基于CFD的電動汽車驅(qū)動電機(jī)冷卻流道對比研究

沈 超，余 鵬，楊建中，張東偉，魏新利(.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 45000； .鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 45000)

0 前言

驅(qū)動電機(jī)作為電動汽車的核心動力輸出構(gòu)件，具有體積小、功率大、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，但發(fā)熱量大、散熱面積小、冷卻水溫高，將導(dǎo)致電機(jī)的溫升增加，給高功率密度電機(jī)的運(yùn)行可靠性和使用壽命帶來巨大威脅[1-3].因此，選擇合適的冷卻方案，對于該驅(qū)動電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義.目前，電機(jī)冷卻根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同分為風(fēng)冷和液冷等.風(fēng)冷方式多用于功率密度不大的電機(jī);液冷方式冷卻能力強(qiáng)，能夠較好地解決高功率密度電機(jī)的散熱問題，而水取材方便，成本低廉.

目前，國內(nèi)外一些學(xué)者對電機(jī)的冷卻方式進(jìn)行了研究并取得了相關(guān)成果.王曉遠(yuǎn)等[3]利用計算流體動力學(xué) (CFD)和熱場比較軸向型、周向型、螺旋型3種水冷方式，結(jié)合冷卻效果、水泵功率及工藝等多方面綜合比較并選擇最優(yōu)水路結(jié)構(gòu)：螺旋型水路，應(yīng)用此水路作為85 kW高功率密度電機(jī)的機(jī)殼內(nèi)部水冷方式，并采用樣機(jī)進(jìn)行試驗驗證了CFD流固耦合仿真的可行性.Lu等[4]建立熱網(wǎng)絡(luò)模型和有限元模型研究了永磁直線電機(jī)在水冷條件下的溫度特性，發(fā)現(xiàn)采用水冷系統(tǒng)可大大降低電機(jī)溫升從而提高永磁直線電機(jī)的推力密度.Pechanek等[5]應(yīng)用CFD技術(shù)分析了軸向結(jié)構(gòu)和圓周結(jié)構(gòu)兩種水道結(jié)構(gòu)對于電動汽車用電機(jī)的冷卻效果，研究表明相同條件下軸向結(jié)構(gòu)的冷卻水溫升較小，但壓力損失卻是圓周結(jié)構(gòu)的6倍.Ye等[6]對比分析4種流道結(jié)構(gòu)：圓周結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、半螺旋結(jié)構(gòu)、軸向結(jié)構(gòu)，綜合考慮流阻大小和冷卻效率的影響，發(fā)現(xiàn)圓周結(jié)構(gòu)更適合于水冷驅(qū)動電機(jī)的冷卻.程樹康等[7]分析了風(fēng)冷、水冷周向螺旋槽道和軸向槽道結(jié)構(gòu)及不同冷卻介質(zhì)對4 kW微型電動車用感應(yīng)電機(jī)溫升的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)電機(jī)各部位溫升明顯高于水冷結(jié)構(gòu)，水冷結(jié)構(gòu)更適合于微型電動車電機(jī)的冷卻，周向螺旋槽水路結(jié)構(gòu)電機(jī)溫升稍低于軸向槽道結(jié)構(gòu)，但溫升相差不大.從現(xiàn)有研究來看，目前專家學(xué)者們對于常規(guī)電機(jī)和功率密度較大的電機(jī)的冷卻研究已較為成熟，但對于小體積、大功率密度以及冷卻條件惡劣的電動汽車驅(qū)動電機(jī)的冷卻少有研究，且研究方法多采用數(shù)值模擬方法.相較于理論分析和物理試驗研究，數(shù)值模擬成本低、可信度高，對于復(fù)雜工況下產(chǎn)品的設(shè)計更具有指導(dǎo)意義[8].

筆者針對電動汽車135 kW驅(qū)動電機(jī)在冷卻水進(jìn)口溫度為65 ℃條件下的散熱問題，提出了一種新型冷卻結(jié)構(gòu)：周向多螺旋結(jié)構(gòu)，為小體積、高功率密度的電機(jī)冷卻設(shè)計及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).

