新能源汽车的属性对驱动电机提出了高转速、高效率、高功率密度、高可靠性、低噪声、低振动、低成本“四高三低”的要求；
众所周知，电机运行时产生大量的热，温度是影响电机性能输出及电机使用寿命的重要因素之一；
电机的高速化使高速旋转的转子表面产生很大的气体摩擦损耗，进一步恶化转子的运行环境，加之转子处在一个狭小的空间内、散热途径和散热方式极其有限，导致转子散热难度加大，如何提升转子的散热效率成为行业的研究热点。
一、引言
驱动电机作为新能源汽车的关键零部件之一，其作用仿佛是心脏输送血液的动力源头，以磁场为媒介实现电能和机械能的相互转换，从而为汽车提供源源不断的动力。
在能量转换过程中铁损、铜损、磁滞和涡流损耗使电机产生大量的热，直接导致定子、转子的温度急剧升高，若热量不能及时、有效地传递出去，将直接影响电机的性能输出、运行可靠性等。
由于定子和转子结构和布置位置的差异，转子冷却系统设计一直是电机设计中的一个薄弱环节。
为保证电机在稳态长时间安全运行，设计者需要一个临界点来作为参考，使电机在额定功率长时间运行至稳态，其稳态温升恰恰是我们设计许可的最高温度，设计并优化转子的热管理系统，来保证电机的性能输出，更为开发性价比更高、性能更优的驱动电机提供可借鉴的依据。
二、新能源汽车驱动电机的散热形式
电机可简化为内部含有定转子热源的散热体，为研究电机转子的冷却方式，需要设定电机的应用场景并设定边界条件才能建立电机的三维流体场与温度场的耦合物理模型。
转子的冷却只是电机热管理的一个重要组成部分，如单一阐述转子的冷却形方式意义并不大。
为更清晰的认知转子冷却系统和演进趋势，首先要了解新能源汽车驱动电机的冷却散热方式。
驱动电机的冷却方式根据其冷却散热方式的不同，可以归纳为空气冷却、液体冷却和混合冷却三种。
2.1空气冷却
空气冷却分为自然风冷和强制风冷，这种类型的驱动电机适用于低速车、A00级车及混合动力（48V）车型，自然风冷主要依靠壳体表面和端盖散热筋的散热，见下图-1、图-2所示。
当电机自身散热不能满足设计要求时，就要采用强制风冷的方式，根据空气的循环方式又可以把强制风冷分为开放式风冷和封闭式风冷两种冷却方式。
两种冷却方式的特点如表-1所示。
见图-3图-4所示。
表-1强制风冷的两种类型对比
2.2液体冷却
液体冷却是目前新能源汽车驱动电机应用最广泛的冷却散热方式，液冷可根据冷却介质不同，分为水冷和油冷两种方式，其中水冷占了绝大多数的纯电动市场，油冷在混合动力车型上较为常见。
水冷属于表面冷却的范畴，让冷却水通过预先在机壳上设定好的循环水道，通过热交换把电机产生的热量带走。
按照水道的形式不同，可以分为螺旋式、半螺旋式、折返式、圆周式。
两种常见的冷却水道如下图-5、图-6所示；油冷按照定转子与冷却介质的接触形式分为直接油冷和间接油冷。
2.3混合冷却
混合冷却综合了空气冷却和液体冷却两种方式的优点，因此混合冷却效果更佳，与单一的液体或空气冷却相比，可充分利用周围的空气，使得内部热交换更加充分，冷却效率高。
2.4冷却方式的优缺点分析
新能源汽车的市场定位和驱动电机的应用场景虽不是电机冷却方式的决定因素，但可以预见，目前在售的驱动电机选择的冷却方式都是经设计者考量和可靠性验证而最终博弈的一种类型。
并不能从单一维度评判散热效率低就是较差的冷却方式，也不能因为电机的性散热性能优异就说明这种冷却方式是该类型驱动电机最佳的冷却方案。
冷却方式的选择也要求“门当户对”，在冷却方式的选择和设计上要依据：“安全可靠、结构简单、维护方便、安装便捷”为基本原则。
