電動汽車用永磁電機(jī)溫升及冷卻的研究

陳麗香，付佳玉,張 超,孫 寧

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，沈陽 110870)

0 引 言

電動汽車的驅(qū)動電機(jī)多為永磁電機(jī)，其具有效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、短時(shí)過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且有較高的功率密度[1-2]。另外，汽車用永磁同步電機(jī)由于其特殊的運(yùn)行環(huán)境，如頻繁地啟動、停車、加速、減速等，會產(chǎn)生大量損耗，并且汽車上電機(jī)的安裝空間較小，散熱條件較差，很可能導(dǎo)致電機(jī)溫升過高[3]，不僅會降低永磁體的性能，還會威脅到汽車運(yùn)行的安全可靠性。因此，如何有效地降低電機(jī)溫升，保障電機(jī)的運(yùn)行可靠性是電動汽車發(fā)展必須解決的問題。因此，研究永磁同步電機(jī)的溫升和冷卻性能對電動汽車的安全性和可靠性研究具有重要意義。

常用的電機(jī)冷卻方式有風(fēng)冷、水冷以及混合冷卻等方式[4]，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、溫升、用途的不同，選用的冷卻方式也不同。電動汽車用永磁同步電機(jī)大都采用水冷方式對電機(jī)進(jìn)行冷卻[5]，通過在機(jī)殼內(nèi)開槽布置冷卻水道，使冷卻水從注水口流入，在機(jī)殼內(nèi)循環(huán)后從出水口流出，帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量。合理的電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以在盡量減小電機(jī)尺寸的前提下，有效降低各部件的溫升，并且冷卻系統(tǒng)本身具有較低的能耗，有利于電機(jī)功率密度的提高和輕量化的要求[6]。并且較好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧溫度場和流體場的要求，在滿足整體溫升要求的同時(shí)，還要使冷卻液體具有較好的流動特性和較低的流動阻力[7]。

本文對一臺額定功率104kW的電動汽車用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)了不同的水冷結(jié)構(gòu)，對不同水冷結(jié)構(gòu)下的溫度場、流體場進(jìn)行對比分析，并對水道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1 流固耦合數(shù)學(xué)模型

根據(jù)傳熱學(xué)原理，對于各向同性介質(zhì)，水冷系統(tǒng)內(nèi)的熱交換可用三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程表示[8]：

(1)

式中，λ為求解域內(nèi)各種介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；T為固體待求溫度；q為熱源密度；α為對流散熱系數(shù)；Tf為附近流體的溫度；s1、s2分別為求解域中的絕熱面、散熱面。

質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律為流體流動的三大基本物理定律，電機(jī)冷卻水的流動要遵循這些定律，因此，將其作為建立流體運(yùn)動基本方程組的依據(jù)[9]。因?yàn)樗魉俣容^小，冷卻水可看作不可壓縮流體，則約束方程可寫為以下形式：

質(zhì)量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

2 電機(jī)的參數(shù)及物理模型

104kW，1250r/min的永磁電機(jī)參數(shù)如表1所示，為方便計(jì)算，選取電機(jī)圓周1/6為求解區(qū)域，并對電機(jī)的繞組和絕緣材料進(jìn)行了等效處理。求解域模型如圖1所示。

表1 104kW高速永磁電機(jī)基本參數(shù)

圖1 電機(jī)計(jì)算域等效模型

圖2(a)、圖2(b)分別為軸向Z形水路和螺旋水路的三維模型， Z形水路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，水道內(nèi)轉(zhuǎn)彎較多，水流在Z形水路中不斷變換方向從而產(chǎn)生較大的阻力，在水路的多處尖角水流速度很低[10]；螺旋水道從電機(jī)一側(cè)進(jìn)水，另一側(cè)出水，容易造成定子兩端溫度差，但由于水流沿著一個(gè)方向螺旋前進(jìn)，水道對水流的阻力較小，冷卻水的流動比較平緩，相比Z形水路，螺旋型流速分布相對均勻些，溫度場分布相對較好[11]。

