Multiobjektiv optimeringsdesign av oljespraykylsystem för hairpin‑motor baserat på partikelsvärmsoptimering‑backpropagation‑icke‑dominerande sorterings genetisk algoritm III

Varför det är viktigt att hålla elmotorer svala

När elbilar blir kraftfullare och mer kompakta utsätts motorerna som driver dem för större påfrestningar än tidigare. Inuti dessa motorer kan tätt packade kopparlindningar bli så varma att de permanent förlorar magnetisk styrka, vilket förkortar motorns livslängd och slösar energi. Denna studie undersöker en avancerad metod för att omsluta lindningarna i kylolja och använder sedan intelligenta datoralgoritmer för att omforma den lilla sprepring som levererar oljan, vilket gör motorn både svalare och lättare att driva.

Hur oljeregnet skyddar hårt arbetande motorer

Moderna drivmotorer använder ofta så kallade hairpin‑lindningar — styva kopparstänger böjda i U‑former och tätt packade runt rotorn. Dessa koncentrerade buntar är utmärkta för effektöverföring, men de är också motorernas hetaste delar. En lovande lösning är ett oljespraykylsystem: en ihålig ring runt lindningarna avger flera oljejet som träffar den heta kopparen, sprider sig i en tunn film och transporterar bort värme innan oljan återgår till kylkretsen. Artikeln fokuserar på en 230 kW elmotor som redan använder en sådan sprepring, men vars ursprungliga design lämnade lindningarna för varma och oljan under relativt högt tryck, vilket belastade kylsystemet.

Test av olika sätt att spraya oljan

Forskarlaget ställde först en grundläggande fråga: vilken munstyckesform kyler bäst? De jämförde tre kommersiella munstyckstyper — flat spray, full kon och fläktformad — genom att simulera hur varje typ våtar en realistisk, icke‑förenklad lindningsbunt. Med detaljerade beräkningar av fluid‑ och värmeflöde framställde de temperaturkartor som visade var lindningarna förblev varma eller kalla. Flat spray‑munstycket tenderade att fukta endast mitten av lindningarna och lämnade angränsande ledare varmare. Det fläktformade munstycket presterade något bättre men skapade fortfarande kraftiga temperaturhopp mellan intilliggande lindningar. Fullkonmunstycket, däremot, spridde oljan jämnare över ytan och gav ett mjukare temperaturfält och den lägsta topptemperaturen — cirka 22 % lägre än med flat spray och 5 % lägre än med fläktmunstycket. Detta munstycke valdes därför som utgångspunkt för omdesign.

Söka i designutrymmet med virtuella experiment

Därefter gick teamet vidare till sprepringens geometri. De identifierade sex nyckelmått, inklusive varje munstyckes stora och lilla diameter, sprayvinkel, hur munstyckena är roterade runt ringen, antalet munstycken och ringens axiella längd. Istället för att pröva varje möjlig kombination använde de en ortogonal design — en strukturerad uppsättning av 25 noggrant utvalda varianter — för att effektivt utforska hur dessa faktorer påverkar två mål: maximal lindningstemperatur och maximalt internt oljetryck. För varje variant gav avancerad datormekanik för vätske– och värmeflöden (CFD) temperaturer och tryck. En känslighetsanalys visade sedan att en parameter, den lilla munstyckesdiametern, hade klart starkast inverkan på både kylning och tryck, medan de andra dimensionerna fortfarande spelade viktiga stödjande roller.

Låta algoritmer finjustera de små detaljerna

För att gå bortom dessa 25 testdesigner tränade författarna ett neuralt nätverk för att lära sambandet mellan ringgeometri och kylprestanda, med simuleringsresultaten som träningsdata. De kapslade sedan in detta nätverk i ett hybridoptimeringsschema som kombinerar partikelsvärmsoptimering med en modern multiobjektiv genetisk algoritm. Enkelt uttryckt vandrar virtuella ”partiklar” och ”avkommor” genom designrymden och föreslår tusentals nya sprepringformer. Det neurala nätverket förutsäger snabbt temperatur och tryck för varje kandidat, och algoritmen behåller bara de som väl avväger båda målen och bildar vad ingenjörer kallar en Paretofront. Från denna front valde teamet en design där munstyckena är något mindre men fler till antalet, och där ringlängd och sprayvinkel finjusterats för att ge kraftig, jämn oljetäckning utan att driva upp det interna trycket för mycket.

Vad den optimerade designen ger

Slutligen kontrollerades den valda designen igen med fullständiga CFD‑simulationer. De förutsagda och simulerade topptemperaturerna och trycken överensstämde inom omkring 2 %, vilket visar att den integrerade algoritmen var mycket noggrann. Jämfört med den ursprungliga sprepringen minskade den optimerade versionen maximal lindningstemperatur med 8,5 % och halverade inte bara utan reducerade det maximala interna oljetrycket med 25,6 %. För en elmotor i ett fordon innebär det svalare koppar, mindre risk för magnetisk skada och en lättare belastning på oljepumpen, allt utan att ändra motorernas grundläggande utformning. Arbetet visar hur man genom att kombinera realistiska flödessimuleringar med intelligenta sökalgoritmer kan pressa mer prestanda ur befintlig hårdvara och pekar mot svalare, mer effektiva och mer hållbara högpresterande eldrifter.

Citering: Liu, Y., Xu, P., Chen, S. et al. Multi-objective optimization design of oil spray cooling system for hairpin motor based on particle swarm optimization-backpropagation-non-dominated sorting genetic algorithm III. Sci Rep 16, 11593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42028-7

Nyckelord: kylning av elmotor, oljespraykylning, hairpin‑lindningar, multiobjektiv optimering, elfordon