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绕组嵌入式水冷用于集中绕组轴向磁通永磁轮毂电机
Winding Embedded Water Cooling for Axial Flux PM In-Wheel Motor with Concentrated Windings
| 作者 | Chen Wang · Hailu Zhu · Zhuoran Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 轴向磁通永磁轮毂电机 绕组嵌入式水冷 三维集总参数热网络模型 计算流体动力学模型 热性能验证 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种新型绕组嵌入式水冷方法，以改善集中绕组无轭分段电枢（YASA）轴向磁通永磁（AFPM）轮毂电机的热管理和定子刚度。首先，阐述了结构冷却设计的考虑因素，并分析了电机在不同工况下的损耗分布。然后，考虑AFPM轮毂电机的损耗分布和温度传递特性，构建了三维集总参数热网络（3D LPTN）模型。此外，建立了计算流体动力学（CFD）模型并进行对比，以验证所提模型的准确性。另外，获取了优化的关键参数以提高效率和转矩密度。最后，制造并测试了一台30kW的AFPM轮毂电机样机，并根据定子绕组和转子在各种运行工况下的温升实测结果验证了其热性能。
English Abstract
In this paper, a novel winding embedded water cooling method is proposed to improve the thermal management and stator rigidity for concentrated winding yokeless and segmented armature (YASA) axial flux permanent magnet (AFPM) in-wheel motors. Firstly, structural cooling design considerations are presented, and the loss distributions of the motor under different conditions are analyzed. Then, a three-dimensional lumped parameter thermal network (3D LPTN) model is constructed, by accounting for the loss distribution and temperature transfer characteristics of the AFPM in-wheel motor. Besides, a computational fluid dynamics (CFD) model is established and compared to verify the accuracy of proposed model. In addition, the optimal key parameters are obtained to enhance efficiency and torque density. Finally, a 30kW AFPM in-wheel motor prototype is manufactured and tested, and its thermal performance validated against measured results of stator winding and rotor temperature rise under various operating conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源业务视角来看，这项轮毂电机绕组嵌入式水冷技术虽然直接应用于电动汽车领域，但其核心热管理理念与我们在光伏逆变器和储能系统中面临的散热挑战高度契合。该技术针对轴向磁通永磁电机提出的集中绕组水冷方案，通过三维集总参数热网络模型和CFD仿真优化散热路径，这种多物理场耦合分析方法可直接借鉴到我们大功率逆变器的热设计中。
对于阳光电源储能变流器（PCS）产品线，该技术的价值尤为显著。随着储能系统向高功率密度方向发展，功率模块的热管理已成为制约性能提升的关键瓶颈。论文中提出的绕组嵌入式冷却思路，可启发我们在IGBT模块、电感线圈等发热核心部件中探索更紧凑的液冷方案，突破传统风冷或间接液冷的散热极限。特别是其通过结构优化同时提升散热效率和机械刚度的设计理念，对我们开发集成度更高的储能系统具有参考意义。
从技术成熟度评估，该研究已完成30kW原型机验证，证明了工程可行性。但应用到光伏储能领域仍需解决几个挑战：一是光伏逆变器工况更复杂，需应对更宽的温度范围和功率波动；二是成本控制压力更大，需评估精密水冷结构的经济性；三是长期可靠性验证，特别是冷却液泄漏风险对电气系统的影响。
建议我们技术中心关注该领域的热流体仿真方法论，并探索在下一代高功率密度逆变器和储能变流器中引入类似的主动热管理技术，这将成为我们保持技术领先的重要突破口。