内腔油冷机壳自然风冷驱动电机冷却性能研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.411

内腔油冷机壳自然风冷驱动电机冷却性能研究

黄泽好^,^,¹^,², 谢彦景^,², 张霄霆³, 曹永鹏³, 李东³

1.重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054

2.重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054

3.重庆青山工业有限责任公司，重庆 402761

Research on cooling performance of natural air-cooled drive motor with internal oil-cooled chassis

HUANG Zehao^,^,¹^,², XIE Yanjing^,², ZHANG Xiaoting³, CAO Yongpeng³, LI Dong³

1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts, Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

2.School of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

3.Chongqing Tsingshan Industrial Co. , Ltd. , Chongqing 402761, China

通讯作者: 谢彦景（1997—），男，硕士生，从事驱动电机温度场分析研究，E-mail: xie17853569663@163.com

收稿日期: 2023-12-27 修回日期: 2024-01-24

基金资助:

重庆市教委科研项目. KJQN20181101
重庆市研究生导师团队项目. 渝教研发〔2018〕6号

Received: 2023-12-27 Revised: 2024-01-24

作者简介 About authors

黄泽好（1966—），男，教授，博士，从事汽车NVH技术研究，E-mail:zehaohuang@cqut.edu.cn，https://orcid.org/0000-0002-8027-4583 , E-mail：zehaohuang@cqut.edu.cn

摘要

针对车辆驱动用高功率密度、大扭矩、小体积永磁同步电机的传统风冷结构有效散热面积小，以及运行时因存在电磁损耗而导致内部各部件温度过高的问题，提出了一种内腔油冷、机壳自然风冷的油风混合冷却方式，以满足驱动电机内部各部件的温度性能要求。采用等效热网络法计算了不同工况下驱动电机定子绕组、定子、永磁体和转子的温度，得到驱动电机的最高温度出现在定子绕组处。随后，通过实验对驱动电机定子绕组端部的温度进行了测量并与仿真结果进行对比，仿真结果与实测结果的相对误差均在5%以内。结果表明，不同工况下油风混合冷却驱动电机定子绕组及其余各部件的温度下降明显且均满足温度性能要求，说明油风混合冷却方式的散热性能良好，冷却效率高。研究结果可为车用驱动电机散热系统的研制提供参考。

关键词： 驱动电机 ; 损耗 ; 温度 ; 油风混合冷却 ; 冷却性能

Abstract

Aiming at the problems of permanent magnet synchronous motors with high power density, large torque and small volume for vehicle driving, such as small effective heat dissipation area of traditional air-cooled structure and high temperature of internal components caused by electromagnetic loss during operation, an oil-air hybrid cooling method with natural air cooling of internal cavity oil-cooled chassis was proposed, to meet the temperature performance requirements of each component in the drive motor. The equivalent thermal network method was used to calculate the temperature of the stator winding, stator, permanent magnet and rotor in the drive motor under different working conditions, and the highest temperature of the drive motor appeared at the stator winding. Then, the temperature at the stator winding end of the drive motor was measured by experiment and compared with the simulation results. The relative error between the simulation results and the measured results was less than 5%. The results showed that the temperature of the stator winding and other components of the oil-air hybrid cooling drive motor under different working conditions dropped obviously and met the temperature performance requirements, which indicated that the oil-air hybrid cooling method had good heat dissipation performance and high cooling efficiency. The research results can provide reference for the development of heat dissipation systems for vehicle drive motors.

Keywords： drive motor ; loss ; temperature ; oil-air hybrid cooling ; cooling performance

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本文引用格式

黄泽好, 谢彦景, 张霄霆, 曹永鹏, 李东. 内腔油冷机壳自然风冷驱动电机冷却性能研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(6): 733-740 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.411

HUANG Zehao, XIE Yanjing, ZHANG Xiaoting, CAO Yongpeng, LI Dong. Research on cooling performance of natural air-cooled drive motor with internal oil-cooled chassis[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(6): 733-740 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.411

为应对资源日渐趋紧和环境日益恶化的问题，我国新能源车辆的规模不断扩大，其市场渗透率已达25%，预计2035年将达50%^[1]。永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、功率密度高及控制性能好等优点^[2]，被广泛用作电动汽车等新能源车辆的驱动电机。为适应新能源车辆的发展需求，车用驱动电机的尺寸越来越小，而功率密度、扭矩密度越来越高，导致驱动电机工作时的发热问题愈发突出。温度过高会导致驱动电机定子绕组（简称绕组）线圈过热并加速其绝缘层老化和脱落^[3]，以及转子永磁体高温退磁^[4]，从而降低驱动电机的性能。因此，研究驱动电机温度场并控制其温度分布具有重大的工程意义。

