轮毂电机技术
章渝
摘 要 轮毂电机技术是现阶段先进电动汽车技术研究的热点之一，但在运行时会存在温度过高的问题，如不能及时散热会对轮毂电机的运行造成极大的影响。因此，对轮毂电机运行中产生的热量进行散热，是轮毂电机研究的一个主要方向，本文主要介绍轮毂电机散热的研究发展。
关键词 轮毂电机；散热；空冷；液冷
中图分类号 U4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）14-0050-01
随着汽车保有量的增多，环境问题的日益严峻，要求电动车尽量做到“低碳、节能”，电动轮式驱动是电动车的发展趋势[1]。轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术，是现阶段先进电动汽车技术研究的热点之一。由于轮毂电机与车轮一起旋转，并且紧靠制动器，会存在在运行时温度过高的问题，如不能及时对电机进行散热将会对电机安全性能和稳定性能造成严重威胁，甚至烧坏电机[2]。因此，需要采用适宜的冷却方式对轮毂电机进行散热，使轮毂电机处于合适的运行温度范围内，防止运行出现故障，保障安全可靠地运行。
1 轮毂电机冷却方式
在1900年，德国保时捷公司研制了两个前轮为轮毂电机的双座电动车，首次出现轮毂电机的概念，时至今日国内外对轮毂电机冷却问题的研究也逐渐成熟。
现阶段轮毂电机散热方式包括空气冷却、液体冷却和混合冷却[3]。空气冷却包括自然风冷和强制风冷。强制风冷分为开放式风冷和封闭式风冷，开放式风冷指电机内部和外部空气形成循环进行热交换，具有通风入口和出口，风沿通孔方向带走热量，既可以对定子直接散热，又可以对转子直接散热；封闭式风冷指空气在电机内部循环，通过机壳和外部进行热交换，电机内部风扇把风往机壳风道入口吹，风沿机壳风道到达电机一端，然后通过转子通风孔、定转子间气隙到达电机另一端，完成一个循环，机壳上带有散热片可以把热量散出。如申请人SINELSHCHIKOV A V申请的专利SU477017，其发明了一种可操作的电力驱动轮，汽车的车轮内包含有轮毂电机，电机内包括冷却空气的进风口和出风口，通过冷却空气对流冷却轮毂电机。
液体冷却主要包括油冷和水冷，油冷按与冷却液接触形式分为直接冷却和间接冷却。直接冷却是电机定转子直接散热，间接冷却是把密封好的电机浸在油箱里，通过机壳将热量带走。如TOYOTA MOTOR CO LTD申请的专利申请US2005045393A1中，提出采用油冷却电机
定子。
水冷散热设计有两种形式，一种是采用水套形式，水路设计在机壳中；另一种是采用盘水管形式，水管设计在定子上。如MITSUBISHI MOTOR CORP申请的专利申请JP2005237176A中，提出采用水套形式来对电机进行冷却。
混合冷却方式一般是在电机内部采用液体冷却同时也会采用空气冷却，相比于前两种散热方式，这种冷却方式相比于空气冷却具有更好的散热效果，相比于液体冷却又更好地利用了空气，使轮毂电机内部设备的热交换更充分。如AISIN AW CO LTD申请的专利，其在电机内部采用油冷却电机，同时也采用空气冷却该电机，提高了轮毂电机的散热效率。
2 技术发展状况分析
2.1 申请趋势分析
通过在专业数据库中检索，分析轮毂电机散热专利申请量在中国国内以及全球范围内的趋势，专利申请总体呈现增长趋势。在全球范围内，轮毂电机散热技术的发展大致分为4个阶段。轮毂电机散热专利申请开始于20世纪70年代，到20世纪90年代申请量都较低，这一阶段属于轮毂电机散热技术的起步阶段。1995年—2003年为技术稳定期，在此期间，汽车进行了大力研发，轮毂电机电动汽车再次成为研究的热点，轮毂电机的散热技术研究也成为热点。2003年开始，轮毂电机散热技术专利申请量开始快速增长，到2004年达到一个小高峰，在经历一个小低谷后再次攀升，于2007年达到第二小高峰，之后持续增长，直到2011年达到一个高峰，这属于快速发展阶段。这是由于能源危机和新能源概念的普及，越来越多的公司开始加大对轮毂电机散热技术的研发力度，使得在该阶段内的专利申请量呈现出高速增长的态势。而2011年后专利申请量有所下降，这也说明了散热技术方面的发展进入了成熟期，从上述可知轮毂电机散热技术的发展侧面反映了轮毂电机领域整体的发展情况，因为随着轮毂电机效能的提高，其电机内部的温度也会随之提高，从而解决电机内部温度过高问题便会成为关注重点。
国内轮毂电机的发展较晚，随着各科研单位对该技术的研究不断加强，散热冷却问题也越来越受关注。对于在中国国内的轮毂电机专利申请，在2005年以前申请数量极低，随后呈现上升趋势，这说明我国最初相比于整个轮毂电机散热领域技术还具有一定的差距，但随着国内轮毂电机技术的快速发展，相应的使轮毂电机较好地进行散热也成为了比较关注的方面。在2005年到2010年的发展速度进入了平稳增长期，这说明我国的轮毂电机散热方面的技术得到了快速发展。在2010年以后，国内轮毂电机散热技术整体达到了较高的水平，与全球趋势基本一致，这可能是由于中国汽车市场越来越受到重视，以及环境保护及能源节约观念普及，同时国外企业重视在中国市场的专利布局，这为轮毂电机散热技术发展提供了有利条件。
2.2 重要申请人分析
根据全球范围内的专利申请，对轮毂电机散热技术重要申请人进行统计，轮毂电机散热技术方面还是日本的申请量为主，尤其是丰田，其申请量已经远超后几名申请人的申请量，其占据这该领域的领先地位，其对轮毂电机散热技术进行了系统地研发、保护和应用。
在90年代末，丰田公司开始进行了四轮轮毂电机纯电动汽车的研发工作，随着轮毂电机的发展，电机冷却散热问题也逐步受到重视。通过梳理和分析，丰田公司的轮毂电机散热技术研究总体大致可以分为4个阶段：在2003年前丰田的技术方案主要集中在“自然風冷”方面；在2003年—2005年期间，散热技术专利快速增长，技术方案主要涉及内外空气对流等强制风冷方面，同时也存在“油冷、油和空气同时冷却”的技术方案；在2006年—2008年期间，技术方案主要涉及“电机内部提供冷却油通道、电机外接冷却油管道”等液体冷却方面；2009年以后，轮毂电机散热技术发展进入了成熟期，根据电机效能情况，择优选择空气冷却、液体冷却、混合冷却。综上可知，丰田轮毂电机散热技术的发展整体呈现“自然风冷→强制风冷→冷却油或冷却剂液体冷却→择优冷却”的研究过程。
3 结论
本文从轮毂电机散热领域的专利申请态势着手，介绍了轮毂电机散热方式种类，同时重点对该领域的重点申请人的技术发展进行说明，有助于全面了解轮毂电机散热技术的基本发展态势，对涉及轮毂电机散热领域的研究工作有较大帮助。
参考文献
[1]Byeong-Hwa Lee， Jeong-Jong Lee， Sung-IIKim， Soon-O Kwon. Development of an IPMSM for In-Wheel type Electric Vehicles[C].Conference of INTELEC，2009：1-4.
[2]彭维娜.电机冷却技术的专利发展[J].南方农机，2015（3）：87-89.
[3]梁培鑫.永磁同步轮毂电机发热及散热问题的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
