車用電機(jī)溫度場分析與冷卻結(jié)構(gòu)選擇

王鈺琦，黃曉艷,2，方攸同

(1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027; 2.浙江省電機(jī)系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

0 引 言

電機(jī)是驅(qū)動電動汽車的重要部件，具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。過高的電機(jī)溫升會破壞電機(jī)材料，減弱電機(jī)負(fù)載能力，影響電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及使用壽命。因此準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)溫升并合理設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中具有重要的意義[1]。

電機(jī)溫升的計(jì)算，主要采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值計(jì)算法。數(shù)值計(jì)算法計(jì)算精度高，但速度慢、對計(jì)算資源的要求高。文獻(xiàn)[2-4]研究了電機(jī)各部分熱性能參數(shù)的等效方法，通過等效處理，提高數(shù)值計(jì)算速度。

電機(jī)水冷主要將機(jī)殼部分制作成冷卻通道，文獻(xiàn)[5]提供了使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)研究電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的方法，文獻(xiàn)[6-7]分析了螺旋型冷卻水道散熱特性，文獻(xiàn)[8-9]指出了電機(jī)水道結(jié)構(gòu)中加入肋片對提升冷卻效果有積極作用。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值計(jì)算方法，對電機(jī)進(jìn)行全域溫度場分析。比較螺旋型、周向型和軸向型三種不同水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)冷卻效果的影響，并綜合水泵功率、制造工藝等衡量指標(biāo)，為選擇電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)提供一定參考。

1 三維永磁同步電機(jī)數(shù)值計(jì)算模型

1.1 永磁同步電機(jī)模型參數(shù)

本文采用的電機(jī)為電動汽車用永磁同步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 三種不同水道結(jié)構(gòu)模型

本文研究的3種不同水道結(jié)構(gòu)分別為螺旋型、周向型和軸向型。

圖2 3種不同水道結(jié)構(gòu)

螺旋型水道結(jié)構(gòu)中，水流由入水口沿螺旋水道圓周方向?qū)訉永@流，直至出水口。周向型水道結(jié)構(gòu)中，水流沿圓周方向流過一周，經(jīng)過間隙再反向流動，周期循環(huán)至出水口。軸向型水道結(jié)構(gòu)中，水流從入水口沿軸向方向，從水道一端流向另一端，再沿間隙繞過，反向沿軸向流動，循環(huán)往復(fù)直至流出。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)，選取3種水道結(jié)構(gòu)截面積均為130 mm2，散熱面積均約為700 cm2。

1.3 水道流體模型確定

流體流動狀態(tài)分為層流和湍流，由雷諾數(shù)進(jìn)行判斷[10]。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件需要根據(jù)流體流動狀態(tài)確定流動模型，以便于求解。

(1)

式中,Rex為雷諾數(shù)，無量綱；ρ為流體密度，kg/m3；u為流體的速度，m/s；η為流體的動力粘度，kg/(m·s)；d為水力直徑，m；A為管路截面的潤濕面積，m2；x為管路截面的潤濕周長，m。

對于長方形管道，一般認(rèn)為臨界雷諾數(shù)Recr=2300。Re<2300，則流體流動狀態(tài)為層流；Re>2300，流體流動狀態(tài)為湍流。

流體流速取v=8 L/min，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)得到雷諾數(shù)為Re=20061。因此確定本文流動模型為湍流模型，采用CFD中雙方程模型，即標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解。

1.4 電機(jī)繞組熱性能的等效處理

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)及其實(shí)際工作環(huán)境相對復(fù)雜，完全建模將消耗大量計(jì)算資源及計(jì)算時(shí)間，為降低仿真難度且獲得較為準(zhǔn)確的熱仿真結(jié)果，需要對繞組的熱性能進(jìn)行等效處理。

