轮毂电机是怎么工作的,有什么好处
江从喜 赵兰萍 杜旭之 杨志刚
摘要： 为提高电动车轮毂电机散热性能，在整车环境下采用CFD数值计算方法，对不同车速下轮毂电机的散热性能进行数值计算并分析；研究加装散热翅片对轮毂电机散热性能的影响，得到轮毂电机的温度场、空气质量流量、外流场和表面对流传热系数.结果表明：电机的最高温度位于定子上，外表面最高温度区域分布在电机的侧面外壳上；在电机侧面外壳上加装散热翅片可以对电机起到较好的降温效果，当翅片长度方向与电机轴中心线成30°夹角时，更加有利于电机的散热.
关键词： 翅片； 轮毂电机； 散热性能； 定子； 电机外壳； CFD
中图分类号： U467.1文献标志码： B
Abstract： To improve the dissipation performance of the inwheel motor of electric vehicle， the numerical calculation method of CFD is used under whole vehicle condition to calculate and analyze the dissipation performance of inwheel motor under different velocities； the dissipation performance of inwheel motor installed with fins is studied， and the temperature field， air mass flow， outer flow field and surface convective heat transfer coefficient are obtained. The result shows that， the maximum temperature of the motor occurs on the stator， and the maximum temperature zone locates on the outer surface of the side of the motor housing； the fins are installed on the side of motor housing and can play a better cooling effect on motor temperature decrease， and fin is more conducive to decease the temperature of motor when it is in the length direction of 30° with motor shaft centerline.
Key words： fin； inwheel motor； cooling performance； stator； motor housing； CFD
收稿日期： 2015[KG*9〗05[KG*9〗19修回日期： 2015[KG*9〗07[KG*9〗02
基金项目： 国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）（2011CB711203）；上海市科学技术委员会重点实验室计划（11DZ2260400）
作者简介： 江从喜（1991—），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为汽车热管理等，（Email）0410congxijiang@tongji.edu.cn；0引言
轮毂电机电动汽车具有驱动传动链短、传动高效、结构紧凑等优点，成为电动汽车发展的重要方向.[1]该类电动汽车的最大特点是将动力装置、传动装置和制动装置整合到轮毂内.由于轮毂电机和车轮一同旋转，且紧靠制动器，所以其自身系统的紧凑性会给电机带来温升过高等一系列的散热问题，尤其是在电机仅依靠车轮周围的流场进行风冷散热时，散热问题更加突出.轮毂电机的温升必须控制在相应的温度范围内，才能使得电动汽车安全、高效地运行.
国际上对电机散热分析的研究越来越多.HONG等[2]利用CFD对某内转子单电机进行热分析，所得结果与试验值误差在±5 ℃之内，说明CFD在分析电机散热时具有一定准确性.KIMOTHO等[3]利用CFD对无刷直流内转子单电机进行散热分析，所得结果表明在电机外壳加装散热翅片可使电机的最高温升下降15%.KIM等[4]利用CFD对某内转子电机进行单电机的热性能研究，研究表明在电机外壳增加散热槽可使电机外壳的最高温度降低4.8 ℃.
通过在电机外壳添加散热翅片或散热槽可以使内转子电机达到较好的降温效果，但是针对外转子轮毂电机的散热降温问题研究却很少，而且仅停留在单电机研究平台上，没有结合电动车整车工况进行计算分析.针对这一问题，本文充分考虑电动车的整车环境，研究散热翅片对外转子轮毂电机散热性能的影响，对轮毂电机散热优化方案设计提供参考.
1轮毂电机散热性能影响因素分析
轮毂电机与空气的对流换热是电机散热的主要方式.根据牛顿冷却公式Q=hSΔT可知，当电机表面与外界环境的温度差ΔT保持不变时，其主要的散热影响因素是表面对流传热系数h和电机的表面面积S.[5]h的大小取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小和布置，而且还与气流流速密切相关[6]；S主要受电机表面形状的影响.在电机表面形状变化的影响下，通过观察电机温度场变化、空气质量流量变化、外流场变化和表面对流传热系数的变化，可以得知在电机表面形状变化作用下的电机散热性能.
2数值计算
2.1整车计算模型和计算域
本文研究的电动汽车整备质量为1 600 kg，最高设计车速为130 km/h，每个车轮上均装有绝缘等级为H级的轮毂电机，其模型见图1.整车的面网格和体网格分别由HyperMesh和Tgrid软件生成，见图2.由于电动汽车的轮边驱动系统结构复杂，且空间狭小，所以采用非结构化的四面体网格.[1]计算域长为12倍车长，宽为7倍车宽，高为5倍车高，见图3.体网格总数约为1 600万个.
