整車環(huán)境下加裝散熱翅片對輪轂電機散熱性能的影響

江從喜　趙蘭萍　杜旭之　楊志剛

摘要： 為提高電動車輪轂電機散熱性能，在整車環(huán)境下采用CFD數(shù)值計算方法，對不同車速下輪轂電機的散熱性能進行數(shù)值計算并分析；研究加裝散熱翅片對輪轂電機散熱性能的影響，得到輪轂電機的溫度場、空氣質量流量、外流場和表面對流傳熱系數(shù).結果表明：電機的最高溫度位于定子上，外表面最高溫度區(qū)域分布在電機的側面外殼上；在電機側面外殼上加裝散熱翅片可以對電機起到較好的降溫效果，當翅片長度方向與電機軸中心線成30°夾角時，更加有利于電機的散熱.

關鍵詞： 翅片； 輪轂電機； 散熱性能； 定子； 電機外殼； CFD

中圖分類號： U467.1文獻標志碼： B

Abstract： To improve the dissipation performance of the inwheel motor of electric vehicle， the numerical calculation method of CFD is used under whole vehicle condition to calculate and analyze the dissipation performance of inwheel motor under different velocities； the dissipation performance of inwheel motor installed with fins is studied， and the temperature field， air mass flow， outer flow field and surface convective heat transfer coefficient are obtained. The result shows that， the maximum temperature of the motor occurs on the stator， and the maximum temperature zone locates on the outer surface of the side of the motor housing； the fins are installed on the side of motor housing and can play a better cooling effect on motor temperature decrease， and fin is more conducive to decease the temperature of motor when it is in the length direction of 30° with motor shaft centerline.

Key words： fin； inwheel motor； cooling performance； stator； motor housing； CFD

收稿日期： 2015[KG*9〗05[KG*9〗19修回日期： 2015[KG*9〗07[KG*9〗02

基金項目： 國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“九七三”計劃）（2011CB711203）；上海市科學技術委員會重點實驗室計劃（11DZ2260400）

作者簡介： 江從喜（1991—），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為汽車熱管理等，（Email）0410congxijiang@#edu.cn；0引言

輪轂電機電動汽車具有驅動傳動鏈短、傳動高效、結構緊湊等優(yōu)點，成為電動汽車發(fā)展的重要方向.[1]該類電動汽車的最大特點是將動力裝置、傳動裝置和制動裝置整合到輪轂內.由于輪轂電機和車輪一同旋轉，且緊靠制動器，所以其自身系統(tǒng)的緊湊性會給電機帶來溫升過高等一系列的散熱問題，尤其是在電機僅依靠車輪周圍的流場進行風冷散熱時，散熱問題更加突出.輪轂電機的溫升必須控制在相應的溫度范圍內，才能使得電動汽車安全、高效地運行.

國際上對電機散熱分析的研究越來越多.HONG等[2]利用CFD對某內轉子單電機進行熱分析，所得結果與試驗值誤差在±5 ℃之內，說明CFD在分析電機散熱時具有一定準確性.KIMOTHO等[3]利用CFD對無刷直流內轉子單電機進行散熱分析，所得結果表明在電機外殼加裝散熱翅片可使電機的最高溫升下降15%.KIM等[4]利用CFD對某內轉子電機進行單電機的熱性能研究，研究表明在電機外殼增加散熱槽可使電機外殼的最高溫度降低4.8 ℃.

通過在電機外殼添加散熱翅片或散熱槽可以使內轉子電機達到較好的降溫效果，但是針對外轉子輪轂電機的散熱降溫問題研究卻很少，而且僅停留在單電機研究平臺上，沒有結合電動車整車工況進行計算分析.針對這一問題，本文充分考慮電動車的整車環(huán)境，研究散熱翅片對外轉子輪轂電機散熱性能的影響，對輪轂電機散熱優(yōu)化方案設計提供參考.

1輪轂電機散熱性能影響因素分析

輪轂電機與空氣的對流換熱是電機散熱的主要方式.根據(jù)牛頓冷卻公式Q=hSΔT可知，當電機表面與外界環(huán)境的溫度差ΔT保持不變時，其主要的散熱影響因素是表面對流傳熱系數(shù)h和電機的表面面積S.[5]h的大小取決于流體的物性以及換熱表面的形狀、大小和布置，而且還與氣流流速密切相關[6]；S主要受電機表面形狀的影響.在電機表面形狀變化的影響下，通過觀察電機溫度場變化、空氣質量流量變化、外流場變化和表面對流傳熱系數(shù)的變化，可以得知在電機表面形狀變化作用下的電機散熱性能.