现阶段，驱动电机温度场的分析方法主要包括简化公式法、等效热网络法和有限元法等^[5]。其中，等效热网络法将驱动电机模型划分为多个节点，能够快速准确地预测其内部结构的复杂温度场^[6-8]。目前，驱动电机的冷却方式主要有风冷、水冷和油冷三种。其中：风冷方式主要用于小型电机；水冷方式通过水道与定子外表面接触来进行散热，但水冷结构较为复杂；油冷方式多用于大功率电机^[9]。Park等人^[10]对喷油式、浸油式循环和间接油冷方式进行了对比分析，结果表明：喷油式油冷方式在降低电动汽车轮毂电机绕组温度上更有效。Zhao等人^[11]利用欧拉-拉格朗日方法对电机绕组端部的喷油冷却进行了仿真模拟，验证了喷油冷却方式的散热效果良好。Garud等人^[12]基于田口分析法评估了驱动电机直接喷油冷却系统传热性能的影响因素。陈小健等人^[13]为了提高驱动电机绕组的换热效率，将冷却油持续喷淋在电机的关键位置处，并通过CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）数值模拟分析合理地分配流量，使得电机各部件的温度分布较均匀。综上所述，散热效果良好的冷却方式可有效降低驱动电机各部件的温度^[14-16]。

本文以一台额定功率为14 kW的某电动汽车驱动用内置式永磁同步电机为研究对象。考虑到该驱动电机体积小、散热环境差、风冷结构有效散热面积小以及水道结构复杂且存在密封和绝缘等问题，在不改变电机外部结构的条件下，提出了一种采用绕组空心轴甩油的内腔油冷结合机壳翅片自然风冷的油风混合冷却方式。同时，采用等效热网络法计算不同工况下驱动电机各部件的温度并开展实验测试，以验证油风混合冷却方案的可行性。

1 驱动电机的基本参数

电动汽车驱动用永磁同步电机主要由转子、永磁体、定子轭、定子齿、绕组、机壳（外部设计有散热翅片）、油道、端盖和轴承等组成。该驱动电机采用机壳自然风冷和内腔油冷的混合冷却方式，其基本参数如表1所示。

表1 驱动电机基本参数

Table 1 Basic parameters of drive motor

参数	数值	参数	数值
定子铁心外径/mm	160	转子内径/mm	30
定子铁心内径/mm	122	永磁体布置形式	“V一”形
定子铁心长度/mm	68	极对数	4
定子槽数/个	48	气隙厚度/mm	0.9
转子外径/mm	121	额定功率/ kW	14

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2 驱动电机的损耗分析及等效热网络模型建立

2.1　驱动电机损耗理论分析

驱动电机运行时绕组线圈、铁心、永磁体等部件均会产生损耗，损耗绝大部分转化为热能，造成电机温度升高^[17-18]。

驱动电机总损耗P₁可表示为：

P_{1} = P_{C u} + P_{F e} + P_{p m} + P_{s} + P_{Ω}

(1)

式中： $P_{C u}$ 为绕组铜耗， $P_{F e}$ 为定子铁损和转子铁损（简称铁损）， $P_{p m}$ 为永磁体涡流损耗， $P_{s}$ 为杂散损耗， $P_{Ω}$ 为机械损耗。

绕组铜耗是指电流流经绕组铜线时绕组电阻所产生的损耗，其表达式如下：

P_{C u} = m I^{2} R

(2)

式中：m为绕组相数，R为绕组电阻，I为通过绕组的电流有效值。

铁损是指驱动电机工作时定子与转子中电磁场交替变化所导致的损耗。铁损随电机转速的升高而逐渐增大，其计算式如下：

P_{F e} = P_{c} + P_{h} + P_{e} = K_{c} f B_{m}^{a} + K_{h} f^{2} B_{m}^{2} + K_{e} f^{1.5} B_{m}^{1.5}

(3)

式中： $P_{c}$ 为铁心涡流损耗， $P_{h}$ 为铁心磁滞损耗， $P_{e}$ 为铁心附加损耗， $K_{c}$ 为涡流损耗系数， $K_{h}$ 为磁滞损耗系数， $K_{e}$ 为附加损耗系数， $f$ 为电磁场的交变频率， $B_{m}$ 为磁通密度幅值，a为斯坦梅茨常数（通常a=1.5~2.5）。

