基于正交試驗(yàn)法的永磁同步電機(jī)散熱系統(tǒng)數(shù)值模擬研究*

王淑旺，高月仙，張 磊

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009；2. 江蘇中科機(jī)器人科技有限公司， 江蘇 常州 213164)

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基于正交試驗(yàn)法的永磁同步電機(jī)散熱系統(tǒng)數(shù)值模擬研究*

王淑旺1，高月仙1，張 磊2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009；2. 江蘇中科機(jī)器人科技有限公司， 江蘇 常州 213164)

新能源汽車的需求使得永磁同步電機(jī)(PMSM)向高功率密度方向發(fā)展，溫升成為其中的一個關(guān)鍵問題，因此對散熱系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。以一臺額定功率30kW的強(qiáng)制液冷PMSM為例，通過正交試驗(yàn)法，結(jié)合仿真軟件的數(shù)值模擬，對電機(jī)散熱系統(tǒng)性能及其影響因素進(jìn)行研究。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，確定電機(jī)殼體材料、冷卻管道結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)和管道數(shù)目是影響電機(jī)散熱效果的主要因素。通過對仿真試驗(yàn)結(jié)果的極差分析。確定電機(jī)散熱性能影響因素的主次順序，得出冷卻介質(zhì)對最高溫度影響最大，冷卻結(jié)構(gòu)是對管道壓降影響最顯著的因素。最后從由結(jié)果分析給出了較好的方案組合。

永磁同步電機(jī)； 散熱； 正交試驗(yàn)； 數(shù)值模擬

0 引 言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出，新能源電動汽車(Electric Vehicle, EV)應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用。由于汽車留給電機(jī)的安裝空間有限，電機(jī)須具備較高的功率密度和效率。永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)與普通電機(jī)相比，具有高密度、高效率、起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，成為車輛驅(qū)動電機(jī)中的佼佼者，但其電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷也相對較大[1]，因而發(fā)熱量大，溫升嚴(yán)重。目前電機(jī)的散熱效果已成為廠家和學(xué)者們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱以及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出影響強(qiáng)制液冷PMSM散熱效果的因素主要有電機(jī)殼體材料、冷卻管道結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)和冷卻管道數(shù)目等。若要考慮這些因素所有組合的影響則需要進(jìn)行全面試驗(yàn)，而全面試驗(yàn)的試驗(yàn)量和數(shù)據(jù)量非常大。為提高效率并考慮因素的綜合影響，本文運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法結(jié)合數(shù)值模擬對影響PMSM散熱效果的因素進(jìn)行分析，得出最佳的散熱組合。

1 電機(jī)物理模型

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高計(jì)算速度，節(jié)省時間的同時又滿足工程實(shí)際需要，需對模型進(jìn)行簡化。因電機(jī)在工作過程中轉(zhuǎn)子和永磁體產(chǎn)生的損耗值較小，故可忽略轉(zhuǎn)子影響[2-3]，同時將繞組、絕緣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效為一個均勻的發(fā)熱體[4-5]，著重分析包括電機(jī)殼體、冷卻水、定子和等效繞組的模型。其簡化模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)求解簡化模型

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是應(yīng)用正交表來設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)方法。正交設(shè)計(jì)可以用最少的試驗(yàn)水平組合來代替全面試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析能夠了解全面試驗(yàn)的情況，尋求最優(yōu)水平的組合，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具有“均衡分散性，齊整可比性”的特點(diǎn)。對試驗(yàn)結(jié)果的分析可相應(yīng)地用極差分析方法和方差分析方法等。

2.1 試驗(yàn)因素

在電機(jī)內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)既定的情況下，電機(jī)運(yùn)行損耗也相應(yīng)確定。由于本文所用PMSM選用液冷冷卻方式，故影響電機(jī)溫度分布主要考慮電機(jī)殼體材料、冷卻管道結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)和冷卻管道數(shù)目等因素[6- 8]。