2數(shù)值計算

2.1整車計算模型和計算域

本文研究的電動汽車整備質量為1 600 kg，最高設計車速為130 km/h，每個車輪上均裝有絕緣等級為H級的輪轂電機，其模型見圖1.整車的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格分別由HyperMesh和Tgrid軟件生成，見圖2.由于電動汽車的輪邊驅動系統(tǒng)結構復雜，且空間狹小，所以采用非結構化的四面體網(wǎng)格.[1]計算域長為12倍車長，寬為7倍車寬，高為5倍車高，見圖3.體網(wǎng)格總數(shù)約為1 600萬個.

2.2參數(shù)設置和計算

在汽車行駛過程中，輪轂電機是電動汽車的主要熱源，電機工作時所產(chǎn)生的損耗都轉變?yōu)闊崮?，從而使電機的溫度升高.由圖4可得知電機的熱源.

采用FLUENT進行計算求解.湍流模型選用高雷諾數(shù)的兩方程可實現(xiàn)kε模型，壁面區(qū)采用標準壁面函數(shù)[7]，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法.將散熱器和冷凝器都設置為多孔介質邊界條件，風扇設置采用多參考坐標系方法.車輪和輪轂電機設置為旋轉壁面條件，地面采用移動壁面邊界條件[89]，其他固體壁面均設為光滑、無滑移、不可穿透的壁面.入口邊界條件為30 m/s的速度入口，出口邊界條件為壓力出口.[10]考慮流固耦合傳熱，計算分析的環(huán)境溫度設為318 K.在FLUENT中設置電機各部分材料物理性質后，采用流場和溫度場耦合的方式進行計算.迭代過程先采用1階迎風格式迭代2 000步，然后調至2階迎風格式繼續(xù)迭代，從而保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性和殘差精度，共計迭代10 000步.

3數(shù)值計算結果和分析

3.1不同車速工況下電機溫度變化

電動汽車在以不同的車速勻速行駛情況下，電機所產(chǎn)生的損耗不同.隨著車速的增加，損耗逐漸增大，電機產(chǎn)生的熱量也逐漸增加.當電機的損耗和電機周圍的風速有所不同時，電機產(chǎn)生的熱量對其各個組成部分的影響也不同，從而導致電機溫升有所不同，并最終影響電機的性能.為此，對不同勻速工況下電機各部分達到穩(wěn)態(tài)時的最高溫度進行分析.

通過熱流場計算，得到不同車速勻速工況下電機各部分達到穩(wěn)態(tài)時的最高溫度，見圖5.

由圖5可知：電機各部分的最高溫度隨著車速的增加而增高；最高溫度區(qū)域位于電機內部的定子上；外表面的最高溫度分布在電機的側面外殼上.由于定子繞組產(chǎn)生銅損，定子鐵心產(chǎn)生鐵損，使得定子成為輪轂電機溫度最高的地方.在車速130 km/h時，定子最高溫度達到448.67 K.電機側面外殼由于最接近熱源，所以成為外表面溫度最高的部分，最高可達到365.97 K.隨著車速的增加，定子最高溫度變化也有越來越快的趨勢，與電機其他部分的溫差也越來越大.

根據(jù)GB 755—1965《電機基本技術要求》[11]，電機的絕緣等級見表1.由此可知，電動車大約在115 km/h勻速行駛時，電機的最高溫度已經(jīng)達到電機的性能參考溫度145 °C，表明電動車在長時間勻速行駛的情況下車速不應超過115 km/h，這就使得電機的散熱優(yōu)化極其重要.

3.2翅片對電機散熱的影響

3.2.1翅片對電機溫度的影響

電機外表面的側面外殼溫度最高，所以可通過在電機側面外殼上加裝一定數(shù)量的散熱翅片達到對電機散熱的目的.翅片數(shù)量定為50片，翅片加裝方式為其長度方向與電機軸中心線平行，且與電機軸在同一平面，見圖6.翅片可改變電機表面結構，并且隨輪轂電機一同旋轉，增大電機表面與空氣接觸面積，對電機外表面附近冷卻氣體的流速和方向產(chǎn)生影響，最終對電機的散熱性能產(chǎn)生影響.

