電動汽車驅(qū)動電機冷卻流道性能的數(shù)值模擬研究

沈 超， 張藝哲， 楊建中， 李 歡， 張東偉

(1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學 機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

驅(qū)動電機作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有功率密度高、體積小等特點，其運行過程中產(chǎn)生的熱負荷又會直接影響到電機效率、壽命以及運行可靠性，因此，對驅(qū)動電機的有效冷卻顯得尤為重要[1-5]。

目前，對驅(qū)動電機冷卻的研究取得了一定進展。程樹康等[6]以實際樣機為例，建立了電動車用風冷和水冷感應電機溫度場的熱網(wǎng)絡模型，并以此模型為基礎(chǔ)，計算了風冷、水冷電機在額定功率下的溫度場分布。陳文華等[7]以耦合傳熱數(shù)值計算理論為基礎(chǔ)，通過改變水冷系統(tǒng)三維數(shù)值模型的邊界條件，對不同條件下電機主軸的溫升進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)標準k-ε控制方程是求解湍流狀態(tài)下耦合傳熱方程的一種非常有效的方法，同時還發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻水流量的增大，電機主軸溫升變得越來越小,當冷卻水流量增大到一定值時,僅僅增大冷卻水流量已不能降低電機主軸溫升。因此，為了能夠?qū)λ潆姍C進行有效冷卻，還需要對流道進行優(yōu)化設計。趙晨光等[8]設計了軸向和周向2種水道結(jié)構(gòu)，并進行了熱仿真，結(jié)果證明周向型水道結(jié)構(gòu)的性能更好。喻皓等[9]研究了驅(qū)動電機的水道層數(shù)對電機冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)16層水道的冷卻效果較好。胥軍等[10]通過分析驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)總功率與電機溫度間的關(guān)系，提出了一種溫度控制策略，根據(jù)總功率消耗最小值對應的溫度來調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速，并對這種控制策略進行了仿真和實驗驗證，結(jié)果證明，該控制策略可以有效降低驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)的功耗。劉慧軍等[11]以水冷永磁同步電機為對象，建立了電機流固耦合傳熱模型，對電機的溫度場和流場進行仿真求解，并進行了實驗驗證，發(fā)現(xiàn)降低冷卻介質(zhì)入口溫度或在一定流量范圍內(nèi)增大入口流量，可以有效提高電機的冷卻性能。為最大限度地降低設備能耗，提高資源利用效率，采用數(shù)值模擬的方法對復雜工況下流道內(nèi)流體的流動與傳熱進行研究是很有必要的，對設備的合理利用具有很重要的指導意義[12-13]。本文針對不同功率下電機的散熱問題，選擇了2種散熱方案即六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)和四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)，并基于耦合傳熱數(shù)值計算理論[14-15]和驅(qū)動電機周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的最佳運行工況[2]，建立了機殼內(nèi)部流體流動與換熱的三維模型，應用Fluent軟件對2種散熱方案下的流動和溫度分布進行計算，對比2種不同流道結(jié)構(gòu)對于不同功率驅(qū)動電機的冷卻效果，確定了適合不同功率驅(qū)動電機的冷卻方案。

1 數(shù)值模型

1.1 電機機殼模型

本文采用的驅(qū)動電機主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子和外部機殼。定子轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，其額定功率分別為80、90、100、110 kW。由于本文數(shù)值模擬主要分析水道結(jié)構(gòu)對于機殼內(nèi)壁面溫升的影響，所以忽略定子、轉(zhuǎn)子等部件的影響，機殼結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，中間陰影區(qū)域即為轉(zhuǎn)子工作的區(qū)域。由于目前國內(nèi)生產(chǎn)和使用的高效電機效率都在90%左右，因此該電機模型的電機效率取90%，電機轉(zhuǎn)子區(qū)域的散熱量為驅(qū)動電機額定功率的10%，即分別為8、9、10、11 kW。

圖1 驅(qū)動電機機殼模型Figure 1 Drive motor shell model

1.2 冷卻流道模型

由于冷卻水流道設置于機殼內(nèi)部，因此根據(jù)驅(qū)動電機機殼模型參數(shù)建立冷卻水流道的三維模型，如圖2所示。圖2(a)為四通道周向“Z”字形結(jié)構(gòu)，每個通道尺寸為10 mm×22 mm；圖2(b)為六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)，其中每個通道又包含2個小通道，每個小通道尺寸為10 mm×8 mm。2種結(jié)構(gòu)的機殼都采用鋁板沖孔卷焊而成，可以降低加工難度、減少加工成本。同時為了減少冷卻水在流道內(nèi)的阻力，矩形流道的邊角都進行了半徑為1 mm的圓角處理。