定子槽內(nèi)繞組部分包含銅導(dǎo)線、漆膜、槽絕緣、空氣，將槽內(nèi)所有部件等效為一個(gè)實(shí)體，計(jì)算其等效導(dǎo)熱系數(shù)，在保證其熱性能等效的前提下，簡化運(yùn)算。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，利用如下公式計(jì)算繞組的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

(2)

式中,λj為槽內(nèi)等效實(shí)體的等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；δi為單個(gè)槽內(nèi)各部分等效實(shí)體的厚度，m2；λi為單個(gè)槽內(nèi)各部分等效實(shí)體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

1.5 電機(jī)熱源的確定

永磁同步電機(jī)熱源為電機(jī)的各項(xiàng)損耗，根據(jù)損耗產(chǎn)生的位置，針對實(shí)驗(yàn)用電機(jī)分別計(jì)算定轉(zhuǎn)子鐵芯的鐵耗、繞組銅耗及永磁體渦流損耗。各部分損耗密度如表2所示。

表2 電機(jī)各部分損耗密度

2 電機(jī)溫度場的仿真與分析

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真軟件，分別對3種不同水道結(jié)構(gòu)下電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真。探究3種不同水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)冷卻效果、溫度分布的影響。

2.1 電機(jī)整機(jī)溫度分析

在流體流速為8 L/min時(shí)，觀察電機(jī)整機(jī)溫升的情況，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 電機(jī)整機(jī)溫度

軸向型水道電機(jī)整體溫升最低，冷卻效果最好，周向型水道次之，螺旋型水道電機(jī)溫升最高，冷卻效果最差。

2.2 電機(jī)各部分溫度分析

為探究冷卻水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)各部分冷卻效果的影響，對電機(jī)各主要部分進(jìn)行溫度分析。在3種不同冷卻水道下，水道、轉(zhuǎn)子、定子、繞組溫度比較情況如圖4～圖7所示。

圖4 3種水道結(jié)構(gòu)溫度分布

水道溫度呈現(xiàn)入水口較低，出水口較高的分布。入水溫度為70 ℃，水流沿水道流動吸收熱量，越靠近出水口吸熱越多，因此溫度越高。對比3種不同水道結(jié)構(gòu)，軸向型水道溫升最低，周向型水道次之，螺旋型水道溫升最高。

圖5 3種水道結(jié)構(gòu)下電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度分布

電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度呈現(xiàn)中心與轉(zhuǎn)軸連接處較低，外圍與永磁體連接處溫度較高的分布。轉(zhuǎn)軸非熱源，因而溫度較低，永磁體渦流損耗增加轉(zhuǎn)子外圍溫度。對比3種不同水道結(jié)構(gòu)，軸向型水道溫升最低，周向型水道次之，螺旋型水道溫升最高。

圖6 3種水道結(jié)構(gòu)下電機(jī)定子溫度分布

電機(jī)定子溫度呈現(xiàn)外圍軛部與機(jī)殼相接處溫度較低，內(nèi)側(cè)齒部與繞組相接處溫度較高的分布。外圍水道能夠有效降低定子溫度，使得軛部降溫明顯；繞組銅耗較高，提升內(nèi)側(cè)齒部溫度。對比3種不同水道結(jié)構(gòu)，軸向型水道溫升最低，周向型水道次之，螺旋型水道溫升最高。

圖7 3種水道結(jié)構(gòu)下電機(jī)繞組溫度分布

電機(jī)繞組溫度呈現(xiàn)中間槽內(nèi)繞組溫度較低，兩側(cè)端部繞組溫度較高的分布。槽內(nèi)繞組受水道冷卻效果明顯，且水道入水位置繞組溫度低于出水位置。對比3種不同水道結(jié)構(gòu)，軸向型水道溫升最低，周向型水道次之，螺旋型水道溫升最高。

2.3 電機(jī)溫升理論分析

對流換熱是指運(yùn)動的流體與它所流經(jīng)的固體表面之間的換熱過程，采用水冷方式的電機(jī)主要通過水道與電機(jī)間對流換熱過程散熱。根據(jù)牛頓冷卻定律，對流換熱的熱量與對流換熱系數(shù)、換熱面積以及壁面與水道的溫度差成正比。

