車(chē)用螺旋型水道永磁同步電機(jī)溫升特性

何聯(lián)格，石文軍，陳紅玲，張 斌，聶遠(yuǎn)航，吳欣陽(yáng)

(1.重慶理工大學(xué) 車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400054；3.重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402761)

由于永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、高功率密度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1-2]。由于車(chē)用永磁同步電機(jī)功率密度大，工作環(huán)境封閉，散熱困難，導(dǎo)致電機(jī)溫度過(guò)高，從而引起永磁體不可逆退磁和繞組絕緣層快速老化失效等問(wèn)題，因此研究永磁同步電機(jī)的冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行可靠性具有重要意義[3-4]。

電機(jī)的冷卻方式主要有自然冷卻、風(fēng)冷、水冷、油冷以及混合冷卻等。趙蘭萍等[5]對(duì)比研究了自然風(fēng)冷和油冷2種冷卻方式對(duì)輪轂電機(jī)溫升特性的影響。吳琳等[6]對(duì)比研究了電機(jī)在風(fēng)冷和水冷下的溫升特性，得出水冷具有良好的冷卻效果。水冷系統(tǒng)具有成本低、效果好的優(yōu)點(diǎn)，使用較廣泛。現(xiàn)有對(duì)水冷電機(jī)的研究，集中在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化[7-9]。劉慧娟等[10]利用3D有限元法對(duì)比分析了永磁同步電機(jī)在不同水道結(jié)構(gòu)、不同注水方式、不同冷卻液溫度和流量下的溫度場(chǎng)分布。李曉藝等[11]提出一種軸向Z字形互逆雙水道模型，分析得出互逆雙水道能在一定程度上改善電機(jī)的冷卻效果。Zhang等[12]研究了車(chē)用永磁同步電機(jī)水道的長(zhǎng)度、寬度、水道層數(shù)以及電機(jī)機(jī)殼厚度對(duì)電機(jī)冷卻效果的影響。綜上可知，已有文獻(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的研究中，主要分析了單水道模型下的溫升特性。

本文以某38 kW車(chē)用永磁同步電機(jī)樣機(jī)為研究對(duì)象，利用Maxwell和CFX仿真軟件對(duì)樣機(jī)電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法和模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)流雙水道電機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與單水道電機(jī)模型進(jìn)行對(duì)比分析，得出對(duì)流雙水道電機(jī)模型具有更好的冷卻效果的結(jié)論。

1 電機(jī)原模型下的溫度場(chǎng)仿真

1.1 電機(jī)基本參數(shù)

本文以一臺(tái)48槽/8極永磁電機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)該電機(jī)在38 kW、4 000 r/min工況下的溫升特性進(jìn)行分析，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樣機(jī)基本參數(shù)

1.2 電機(jī)熱源計(jì)算

該樣機(jī)損耗主要是由繞組銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、永磁體渦流損耗、風(fēng)磨損耗組成。其中銅耗和風(fēng)磨損耗采用公式計(jì)算，定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗和永磁體渦流損耗通過(guò)仿真計(jì)算得到。

繞組銅耗主要來(lái)自于銅線內(nèi)阻，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程在計(jì)算銅耗時(shí)不考慮溫度對(duì)電阻的影響，諧波以及集膚效應(yīng)，直接采用式(1)計(jì)算

PCu=mI2R

(1)

式中：PCu為繞組銅耗；m為電機(jī)相數(shù)；I為相電流；R為繞組內(nèi)阻。

風(fēng)磨損耗是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子表面與空氣發(fā)生摩擦而產(chǎn)生。采用式(2)計(jì)算

(2)

式中：PF為風(fēng)磨損耗；n1為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；Dr為轉(zhuǎn)子外徑；lr為轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度。

在永磁體和三相交流電的相互作用下，定、轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成復(fù)雜多變的磁場(chǎng)[13]。為了快速準(zhǔn)確地得到包括磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗的定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗，以及全面考慮定子開(kāi)槽和定子繞組分布引起空間諧波以及定子電流的非正弦引起的時(shí)間諧波[7]引起的永磁體渦流損耗，直接利用Maxwell進(jìn)行瞬態(tài)電磁仿真，得到電機(jī)各部件具體損耗值，如表2所示。

