油冷式永磁同步電機(jī)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

崔 可，龔天明，胡 貴，周茜茜，王 韜

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000）

1 引言

永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度大，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車以及油電混合汽車領(lǐng)域。一般而言，較高的電機(jī)溫升容易導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣老化、永磁體失磁等問題，這些都將影響電機(jī)的使用壽命及穩(wěn)定性。目前，車用永磁電機(jī)的冷卻方式主要可分為風(fēng)冷、水冷和油冷幾類，工程技術(shù)人員針對(duì)不同冷卻方式均進(jìn)行了一定研究。其中，哈爾濱理工大學(xué)的丁樹業(yè)[1]基于有限元的方法和共軛傳熱原理，對(duì)一臺(tái)50kW的永磁同步電機(jī)在變頻供電時(shí)的溫度場(chǎng)及流體場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。韓國釜慶大學(xué)的Daesuk Joo[2]等人則討論分析一臺(tái)7.5kW、額定轉(zhuǎn)速3000r/min的農(nóng)用電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)溫度分布，該電機(jī)是通過機(jī)座與空氣換熱來進(jìn)行冷卻。相對(duì)于空冷而言，水冷能夠適用于電機(jī)功率密度更大的場(chǎng)合。沈啟平[3]等人采用有限元的方法對(duì)水冷永磁同步電機(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)冷卻水道的溫度分布進(jìn)行了研究。Shahrood[4]科技大學(xué)學(xué)者Ahmad Durabi等人通過對(duì)一臺(tái)海洋推進(jìn)系統(tǒng)用電機(jī)進(jìn)行研究，該電機(jī)為低壓橫向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)，通過在每相鋁殼上設(shè)計(jì)兩條流體冷卻通道，采用強(qiáng)制水冷方式達(dá)到電機(jī)散熱的效果。油冷電機(jī)目前應(yīng)用較廣，主要是因?yàn)橛偷慕殡姵?shù)高，絕緣性能較優(yōu)，散熱效率良好。現(xiàn)階段，在電動(dòng)汽車及相關(guān)設(shè)備中，油冷電機(jī)因?yàn)樯岷捅Ｗo(hù)機(jī)器的發(fā)展和應(yīng)用，是市場(chǎng)上不可或缺的主體之一。雅典國立科技大學(xué)的學(xué)者Laskaris K.I.等人[5]以一臺(tái)間接油冷永磁牽引電機(jī)為研究對(duì)象，該電機(jī)額定功率為100kW，額定轉(zhuǎn)速4000r/min。電機(jī)散熱是通過在機(jī)殼上設(shè)計(jì)油道結(jié)構(gòu)，當(dāng)冷卻油流進(jìn)時(shí)，帶走電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，25℃的冷卻油可散掉5kW熱量，冷卻效果良好。杜愛民等[6]采用電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合的有限元分析方法，對(duì)一臺(tái)額定功率32kW、額定轉(zhuǎn)速4500r/min的油冷永磁同步電機(jī)進(jìn)行了額定工況下溫度場(chǎng)仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，采用流體數(shù)值仿真的方法，對(duì)一臺(tái)額定功率65kW、額定轉(zhuǎn)速5200r/min的油冷式車用永磁同步電機(jī)瞬態(tài)溫升過程進(jìn)行了數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以驗(yàn)證仿真計(jì)算方法的可靠性。

2 電機(jī)模型與參數(shù)

圖1 直接噴油冷卻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及噴油嘴說明

研究對(duì)象是一臺(tái)直接噴油冷卻式永磁同步電機(jī)，采用了轉(zhuǎn)子內(nèi)置的磁路結(jié)構(gòu)，其三維模型及主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)額定功率為65kW，額定轉(zhuǎn)速為5200r/min，扭矩為120N·m。電機(jī)冷卻方式為直接油冷，實(shí)驗(yàn)過程中冷卻油通過油泵驅(qū)動(dòng)，從電機(jī)進(jìn)油口進(jìn)入電機(jī)，通過機(jī)座油道上部的噴嘴（圖1中編號(hào)1～7位置處）噴射到定子繞組端部進(jìn)行冷卻，電機(jī)內(nèi)部冷卻油的液面不超過氣隙。定轉(zhuǎn)子冷卻油量通過節(jié)流閥控制，實(shí)驗(yàn)過程中通過進(jìn)口的總油流量10L/min。