2.2参数设置和计算
在汽车行驶过程中，轮毂电机是电动汽车的主要热源，电机工作时所产生的损耗都转变为热能，从而使电机的温度升高.由图4可得知电机的热源.
采用FLUENT进行计算求解.湍流模型选用高雷诺数的两方程可实现kε模型，壁面区采用标准壁面函数[7]，离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法.将散热器和冷凝器都设置为多孔介质边界条件，风扇设置采用多参考坐标系方法.车轮和轮毂电机设置为旋转壁面条件，地面采用移动壁面边界条件[89]，其他固体壁面均设为光滑、无滑移、不可穿透的壁面.入口边界条件为30 m/s的速度入口，出口边界条件为压力出口.[10]考虑流固耦合传热，计算分析的环境温度设为318 K.在FLUENT中设置电机各部分材料物理性质后，采用流场和温度场耦合的方式进行计算.迭代过程先采用1阶迎风格式迭代2 000步，然后调至2阶迎风格式继续迭代，从而保证数值计算的稳定性和残差精度，共计迭代10 000步.
3数值计算结果和分析
3.1不同车速工况下电机温度变化
电动汽车在以不同的车速匀速行驶情况下，电机所产生的损耗不同.随着车速的增加，损耗逐渐增大，电机产生的热量也逐渐增加.当电机的损耗和电机周围的风速有所不同时，电机产生的热量对其各个组成部分的影响也不同，从而导致电机温升有所不同，并最终影响电机的性能.为此，对不同匀速工况下电机各部分达到稳态时的最高温度进行分析.
通过热流场计算，得到不同车速匀速工况下电机各部分达到稳态时的最高温度，见图5.
由图5可知：电机各部分的最高温度随着车速的增加而增高；最高温度区域位于电机内部的定子上；外表面的最高温度分布在电机的侧面外壳上.由于定子绕组产生铜损，定子铁心产生铁损，使得定子成为轮毂电机温度最高的地方.在车速130 km/h时，定子最高温度达到448.67 K.电机侧面外壳由于最接近热源，所以成为外表面温度最高的部分，最高可达到365.97 K.随着车速的增加，定子最高温度变化也有越来越快的趋势，与电机其他部分的温差也越来越大.
根据GB 755—1965《电机基本技术要求》[11]，电机的绝缘等级见表1.由此可知，电动车大约在115 km/h匀速行驶时，电机的最高温度已经达到电机的性能参考温度145 °C，表明电动车在长时间匀速行驶的情况下车速不应超过115 km/h，这就使得电机的散热优化极其重要.
3.2翅片对电机散热的影响
3.2.1翅片对电机温度的影响
电机外表面的侧面外壳温度最高，所以可通过在电机侧面外壳上加装一定数量的散热翅片达到对电机散热的目的.翅片数量定为50片，翅片加装方式为其长度方向与电机轴中心线平行，且与电机轴在同一平面，见图6.翅片可改变电机表面结构，并且随轮毂电机一同旋转，增大电机表面与空气接触面积，对电机外表面附近冷却气体的流速和方向产生影响，最终对电机的散热性能产生影响.
车速在60～130 km/h范围内变化时，增加翅片与不增加翅片对电机各部分最高温度变化的影响见图7.由此可知：在电机的侧面外壳加装翅片时，电机各部分最高温度均有不同程度的下降，下降程度最大的是侧面外壳，最大降幅可达到14 K，说明将散热翅片布置在侧面外壳上可以得到很好的降温效果，转子也因为紧靠侧面外壳而有较大的温降；定子最高温度最大降幅为10 K，外侧外壳为13.7 K，内侧外壳为6 K.随着车速的增加，电机表面附近的空气流动速度加快，提高电机对流换热的性能，使得电机各部分最高温度降幅也越来越大，在车速为130 km/h时达到最大.a）定子最高温度变化b）转子最高温度变化c）侧面外壳最高温度变化d）外侧外壳最高温度变化e）内侧外壳最高温度变化
由图8还可以发现，在没有加装散热翅片时，电机侧面外壳是电机外表面高温分布的区域，且其分布不均匀，最高温度位于电机侧面外壳背风面处，这是因为侧面外壳背风处的气流流速低，对流换热强度弱，不利于热量散出.电机侧面外壳背风处热量的堆积，会使电机局部区域的温度过高，电机寿命缩短，电机整体性能受到影响；加装散热翅片后，电机侧面外壳和翅片上的温度降低，且温度分布较均匀.由图9可知：加装散热翅片后电机内部温度也减小，且温度分布均匀，这是由于定子绕组的传热系数较大、热阻较小，导致温度梯度较小的缘故.