表2 熱源分布

1.3 仿真模型的建立

1.3.1溫度場(chǎng)分析的幾點(diǎn)假設(shè)

永磁同步電機(jī)的熱源比較多，熱量的傳遞過(guò)程十分復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，提出如下幾點(diǎn)假設(shè)[14]：

① 電機(jī)繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和氣隙各部分產(chǎn)生的熱量分別均勻分布。

② 忽略各個(gè)部件之間的裝配間隙。

③ 忽略電機(jī)在溫升過(guò)程中的熱輻射。

④ 忽略溫度對(duì)電機(jī)各個(gè)部件的導(dǎo)熱系數(shù)以及表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響。

⑤ 電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)很小，故冷卻水為不可壓縮流體。

1.3.2熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，在笛卡兒坐標(biāo)系內(nèi)，求解域內(nèi)熱傳導(dǎo)微分方程為

(3)

式中：λx、λy、λz為電機(jī)內(nèi)各介質(zhì)在x、y、z方向的熱導(dǎo)率；T為物體的溫度；qv為熱源密度；ρ為物體的密度；c為物體的質(zhì)量熱容；Tw為邊界溫度值；τ為時(shí)間項(xiàng)；S1、S2、S3為物體邊界；Tf為流體溫度；α為流體與壁面間的表面對(duì)流換熱系數(shù)。

1.3.3溫度仿真模型

經(jīng)過(guò)對(duì)模型網(wǎng)格質(zhì)量仿真分析時(shí)長(zhǎng)等綜合考慮，對(duì)電機(jī)進(jìn)行一系列簡(jiǎn)化，建立包括機(jī)殼、水道、冷卻水、定子、繞組、轉(zhuǎn)子、永磁體和軸的仿真物理模型，如圖1(a)所示。為了方便仿真前處理，遵循繞組總體體積不變的原則，將多匝繞組等效為實(shí)心一體模型，如圖1(b)所示。

圖1 電機(jī)溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化模型

1.4 導(dǎo)熱系數(shù)的確定

1.4.1絕緣層等效導(dǎo)熱系數(shù)

由于在定子槽內(nèi)有不均勻分布的槽內(nèi)浸漆層、槽絕緣層、繞組絕緣層以及槽內(nèi)間隙，為了方便建模和計(jì)算，將所有絕緣材料等效為一體，如圖2(c)所示。等效絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)式(4)計(jì)算[15]

圖2 各位置溫度分布云圖

(4)

式中：λ0為絕緣體等效導(dǎo)熱系數(shù)；δi為(i=1、2、3、4)各種絕緣體的等效厚度；λi為(i=1、2、3、4)各種絕緣體的等效導(dǎo)熱吸收。

1.4.2氣隙的等效導(dǎo)熱系數(shù)

雖然定、轉(zhuǎn)子氣隙厚度很薄，但是對(duì)電機(jī)溫升過(guò)程的影響很大。為了方便仿真前處理，將轉(zhuǎn)子和氣隙假設(shè)為靜止，氣隙為固體，將原來(lái)的熱對(duì)流變?yōu)闊醾鲗?dǎo)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]引入氣隙的等效導(dǎo)熱系數(shù)λa，根據(jù)氣隙的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)其等效導(dǎo)熱的計(jì)算如下：

(5)

式中：Reg為等效氣隙雷諾數(shù)；Dr為轉(zhuǎn)子外徑；n1為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；γa為空氣動(dòng)力粘度；g為氣隙厚度；Recr為等效氣隙臨界雷諾數(shù)；Ds為定子鐵芯內(nèi)徑。

若Reg小于Recr，定、轉(zhuǎn)子間空氣流動(dòng)狀態(tài)為層流，氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；若Reg大于Recr，定、轉(zhuǎn)子間空氣流動(dòng)狀態(tài)為湍流，此時(shí)氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)λa可根據(jù)以下公式計(jì)算：

(6)

式中：λa為氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)。

1.5 溫度場(chǎng)仿真分析

1.5.1邊界條件設(shè)置

該電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真邊界條件設(shè)置如下:

