（14）。另一部分冷却油通过外置油管5流入电机主轴（8）内，在主轴（8）的高速旋转的离心作用下从主轴（8）的出油孔甩出，用来冷却电机腔体内的其他零部件。转子支架（9）上设置有沿圆周方向的多个散热孔，使其于转子铁芯连通，给转子铁芯散热。
参考文献：
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[2] 专利号CN201721342611-喷嘴式油冷电机冷却系统（上汽）
[3] 专利号CN208078824U-一种外置油路的油冷电机（牟特）
[4] 专利号CN208078826U-一种平衡板及油冷电机（牟特）
[5] 专利号US6191511-Liquid CooledAsynchronous Electric Machine（Tesla）
[6] 专利号US7579725-Liquid CooledRotor Assembly（Tesla）
[7] 专利号US8169110-Oil CooledMotor/Generator For An Automotive Powertiain（通用）
[8] 专利号CN 206149098U-油冷电机和车辆（比亚迪）
[9] 专利号CN 204858880U-油冷电机的冷却系统及油冷电机（比亚迪）
[10] 专利号CN201810316566-一种油冷电机（兴轮电驱）
[11] 专利号CN201410574658-一种油冷电机冷却回路（奇瑞汽车）
[12] 专利号CN201620387763-油冷电机（长城汽车）
[13] 专利号CN204068482U-一种新型浸油式油冷电机（华域汽车）
[14] 专利号CN204425119U-用于电动汽车电机的多级混合冷却系统（上海大郡）
[15] 专利号CN206237253U-电机直冷结构（蔚来汽车）
[16] 直接喷油式永磁同步电机温度场研究_刘马林
[17] 车用油冷电机温度场分析_李东和
[18] 电机产品技术前哨-从空冷到油冷—电机冷却技术概念性认知··
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