1 數(shù)值模型

1.1 電機(jī)機(jī)殼模型

驅(qū)動電機(jī)額定功率為135 kW，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，整機(jī)質(zhì)量小于10 kg，功率密度大于13.5 kW/kg，目前國內(nèi)學(xué)者研究的水冷高功率密度電機(jī)的功率密度大多在3 kW/kg以內(nèi)[9-11].該電機(jī)由外部機(jī)殼，定子、轉(zhuǎn)子等部件構(gòu)成，為了簡化分析，忽略定子、轉(zhuǎn)子等部件的影響，重點(diǎn)分析水道結(jié)構(gòu)對機(jī)殼內(nèi)壁面溫升的影響，機(jī)殼結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，中間部分即陰影區(qū)域為轉(zhuǎn)子所在區(qū)域.目前國內(nèi)生產(chǎn)和使用的電機(jī)以Y系列為主，占據(jù)市場90%以上的份額，其效率平均值為87.3%，YX3高效電機(jī)的效率平均值為90.3%，YE3超高效電機(jī)的效率平均值為91.7%，高效和超高效電機(jī)在市場上占有率不足3%[12-13].該電動汽車驅(qū)動電機(jī)屬于高效電機(jī)，電機(jī)效率取90%，因此轉(zhuǎn)子散熱量取驅(qū)動電機(jī)功率的10%，即為13.5 kW.

圖1 驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼模型Fig.1 The model of drive motor shell

1.2 冷卻水流道模型及網(wǎng)格處理

根據(jù)機(jī)殼模型參數(shù)，建立帶有冷卻流道的機(jī)殼三維模型，如圖2所示.圖2(a)為雙通道周向“Z”字形結(jié)構(gòu)，單個通道尺寸為10 mm×8 mm，為減小流動阻力，對矩形通道邊角進(jìn)行圓角處理，圓角半徑為1 mm.為降低加工成本，機(jī)殼采用鋁板沖孔卷焊而成，進(jìn)水口和出水口附近為焊接板.圖2(b)為周向多螺旋結(jié)構(gòu)，機(jī)殼兩端設(shè)有寬為20 mm、深為10 mm的分水槽和集水槽，兩者之間有沿柱面斜向掃掠的10 mm×1 mm通道，此流道為同程式結(jié)構(gòu).流道進(jìn)水口和出水口內(nèi)徑均為12 mm.

圖2 帶有流道的機(jī)殼模型Fig.2 The model of motor shell with flow channel

利用ANSYS Workbench中的Mesh網(wǎng)格劃分技術(shù)對兩種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)殼模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用以四面體為主的結(jié)構(gòu)，為了增加計算精度，在接近流道的內(nèi)壁面處基于平滑過渡的形式劃分了5層邊界層網(wǎng)格.根據(jù)冷卻流道的最小尺寸確定最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，通過改變最大面網(wǎng)格尺寸獲得了網(wǎng)格單元數(shù)不同的網(wǎng)格以驗證網(wǎng)格的獨(dú)立性.將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS Fluent進(jìn)行計算，在現(xiàn)有研究中，能量方程的殘差小于10-6，連續(xù)性方程、速度分量、k和ε的殘差均小于 10-3，即可認(rèn)為計算收斂.在冷卻水流量為10 L/min時，網(wǎng)格獨(dú)立性考核結(jié)果如表1所示.隨著網(wǎng)格單元數(shù)的增加，出口平均水溫、內(nèi)壁面最高溫度、進(jìn)出口壓差的偏差均逐漸減小，但同時考慮到網(wǎng)格單元數(shù)的增加會導(dǎo)致計算量的增加，因此，經(jīng)過綜合考慮，選擇進(jìn)行數(shù)值計算的網(wǎng)格模型為雙通道周向“Z”字形結(jié)構(gòu)機(jī)殼模型，其網(wǎng)格單元數(shù)為12 902 737，周向多螺旋結(jié)構(gòu)機(jī)殼模型網(wǎng)格單元數(shù)為10 821 635.