車速在60～130 km/h范圍內變化時，增加翅片與不增加翅片對電機各部分最高溫度變化的影響見圖7.由此可知：在電機的側面外殼加裝翅片時，電機各部分最高溫度均有不同程度的下降，下降程度最大的是側面外殼，最大降幅可達到14 K，說明將散熱翅片布置在側面外殼上可以得到很好的降溫效果，轉子也因為緊靠側面外殼而有較大的溫降；定子最高溫度最大降幅為10 K，外側外殼為13.7 K，內側外殼為6 K.隨著車速的增加，電機表面附近的空氣流動速度加快，提高電機對流換熱的性能，使得電機各部分最高溫度降幅也越來越大，在車速為130 km/h時達到最大.a）定子最高溫度變化b）轉子最高溫度變化c）側面外殼最高溫度變化d）外側外殼最高溫度變化e）內側外殼最高溫度變化

由圖8還可以發(fā)現(xiàn)，在沒有加裝散熱翅片時，電機側面外殼是電機外表面高溫分布的區(qū)域，且其分布不均勻，最高溫度位于電機側面外殼背風面處，這是因為側面外殼背風處的氣流流速低，對流換熱強度弱，不利于熱量散出.電機側面外殼背風處熱量的堆積，會使電機局部區(qū)域的溫度過高，電機壽命縮短，電機整體性能受到影響；加裝散熱翅片后，電機側面外殼和翅片上的溫度降低，且溫度分布較均勻.由圖9可知：加裝散熱翅片后電機內部溫度也減小，且溫度分布均勻，這是由于定子繞組的傳熱系數(shù)較大、熱阻較小，導致溫度梯度較小的緣故.

3.2.2對空氣質量流量影響

電機與輪輞之間間隙的空氣質量流量見圖10，其中左圖為無翅片，右圖為加裝翅片，正值表示氣流流向車外，負值表示氣流流向車內.由圖10可知：在電機外的左半部分，尤其是左下方的空氣質量流較大，氣流向車外流出較多，對流換熱能力大，此處的散熱狀況較好，電機側面外殼在左半部分的溫度也較低；而在電機外的右半部分，尤其是右上方的空氣質量流較小，對流換熱能力弱，此處的散熱狀況較差，使得電機側面外殼右上部分的溫度較高.加裝散熱翅片以后，電機與輪輞之間間隙的空氣質量流量減少，由車內向車外通過間隙穿過的氣流量減小，說明由于翅片的影響，在內部氣流總量不變的情況下，內部的氣流流向發(fā)生改變.另外，空氣質量流量的負值區(qū)域增大，表明車外氣流向車內流動的趨勢變大，旋轉的翅片起到吸風作用，有利于電機、制動盤等前艙內部件的散熱.

3.2.3翅片對電機外流場的影響

車輪水平中截面的外流場見圖11.由此可知：加裝散熱翅片后緊靠著電機外側外殼的表面氣流流速明顯增加，由10 m/s增加到14 m/s，電機側面外殼附近的氣體流速也由15 m/s增加到18 m/s，說明翅片加快電機外側外殼和側面外殼表面氣流的流速，氣流流速越大越有利于散熱；在電機內側外殼表面附近的氣流流速變化不大，表明加裝的翅片對電機內側外殼表面附近的氣流影響不大.氣流在車輪外側緊靠車輪的xOz平面上的橫向速度分量，即y軸方向的速度見圖12，正值表示流入車內，負值表示流向車外，左圖為未加裝散熱翅片，右圖加裝散熱翅片.由此可知：在車輪的左下方都有一個速度為負值的區(qū)域，表示前方來流遇到車輪受阻后，繞過車輪外流向后方.在輪輻開口空隙中，沒加裝散熱翅片的車輪右部有氣流通過車輪流出.加裝散熱翅片的車輪右下方正速度區(qū)域范圍變小，說明由于受翅片隨電機旋轉的影響，從車輪右下方流出的氣流增多，這有利于車內的熱量隨著氣流的流動向車外散出.在靠近地面處，流進車內的氣流變多，有效地保證流進車內的橫向進風量.

a）無散熱翅片電機外流場

b）有散熱翅片電機外流場

車輪水平中截面流線見圖13.由此可知：未加裝散熱翅片時，由車內向車外流動的氣流從電機側面外殼與輪輞之間的間隙流出，加裝散熱翅片后，由于翅片對氣流的阻礙作用，導致氣流分離，從電機與輪輞之間間隙流出的氣流減少且流向改變，使得氣流沿順時針方向旋轉流動，從而在車輪前半部分的內側附近產(chǎn)生渦流.渦流在旋轉過程中會有一部分氣流脫離，從車輪前半部分外側流入到車外，這有利于車前艙內部熱量向車外散出，同時也加快車輪處流入的尾流向車身外流動的趨勢.