圖2 帶有流道結(jié)構(gòu)的機殼模型Figure 2 Shell model with flow channel structure

1.3 邊界條件

1.3.1 進水口的入口流速

入口流速：

(1)

式中：qv為體積流量，m3/s；A為入口的截面積，m2。

當進水口流量為10 L/min，入口截面直徑為12 mm時，入口流速為1.474 m/s。出口為壓力出口邊界，計算過程中不考慮機殼外壁面與環(huán)境之間的傳熱。產(chǎn)品要求機殼內(nèi)壁面最高溫度不超過100 ℃。

雷諾數(shù)：

(2)

式中：U為流體的速度，m/s；d為等效水力直徑，對于圓形入口截面，其值為截面直徑，m；ρ為流體的密度，kg·m-3；η為定性溫度下水的動力黏度，10-3Pa·s。入口水溫為65 ℃，其物性參數(shù)如表1所示。經(jīng)計算，該種條件下Re=40 064>2 320，因此冷卻水的流動狀態(tài)為湍流。

表1 水在65 ℃時的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of water at 65 ℃

1.3.2 熱流密度

(3)

式中：Q為電機散熱功率，W；A為電機的散熱面積，m2。

由于電機散熱主要由轉(zhuǎn)子向外傳導，因此認定轉(zhuǎn)子所在的區(qū)域為散熱區(qū)，即直徑為250 mm，寬為115 mm的圓周面。本文選取額定功率為80、90、100、110 kW的電機作為研究對象，其對應的熱流密度分別為88 618、99 695、110 773、121 850 W/m2。

2 機殼及冷卻水流道模型網(wǎng)格處理

本文基于Mesh處理模塊，對2種不同流道的機殼模型進行了網(wǎng)格劃分，為了增加模擬計算的精度，在冷卻水的進出水口以及機殼內(nèi)壁面進行了網(wǎng)格加密處理。為了進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，本文采用不同的網(wǎng)格數(shù)目，在冷卻水進水溫度為65 ℃、流量為10 L/min、驅(qū)動電機額定功率為80 kW的情況下，2種不同流道結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面最高溫度和進出水口壓力差如表2所示。從表2中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)目的不斷增加，內(nèi)壁面最高溫度和進出水口壓力差變化逐漸減小。同時由于網(wǎng)格數(shù)目的增加會加大計算量，因此綜合考慮各方因素，網(wǎng)格數(shù)目最后選擇：四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元數(shù)為9 542 128，六通道周向“Z”字形網(wǎng)格單元數(shù)為12 902 737。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果Table 2 Grid independence verification results

3 結(jié)果與分析

本文采用SIMPLE算法對流動壓力和溫度場進行計算，為保證計算精度，采用二階迎風的微分離散格式。當電機進水口體積流量為10 L/min時，四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的機殼在不同的電機功率下，內(nèi)壁面的溫度分布如圖3所示。從圖3中可以看出，四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)在不同的電機功率下，機殼內(nèi)壁面溫度整體變化趨勢相似，都隨著水的流程增加而增高，在軸向上存在一定的溫度梯度，但徑向上溫度變化相對較小，最高溫度出現(xiàn)在末端拐角的水流出口對應的位置。由于電機的功率不同，導致內(nèi)壁面的熱流密度也不同，因此，當功率大于90 kW時，內(nèi)壁面最高溫度超過100 ℃，不符合電機散熱的要求。

圖3 四通道內(nèi)壁面溫度分布Figure 3 Temperature distribution of the inner wall of the four channels

四通道周向“Z”字形流道的壓力分布如圖4所示。從不同功率電機的流道壓力分布圖可以看出，四通道周向“Z”字形電機在4種不同的電機功率下水流的壓力損失相差不大，且沿水流方向都緩慢降低。這是由于流道結(jié)構(gòu)相同，水道流阻相同，所以水流的壓力損失幾乎相同。同時由于該形式的流道是周向旋轉(zhuǎn)的，因此導致其結(jié)構(gòu)形成較多拐角，從而導致沿水流方向壓力損失相對較大，并且容易形成渦流使流道內(nèi)的水流狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖4 四通道流道壓力分布Figure 4 Pressure distribution in the four channels

六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)其本質(zhì)上與四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)相似，都為流道周向旋轉(zhuǎn)流道，主要區(qū)別在于流道數(shù)目不同，因此2種結(jié)構(gòu)在不同功率下內(nèi)壁面溫度和流道壓力變化趨勢相同：內(nèi)壁面溫度都隨著水流的流動方向而增加，流道壓力都在機殼軸向呈梯度分布。但兩者在內(nèi)壁面最高溫度和進出水口壓力差方面呈現(xiàn)較大差異。

