魏仁鳳 王彬 葉志鋒
摘要:針對(duì)一體化電動(dòng)燃油泵的熱源分布和傳熱作用機(jī)制,設(shè)計(jì)其雙螺旋冷卻殼體,并采用數(shù)值模擬研究雙螺旋對(duì)電機(jī)散熱效果的影響和電動(dòng)燃油泵的最佳燃油分配比。對(duì)電動(dòng)燃油泵電機(jī)一冷卻殼體進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬,獲得流道內(nèi)的溫度場(chǎng)分布;計(jì)算不同工況燃油分配比的電動(dòng)燃油泵,得到冷卻殼體的溫度和進(jìn)出口壓差的隨燃油分配比變化情況。結(jié)果表明,雙螺旋冷卻殼體使電機(jī)溫度場(chǎng)的溫度分布更均勻;流通的燃油使電機(jī)定子溫度降低,但同時(shí)也增加了燃油的消耗。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)燃油泵;雙螺旋流道;流固耦合;冷卻殼體;燃油分配比
中文分類號(hào):V233.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí):A
作為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一,電動(dòng)燃油泵是一種一體化電動(dòng)液壓動(dòng)力單元,是典型的集機(jī)、電、液為一體的特種機(jī)電產(chǎn)品,兼有流動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)控制兩大特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)燃油泵的電驅(qū)動(dòng),可減輕重量、提高系統(tǒng)的可靠性[1]??烧{(diào)節(jié)流量以及速度的電動(dòng)燃油泵結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,易和多電發(fā)動(dòng)機(jī)匹配,泵供油不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響,成為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。對(duì)電機(jī)散熱分析采用Bertotti鐵耗分離計(jì)算模型計(jì)算電機(jī)鐵耗,再利用公式計(jì)算電機(jī)銅耗[3,4]。在電動(dòng)燃油泵工作過程中,電機(jī)損耗多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?,極易因殼體內(nèi)部尤其是定子部件溫度過高引起電機(jī)超溫,嚴(yán)重時(shí)易使電機(jī)定子燒毀,或使電機(jī)定子繞組絕緣損壞而引起股間短路[5],因此,電機(jī)的散熱研究顯得尤為重要,此時(shí)需要增加冷卻裝置設(shè)置設(shè)計(jì)以防止燃油系統(tǒng)超溫。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)應(yīng)對(duì)邊界條件改變時(shí)適應(yīng)性好,結(jié)果精確性高,可以獲得電機(jī)物理場(chǎng)分布和高溫區(qū)域分布,有利于開展電機(jī)散熱性能研究[6]研究人員利用CFD技術(shù),研究對(duì)比高功率密度電機(jī)的軸向“S”型、周向型、軸向螺旋型三種冷卻流道形式的溫度場(chǎng),得到最佳的冷卻流道形式為軸向螺旋型[7]。利用CFD對(duì)定子損耗產(chǎn)生的熱量、泵、油冷流場(chǎng)采取流固耦合仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
國外在電機(jī)油冷方面做了大量研究。Tanguy D等對(duì)電機(jī)油冷系統(tǒng)中各部分參數(shù)對(duì)油冷性能做了大量試驗(yàn)[8];Davin T等改變電機(jī)油冷系統(tǒng)中的參數(shù),探究其對(duì)冷卻效果的影響,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[9];M.Lindh P等研究了電機(jī)直接冷卻與間接冷卻的散熱性能[10];Pechanek R等利用CFD技術(shù)建立軸向型和周向型水冷流道的溫度場(chǎng)模型進(jìn)行流固耦合分析,發(fā)現(xiàn)周向型流道由于水速較慢,冷卻系數(shù)降低,冷卻效果比軸向型冷卻效果差[11]。
電機(jī)冷油的研究日臻完善,但是燃油分配比對(duì)溫度場(chǎng)的影響卻鮮有報(bào)道。本文基于CFD方法探究散熱性能更高的流道形狀,針對(duì)軸向螺旋型的流道開展研究,對(duì)雙螺旋水冷卻電機(jī)散熱研究時(shí),采用熱網(wǎng)絡(luò)法,將熱網(wǎng)絡(luò)等效成模擬電路,轉(zhuǎn)化場(chǎng)的形式來計(jì)算定子平均溫升[12],探究了冷卻殼體在不同燃油分配比下對(duì)溫度場(chǎng)的影響。