电机的优化没有最优，只有更优、更实用。
综上所述，三种冷却方式的优缺点对比见下表-2所示：
表-2三种冷却方式的优缺点
三、新能源汽车驱动电机转子的冷却技术现状及演进趋势
新能源汽车驱动技术的突飞猛进打破了以往电机行业温和渐进式的发展路径，在新的应用场景和应用环境中，设计者往往选择更好电磁材料、更高的耐热绝缘等级来满足电机特定场合的考核条件，昂贵的制造成本带来电机性能的提升却得不到主机企业最终的认可，不得不在激烈的市场竞争中而败北。
激烈的市场环境让电机行业的从业者选择折中的策略，借用现有的基础材料，让材料性能发挥到极致，在综合性能和考核条件中寻找一个临界点，借助更优的电磁方案、更好冷却散热方式来提升电机的功率密度来满足不断提升的电动汽车行业要求。
3.1转子被动冷却
电动汽车并不是新兴事物，早在传统汽车（内燃机驱动）诞生的50年前就已问世，但由于成本、续航及石油的大规模开发等诸多因素，电动汽车在喧嚣的舆论声中黯然落幕。
国内的电动车是以低速车为起点循序渐进发展起来的。
3.1.1风冷电机的转子被动冷却
早期低速电动汽车和A00级代步车驱动电机体积小、重量轻，大部分车型采用了风冷电机，比如宝骏E、知豆、众泰云，此类电机转子封闭在机壳内部，无法和外部的空气直接接触，是被动冷却的方式，如下图-7所示。
(转子被动冷却和主动冷却的对比（图-8转子主动冷却）)
图-7此种风冷电机的转子被封闭在机壳的密闭空间内，转子散热方式以对流方式为主，通过转子的旋转带动空气的流动，转子的热量传到定子铁芯，再通过定子铁芯和机壳的传导散热，最终机壳和空气再发生热交换，达到散热的目的。
这种散热方式结构简单，但传热效果不佳，使内部的热量容易堆积，局部过热的现象不可避免。
图-8是开放式风冷的一种类型，定转子通过排风罩可以和外部空气直接接触，电机运转时，外部冷空气从外风罩中吸入电机的内部，经过换热后，热空气从出风口排出，从而带走电机内部产生的热量。
此种结构虽然达到了直接冷却转子的目的，但是其防尘、防水等级不高，只能应用在防尘、防水等级不高的场合。
目前48V轻混电机采用了这种冷却方式。
3.1.2水冷电机的转子被动冷却
水冷形式的永磁同步电机已经成为新能源行业的主力军，依据国家工信部公布的新能源汽车车型信息数据可统计得出，永磁同步电机是业界广泛应用的类型，在我国新能源汽车的应用率占比已超过90%。
水冷电机一般采用外置式冷却回路的形式（冷却水套），其转子和风冷电机的转子结构布置类似，被封闭在机壳内，因此这种转子的冷却形式也是被动冷却的方式。
电机运行时转子内部产生的热量，首先通过对流方式传到达定子铁芯，然后从定子铁芯传达到达机壳内层。
因机壳的内层和外层有冷却水道的存在，温度较低的冷却液从循环水道内流过（图-9）和机壳的内层热源进行热交换，从而达到散热的目的。
水冷比风冷最大的优势是能及时把定转子内部的热量带走，换热效率高，如电机不激烈运行可有效避免热岛现象。
图-9带螺旋式水套的示例图
转子的散热的效率高低和散热的均匀与否低依赖于外部流道的热交换的效率和水路空间的设计，因此优化水道的形式和流道的回路可促进转子的散热。
水道的选择要可根据电机的考核条件，确定变量和不变量，从流路的损耗、流路数量、换热能力高低的多个维度来选择水道的方式。
3.2转子主动冷却
3.2.1主动冷却转子成为研究热点和冷却的主要形式
虽然采用转子被动冷却的水冷电机实现了大面积的产业化应用。