a）無散熱翅片流線

b）有散熱翅片流線

由于翅片旋轉的誘導作用，外側外殼表面附近氣流的流速加快，破壞電機外側外殼與輪輻之間的渦流，渦流由2個變?yōu)?個，由大變小，可以有效避免因渦流而造成的熱量累積現(xiàn)象，有利于外側外殼的散熱.雖然電機側面外殼和輪輻之間間隙的空氣質量流量減小，但是由于翅片使得側面外殼的表面積增大，且翅片與翅片之間的氣流流動加快，促使側面外殼溫度降低，有利于電機散熱.

3.2.4翅片對電機表面對流傳熱系數(shù)的影響

電機外殼的表面對流傳熱系數(shù)是衡量電機散熱能力的重要指標，表面對流傳熱系數(shù)越大越有利于電機散熱.電機外側表面對流傳熱系數(shù)見圖14.由此可知：在電機側面外殼加裝散熱翅片后，電機外側外殼和側面外殼的表面對流傳熱系數(shù)整體都變大，這有利于電機的散熱，并且電機側面外殼的表面對流傳熱系數(shù)分布較均勻，較好地避免因電機局部溫度過高引起的電機性能下降現(xiàn)象.然而，由圖15可知：電機內側外殼的表面對流傳熱系數(shù)變化不大，這是電機內側外殼表面附近的氣流流速變化不大、氣流流動相對穩(wěn)定等因素綜合作用的結果.

3.3翅片的不同布置方案對電機散熱性能的影響

3.3.1翅片不同布置方案對電機溫度的影響

散熱翅片在電機側面外殼上的3種不同布置方案見圖16，分別為翅片長度方向與電機軸中心線平行（方案1）、翅片長度方向與電機軸中心線成150°夾角（方案2）和翅片長度方向與電機軸中心線成30°夾角（方案3）.

翅片不同布置方案下電機降低的溫度見圖17.由此可知：隨著車速的增加，電機各部分溫度降低的幅值越來越大，但3種翅片布置方案對電機的降溫幅度有差別：方案3中電機各部分降低的溫度相對于其他2種布置情況要大，說明當翅片的長度方向與電機軸中心線成30°夾角時，更有利于電機散熱，其次是方案1，相對較差的是方案2，對于定子來說方案1與方案2的散熱效果差別不大；增加翅片后，電機轉子、側面外殼和外側外殼溫度降低的幅度最大，其次是定子，溫度降低幅度最小的是內側外殼.a）轉子b）定子c）側面外殼d）外側外殼e）內側外殼

3.3.2翅片不同布置方案對表面對流傳熱系數(shù)的影響翅片不同布置方案對電機外殼表面對流傳熱系數(shù)的影響見圖18.

由圖18可知：在側面外殼上，方案3較其他2種方案可以達到更好的散熱效果；在外側外殼上方案3的表面對流傳熱系數(shù)大于方案2的表面對流傳熱系數(shù)，但兩者均小于方案1；在電機的內側表面上3種翅片的布置方案差別很小，散熱效果區(qū)別不大.由此可見，增強穿過翅片的風量能夠產(chǎn)生較好的強化換熱效果，當翅片的長度方向與電機軸中心線成30°夾角時，整體上更有利于電機的散熱，而翅片長度方向與電機軸中心線成150°夾角的方案相比于其他2種方案不利于電機散熱.

4結論

電動汽車電機各部分的溫度隨車速的增加而增高，電機的最高溫度位于電機內部的定子上，外表面的最高溫度區(qū)域分布在電機的側面外殼上且分布不均勻，使電機局部的溫度過高，影響電機的整體性能.當車速達到115 km/h時，電機的最高溫度已達到電機的性能參考溫度.

在電機側面外殼加裝散熱翅片可以達到較好的散熱效果.3種翅片布置方案降溫效果不同：當翅片的長度方向與電機軸中心線成30°夾角時，比其他2種翅片布置方案更有利于電機散熱.所以，在電機外殼加裝散熱翅片，設計良好的翅片布置夾角，能加強電機的對流傳熱性能，對電機散熱性能的提高具有十分重要的意義.

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