液冷系統(tǒng)對(duì)車用永磁電機(jī)溫升特性的影響研究

熊豪利，于 冰，譚親目，劉稼成，柳 鋼，艾增強(qiáng)

(1.中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412005) (2.湖南省新能源汽車電機(jī)工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412005)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車的核心部件，其運(yùn)行工況復(fù)雜，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的體積、性能有較高的要求。高溫升會(huì)導(dǎo)致永磁體退磁、軸承油脂老化、絕緣破壞等問題，從而降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用壽命。因此電機(jī)的溫升計(jì)算以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電機(jī)開發(fā)過程中的重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究了水路結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻介質(zhì)、水流速度等對(duì)電機(jī)溫升的影響。文獻(xiàn)[1]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析了不同軸向水道數(shù)量對(duì)機(jī)殼散熱能力的影響；文獻(xiàn)[2]、[3]對(duì)4種不同的水路布置在不同流量的工況下進(jìn)行分析，基于驅(qū)動(dòng)能耗和冷卻效率，確定了半螺旋水路所具有的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[4]通過改變螺旋水路水道截面的長(zhǎng)寬比分析了永磁電機(jī)的散熱系數(shù)、水泵功率以及溫度分布；文獻(xiàn)[5]、[6]分別通過CFD、熱路法研究了冷卻水流速對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部溫度的影響；文獻(xiàn)[7]研究了一種互逆軸向雙水道結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)溫升的影響。由此可知，液冷系統(tǒng)影響電機(jī)溫升的因素眾多且相互關(guān)聯(lián)。目前對(duì)電機(jī)溫升多因素聯(lián)合作用的研究較少，因此本文以并頭端繞組溫升、水道水阻為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)物流車用永磁同步電機(jī)液冷系統(tǒng)的水道進(jìn)口流量、水路布置、水道截面3個(gè)因素對(duì)電機(jī)溫升的影響進(jìn)行研究。

1 模型建立

1.1 數(shù)值模型

液冷電機(jī)主要通過對(duì)流換熱降低冷卻機(jī)殼溫度，進(jìn)而冷卻定子、轉(zhuǎn)子以及永磁體。本文以一款轉(zhuǎn)子為V型結(jié)構(gòu)的4.5 t物流車用液冷永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)參數(shù)

根據(jù)傳熱理論，在電機(jī)的溫度計(jì)算過程中遵循能量守恒等基本定律，液冷系統(tǒng)電機(jī)的三維數(shù)學(xué)模型如式(1)～(3)所示[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：T為溫度；kx,ky,kz分別為介質(zhì)在x,y,z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；x,y,z為空間方向矢量；q為熱源密度；c為物質(zhì)比熱容；n為邊界法向量；ρ為物質(zhì)密度；τ為時(shí)間項(xiàng)；k為s1,s2界面的法相導(dǎo)熱系數(shù)；s1,s2分別為絕熱和散熱邊界面；T1為邊界面s1的溫度；Ts為邊界面s2周圍介質(zhì)溫度；α為邊界面s2的對(duì)流換熱系數(shù)。

1.2 物理模型及基本假設(shè)

用Motor-CAD建立車用永磁同步電機(jī)物理模型，如圖1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，對(duì)模型作出如下假設(shè)：

圖1 車用永磁同步電機(jī)物理模型

1)電機(jī)相同材料部分理化性質(zhì)均勻；

2)忽略加強(qiáng)筋等局部特征對(duì)散熱性能的影響；

3)電機(jī)繞組銅線絕緣薄膜、絕緣浸漬漆、槽絕緣、相間絕緣、層絕緣、外包絕緣等效為繞組外部0.5 mm絕緣層。

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

在液冷電機(jī)的熱管理中，電機(jī)的冷卻效果主要與水路布置、水道截面、流量、冷卻介質(zhì)等因素相關(guān)。在保證溫升較低的情況下，降低水道阻力，減少能源消耗。

為研究電機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)對(duì)溫升特性的影響，在進(jìn)口水溫為60 ℃時(shí)，以并頭端繞組溫升、水道水阻為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)電機(jī)液冷系統(tǒng)的水道進(jìn)口流量、水路布置(圖2)、水道截面(圖3)3個(gè)因素在額定轉(zhuǎn)速額定功率、峰值轉(zhuǎn)速峰值功率、峰值轉(zhuǎn)速最大功率、峰值轉(zhuǎn)矩最大功率4種工況下進(jìn)行分析，鑒于分析方法一致，僅以額定轉(zhuǎn)速額定功率工況進(jìn)行詳細(xì)說明。正交試驗(yàn)安排見表2。

