電動汽車用輪轂電機磁熱耦合仿真分析

張 琪, 雷良育,2, 靳家寶, 胡 峰, 孫崇昆

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，臨安311300；2.浙江兆豐機電股份有限公司，杭州 311232)

電動汽車用輪轂電機安裝于空間狹小的電動汽車車輪內(nèi)部，并且汽車正常行駛的道路路況復(fù)雜，這樣直接使得輪轂電機的散熱能力較差[1].高功率密度使得電機溫升較高[2],不利于輪轂電機的長期使用[3].所以，較高溫升和較差的散熱條件，使得對輪轂電機溫升的準(zhǔn)確計算顯得愈發(fā)的重要.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電機溫升的計算方法主要有3種：①參數(shù)計算法；②等效熱路法；③有限元分析法.其中，國外的Christian Kral等[4]采用了參數(shù)計算法，建立了輪轂電機溫度場計算數(shù)學(xué)模型，雖然計算速度較快，但是不能真實的反應(yīng)出電機內(nèi)部的溫度分布情況，存在一定誤差.國內(nèi)賈珍珍等[5]運用有限元方法，分析了輪轂電機的溫度場分布和溫升情況，但是，僅采用了二維平面有限元分析方法，沒有考慮電機軸向溫度散熱能力對電機整體溫度的影響；高曉林等[6]運用Fluent流體分析軟件對電機的散熱進(jìn)行了分析，但是，F(xiàn)luent網(wǎng)格劃分要求較高，且處理時間較長，對于復(fù)雜的電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于實際工程計算中的效率要求.

為了使溫升計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且計算效率較高，文中以一臺4 kW輪轂電機樣機為研究對象，在ANSYS Transient Thermal模塊中，以磁熱耦合的方式，分析了額定工況下的輪轂電機的整體溫度場.為了方便有限元模型的建立，文中提出將輪轂電機內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的求解模型進(jìn)行簡化和等效處理，并通過相關(guān)流體力學(xué)和傳熱學(xué)的公式，計算出散熱邊界條件來模擬輪轂電機的散熱情況，最后,將得出的溫度場的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了所提出的磁熱耦合仿真計算方法的正確性，為輪轂電機的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的參考依據(jù).

1 輪轂電機熱性能參數(shù)的確定

1.1輪轂電機的基本參數(shù)

輪轂電機的基本參數(shù)如表1所示.

表1 電機基本參數(shù)

電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)較為緊湊，散熱條件較差.在自然風(fēng)冷條件下，輪轂電機的主要熱交換方式如圖1所示，主要由電機內(nèi)部各部件的傳熱、電機外部殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對流換熱等組成.

圖1 電機內(nèi)熱交換

1.2 熱源計算

電磁損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、銅耗和永磁體渦流損耗，電磁損耗是輪轂電機的主要熱源，所以，需要準(zhǔn)確的計算出電磁損耗的具體數(shù)值.通過Maxwell電磁分析軟件準(zhǔn)確地分析出額定工況下輪轂電機各部件的電磁損耗分布云圖.如圖2所示，在齒頂處的定子鐵芯損耗較大，這是因為此處的磁密較為集中.如圖3所示，在齒槽開口處的永磁體渦流損耗較大，這是由于定子槽口的齒槽效應(yīng)會產(chǎn)生磁場高次諧波，會引起較大的渦流損耗[7].

圖2 額定工況定子鐵芯損耗分布云圖

圖3 額定工況永磁體渦流損耗分布云圖

經(jīng)過Maxwell后處理計算模塊，得到輪轂電機定、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗和永磁體渦流損耗具體數(shù)值大小，如表2所示.其中，轉(zhuǎn)子的鐵耗較小，僅為定子鐵耗的0.89%，可以忽略不計，銅耗的數(shù)值最大，占總體電磁損耗的一半.

表2 額定工況下電機內(nèi)各部件的電磁損耗分布

2 輪轂電機溫度場分析

2.1 復(fù)雜部件的簡化與等效

2.1.1 定子槽繞組模型的簡化與等效

在建立溫度場分析模型時，定子槽中的繞組和絕緣體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難精確的建立有限元模型.可以將繞組等效為一整塊導(dǎo)體，絕緣體按體積等效成等體積的包圍層，并平行緊貼于槽壁，簡化模型如圖4所示.

