新能源汽車驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀研究

摘要：長期以來，在我國汽車領(lǐng)域內(nèi)驅(qū)動電機都被視為電機業(yè)中的小分支，隨著我國新能源汽車相關(guān)政策的實施，如今已經(jīng)成為了各大資本爭先涉足的領(lǐng)域。作為新能源汽車的動力驅(qū)動裝置，對驅(qū)動電機的綜合技術(shù)性能及使用要求更為嚴苛，然而我國的電機驅(qū)動系統(tǒng)制造水平與國際水平本月相比較還有一定差距。本文基于專利分析，研究了新能源汽車驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過對近幾十年內(nèi)國內(nèi)外的驅(qū)動電機冷卻相關(guān)專利進行闡述，從不同角度分析了驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的發(fā)展前景，并對其發(fā)展現(xiàn)狀進行了探討。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;專利分析;驅(qū)動電機;冷卻技術(shù);發(fā)展現(xiàn)狀

0 ?引言

新能源汽車的快速發(fā)展給驅(qū)動電機帶來了巨大的發(fā)展機遇，電機技術(shù)的發(fā)展成為行業(yè)關(guān)注的熱點[2]。發(fā)電電機是指汽車制動時，車輪損失的動能通過控制器反饋給電池，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的電能傳遞給電池，以節(jié)省動力電池的能量損失，延長續(xù)航里程。新能源汽車常用的電機主要以直接驅(qū)動式為主，在直接驅(qū)動式下又以成本低、可靠性強和成本低的永磁同步和交流異步為主[4]。而開關(guān)磁阻電機作為最新技術(shù)，已在研究當中，在未來很有可能成為新能源車輛應用中的主流技術(shù)。在電機中冷卻系統(tǒng)對電機的整體運行性能有著極其重要的作用，目前常用到的有導熱樹脂、非封閉風冷、封閉風冷、水套冷卻（液冷）、空心軸轉(zhuǎn)子冷卻、空心軸轉(zhuǎn)子冷卻、外殼定子水套冷卻相結(jié)合和油冷。本文通過對常用電機類型和冷卻技術(shù)進行分析，并以技術(shù)專利角度對冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來應用進行探討。

1 ?常用電機類型與冷卻技術(shù)分析

1.1 常用電機類型

永磁同步電機主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成。根據(jù)轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置不同，永磁同步電機通常會被分為內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式三種類型。永磁同步電機最大的優(yōu)勢在于低速區(qū)有大轉(zhuǎn)矩的輸出，且其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功率密度大，具有很高的運行效率，在目前汽車制造行業(yè)中很受歡迎。

另一種常用到的異步電機，也稱為感應電機，是一種交流電機，主要作電動機使用。異步電機定子相數(shù)有單相、三相兩類。其中，三相異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有鼠籠式和繞線式兩種，單相異步電機轉(zhuǎn)子都是鼠籠式，是應用最為廣泛的異步電動機。繞線式電機結(jié)構(gòu)復雜，一般用于對起動和調(diào)速性能要求較高的場合。而交流異步電機的優(yōu)點同樣在于其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡單和可靠性強，低速區(qū)有大轉(zhuǎn)矩的輸出，同時因其材料成本低，也有廣泛的應用市場。

1.2 電機冷卻技術(shù)

目前采用的電機冷卻通常采用美國技術(shù)為主，主要有以下幾種：

①導熱樹脂技術(shù)。美國專利6201321 B1，其應用原理為：用導熱樹脂封裝定子線圈端部，通過箱體消散熱量，樹脂固化之后，形成熱橋。為了消除制造誤差，彈性導熱墊插在熱橋和箱體之間確保熱傳遞;②非封閉風冷技術(shù)。美國專利6011331 A，由艾默生電氣公司研發(fā)設(shè)計。其應用原理為：通過轉(zhuǎn)子上三個葉片風扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生流動氣流散熱。但有非封閉的缺點，需要在應用中通過加過濾器，防止空氣中灰塵或其他固體顆粒吸入、控制濕度水平;③封閉風冷技術(shù)。美國專利20040036367 A1。其應用原理為：通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、箱體中加工的專用空氣管道，使空氣流動，從而產(chǎn)生制冷效果;④水套冷卻技術(shù)。也指液冷，美國專利7009317 B2，其應用原理為：由定子和冷卻套管形成的冷卻管道，對定子冷卻。缺點是轉(zhuǎn)子冷卻不良。需要冷卻液泵送系統(tǒng)，并且使用冷卻器在電機外面將液體冷卻;⑤空心軸轉(zhuǎn)子冷卻。 美國專利7579725 B2。由特斯拉公司生產(chǎn)制造，通過兩個同軸的空心軸，兩軸使用輻條連接進行制冷;⑥空心軸轉(zhuǎn)子冷卻、外殼定子水套冷卻相結(jié)合。美國專利6191511 B1。通過固定在外軸的內(nèi)表面上的葉片隨著轉(zhuǎn)子運動而旋轉(zhuǎn)，冷卻劑通過管道流向外殼水套;⑦油冷。美國專利號8169110 B2。由GM公司研發(fā)，可冷卻軸承。通過潤滑油作為冷卻劑注入，冷卻定子線圈端繞組。其優(yōu)點是實現(xiàn)了油液在底部的收集、冷卻和循環(huán)利用。

