電動大巴車用永磁電機散熱分析與仿真

靳盛博 張丹

摘? 要：為解決新能源汽車電機由于尺寸、工作環(huán)境限制導(dǎo)致的散熱困難問題。依據(jù)流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論對傳熱過程進行分析，應(yīng)用有限體積法進行溫度場分析，借助國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心實驗平臺進行實驗驗證，有限元仿真結(jié)論與實驗結(jié)果相一致。通過對該電機的分析與實驗，得出其實際散熱能力與理論數(shù)據(jù)相吻合，達到了預(yù)期目標(biāo)，并且給出合理水流量。

關(guān)鍵詞：永磁電機;水冷;熱仿真;溫升實驗

中圖分類號：TH12? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）17-0001-04

Abstract： In order to solve the problem of heat dissipation caused by the limitation of size and working environment of new energy vehicle motor， according to the theory of hydrodynamics and heat transfer， the heat transfer process is analyzed， the temperature field is analyzed by the finite volume method， and the experimental verification is carried out with the help of the experimental platform of the National Rare Earth Permanent Magnet Motor Engineering Technology Research Center. The finite element simulation results are consistent with the experimental results. Through the analysis and experiment of the motor， it is concluded that the actual heat dissipation capacity is consistent with the theoretical data， the expected goal is achieved， and the reasonable water flow rate is given.

Keywords： permanent magnet motor; water cooling; thermal simulation; temperature rise experiment

引言

傳統(tǒng)燃油汽車大量消耗不可再生的能源，給環(huán)境造成了巨大的損害，能源緊缺問題日益嚴(yán)峻。大力發(fā)展新能源電動汽車是汽車領(lǐng)域走向成熟的的關(guān)鍵一步，新能源汽車在環(huán)保性能和車輛性能上有著巨大的優(yōu)勢。新能源汽車主要有環(huán)保燃料汽車、純電力汽車、以及混動系統(tǒng)汽車[1]。驅(qū)動電動機是電動汽車的核心構(gòu)造，驅(qū)動電機多種多樣，其中永磁同步電動機最大的特點是體積小、質(zhì)量輕、運行可靠、噪聲低、振動小、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速范圍大、功率密度高、效率高等[2]，綜合性能十分出色，因此成為優(yōu)勢最明顯的驅(qū)動電機之一。

然而車用電機的工作環(huán)境非常嚴(yán)苛[3]，由于啟動頻繁、運行時間不穩(wěn)定、過載能力高、汽車內(nèi)部空間小等原因，電機的散熱空間極其有限，而永磁同步電機中的永磁體一旦達到臨界溫度點便會發(fā)生嚴(yán)重的退磁現(xiàn)象，因此解決電機散熱問題是電動汽車發(fā)展中的一大難題[4]。

由于水冷效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)冷等其他冷卻方式[5]，同時還具有噪聲小，運行穩(wěn)等優(yōu)點[6]。因此根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的實際需求，對電動大巴車用永磁電機進行散熱分析與仿真，為電機設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 電機熱源分析

本課題的永磁同步電機主要結(jié)構(gòu)包括：定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、機械結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器。電機整體的三維模型如圖1所示。

電機的發(fā)熱主要是由于其在機電能量轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的無法避免的損耗，從而演變成使電機各部分溫度升高的熱量。電機的主要損耗可以分為銅線損耗、鐵芯損耗、機械損耗與雜散損耗。

（1）銅線損耗。主要由銅線繞組中的電流所產(chǎn)生的損耗，由于本課題電機為三相繞組，各項繞組的電流相同，電阻相同，則其銅損如式（1）所示：

2 散熱仿真分析

2.1 流體控制方程與有限體積法

無論流體發(fā)生何種變化過程，其質(zhì)量始終保持不變以動量守恒定律和牛頓第二定律為基礎(chǔ)，得出對于粘性流體的運動方程表達式，如公式（6）所示：

公式（6）在經(jīng)典流體力學(xué)中被稱為納維葉-斯托克斯（Navier-Stokes），簡稱N-S方程。

根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，以溫度的角度與其他參數(shù)建立聯(lián)系，其穩(wěn)態(tài)對流換熱能量微分方程為如式（7）所示：

有限體積法是目前求解流體與傳熱問題中最有效的數(shù)值計算方法。其計算形式可由N-S方程的簡化與重構(gòu)后如式（8）所示：

2.2 模型處理與邊界條件

對圖1的三維模型進行簡化，忽略止動墊圈、墊片、彈性擋圈等不影響散熱的零件，排除多余的干擾因素，提高計算機運行的效率，減少發(fā)生干涉等錯誤幾率。

網(wǎng)格選用六面體形式，在保證其運算效率的基礎(chǔ)上，為簡化離散、降低誤差、保證結(jié)果精度及迭代收斂，開啟自適應(yīng)網(wǎng)格模式，依據(jù)實時結(jié)果進行網(wǎng)格自我調(diào)節(jié)。簡化后的模型如圖2所示。