由于定子槽形和非规则谐波电流，驱动电机在实际工作时会产生永磁体涡流损耗，其表达式如下：

P_{p m} = \int E J d V_{e} = \int \frac{J^{2}}{σ_{e}} d V_{e}

(4)

式中： $E$ 为电场强度， $J$ 为涡流电流密度， $V_{e}$ 为永磁体体积， $σ_{e}$ 为导电率。

驱动电机的杂散损耗和机械损耗与绕组铜耗、铁损和永磁体涡流损耗相比较小，因此本文不予考虑。

2.2　不同工况下驱动电机损耗仿真计算

在电动汽车的不同行驶工况下，其驱动电机对应的工况不同。考虑到电动汽车加速、爬坡时驱动电机的负载大、损耗大及温升高等问题，为保证在加速、爬坡等瞬时工况下电动汽车能够保持较长时间的可靠运行，对驱动电机的额定工况、峰值功率工况（峰值工况）、高速工况和超车加速工况等典型工况进行热仿真分析^[19]。驱动电机的外特性曲线如图1所示。4种典型工况下驱动电机的电流、转速、扭矩和功率如表2所示。

图1

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图1 驱动电机的外特性曲线

Fig.1 External characteristic curves of drive motor

表2 不同工况下驱动电机的运行参数

Table 2 Operating parameters of drive motor under different working conditions

运行参数	额定工况	峰值工况	高速工况	超车加速工况
电流/A	127.5	400	90	292
转速/(r/min)	5 400	4 700	8 500	5 000~7 000
扭矩/(N·m）	26	89	17	65
功率/kW	14	43	14	47

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采用有限元方法对4种典型工况下驱动电机的损耗进行仿真计算。根据永磁同步电机结构的对称性，分析该驱动电机损耗时只需建立其1/8二维模型，如图2所示。

图2

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图2 驱动电机的1/8二维模型

Fig.2 1/8 two-dimensional model of drive motor

4种典型工况下驱动电机损耗的仿真结果如表3所示。结果表明，在驱动电机的损耗中，绕组铜耗和定子铁损的占比较高。

表3 不同工况下驱动电机损耗的仿真结果 (W)

Table 3 Simulation results of drive motor loss under different working conditions

损耗	额定工况	峰值工况	高速工况	超车加速工况
总损耗	906.66	5 193.10	1 387.52	3 880.91
绕组铜耗	350.09	4 322.00	170.17	2 493.60
定子铁损	542.90	822.00	1 197.00	1 319.00
转子铁损	13.46	48.00	19.47	67.23
永磁体涡流损耗	0.21	1.10	0.88	1.08

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2.3　驱动电机等效热网络模型建立

本文采用等效热网络法对不同工况下驱动电机各部件的温度进行计算。在建立驱动电机等效热网络模型时，将电机各区域内损耗所引起的发热量视为集中热源并用节点表示，各个节点通过等效热阻连接，热能通过等效热阻在各个节点中由高温处向低温处传递。对每个节点构建热平衡方程，得到驱动电机整体的热平衡方程组，用矩阵形式可表示为：

T G = W

(5)

其中：

G = [\begin{matrix} \sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{R_{1 i}} & - \frac{1}{R_{12}} & \dots & - \frac{1}{R_{1 n}} \\ - \frac{1}{R_{21}} & \sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{R_{2 i}} & \dots & - \frac{1}{R_{2 n}} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ - \frac{1}{R_{n 1}} & - \frac{1}{R_{n 2}} & \dots & \sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{R_{n i}} \end{matrix}]

式中： T 为各节点温度矩阵， G 为各节点热阻矩阵， W 为各节点热源矩阵，R_ij 为节点i与节点j之间的等效热阻。

在计算驱动电机各部件之间的热阻时，要考虑各部件之间的热传递方式：电机各部件之间的热传递方式为热传导，利用式(6)计算传导热阻；定、转子与气隙中空气以及电机内部各部件与冷却油的热传递方式为热对流，利用式(7)计算对流热阻。

R_{c d} = \frac{L}{λ A_{c d}}

(6)

R_{v} = \frac{1}{α A_{v}}

(7)

式中：R_cd为传导热阻，L为热传导方向上的长度， $λ$ 为导热系数，A_cd为热传导接触面积，R_v为对流热阻， $α$ 为对流换热系数，A_v为对流换热面积。

在驱动电机传热过程中，热辐射传热的占比较小，通常忽略不计。定子、绕组、气隙（空气）和冷却油是驱动电机中重要的传热介质，准确计算其导热系数有助于电机温度场的分析^[20-21]。鉴于驱动电机内部流固耦合，电机内部的导热系数为绕组、定子表面、转子表面、气隙、机壳和冷却油的等效导热系数。驱动电机各部件及介质的等效导热系数如表4所示。