但新能源汽车行业呈现出技术多元化的发展路线，单一的水冷方式无法满足电动汽车差异化需求的矛盾；另一方面，水冷电机的冷却方式通过逐层传递热量，冷却路线长，冷却介质也不能直接冷却热源，虽是目前应用最多的类型，但并不是最优的冷却方案。
为进一步提升电机的性能，适应多元化的苛刻技术需求，开发更好的冷却方案，提升电机的冷却效果成为行业发展迈不过去的“坎”，转子直接冷却技术成为最近研究的热点。
主动冷却转子的技术路线主要有两种，第一类技术路线是在水冷电机基础上进行的改良，采用水冷（机壳）+空气冷却（转子）的方式。
第二类路线是开发油冷技术，直接冷却转子的热源，以油冷电机见长。
统计近五年的驱动电机散热方面的专利可以看出，油冷电机的技术不断推陈出新。
冷却方式也层出不穷，油冷电机成为行业的“香饽饽”。
3.2.2转子冷却的基本结构和原理
首先以目前应用广发的水冷电机为例来做水冷+转子主动冷却的原理阐述，因为水冷电机技术较为成熟，冷却水道的原理不再赘述，只做转子主动冷却的基本原理阐述。
作为水冷电机的改进版，此类型的冷却、优化均以水冷电机为原型，下面从结构和基本原理两个方面进行阐述。
图-10和普通的水冷电机相比，主要有两个方面的结构改变，一是在机壳内壁开通风槽，二是在电机的转轴的非轴伸端装有轴风扇。
其冷却原理是通过旋转的轴风扇带动气流的流动，空气通过定转子之间的气隙，转子产生的热量通过流动的空气循环到机壳上开的通风槽处，通风槽外侧有循环水道，热量在此处进行热交换，从而达到转子冷却的目的，水路和空气流动的回路见图10箭头所示。
图-11是在水冷电机的基础上对实心轴进行了重新设计，转轴设计为两段式焊接的空心轴，空心轴的两侧做了开槽处理，该类型也是空气冷却转子的一种结构，在非轴伸端安装了轴风扇，其冷却原理是：轴风扇的转动使转子的两端形成压差。
压差带动空气的流动，通过对流的方式对转子进行冷却。
电机反转时，冷却的回路按照压差的方向使空气形成反向流动。
最终达到冷却的目的。
油冷电机是今年新能源企业竞相追逐的热点，最近3年涌现的数量众多的冷却原理和冷却回路专利也以油冷电机居多，鉴于专利的版权，只对当下较为常见的几种可直接冷却转子的冷却原理和结构布置做一个简短的阐述。
油冷转子的技术主要分为两种技术路线，一种是在电机的转轴上做设计优化和油路的布置。
另一种喷淋的方式，通过冷却管路把冷却介质喷洒到转子或电机内部从而达到冷却的目的。
图-12是一种比较特殊的冷却结构，其冷却散热的介质被封闭在转子的中空结构中，电机转轴被设计成三段式的焊接轴，中间一段为中空轴，中空轴的内壁安装可以旋转的散热翅片，电机旋转时随着转子运动而旋转。
冷却介质在空心轴内流动，转子的热量通过传导的方式被带走。
图-12三段式焊接空心轴+冷却翅片
接下来介绍应用较多的转子冷却方式，此类冷却方式的区别主要在空心轴的结构不同，空心转轴的设计是技术实现的难点。
转轴设计时要注意以下点，一是冷却油路要通畅、二是空心的强度、刚度要满足、三是避免共振，临界转速和工作转速有足够的差值、四是避免加工时的机加工盲区。
几种空心轴结构和冷却原理图如图13、图14、图15所示：
图13所示的是通孔方案空心轴冷却转子方案，基本原理是循环的冷却介质直接通过转轴的通孔，在转轴的内壁进行热交换，把热量带走，从而达到冷却转子的目的，这种结构简单、实用，转轴加工难度不大，电机的绝缘材料也不需采用耐油的材料，但是冷却效率偏低。