2.1.1 殼體材料

設(shè)計(jì)電機(jī)過程中，不僅要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題，同時還需考慮材料的選取及其加工工藝。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的殼體，通常采用鑄造工藝進(jìn)行加工。車用PMSM的殼體目前一般選用下面3種型號的鋁合金：A356-T6、ADC12和6061-T6。不同材料的物理性能參數(shù)一般不同，所以不同材料的殼體傳熱系數(shù)有所差異，因而電機(jī)散熱效果不同。

表1列舉了3種材料的相關(guān)熱物性參數(shù)。

表1 機(jī)殼材料及參數(shù)

2.1.2 冷卻管道結(jié)構(gòu)

液冷電機(jī)主要依靠冷卻液與殼體的對流換熱將電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到散熱效果，因而對冷卻管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得尤其重要。一個好的有效的冷卻管道結(jié)構(gòu)不僅能最大可能地使冷卻液帶走更多的熱量，同時還兼顧到冷卻液的進(jìn)出口壓差和溫差，減小冷卻液供給泵的負(fù)荷。冷卻管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個綜合考慮多種因素且需不斷優(yōu)化的過程。液冷電機(jī)的冷卻管道一般設(shè)計(jì)在殼體內(nèi)，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)參考文獻(xiàn)，文中給出了3種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中：圖2(a)為軸向Z字型冷卻管道結(jié)構(gòu)；圖2(b)為軸向螺旋型冷卻管道結(jié)構(gòu)；圖2(c)為軸向工字型冷卻管道結(jié)構(gòu)。

2.1.3 冷卻介質(zhì)

流體的物性參數(shù)會影響其流動狀態(tài)和散熱能力，不同冷卻液在殼體和流體間的對流換熱強(qiáng)度將不同，從而影響電機(jī)的溫升情況。

水的比熱較大，無污染，價(jià)格低廉，是使用最多也是相對理想的冷卻介質(zhì)，但凝固點(diǎn)溫度較高而沸點(diǎn)溫度較低，冬天易結(jié)冰，凍壞冷卻系統(tǒng)，夏季易沸騰，車輛不宜長途行駛，且水會引起冷卻管道殼體的腐蝕，同時還容易產(chǎn)生水垢難清除，使散熱效果越來越差。為解決上述問題，通常使用乙二醇水基防凍液，除冰點(diǎn)低、防凍的優(yōu)點(diǎn)外，還具有防腐、防垢功能，沸點(diǎn)常在100℃以上。油冷電機(jī)目前應(yīng)用也較廣，主要是因?yàn)橛偷慕殡姵?shù)很高、絕緣性好、 有良好的散熱效率等。隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，使用要求越來越高，其功能還包括減少摩擦、減少磨損、耐高低溫、防腐、防銹、清洗、動力傳動、防震、密封等。

圖2 三種不同冷卻管道結(jié)構(gòu)

表2列出了3種不同冷卻介質(zhì)的物性參數(shù)。

表2 冷卻介質(zhì)及參數(shù)

2.1.4 管道數(shù)目

隨著冷卻管道數(shù)目的增加，電機(jī)散熱能力隨之增強(qiáng)，但同時會帶來進(jìn)出口壓差增大的問題，因此電機(jī)機(jī)殼內(nèi)合理的冷卻管道數(shù)量是電機(jī)良好散熱效果的保證。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取冷卻管道數(shù)量為5、6、7進(jìn)行研究。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

對該電機(jī)而言，溫升最高點(diǎn)往往出現(xiàn)在繞組端部。溫升過高不僅會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，還會使電機(jī)絕緣受到破環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)行性能和使用壽命。此外，實(shí)際冷卻管道設(shè)計(jì)過程中除考慮散熱效果外，還要兼顧泵的工作負(fù)荷。在電機(jī)殼體上，進(jìn)出口直徑和冷卻液流量固定的前提條件下，冷卻管道內(nèi)流體場主要取決于冷卻管道結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷卻介質(zhì)流速越大時，對流換熱系數(shù)會變大，散熱效果增強(qiáng)，但同時由于流速的增加，會使得流阻增加，管流總壓降變大，流體流經(jīng)管道的沿程損失也越大。