根據(jù)傳熱學(xué)定理[8]，通過下列公式計算等效后的絕緣層和導(dǎo)體的物性參數(shù).

圖4 定子槽繞組模型等效簡化

(1)

ds=d1+d2+d3，

(2)

(3)

(4)

式中：d1為定子槽絕緣材料的厚度；d2為槽絕緣材料與定子之間氣隙厚度；d3為繞組銅線的絕緣漆厚度；ρ1、ρ2和ρ3為對應(yīng)的絕緣體密度；c1、c2、c3分別為絕緣體的比熱容；v1、v2、v3分別為對應(yīng)的絕緣體的體積.

結(jié)合上述公式，計算得到等效絕緣體的等效結(jié)構(gòu)尺寸和等效物性參數(shù)，如下表3所示.

表3 定子槽繞組等效模型的等效物性參數(shù)

2.1.2 鐵芯疊片模型的等效與簡化處理

定子鐵芯是由多層硅鋼片經(jīng)過疊壓而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.可以將鐵芯疊片等效成具有軸向、徑向和切向不同導(dǎo)熱性能的結(jié)合體，導(dǎo)熱等效示意圖如圖5所示.

圖5 定子鐵芯疊片傳熱等效示意圖

可以通過下列公式計算得到定子鐵芯在各個方向上的導(dǎo)熱系數(shù).

(5)

(6)

通過計算得到等效模型物理屬性參數(shù)如表4所示.

表4 定子鐵芯簡化模型物理屬性參數(shù)

為了使溫度場分析時的有限元模型更加簡單，需要對輪轂電機中溫度場分析影響較小的次要部件進(jìn)行一定的省略和簡化，如螺栓、墊片等，并假設(shè)保留的主要部件之間是緊密接觸無空隙的，最后得到的簡化模型如圖6所示.

圖6 輪轂電機簡化模型圖

2.2 對流換熱系數(shù)的等效與計算

輪轂電機主要的對流換熱邊界面如圖7所示，散熱邊界的數(shù)值大小表示輪轂電機各個表面散熱能力的強弱，需要精確計算.

2.2.1 氣隙散熱系數(shù)的計算

隨著電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，電機氣隙中的空氣會流動，但氣隙的尺寸較小，很難在溫度場計算時模擬氣隙的旋轉(zhuǎn)和運動，因此，對定轉(zhuǎn)子間的氣隙做靜止處理，通過公式(7)計算氣隙散熱系數(shù)來模擬氣流運動時的散熱能力[9].

(7)

式中：hairgap和λair分別為氣隙的等效傳熱系數(shù)和空氣導(dǎo)熱系數(shù)；δ為氣隙長度；T?和Pr分別為氣隙雷諾數(shù)和普朗特數(shù).

2.2.2 輪轂電機外殼表面散熱系數(shù)的計算

電機殼在旋轉(zhuǎn)時通過對流的形式與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，同時旋轉(zhuǎn)外殼會加速周圍空氣的流動從而增強散熱效果[10]，機殼的對流散熱系數(shù)計算公式如下.

(8)

式中：hca為機殼外表面的對流散熱系數(shù)；vair為電機殼外表面空氣的運動速度，按照電機殼旋轉(zhuǎn)速度的70%取值[11].

根據(jù)以上公式計算得到了電機對流散熱邊界面的散熱系數(shù)，具體數(shù)值如下表所示.

表5 輪轂電機各邊界面對流散熱系數(shù)

3 額定工況下輪轂電機溫度場仿真結(jié)果分析

進(jìn)行瞬態(tài)溫度場求解后，得到額定工況下的輪轂電機運行3 600 s后的溫度場分布云圖，如圖8所示.從溫度場仿真結(jié)果可知繞組部分的溫度最高，因為繞組銅耗最大，繞組最高溫度為122.23 ℃，最低溫度為121.45 ℃，由于槽絕緣的隔熱作用，繞組的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在繞組中間位置，最低溫度區(qū)域出現(xiàn)在兩端，但是,繞組的溫度差異較小，整體溫度分布較為均勻.

