高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)溫度場分析及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

翟景森，康 娟，楊泗鵬，馮勇敢，秦亞坤

(1.鄭州市公共交通總公司，鄭州 450046；2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450061)

0 引 言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)客車中的關(guān)鍵部件，對動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要影響。電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有高轉(zhuǎn)矩密度、寬調(diào)速范圍和寬高效區(qū)等特點(diǎn)[1]。在不同類型的電機(jī)中，永磁同步電機(jī)具有相對較高的轉(zhuǎn)矩密度和效率，是目前最適合在電動(dòng)客車上使用的電機(jī)[2]。

高轉(zhuǎn)矩密度就意味著電機(jī)在緊湊的空間內(nèi)需要輸出更大的轉(zhuǎn)矩，即要求電機(jī)的體積和重量相比目前的電機(jī)更小。若要提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，需在電機(jī)初始設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用材料極限性能，增加熱負(fù)荷。但電機(jī)工作溫度過高，會使得電機(jī)內(nèi)絕緣材料性能快速下降，縮短電機(jī)的壽命，可能在嚴(yán)重時(shí)損毀電機(jī)[3]。而電動(dòng)客車中安全性是極其重要的指標(biāo)，因此設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)，將電機(jī)溫升控制在可以接受的范圍，對保證客車可靠運(yùn)行具有重要的意義。

本文通過對電動(dòng)客車用高轉(zhuǎn)矩密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫度場仿真，設(shè)計(jì)滿足溫升要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。并對該電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究和優(yōu)化，分析軸向水路結(jié)構(gòu)、圓周螺旋水路結(jié)構(gòu)和多路并聯(lián)水路結(jié)構(gòu)的散熱效果。

1 溫度場仿真模型建立

1.1 溫度場數(shù)學(xué)模型

本文以一款電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為對象，進(jìn)行溫度場分析和冷卻系統(tǒng)研究，永磁同步電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

為了簡化計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在溫度場計(jì)算時(shí)，忽略熱輻射效應(yīng)，只考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)及對流換熱的影響。建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場數(shù)學(xué)模型，其暫態(tài)運(yùn)行的三維熱傳導(dǎo)方程[4]：

(1)

式中：T為溫度；Kx，Ky，Kz為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)(分別為x，y，z方向)；K為法向?qū)嵯禂?shù)(s1，s2)；q為發(fā)熱源的密度；s1，s2分別為電機(jī)的絕熱和散熱邊界面；γ為介質(zhì)的密度；Te為s2界面的介質(zhì)溫度；α為s2界面散熱系數(shù)。

1.2 溫度場求解模型

本文中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為低速大扭矩電機(jī)，極槽數(shù)為16極72槽，電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的軸向通風(fēng)孔有8個(gè)，在電機(jī)的軸中心處不產(chǎn)生熱交換，則電機(jī)求解區(qū)域可簡化為全模型的1/4，其中軸向上(x方向)取上半部，鐵心段(z方向)取半個(gè)鐵心為模型計(jì)算區(qū)域，如圖1所示。繞組直線段在定子槽內(nèi)，其端部伸出鐵心，和機(jī)殼無接觸，熱量主要通過銅繞組傳遞至定子鐵心，再經(jīng)過機(jī)殼和水道散熱。

圖1 電機(jī)溫度場計(jì)算求解區(qū)域

邊界條件如圖2所示。

(a) 徑向中心截面

(b) 軸向中心截面

在圖2中，S1面為電機(jī)的徑向中心截面；S2面為電機(jī)的軸向中心截面，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)的對稱性，認(rèn)為S1和S2為絕熱面，不會產(chǎn)生熱交換，可使用熱流邊界條件(第二類邊界條件)；散熱面為電機(jī)內(nèi)部各零部件的外表面(如機(jī)殼內(nèi)外表面、鐵心內(nèi)外表面、繞組表面)，發(fā)生熱量交換，可使用對流換流邊界條件(第三類邊界條件)。電機(jī)的散熱路徑如圖3所示。在實(shí)際情況中，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子既發(fā)生熱傳導(dǎo)，又發(fā)生熱對流。一般來說，電機(jī)的氣隙長度相對于鐵心長度而言非常小，可以將電機(jī)氣隙簡化為靜止流體[5]。

圖3中，空氣和電機(jī)表面之間為對流散熱形式；電機(jī)各零件之間以及冷卻水和水套之間通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱。

圖3 電機(jī)的散熱路徑圖

2 電機(jī)溫度場仿真計(jì)算

2.1 穩(wěn)態(tài)溫升仿真

電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求其在額定功率下能長時(shí)間運(yùn)行，需要對其穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行計(jì)算。仿真的電機(jī)在持續(xù)運(yùn)行工況下穩(wěn)態(tài)溫度狀態(tài)如圖4所示。

(a) 電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度分布

(b) 繞組端部穩(wěn)態(tài)平均溫度曲線

從圖4(a)的電機(jī)持續(xù)工況穩(wěn)態(tài)溫度圖中看出，電機(jī)繞組溫度在端部處最高，因?yàn)槔@組是主要熱源，端部繞組散熱一方面通過和空氣的對流交換，絕大部分是通過繞組、定子鐵心、機(jī)殼和冷卻水進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，散熱效果比繞組中間部位差；由于水道中冷卻水和機(jī)殼溫差較大，機(jī)殼、定子鐵心及轉(zhuǎn)子部分通過熱傳導(dǎo)散熱，溫度分布以繞組為中心向兩邊分布。圖4(b)是繞組端部穩(wěn)態(tài)平均溫度曲線，其穩(wěn)態(tài)溫度不超過104 ℃，此繞組選用H級絕緣，允許工作溫度為180 ℃，滿足電機(jī)的穩(wěn)態(tài)允許溫度。