因此本文選定繞組最高溫度和管流壓力作為電機(jī)散熱性能的試驗(yàn)指標(biāo)。

2.3 正交表和水平選擇

根據(jù)上述對電機(jī)溫升影響因素的分析，確定正交表為4因素，而各因素水平數(shù)的確定應(yīng)滿足實(shí)際情況及正交試驗(yàn)的原則，標(biāo)準(zhǔn)表的水平數(shù)都相等且只能取素?cái)?shù)或素?cái)?shù)冪，因此選取3水平。各因素水平如表3所示。

表3 各因素水平

本文試驗(yàn)研究為4因素3水平，進(jìn)行全面水平組合則需進(jìn)行81次試驗(yàn)，若采用L9(34)正交表則僅需做9次試驗(yàn)就可以進(jìn)行全面分析，反映出各因素與指標(biāo)之間的關(guān)系。

3 邊界條件

電機(jī)工作的損耗是電機(jī)溫升的來源。PMSM的定子鐵心損耗是主要鐵心損耗，轉(zhuǎn)子鐵耗僅約占總損耗的1%[9]，因此忽略轉(zhuǎn)子損耗。經(jīng)計(jì)算額定功率30kW和額定轉(zhuǎn)速3000r/min PMSM的損耗值為定子銅耗575W、定子鐵耗787W。假設(shè)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的各項(xiàng)損耗分別均勻分布在熱源中，且產(chǎn)生的熱量全部由冷卻液帶走。

冷卻液流量不變，為10L/min，進(jìn)口和出口溫度均為60℃。

電機(jī)殼體和定子間的接觸熱阻參考文獻(xiàn)[10-11]。

冷卻介質(zhì)進(jìn)口邊界條件取速度入口，速度為0.83m/s；出口邊界條件為壓力出口，壓力為0Pa。

4 正交試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排正交表，利用STAR-CCM+采用數(shù)值模擬的方法，對電機(jī)進(jìn)行流體場和溫度場的耦合計(jì)算[12]。由仿真結(jié)果得到正交試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

由正交表及其結(jié)果對試驗(yàn)指標(biāo)分析進(jìn)行[12]，結(jié)果如表5所示。

表5 繞組最高溫度極差分析

由表5可看出，4個因素中，冷卻管道結(jié)構(gòu)極差最小，是對繞組最高溫度影響最小的因素，冷卻介質(zhì)極差最大，對繞組最高溫度影響最為明顯。根據(jù)極差R排出影響繞組最高溫度的各因素主次順序?yàn)镃冷卻介質(zhì)、D冷卻管道數(shù)目、A殼體材料、B冷卻管道結(jié)構(gòu)。

各因素對繞組最高溫度的影響趨勢如圖3所示。

圖3 繞組最高溫度隨各因素水平的變化趨勢

由圖3可以看出：殼體材料為6061-T6時溫度最低，6061-T6導(dǎo)熱系數(shù)最大，溫升結(jié)果與材料的性質(zhì)相符；軸向Z字形冷卻效果最好，工字形最差；當(dāng)采用的冷卻方式相同時，水是三種冷卻介質(zhì)中效果最好的，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱容均最大；冷卻管道數(shù)目為7時溫度最低，且由圖3中變化趨勢可看出水道數(shù)目越多散熱效果越好。

由表6中管流壓降極差R的大小分析，可知?dú)んw材料、冷卻管道結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)、冷卻管道數(shù)目4個因素中，殼體材料的極差最小，對壓降影響最小，冷卻管道極差最大，影響最為顯著，各因素的主次順序?yàn)镈冷卻管道數(shù)目、C冷卻介質(zhì)、B冷卻管道結(jié)構(gòu)、A殼體材料。