定子的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在槽底部與定子軛內(nèi)圓之間的位置，因為定子的位置與繞組位置最接近，并且定子本身也是發(fā)熱源，所以，定子的最高溫度僅次于繞組，最高溫度為120.78 ℃.

永磁體的溫差較大，最高溫度為118.22 ℃，最低溫度為113.24 ℃，由于磁極內(nèi)圓處接近溫度較高的定子，外圓接近散熱較好的轉(zhuǎn)子與外殼，所以，磁極內(nèi)圓與外圓形成了一個4.98 ℃的溫差范圍.

圖8 電機整體和各部件溫度分布云圖

4 試驗驗證

為了驗證文中所述輪轂電機溫度場仿真方法的正確性，需要對輪轂電機進(jìn)行溫升試驗.試驗所用的檢測平臺為輪轂電機綜合性能試驗臺，如圖9所示，該試驗臺由測功儀、控制器、試驗架、溫度傳感器等部件組成.運用溫度傳感器埋入繞組端部，以檢測繞組端部溫度變化，并運用紅外溫度計測量電機外殼溫度.

為了減小試驗值和仿真值的誤差，需要使試驗條件和仿真條件基本相同，控制實驗室初始環(huán)境溫度為22 ℃，在試驗過程中運用測功儀和控制器配合，使得輪轂電機在額定負(fù)載工況下,連續(xù)平穩(wěn)運行1 h，并以1 min為時間段記錄溫度數(shù)據(jù).將得到的溫升試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對比曲線如圖10所示.

由圖10輪轂電機溫升試驗與仿真的對比曲線可知，轉(zhuǎn)子外殼的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果幾乎一致，誤差在2%以內(nèi).繞組端部的仿真誤差較大，最終穩(wěn)定時的誤差相差約2.2 ℃，但最大誤差在5%以下，該結(jié)果在工程計算誤差的允許范圍內(nèi).通過與試驗結(jié)果的比對，驗證了文中采用的磁-熱耦合仿真計算輪轂電機溫度場的方法的正確性，該方法能夠運用于輪轂電機初期設(shè)計中，并且能為輪轂電機散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供重要的參考依據(jù).

圖9 輪轂電機綜合性能試驗臺

圖10 輪轂電機溫度試驗與仿真對比曲線

5 結(jié) 論

通過磁熱耦合的方法，對一臺4 kW電動汽車用輪轂電機的電磁損耗和溫度場進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1)電磁損耗是輪轂電機的主要熱源.定子鐵芯損耗主要集中在齒頂部位，轉(zhuǎn)子鐵芯損耗很小，可以忽略不計，永磁體渦流損耗由于齒槽效應(yīng)主要集中在定子槽口對應(yīng)區(qū)域.繞組銅耗在總體電磁損耗中所占比例最大，達(dá)到了50%，溫升最大，所以，在設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)時必須重點考慮繞組區(qū)域的冷卻效果.

2)在溫度場分析模型建立時，繞組部分可以簡化成文中提出的導(dǎo)條加絕緣層的模型，硅鋼片部分可以簡化成一個定子整體，再經(jīng)過文中給出的傳熱學(xué)相關(guān)公式的計算，能夠精確的等效計算出簡化模型的尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，等效模型和散熱系數(shù)的計算是文中提出的磁熱耦合分析的關(guān)鍵.

3)從溫度場分析結(jié)果可知，輪轂電機繞組部位的溫度最高，繞組端部溫度較繞組中間部位的溫度有所降低.由于定子與繞組接觸，并且定子部位本身也是熱源，所以，定子部位的溫度接近繞組部位的溫度.永磁體由于靠近轉(zhuǎn)子與外殼，冷卻效果較好，永磁體的內(nèi)層和外層會形成一定溫度差.

通過試驗分析，驗證了結(jié)合文中所述的輪轂電機磁熱耦合仿真分析方法能夠準(zhǔn)確的分析出輪轂電機溫度場的分布情況，能夠為輪轂電機冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供重要的參考依據(jù).