3.2.2对空气质量流量影响
电机与轮辋之间间隙的空气质量流量见图10，其中左图为无翅片，右图为加装翅片，正值表示气流流向车外，负值表示气流流向车内.由图10可知：在电机外的左半部分，尤其是左下方的空气质量流较大，气流向车外流出较多，对流换热能力大，此处的散热状况较好，电机侧面外壳在左半部分的温度也较低；而在电机外的右半部分，尤其是右上方的空气质量流较小，对流换热能力弱，此处的散热状况较差，使得电机侧面外壳右上部分的温度较高.加装散热翅片以后，电机与轮辋之间间隙的空气质量流量减少，由车内向车外通过间隙穿过的气流量减小，说明由于翅片的影响，在内部气流总量不变的情况下，内部的气流流向发生改变.另外，空气质量流量的负值区域增大，表明车外气流向车内流动的趋势变大，旋转的翅片起到吸风作用，有利于电机、制动盘等前舱内部件的散热.
3.2.3翅片对电机外流场的影响
车轮水平中截面的外流场见图11.由此可知：加装散热翅片后紧靠着电机外侧外壳的表面气流流速明显增加，由10 m/s增加到14 m/s，电机侧面外壳附近的气体流速也由15 m/s增加到18 m/s，说明翅片加快电机外侧外壳和侧面外壳表面气流的流速，气流流速越大越有利于散热；在电机内侧外壳表面附近的气流流速变化不大，表明加装的翅片对电机内侧外壳表面附近的气流影响不大.气流在车轮外侧紧靠车轮的xOz平面上的横向速度分量，即y轴方向的速度见图12，正值表示流入车内，负值表示流向车外，左图为未加装散热翅片，右图加装散热翅片.由此可知：在车轮的左下方都有一个速度为负值的区域，表示前方来流遇到车轮受阻后，绕过车轮外流向后方.在轮辐开口空隙中，没加装散热翅片的车轮右部有气流通过车轮流出.加装散热翅片的车轮右下方正速度区域范围变小，说明由于受翅片随电机旋转的影响，从车轮右下方流出的气流增多，这有利于车内的热量随着气流的流动向车外散出.在靠近地面处，流进车内的气流变多，有效地保证流进车内的横向进风量.
a）无散热翅片电机外流场
b）有散热翅片电机外流场
车轮水平中截面流线见图13.由此可知：未加装散热翅片时，由车内向车外流动的气流从电机侧面外壳与轮辋之间的间隙流出，加装散热翅片后，由于翅片对气流的阻碍作用，导致气流分离，从电机与轮辋之间间隙流出的气流减少且流向改变，使得气流沿顺时针方向旋转流动，从而在车轮前半部分的内侧附近产生涡流.涡流在旋转过程中会有一部分气流脱离，从车轮前半部分外侧流入到车外，这有利于车前舱内部热量向车外散出，同时也加快车轮处流入的尾流向车身外流动的趋势.
a）无散热翅片流线
b）有散热翅片流线
由于翅片旋转的诱导作用，外侧外壳表面附近气流的流速加快，破坏电机外侧外壳与轮辐之间的涡流，涡流由2个变为1个，由大变小，可以有效避免因涡流而造成的热量累积现象，有利于外侧外壳的散热.虽然电机侧面外壳和轮辐之间间隙的空气质量流量减小，但是由于翅片使得侧面外壳的表面积增大，且翅片与翅片之间的气流流动加快，促使侧面外壳温度降低，有利于电机散热.
3.2.4翅片对电机表面对流传热系数的影响
电机外壳的表面对流传热系数是衡量电机散热能力的重要指标，表面对流传热系数越大越有利于电机散热.电机外侧表面对流传热系数见图14.由此可知：在电机侧面外壳加装散热翅片后，电机外侧外壳和侧面外壳的表面对流传热系数整体都变大，这有利于电机的散热，并且电机侧面外壳的表面对流传热系数分布较均匀，较好地避免因电机局部温度过高引起的电机性能下降现象.然而，由图15可知：电机内侧外壳的表面对流传热系数变化不大，这是电机内侧外壳表面附近的气流流速变化不大、气流流动相对稳定等因素综合作用的结果.
3.3翅片的不同布置方案对电机散热性能的影响
3.3.1翅片不同布置方案对电机温度的影响
散热翅片在电机侧面外壳上的3种不同布置方案见图16，分别为翅片长度方向与电机轴中心线平行（方案1）、翅片长度方向与电机轴中心线成150°夹角（方案2）和翅片长度方向与电机轴中心线成30°夹角（方案3）.
