電機散熱仿真分析

郭軍朝，夏青松，史建鵬，章國光

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

電機的溫升是衡量電機性能的重要指標(biāo)之一。為了降低電機的溫升，主要從電機的電磁設(shè)計及其冷卻系統(tǒng)設(shè)計方面進(jìn)行改進(jìn)。如果電機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與通風(fēng)、熱計算相互配合，則可以提高電機的性能。

電機在能量轉(zhuǎn)化過程中會不可避免地產(chǎn)生損耗，如鐵心損耗、定子繞組的銅耗和機械損耗等，這些損耗會導(dǎo)致電機溫度升高。電機溫度過高會破壞電機絕緣材料和稀土永磁材料，使電機負(fù)載能力減弱，潤滑脂壽命下降，電機無法正常工作甚至燒毀。因此，對電機的冷卻，尤其是新能源汽車驅(qū)動電機的充分冷卻是電機開發(fā)過程中所必需考慮的問題。

本論文從流體和傳熱技術(shù)的角度出發(fā)，分析和比較了自主開發(fā)電機的冷卻設(shè)計方案，并對低流阻的設(shè)計方案開展了電機的散熱分析。

1 電機生熱基本理論

電機的損耗是求解冷卻水溫升不可缺少的參數(shù)，其值的大小與電機各部分的損耗有關(guān)系。影響電機發(fā)熱的損耗通常有銅耗、鐵耗及雜散損耗，其中銅耗和鐵耗均可以通過運用電磁軟件ANSOF計算得到。

1.1銅耗

銅耗是由運行時的電流通過定子繞組的電阻產(chǎn)生的損耗，感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的銅耗是在端環(huán)和導(dǎo)條上流過電流時的損耗。銅耗的表達(dá)式如下：

式中：ρ0為材料在溫度T0時的電阻系數(shù)；T為溫度，β為溫度系數(shù)，J為電流密度。

計算繞組發(fā)熱時，銅耗PCu按其組成部件分成槽部銅耗和端部銅耗，其中兩者的取值與各自的長度相關(guān)［1］。

1.2 鐵耗

鐵耗在整個電機損耗中占有很重要的地位，對于NdFeB永磁電機而言，鐵耗的準(zhǔn)確計算不但能夠幫助設(shè)計出更為高效的電機，而且可以避免磁鋼發(fā)生退磁。

鐵耗是穿過定子鐵心的交變磁場變化時產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗正比于轉(zhuǎn)速的平方，磁滯損耗正比于轉(zhuǎn)速。

渦流損耗不但與磁通密度峰值有關(guān)，而且與磁通密度隨時間的變化率有關(guān)，精確計算較為困難，通常的做法是對電磁密波形進(jìn)行傅利葉分解，累加各次諧波。這種方法對電磁密波形的準(zhǔn)確性要求高，并且很復(fù)雜。

1.3 機械損耗

機械損耗分為軸承部分的摩擦損耗和伴隨冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)損耗。準(zhǔn)確計算電機的機械損耗不僅可以使得效率提高，同時也可以保證電機的使用性能，而且還可以根據(jù)機械損耗的大小來合理設(shè)計樣機的冷卻系統(tǒng)，保證了樣機的成功率。

2 電機的結(jié)構(gòu)

在開展電機的散熱分析前，首先觀察電機的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由前端蓋、后端蓋、殼體構(gòu)成。電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)為圖2所示的定子、繞組，圖3為電機轉(zhuǎn)子的斷面。

3 電機的冷卻方案分析

因為本文所述電機的功耗是3 500W，功耗比較大，冷卻方式不能采用風(fēng)冷，而應(yīng)采取水冷的方式，冷卻水套的設(shè)計方案如圖4、圖5所示。方案1冷卻液進(jìn)入電機水套后，分成三部分流過殼體后，在電機另一端匯集，然后又分成三部分經(jīng)殼體流向電機的初始端。方案2特征在于水路從水套入口到出口是一致的，沒有存在分流的現(xiàn)象。

