基于熱管-風(fēng)冷系統(tǒng)的新能源汽車電機(jī)熱分析

葉升強(qiáng)

摘要：針對(duì)新能源汽車電機(jī)緊湊、輕量化、高功率密度和高可靠性的要求，提出基于熱管一風(fēng)冷系統(tǒng)的新型冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于熱管一風(fēng)冷系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，建立電機(jī)有限元熱分析模型并驗(yàn)證其可行性;通過有限元模擬，研究該新型電機(jī)在額定功率和峰值功率下的溫度場(chǎng)。結(jié)果表明：熱管一風(fēng)冷系統(tǒng)能有效地控制電機(jī)的溫升。與水冷系統(tǒng)相比，無需水泵、節(jié)溫器、水箱、管路以及其他裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，有利于實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化和高功率密度。

關(guān)鍵詞：熱管-風(fēng)冷系統(tǒng)、電機(jī)熱

1 前言

電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗，產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)換成熱能，引起電機(jī)各部分溫度升高，溫度過高將嚴(yán)重影響電機(jī)性能和使用壽命。隨著新能源汽車的發(fā)展，電機(jī)單機(jī)容量不斷增大，且要求體積小、重量輕、功率密度大，對(duì)電機(jī)的溫升控制帶來極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

由于電機(jī)溫升控制的重要性，國內(nèi)外對(duì)電機(jī)的熱分析和冷卻系統(tǒng)做了大量的研究。目前使用最多的是利用有限元法對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。

2 基于熱管的風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)

2.1電機(jī)損耗及傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)分析

電機(jī)作為一種電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生損耗。電機(jī)損耗主要包括鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等，這些損耗轉(zhuǎn)化成熱量造成電機(jī)溫度升高。電機(jī)溫度過高，一方面會(huì)降低永磁體的性能甚至引起不可逆退磁，另一方面還會(huì)破壞繞組絕緣，降低線圈的使用壽命，進(jìn)而影響電機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。目前，新能源汽車電機(jī)的冷卻系統(tǒng)均為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，如圖1所示，包括水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器、水箱、電機(jī)及水冷機(jī)殼。冷卻水在水泵中增壓后，進(jìn)入電機(jī)的水冷機(jī)殼。冷卻水從電機(jī)機(jī)殼流道流過并吸收電機(jī)產(chǎn)生的熱量，之后進(jìn)入節(jié)溫器。節(jié)溫器根據(jù)冷卻水溫度的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的水量，以調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，保證電機(jī)在合適的溫度范圍內(nèi)工作。最后，流經(jīng)散熱器中的冷卻水向周圍的空氣散熱而降溫，冷卻后的水返回水泵，如此循環(huán)往復(fù)。在汽車行駛或冷卻風(fēng)扇工作時(shí)，空氣從散熱器周圍高速流過以增強(qiáng)對(duì)冷卻水的冷卻。

水冷系統(tǒng)具有較大的傳熱能力，能夠?qū)㈦姍C(jī)產(chǎn)生的熱量有效地帶走。但該系統(tǒng)存在一些不足：在運(yùn)行過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生水垢并沉積，從而堵塞水路，易造成沉積區(qū)域的換熱環(huán)境惡劣，局部溫升提高，嚴(yán)重時(shí)可能造成電機(jī)線圈局部溫度過高而損毀;壓力低時(shí)流速低散熱效果不理想，而若壓力太大，則可能造成水力鉆孔現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻水泄漏;整套冷卻系統(tǒng)復(fù)雜、重量大、不緊湊，不符合新能源汽車電機(jī)緊湊、輕量化的發(fā)展方向。

2.2基于熱管一風(fēng)冷系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)

為尋找一種緊湊、高效、輕量化的電機(jī)冷卻系統(tǒng)，提出基于熱管的風(fēng)冷冷卻方案。該冷卻系統(tǒng)主要由平板鋁熱管、散熱翅片和風(fēng)扇組成。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有強(qiáng)大的傳熱能力和極小的熱阻。因電動(dòng)汽車電機(jī)所處環(huán)境較為惡劣，故選用工作溫度范圍為-120-2000C，耐腐蝕性好的平板鋁熱管，以適應(yīng)電機(jī)極端低溫和高溫工作環(huán)境。此外，平板鋁熱管能承受最大3920kPa的外部壓強(qiáng)，足以適應(yīng)電機(jī)鐵心及機(jī)殼對(duì)熱管外壁產(chǎn)生的壓力?；跓峁艿娘L(fēng)冷冷卻系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)。平板鋁熱管通過錫焊焊接在定子外側(cè)的矩形槽中，穿過端蓋伸出電機(jī)主體之外，并利用錫焊焊接在外部翅片上。因此，熱管不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s而脫落。將熱管安裝在電機(jī)定子外側(cè)，一方面可減少其對(duì)定子鐵心內(nèi)部電磁場(chǎng)的影響;另一方面，由于電機(jī)產(chǎn)生的熱量主要在定子鐵心和線圈上積聚，能在盡可能接近熱源的情況下，通過熱管將電機(jī)產(chǎn)生的熱量直接導(dǎo)出到外部翅片，對(duì)翅片進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷從而達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。

3 電機(jī)熱分析有限元模型的建立

3.1簡(jiǎn)化假設(shè)

所選用的PMSM為某公司生產(chǎn)的MD15D型外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)。電機(jī)繞組由多股細(xì)小覆漆銅線繞制而成，各個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)不同，建模困難，需要對(duì)繞組進(jìn)行適當(dāng)?shù)刃??？紤]到PMSM轉(zhuǎn)子上的損耗非常小，且通過轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、機(jī)殼、端蓋與空氣發(fā)生的自然對(duì)流交換的熱量也非常少，可以對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。此外，由于熱管的等溫性好，各翅片與熱管接觸面的溫度非常接近，且各翅片間空氣流動(dòng)情況基本一致，可以對(duì)翅片的換熱情況進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。因此，為了提高計(jì)算分析效率，作出以下假設(shè)：

（1）繞組為一整體，具有各向異性導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）不考慮電機(jī)機(jī)殼、轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、端蓋等與空氣發(fā)生熱交換對(duì)電機(jī)溫度分布造成的影響。

（3）各翅片散熱功率以及換熱情況一致。

（4）忽略熱輻射。

2.2翅片等效傳熱模型

由于流體計(jì)算需要占用大量系統(tǒng)資源，特別是進(jìn)行流一固藕合熱分析時(shí)，流體邊界層網(wǎng)格加密后占用資源更多。傳統(tǒng)計(jì)算方法是按照空氣流過翅片對(duì)流換熱的模式建立模型，但是在這個(gè)模型中，由于翅片數(shù)量多，邊界面積大，會(huì)導(dǎo)致各翅片間產(chǎn)生嚴(yán)重湍流，且劃分的網(wǎng)格數(shù)量量級(jí)在10'甚至108以上，限制其工程應(yīng)用;而且由于冷卻風(fēng)的單向進(jìn)入，內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，導(dǎo)致翅片間的流體并不是沿電機(jī)軸中心對(duì)稱的，因此無法通過建立系統(tǒng)的部分尺寸模型來降低網(wǎng)格量。

如果能將流一固藕合傳熱計(jì)算轉(zhuǎn)化成固體的第三類邊界條件進(jìn)行等效計(jì)算，可以省去大量流體網(wǎng)格，極大簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率?；谶@一思想，建立了翅片的等效傳熱模型?？諝鈴某崞舷路铰舆^帶走一定熱量的模型，可以等效為靜態(tài)空氣以一定對(duì)流換熱系數(shù)帶走翅片熱量的模型。

3.3整機(jī)冷卻模型的建立

根據(jù)上述假設(shè)和翅片等效冷卻模型，建立基于熱管的風(fēng)冷系統(tǒng)整機(jī)冷卻模型。整機(jī)冷卻模型由電機(jī)定子鐵心、定子線圈、熱管及多級(jí)散熱翅片組成。

根據(jù)假設(shè)（3），賦予翅片第三類邊界條件，平均對(duì)流換熱系數(shù)由基于流一固藕合傳熱模型計(jì)算得出。熱源部分則根據(jù)電機(jī)的銅耗和鐵耗分別賦予線圈和鐵心體積源項(xiàng)。根據(jù)實(shí)際情況，繞組線圈和鐵心槽間還應(yīng)放置槽間絕緣紙。由于其厚度僅0.35mm，不宜直接建模，因此在Fluent中作為接觸面接觸條件設(shè)置。線圈采用外包絕緣的銅線繞制，其軸向和徑向的導(dǎo)熱系數(shù)有很大差異，須由試驗(yàn)測(cè)定。同樣，鐵心為表面涂有絕緣漆層的硅鋼片疊壓而成，其軸向與徑向?qū)嵯禂?shù)也有很大差異，亦須試驗(yàn)測(cè)定。熱管導(dǎo)熱系數(shù)為實(shí)測(cè)后圓整值，整機(jī)風(fēng)冷冷卻有限元模型參數(shù)設(shè)定。為提升運(yùn)算速度，基本網(wǎng)格尺寸為2mm均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部接觸面網(wǎng)格細(xì)化，最終網(wǎng)格數(shù)量為1.34x106，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2.14x106。

4 結(jié)語

為適應(yīng)新能源汽車電機(jī)緊湊、輕量化、高功率密度的發(fā)展要求，本文提出基于熱管的電機(jī)風(fēng)冷冷卻方法，為電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路，得到結(jié)論如下：

（1）汽車駕駛速度為25km/h，翅片附近冷卻風(fēng)速為6.9m/s時(shí)，運(yùn)行在額定工況下的電機(jī)定子鐵心和線圈的最高溫度分別為83.0℃和104.10C;穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在峰值工況下電機(jī)定子鐵心和線圈的最高溫度分別為102.9℃和126.90C，均處于較低水平，表明基于熱管的風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)能有效控制電機(jī)的溫升。

（2）在不同冷卻風(fēng)速下對(duì)電機(jī)線圈和定子鐵心的溫度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在1.4m/s的冷卻風(fēng)速下，額定工況工作時(shí)，線圈的最高溫度為110.70C;峰值工況下穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，線圈的最高溫度為136.10C，也處于較低水平。特別當(dāng)電機(jī)在峰值功率極端高溫環(huán)境下工作時(shí)，定子鐵心最高溫度為127.00C，線圈最高溫度為151.1℃，仍能滿足電機(jī)H級(jí)絕緣的溫度要求。

（3）采用基于熱管的風(fēng)冷方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，電機(jī)定子鐵心和線圈的溫度呈現(xiàn)周向周期性分布，熱管附近區(qū)域溫度低，兩熱管中間區(qū)域的溫度高。可通過提高熱管的分布密度，降低兩熱管中間區(qū)域的溫度。

參考文獻(xiàn)：

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