ISG電機平臺下散熱分析與優(yōu)化

彭敏，曹權(quán)佐，王建武，施玉春，張海俠

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ISG電機平臺下散熱分析與優(yōu)化

彭敏，曹權(quán)佐，王建武，施玉春，張海俠

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

研究基于P2演示樣機ISG電機的冷卻系統(tǒng)，通過計算分析和臺架試驗發(fā)現(xiàn)該電機以ATF油作為冷卻介質(zhì)，采用電機與變速器串聯(lián)的冷卻布置方式時，不能滿足電機冷卻要求。針對此問題，根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合傳熱學(xué)相關(guān)知識，對電機的冷卻進行優(yōu)化。優(yōu)化后采用50%乙二醇作為冷卻介質(zhì)，選用電機與大水箱串聯(lián)的冷卻布置方式，確定出3-6-10L·min-1的三級流量控制策略，從而使電機的冷卻在滿足工作要求的前提下更加高效、可靠，對電機冷卻介質(zhì)選用和冷卻系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

ISG電機；散熱能力；冷卻介質(zhì)

1 引言

起動機-發(fā)電機-電動機一體化技術(shù)的ISG永磁同步電機轉(zhuǎn)速高、功率密度大，是輕度混合動力汽車的理想部件，但其存在發(fā)熱量大、散熱面小及散熱慢的缺點[1-2]。在電機運行時，如果冷卻不佳，就很難保證電機的正常運行，造成損耗，效率下降，甚至?xí)疬^熱故障[3]。只有采用高效的冷卻系統(tǒng)有效地帶走電機內(nèi)部的熱量，才能保障電機的安全可靠運行[4]，還能進一步提高電機的功率密度，因此對電機的散熱研究具有重要意義。

2 電機冷卻系統(tǒng)散熱能力計算

2.1 冷卻水套的結(jié)構(gòu)與尺寸

P2演示樣機采用聯(lián)合汽車電子有限公司的270×77電機，耦合機構(gòu)各部件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 ISG電機結(jié)構(gòu)示意圖

定子總成與殼體之間形成的環(huán)形空腔，即為冷卻水套，冷卻介質(zhì)在內(nèi)循環(huán)流動實現(xiàn)對電機的冷卻。水套流道類型有環(huán)形、帶肋環(huán)形、螺旋形及回形四種結(jié)構(gòu)。因環(huán)形流道結(jié)構(gòu)簡單，散熱能力能夠滿足一般電機的冷卻要求，故本研究水套流道類型選用環(huán)形結(jié)構(gòu)。冷卻介質(zhì)從入口流入，延圓周方向繞電機定子一周后經(jīng)出口流出。水套徑向截面為近似矩形的不規(guī)則圖形，計算時將其視為矩形，水套界面形狀及設(shè)計尺寸，如圖2及表1所示。

圖2 水套徑向截面示意圖

表1 水套設(shè)計參數(shù)（mm）

2.2 冷卻介質(zhì)散熱能力計算

2.2.1初始條件

（1）目前尚不具備直接測定水套壁面溫度的條件，根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估ISG電機定子臨界溫度為175℃，按臨界溫度的70～80%預(yù)估電機水套壁溫T=125℃；

（2）冷卻介質(zhì)入口溫度T=65℃；

（3）冷卻介質(zhì)體積流量q=8 L·min-1；

（4）根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估ATF油和50%乙二醇冷卻液的出口溫度分別為T'=70℃及T'=85℃，用以選取冷卻介質(zhì)熱參數(shù)，如表2所示。

表2 冷卻介質(zhì)部分特性參數(shù)

2.2.2計算方法

根據(jù)傳熱學(xué)[5]比熱容公式，冷卻介質(zhì)因溫度升高而吸收的熱量，如公式1所示。

式中：Q為冷卻介質(zhì)每秒吸收的熱量，W；T為冷卻介質(zhì)出口溫度，℃。

根據(jù)傳熱學(xué)基本公式，水套向冷卻介質(zhì)傳遞的熱量，如公式2所示。

不考慮與空氣的熱交換，根據(jù)能量守恒定律，水套向冷卻介質(zhì)傳遞的熱量與冷卻介質(zhì)吸收的熱量應(yīng)當(dāng)相等，即Q=Q，故由公式1和公式2即可求得水套最大散熱量和出口溫度T。其中，需先對待定量-換熱系數(shù)進行計算，如公式3所示。

式中：N為努希爾系數(shù)；D為水套當(dāng)量直徑，D=4.84×10-3m。

的確定方法需根據(jù)冷卻介質(zhì)的雷諾數(shù)Re與普朗特數(shù)得出，如公式4和公式5所示。

（1）當(dāng)＜2300時，可根據(jù)水套截面形狀，通過查努希爾數(shù)表確定。水套流道長方形截面長邊與短邊的比值大于等于10，查表按無窮大處理。

2.2.3計算結(jié)果

（1）ATF油R=636<2300，故其流態(tài)是層流態(tài)，普遍情況下，流體溫度越低粘性越大，層流趨勢越明顯。故當(dāng)平均溫度不高于100℃時，ATF油換熱性質(zhì)均為層流態(tài)換熱，取=7.54。