2.2 短時(shí)峰值轉(zhuǎn)矩溫升仿真

電動(dòng)客車在爬坡、加速時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩下工作，此工況下要滿足電機(jī)的溫升要求，以致于電機(jī)不會發(fā)生過熱故障，繞組燒毀。本文在電機(jī)40 ℃環(huán)境溫度下，對峰值轉(zhuǎn)矩工作時(shí)進(jìn)行了仿真計(jì)算，如圖5所示。

(a) 電機(jī)峰值運(yùn)行60 s后溫度分布

(b) 電機(jī)峰值運(yùn)行60 s后繞組端部平均溫度曲線

由圖5可以看到，峰值轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)電機(jī)溫度急劇升高，運(yùn)行60 s后，電機(jī)繞組端部平均溫度達(dá)到128 ℃，可以滿足電機(jī)峰值運(yùn)行1 min的設(shè)計(jì)需求。

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫升和冷卻系統(tǒng)有直接的關(guān)系。假定冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)相關(guān)參數(shù)不變，比如水的流量和入水口溫度一定，電機(jī)的冷卻水道結(jié)構(gòu)的不同對電機(jī)溫升亦有較大影響。本文對軸向Z型水道、圓周螺旋水道、多路并聯(lián)圓周水道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，以確定最優(yōu)的冷卻水道結(jié)構(gòu)。

3.1 軸向Z型水道結(jié)構(gòu)

軸向水道結(jié)構(gòu)是電機(jī)常用的水路結(jié)構(gòu)，也稱為“Z”字型水路結(jié)構(gòu)，一般是單條水路沿軸向方向直走，軸向水路之間首尾依次連接，如圖6所示。

圖6 軸向水道結(jié)構(gòu)

通過對額定功率下的穩(wěn)態(tài)溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩(wěn)定在114.4 ℃，如圖7所示。

圖7 軸向水道結(jié)構(gòu)繞組端部穩(wěn)態(tài)平均溫度曲線

3.2 圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)

圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)中的水路沿機(jī)殼周向螺旋連續(xù)前進(jìn)，進(jìn)出水口分居電機(jī)兩端，如圖8所示。

圖8 圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)

通過對額定功率下的穩(wěn)態(tài)溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩(wěn)定在102.3 ℃，如圖9所示。

圖9 圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)繞組端部穩(wěn)態(tài)平均溫度曲線

3.3 多路并聯(lián)圓周水道結(jié)構(gòu)

多路并聯(lián)圓周水路結(jié)構(gòu)中的水路沿機(jī)殼周向呈圓圈狀分布，各水道之間有4個(gè)軸向水平的連接水道，進(jìn)出水口分居電機(jī)兩端，如圖10所示。

圖10 多路并聯(lián)圓周水道結(jié)構(gòu)

通過對額定功率下的穩(wěn)態(tài)溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩(wěn)定在108.9 ℃，如圖11所示。

圖11 多路并聯(lián)圓周水道結(jié)構(gòu)繞組端部穩(wěn)態(tài)平均溫度曲線

通過對3種水路的對比分析可知，在相同的熱源、相同的冷卻介質(zhì)參數(shù)情況下，圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)的冷卻效果最好。由于軸向“Z”字型水道結(jié)構(gòu)的水路之間有180°轉(zhuǎn)折，水路有很多轉(zhuǎn)彎倒角，水流阻力損失較大，散熱效果最差；而多路并聯(lián)圓周水道結(jié)構(gòu)介于兩者之間，在滿足冷卻要求的情況下，選用圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案，但也需要考慮由于進(jìn)出口水溫度的差異會使電機(jī)兩端產(chǎn)生溫差。

3.4 冷卻水路優(yōu)化

根據(jù)上述分析，本文選擇圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)作為電機(jī)的水路結(jié)構(gòu)，設(shè)定冷卻水流量、入水口溫度不變，軸向總長度與定子鐵心長度相同。優(yōu)化水道截面積及水道長度，保持水道間隔相同。

表2給出的是不同水道時(shí)繞組穩(wěn)態(tài)溫度情況。

從表2中可以看出，從#1到#5，繞組平均溫度下降，但水道的接觸面積并不持續(xù)增加。因?yàn)楸３炙牧髁坎蛔儠r(shí)，#1水道截面積最大，水流速最慢，水的溫度較高，散熱能力下降。隨著水道接觸面積的增加，電機(jī)散熱能力越強(qiáng)。不同方案的繞組平均

[7] 張虎,朱曉虹,孫明山.帶有負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的PMSM自適應(yīng)反步控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2016,43(4):17-21．

[8] 趙湘衡,楊武,王敏懷.基于MRAS無速度傳感器的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(10):3631-3636.

[9] 趙長春,劉鳳春.基于模糊迭代的永磁同步電機(jī)位置跟蹤控制[J].計(jì)算機(jī)仿真,2016,33(12):385-389.

[10] 田里思,劉洋.一種永磁同步電機(jī)的無傳感器速度估計(jì)方法[J].中國科技論文,2015(11):1295-1298.