圖2 水冷系統(tǒng)三維模型

3 不同水冷結(jié)構(gòu)的散熱特性研究

為驗(yàn)證不同水冷結(jié)構(gòu)的冷卻效果，分別建立兩種水冷結(jié)構(gòu)的流固耦合模型，采用相同的機(jī)殼尺寸，水流截面面積相同，為440mm2，水路高度11mm，進(jìn)出口直徑為24mm，進(jìn)口面積為452.16mm2。

應(yīng)用CFD流固耦合計(jì)算電機(jī)在冷卻水溫300K、冷卻水流速0.4m/s時(shí)的流體場和溫度場分布。水道入口均給定為速度入口邊界條件，設(shè)定冷卻水的速度和溫度。水道出口處設(shè)置為壓力出口邊界條件，壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。電機(jī)額定工況下各部分損耗值如表2所示，電機(jī)定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組和永磁體均為熱源，加載平均損耗密度[12]。分別比較兩種方案下的繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心的溫升以及永磁體和軸承的溫度。各部分的溫度分布如圖3～圖7所示。

表2 電機(jī)額定工況下各部分損耗值

圖3 繞組溫度分布云圖

圖4 定子鐵心溫度分布云圖

圖5 轉(zhuǎn)子鐵心溫度分布云圖

圖6 永磁體溫度分布云圖

圖7 軸承溫度分布云圖

由圖3可知，兩種水冷結(jié)構(gòu)對溫升的影響相差不大，整體溫度分布基本沿軸向中心對稱。因?yàn)檗D(zhuǎn)子離機(jī)殼和水道較遠(yuǎn)且氣隙的導(dǎo)熱能力較差，所以轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升較高，最高溫度分別為108.47℃和108.73℃。通過端腔空氣的對流散熱能夠帶走轉(zhuǎn)子鐵心兩端和永磁體端部的熱量，所以轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體的溫度呈中間高、兩端低的分布。定子由于與機(jī)殼緊密接觸，散熱條件好，故定子區(qū)域溫升較低。繞組的中間部分由于和定子鐵心接觸，散熱效果較好，且上層繞組的溫度低于下層繞組，繞組端部通過端腔空氣對流散熱，所以溫升較中間部分高。

表3為各部件平均溫升和最高溫度的比較，由表3 可知，Z形水路各部分溫升略低于螺旋水路，對于定子鐵心和繞組，兩種水路下溫升的差別較為明顯，其中繞組平均溫升分別為47.33K與49.64K，定子鐵心平均溫升分別為27.61K與30.76K。永磁體和軸承由于離機(jī)殼和冷卻水較遠(yuǎn)，溫度均較高。所以應(yīng)改變水道的參數(shù)和冷卻水的流動特性，對冷系統(tǒng)進(jìn)新行優(yōu)化，進(jìn)一步降低電機(jī)的溫升。

表3 不同水路各部件的溫升/溫度值

4 影響電機(jī)溫升的相關(guān)因素

4.1 水道數(shù)量對電機(jī)溫升的影響

水道數(shù)量與電機(jī)散熱效率密切相關(guān)，電機(jī)水道數(shù)越多，被冷卻水流覆蓋的機(jī)殼面積也就越大，冷卻系統(tǒng)的散熱效果越好。通過改變水道數(shù)量，可以得到電機(jī)各部件溫升的變化趨勢，從而為電機(jī)選定適合的水道數(shù)。圖8為電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、永磁體在不同水道數(shù)量下的平均溫升值。從圖8中可以看出，隨著水道數(shù)量增加，電機(jī)各部件的溫升均在降低，但下降的幅度越來越小，水道數(shù)為12 時(shí)各部分溫升趨于平緩，由于水道數(shù)增多，水路流阻會越來越大，故最終確定水道數(shù)為12。

圖8 各部件平均溫升與水道數(shù)變化關(guān)系

4.2 水道寬度對電機(jī)溫升的影響

冷卻水和機(jī)殼通過熱傳導(dǎo)帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，所以水道的容積越大、可容納的冷卻水也就越多，電機(jī)的熱量散發(fā)的越快，冷卻效果越好。在水道數(shù)量確定的前提下，可以適當(dāng)增加水道的截面積。由于機(jī)殼徑向尺寸的限制，水道高度固定為11mm，此時(shí)可以增加水道寬度以提高冷卻效果。分別選擇30mm、35mm、40mm、45mm四種水道寬度，得到電機(jī)各部件相應(yīng)的溫升分布，如圖9所示。從圖9中可以看出適當(dāng)增加水道寬度，能夠有效地降低電機(jī)的溫升，當(dāng)水道寬度大于40mm時(shí)，各部分溫升趨于平緩，所以確定水路的寬度為40mm。

圖9 各部件平均溫升與水道寬度變化關(guān)系

4.2 水道寬度對電機(jī)溫升的影響

除了水道數(shù)量和水道寬度之外，冷卻水的流速也是影響電機(jī)溫升的重要因素。在確定了水道數(shù)量為12、截面尺寸為11mm×40 mm，并保證其他條件不變的情況下，分別設(shè)定了4L/min、8L/min、10L/min、12L/min、16L/min的入口水速，通過計(jì)算得到相應(yīng)的溫升值。圖10為不同水速下電機(jī)繞組、永磁體、定轉(zhuǎn)子鐵心的平均溫升值。從圖10中可知，電機(jī)的溫升隨著水速的增加而降低，當(dāng)水速增大到12L/min時(shí)，各部件溫升變化趨于平緩。出于對系統(tǒng)能耗和冷卻效果的綜合考慮，電機(jī)實(shí)際工作中應(yīng)選擇合適的水速。

圖10 各部件平均溫升與水速變化關(guān)系

5 電機(jī)溫升試驗(yàn)

本文基于一臺104kW，1250r/min的電動汽車用永磁電機(jī)，設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)并進(jìn)行溫升試驗(yàn)，樣機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)平臺如圖11所示。為了更加直觀的反應(yīng)耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性，分別在電機(jī)的入水口、出水口、繞組端部、機(jī)殼表面、端蓋設(shè)立了多個(gè)檢測點(diǎn)，利用紅外線溫度測試儀進(jìn)行了各部位溫度的檢測。試驗(yàn)測得的電機(jī)溫升與計(jì)算值的比較如表4所示，從表4可以看出，電機(jī)穩(wěn)定后各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫升的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差很小，能夠較好地吻合。

圖11 溫升實(shí)驗(yàn)平臺

表4 各監(jiān)測點(diǎn)溫升的試驗(yàn)值與計(jì)算值

6 結(jié) 論

針對電動汽車用水冷永磁電機(jī)的發(fā)熱問題，采用流固耦合的方法，建立了Z形水路與螺旋水路的溫度場計(jì)算模型。通過對電機(jī)繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心溫升以及永磁體、軸承的溫度比較后，最終采取軸向Z形結(jié)構(gòu)作為電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)。通過改變冷卻水路的水道數(shù)量、水道寬度和冷卻水流速，對電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果顯示，水道數(shù)量為12、

水道寬度為40mm的Z形水路結(jié)構(gòu)冷卻效果較好。最后，將設(shè)計(jì)好的冷卻系統(tǒng)應(yīng)用到樣機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，通過與樣機(jī)試驗(yàn)對比，其誤差在3.1%-8.8%之間，滿足工程設(shè)計(jì)要求，證明了所設(shè)計(jì)的水冷結(jié)構(gòu)能夠有效降低電機(jī)溫升。另外，通過電機(jī)溫度場的計(jì)算和電機(jī)的溫升試驗(yàn)可以看出，該電機(jī)在不同冷卻結(jié)構(gòu)下的溫升均較低，說明了電機(jī)的功率密度較低，后續(xù)可以通過縮小電機(jī)的尺寸提高功率密度。