設(shè)定計算區(qū)域，并劃分流體子域，進水口流量根據(jù)冷卻設(shè)備供水量設(shè)定為1m3/h，由流體雷諾數(shù)Re=15149≥2300可知，確定為湍流模型，如圖3所示，出水口默認(rèn)與空氣壓力相同，賦予一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，給定初始水溫及熱源。

2.3 仿真結(jié)果

求解運算可以得出電機各部溫度，通過布爾運算將其展示為矢量云圖，如圖4所示。

將圖4的計算過程與結(jié)果在直角坐標(biāo)系中描述出來，如圖5所示。

圖4中的溫度分布結(jié)果顯示，出水端的溫度分布明顯高于進水端的溫度分布，圖5（a）可以得出機殼表面的最大值為38.2℃，圖5（b）可以得出出水溫度最大為33.09℃，圖5（c）可以得出繞組端部溫度最大為74.89℃，低于永磁體退磁溫度，并不會發(fā)生退磁現(xiàn)象。此時電機的發(fā)熱已經(jīng)與水流的散熱形成了熱平衡，該方案可達到設(shè)計要求，可進行樣機制造。

3 樣機實驗及實驗數(shù)據(jù)分析

實驗過程中，對機殼的不同區(qū)域溫度，出水溫溫度以及繞組端部溫度進行了監(jiān)控，如圖7所示。

根據(jù)圖7中所顯示的數(shù)據(jù)，選取幾個離散點進行對比，其實測值與計算值的相吻合，如表2所示。

由于空氣震蕩，機殼表面散發(fā)部分熱量，因此水流帶走熱量略低于仿真值，實際出水溫度略低于仿真值，誤差約為0.88%。

機殼表面溫度最高為38.2℃，由于條件限制，隨著環(huán)溫升高，導(dǎo)致機殼表面實際溫度略高于仿真值，誤差約為0.87%。

圖7中，T11為纏繞于銅線中，裸露在空氣中的熱敏電阻所示溫度，T12為埋與銅線內(nèi)部的熱敏電阻溫度，但卻并不是繞組中溫度最高的位置，根據(jù)其他位置的溫度分析，可以估算出電機繞組最高溫度低于80℃。并不會出現(xiàn)永磁體退磁的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)電機內(nèi)熱交換原理，分析計算了電機的主要熱源。建立電機整體三維模型，以N-S方程為基礎(chǔ)、運用有限體積法對電機的散熱進行數(shù)值計算，其散熱能力能夠保證永磁體不退磁、足夠保證循環(huán)冷卻系統(tǒng)平衡、電機可安全運行。

（2）樣機實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)匹配度很高。電機表面溫度無軸向梯度，內(nèi)部繞組端部溫度最高為69.3℃，處于安全工作溫度區(qū)域，實際溫升數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)誤差約為0.9%，電機無退磁現(xiàn)象發(fā)生，該設(shè)計與仿真方法適用于車用永磁同步電機水冷散熱的求解，目前該電機已經(jīng)過多次試驗測試，準(zhǔn)備投入于實際應(yīng)用。

（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出，隨著水流量越大，其溫升下降曲線下降速度越來越緩，此時水的散熱能力已經(jīng)達到飽和的狀態(tài)，電機多余熱量已被完全散出，這會導(dǎo)致水泵和制冷設(shè)備的功率損耗，需要對水流量進行合理的優(yōu)化，使水冷循環(huán)系統(tǒng)處于效率最高的工作狀態(tài)。

參考文獻：

[1]王磊.電動客車用永磁同步電機散熱的仿真分析和優(yōu)化研究[D].安徽理工大學(xué)，2015.

[2]唐任遠(yuǎn).稀土永磁電機發(fā)展綜述[J].電氣技術(shù)，2005（4）：1-6.

[3]劉蕾.純電動汽車水冷永磁同步電機多工況熱特性及冷卻系統(tǒng)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]張舟云，徐國卿，沈祥林.用于電動汽車的電機和驅(qū)動器一體化冷卻系統(tǒng)[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2005，33（10）：1367-1371.

[5]吳琳，王宏光.水冷電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計與計算[J].機械設(shè)計與制造，2008（8）：40-42.

[6]Kral C， Haumer A， Bauml T. Thermal Model and Behavior of a Totally-Enclosed-Water-Cooled Squirrel-Cage Induction Machine for Traction Applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（10）：3555-3565.