翅片不同布置方案下电机降低的温度见图17.由此可知：随着车速的增加，电机各部分温度降低的幅值越来越大，但3种翅片布置方案对电机的降温幅度有差别：方案3中电机各部分降低的温度相对于其他2种布置情况要大，说明当翅片的长度方向与电机轴中心线成30°夹角时，更有利于电机散热，其次是方案1，相对较差的是方案2，对于定子来说方案1与方案2的散热效果差别不大；增加翅片后，电机转子、侧面外壳和外侧外壳温度降低的幅度最大，其次是定子，温度降低幅度最小的是内侧外壳.a）转子b）定子c）侧面外壳d）外侧外壳e）内侧外壳
3.3.2翅片不同布置方案对表面对流传热系数的影响翅片不同布置方案对电机外壳表面对流传热系数的影响见图18.
由图18可知：在侧面外壳上，方案3较其他2种方案可以达到更好的散热效果；在外侧外壳上方案3的表面对流传热系数大于方案2的表面对流传热系数，但两者均小于方案1；在电机的内侧表面上3种翅片的布置方案差别很小，散热效果区别不大.由此可见，增强穿过翅片的风量能够产生较好的强化换热效果，当翅片的长度方向与电机轴中心线成30°夹角时，整体上更有利于电机的散热，而翅片长度方向与电机轴中心线成150°夹角的方案相比于其他2种方案不利于电机散热.
4结论
电动汽车电机各部分的温度随车速的增加而增高，电机的最高温度位于电机内部的定子上，外表面的最高温度区域分布在电机的侧面外壳上且分布不均匀，使电机局部的温度过高，影响电机的整体性能.当车速达到115 km/h时，电机的最高温度已达到电机的性能参考温度.
在电机侧面外壳加装散热翅片可以达到较好的散热效果.3种翅片布置方案降温效果不同：当翅片的长度方向与电机轴中心线成30°夹角时，比其他2种翅片布置方案更有利于电机散热.所以，在电机外壳加装散热翅片，设计良好的翅片布置夹角，能加强电机的对流传热性能，对电机散热性能的提高具有十分重要的意义.
参考文献：
[1]杨志刚， 苗露， 赵兰萍， 等. 轮毂电机电动车流场特性数值计算[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2013， 41（12）： 18721878.
YANG Zhigang， MIAO Lu， ZHAO Lanping， et al. Flow field of fourinwheelmotor driven vehicle[J]. J Tongji Univ（Nat Sci）， 2013， 41（12）： 18721878.
[2]HONG T， RAKOTOVAO M， HENNER M， et al. Thermal analysis of electric motors in engine cooling fan systems[C]//Proc SAE 2001 World Congress， SAE Paper 2001011017c. Detroit： SAE Int， 2001.
[3]KIMOTHO J， HWANG P. Thermal management of electric vehicle BLDC motor[C]//Proc SAE 2011 World Congress， SAE Paper 2011280134. Detroit： SAE Int， 2011.
[4]KIM S C， KIM W， KIM M S. Cooling performance of 25 KW inwheel motor for electric vehicles[J]. Int J Automotive Technol， 2013， 14（4）： 559567.
[5]吴佳伟， 杨志刚. 气流方向对通风制动盘散热性能的影响[J]. 汽车工程学报， 2014， 4（6）： 418423.
WU Jiawei， YANG Zhigang. Influence of airflow direction on cooling performance of vented brake discs of vented brake discs[J]. Chin J Automotive Eng， 2014， 4（6）： 418423.
[6]杨世铭， 陶文铨. 传热学[M]. 第4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 68.
[7]陶文铨. 数值传热学[M]. 第2版. 西安： 西安交通大学出版社， 2001： 353360.
[8]HEFT A I， INDINGER T. Investigation of unsteady flow structures in the wake of a realistic generic car model[C]// Proc 29th AIAA Appl Aerodynamic Conf. Honolulu， 2011： 20113669.
[9]AXON L， KEVIN G. The influence of ground condition on the flow around a wheelhous cavity[C]//SAE 1999 World Congress & Exhibition， SAE Paper 1999010806. Detroit： SAE Int， 1999.
[10]贾青， 李挺， 杨志刚. 旋转孤立车轮局部流场的影响评价[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2014， 42（2）： 287291.
JIA Qing， LI Ting， YANG Zhigang. Influence of rotating wheels on isolated wheel aerodynamics[J]. J Tongji Univ（Nat Sci）， 2014， 42（2）： 287291.
[11]GB 755—1965电机基本技术要求[S].（编辑武晓英）