2 ?通過專利分析電機冷卻技術(shù)的發(fā)展狀況

2.1 冷卻技術(shù)專利申請趨勢

通過收集近20年的驅(qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利申請數(shù)據(jù)進行分析，對比其在世界范圍內(nèi)和我國范圍內(nèi)的申請量分布情況。其中，世界范圍內(nèi)共占2451件，其中我國申請占1078件[1]，申請量趨勢如圖1所示。

從圖1中可以看出，從2000年開始，世界范圍內(nèi)和我國范圍內(nèi)的專利申請量均呈穩(wěn)步上升趨勢，在2017年達到了頂峰，全球范圍內(nèi)達到了近300件，而我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，到2017年也達到了160件左右。2017年之后，受專利18個月公開期的影響致使有些專利數(shù)據(jù)被隱藏起來，申請量大幅度下降。另外，從圖1中我國專利申請量的發(fā)展趨勢可以看出，其在全球申請總量中的占比越來越高，已經(jīng)超過了全球申請量的一半以上，具有很好的發(fā)展勢頭。

2.2 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請地域分布

通過專利的目標申請入口分析，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)申請地的地域分布主要以中、美、德、日、歐洲專利局等為主。具體分布情況如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)，我國驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量比例最高，約為47%，總數(shù)量達到869件，其次是美國德國和日本，但比例均在10%以下。由此可知，隨著知識產(chǎn)權(quán)保護體系的不斷完善和市場環(huán)境的自由化和開放程度的提升，為各國企業(yè)進行驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的研發(fā)和專利申請?zhí)峁┝撕芎玫钠脚_，而我國在這方面尤其突出，在專利申請量上獨占鰲頭。

2.3 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)分布分析

通過前文對驅(qū)動電機冷卻技術(shù)類型和制冷原理進行分析，大概可以分為自然冷卻、風冷、水冷和油冷這4大類，其各有優(yōu)勢及缺點。因其均屬于不同的冷卻技術(shù)領(lǐng)域，相互之間沖突較小。為有效提升制冷效果，并以節(jié)省成本為主要考慮因素，在實際應用中通常采用2種或2種以上冷卻方法組合的方式來提高驅(qū)動電機的冷卻效率。

本研究從驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的研發(fā)難點為研究內(nèi)核，并綜合分析驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)、檢索可行性、行業(yè)分類習慣因素，只關(guān)注結(jié)構(gòu)相對復雜且研發(fā)關(guān)注高的部分，最終確定驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的技術(shù)分解并對其分布進行統(tǒng)計，如表2所示。

通過表2可知，在上述技術(shù)分解中，風冷技術(shù)因其技術(shù)較為成熟，改進空間較小，因此專利申請量占比只占了15%;而占比最高的為水冷技術(shù)，達到了60%，主要因為其冷卻效果和成本上具有較好的綜合優(yōu)勢，擁有較大的應用市場，因此其專利研發(fā)方向也較為廣泛;作為近年來的新技術(shù)，油冷占比24%，其可以用油作為冷卻劑，通過對驅(qū)動電機內(nèi)部進行冷卻，提高冷卻效率和驅(qū)動電機的功率密度，具有廣闊的發(fā)展前景。

3 ?結(jié)論

本文介紹了新能源汽車常用電機和電機冷卻技術(shù)，并通過對目前驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量趨勢分析可知，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)已經(jīng)成為驅(qū)動電機各技術(shù)領(lǐng)域中專利申請量增長最快的技術(shù)領(lǐng)域。結(jié)合驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請地域分布可知，我國已經(jīng)成為驅(qū)動電機冷卻技術(shù)最大的專利申請目標國。最后，通過對冷卻技術(shù)類型的分析和冷卻技術(shù)分布狀況來看，風冷、水冷和油冷技術(shù)已成為當前的研發(fā)熱點，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]郭少杰，王軍雷，夏天，呂惠.基于專利分析的新能源汽車驅(qū)動電機冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].汽車文摘，2020（05）：8-12.

[2]張軍，肖倩，孟慶闊.新能源汽車驅(qū)動電機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].汽車工業(yè)研究，2018（06）：43-47.

[3]田振芳.淺析純電動汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的控制過程[J].內(nèi)燃機與配件，2020（06）：84-85.

作者簡介：高銀橋（1965-），男，廣東東莞人，本科，高級工程師，主要研究方向為汽車運用技術(shù)、職業(yè)技術(shù)教育。