① 將電機(jī)環(huán)境溫度設(shè)置為65 ℃。

② 冷卻水入口設(shè)置為速度入口，流速為8 L/min，溫度為30 ℃。

③ 冷卻液出口設(shè)置為零壓力出口。

④ 仿真計(jì)算中所有流固耦合面兼為無(wú)滑移邊界。

⑤ 電機(jī)內(nèi)各零件的端面散熱系數(shù)參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行處理。

1.5.2溫度場(chǎng)求解

通過(guò)對(duì)電機(jī)在38 kW、4 000 r/min工況下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，各位置溫度分布情況如圖2所示。最高溫度出現(xiàn)在繞組端部，為87.5 ℃；永磁體最高溫度為63.7 ℃;定子最高溫度也出現(xiàn)在端部，為64.4 ℃。電機(jī)各部件都出現(xiàn)兩端溫度高于中間溫度的現(xiàn)象，繞組和定子的溫差較大，其他部件相對(duì)較少，主要是因?yàn)槔@組兩端端部熱量大且無(wú)法直接通過(guò)冷卻水冷卻。

2 電機(jī)溫升試驗(yàn)與仿真對(duì)比

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)采用熱電偶法，因?yàn)槔@組端部溫度最高，所以試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)繞組端部溫升狀況。雖然熱電偶直接接觸被測(cè)繞組，為了避免繞組周向溫差導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，在繞組溫度較高端均勻地放置4組熱電偶。

圖3 電機(jī)溫升臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試

將所讀取的4組數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與仿真溫度值對(duì)比，如圖4所示。樣機(jī)在前300 s溫度上升較快，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中300～1 200 s的溫度雖然有微小波動(dòng)，但是整體上呈緩慢上升，到1 200 s溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，仿真溫度穩(wěn)定在87.5 ℃，試驗(yàn)溫度為90 ℃，誤差在允許范圍內(nèi)，并且仿真溫度與試驗(yàn)溫度變化趨勢(shì)一致。驗(yàn)證了對(duì)電機(jī)溫升過(guò)程的仿真計(jì)算方法和模型的準(zhǔn)確性。

圖4 仿真溫度與試驗(yàn)溫度曲線

3 對(duì)流雙水道的提出和分析

3.1 對(duì)流雙水道電機(jī)與單水道電機(jī)模型對(duì)比

為了研究對(duì)流雙水道對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)該樣機(jī)模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化模型如圖5所示，控制2種水道截面積相等。單水道入水口水流速度為8 L/min，溫度為30 ℃，對(duì)流雙水道有2個(gè)入水口，進(jìn)水口流速各為4 L/min，溫度為30 ℃。

圖5 2種水道下的電機(jī)模型

3.2 對(duì)流雙水道模型電機(jī)與單水道模型電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)比分析

3.2.1在38 kW、4 000 r/min下穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析

以38 kW、4 000 r/min為例，模擬電動(dòng)車(chē)在某低速工況下勻速運(yùn)行。對(duì)2種水道結(jié)構(gòu)下的電機(jī)進(jìn)行CFX穩(wěn)態(tài)仿真。

圖6(a)顯示單水道模型電機(jī)冷卻水壓降為 6 684 Pa，對(duì)流雙水道模型電機(jī)冷卻水壓降為7 351 Pa，單水道模型電機(jī)比對(duì)流雙水道模型電機(jī)壓力損失大667 Pa。圖6(b)分別是單水道模型電機(jī)水流速度與對(duì)流雙水道模型電機(jī)水流速度，水流速度最高分別為1.19 m/s和1.24 m/s，對(duì)流雙水道模型高于單水道模型0.05 m/s。通過(guò)對(duì)比2種水道模型的電機(jī)冷卻水壓降和流速可知，在水道橫截面相同的情況下，對(duì)流雙水道模型電機(jī)比單水道模型電機(jī)冷卻水能量損失高10%。

