基于電動(dòng)公交車需求的永磁電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫立洋

摘 ?要：伴隨著電動(dòng)公交車的研究進(jìn)一步深入，對(duì)電動(dòng)公交車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的研究也在不斷加深。本文主要針對(duì)基于電動(dòng)公交車需求的永磁電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先對(duì)永磁電機(jī)的整體設(shè)計(jì)和內(nèi)部發(fā)熱情況進(jìn)行了分析，然后基于分析對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)公交車;永磁電機(jī);冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

一、序言

當(dāng)前能源問題和環(huán)保問題已經(jīng)成為了全人類所必須面對(duì)的挑戰(zhàn)，近些年來我國不斷對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)行探索，其中電動(dòng)公交車的出現(xiàn)正是標(biāo)志著我國的新能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸走向成熟。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)公交車的核心部件，其中永磁電機(jī)以其質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)小、體積小、轉(zhuǎn)速范圍度、功率密度高、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)公交車領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)永磁電機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其內(nèi)部溫度場進(jìn)行準(zhǔn)確研究，進(jìn)而完成冷卻系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

二、電機(jī)整體設(shè)計(jì)與發(fā)熱分析

當(dāng)前電動(dòng)公交車作為居民城市出行的重要交通方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜城市路況的同時(shí)需要具備比工業(yè)化電機(jī)更強(qiáng)的性能。以筆者所在地區(qū)的城市交通狀況舉例，其坡度較多，所以電動(dòng)公交車的永磁電機(jī)的最大功率為210kW，額定功率為105kW，結(jié)構(gòu)方面有永磁體、轉(zhuǎn)子、定子、旋轉(zhuǎn)變壓組和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面所組成，轉(zhuǎn)子磁鋼V字型內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)保證了轉(zhuǎn)子不會(huì)被破壞，冷卻方式采用液冷，受力均勻的雙鍵180°連接作為軸承盒轉(zhuǎn)子鐵心的連接方式，旋轉(zhuǎn)變壓器也處于電機(jī)內(nèi)部，進(jìn)一步縮減了永磁電機(jī)的整體尺寸。

電機(jī)之所以會(huì)發(fā)熱是由于電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了相應(yīng)的損耗，主要的損耗包括鐵心損耗、繞組損耗、雜散損耗和機(jī)械損耗四個(gè)方面。首先是鐵心損耗，鐵心損耗也是鐵耗的主要來源，主要是由于電機(jī)在工作過程中會(huì)使得內(nèi)部磁場發(fā)生一系列變化，進(jìn)而加速釘子的齒部和軛部的磁性材料的磁滯，使得磁電轉(zhuǎn)化的過程中出現(xiàn)相應(yīng)的空載附加損耗和負(fù)載附加損耗;其次是繞組損耗（電氣損耗），因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行過程中繞組電流會(huì)出現(xiàn)渦流進(jìn)而引起集膚效應(yīng)，使得繞組損耗和相應(yīng)銅耗進(jìn)一步加劇，這也是電機(jī)運(yùn)行的主要損耗;第三是雜散損耗，雜散損耗主要包括除了鐵心損耗、繞組損耗和機(jī)械損耗之外的損耗總成，相對(duì)占比較小，但也不容忽視;最后是機(jī)械損耗，機(jī)械損耗主要包括風(fēng)損耗和軸承摩擦損耗，可以通過減小負(fù)載和轉(zhuǎn)速、更換軸承材料、添加潤滑劑等方式進(jìn)行減小。

三、冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.冷卻方案整體設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國電動(dòng)公交車用的永磁同步電機(jī)仍需要進(jìn)一步的研究實(shí)踐，尤其是當(dāng)前永磁電機(jī)呈小型化趨勢發(fā)展，這也加大了對(duì)電機(jī)功率的考驗(yàn)。依照上文中對(duì)電機(jī)整體設(shè)計(jì)和相關(guān)的發(fā)熱原因分析，筆者本次選擇的冷卻系統(tǒng)為循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，主體設(shè)施為制冷水箱，其制冷能力為100kw，控溫范圍在5～35℃之間，額定功率為50Hz，額定電壓為380V，輸入功率為36kw，最大流量為1.0m3/h。整體冷卻方式為冷卻水通過永磁電機(jī)的出水口流出進(jìn)入水鄉(xiāng)，在制冷后進(jìn)入永磁電機(jī)的外殼進(jìn)水口，完成制冷工作。

2.水冷外殼設(shè)計(jì)

在水冷系統(tǒng)的外殼材質(zhì)方面，基于電動(dòng)公交車內(nèi)部的實(shí)際空間情況，筆者認(rèn)為選擇鋁材是一項(xiàng)不錯(cuò)的選擇，一方面因?yàn)殇X作為金屬，本身的表面對(duì)流傳熱系數(shù)高，散熱快，另一方面鋁型材由于其的本身的物理特性使其可以加工成多種形狀，截面種類繁多，加工方便、快捷成本低廉，能夠很好的應(yīng)用到相應(yīng)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)之中。

此外根據(jù)電動(dòng)公交車的電機(jī)運(yùn)行情況，筆者認(rèn)為該冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水路設(shè)計(jì)不僅需要有效散熱，還需要兼顧整車水箱的換熱能力，減少換熱功率的損耗，即要求水流的沿層阻力與局部阻力損失盡可能降低。所以該系統(tǒng)內(nèi)部無論是周向水道還是軸向水道，都可以做成多通道模式的水道，多通道水道長度短，沿程阻力損失小，冷卻水進(jìn)水流量大，散熱效果比單通道水道更好，但是考慮到電動(dòng)大巴車內(nèi)部空間狹小，冷卻水由機(jī)殼出水口流出后進(jìn)入水箱的距離很短，多通道水道會(huì)導(dǎo)致出水溫度很高，經(jīng)由水管的散熱有限，流進(jìn)水箱水溫更高，水箱制冷能力可能不足，會(huì)致使水冷循環(huán)系統(tǒng)的整體溫度升高，因此綜合考慮散熱效果與加工成本，本課題電機(jī)選用軸向z字折流式單通道水道。

四、總結(jié)

總而言之，本文基于當(dāng)前電動(dòng)公交車的永磁電機(jī)運(yùn)行情況出發(fā)，對(duì)永磁電機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和相應(yīng)優(yōu)化，讓其能夠滿足復(fù)雜城市路況中永磁電機(jī)的冷卻需求，根據(jù)后續(xù)的模擬仿真試驗(yàn)，筆者認(rèn)為本次設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)冷卻系統(tǒng)能夠很好的滿足該城市的公交車運(yùn)行需求。而其他地區(qū)還需要根據(jù)其所在城市的政策、經(jīng)濟(jì)、路況和環(huán)境要求對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，才能最大程度的滿足永磁電機(jī)的運(yùn)行需要。

參考文獻(xiàn)

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