1.3 邊界條件

熱流密度：

(1)

式中：P為電機(jī)發(fā)熱功率，W；A為散熱面積，m2.

為了簡化計算，轉(zhuǎn)子散熱量視為均布在轉(zhuǎn)子所在區(qū)域，散熱量為13.5 kW，散熱面積為直徑250 mm、寬115 mm的圓周面，其熱流密度為149 543 W/ m2.

冷卻水量:

(2)

式中：Q為電機(jī)運(yùn)行時單位時間內(nèi)的散熱量，W；

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性考核結(jié)果Tab.1 Grid-independence results

Cp為水的比熱容，kJ/(kg·K)；Δt為冷卻水的進(jìn)出口溫差，℃，這里取20 ℃.

利用上式可計算出冷卻水量為9.6 L/min，本研究取10 L/min.

為了達(dá)到較佳的冷卻效果，應(yīng)使冷卻水的流動狀態(tài)為湍流，則表征流體流動狀態(tài)的無量綱參數(shù)雷諾數(shù)應(yīng)滿足Re>2 320[14].

(3)

式中：U為流體速度，m/s；ρ為流體密度， kg/m3；d為等效水力直徑，對于圓形管道，其值為圓管內(nèi)部直徑，m；η為定性溫度下水的動力黏度，10-3Pa·s.

應(yīng)用NIST REFPROP軟件可得到水在65 ℃條件下的參數(shù)如表2所示，進(jìn)水口為直徑12 mm的圓管，則流態(tài)為湍流時的臨界流速為0.085 m/s.標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是被廣為使用的求解湍流問題的模型，因此筆者選取該模型進(jìn)行求解.

表2 水在65 ℃時的物性參數(shù)Tab.2 Physical properties of water at 65 ℃

進(jìn)口流速：

(4)

式中：q為體積流量，m3/s；A為進(jìn)口截面積，m2.

進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口截面為直徑12 mm的圓，則進(jìn)口流速為1.474 m/s(>0.085 m/s)，進(jìn)口溫度為65 ℃;出口為壓力出口邊界條件，模擬過程中不考慮機(jī)殼與外界之間的熱交換.產(chǎn)品要求機(jī)殼內(nèi)壁面最高溫度不超過100 ℃.

3 結(jié)果與分析

通過計算得到體積流量為10 L/min時，兩種流道結(jié)構(gòu)機(jī)殼內(nèi)冷卻水的溫度分布如圖3所示.周向“Z”字形結(jié)構(gòu)機(jī)殼內(nèi)的水溫在軸向上呈梯度分布，其徑向溫度變化不大.周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道機(jī)殼內(nèi)的水溫在底部的分水槽內(nèi)出現(xiàn)局部高溫，均溫性較差.兩者水溫在水的流動方向上均呈上升趨勢.

圖3 機(jī)殼流道內(nèi)冷卻水的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of cooling water in the channels of the motor shell

兩種流道結(jié)構(gòu)機(jī)殼內(nèi)壁面的溫度分布如圖4所示.周向“Z”字形結(jié)構(gòu)水溫隨著水的流程增加而升高，最高溫度出現(xiàn)在末端拐角處.其徑向溫差較小，雖然在軸向上存在一定的溫度梯度，但其水路平滑，接觸面積較大，整體冷卻效果較好，溫度分布較為理想.周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道機(jī)殼雖然流程較短，但在分水槽部分存在較大溫差，導(dǎo)致分水槽和集水槽地區(qū)出現(xiàn)局部高溫，整個機(jī)殼內(nèi)壁面溫度分布不均.

圖4 機(jī)殼內(nèi)壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution on the inner wall of the motor shell

圖5 機(jī)殼內(nèi)流道壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution in the channels of the motor shell

兩種流道結(jié)構(gòu)機(jī)殼內(nèi)流道的壓力分布如圖5所示.周向“Z”字形結(jié)構(gòu)存在較多拐角，壓力損失較大，容易形成漩渦造成水流狀態(tài)不穩(wěn)定，而周向多螺旋結(jié)構(gòu)為同程式結(jié)構(gòu)，壓力損失較小.兩種結(jié)構(gòu)在軸向上均存在較大的壓力梯度，且壓力損失隨水的流程增加而增大.

利用Fluent數(shù)據(jù)處理技術(shù)可得到周向“Z”字形結(jié)構(gòu)流道的總換熱面積為5.24 m2，而周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道的總換熱面積僅為1.21 m2，若增大周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道尺寸，雖可進(jìn)一步降低壓力損失，但也會造成入口效應(yīng)的增強(qiáng)，不利于水在流道內(nèi)的均勻分布.因此，周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)更適于該驅(qū)動電機(jī)的冷卻.

改變冷卻水進(jìn)口流量，兩種流道結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口壓差與進(jìn)口流量的關(guān)系如圖6所示，隨著進(jìn)口流量的增加，周向“Z”字形流道壓力損失量急劇增加，而周向多螺旋結(jié)構(gòu)壓力損失增長相對平緩且壓力損失較小.由此可見，雖然周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)冷卻效果較好，但對于同樣大小、同種結(jié)構(gòu)的電機(jī)，增大電機(jī)的功率勢必會造成壓力損失的增大，相應(yīng)帶來水泵的驅(qū)動功率大幅度提高且電機(jī)機(jī)殼也需增厚，從而增加運(yùn)行成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度.而多螺旋流道結(jié)構(gòu)雖然冷卻效果相對較差，但壓力損失較小，即使增大進(jìn)口流量也不會帶來太大的壓力損失，對機(jī)殼抗壓能力要求也不高，因此對于同樣大小、同種結(jié)構(gòu)的電機(jī)增大驅(qū)動功率的時候具有更強(qiáng)的適應(yīng)性.

圖6 進(jìn)出口壓差與進(jìn)口流量關(guān)系Fig.6 Pressure difference between inlet and outlet Vs the inlet flow

圖7 溫度與進(jìn)口流量關(guān)系Fig.7 Temperature Vs the inlet flow

圖7給出了周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)機(jī)殼的溫度與進(jìn)口流量的關(guān)系.從圖中可以看出，出水口平均水溫、內(nèi)壁面最高溫度和平均溫度均隨進(jìn)口流量的增加而降低，當(dāng)進(jìn)口流量為9.8 L/min時，出水口平均水溫不超過85 ℃，內(nèi)壁面最高溫度不超過100 ℃，此時既能達(dá)到冷卻要求又使冷卻水用量較少.電機(jī)處于熱平衡狀態(tài)時，出水口平均水溫均在85 ℃左右，溫升變化范圍在13～22 ℃之間，與計算時選用的冷卻水的進(jìn)出口溫差20 ℃相差不大，說明數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況相接近.當(dāng)進(jìn)水口冷卻水量最大為12 L/min時，電機(jī)出口水溫溫升最小為13 ℃，冷卻效果最好，但壓力損失也最大，同樣也會帶來密封困難、加工成本增加等問題.

綜上所述，周向“Z”字形流道對于小體積大功率電機(jī)在冷卻水溫較高時的冷卻具有良好效果，周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道雖然對于該大功率密度電機(jī)的冷卻效果較差，但壓力損失較小，可考慮用于功率密度更大的電機(jī)的冷卻.

4 結(jié)論

(1)周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)水溫在軸向上呈梯度分布，徑向上水溫變化不大，內(nèi)壁面溫度分布較為均勻，冷卻效果較好，但壓力損失較大；周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道在分水槽和集水槽部位出現(xiàn)局部高溫，均溫性和冷卻效果較差，但壓力損失較小.對于電動汽車135 kW驅(qū)動電機(jī)，可采用周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，9.8 L/min為最佳冷卻水流量.

(2)周向“Z”字形流道對于小體積大功率電機(jī)在冷卻水溫較高時的冷卻具有良好效果，周向多螺旋結(jié)構(gòu)流道雖然對于該電機(jī)的冷卻效果較差，但其壓阻小，可考慮用于更大功率密度的電機(jī)的冷卻.該研究為小體積、高功率密度的電機(jī)冷卻設(shè)計及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).