通過以上計算得出最終結(jié)果，如表3所示。

參見表3，預(yù)估值T'與計算值T存在差異，導(dǎo)致計算結(jié)果存在偏差。當(dāng)該偏差小于±5%，偏差在允許范圍之內(nèi)，認(rèn)為計算結(jié)果可靠；當(dāng)該偏差大于±5%，可令T'=T，反饋修正T，直至滿足條件。

表3 冷卻介質(zhì)散熱能力計算結(jié)果

2.2.4影響因素分析

冷卻介質(zhì)的散熱能力與換熱系數(shù)成正比。由公式3可知，當(dāng)水套的結(jié)構(gòu)不變時，當(dāng)量直徑為定值，則換熱系數(shù)正比于和，其中：是冷卻介質(zhì)的固有參數(shù)，越大換熱越好；與介質(zhì)的流態(tài)相關(guān)，而介質(zhì)流態(tài)主要受粘性的影響，粘性越大，介質(zhì)的流態(tài)越趨近層流，換熱越差。

50%乙二醇冷卻液的換熱系數(shù)是ATF油的13.4倍，其中：它的導(dǎo)熱系數(shù)是0.41 W·m-1·k-1大于ATF油的導(dǎo)熱系數(shù)0.13 W·m-1·k-1；粘度是1.07 Pa·s小于ATF油的粘度4.38 Pa·s。正是因為50%乙二醇冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)比ATF油大很多，而粘度比ATF油小很多，故同樣的條件下，帶走的熱量更多。

此外，比熱容主要通過影響冷卻介質(zhì)的溫升而間接影響冷卻水套的冷卻能力。

3 散熱能力分析及優(yōu)化

3.1 散熱能力分析

根據(jù)能量守恒定律，電機運行所產(chǎn)生的損耗將全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴮?dǎo)致電機發(fā)熱，在任意工況下，只有當(dāng)冷卻水套最大散熱量大于電機的功率損耗時，電機定子溫度才能穩(wěn)定在允許的最大值以下。

本文研究電機在驅(qū)動模式下的散熱，對該電機進行臺架試驗，得到電機效率的MAP圖，繼而計算出電機在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的相應(yīng)工況下的功率損失，如圖3所示。其中，轉(zhuǎn)速在0~4000 r·min-1及轉(zhuǎn)矩T在0~140 N·m為電機常用工況。

圖3 電機功率損失（W）

3.1.1優(yōu)化前

優(yōu)化前冷卻介質(zhì)為ATF油時，在常用工況下，冷卻水套滿足電機持續(xù)使用的工況覆蓋范圍，如圖4所示。

參見表3和圖3，電機在常用工況下的最大損失功率為3008W，而ATF油冷卻水套的最大散熱量僅為786W，最多只能吸收該工況下26.1%的熱量。

對比圖4（a）和（b），臺架試驗覆蓋區(qū)域較寬，但無論是理論還是試驗其冷卻能力僅能覆蓋部分低工況點，當(dāng)電機運行在高工況時，即會冷卻不足，不能滿足電機持續(xù)使用的冷卻需求。

圖4 優(yōu)化前滿足電機持續(xù)使用的工況覆蓋范圍

3.1.2優(yōu)化后

參見表3和圖3，優(yōu)化后50%乙二醇冷卻水套的最大散熱量為9153W，不僅遠大于常用工況下的最大損失功率，而且大于全工況的最大損失功率6708W，不考慮其它因素時，電機在任意工況下運行的冷卻均能夠得到保障，也得到了試驗結(jié)果的驗證。且根據(jù)計算，電機在常用工況下持續(xù)運行時，溫升為6.21℃；在最高功率工作時，冷卻液溫升為13.8℃。

同時，為優(yōu)化電機冷卻布置方式，依靠前文計算方法，求出當(dāng)T=90℃時，冷卻液的最大散熱量為6687W，電機仍能夠在全工況下持續(xù)運行。此時，電機在常用工況下持續(xù)運行時，溫升為6.15℃；在最高功率工作時，冷卻液溫升為13.7℃。

3.2 電機冷卻布置方式優(yōu)化

ISG電機冷卻布置方式受介質(zhì)類型影響，而冷卻系統(tǒng)的入口溫度又由布置方式唯一決定，并限制冷卻液的允許最大溫升?T，℃。優(yōu)化前采用電機與變速箱串聯(lián)冷卻的布置方式，而以50%乙二醇作為冷卻介質(zhì)時，有兩種布置方式可供選擇：

（1）與控制器串聯(lián)，T=65℃，?Tmax=2.5℃；

（2）與大水箱串聯(lián)，T=90℃，?Tmax=5℃。

因初始條件發(fā)生改變，現(xiàn)賦予公式1和公式2新的含義：1為電機實際散熱量，W；2為水套最大散熱能力，W。只有當(dāng)2≥1≥電機損耗時，電機散熱才能得到保證，在此前提下，根據(jù)這兩種冷卻布置下散熱能力和冷卻液流量的關(guān)系，判定出可否滿足電機使用要求，以實現(xiàn)冷卻布置方式的優(yōu)化。

3.2.1電機冷卻與控制器串聯(lián)

此時初始條件為T=65℃，T=67.5℃，重新選擇冷卻液熱參數(shù)值，利用前文計算方法，可得冷卻液每秒散熱量為151.1W·L-1，且水套最大散熱能力2遠遠大于實際散熱量1，滿足電機冷卻要求。又因電機常用工況下的最大損失功率為3008W，則需要冷卻液流量q=19.9L·min-1，所需流量過大，故該布置不滿足使用要求。

3.2.2電機冷卻與大水箱串聯(lián)

此時初始條件為T=90℃，T=95℃，同理可得冷卻液每秒散熱量為305.5W·L-1，且水套最大散熱能力2遠大于實際散熱量1，滿足電機冷卻要求。此時為保證電機能在常用工況持續(xù)運行，需要冷卻液流量為9.8L·min-1，故該布置滿足電機使用要求。

3.3 流量分級優(yōu)化

參見圖3，電機在不同工況下的散熱量變化較大，若使用恒定8L·min-1的定流量控制，在低工況時，會造成過冷卻、水泵功率浪費及油耗升高；在高工況時，考慮散熱器等的限制，冷卻能力又會稍顯不足。所以，本著降低油耗、改善冷卻的目的，可在低工況時適量降低流量，在高工況時適量提高流量，優(yōu)化采用3-6-10L·min-1三級變流量控制策略，具體滿足電機持續(xù)使用的工況覆蓋范圍，如圖5所示。

圖5 變流量控制策略下滿足冷卻要求的工況覆蓋范圍

（1）q=3L·min-1，最大散熱量=916 W，即可滿足常用工況下低功率工況電機持續(xù)使用要求。

（2）q=6L·min-1，最大散熱量=1833 W，即可滿足常用工況下較高功率工況電機持續(xù)使用要求。

（3）q=10L·min-1，最大散熱量=3055 W，即可滿足常用工況下高功率工況電機持續(xù)使用要求。

4 結(jié)論

本文從冷卻介質(zhì)的選用、冷卻布置方式及流量分級三個方面優(yōu)化了P2演示樣機ISG電機的散熱，取得了明顯的效果。

（1）優(yōu)化后采用50%乙二醇冷卻液作為冷卻介質(zhì)，其冷卻能力能夠覆蓋電機工作的全工況，電機的冷卻能夠得到保障。

（2）優(yōu)化后采用電機與大水箱串聯(lián)的冷卻布置方式，能夠滿足電機的使用要求。

（3）優(yōu)化后采用3-6-10L·min-1的三級變流量控制策略，可實現(xiàn)降低油耗和改善電機散熱的目的。

[1] 尹安東,李領(lǐng)領(lǐng).車用ISG技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].汽車科技, 2011,(5):1-6.

[2] 李青青,黃勤等.永磁同步電機水冷系統(tǒng)散熱參數(shù)分析與熱仿真[J]. 機械設(shè)計與制造,2014,(4):188-191.

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[4] 和偉超.電動汽車用永磁同步電機水冷系統(tǒng)設(shè)計及溫升分析[D]. 杭州:浙江大學(xué),2013.

[5] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 李翠萍,柴鳳等.冷卻水流速對汽車水冷電機溫升影響研究[J].電機與控制學(xué)報,2012,16(9):1-8.

Analysis and optimization of cooling capacity based on ISG motor

Peng Min, Cao Quanzuo, Wang Jianwu, Shi Yuchun, Zhang Haixia

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

This research is based on the cooling system of ISG motor, in the structure of P2 demonstration prototype. The calculation and bench testing results show that cooling capacity of the motor is insufficient which uses ATF oil as cooling medium and adopts the cooling arrangement in series connection of the motor and the transmission. In view of this problem, the cooling capacity of the motor is optimized, combined with its structural characteristics and the related knowledge of heat transfer. After optimization, 50% ethylene glycol is used as cooling medium, the cooling arrangement in series connection of the motor and the large water tank is adopted, as well as the three level flow control strategy of 3-6-10L·min- 1 is determined. Therefore, the cooling capacity of the motor is more efficient and reliable under the premise of meeting the requirements of the work. It has certain guiding significance for the selection of cooling medium and design and optimi -zation of cooling system.

ISG motor; cooling capacity; cooling medium

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.047

U467

A

1671-7988(2019)10-137-04

U467

A

1671-7988(2019)10-137-04

彭敏，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心。