1 冷卻殼體設(shè)計(jì)
1.1 電機(jī)參數(shù)
本文電動(dòng)燃油泵由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng),其主要參數(shù)見表1。
1.2 冷卻殼體尺寸
在冷卻流道類型中,軸向“S”型流道的單條流道之間容易出現(xiàn)局部高溫,導(dǎo)致內(nèi)壁面整體溫度分布不均勻,螺旋型流道溫度隨螺旋旋向先增大后減小使溫度分布均勻[13]。與單螺旋流道相比,雙螺旋流道間隔流道中的冷卻流體流向相反,能夠使溫度低的油路與溫度高的油路相鄰,改善冷卻燃油與熱源之間的溫度梯度。根據(jù)電動(dòng)燃油泵電機(jī)的主要參數(shù),采用軸向雙螺旋型冷卻流道。該殼體采用剖分式結(jié)構(gòu),利用過盈配合裝配,殼體兩端安裝周向密封圈以確保其密封性。根據(jù)電動(dòng)泵的性能參數(shù),設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻流道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),利用UG建模軟件建立雙螺旋冷卻燃油流道三維模型。其具體的結(jié)構(gòu)尺寸見表2。
1.3 冷卻油流量
在穩(wěn)定工作時(shí),電動(dòng)泵的流量遠(yuǎn)高于電機(jī)殼體冷卻所需的流量,過多的燃油流量使流道結(jié)構(gòu)尺寸增加,而航空電動(dòng)燃油泵要求在滿足冷卻效果的前提下盡可能減少體積和重量,提出在流道進(jìn)出口增設(shè)燃油分配器,以實(shí)現(xiàn)按需供油,最大程度地減少冷卻殼體的徑向尺寸,優(yōu)化其與同功率燃油泵一體化結(jié)構(gòu)。燃油分配器裝于泵的出油口,兩端出油口一路將滿足散熱要求的冷卻流量引入冷卻流道,另一路將其余燃油引入泵的工作回路,已知電機(jī)運(yùn)行功率是8kW,根據(jù)式(1)得到實(shí)際所需要的冷卻流量:式中:m為冷卻油流量,單位為kg/s;AT為進(jìn)出口冷卻油溫差,假設(shè)為3℃;cp為航空煤油比定壓熱容,單位為J/(kg·℃);Q為散熱功率,為運(yùn)行功率的10%,單位為W。根據(jù)式(11)計(jì)算得到所需要的冷卻油流量m=0.128kg/s。
2 流固耦合數(shù)值模擬
2.1 耦合邊界方程
電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計(jì)算,使得電機(jī)產(chǎn)熱量與散熱量達(dá)到平衡,降低電機(jī)整體溫度,保證電機(jī)正常工作[14]。在對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),可將電機(jī)本身看成一個(gè)內(nèi)部有源傳熱體,其中定子齒部是熱量傳遞的主要通道,是整個(gè)電機(jī)熱流密度最大的地方,溫度場(chǎng)主要的傳熱形式為熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流[15,16]。由于在工作時(shí)冷卻燃油和雙螺旋流道產(chǎn)生相互作用,因此采用流固耦合仿真,計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算可歸納為求解有限元方程,流體流動(dòng)問題根據(jù)N-S方程進(jìn)行求解。冷卻殼體內(nèi)的燃油視作三維無壓縮湍流,其質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程分別為:式中:ρ為密度,單位為kg/s,u為速度矢量,單位為m/s;p為流道內(nèi)任意一點(diǎn)壓力,單位為N;μ為燃油動(dòng)力黏度,單位為Pa·s;cp為航空煤油比定壓熱容,單位為J/(kg·℃);λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·s);s為動(dòng)量方程廣義源項(xiàng);sT為能量方程廣義源項(xiàng);T為溫度,單位為℃。
2.2 流固耦合的必要性
為證明流固耦合的必要性,在額定功率8kW,冷卻流量為0.128kg/s的工況下進(jìn)行非流固耦合仿真研究雙螺旋冷卻流道的散熱情況,并和流固耦合的散熱情況進(jìn)行對(duì)比,圖1為流固稠合仿真模型,非流固耦合的模型去掉流固耦合模型中的冷卻殼體。
為簡化計(jì)算做出以下假設(shè):(1)電機(jī)各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)、散熱系數(shù)不隨溫度變化。(2)忽略電機(jī)定子模型。基于ICEM網(wǎng)格生成軟件對(duì)流體域和固體域劃分網(wǎng)格,導(dǎo)入CFX前處理并進(jìn)行計(jì)算以獲得流體域、固體域的耦合仿真結(jié)果。