φ=hA(TW-Tf)

(3)

式中，φ為換熱功率，W；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2×℃)；A為對流換熱面積，m2；TW為壁面溫度，℃；Tf為水道溫度，℃。

對流換熱系數(shù)反映對流換熱能力的強(qiáng)弱，與影響換熱過程的諸多因素有關(guān)，包括對流運(yùn)動成因和流動狀態(tài)、流體的物理性質(zhì)(隨種類、溫度和壓力而變化)、傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置等，難以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。因此本文采用回歸分析方法，歸納電機(jī)整機(jī)溫升與水道結(jié)構(gòu)形狀的關(guān)系，構(gòu)建回歸方程，以便更準(zhǔn)確的衡量不同結(jié)構(gòu)水道的散熱效果。

2.4 電機(jī)溫升回歸分析

為更加準(zhǔn)確的探究電機(jī)溫升與水道結(jié)構(gòu)形狀的關(guān)系，采用多元線性回歸的方法，定量分析水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)整機(jī)最高溫度的影響。

圖8 3種水道結(jié)構(gòu)下電機(jī)整機(jī)最高溫度

水道結(jié)構(gòu)形狀為定性變量，定義變量如下

通過回歸分析得到電機(jī)整機(jī)最高溫度與流體流速及水道結(jié)構(gòu)形狀的表達(dá)式。得到回歸方程如下

TMAX=131.9-3.7Q+1.9X1+0.5X2

(4)

回歸方程以定量的方式解釋了相對于軸向型水道(X1=X2=0)，螺旋型水道(X1=1；X2=0)電機(jī)平均最高溫度提升1.9 ℃，周向型水道(X1=0；X2=1)電機(jī)平均最高溫度提升0.5 ℃。

3 水道管流壓降分析

3.1 水道管流壓降

在流體流速均為8 L/min的條件下，3種不同水道結(jié)構(gòu)管流壓降的仿真結(jié)果如圖9所示。螺旋型水道管流壓降最低，對水泵功率的要求最小，周向型水道次之，軸向型水道管流壓降最高，且相對于螺旋型及周向型水道有大幅升高。

圖9 3種水道結(jié)構(gòu)下管流壓降分布

3.2 管流壓降理論分析

管流壓降大小決定了所需水泵功率的大小，對于電機(jī)冷卻水道設(shè)計(jì)具有重要影響。管流壓降是由水道阻力引起的，在計(jì)算過程中，水道的阻力分為沿程阻力以及局部阻力，單位用水柱高度表示[11]。

(5)

(6)

式中，Hf為沿程阻力，m；ξ為沿程阻力系數(shù)，無量綱；L為水道長度，m；de為水道當(dāng)量直徑，m；g為重力加速度，9.98 m/s2；v為流體在水道內(nèi)平均速度，m/s；Hj為局部阻力，m；ξ為局部阻力系數(shù)，無量綱。

水道的總阻力為

Ht=Hf+Hj

(7)

軸向型水道相對于螺旋型水道及周向型水道彎折較多，局部阻力較大，因此管流壓降較大。但由于沿程阻力系數(shù)及局部阻力系數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，無法通過數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確解釋3種不同水道結(jié)構(gòu)對管流壓降的影響。因此同樣采用回歸分析方法，歸納管流壓降與水道結(jié)構(gòu)形狀的關(guān)系，構(gòu)建回歸方程，以便更準(zhǔn)確衡量不同結(jié)構(gòu)水道對管流壓降的影響。

3.3 管流壓降回歸分析

為更加準(zhǔn)確的探究管流壓降與水道結(jié)構(gòu)的關(guān)系，采用多元線性回歸的方法，定量分析水道結(jié)構(gòu)對管流壓降的影響。