3 電機(jī)損耗及分布

永磁同步電動(dòng)機(jī)的損耗可分為定子鐵芯損耗、繞組銅耗、轉(zhuǎn)子及永磁體渦流損耗及機(jī)械損耗。

3.1 定子鐵芯損耗模型

永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的定子鐵芯損耗分為磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗（附加損耗），根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理，永磁同步電機(jī)定子鐵芯損耗計(jì)算式為[6]：

式中，Ph為磁滯損耗；Pc為渦流損耗；Pe為異常損耗。

3.2 繞組銅耗模型

繞組銅耗是相電流流過繞組時(shí)產(chǎn)生的歐姆熱，一般可分為基本銅耗和附加銅耗?；俱~耗是相電流在繞組導(dǎo)線上產(chǎn)生的損耗Pcpper，計(jì)算式為：

式中，m為電機(jī)繞組的相數(shù)；I為繞組相電流有效值；R為每相繞組有效電阻值。

3.3 轉(zhuǎn)子和永磁體渦流損耗模型

轉(zhuǎn)子及永磁體的渦流損耗計(jì)算分為解析計(jì)算和有限元法兩種，工程上一般采用有限元法求解邊界條件復(fù)雜的磁場(chǎng)。在時(shí)域內(nèi)，磁場(chǎng)方程可寫為：

▽××（▽×Az）=Js-σ（?Az/?t+▽E）+▽×Hc（3）

式中，▽為哈密頓算子；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率；Az為磁位矢量；Jz為電流密度；σ為材料電導(dǎo)率；E為電勢(shì)標(biāo)量；Hc為永磁體矯頑力；t為時(shí)間。

3.4 機(jī)械損耗

因樣機(jī)采用了深溝球軸承，所以摩擦損耗較小，可忽略不計(jì)。風(fēng)磨損耗與轉(zhuǎn)子形狀、表面粗糙度、轉(zhuǎn)速以及空氣物性參數(shù)等因素有關(guān)[6]，機(jī)械損耗Pf計(jì)算式為：

式中，a為轉(zhuǎn)子鐵芯的表面粗糙度，本文取a=1；Cf為摩擦因數(shù)；ρ0為空氣密度；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速;r為轉(zhuǎn)子半徑；L為轉(zhuǎn)子軸向長度。

選取輸出轉(zhuǎn)速為5200r/min、輸出轉(zhuǎn)矩為120N·m，進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析，得到電機(jī)損耗結(jié)果如表1所列。

表1 電機(jī)損耗

4 電機(jī)溫度場(chǎng)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程主要是對(duì)額定工況下，對(duì)象電機(jī)采用直接噴油冷卻時(shí)的溫升情況進(jìn)行測(cè)量。冷卻油采用的變速箱潤滑油，型號(hào)是DEXRON-VI（Petro-Canada/RDL-3434），冷卻油通過油泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，與發(fā)熱部件完成熱交換之后，經(jīng)過電機(jī)機(jī)座底部出油口流出。加熱的冷卻油流出電機(jī)后再通過稀油站進(jìn)行降溫處理，之后重新進(jìn)入電機(jī)，以此循環(huán)。測(cè)試過程中，每隔兩分鐘記錄一次傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置及傳感器的布置位置如圖2所示：一共在3處布置了測(cè)溫點(diǎn)，分別為繞組上端、繞組下端以及油底殼測(cè)溫點(diǎn)。其中編號(hào)1～7為噴油嘴位置，與圖1中對(duì)應(yīng)。三處測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的非穩(wěn)態(tài)溫升數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同測(cè)溫位置非穩(wěn)態(tài)溫升過程測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

從表2的測(cè)試結(jié)果可以看出，繞組上端由于距噴油嘴位置較近，從噴油嘴噴出的低溫冷卻油對(duì)上端的冷卻效果較為明顯，因此整個(gè)測(cè)溫過程中，繞組上端的溫度明顯低于繞組下端。測(cè)量油底殼處的溫度主要是為了獲得冷卻油與繞組部分進(jìn)行熱傳遞之后，冷卻油本身的溫升情況。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，冷卻油在流過電機(jī)內(nèi)的發(fā)熱部件表面后，溫度逐漸上升，測(cè)溫初始時(shí)刻進(jìn)口冷卻油溫度為42.6℃，油底殼溫度為52.7℃；測(cè)溫結(jié)束時(shí)進(jìn)口處的油溫達(dá)到55℃，油底殼溫度為77.2℃，由于冷卻油在電機(jī)外稀油站進(jìn)行了冷卻降溫，電機(jī)入口處的溫度始終低于出口。