表6 管流壓降極差分布

各因素對管流壓降的影響趨勢如圖4所示。

由圖4可看出：冷卻管道數(shù)目是對壓降影響最大的因素，所以設(shè)計(jì)時需主要考慮結(jié)構(gòu)，隨著冷卻管道數(shù)目的增加，壓降也隨之增加，容易看出壓降的增幅也越顯著。由于油的黏度較大，流動過程中相應(yīng)流阻也較大，故其壓力是最大的；當(dāng)結(jié)構(gòu)為軸向工字形時，壓降最小，螺旋形次之，軸向Z字形存在多處折轉(zhuǎn)，壓降最大，故對壓降來說較好的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是軸向工字形。

圖4 管流壓降隨各因素水平的變化趨勢

根據(jù)正交試驗(yàn)的均勻可比性，綜合兩個評價(jià)指標(biāo)，將各因素的好的水平組合起來，得出所要求的較好的組合方案，即A3B2C1D2。

極差分析法簡單易行、直觀易懂，但沒有把試驗(yàn)過程中試驗(yàn)條件改變所引起的數(shù)據(jù)波動與由試驗(yàn)誤差引起的波動區(qū)分開來，也無法對各因素影響的重要程度給出精確的定量估計(jì)。此外，對兩指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)的權(quán)衡系數(shù)的確定需要根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及重要性分析而定，沒有唯一標(biāo)準(zhǔn)，選出的較好的組合還需在后面的試驗(yàn)中進(jìn)一步確定。以上分析只是在3水平因素下得到的結(jié)果，更多選擇的冷卻管道結(jié)構(gòu)以及數(shù)目等影響需在今后的分析和研究中完善。

5 結(jié) 語

從正交分析可以發(fā)現(xiàn)各因素對繞組最高溫度影響重要性順序?yàn)槔鋮s介質(zhì)、冷卻管道數(shù)目、冷卻管道結(jié)構(gòu)、殼體材料，對管流壓降影響主次次序?yàn)槔鋮s管道結(jié)構(gòu)、冷卻管道數(shù)目、冷卻介質(zhì)、殼體材料，由各因素水平的影響趨勢，得出較優(yōu)的水平組合。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過較少的計(jì)算模擬，全面了解到試驗(yàn)情況，得到各因素的綜合影響效果和不同指標(biāo)影響因素的主次排序，獲得較好的水平組合方式，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為工程實(shí)際對電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了分析方法并具有一定的意義。

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Numerical Simulation Research on Heat Dissipation of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Orthogonal Experiment*

WANGShuwang1，GAOYuexian1，ZHANGLei2(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. Jiangsu Zhongke Robot Technology Co., Ltd., Changzhou 213164, China)

The demand for clean-energy vehicles made permanent magnet synchronous motor (PMSM) develop in the direction of high power density and the study of the cooling system was particularly important for the temperature rise was one of the key problems. A 30kW forced liquid-cooled PMSM was set as an example. By orthogonal experiment and numerical simulation software, the motor cooling system properties and its influence factors were studied. According to the relevant literature and engineering experience, the housing materials, the cooling structure, the cooling medium and the number of pipelines were determined as the main factors affecting the motor cooling effect. The primary and secondary order of these factors were determined by the range analysis of the simulation results and it showed that the cooling medium and the cooling structure were, respectively, the most significant factor of the temperature rise and pressure drop. Simultaneously the results of the analysis also gave a better combination.

permanent magnet synchronous motor(PMSM)； heat dissipation； orthogonal experiment； numerical simulation

混合動力乘用車機(jī)電耦合系統(tǒng)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(1501021004)

王淑旺(1978—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡妱悠囯婒?qū)動系統(tǒng)和汽車自動化裝備。

TM 351

A

1673-6540(2016)11- 0103- 05

2016-05-03