圖6 單雙水道云圖

對(duì)流雙水道模型電機(jī)與單水道模型電機(jī)繞組軸向溫度如圖7所示。對(duì)比對(duì)高溫度，雙水道模型電機(jī)為88.3 ℃，單水道模型電機(jī)高于前者4.9 ℃，為93.2 ℃；對(duì)比平均溫度，雙水道模型電機(jī)為69 ℃，單水道模型電機(jī)為69.2 ℃，二者幾乎相等；對(duì)比兩端溫差，雙水道模型電機(jī)比單水道模型電機(jī)低11.1 ℃，為6.1 ℃；2種模型在軸向上的溫差十分明顯，雙水道模型電機(jī)最大為35.3 ℃，單水道模型電機(jī)最大為41.2 ℃。

圖7 2種水道模型下繞組軸向溫度曲線

對(duì)流雙水道模型電機(jī)與單水道模型電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向溫度如圖8所示。對(duì)比對(duì)高溫度，雙水道模型電機(jī)為61.5 ℃，單水道模型電機(jī)為63.1 ℃，前者比后者低1.6 ℃；對(duì)比平均溫度，對(duì)流雙水道模型電機(jī)略低，分別為59.4 ℃和59.6 ℃；對(duì)比兩端溫差和軸向最大溫差，雙水道模型電機(jī)都略低于單水道模型電機(jī)。

圖8 2種水道模型下轉(zhuǎn)子軸向溫度曲線

對(duì)比對(duì)流雙水道模型電機(jī)和單水道模型電機(jī)，雖然在繞組和轉(zhuǎn)子在軸向平均溫度上沒(méi)有明顯差距，但是對(duì)于電機(jī)在2種冷卻水道下的最高溫度，特別是繞組最高溫度，雙水道模型電機(jī)比單水道模型電機(jī)低5.3%，并且從繞組和轉(zhuǎn)子的軸向溫度對(duì)比可以看出，雙水道模型電機(jī)溫度在軸向上分布更加均勻。

3.2.2在74 kW、10 000 r/min下瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

電機(jī)在74 kW、10 000 r/min下工作時(shí)，模擬汽車(chē)在短暫超車(chē)工況下的情景。對(duì)雙水道對(duì)流模型電機(jī)和單水道模型電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真，假設(shè)電機(jī)最大耐高溫150 ℃。2種模型下的分析結(jié)果如圖9所示。雙水道模型電機(jī)達(dá)到150 ℃的時(shí)間在第65 s，單水道模型電機(jī)達(dá)到150 ℃的時(shí)間在第61 s，前者比后者晚4 s達(dá)到最高溫度。在實(shí)際行車(chē)過(guò)程中，若采用對(duì)流雙水道電機(jī)，在短暫的超車(chē)工況下行駛時(shí)，對(duì)比單水道電機(jī)可以多行駛4 s，若在該轉(zhuǎn)速下電動(dòng)車(chē)車(chē)速為100 km/h，采用對(duì)流雙水道電機(jī)比單水道電機(jī)多行駛111 m，可以在一定程度上提高超車(chē)安全距離。

圖9 2種水道模型下繞組達(dá)到150 ℃時(shí)間曲線

4 結(jié)論

1) 采用電磁場(chǎng)-流體場(chǎng)-溫度場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合的方法，仿真分析了樣機(jī)在額定工況下持續(xù)運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布，并將計(jì)算結(jié)果與樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法和模型的準(zhǔn)確性。

2) 通過(guò)對(duì)2種不同水道的電機(jī)模型的溫度場(chǎng)對(duì)比分析可得，電機(jī)各個(gè)部件的溫度軸向分布不均勻，尤其在繞組上表現(xiàn)最為明顯，單水道和雙水道模型的電機(jī)軸向最大溫差分別達(dá)到41.2 ℃和35.3 ℃。

3) 對(duì)比分析2種不同水道的電機(jī)模型溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可得，對(duì)流雙水道電機(jī)模型不僅可以降低電機(jī)最高溫度，而且使電機(jī)軸向溫度分布更加均勻。

4) 通過(guò)對(duì)2種電機(jī)模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真結(jié)果對(duì)比分析，在74 kW、10 000 r/min條件下運(yùn)行時(shí)，對(duì)流雙水道電機(jī)模型比單水道電機(jī)模型達(dá)到150 ℃所用時(shí)間更長(zhǎng)，表明雙水道電機(jī)模型能在高功率高轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。