4.2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)溫傳感器位置示意圖

除實(shí)驗(yàn)測(cè)試以外，我們還采用流體商用仿真軟件fluent對(duì)這一直接噴油冷卻非穩(wěn)態(tài)兩相流動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。邊界條件包括：電機(jī)機(jī)座油管進(jìn)口設(shè)定為速度入口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件分別設(shè)定此處的流速及溫度，其中溫度按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果給定為隨時(shí)間變化的規(guī)律。出口設(shè)定為壓力出口，此處的壓力大小給定為一個(gè)大氣壓（101325Pa）。另外，多相流模型選擇fluent自帶的vof模型，這一模型對(duì)于準(zhǔn)確捕捉氣液兩相分界面具有一定優(yōu)勢(shì)，湍流模型則選取了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

這里首先給出了對(duì)稱截面上的冷卻油及空氣體積分?jǐn)?shù)的云圖（見圖3），圖中數(shù)值1表示對(duì)應(yīng)位置處全部為冷卻油，數(shù)值為0則表示對(duì)應(yīng)位置處全部為空氣，這一參數(shù)可以反映冷卻油在機(jī)座內(nèi)的流動(dòng)情況。通過對(duì)稱截面上的體積分?jǐn)?shù)可以發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)內(nèi)的冷卻油（圖中紅色部分，數(shù)值為1處）受重力影響，基本集中于機(jī)座內(nèi)腔下方，冷卻油高度在定轉(zhuǎn)子氣隙以下，不超過定子線圈最下端，這一情況與實(shí)驗(yàn)過程觀測(cè)的結(jié)果相符。

圖3 對(duì)稱截面位置處的冷卻油、空氣體積分?jǐn)?shù)

電機(jī)內(nèi)固體發(fā)熱部件溫度基本呈現(xiàn)出從上至下溫度遞增的規(guī)律，距離噴油孔越近，繞組或鐵芯的溫度越低，這一規(guī)律與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致，再次驗(yàn)證了直接噴油冷卻的散熱效果。繞組受直接噴油冷卻及周邊空氣對(duì)流散熱影響，溫度相對(duì)于鐵芯而言更低，截面I中溫度最高區(qū)域主要集中在定子鐵芯下端，其中最高溫達(dá)到了102℃，主要是因?yàn)榇颂幍目諝?、冷卻油的流速較低，對(duì)流換熱的效果較差所致。

圖4 對(duì)稱截面上溫度分布云圖

圖5分別給出了繞組上端、上組下端以及油底殼測(cè)溫位置處的溫度時(shí)變曲線及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。三處測(cè)溫位置仿真得到的非穩(wěn)態(tài)溫升曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本一致，個(gè)別位置處的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差別。測(cè)溫終點(diǎn)（30min）時(shí)，繞組上端試測(cè)溫點(diǎn)溫度為82℃，仿真結(jié)果為75℃，二者相差7℃，相對(duì)誤差大小為9.3%；繞組下端測(cè)溫點(diǎn)溫度為100℃，仿真結(jié)果為96℃，二則相差4℃，相對(duì)誤差大小為-4%；油底殼測(cè)溫點(diǎn)溫度為77℃，仿真溫度值為73℃，二者相差4℃，相對(duì)誤差為-5.2%。繞組上下端及油底殼測(cè)溫點(diǎn)處的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果吻合程度較好，相對(duì)誤差絕對(duì)值均在10%以內(nèi)。需要說明的是，與繞組上下端溫度仿真曲線相比，油底殼測(cè)溫點(diǎn)處的溫度仿真曲線波動(dòng)較大，這主要是是因?yàn)橛偷讱y(cè)溫點(diǎn)處同時(shí)存在氣液兩相，特別是在非穩(wěn)態(tài)仿真過程中，冷卻油與空氣的體積分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化所引起的。

圖5 不同測(cè)溫位置處仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

總體而言，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，三處測(cè)溫點(diǎn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于10%，計(jì)算精度較高，驗(yàn)證了本文仿真計(jì)算方法的可靠性。

5 結(jié) 論

采用試驗(yàn)測(cè)量及流體仿真的方法對(duì)直接噴油冷卻電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者誤差較小，相對(duì)誤差絕對(duì)值在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，表明本仿真方法可以作為一種噴油冷卻電機(jī)溫度場(chǎng)研究分析手段。同時(shí)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果均表明，直接噴油冷卻散熱效果較好，對(duì)于全封閉式的永磁電機(jī)而言是一種理想的冷卻散熱手段。