在CFX前處理中,流體域介質(zhì)為航空煤油,傳熱方式為Thermal Energy(熱焓模型);設(shè)置0.128kg/s的流量進(jìn)口,溫度為35℃;靜壓為8MPa的壓力出口;由于與電機(jī)定子接觸的內(nèi)壁面劃分為殼網(wǎng)格不能用于流動(dòng)計(jì)算,故電機(jī)產(chǎn)生的熱量以熱流密度的形式施加在與電機(jī)定子相接觸的內(nèi)壁面上;與外界發(fā)生熱交換的壁面邊界定義為自然對(duì)流換熱,設(shè)置完參數(shù)后開始計(jì)算,在殘差值收斂到合理范圍內(nèi)時(shí)停止計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果,圖2和圖3分別為非流固耦合和流固耦合的溫度云圖。
通過對(duì)比圖2和圖3可以得出,與流固耦合仿真相比,非流固耦合仿真時(shí)精度不高,溫度分布不均勻,內(nèi)壁面溫度過高。因此非耦合的仿真方法是不合理的,采用流固耦合數(shù)值模擬是有必要的。
3 冷卻殼體仿真結(jié)果分析
燃油分配比是燃油分配器兩出油口流量之比,即進(jìn)入冷卻流道的燃油流量與剩余流量之比。最小的冷卻流量即為最佳燃油分配比能實(shí)現(xiàn)理想的冷卻效果,在流道設(shè)計(jì)確定之后,可降低流速,一定程度減少壓力損失,從而提高泵的效率。
3.1 整體燃油流域溫度場(chǎng)分析
選取冷卻燃油流量為0.128kg/s,電機(jī)運(yùn)行功率為8kW的工況下分析。得到仿真結(jié)果如圖4所示,由圖可知,燃油的溫度隨著流道的旋向逐漸升高,到達(dá)最高溫度,出現(xiàn)局部高溫區(qū)域,接著溫度沿著流道旋向逐漸下降,從圖中可以發(fā)現(xiàn)冷卻流道進(jìn)出口的溫差不大,這是由于雙螺旋流道的流道長,熱換面積大,高溫燃油在到達(dá)出口前的溫度能降至與人口燃油溫度相差無幾的狀態(tài)。
3.2 殼體內(nèi)壁面溫度場(chǎng)分析
選取同樣的電機(jī)工況進(jìn)行分析。得到殼體內(nèi)壁面的溫度云圖,由圖5可以看出,最高溫度為340K,溫度差值不大,并且溫度分布均勻,說明雙螺旋殼體的冷卻效果較好。
3.3 不同冷卻流量下的散熱性能
改變?nèi)加头峙淦鏖y芯的位置,以獲得不同的冷卻燃油流量進(jìn)入冷卻殼體進(jìn)行流固耦合仿真,得到殼體內(nèi)壁面平均溫度和局部最高溫度如圖6所示。從圖中可以看出,燃油分配比逐步增加,即進(jìn)入冷卻殼體的煤油流量增加,殼體內(nèi)壁面平均溫度隨之減小。這是因?yàn)槔鋮s燃油流量增加導(dǎo)致流道中的燃油流速加快,從而加快了電機(jī)定子與流道內(nèi)冷卻燃油的熱交換,使散熱性能上升。采用這種數(shù)值模擬方法,可以尋找最小的流量滿足冷卻效果使得殼體的設(shè)計(jì)最優(yōu)。局部最高溫度也是衡量殼體散熱性能是否合理的重要指標(biāo)。隨著燃油分配比的增加,局部最高溫度同樣也隨之減小。
3.4 冷卻殼體壓降分析
Jun Ho Lee等研究電動(dòng)車用輪轂電機(jī)水冷散熱時(shí)發(fā)現(xiàn),冷卻水人口和出口的壓差隨著流量的增加而急劇增加,壓差上升代表著流道中流動(dòng)阻力增加,使得冷卻效率的下降。經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),流道存在最佳流量,可控制壓差在合理范圍內(nèi)。因此,增加冷卻液體流量時(shí)應(yīng)考慮壓差對(duì)冷卻效果的影響,不宜過度增加流量[17]。由于冷卻燃油的供給來源于泵,則必使泵有一定的功率損耗,其與流道進(jìn)出口壓降的關(guān)系式:式中:Wp為冷卻損耗功率,單位為W;mv為冷卻液體體積流量,單位為m3/s;Δp為進(jìn)出口壓降,單位為Pa。
當(dāng)冷卻燃油流量一定即燃油分配比確定時(shí),泵為冷卻煤油提供動(dòng)力消耗的功率與冷卻殼體進(jìn)出口壓降成正比。通過對(duì)不同燃油分配比工況下進(jìn)行仿真研究,得到燃油分配比與冷卻殼體進(jìn)出口壓降的特性曲線,如圖6所示。由圖可知,燃油分配比逐漸增加,進(jìn)出口壓降隨之升高。這是因?yàn)槿加头峙浔鹊脑黾右馕吨M(jìn)入冷卻殼體的燃油流量增加,其流速加快,從而導(dǎo)致冷卻殼體燃油進(jìn)出口的壓降增加,影響燃油泵電機(jī)的整體效率。
綜上所述,由于殼體內(nèi)壁面的平均溫度不宜超過343K,局部最高溫度不宜超過353K,因此綜合平均溫度、局部最高溫度與進(jìn)出口壓降三者綜合考慮,選擇0.13為燃油分配比最佳。
4 結(jié)束語
本文根據(jù)電動(dòng)燃油泵電機(jī)的性能參數(shù),研究了電機(jī)定子雙螺旋冷卻燃油流道,利用CFX進(jìn)行冷卻殼體的流固耦合數(shù)值模擬,研究分析了冷卻方案的性能特點(diǎn),得到以下結(jié)論:
(1)雙螺旋燃油流道對(duì)電動(dòng)燃油泵電機(jī)能夠起到冷卻效果,且使溫度分布更均勻,通過合理設(shè)計(jì)能夠滿足冷卻要求。