圖10 3種水道結(jié)構(gòu)管流壓降

用與2.4相同的方式定義變量，通過回歸分析方法得到3種水道管流壓降與流體流速和水道結(jié)構(gòu)形狀的表達(dá)式。得到回歸方程如下

ΔP=3317.5+1935.1Q-12173.7X1-10898.4X2

(8)

回歸方程以定量的方式解釋了相對于軸向型水道(X1=X2=0)，螺旋型水道(X1=1；X2=0)平均管流壓降降低12173.7 Pa，周向型水道(X1=0；X2=1)平均管流壓降降低10898.4 Pa。

3.4 相同最高溫度的下管流壓降分析

通過改變水道散熱面積，探究在電機(jī)最高溫度相同的情況下，3種水道結(jié)構(gòu)對管流壓降的影響。以流體流速8 L/min為例，得到結(jié)果如圖11所示。

圖11 3種水道結(jié)構(gòu)相同最高溫度

圖12 3種水道結(jié)構(gòu)管流壓降

在電機(jī)最高溫度相同的情況下，螺旋型水道管流壓降最小，周向型次之，軸向型管流壓降最大。

3.5 相同管流壓降下冷卻效果分析

通過改變水道截面積，探究在水道管流壓降及散熱面積大致相同的情況下，3種水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)冷卻效果的影響。以流體流速8 L/min為例，得到結(jié)果如圖13所示。

圖13 3種水道結(jié)構(gòu)相同管流壓降

圖14 3種水道結(jié)構(gòu)冷卻效果

在水道管流壓降大致相同的情況下，軸向型水道散熱效果最優(yōu)，周向型水道次之，螺旋型水道散熱效果最差。

3.6 水泵功率計(jì)算

電機(jī)冷卻散熱所需水泵功率的大小主要由水道管流壓降及流體流蘇決定，根據(jù)[6]可知，水泵功率計(jì)算公式如下:

Pp=Q×ΔP

(9)

式中，Pp為水泵功率，W；Q為體積流速，m3/s；ΔP為進(jìn)出水口壓差，Pa。

計(jì)算可得各情況下水泵功率大小，便于對水道結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。

4 水道性能指標(biāo)綜合評價(jià)

電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的選擇需滿足電機(jī)溫度分布、水泵功率以及制作工藝的要求。以流體流速8 L/min的條件計(jì)算，得到3種水道結(jié)構(gòu)衡量指標(biāo)對比表3、表4及表5，根據(jù)綜合要求進(jìn)行電機(jī)冷卻水道結(jié)構(gòu)選擇。

表3 水道截面積及散熱面積相同時(shí)冷卻性能比較

表4 電機(jī)最高溫度相同時(shí)水泵功率比較

表5 水泵功率相同時(shí)電機(jī)最高溫度比較

5 結(jié) 語

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真方法對電機(jī)的三維全域溫度場進(jìn)行分析，比較螺旋型、周向型和軸向型3種不同水道結(jié)構(gòu)對電機(jī)冷卻效果、水道管流壓降的影響。在水道截面積及散熱面積相同時(shí)，軸向型水道結(jié)構(gòu)冷卻效果最優(yōu)，周向型次之，螺旋型最差；通過水道管流壓降計(jì)算水泵功率，螺旋型所需水泵功率最低，周向型次之，軸向型最高。在電機(jī)最高溫度相同時(shí)，比較3種水道結(jié)構(gòu)所需水泵功率，螺旋型水道所需水泵功率最小，周向型次之，軸向型所需水泵功率最大。在所需水泵功率相同時(shí)，比較3種水道結(jié)構(gòu)的電機(jī)冷卻效果，軸向型水道最優(yōu)，周向型次之，螺旋型最差。在進(jìn)行冷卻水道結(jié)構(gòu)選擇時(shí)可綜合考慮電機(jī)溫度分布、水泵功率、制造工藝等評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇。