新能源汽車驅動電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析

丁永根 徐天稷 張南 海露

摘 要：本文針對新能源汽車驅動電機運行過程中的電機溫升問題，重點分析了驅動電機殼體熱量傳遞方式，以及電機殼體冷卻通道結構設計，分析了冷卻通道截面尺寸與冷卻通道沿程阻力損失之間的關系。同時，借助ANSYS熱仿真技術，對螺旋式冷卻結構的驅動電機溫升問題進行了熱仿真分析。

關鍵詞：新能源汽車 永磁同步電機

當前，在國家節(jié)能減排政策的支持下，新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)獲得了迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)燃油汽車向電動汽車方向發(fā)展已經(jīng)一種必然趨勢。永磁同步電機由于具備高功率密度、高效率、高可靠性與安全性，已被廣泛應用于新能源電動汽車的驅動系統(tǒng)中。通常，新能源電動汽車電機運行環(huán)境溫度較高（通常高于70℃），同時還要求驅動電機必須具備較強的過載能力、動態(tài)響應能力，這就會帶來電機溫升問題。而較高的電機溫升會影響驅動電機運行的可靠性和使用壽命，直接影響整車的動力性能，因此，如何更好的解決新能源電動汽車運行過程中的電機的溫升問題，保證驅動電機運行的可靠性，合理設計驅動電機冷卻系統(tǒng)，就具有十分重要的意義。

1 永磁同步電機熱量傳遞方式

永磁同步電機運行過程中，由電機繞組銅損耗和定子鐵芯、轉子鐵芯的鐵損耗產(chǎn)生的熱量，其在電機內(nèi)部傳遞的路徑如圖1所示。經(jīng)分析，電機內(nèi)部由損耗產(chǎn)生的熱量，大部分通過熱傳導的方式，按照定子繞組→定子鐵芯→冷卻介質的傳遞路線，最終通過冷卻介質傳遞到機殼外部。此外，還有極少部分熱量通過熱輻射的方式由機殼殼體輻射到周圍空氣介質中，這部分熱量所占比例較少，對電機散熱的貢獻值較小。由此可見，如何解決好熱量由定子繞組→冷卻介質的傳遞，就成為了解決電機溫升問題的關鍵。

2 驅動電機殼體冷卻通道結構設計

針對熱量在電機內(nèi)部的傳遞方式，本文設計了一款螺旋式冷卻結構的電機殼體，其結構如圖2所示。冷卻介質由殼體底部進水口流入，在殼體內(nèi)螺旋循環(huán)上升4圈以后，從殼體右側出水口流出殼體，完成冷卻介質在殼體內(nèi)部的一次循環(huán)過程。冷卻通道結構設計時考慮到整車端液壓泵的壓力及冷卻介質沿程阻力損失，在螺旋通道轉角設計時過渡圓角盡可能大，這樣既可以減少冷卻介質在循環(huán)過程中的沿程阻力，又可以在生產(chǎn)鑄造過程中保證金屬液順利充填型腔，避免冷卻澆道內(nèi)形成卷氣、夾渣等鑄造缺陷。

螺旋形冷卻通道截面設計以矩形截面為主，假設螺旋水道截面均勻，在忽略局部水頭損失情況下，采用Fluent抽取水道結構模型，總結得到螺旋水道沿程阻力與矩形截面參數(shù)之間的近似關系，其結果如下式所示表示。其中：Qfin為冷卻液入口流量，Ls、c、n、H、L 分別表示與矩形截面螺旋水道結構相關的尺寸：軸向長度、隔板寬度、水道個數(shù)、水道截面寬度、總流動長度。由此可見，在入口流量Qfin一定情況下，螺旋水道結構尺寸設計，對永磁同步電機的整體散熱能力、整車端冷卻泵的選擇都有重要影響。

3 電機殼體螺旋形冷卻通道熱仿真分析

本文采用Fluent抽取水道結構模型，獲得水道流體體積為0.46L。電機散熱邊界條件為：冷卻介質流量8L/min，電機入水口水溫70℃，電機初始溫度和環(huán)境溫度均為70℃，外部對流換熱系數(shù)為8W/（m2·K）。在此條件下，對額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m和峰值工況點55kW@3600RPM@147N.m@30S的電機散熱情況進行熱仿真分析。

3.1 額定工況下熱仿真分析

在額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m下，對永磁同步電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構件的溫度場進行分析，其結果如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構部分中，電機裸銅線溫度最高，其最高溫度為138.2℃，所處位置為電機繞組端部。這是由于冷卻介質只覆蓋到鐵芯端部，鐵芯兩端的繞組線包超出冷卻液覆蓋范圍，其散熱方式主要以輻射和對流散熱為主，散熱效果較差，所以繞組線包部位溫度明顯高于其它部件，這一仿真結果與實際測量結果也是相吻合的。

3.2 峰值工況下熱仿真分析

在峰值工況點55kW@3600RPM@147N.m@30S下，對永磁同步電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構件的溫度場進行分析，其結果如圖4所示。由仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，峰值工況下，電機溫度最高的部位依然為鐵芯兩端的線包端部，其最高溫度145.8℃。通過對螺旋形冷卻結構的電機進行溫升仿真，可以發(fā)現(xiàn)，當前螺旋形冷卻水道結構，在額定工況和峰值工況條件下，都可以滿足繞組在長期150℃以及短期150℃條件下的耐溫需求，螺旋冷卻結構具有較強的散熱能力，可以滿足產(chǎn)品的使用要求。

3 結語

1.在入口處冷卻介質流量一定情況下，螺旋式冷卻通道截面參數(shù)，對永磁同步電機整體散熱能力具有重要影響，同時整車端冷卻系統(tǒng)沿程阻力損失、整車冷卻系統(tǒng)油泵的選擇也具有非常重要影響。

2.螺旋式冷卻結構殼體，在額定工況點下，永磁同步電機最高溫點位于機殼繞組端部，最高溫度為138.2℃，電機可以滿足長期150℃耐溫的使用要求。

3.螺旋式冷卻結構殼體，在峰值工況點下，永磁同步電機最高溫度為145.8℃，最高溫度區(qū)域為鐵芯兩端的線包端部，電機可以滿足短期150℃耐溫的使用要求。

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