(2)燃油分配比影響著電機(jī)溫度場(chǎng)。隨著燃油分配比的增加,會(huì)使進(jìn)入冷卻殼體內(nèi)的冷卻油增加,導(dǎo)致溫度降低;但同時(shí)也會(huì)使燃油進(jìn)出口的壓力降增加,而壓力降增加又會(huì)導(dǎo)致冷卻效率降低。因此存在最佳的燃油分配比,本文中的最佳燃油分配比為0.13。
本文中電機(jī)熱源為定子內(nèi)壁面熱功率,并未從電機(jī)損耗機(jī)理精確核算不同工況下的理論溫度或可能的溫度場(chǎng)分布,建議今后建立考慮電樞繞組和鐵心更為精確的仿真模型。
參考文獻(xiàn)
[1]林全喜.航空電動(dòng)燃油泵用無刷直流電動(dòng)機(jī)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.
[2]文元江,李瑜,孫樹恩.多電發(fā)動(dòng)機(jī)用電動(dòng)燃油泵方案研究[C]//中國航空學(xué)會(huì)第十四屆發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì),2008.
[3]汪遠(yuǎn)林,竇滿峰.高功率密度永磁同步電動(dòng)機(jī)散熱設(shè)計(jì)及熱場(chǎng)分析[J].微特電機(jī),2013,41(5):23-24.
[4]徐云龍.高速永磁電機(jī)損耗計(jì)算與熱分析[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2011.
[5]孔曉光.高速永磁電機(jī)定子損耗和溫升研究【0].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2011.
[6]程樹康,李翠萍,柴鳳.不同冷卻結(jié)構(gòu)的微型電動(dòng)車用感應(yīng)電機(jī)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,犯(30):82-90.
[7]王曉遠(yuǎn),杜靜娟.CFD分析車用電機(jī)螺旋水路的散熱特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2018,33(04):955-963.
[8]Taguy D,Julien P,Souad H,et al.Experimental study ofoil cooling systems for electric motors[J].Applied ThermalEngineering,2015,75:1-13.
[9]Davin T,Pell J,Harmand S,et al.Experimental study ofoil cooling systems for electric motors[J].Applied ThermalEngineering,2015,75(1):1-13.
[10]Lindh P M,Petrov I,Semken R S,et al.Direct liquid coolingin low-power electrical machines:proof-of-concept[J].IEEETransactions on Energy Conversion,2016,31(4):1257-1266.
[11]Pechdnek R,Bouzek L.Analyzing of two types water coolingelectric motors using computational fluid dynamics[C]//PowerElectronics and Motion Control Conference.IEEE,2013.
[12]王北社.定子外水冷卻高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.
[13]王可,劉繼行,孫興偉.螺旋水套與軸向水套水冷系統(tǒng)流固稠合對(duì)比分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(11):46-48.
[14]孫立云.“S”型電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與散熱計(jì)算[j].中國科技博覽,2011(28):331-332.
[15]溫嘉斌,許明宇.防爆型水冷電機(jī)內(nèi)換熱與溫度場(chǎng)計(jì)算[耳電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(3):393-397.
[16]朱巍.電動(dòng)車用高功率密度永磁同步電機(jī)熱管理系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.
[17]Lee J H,Lee G S,Yu B H,et al.Design and thermal analysisof electric motors of electric vehicles using analytical and CFDmethods[C]//EVS28 International Electric Vehicle Symposiumand Exhibition.KINTEX,Korea,2015.