圖2 水道布置方式

圖3 水道截面圖

表2 試驗(yàn)安排

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

圖4為不同試驗(yàn)組并頭端繞組溫升和冷卻系統(tǒng)水阻柱狀圖。從圖中可以看出，試驗(yàn)1冷卻系統(tǒng)水阻最大，為2.76 kPa，試驗(yàn)3水阻最小，為0.02 kPa。試驗(yàn)3并頭端繞組的溫升最大，達(dá)到了67.4 ℃，試驗(yàn)8繞組溫升較試驗(yàn)3降低了7.1 ℃，為60.3 ℃。

圖4 并頭端繞組溫升和冷卻系統(tǒng)水阻

圖5所示為不同試驗(yàn)組在額定工況下溫度-時(shí)間曲線圖。由圖可以看出，各試驗(yàn)組溫度變化趨勢(shì)相同，溫升速率隨時(shí)間推移逐漸變緩，在2 000 s左右溫升達(dá)到穩(wěn)定；不同試驗(yàn)組前500 s內(nèi)冷卻系統(tǒng)對(duì)繞組溫升速率的影響一致，在500—2 000 s時(shí)間段，冷卻系統(tǒng)對(duì)溫升速率的影響出現(xiàn)差異，穩(wěn)態(tài)溫升也有所區(qū)別，其中試驗(yàn)3溫升最大，試驗(yàn)8溫升最小。

圖5 額定工況溫度-時(shí)間曲線圖

冷卻系統(tǒng)的水阻、并頭端繞組溫升的效應(yīng)曲線如圖6所示。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，隨著流量的增大，溫度降低，水阻增大；水路布置由軸向、螺旋、2路并聯(lián)依次變化時(shí)，溫度升高，水阻減?。凰澜孛孀兓来螢榻孛鍭、B、C時(shí)，溫度升高，水阻減小。

權(quán)衡電機(jī)冷卻系統(tǒng)水阻和溫升評(píng)價(jià)指標(biāo)，將兩指標(biāo)線性疊加得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖6(c)所示。由圖可以看出，3條曲線均先降低后增加，在流量為16 L/min、水道截面為截面B、水路布置為螺旋水路時(shí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值最小，即繞組溫升小、水阻小，為各實(shí)驗(yàn)組中最優(yōu)的因素組合方式。

圖6 效應(yīng)曲線圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)樣機(jī)為8極48槽60 kW物流車用液冷永磁同步電機(jī)。新能源汽車電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)由樣機(jī)(定子并頭端預(yù)埋NTC測(cè)溫元件)、測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、功率分析儀、試驗(yàn)臺(tái)架等組成，冷卻介質(zhì)為水，流量為16 L/min，水道截面B，水路布置為螺旋水路，進(jìn)口水溫為61.2 ℃。試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 新能源汽車電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)樣機(jī)在4種不同運(yùn)行工況下溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8(a)為最優(yōu)參數(shù)組合在額定工況下的溫度-時(shí)間曲線，電機(jī)端部繞組溫升為62.4 ℃，冷卻系統(tǒng)水阻為0.44 kPa；圖8(b)、(c)、(d)分別為峰值轉(zhuǎn)速額定功率、峰值轉(zhuǎn)速最大功率、峰值轉(zhuǎn)矩最大功率工況下的溫度-時(shí)間曲線。由圖可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，吻合程度高。提取計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果中的穩(wěn)態(tài)溫升和時(shí)長(zhǎng)，見表3。在計(jì)算時(shí)長(zhǎng)與試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)一致時(shí)，試驗(yàn)和計(jì)算得到的溫度最大誤差為3.33%，小于5%，由此驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

表3 試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差分析

圖8 4種工況試驗(yàn)、計(jì)算溫度曲線對(duì)比

誤差產(chǎn)生的原因主要來自于兩個(gè)方面，一是計(jì)算值基于前文所述的多種假設(shè)條件，與實(shí)際情況存在差別；二是與試驗(yàn)過程中試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試設(shè)備的精度等級(jí)，穩(wěn)定性限制，測(cè)量、讀取數(shù)據(jù)存在誤差。

4 結(jié)論

1)冷卻系統(tǒng)水阻與并頭端繞組溫升隨流量、水路布置和水道截面變化，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮冷卻系統(tǒng)參數(shù)的取值范圍。

2)對(duì)流量、水路布置、水道截面3個(gè)因素進(jìn)行分析，得到了流量為16 L/min、水道截面為截面B、水路布置為螺旋水路的最優(yōu)組合。

3)樣機(jī)4種工況下的溫升試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了Motor-CAD在電機(jī)溫升計(jì)算方面的可靠性，可為電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算提供參考。