表4 驱动电机各部件及介质的等效导热系数

Table 4 Equivalent thermal conductivity of each component and medium of drive motor

部件及介质	等效导热系数/［W/(m·℃)］
定、转子	30
绕组	387
机壳	150
气隙（空气）	1.05
冷却油	0.14

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构建驱动电机的等效热网络模型时作如下简化：1）电机整体温度分布沿中心轴对称；2）电机温度分布沿圆周方向对称，且冷却散热条件一致；3）电机内部空气区域的温度一致；4）只考虑机壳与外界空气的对流换热；5）忽略因温度变化而造成的电机各部件导热系数的变化。

按照驱动电机的结构及其温度分布特点，将其划分为34个单元（主要热源为绕组热源节点7~16，定子轭节点4~6），按照热能的传递方式连接等效热阻与节点，形成等效热网络，连接方式如图3所示。不同节点对应的电机部件如表5所示。

图3

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图3 驱动电机冷却系统的等效热网络节点分布

Fig.3 Equivalent thermal network node distribution of cooling system for drive motor

表5 驱动电机各部件的对应节点

Table 5 Corresponding nodes of each component of drive motor

部件	对应节点	部件	对应节点
机壳	1~3，33，34	定子齿	17~19
定子轭	4~6	转子	20~25
绕组端部	7，8，15，16	转轴	26~28
轴承	29，30	端盖	31，32

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3 驱动电机温度仿真分析

3.1　驱动电机的温度性能要求

驱动电机绕组的材料为H级绝缘耐温材料，其最高工作温度不允许超过180 ℃，性能参考温度为145 ℃；永磁体持续工作且不退磁时所允许的最高温度为150 ℃，结合电动汽车的使用特点，要求可连续运行20 s。

3.2　仅风冷时驱动电机温度分析

利用Fluent软件对仅风冷时驱动电机各部件的温度进行分析，以判断其是否满足温度性能要求。由表3可知，峰值工况下驱动电机的总损耗最高，且绕组铜耗的占比最高，故仅对该工况下绕组的温度进行分析。峰值工况下仅风冷时绕组的温度仿真结果如图4所示。由图4可知，当驱动电机运行17 s时，其绕组的温度已超过180 ℃，说明单一风冷方式下电机无法满足温度性能要求。

图4

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图4 峰值工况下仅风冷时绕组温度的仿真结果

Fig.4 Simulation results of winding temperature with air-cooling under peak working condition

3.3　油风混合冷却时驱动电机温度分析

由上述分析结果可知，驱动电机需要改善冷却方式。考虑到该电机结构紧凑，在不改变其外部结构的条件下，即保留原有的机壳翅片自然风冷方式，在转轴中心设计主油道，通过对绕组端部甩油的方式实现内腔油冷，形成新型的油风混合冷却方式。油风混合冷却驱动电机的结构如图5所示。

图5

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图5 油风混合冷却驱动电机简化三维模型

Fig.5 Simplified three-dimensional model of drive motor with oil-air hybrid cooling

为实现油风混合冷却驱动电机的最佳散热效果，以降低绕组最高温度为优化目标，以转轴甩油孔的直径、数量以及冷却油进口流量为设计变量，对电机的内腔油冷结构开展三因素三水平正交设计，对应的因素水平如表6所示。

表6 内腔油冷结构正交设计试验的因素水平表

Table 6 Factor level table for orthogonal design experiment of internal oil-cooling structure

水平	因素
水平	甩油孔直径（A）/mm	甩油孔数量（B）/个	进口流量（C）/ (L/min)
1	1.5	2	3
2	2.0	4	4
3	2.5	6	5

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考虑到驱动电机长期在额定工况与高速工况下运行，以及电机转速较低时易出现温度过高的现象，使用Fluent软件对甩油孔直径、数量及冷却油进口流量不同时绕组在额定工况下的温度进行仿真分析。设冷却介质为ATF134冷却油（密度为803.74 kg/m³，动力黏度为0.006 4 Pa·s），冷却油的入口温度为80 ℃，环境温度为40 ℃。不同参数组合下驱动电机绕组的温度仿真结果如表7所示。由表7可知，A2B2C2组合下绕组的温度最低，仅为130.86 ℃，满足上文的温度性能要求。因此，在设计甩油孔时，选择甩油孔的直径为2 mm，数量为4个。

表7 不同参数组合下绕组温度的仿真结果（额定工况）

Table 7 Simulation results of winding temperature under different parameter combinations (rated working condition)

序号	因素水平			温度/℃
序号	A	B	C	温度/℃
1	1	1	1	139.44
2	1	2	3	139.10
3	1	3	2	141.85
4	2	1	3	138.50
5	2	2	2	130.86
6	2	3	1	143.75
7	3	1	2	138.34
8	3	2	1	143.92
9	3	3	3	142.31

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在冷却油进口流量为4 L/min的条件下，对油风混合冷却时驱动电机在4种典型工况下的温度场进行分析，得到其绕组、定子、永磁体和转子等部件的温度随工作时间的变化情况，如图6所示。其中：绕组的稳态、瞬态最高温度如表8和表9所示。结果表明，在稳态条件下，绕组在高速工况下的温度较高，达到143.52 ℃，未超过稳态性能温度145 ℃；在瞬态条件下，绕组在超车加速工况下的最高温度较高，当电机运行20 s时，绕组最高温度达到163.43 ℃，未超过其最高工作温度180 ℃。由此说明，油风混合冷却时驱动电机在不同工况下的温度均满足要求。

图6

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图6 油风混合冷却时驱动电机各部件的温度仿真结果

Fig.6 Temperature simulation results of each component of drive motor with oil-air hybrid cooling

表8 油风混合冷却时绕组的稳态最高温度 (℃)

Table 8 Maximum steady-state temperature of winding with oil-air hybrid cooling

工况	最高温度	参考温度
额定工况	130.86	145.00
高速工况	143.52	145.00

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表9 油风混合冷却时绕组的瞬态最高温度

Table 9 Maximum transient temperature of winding with oil-air hybrid cooling

工况

最高温度/℃

出现时间/

运行20 s的

最高温度/℃

峰值工况

175.90

33.6

145.41

超车加速工况

176.85

22.4

163.43

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4 驱动电机温度测量实验

4.1　驱动电机温度测量方法

为验证等效热网络模型和油风混合冷却方案的可行性，通过埋置PT100热电阻的测温方法来测量油风混合冷却驱动电机样机关键部件的温度。由仿真结果可知，绕组为驱动电机内部温度最高的部件，故将PT100热电阻埋置在绕组端部，埋置位置如图7所示。

图7

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图7 PT100热电阻在绕组端部的埋置位置

Fig.7 Burial position of PT100 thermistor at the end of winding

4.2　驱动电机温度测量结果

利用图8所示的实验台架对4种典型工况下油风混合冷却驱动电机绕组端部的温度进行测量，设冷却油入口温度为（80±5）℃，环境温度为（40±5）℃。由于PT100热电阻埋置在绕组端部，取绕组端部多个测点的温度均值为实测值，并与对应位置的温度仿真值进行对比，结果如图9和表10所示。结果表明，在油风混合冷却方式下，驱动电机绕组端部温度的仿真值与实测值相吻合，4种典型工况下两者的相对误差均小于5%，认为仿真模拟有效且准确，由此说明油风混合冷却方案是切实可行的。

图8

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图8 驱动电机温度测量实验台架

Fig.8 Experimental bench for drive motor temperature measurement

图9

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图9 不同工况下绕组端部温度的仿真值与实测值对比

Fig.9 Comparison between simulation and measured values of winding end temperature under different working conditions

表10 不同工况下绕组端部的最高温度对比

Table 10 Comparison of maximum temperature of winding end under different working conditions

最高温度/℃	额定工况	峰值工况	高速工况	超车加速工况
相对误差/%	4.8	2.4	4.9	3.5
仿真值	127.98	174.80	141.66	175.67
实测值	122.15	170.63	135.09	169.73

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5 结论

1）在传统风冷方式的基础上，针对电动汽车驱动电机提出了一种内腔油冷结构，并采用正交设计法对甩油孔的结构参数进行了设计。同时，通过构建驱动电机的等效热网络模型，分析了不同工况下其内部各部件的温度。结果表明，增加内腔油冷结构后，油风混合冷却方式可使驱动电机各部件的温度显著降低。

2）搭建了驱动电机温度测量实验台架并开展温度测量实验。结果表明，油风混合冷却方式下驱动电机绕组端部温度的仿真结果与实测结果相吻合，说明采用等效热网络方法进行温度模拟是可行的；油风混合冷却驱动电机的散热效果明显改善，说明内腔油冷、机壳自然风冷的混合冷却方案设计合理。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

中国汽车工程学会. 节能与新能源汽车技术路线图2.0［M］. 北京：机械工业出版社， 2021.