對上述冷卻水套設(shè)計方案運用數(shù)值流體力學(xué)技術(shù)開展了流阻仿真分析［2］的流阻比較如圖6所示。

分析圖6電機的水套設(shè)計，方案2的流阻比較低，故采用方案2對電機進(jìn)行冷卻。兩個冷卻水套設(shè)計方案某斷面速度場的分部如圖7、圖8所示。

4 電機的散熱分析

因為冷卻水套設(shè)計方案2的流阻比較低，故采用此方案進(jìn)行電機的熱態(tài)仿真分析，工況是冷卻液入口流量為14 L/min，溫度是59.5℃。

4.1 電機的功耗

電機的功率為35 kW，效率為90%，可得電機的功耗為3 500W。假設(shè)此功耗以熱傳導(dǎo)方式均被電機的水套吸收，并轉(zhuǎn)化成為電機的溫升。

假設(shè)電機殼體、端蓋均處于室溫狀態(tài)，無風(fēng)條件下，開展此前提下的散熱仿真分析。

4.2 進(jìn)出水口的溫升

本文從穩(wěn)態(tài)角度開展了電機冷卻進(jìn)出水口的溫升分析，冷卻液入口流量為14 L/min，入口溫度為59.5℃，仿真得出水口的溫升曲線如圖9所示，分析可得出口水溫為64.5℃，進(jìn)而可得電機冷卻液的溫升為5℃。

4.3 部件溫度分布云圖

冷卻水套溫升的分析是電機散熱分析的一個方面，電機殼體、定子等部件的溫度分布云圖是電機散熱分析的另一個方面。電機前端蓋、后端蓋及殼體的溫度的分布云圖如圖10所示。分析圖10，電機前后端蓋的最高溫度分別為63.9℃、64.1℃，殼體表面最高溫度為70℃。

提取電機定子和銅線繞組的溫度分布如圖11所示，定子高溫區(qū)域分布在齒額區(qū)域，溫度最大值為102.2℃。繞組高溫區(qū)域分布在兩端，最高溫度是104℃。

對電機內(nèi)部溫度分布進(jìn)行直觀切片顯示，可以比較電機殼體、前后端蓋、定子以及繞組的溫度，如圖12所示。高溫區(qū)域分布在定子和繞組上，繞組端部溫度最高，可達(dá)103.8℃。

5 冷卻水套分析

5.1 冷卻水套的流阻分析

為考核冷卻水套的設(shè)計方案對流阻的影響，對本水套開展了多工況下的流阻分析如圖5所示。

5.2 冷卻水套近壁面流速分布

分析水套近壁面流速的速度分布云圖如圖13所示，在S型水套內(nèi)側(cè)近壁面流速最大值為2.72m/s。速度越快值越大，則有利于加速電機殼體散熱的速度。圖中可見渦流的存在，其不利于電機端蓋的散熱。

5.3 水套內(nèi)側(cè)壁面對流換熱系數(shù)

為分析冷卻水套各部分是熱還是放熱，從數(shù)值傳熱分析角度提取了水套的壁面對流換熱系數(shù)［3］。圖14（a）中表示水套的壁面對流換熱系數(shù)的宏觀分布，正值表示水套在吸收來自殼體的熱量，負(fù)值表示水套在向外散熱。圖14中的（b）表示壁面對流換熱系數(shù)大于0所分布的水套區(qū)域和云圖，分析此圖也可得對流換熱系數(shù)小于0的區(qū)域都在水套端部，表示水套是處于放熱狀態(tài)，熱量被電機的前后端蓋吸收。

6 總結(jié)

1）比較冷卻水套設(shè)計方案1和方案2的流阻，前者接近后者的兩倍。為節(jié)省能耗，方案2為最佳方案。

2）對電機開展了入口流量為14 L/min的熱態(tài)分析，冷卻液的溫升接近5℃，與設(shè)計人員提供的經(jīng)驗值基本吻合。

3）電機功耗為3 500W，水套流量為14 L/min、溫度為59.5℃時，電機殼體和前后端蓋的溫度在70℃左右。

4）電機定子高溫區(qū)域分布在定子齒區(qū)域，銅繞組的高溫區(qū)域分布在兩端，溫度最大值接近105℃。

5）分析冷卻水套的壁面對流換熱系數(shù)，與電機殼體接觸的水套的換熱系數(shù)是正的，這部分是吸熱區(qū)域，而與電機前后端蓋對應(yīng)的水套部分是放熱的。

［1］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：21-23.

［2］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：121-122.

［3］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：256-257.