图14所示的焊接转轴方案，这种转子的冷却方案的基本原理是外部循环的冷却油从非轴伸端泵入转轴，进入转轴的冷却介质随着转子的高速旋转被甩入电机的腔体，低温的冷却油和内部高温部位进行热交换，高温的油通过集油槽收集排除腔体外部，在电机外部被冷却后再进行二次循环。
此种转子的加工难度加大，对转轴的焊接质量要求高，导致转轴不良率高，再者因冷却油直接和定转子直接接触，电机的辅材要采用耐油性良好的材料，电机的制造成本上升，但这种转子的冷却方式冷却效率高，有不少的国外企业采用。
图15所示的是锻打转轴的冷却方案，这种转子的冷却方案和焊接轴的冷却方案类似，唯一的区别是泵入转轴的冷却油，随着转子的旋转被甩入转子铁芯的内部，所有的热交换在转子的铁芯内部完成，冷却回路的回收也和焊接轴方案类似，通过集油槽把冷却油泵出腔体外部，达到冷却的目的。
这种转轴的结构简单，加工难度不大，冷却效率较高。因此应用比较广泛。
也是最后发展潜力的一种转子冷却方案。
图-16和图-17属于喷淋的冷却方式来冷却转子，外部冷却的油通过冷却管路把冷却介质喷洒到转子的端板或定子的端部来而达到冷却的目的。
这种喷淋的方式目前也是研究和应用比较多的冷却方式之一。
图16所示的冷却方式是外部油路通过端盖上的油道把外部冷却油直接喷淋在转子端板上面，通过热交换来达到转子降温，热交换后，冷去油被收集泵出电机外部，冷却后进行第二次冷却。
图17所示的冷却原理是冷却油喷淋的位置不同，直接把冷却油喷淋在温度最高的定子端部，高速旋转的转子提供动力使油在腔体内循环起来，热交换后通过集油孔泵出电机外部。
从而起到冷却转子的作用。
四、驱动电机转子的冷却技术现状及演进历程综述
新能源汽车行业跨过了曲折的发展路径，行业已进入规范、有序的发展时期，国内的造车新势力和外部资本投资也冷静下来，不再盲目扩张。
从新能源汽车的发展路线来看，驱动电机技术的技术进步是随着产业政策的跌宕起伏和技术指标的提高一步步发展起来的。
也可以理解为市场倒逼了驱动电机行业的技术进步。
驱动电机转子的冷却技术进度也是随着驱动电机或者说是动力总成的不断迭代发展起来，行业发展之初，低速电动车选择了风冷电机，这种驱动电机价格低廉，受市场因素影响较大，所以转子冷却只能是一种被动的冷却方式；
但随着行业的进步，消费者需求的提高，新能源行业推出了混合动力车型，这就有了转子的主动冷却技术，虽然水冷电机能满足当下的行业技术要求，但随着汽车智能化、网联化的发展，汽车不单是交通工具，更是移动的生活空间，行业的发展对驱动电机提出了更高的要求，体积小、重量轻、功率密度进一步提升，冷却要求“直达病灶”，因此转子的冷却技术发展到了主动冷却的阶段。
终端客户的差异化需求催生了市场的多元化。
无法判定哪种冷却方式是最佳的冷却方式，在冷却方式的选择应以“安全可靠、结构简单、维护方便、安装便捷”为基本原则。
电机的优化没有止境，能满足性能要求、性价比高的产品才是市场的王者。
纵观全球的新能源发展趋势，以丰田为代表的日本发挥了自身发动机的优势在混合动力方面厚积薄发，以特斯拉为代表美国在纯电动领域展示了其高端智能、电动化的市场定位，特斯拉上海工厂Model3的量产加剧了纯电动行业的洗牌和重新定位。
国内的传统车企和造车新秀主观上都在尽可能扬长避短，主动出击获取市场的竞争优势，在行业发展和技术进步的同时也要遵循技术演变与突破的客观规律。
未来无论那种新能源汽车能突出重围，都为我国新能源汽车技术路线的选择提供了很好的参考依据。
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