圖5給出了2種不同流道結(jié)構(gòu)機殼的內(nèi)壁面最高溫度和驅(qū)動電機額定功率之間的關(guān)系。從圖5中可以看出，隨著驅(qū)動電機功率的不斷增加，2種流道結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面最高溫度也在不斷增加。其中四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)在4種不同的功率下內(nèi)壁面溫度都高于六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)。這是由于六通道的流程較四通道的大，冷卻水在流道里存留的時間更久，冷卻更為充分。因此，與四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)相比，六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的冷卻效果更好。同時四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)在100 kW和110 kW的電機功率下內(nèi)壁面溫度均超過100 ℃，并且，當功率為80 kW和90 kW時，四通道結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面最高溫度分別比六通道結(jié)構(gòu)高12.05%和12.48%，而六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)在4種不同的電機功率下，內(nèi)壁面最高溫度都沒有超過100 ℃。

圖5 內(nèi)壁面最高溫度與驅(qū)動電機功率的關(guān)系Figure 5 Relationship between the maximum temperature of the inner wall surface and the power of the drive motor

圖6給出的是不同流道結(jié)構(gòu)進出水口壓力差與驅(qū)動電機額定功率之間的關(guān)系。從圖6可以看出，隨著驅(qū)動電機額定功率的變化，2種不同流道結(jié)構(gòu)的進出水口壓力差幾乎不變，但是六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的進出水口壓力差在4種不同的電機功率下，都要高于四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)。當功率為80 kW和90 kW時，四通道結(jié)構(gòu)的壓力損失比六通道結(jié)構(gòu)降低了61.87%和61.38%。這是因為四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)水道層數(shù)少，單個水道的當量直徑大，水流在流道中的流阻較小，易于通道內(nèi)水的循環(huán)。由此可見，雖然六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)冷卻效果較好，但對于同樣大小、同種結(jié)構(gòu)的電機，如果選用該種流道結(jié)構(gòu)，會導致水泵驅(qū)動功率的提高和電機機殼厚度的增加，從而增加了結(jié)構(gòu)設計的難度以及運行的可靠性。而四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)雖然冷卻效果較差，但進出水口的壓力損失較小，即使有可能增大進水口流量也不會帶來非常大的壓力損失，也不會對機殼的抗壓能力提出過高要求，因此當同樣大小、同種結(jié)構(gòu)的電機增大冷卻水量時具有更強的適應性。

圖6 進出水口壓力差與驅(qū)動電機功率的關(guān)系Figure 6 Relationship between the pressure difference between the inlet and outlet and the power of the drive motor

由于2種流道結(jié)構(gòu)的機殼的主要區(qū)別在于流道的數(shù)目不同，從而導致冷卻水在流道內(nèi)存留時間不同以及流道內(nèi)換熱面積不同。用DesignModeler數(shù)據(jù)處理功能可得到四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的換熱表面積為0.215 m2，六通道結(jié)構(gòu)流道的換熱表面積為0.342 m2。由此表明，六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)更適合該種機殼的冷卻。

4 結(jié)論

本文針對額定功率為80、90、100、110 kW電動汽車驅(qū)動電機，選擇了2種散熱方案即四通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)和六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)，并基于耦合傳熱數(shù)值計算理論和驅(qū)動電機周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的最佳運行工況，建立了機殼內(nèi)部流體流動與換熱的三維模型，對比分析了2種不同流道結(jié)構(gòu)在不同的驅(qū)動電機功率下的內(nèi)壁面最高溫度和流道壓力分布，得到了以下結(jié)論：

(1)六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的機殼內(nèi)壁面溫度在4種不同的電機功率下始終小于相同電機功率條件下四通道流道結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面溫度，并且都小于100 ℃。而四通道流道結(jié)構(gòu)在100 kW和110 kW的電機功率下，內(nèi)壁面溫度超過了100 ℃。在電機功率為80 kW和90 kW的時候，2種流道結(jié)構(gòu)都適用，但在這2種功率下，四通道結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面最高溫度分別比六通道結(jié)構(gòu)的高12.05%和12.48%，因此六通道流道結(jié)構(gòu)冷卻效果更佳。在電機功率為100 kW和110 kW的時候，只有六通道流道結(jié)構(gòu)的機殼適合該種電機的冷卻。

(2)六通道周向“Z”字形流道結(jié)構(gòu)的機殼在冷卻過程中流道的壓力損失較四通道流道結(jié)構(gòu)大很多，當電機功率為80 kW和90 kW時，四通道結(jié)構(gòu)的壓力損失分別比六通道結(jié)構(gòu)降低了61.87%和61.38%，對機殼厚度和加工工藝沒有過高的要求。因此在較低功率的驅(qū)動電機冷卻方案中可以優(yōu)先選用四通道流道結(jié)構(gòu)。